超聲波技術在汽車防撞系統設計的應用

麥錦文

（廣州市交通運輸職業學校，廣東 廣州 510440）

現代汽車倒車防撞測距技術，利用超聲波測距具有先進性和可靠性，系統通過探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并在危險區域內及時發出警告。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而利用超聲波設計的倒車防撞測距系統，可以實現探測到在盲區內障礙物的距離和方向。超聲波檢測電路往往比較迅速、方便、易于做到聲光并茂的聽覺和視覺警告，通過實時控制，可以游刃有余地讓駕駛員采取必要的動作措施，因此在汽車倒車預警裝置的研制上，得到了實際的應用效果。

1 超聲波測距原理分析

1.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器規格品種較多，在汽車倒車防撞測距報警系統中，目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。這種傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，是一種可逆的換能器件，既可以把電振蕩的能量轉換為機械振蕩形成超聲波，又可以把接收到的超聲波能量轉換為電振蕩，圖1所示是分離式反射型超聲波傳感器的基本工作方式。

圖1 傳感器的基本工作方式

1.2 超聲波傳感器工作原理

從圖2中T/R40型超聲波傳感器頻率特性曲線可看出，其聲壓能級、靈敏度在40 kHz時最大，在電路設計時40 kHz為最佳工作狀態。當有40 kHz的脈沖電信號從傳感器的兩引腳輸入時，傳感器內部通過激勵換能器處理以后，將其轉換成機械振動能，由此而形成了超聲波，并通過傳感器的輻射口將超聲波信號向外部空間發射。同時發射出去的超聲波信號在遇到障礙物以后，立即被反射回來。接收機接收后，通過內部轉換，將超聲波信號變成電振蕩信號，并將信號放大。汽車倒車防撞測距系統，就是通過超聲波傳感器獲得所需要的控制信號，利用該信號控制測距和報警電路的。

圖2 T/R40型超聲波傳感器頻率特性曲線

1.3 汽車倒車防撞系統超聲波測距原理

汽車倒車系統超聲波測距原理是：超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波，就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離S，即S=340 t/2。在接收和發射的超聲波系統中，發射傳感器的共振頻率與接收傳感器的反共振頻率是互相匹配的。

2 超聲波探測實驗電路

原理如圖3所示，該電路是利用超聲波反射原理，檢測前方障礙物位置，電路由超聲波發射電路、接收放大電路及檢測電路組成。

圖3 超聲波接收電路

超聲波發射電路是由NE555定時器產生40 kHz的超聲波信號，經超聲波發射頭UCM－40T向外發射（見圖3）。

超聲波接收電路如圖4所示，若發射的超聲波遇到障礙物，超聲波接收頭UCM－40 R將接收到反射的超聲波信號，并將其轉換為電信號，經過三級運算放大器放大，送入由鎖相環譯碼器LM567組成的檢測電路。當LM567設定的頻率與發射頻率一致時，8腳輸出低電平，使三極管Q導通，在電阻R13形成高電位。如果離開障礙物，三極管Q輸出低電位。接收信號可以通過一個音樂芯片、驅動電路和揚聲器發出汽車的倒車安全提示警示。

圖4 超聲波發射電路

3 汽車超聲波防撞測距系統的電路設計

汽車超聲波防撞測距系統的設計，從圖2超聲波傳感器的頻率特性曲線中可以得知，超聲波傳感器的中心工作頻率40 kHz時為最大，接收到的信號最強，當偏離這個頻率時，接收的靈敏度將明顯降低，當發送的頻率偏離40 kHz時，探測距離也將縮短。在超聲波測距系統電路設計時，關鍵在于調準40 kHz驅動信號。對于產生40 kHz的驅動信號，方法有多種，可以選用電感、電容振蕩元件來完成驅動信號的發生器，但是其頻率難以調準，穩定性相對較差。所以，以上的NE555定時器超聲波實驗電路，實驗中不容易達到要求。

因此，在本電路設計中，介紹選用美國INTEL公司在我國非常流行的51系列單片機芯片（8751或89 C51或89 S51）作為信號的發生電路，由于采用了頻率穩定性好的晶振作為系統的時鐘，有極高的穩定性，由此產生的驅動信號也較為穩定，當編制不同的程序時，可以得到不同的頻率輸出，且成本較低、有良好的性價比。我們曾用它來完成一系列的實驗，符合設計實驗制作要求，且芯片內有4 k的ROM，便于編程。

3.1 系統硬件設計

汽車超聲波防撞測距系統，應能幫助汽車駕駛員及時了解車周圍阻礙物的情況，防止汽車在轉彎、倒車等情況下撞傷、劃傷。其硬件電路設計，接收部分電路如圖5所示。圖中只畫出某一個方向測距電路的接線圖，其他測距電路分別相同，故省略之。

圖5 超聲波測距電路原理圖

40kHz脈沖的產生與超聲波發射。測距系統中采用UCM40的壓電陶瓷超聲波傳感器，其工作電壓是40 kHz的脈沖信號，執行程序由單片機來產生。

PUZEL：MOV 14H,#12H；超聲波發射持續200μs

HERE：CPL P1.0；輸出40 kHz方波……

RET ……（略）

在測距電路中，假設這個方向的輸入端接單片機P1.0端口，單片機執行上面的程序后，在P1.0端口將輸出一個40 kHz的脈沖信號，經過三極管T放大，驅動超聲波發射頭UCM40T，發出40 kHz的脈沖超聲波。其他電路的輸入端，可以分別接P1.1和P1.2端口，工作原理分別相同。

3.2 超聲波的接收與處理

接收頭采用與發射頭配對的UCM40R，將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號，經運算放大器IC1A和IC1B兩級放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環的音頻譯碼集成塊LM567，內部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1 R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調節R8在發射的載頻上，則LM567輸入信號大于25 mV，輸出端8腳由高電平躍變為低電平，作為中斷請求信號，送至單片機處理。

圖6 程序流程圖

4 結束語

利用51系列單片機設計汽車超聲波倒車防撞測距系統，電路簡單，程序設置可以自定，讀數直觀，工作穩定。在實驗中需要注意的問題是：汽車的倒車防撞報警器電路的超聲波發射傳感器和接收傳感器，一般并排安裝在汽車的尾部，電路部分是安裝在駕駛室內。兩者的連接電纜長度在5 m左右，連接應采用帶狀屏蔽電纜較為合適，使用屏蔽線的目的，主要是為了防止外界的干擾串入電子電路，以避免倒車防撞報警的電子電路產生誤動作。使實驗的效果更符合實際。經實驗測試證明，該類測距系統，雖然該系統中鎖相環鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，但在汽車超聲波測距系統應用中，此誤差仍可以滿足要求。

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