前言

　　隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，汽車的數(shù)量逐年增加，造成公路、街道、停車場、車庫等越來越擁擠不堪。汽車駕駛員越來越為車的安全擔(dān)心了，其中倒車就是一個典型，在繁忙、擁擠、狹窄的地方倒車時，駕駛員即得“瞻前”，又要“顧后”，往往一不小心，就會與汽車尾部障礙物發(fā)生碰撞事件。

　　經(jīng)過調(diào)查，對絕大部分非職業(yè)汽車駕駛員都希望有一種能發(fā)現(xiàn)汽車尾部障礙物的“后視眼”———倒車測距儀，因此我們設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的汽車倒車測距儀，可以解決駕駛員的“后顧之憂”。

　　1　汽車倒車測距儀的功能指標(biāo)確定

　　經(jīng)過對許多汽車駕駛員的調(diào)查，確定主要功能指標(biāo)如下：

　?。?）測距5.00米，測距0.35米，實(shí)時數(shù)字顯示測得距離，顯示分辨率0.01米；

　?。?）超過5.00米為溢出，僅顯示小數(shù)點(diǎn)，當(dāng)距離小于0.35米時，顯示為0.00,表示很危險；

　?。?）燈光報警：當(dāng)距離小于0.60米時，報警指示燈亮；

　　（4）聲音報警：當(dāng)距離小于1.20米時蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為1Hz的BiBi聲，當(dāng)距離小于0.90米時蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為2Hz的BiBi聲，當(dāng)距離小于0.60米時蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為5Hz的BiBi聲，當(dāng)距離小于0.35米時蜂鳴器連續(xù)發(fā)出BiBiBi聲。

　　2　測距原理

　　根據(jù)聲音傳播過程中遇到障礙物會發(fā)生反射這一原理可以測量距離，超聲波測距也是這個原理，即用超聲脈沖發(fā)射和接收其回波之間的時間差來計(jì)算距離，計(jì)算公式如下：

　　V=331.5+0.607T

　　式中：V———超聲波在空氣中傳播速度，其單位為米/秒，T———環(huán)境溫度，單位為℃。

　　D=V×Δt/2=V×（t1-t0）/2

　　式中：D———被測距離，單位為米，Δt———超聲脈沖發(fā)射與接收其回波的時間差，單位為秒，t1———超聲回波接收時刻，t0———超聲脈沖發(fā)射時刻。

　　利用單片機(jī)的定時器/計(jì)數(shù)器可以較方便地實(shí)現(xiàn)該測距原理，設(shè)單片機(jī)的T0端為起始發(fā)射同步定時器（確定起點(diǎn)t0），單片機(jī)的T1端為回波測量定時器（確定起點(diǎn)t1），單片機(jī)的P1.0（稱F端）輸出窄脈沖串，各端工作波形如圖1所示。測量出t1和t0,就可以算出障礙物和超聲探頭之間的距離。

　　3　技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　3.1　系統(tǒng)框圖說明

　　系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用AT89C2051單片機(jī)作為智能處理部件，配有各種接口電路可實(shí)現(xiàn)實(shí)時時間差采樣、距離運(yùn)算、顯示及聲光報警等功能。由于系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù)是測量超聲脈沖發(fā)射與其回波的時間間隔，故單片機(jī)與超聲信號處理部分的連接端的工作時序是關(guān)鍵，而超聲信號處理部分主要由超聲脈沖發(fā)射、超聲回波接收兩部分構(gòu)成，超聲信號處理部分的工作受單片機(jī)控制的，那么單片機(jī)是怎樣控制超聲信號處理電路呢？

　　單片機(jī)需要和超聲信號處理電路共同完成測量過程，測量的全過程定為38.5毫秒（見圖1所示）。首先通過T0端給超聲信號處理電路發(fā)出一個1.8毫秒的同步負(fù)脈沖信號，超聲信號處理電路開始新一輪的測量過程。單片機(jī)將此時刻定為初始時刻t0,而且T0端在低電平期間還控制超聲信號處理部分工作在超聲脈沖發(fā)射狀態(tài)。單片機(jī)在T0端給出同步負(fù)脈沖的同時，還通過F端向超聲信號處理電路發(fā)出16個40KHz的方波（需0.4毫秒），該信號經(jīng)驅(qū)動后耦合到換能器終發(fā)射出超聲脈沖串。

　　在T0端的負(fù)脈沖結(jié)束時，超聲信號處理部分自動轉(zhuǎn)變?yōu)槌暬夭ń邮諣顟B(tài)。超聲波在空氣中傳播時不會折返，僅當(dāng)超聲波遇障礙物后才被反射，當(dāng)返回的超聲波通過換能器時會轉(zhuǎn)換成電壓信號，如果在氣溫為20℃時，超聲脈沖6.615米內(nèi)的遇障礙產(chǎn)生的回波有一定強(qiáng)度（聲壓），經(jīng)過特定電路處理后，能夠在38.5毫秒之內(nèi)獲得一個觸發(fā)脈沖，單片機(jī)的定時器T1記錄下該脈沖下降沿時刻t1,單片機(jī)根據(jù)初始時刻t0（也稱發(fā)射時刻）和接收時刻t1就可以算出超聲波傳播的距離，該距離的一半即為所測距離。

　　當(dāng)介于6.615米和6.924米之間的障礙物產(chǎn)生的回波仍然有一定的強(qiáng)度時，應(yīng)由T0端低電平控制不允許產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，而超過6.924米以外的障礙物產(chǎn)生的回波的聲壓，應(yīng)該低于允許觸發(fā)的閾值，這樣可以確保本次測量發(fā)出的超聲脈沖不會影響到下一個測量周期的計(jì)時。

　　再說，由于要求的測距為5.00米，當(dāng)計(jì)算出的距離超過5.00米時，僅顯示溢出標(biāo)志，不顯示距離，為了確保計(jì)算的合理性，每次在發(fā)完16個40KHz的方波后，才啟動上一個測量周期的距離計(jì)算、顯示及報警處理，對上一個測量周期內(nèi)未能產(chǎn)生對定時器T1的觸發(fā)，則按距離溢出處理。倘若計(jì)算出的距離小于某個報警閾值，則處理相應(yīng)的報警，測距在安全距離，則關(guān)閉報警。

　　如把超聲探頭安裝在汽車尾部，就可測量出汽車與障礙物之間的距離。

　　3.2　系統(tǒng)的超聲信號處理部分

　　由于汽車尾部較寬，為了有效地探測出車尾與障礙物間的距離，應(yīng)在汽車尾部安裝多個超聲換能器，根據(jù)一般需求裝2～3個較合適，我們把倒車測距儀設(shè)計(jì)成3個測量通道。為了安裝方便和減小系統(tǒng)體積，我們選用發(fā)射和接收合為一體的空氣探頭（換能器）。實(shí)際顯示的汽車與障礙物之間的距離是3個探頭與障礙物之間的距離的值。

　　考慮倒車測距儀有3個測量通道，對3個探頭采用掃描工作法，可以共用一個信號處理電路，達(dá)到降低成本的目的。

　　3.2.1　超聲脈沖發(fā)射電路

　　該部分的方框圖如圖3所示，由單片機(jī)產(chǎn)生的40KHz方波電壓能量有限，不能有效地推動空氣探頭工作，為了獲得足夠的能量，必須先經(jīng)過反相驅(qū)動器前置驅(qū)動，再經(jīng)發(fā)送驅(qū)動后發(fā)射出去。通過三路模擬傳輸開關(guān)來控制信號送哪一個探頭的發(fā)送驅(qū)動器輸入端。三路模擬傳輸開關(guān)需要一個3進(jìn)制脈沖分配器來控制，而脈沖分配器由單片機(jī)的T0端信號反相后觸發(fā)的。

　　3.2.2　超聲回波接收電路

　　超聲波碰到障礙物會發(fā)生透射和反射，其中反射到探頭的超聲波被換能器變成電壓信號。由于超聲波在空氣中衰減較嚴(yán)重，探頭接收到的反射波很微弱，故換能器輸出的電壓信號也很微弱，所以先對該電壓信號進(jìn)行放大，即設(shè)置了一個限幅的前置放大環(huán)節(jié)。由于發(fā)射和接收用同一個換能器，發(fā)射時的大幅值電壓脈沖會影響前置放大器的正常工作，故這個環(huán)節(jié)除放大作用外，還有限幅作用，限幅就是為了避免大幅值的發(fā)射電壓無約束地回饋到后面的電路。

　　由于有多個探頭和限幅前置放大環(huán)節(jié)組成多個接收通道，各通道電子器件參數(shù)存在差異而造成各通道不平衡，會影響測量。因此，接下來就要設(shè)置一個平衡調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。反射波被探頭轉(zhuǎn)換成電壓信號后經(jīng)前置放大和平衡調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，再通過模擬傳輸開關(guān)，其電壓幅度還較小，又設(shè)置了二級放大器。為了消除發(fā)射電壓回饋到信號處理電路而引起單片機(jī)誤計(jì)時，此時需要一個可控濾波器，它由單片機(jī)的T0端控制，它對發(fā)射電壓回饋的信號進(jìn)行旁路，而對回波的接受信號無權(quán)處理，100%向后傳輸。

　　為了減少噪聲的干擾，系統(tǒng)中少不了帶通放大裝置。

　　反射波的強(qiáng)弱，與距離有很大關(guān)系。在測量范圍內(nèi)的電路應(yīng)有足夠的增益，設(shè)置增益可調(diào)放大環(huán)節(jié)是必要的。

　　經(jīng)上述處理的信號不能直接作為單片機(jī)內(nèi)定時器T1的觸發(fā)信號，必須先包格檢波，再鉗位比較，這樣才能形成定時器T1的觸發(fā)信號。鉗位比較器的閾值電壓是變化的（由單片機(jī)的T0端控制），再避免了因發(fā)射電壓回饋信號而引起單片機(jī)誤計(jì)時。

　　超聲波接收電路框圖如圖4所示。

　　4　系統(tǒng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

　　設(shè)計(jì)工作完成后，根據(jù)電路的功能、電子器件的體積及安裝位置關(guān)系，將系統(tǒng)電路制成兩塊電路板，單片機(jī)控制電路及顯示報警部分做成一塊電路板（顯示板），安裝在駕駛員前面；超聲電壓源驅(qū)動及信息處理部分做成另一塊電路板（發(fā)射接受板），安裝在汽車后部；兩板之間通過一根六芯電纜相連。3個超聲探頭各通過一條三芯電纜與發(fā)射接受板相連，實(shí)物照片如圖5所示。

　　在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，氣溫約為20℃時，通過鋼皮卷尺與倒車測距儀對照測量，測得數(shù)據(jù)如下表所示：

　　測量距離是以厘米為分辨率的3位數(shù)字顯示，其中，絕大部分倒車測量的數(shù)據(jù)滿足±1厘米的測量（在20℃左右），少部分?jǐn)?shù)據(jù)的誤差也在±2厘米的范圍內(nèi)，并且實(shí)現(xiàn)了提出的汽車倒車測距儀的功能及參數(shù)的要求。達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

　　尚待解決的問題是，環(huán)境氣溫影響測量的，例如，環(huán)境氣溫為40℃時，超聲波傳播的速度是355.78米/秒，環(huán)境氣溫為零下10℃時，超聲波傳播的速度是325.43米/秒，兩者之比為1.0933,實(shí)際用車場合的溫度是：夏天的氣溫比40℃還高，冬天的氣溫比零下10℃還低。超聲波傳播的速度的快慢之比可以達(dá)到10%以上，故要實(shí)現(xiàn)較的測距，還需增加溫度補(bǔ)償。