基于超聲波測距汽車倒車防撞雷達研究

王 莘

（西安航空學院 電氣工程系，陜西 西安 710077）

1 引言

隨著我國人民生活水平的提高，購買車輛的人越來越多，由此產生的交通安全問題成為社會焦點問題。其中倒車事故又是高發事故，一直受到社會和交通部門的高度重視。倒車事故的發生主要是因為駕駛員在非正常視距下對周圍事物位置判斷失誤造成的，而倒車雷達正是為了解決這一問題應運而生。加裝倒車雷達能使駕駛員更準確的掌握周圍事物的位置情況，從而降低倒車事故的發生機率。倒車雷達的原理與普通雷達相似，是根據仿生學中蝙蝠飛行中超聲波的使用原理設計開發的。通過發生設備發送超聲波，然后通過超聲波反射、接收判斷周圍是否有障礙物及其距離，并做出提示。

2 基本原理

設計超聲波測距電路，驗收標準：探測距離＞2m，數字顯示，動態更新測量結果，更新時間約1s，測量精度優于0.05m，顯示時間0.01m，當距離小于0.3m時，發出報警信號。

實驗電路由模擬電路和數字電路兩部分組成，其中前者實現超聲波的發送和接收，后者實現對波形的處理并完成計數測量和報警功能。用占空比為3%的1赫茲方波載上40KHz的方波形成發送載波，回波經電路處理后形成延時后的接收載波。整形后的接收波與發射波頻率相同，占空比相同，只是有一定延時，這段延時就是超聲波在空氣中傳播的時間t。已知聲速在常溫下為341m／s，故探頭與障礙物之間的距離為341t。為了將實際距離用數碼管顯示出來，應將模擬量轉換成數字量。在t延時內，利用17KHz的方波計數，則由

可知，超聲波每前進2厘米，計數器就計數一次。因為超聲波前進與返回的距離相等，故計數器在時間t內的計數就是需要測量的實際距離，并且單位是厘米。電路的總體框圖如圖1所示。

2.1 模擬電路部分

2.1.1 超聲波發生電路

圖2中第一個555U1產生頻率為1Hz的倒窄帶脈沖，占空比為5%。該倒窄脈沖經倒相后用來控制第二個555（U2），使其產生一串40KHz的脈沖串，脈沖串經過上圖下方的一組非門后驅動T40發射超聲波（加非門組的目的是提高驅動能力）。圖中R3、R4和C4是經過計算的，可以產生40KHz的脈沖?？紤]到實際中有許多誤差因素，而超聲波發射裝置需要精確等于40KHz的脈沖，因此將R4接成阻值為1K的電位器，這樣便于調節產生的脈沖精確等于40KHz。

圖1 超聲波測量電路總體框圖

圖2 超聲波發生電路圖案

圖3 超聲波接收電路圖

2.1.2 超聲波接收電路

如圖3前兩個運放（uA741）接成帶負反饋的放大電路形式，用于將接收到的正弦信號放大，接著通過電壓比較器（與0.2V作比較），用于對放大后的信號進行檢波，從而產生方脈沖。電壓比較器直接輸出的波形是從0V到12V的方脈沖，不可作為數字電路的觸發脈沖，因此最后還要使之通過電阻進行分壓將波形整為從0到5V左右的方脈沖，就可以利用其上升沿觸發D觸發器74LS74了。圖4是用Pspice模擬的接收端收到峰值為30mV頻率40KHz正弦信號時，經兩級放大后的正弦信號波形以及檢波并整形后的脈沖波形。

圖4 Pspice模擬圖

2.1.3 觸發與計數控制部分電路

如果以341m／s計算超聲波在空氣中的傳播速度，而反射測距后顯示單位為厘米，那么計數脈沖的頻率應該為34100／2＝17.05KHz。仍然用555產生此脈沖，電路如圖5所示。然而，元件總有誤差，況且空氣中的聲速也不是一成不變的，為了實際中便于調節頻率，同樣將R3用一個100K的電位器代替。

圖5 計數控制電路

2.2 數字電路設計

數字電路大概可以分為三部分：

（1）觸發與控制部分；

（2）計數與顯示部分；

（3）報警部。

2.2.1 觸發與控制部分

這一部分的電路主要有三個輸入、三個輸出，輸入是從模擬電路部分引過來的，輸出是作為后面兩部分電路的輸入。在下面的描述中，高電平用“1”表示，低電平用“0”表示。

圖6 控制部分電路圖案

1Hz脈沖是用來清零、刷新用的，即當1Hz脈沖的上升沿到來的時候，2Q輸出是“1”，～2Q輸出為“0”，而2Q接的又是3個74LS90的清零端，此時3個74LS90全都清零，同時～2Q又接～2CLR，隨后U1B清零，2Q又變為“0”，電路進入計數狀態。并且，1Hz脈沖的作用還能使計數每1秒鐘刷新一次。17.05kHz脈沖是通過計算得出來的，它使后面的計數器按照17.05kHz的頻率計數，直到返回波脈沖到來使計數停止。如圖6所示，開始時，1Hz脈沖到來，因為2D為“1”，所以～2Q輸出為“0”，而～2Q又接到～1CLR，使U1A清零，即1Q為“0”，～1Q為“1”，這時～1Q和17.05kHz的脈沖通過一個與非門，再通過一個非門——邏輯上實際是通過一個與門接到個位的clk，實現計數。當返回波脈沖到來的時候，因為1D是“1”，所以1Q變為“1”，～1Q變為“0”，這時IO3的輸出便一直是“0”，停止了計數，那么計數器顯示的就是當前距離。

2.2.2 計數電路

如圖7所示，D觸發器的輸入用來選通一個計時信號。由于聲波傳播的速度是340m／s，所以計數時鐘的信號為17.5KHz，計數的結果就是我們需要的結果。而這個17.5KHz的信號用一個555芯片搭建。由于555搭建方波發生電路周期是0.7（R1＋2R2）C，因此采用電路參數如圖8所示。

圖7 計數電路圖

圖8 仿真發生電路圖案

2.2.3 報警電路

報警電路是純粹數字電路的內容。只要用兩個比較器比較。理論上把輸出和40對應的BCD碼00 0001 0100比較即可。這樣就需要十個比較位。我們發現個位的最高位不用比較（不可能出現1100），最高位也不用比較（設計測量距離為2米）。因此，我們只用比較藍色數字的8位。兩個比較器輸入相與，得到了報警信號。

3 實驗結果

測量最小距離：17cm。

測量最大距離：5.3km。

數字顯示更新時間：1s。

顯示精度：1cm。

4 結論

實驗結果表明，本文中的超聲波測距系統可以較為精確的測量出物體的實際距離，數據更新時間及時。在現在和未來可以得到廣泛使用：

（1）用于智能機器人。目前正在火爆研發的智能機器人，不久的將來必將廣泛應用，超聲波測距可以應用于機器人，當機器人遇到障礙物是可以自動報警配合其他功能電路實現對障礙物的躲避。

（2）用于高速公路上行駛的各種車輛。該系統可利用超聲波測距，可自己設定報警距離，當有障礙物在規定的范圍內出現時，將會報警，提醒司機及時做出反應，以避免事故發生。

（3）用于個人飛行器。目前新興的個人飛行器已經有很多，未來可能更多的用于私人交通，而代替地面上行駛的車輛。當個人飛行器在低空中飛行時，就可以利用本系統來檢測前方是否有阻礙飛行的障礙物。而該系統的造價較低，適合大規模投入生產使用。

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