基于超声波检测的倒车雷达设计

基于**声波检测的倒车雷达设计

2015-01-24 15:24
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倒车雷达（Car Reversing Aid Systems）的全称是“倒车防撞雷达”，也称“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。

系统工作原理

　　倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量**声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。

　　如图1所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，**声波发送模块向后发射40kHz的**声波信号，经障碍物反射，由**声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C2051将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、0.5m、0.25m 时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。

图1 系统工作原理框图

图2 **声波发送模块电路

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硬件设计

1 **声波发送模块设计

　　**声波发送器包括**声波产生电路和**声波发射控制电路两个部分，**声波探头（又称“**声波换能器”）选用CSB40T，可采用软件发生法和硬件发生法产生**声波。前者利用软件产生40kHz的**声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生**声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流在100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用**声波专用发生电路或通用发生电路产生**声波信号，并直接驱动换能器产生**声波。这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。

　　本设计采用第一种方法产生**声波，电路设计如图2所示。40kHz的**声波是利用555时基电路振荡产生的。其振荡频率计算式为f=1.43/((R ₉+2·R ₁₀)·C ₅)。将R ₁₀设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40kHz固有频率一致。为**555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源。CNT为**声波发射控制信号，由单片机进行控制。

图3 **声波接收模块电路

2 **声波接收模块设计

　　**声波接收器包括**声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。**声波探头**采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用 CSB40R，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此**经放大电路放大。正弦波信号不能直接被单片机接收，**进行波形变换。按照上面所讨论的原理，单片机需要的只是第一个回波的时刻。接收电路的设计可采用专用接收电路，也可采用通用电路来实现，如图3所示。

　　**声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在1mV～1V之间。当然，不同接收探头的输出信号强度存在差异。由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：一是放大增益要大，以适应小信号时的需要；二是放大增益要能变化，以适应信号变化范围大的需要。另外，由于输入信号为正弦波，因此**将放大电路设计成交流放大电路。为减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用了一片LM324通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。LM324既可以双电源工作，也可以单电源工作，因此能满足使用要求。为满足交流信号的需要，每一级的放大器均采用阻容电路进行电平偏移，即图3中的C7、C21、C22和C24，容量均为10μF，实现单电源条件下交流信号的放大。对于交流信号而言，电容为短路，因此前三级放大电路的增益均为10。距离较近时，两级放大的增益已能够输出足够强度的信号了，第三级有可能出现信号饱和，但距离较远时，**采用三级放大。合理调节电位器R27，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。

图4 语音电路

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3 语音电路设计

　　语音报警是指当倒车雷达探测到的距离小于所设定的安全值时，发出声音提醒驾驶员，语音电路设计如图4所示。M3720是单声一闪灯报警音效集成电路，芯片内存储一种报警音效，可直接驱动蜂鸣器发声或经外接功放三极管推动扬声器放音，同时还能驱动一只LED闪烁。该芯片各引脚功能为：5脚VDD； 1脚VSS分别为电源输入端与负端，VDD电压3～3.5V；8脚X和1脚Y分别为芯片外接振荡电阻器；6脚TG为触发控制端，低电平触发有效；3脚BZ 和2脚BB分别为报警音效输出端，可直接外接压电陶瓷蜂鸣器，如果驱动扬声器则由3脚BZ端引出；4脚L为闪灯输出端，可直接驱动LED发光。

软件设计

　　AT89C2051单片机及其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当手柄转入倒车档，主程序开始调用测量子程序、显示子程序和语音提示子程序，完成整个检测提示过程，如图5所示。

结束语

　　本文所设计的倒车雷达系统是**汽车倒车安全的辅助系统，通过**声波探头发出**声波，使用高速单片机计算距离，并加入了温度补偿电路，提高了距离计算的精度。系统安装的液晶显示器可以直观的显示温度和距离，给驾驶员提供了方便。倒车时当汽车与障碍物的距离小于我们所设定的安全距离时，系统便通过语音集成电路发出报警，提醒驾驶员，防止汽车的碰撞或擦伤，具有很强的实用性。