汽車防撞系統(tǒng)中的非接觸式測距

唐家榮 ,　吳光碧,　田　進

(1.重慶文理學(xué)院 軟件工程學(xué)院, 重慶　402160;

2.重慶文理學(xué)院 文化與傳媒學(xué)院, 重慶　402160)

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汽車防撞系統(tǒng)中的非接觸式測距

唐家榮1,吳光碧2,田進1

(1.重慶文理學(xué)院 軟件工程學(xué)院, 重慶402160;

2.重慶文理學(xué)院 文化與傳媒學(xué)院, 重慶402160)

摘要：以單片機為控制核心，采用模塊化設(shè)計以及超聲波傳感器實現(xiàn)了汽車防撞系統(tǒng)的非接觸式測距，有效解決了汽車倒車監(jiān)控及報警問題。

關(guān)鍵詞：單片機; 超聲波; 測距; 測試誤差

0引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸測距方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求。測距應(yīng)用遍及生活各個方面，如建筑行業(yè)、機械制造、計量科學(xué)等領(lǐng)域。統(tǒng)計局每年發(fā)布的傷亡事故中，交通事故已經(jīng)是安全因素中的最大隱患，造成巨大的人員及財產(chǎn)損失。當前汽車防撞技術(shù)運用于各

類高中低檔車型，防撞技術(shù)不盡相同。超聲波容易發(fā)射和檢測，分辨率高，測量精度能滿足工業(yè)上的許多標準，計算和設(shè)計簡單，易于實時控制。所以文中研究非接觸式測距，采用超聲波非接觸測距方法，防止汽車在倒車、泊車、轉(zhuǎn)彎等情況發(fā)生劃傷、創(chuàng)傷等事故，通過模擬實驗得到了良好的測試效果。

1非接觸式測距概述

1.1　概念及特點

非接觸式測距應(yīng)用最為廣泛的是空氣測距、物體識別等方面。非接觸測距一般為影像測量儀，與傳統(tǒng)的接觸式測距相比較，優(yōu)缺點明顯，其優(yōu)點是不受測量人為誤差因素影響，采用其數(shù)字圖像處理技術(shù)，運用計算機識別，采集和處理速度非常快。測量不可接觸的物體具有明顯的優(yōu)勢，如煉鋼房高溫物體、核電站輻射物體等。超聲波在空氣中消耗緩慢，傳播波速也較慢，傳播距離較遠，但相對于汽車倒車速度，可以假設(shè)成汽車靜止，因此用于汽車防撞系統(tǒng)是較好的選擇。

1.2　非接觸式測距的分類

1.2.1激光測距

激光測距是非接觸式測距關(guān)鍵技術(shù)之一，結(jié)合了非接觸傳感和現(xiàn)代探測技術(shù)。其優(yōu)點是測試距離遠、精度高、受環(huán)境影響小，因而廣泛應(yīng)用于各種距離測試，如在海上作戰(zhàn)系統(tǒng)、空中精確打擊等場合。按照工作方式不同分為脈沖和連續(xù)激光器，激光具有單色性，作為光源來測距離[1]。目前激光測距設(shè)備較多，如IMPULSE系列，雖然經(jīng)歷多代更新，其原理和技術(shù)基本一致。

1.2.2電磁波測距

光和無線電波均為電磁波，都是通過發(fā)送和接收電磁波達到測距的目的，以光速的速度傳播，在一定溫度范圍內(nèi)受影響微小。根據(jù)應(yīng)用情況可選擇合適的波長和頻率，制造出成本較低、性能穩(wěn)定的電子儀器。通過發(fā)送電磁波，遇到被測對象接受電磁波，源與目標之間的時間差乘以光速得到測試距離。

1.2.3超聲波測距

超聲波分為兩大類，根據(jù)發(fā)生器不同分為機械方式和電器方式，超聲波定位是蝙蝠等沒有目視能力靠聲波原理測試的一種生存手段[2]。超聲波速度比電磁波小很多，容易測試，一般發(fā)射頻率在20 kHz以上，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差、信號強弱判斷距離和位置。文中以超聲波技術(shù)測距為例，結(jié)合在應(yīng)用中的實際問題，根據(jù)設(shè)計要求，采用單片機控制達到測距的目的。

1.3　超聲波測距原理

超聲波的頻率范圍在20 kHz以上，人耳不能識別，超聲波波長短，根據(jù)頻率的高低決定繞射能力和反射能力，根據(jù)這些特性研制超聲波傳感器。一般汽車防撞設(shè)計中采用電器超聲波，根據(jù)晶體管的諧振原理工作，發(fā)射端的電磁振蕩轉(zhuǎn)換為機械振蕩形成超聲波，接收端把超聲波轉(zhuǎn)換成電磁振蕩的工作原理如圖1所示。

圖1　超聲波傳感器工作原理

超聲波頻率在40 kHz，其靈敏度最高，聲壓能級最大[3]。單片機產(chǎn)生40 kHz的控制信號，輸入傳感器兩引角，換能器將信號轉(zhuǎn)換成機械振動能發(fā)出聲波；超聲波遇到被測物體后反射，接收機將聲波轉(zhuǎn)換成電振蕩信號，通過放大器放大。汽車防撞系統(tǒng)某點向某一方向發(fā)射信號時，單片機同時開始計時，在一定溫度范圍內(nèi)，超聲波以340 m/s的速度在空氣中傳播，接收端收到反射信號瞬間停止計時。傳輸過程中所用的時間為ΔT，忽略空氣中傳播時溫度和空氣密度的影響，速度記為聲速V，得到被測物體離汽車傳感器位置距離S[4]。

(1)式中:S----測試距離;

V----超聲波速度，常溫下可取值340m/s。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

超聲波工作方式有兩種：一種是發(fā)送與接收在被測對象的兩端，例如超聲波身高測試器；另一種就是發(fā)送與接收處于同一平行位置的相近點。文中超聲波在汽車防撞中的應(yīng)用，采取的是同一平行位置方式。測距設(shè)計的主要電路模塊有單片機最小單元、發(fā)送與接收模塊、顯示電路等[5]。單片機采用ATMEL公司的AT89C52芯片，晶振頻率為12MHz，傳感器所需40kHz信號由P1.0口輸出，設(shè)計方框圖如圖2所示。

圖2　超聲波測距儀原理框圖

2.1　時鐘電路設(shè)計

AT89C52工作時所需要的時鐘信號，提高單片機的工作速度和穩(wěn)定性，文中采用單片機內(nèi)部提供的時鐘方式。單片機內(nèi)部的高增益反向運放加上外接電路，便構(gòu)成了自激振蕩，電路如圖3所示。

圖3　時鐘電路圖

頻率的高低和AT89C52的速度成正比，但是要求ROM速度匹配，所以兩個電容選擇具有溫度補償?shù)膯纹沾呻娙軳PO，晶振頻率為上文提到的12MHz，外接電路單片機兩引腳為XTAL1和XTAL2[6]。

2.2　超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路反相器和發(fā)射換能器組成發(fā)射電路，反相器采用和興利科技的74LS05，單片機AT89C52輸出的40kHz信號分別送入換能器的兩極，兩路信號采用不同的放大運放，提高發(fā)射強度。文中采用的壓電式換能器，當外加兩極的脈沖和換能器晶片固有頻率相等時產(chǎn)生共振，帶動換能器共振板從而發(fā)出超聲波[7]。反相器另一作用是消除由于電路傳輸過程中產(chǎn)生的毛刺現(xiàn)象，通過濾波達到較好的方波效果，詳細設(shè)計電路如圖4所示。

圖4　 超聲波發(fā)射電路圖

2.3　超聲波檢測接收電路

接收電路的功能是信號放大、消除毛刺、濾波干擾信號和噪音信號，最后變?yōu)殡x散信號，文中采用得賽爾公司的CX20106A集成電路[8]。一般CX20106A接收的載波頻率為38kHz,如何接收超聲波頻率40kHz，實驗表明，RW4可變電阻調(diào)節(jié)到200kΩ時方可接收，接收到40kHz輸出低電平，否則輸出高電平[9]。為了提高靈敏度，可改變電容C10的值，設(shè)計電路如圖5所示。

圖5　超聲波接收電路圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)超聲波測距原理，主要是計算時間ΔT，當發(fā)射超聲波信號同時啟動AT89C52定時器T0，計數(shù)器計時接收與發(fā)射時間。當收到40kHz信號，接收端輸出負跳變，文中利用INT0端口請求中斷，AT89C52響應(yīng)中斷，判斷執(zhí)行中斷程序。程序需要完成的工作是距離計算，首先讀時間差，根據(jù)距離公式輸出計算結(jié)果。程序用C語言編寫，例如超聲波發(fā)射程序且發(fā)射10次“voidUltrasonic(void)；times++；if(times==10)；break；”，編寫方便快捷[10]。測試結(jié)果采用8421BCD碼輸出顯示，同時按照報警級別控制蜂鳴器，當初次或者再次發(fā)射，主程序初始化，重復(fù)測距，流程圖如圖6所示。

圖6　軟件設(shè)計流程圖

4應(yīng)用設(shè)計創(chuàng)新

設(shè)計創(chuàng)新點是自動減小測量誤差，原理是自動控制電容值，可以采取兩種方法。經(jīng)過實驗測試距離存在一定的誤差，主要原因有兩點：一是發(fā)送與接收端之間存在夾角；再是傳播速度受溫度的影響[11]。該設(shè)計中，接收電路電容C7直接換成可調(diào)電容，電容容量范圍的確定需要經(jīng)過多次試驗測試。首先給出溫度范圍，在多次測試中，溫度不斷變化，誤差波動范圍較小的容量值就是C7的可調(diào)范圍。在要求較高時，電容改變需通過MCU控制，觸發(fā)電平可直接從接收電路產(chǎn)生，誤差電路由兩部分組成[12]。一部分來自溫度傳感器，減小受溫度誤差的影響，另一部分就是角度測試樣本誤差，從而達到精確的控制，如圖7所示。

圖7　誤差補償框圖

5結(jié)語

經(jīng)過實驗，電路成本低、可靠性高，能滿足實用需求，達到了預(yù)定的效果。針對創(chuàng)新中的誤差設(shè)計，只要誤差電路精度高，可以取得較好的效果,為以后的優(yōu)化電路研究，提高可靠的設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

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Non-contacting range measurement in

automobile draft collision avoidance system

TANG Jia-rong1,WU Guang-bi2,TIAN Jin1

(1.Department of Software and Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160， China;

2.Department of Culture and Communication, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China)

Abstract：Single-chip Microcomputer is used as core controller, model design and ultrasonic sensor are applied to realize the Non-contacting range measurement for a automobile draft collision avoidance system with the functions of backing monitoring and alarming.

Key words：Single-chip Microcomputer; ultrasonic sensor; range measurement; error.

作者簡介：唐家榮(1983-)，男，漢族，重慶人，重慶文理學(xué)院助理實驗師，碩士，主要從事電路與系統(tǒng)設(shè)計、計算機控制方向研究,E-mail:61274873@qq.com.

基金項目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究基金資助項目(KJ131211)； 永川區(qū)自然科學(xué)基金資助項目(2013nc8002)； 重慶文理學(xué)院2013年科研基金資助項目(Z20130016)； 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(2013007)

收稿日期：2014-09-13

中圖分類號：TP 311

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2015)01-0022-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.05