- 超聲波測距原理
- 硬件電路設(shè)計(jì)
- 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)
- 超聲波接收電路設(shè)計(jì)
- 溫度測量電路設(shè)計(jì)
- 顯示報(bào)警電路設(shè)計(jì)
1 引言
近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我國的汽車數(shù)量正逐年增加。同時(shí)汽車駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車駕駛?cè)藛T的比例也逐年增加。在公路、街道、停車場、車庫等擁擠、狹窄的地方倒車時(shí)，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會(huì)發(fā)生追尾事故。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，15％的汽車碰撞事故是因倒車時(shí)汽車的后視能力不良造成的。因此。增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來的研究熱點(diǎn)。安全避免障礙物的前提是快速、準(zhǔn)確地測量障礙物與汽車之間的距離。為此，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心，利用超聲波實(shí)現(xiàn)無接觸測距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。
2整體設(shè)計(jì)及原理
超聲波一般指頻率在20 kHz以上的機(jī)械波，具有穿透性強(qiáng)，衰減小，反射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。最后由信號(hào)處理裝置對(duì)接收的信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出車與障礙物之間的距離。超聲波測距原理簡單，成本低，制作方便，但其傳輸速度受天氣影響較大，不能精確測距；另外，超聲波能量與距離的平方成正比衰減，因此，距離越遠(yuǎn)，靈敏度越低，從而使超聲波測距方式只適用于較短距離。目前，國內(nèi)外一般的超聲波測距儀，其理想的測量距離
為4～5 m，因此大都用于汽車倒車?yán)走_(dá)等近距離測距中。該倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，如圖1所示。利用超聲波實(shí)現(xiàn)無接觸測距，并考慮測量環(huán)境溫度對(duì)超聲波波速的影響，而且通過溫度補(bǔ)償法對(duì)速度進(jìn)行校正。使用由集成數(shù)字傳感器DS18B20構(gòu)成的溫度測量電路，可直接讀取溫度值，再根據(jù)溫度補(bǔ)償?shù)贸龀暡ㄔ谀骋粶囟认碌牟ㄋ?，由單片機(jī)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)獲得傳播時(shí)間，根據(jù)超聲波測距原理測得并顯示距離，再根據(jù)顯示的距離控制蜂鳴器的發(fā)聲頻率。
2.1超聲波測距原理
目前，利用超聲波測距的方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法、渡越時(shí)間檢測法三種。相位檢測的精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測易受反射波的影響；渡越時(shí)間檢測工作方式簡單、直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，其原理是檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波到經(jīng)氣體介質(zhì)傳播后接收傳感器接收超聲波的時(shí)間差，即渡越時(shí)間t。距離s=ct／2(c為聲速)，t可由單片機(jī)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。
2.2溫度與聲速的關(guān)系
由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度T有關(guān)。表1列出了幾種不同溫度下的聲速。使用時(shí)，若溫度變化不大，則可視聲速基本不變；若測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償法予以校正。
一般情況下，利用v=331+0.60T進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以適應(yīng)不同溫度下的工作要求。表2給出補(bǔ)償后聲速與溫度的關(guān)系?？梢钥闯?，0℃以下時(shí)聲速值完全吻合；0℃以上最大誤差不超過5％。
由上述分析可知，溫度測量的精度不僅直接影響了速度的測量精度，而且也間接影響距離的測量精度，所以溫度的測量很關(guān)鍵。
3硬件電路設(shè)計(jì)
倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度測量電路及顯示報(bào)警電路構(gòu)成。
3.1超聲波發(fā)射電路
在單片機(jī)控制下，使脈沖發(fā)生器輸出超聲波。脈沖發(fā)生器由555構(gòu)成，其連接如圖2所示。7引腳和6、2引腳的上下為R和C；中間R與RP并聯(lián)，RA=Rl+RA''''''''，RA=R2+RB''''''''，且T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，通過調(diào)節(jié)RA和RB的阻值，實(shí)現(xiàn)輸出波形的占空比的可調(diào)。但是，這里需要50％占空比的方波，因此調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使T1=T2，頻率的計(jì)算公式為：
f=1.443／(RA+RB)C (1)
合理選擇R，C可使超聲波獲得40 kHz的輸出脈沖。因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斠幸欢尉嚯x，為了使信號(hào)便于傳輸，通常要在發(fā)射電路的后面加上一個(gè)調(diào)制電路。[page]
3.2超聲波接收電路
因?yàn)槌暡y距只用于近距離，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，衰減較為嚴(yán)重，反射回來的信號(hào)相對(duì)也比較微弱，因此接收端應(yīng)先設(shè)置一個(gè)放大電路，然后通過檢波電路對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，最后對(duì)檢波輸出信號(hào)進(jìn)行比較整形。
超聲波接收電路的需要考慮以下幾個(gè)方面：
(1)環(huán)境噪聲、干擾、溫度等影響
圖 3給出放大電路圖。它選擇一個(gè)自舉組合電路，該電路通過減小向輸入回路索取的電流來提高輸入阻抗，其值為Rin=R1R2／(R1-R2)，該值可根據(jù)前序電路確定R1和R2，使其與前序電路級(jí)間匹配。電路中用到的是反相比例放大電路，增益比較穩(wěn)定，通常K=-R3／R1不會(huì)引起自激，可降低干擾對(duì)電路的影響。因此，合理地選擇R3和R1，可使輸出電壓達(dá)到V級(jí)。
(2)檢波精度
設(shè)計(jì)中采用了圖4所示的全波精密檢波電路。為了提高電路的信噪比，衰減掉不需要的頻率信號(hào)，在輸人端加上諧振回路。二極管VD1和VD2選擇高頻性能比較好的IN60。這種檢波方式可以使二極管的死區(qū)電壓和非線性得到很大的改善。
(3)比較整形電路
圖 5示出比較整形電路。首先在靜態(tài)下測量距離等于5 m，檢波器的輸出電壓值(該電壓同樣是經(jīng)過放大檢波電路得到的)，并以此電壓值作為比較器的參考電壓uR。比較器選用LM339，具有失調(diào)電壓小，電源電壓范圍寬，其單電源電壓為2～36 V，雙電源電壓為±1～±18 V，而且對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于LM339來說，當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓差大于10 mV時(shí)，就能確保其輸出從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測等場合是比較理想的。一般情況下，比較電路的輸出波形的上升沿和下降沿都有延時(shí)，可在其后面加一個(gè)與門，以改善輸出特性。將比較整形電骼的輸出送到單片機(jī)，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，得到渡越時(shí)間。單片機(jī)選AT89C52。
3.3溫度測量電路
目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在檢測溫度時(shí)，都采用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量，經(jīng)信號(hào)放大電路放大到適當(dāng)?shù)姆秶?，再由A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來完成。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁雜，精度易受元器件參數(shù)的影響。為此，利用一線性數(shù)字溫度計(jì)即集成溫度傳感器DS18B20 和單片機(jī)，構(gòu)成一個(gè)高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過簡單的編程，實(shí)現(xiàn)9～12位的 A／D轉(zhuǎn)換。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，同時(shí)可靠性更高。溫度測量范圍從-55～+125℃，在-10～+85℃檢測誤差不超過 0.5℃，而在整個(gè)溫度測量范圍內(nèi)具有±2℃的測量精度，其電路連接如圖6所示。
3.4顯示及報(bào)警電路
顯示電路采用4位共陽LED數(shù)碼管，碼段由74LS244驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電路由PNP晶體管8550驅(qū)動(dòng)。圖7給出報(bào)警電路。它采用晶體管驅(qū)動(dòng)。
4結(jié)語
該倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)利用超聲波實(shí)現(xiàn)了無接觸測距；采用高精度溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波測距系統(tǒng)的溫度測量和補(bǔ)償，即根據(jù)v=331+0.60T，對(duì)聲速進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了測量精度。具有電路設(shè)計(jì)簡單，價(jià)格便宜，測量精度比較高的優(yōu)點(diǎn)，目前已批量生產(chǎn)。
