基于STC12C5A03的倒車雷達系統(tǒng)設計

李 東，鄭建立

東華大學信息科學與技術學院，上海 201620

0 引言

2011年底我國汽車保有量破一億大關位于世界第二，然而，隨著保有量的激增由此而帶來了道路擁擠和交通事故頻發(fā)等問題。在所有交通事故中，由泊車而引發(fā)的交通事故占有很大比例。因此，倒車雷達系統(tǒng)應運而生。本文介紹的倒車雷達系統(tǒng)采用渡越時間法進行超聲波測距，并運用自動增益放大電路提高系統(tǒng)的測量精度。

1 超聲波測距原理

渡越時間法(TOF)的工作原理：檢測從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出去的超聲波, 經(jīng)氣體介質傳播到接收探頭的時間, 這一段時間稱為渡越時間。渡越時間與超聲波在氣體介質中的聲速相乘, 就是聲波傳輸?shù)木嚯x。公式如下所示：

式中，s為待測距離,v超聲波在氣體介質中傳播的聲速,t為渡越時間。

超聲波在空氣中傳播時很容易收到環(huán)境溫度的影響，超聲波速度與空氣溫度的關系為：

其中，v0為超聲波在0℃的空氣中的傳播速度331.45m/s,T為空氣的溫度。

2 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)以STC12C5A60S2為核心控制芯片，系統(tǒng)主要包括超聲波測距模塊，溫度補償模塊，時鐘模塊，顯示模塊和語音報警模塊等。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2.1 超聲波測距模塊

本文設計的超聲波測距模塊采用了自增益放大電路、渡越時間法檢測電路和峰值檢測電路。可變增益放大電路主要用來調整回波信號的幅值；渡越時間法檢測電路主要用來判斷接收的信號是否為回波，若是回波，則請求單片機中斷，立刻停止時鐘模塊的計時工作，將所計時時間傳遞給單片機；峰值檢測電路主要用于消除干擾信號，檢測出回波信號的峰值傳遞給單片機。

超聲波測距模塊主要包括超聲波傳感器，超聲波發(fā)射接收電路、前置放大電路、可變增益放大電路、帶通濾波電路、峰值檢測電路、渡越時間法檢測電路。

2.1.1 超聲波發(fā)射接收電路

本系統(tǒng)超聲波傳感器選用收發(fā)一體式超聲波傳感器TCF40-25TR1，其中心頻率為40kHz。超聲波發(fā)射接收電路接收通過P1.0 輸出的，由STC12C5A60S2單片機產(chǎn)生40kHz的TTL脈沖信號，驅動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物反射的回波信號加載到超聲波傳感器上。

圖2 超聲波發(fā)射接收電路

2.1.2 可變增益放大電路

由于超聲波在空氣中傳播時，超聲波的聲強隨著傳播距離的增加而呈減少，其減小系數(shù)與超聲波頻率的平方成正比。因此系統(tǒng)設計可變增益放大電路，主要是使得放大器的增益隨距離的變化而自動調整，使得回波信號的幅值不隨距離的變化而受到較大影響?？勺冊鲆娣糯箅娐稟GC如下圖所示。

圖3 可變增益放大電路AGC

這里采用一對場效應管J1和J2可組成動態(tài)范圍較大的增益，由外加電壓AGC控制的壓控放大器。而控制電壓AGC應能隨目標的遠近自動調整，即當測量距離變小時，接收回波信號較大，這時，AGC應自動調小，反之，AGC應自動調大。圖4為電路設計可得到滿足這一要求的控制電壓。

圖4 控制電壓產(chǎn)生電路

2.1.3 峰值檢測電路

本文系統(tǒng)設計回波峰值檢測技術，主要是消除虛假回波和噪聲的干擾。因為干擾信號有可能達到正?；夭ǖ挠蛑担浞颠_不到正?；夭ǖ姆逯担虼瞬捎没夭ǚ逯禉z測電路可有效剔除干擾信號，提高超聲波測距模塊的檢測精度和可靠性。為了避免二極管死區(qū)電壓對超聲波測距模塊檢測精度的影響，系統(tǒng)利用深度負反饋和運算放大器開環(huán)增益大來有效限制。

圖5 峰值檢測電路

2.1.4 渡越時間法檢測電路

系統(tǒng)中的渡越時間法檢測電路采用可變域值檢測、回波峰值檢測、過零檢測等技術。這樣就可以檢測到準確的檢測到回波信號，并發(fā)送命令使得時鐘模塊停止計時，保證了渡越時間的準確和可靠性。

2.2 溫度補償模塊

由于空氣的溫度對超聲波的波速有一定影響，因此系統(tǒng)設計溫度補償模塊對環(huán)境溫度進行測量，通過公式2得出當前溫度下的超聲波波速。系統(tǒng)溫度補償模塊選用美國 DALLAS 半導體公司的DS18B20溫度傳感器作為核心芯片，其集溫度測量、A/D 轉換于一體，具有體積小、動態(tài)范圍寬、測量精度高等優(yōu)點。該芯片具有獨特的單線接口，僅需要一個端口引腳進行通信；可以通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0V～5.5V；測溫范圍為-55℃～125℃，分辨率最大可達 0.0625℃，基本可以滿足實際測量的需要。

3 系統(tǒng)軟件設計

本文系統(tǒng)設計了三路超聲波測距模塊， STC12C5A60S2單片機的三個中斷口分別來處理回波信號。單片機將三路超聲波測距模塊測得的距離值進行比較后取最小值，并判斷該最小值來自哪路超聲波測距模塊，將距離、環(huán)境溫度、障礙物位置在顯示模塊上顯示出來，同時根據(jù)距離值進行語音報警。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 測量結果與分析

本系統(tǒng)測量的范圍為30cm～350cm，在30cm～200cm范圍內，所設置的標準值以10cm為步長遞增至200cm。在200cm～350cm范圍內，所設置的標準值以20cm為步長遞增至350cm。

表1 測量數(shù)據(jù)

5 結論

實驗結果表明該倒車雷達對障礙物距離的測量結果穩(wěn)定，探測范圍能夠達到 在整個測量范圍內30cm～350cm，最大誤差小于3%。本系統(tǒng)設備成本低、精度高、實時性好、可靠性高，提高了汽車倒車時的安全性。

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