1 引言
近年来, 随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不
断提高, 我国的汽车数量正逐年增加。 同时汽车驾驶人员中非
职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、 街道、 停车场、
车库等拥挤、 狭窄的地方倒车时, 驾驶员既要前瞻, 又要后顾,
稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计, 15%的汽车
碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。 因此, 增加
汽车的后视能力, 研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成
为近些年来的研究热点。 安全避免障碍物的前提是快速、 准确
地测量障碍物与汽车之间的距离。 为此, 设计了以单片机为核
心, 利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。
2 整体设计及原理
超声波一般指频率在 20 kHz 以上的机械波, 具有穿透
性强,衰减小,反射能力强等特点[1]
。工作时, 超声波发射器不
断发射出一系列连续脉冲, 给测量逻辑电路提供一个短脉
冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处
理, 自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简
单,成本低,制作方便, 但其传输速度受天气影响较大, 不能
精确测距; 另外, 超声波能量与距离的平方成正比衰减,因
此, 距离越远, 灵敏度越低,从而使超声波测距方式只适用
于较短距离。目前, 国内外一般的超声波测距仪, 其理想的
测量距离为 4～ 5 m, 因此大都用于汽车倒车雷达等近距离
测距中。
该倒车雷达系统采用单片机控制, 如图 1 所示。利用超
声波实现无接触测距, 并考虑测量环境温度对超声波波速的
影响, 而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数
字传感器 DS18B20 构成的温度测量电路, 可直接读取温度
值, 再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速, 由单
片机计数脉冲个数获得传播时间, 根据超声波测距原理测得
并显示距离, 再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。
图 1 整体设计框图
基于超声波测距的倒车雷达系统设计
王红云
(军械工程学院, 河北 石家庄 050003)
摘要: 介绍了以单片机为核心的倒车雷达系统, 它利用超声波实现无接触测距。 系统主要包括超声波发射接触以及温
度测量电路, 突出点是利用数字传感器 DS18B20 对温度进行测量, 并利用声速与温度之间的校正公式对声速进行校
正, 提高了渡越时间的测量精度, 进而提高了测量距离的准确度。适合测量的距离在 5 m以下, 可以满足倒车安全的
要求。
关 键 词: 汽车; 超声波; 倒车雷达; 温度补偿; 单片机
中图分类号: TP368 文献标识码: A 文章编号: 1006- 6977(2008)08- 0070- 03
Design of automobile- r ever sing r ader system based on ultr asound
distance- measur ement
WANG Hong- yun
(Ordnance Engineering college, Shijiazhuang 050003, China)
Abstr act:In this paper,the automobile- reversing rader system which uses the single chip as core is introduced.The system
uses the ultrasound to realized distance measurement without contract.The system mainly includes the blast - off receiving
and temperature measurement electric circuit.The temperature measurement circuit which uses a digital sensor DS18B20 is
given.The accurate degree of distance is compeleted.This system is suited to mesure distance which below 5 meterses can
meet the safety requestment of reversing a car.
Key words: automobile; ultrasound; automobile- reversing rader; temperature compensate; MCU
收稿日期: 2008- 05- 16 稿件编号: 200805048
作者简介: 王红云(1980- ), 女, 河北衡水人, 教师。研究方向: 测量控制。
自动控制与仪器仪表 基于超声波测距的倒车雷达系统设计
- 69-《 国外电子元器件》 2008 年第 8 期
2.1 超声波测距原理
目前, 利用超声波测距的方法[2]
有相位检测法、 声波幅
值检测法、 渡越时间检测法三种。 相位检测的精度高, 但检测
范围有限; 声波幅值检测易受反射波的影响; 渡越时间检测
工作方式简单、直观, 在硬件控制和软件设计容易实现, 其
原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后
接收传感器接收超声波的时间差, 即渡越时间 t。距离 s=ct/2
( c 为声速) ,t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。
2.2 温度与声速的关系
由于超声波也是一种声波, 其声速 v与温度 T有关。表
1 列出了几种不同温度下的声速[2- 3]
。使用时, 若温度变化不
大, 则可视声速基本不变; 若测距精度要求很高, 则应通过
温度补偿法予以校正。
一般情况下, 利用 v=331+0.60T进行温度补偿, 以适应
不同温度下的工作要求。表 2 给出补偿后声速与温度的关
系。可以看出, 0℃以下时声速值完全吻合;0℃以上最大误差
不超过 5%。
由上述分析可知, 温度测量的精度不仅直接影响了速度
的测量精度, 而且也间接影响距离的测量精度, 所以温度的
测量很关键。
3 硬件电路设计
倒车雷达系统主要由超声波发射电路、超声波接收电
路、 温度测量电路及显示报警电路构成。
3.1 超声波发射电路
在单片机控制下, 使脉冲发生器输出超声波。脉冲发生
器由 555 构成, 其连接如图
2 所示。7 引脚和 6、 2 引脚
的上下为 R 和 C; 中间 R 与
RP 并联, RA=R1+RA’ , RA=R2+
RB’ , 且 T1=0.693RAC , T2=
0.693RBC, 通过调节 RA 和
RB 的阻值, 实现输出波形的
占空比的可调。但是, 这里
需要 50%占空比的方波, 因
此调节滑动变阻器, 使 T1=T2, 频率的计算公式为:
f=1.443/( RA+RB) C ( 1)
合理选择 R,C可使超声波获得 40 kHz的输出脉冲。因
为超声波的传输要有一段距离, 为了使信号便于传输, 通常
要在发射电路的后面加上一个调制电路。
3.2 超声波接收电路
因为超声波测距只用于近距离, 当距离较远时, 衰减较
为严重, 反射回来的信号相对也比较微弱, 因此接收端应先
设置一个放大电路, 然后通过检波电路对其输出信号进行解
调, 最后对检波输出信号进行比较整形。超声波接收电路的
需要考虑以下几个方面:
( 1) 环境噪声、 干扰、 温度等影响
图 3 给出放大电路图。它选择一个自举组合电路, 该电
路通过减小向输入回路索取的电流来提高输入阻抗, 其值为
Rin=R1R2/(R1- R2), 该值可
根据前序电路确定 R1 和
R2, 使其与前序电路级间
匹配。电路中用到的是
反相比例放大电路, 增
益比较稳定, 通常 K=-
R3/R1 不会引起自激, 可
降 低 干 扰 对 电 路 的 影
响。因此, 合理地选择 R3
和 R1, 可使输出电压达到 V级。
( 2)检波精度
设计中采用了图 4 所示的全波精密检波电路。为了提高
电路的信噪比, 衰减掉不需要的频率信号, 在输入端加上谐
振回 路 。二 极 管 VD1 和 VD2 选 择 高 频 性 能 比 较 好 的
IN60。 这种检波方式可以使二极管的死区电压和非线性得
到很大的改善。
( 3) 比较整形电路
图 5 示出比较整形电路。 首
先在静态下测量距离等于 5 m,
检波器的输出电压值(该电压同
样是经过放大检波电路 得 到
的) , 并以此电压值作为比较器
的参 考 电压 uR。比 较 器选 用
LM339, 具有失调电压小, 电源电压范围宽, 其单电源电压为
2～ 36 V, 双电源电压为± 1～ ± 18 V,而且对比较信号源的内阻
限制较宽等优点。对于 LM339 来说, 当两个输入端电压差大
于 10 mV 时, 就能确保其输出从一种状态可(下转第 73 页)
图 5 比较整形电路
图 2 占空比可调脉冲振荡电路
图 3 放大电路
图 4 精密全波检波电路
- 70-(上接第 70 页)
靠地转换到另一种状态。因此, 把 LM339 用在弱信号检测等
场合是比较理想的。一般情况下, 比较电路的输出波形的上
升沿和下降沿都有延时, 可在其后面加一个与门, 以改善输
出特性。 将比较整形电路的输出送到单片机, 对脉冲计数, 得
到渡越时间。单片机选用 AT89C52。
3.3 温度测量电路
目前, 大多数温度测控系统在检测温度时,都采用温度
传感器将温度转化为电量, 经信号放大电路放大到适当的范
围, 再由 A/D 转换器转换成数字量来完成。这种电路结构复
杂, 调试繁杂, 精度易受元器件参数的影响。为此, 利用一线
性数字温度计即集成温度传感器 DS18B20 和单片机,构成一
个高精度的数字温度检测系统。 DS18B20 数字式温度传感器
与传统的热敏电阻温度传感器不同, 能够直接读出被测温度
值, 并且可根据实际要求, 通过简单的编程, 实现 9～ 12 位的
A/D 转换。 因而,使用 DS18B20 可使系统结构更简单, 同时可
靠性更高。温度测量范围
从- 55~+125℃, 在- 10~+
85℃检 测 误 差 不 超 过
0.5℃[4]
, 而在整个温度测
量范围内具有± 2℃的测
量精度, 其电路连接如图
6 所示。
3.4 显示及报警电路
显示电路采用 4 位共阳
LED 数码管, 码段由 74LS244
驱动电路驱动; 驱动电路由
PNP 晶体管 8550 驱动。图 7
给出报警电路。它采用晶体管
驱动。
4 结语
该倒车雷达系统利用超声波实现了无接触测距; 采用高
精度温度传感器实现了对超声波测距系统的温度测量和补
偿, 即根据 v=331+0.60T, 对声速进行了补偿, 提高了测量精
度。具有电路设计简单, 价格便宜, 测量精度比较高的优点,
目前已批量生产。
参考文献:
[1]冯 诺.超声手册[M].南京: 南京大学出版社, 2002.
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万里学院学报,2007, ( 5) : 43- 46.
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1995,( 12) :6- 7.
[4]田胜军 ,秦宣云,何永强.基于超声波测距系统的温度补偿
电路设计[J].微计算机信息, 2007, ( 22) : 307- 309.
图 7 报警电路
图 6 DS18B20 温度采集电路
作电压 30 min。 电解电容器应储存在正常大
气条件的环境下。
7.8 焊锡
不适当的焊锡温度及时间均可造成表面
胶管的异常收缩破裂, 有时高温也会由导针
及端子导热至素子内部, 对产品造成不良影
响。 因此必须尽量避免过高温度及过长时间
的焊锡。
8 电解电容在冰箱电源电路中的实际应用
图 3 给出电解电容在冰箱电源电路中的应用实例。输入
电压经过压敏电阻保护电路、 变压器变压、 整流桥电路整流
后, 将交流变成脉动的 12 V直流, 在整流电路之后接入较大
容量的电解电容 E101/E102, 利用其充放电特性, 使整流后的
脉动直流电压变成相对稳定的直流电压。实际应用中, 为了
防止电路各部分供电电压因负载变化而改变时, 通过计算峰
值电压和电解电容的纹波电流, 选用两级滤波电解电容器。
第一级为 2 200 μ F/35 V; 第二级为 470 μ F/35 V。 由于大容量
电解电容一般都具有一定的电感, 不能有效地滤除高频及脉
冲干扰信号, 因此, 应在其两端并联一只容量为 0.1 μ F 的
C102/C103 电容器, 用以滤除高频及脉冲干扰。
9 结语
为了更好地应用并提高电路设计的可靠性, 这里介绍了
铝电解电容器的相关技术参数和使用知识。目前, 新型电解
电容的发展非常快, 正向小型化、 低阻抗化、 片式化、 高速制
造化、 宽温度化、 高电压化、 长寿命化以及环保绿色化方向发
展, 因此铝电解电容器应用前景广阔。
参考文献:
[1] 于安红.简明电子元器件手册[M]. 上海: 上海交大出版社,
2005.
[2] 沈任元, 吴 勇.常用电子元器件简明手册[M].北京: 机械工
业出版社, 2004.
[3] 舒正国. 高效、 高容、 低阻抗、 长寿命的表面安装电容的选
型[J]. 世界电子元器件, 2006( 11) : 55- 57.
图 3 电解电容在冰箱电源电路中的应用
基于铝电解电容器的技术详解及应用原则
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