超声波测距倒车雷达系统设计方案.docx

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超声波测距倒车雷达系统设计方案

基于超声波测距倒车雷达系统设计

  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20kHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。

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4～5m，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。

　　2.1超声波测距原理

　　目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、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。

基于超声波测距的倒车雷达系统设计

　　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20khz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。

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4～5m，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。

　　2.1超声波测距原理

　　目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、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。

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=rl+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40khz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，在输人端加上谐振回路。

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5m，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2～36v，双电源电压为±1～±18v，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10mv时，就能确保其输出从一种状态可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。

将比较整形电骼的输出送到单片机，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℃，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。

军械工程学院王红云

基于超声波时差测距法的倒车雷达设计

2007-09-14嵌入式在线收藏|打印

引言

倒车雷达是用来探测车身周围的障碍物并显示其距离，以帮助驾驶员安全倒车或泊车的辅助电子设施[1]，在中高档汽车上的应用已逐渐普及，但多为无源探头倒车雷达。

目前高性能的倒车雷达大都采用有源探头，接收的回波信号在探头内部放大整理后输出，发射信号也在探头内部耦合驱动传感器，其抗干扰性更强，探头的互换性、一致性也更高。

本文给出一种有源倒车雷达设计方案，使用超声波传感器，利用时差法来确定传感器和反射物之间的距离，在驾驶员选择倒车挡时，向驾驶员提供监视范围内是否存在障碍物的指示。

设计要求

倒车雷达常用的超声波传感器直径为14毫M，工作频率40KHz，驱动电压最高为140Vp-p，其他的参数，如声压、阻抗、余震时间等参数请参看所用产品的说明书。

根据ISO17386标准，主要的设计要求有：

<1）额定电压-DC12V，工作电流-500mAMAX.工作温度--30~+80℃。

<2）测量范围：

最大有效测量距离140厘M，最小测量距离40厘M。

<3）测量原理：

采用飞行时间测量原理。

激活的探头将创建超声波区域，在接收到探测区域内对象所反射的能量后，测量出车辆与该对象之间的距离。

<4）距离显示：

通过段式液晶屏显示测量距离。

在MCU处理以后，距离数值应传送到显示屏进行显示并打开相应的声音报警。

如果超过测量范围，显示继续，声音报警关闭。

一旦进入有效范围，则自动打开声音报警功能。

<5）警告级别：

使用三级警告级别，通过缓急不同的报警信号进行表示。

<6）上电以后，系统进行自测，工作过程中不会进行故障自测。

如果没有探头故障，则自测时间不超过100毫秒。

为保证实时性，探测到障碍物到传送显示数值的时间不应超过600毫秒。

<7）系统启动后进行自测，检查传感器是否故障。

<8）打到倒车档时，如果倒车速度不大于0.5M/秒，系统将从静止模式转变为启动模式，对周围的障碍物进行测量。

同时有手动开启开关，驾驶员可以使用开关打开和关闭此系统。

功能框图

系统包括4个超声探头、1个主机和1个报警显示装置。

为了提高性能，采用有源探头。

接收的信号在探头内部进行放大后输出；同样，发射信号也在探头内耦合以驱动传感器。

作为典型的传感器处理应用设计，本电路的设计难点还是围绕在传感器部分：

一是接收信号的放大；二是发射电路的驱动匹配。

硬件电路设计

接收放大电路

在接收到反射的超声波后，传感器会产生压电共振，输出振幅微小的正弦波。

超声传感器能对只有-70分贝的回波产生感应，声压是如此之小，所以感应产生的电压也只有微伏级，一般的测量工具是看不出来的。

这么小的电压信号，如果要服务于后续电路，必须要进行放大。

本电路使用了三级放大，前两级为普通反相放大电路，第三级为带通放大电路，理论放大倍数约为20~30万倍。

前两级的放大电路如图2所示：

运算放大器采用美国国家半导体公司的TL074，这是一种很常见的运放，使用比较简单。

为JFET输入，阻抗极高，不必考虑输入端的阻抗平衡。

另外它的噪声较小，工作带宽较大[2]。

电路采用单电源供电，第一级前的输入电阻图中未画出，在后面的接口电路中可以找到。

Ca1跨接到运放的1、2脚两端，可以部分地滤除高频信号，放大倍数的大小可以由Rb动态调节。

信号在经过以上两级放大后，在示波器上已经可以隐约地看出接收的波形。

但还是太小，后续电路不能使用，必须再次放大。

但此时，输入干扰信号也已经被放大了很多，加上运放的噪声，如果第三级运放不能有效地滤除它们的话，放大后的信号效果会非常差，几乎不能使用。

为此，第三级运放采用了带通放大电路，如图3所示。

第三级是典型的多反馈带通放大电路。

它的Q值、放大倍数A和中心频率f均可调。

中心频率可以通过调节Rc进行调整，而且Rc的变化不会影响到Q值和带宽[3]。

将中心频率设定为40kHz，可以有效地滤除大部分干扰波形，输出清晰的回波放大信号。

从示波器上观察，其背景噪声信号应该不超过200mV。

经过三级放大后的回波信号，根据距离的不同幅值也相应变化。

如果想通过级联第四级运来增加测量距离的想法是不太现实的，因为级数太多，运放很容易处于自激状态而变成一个振荡电路。

不可限制地增大其中某一级的放大倍数也是不可取的，在增益带宽积限定的情况下，必须折衷取舍增益和带宽的大小。

况且放大倍数太大，失调电压和噪声、温漂等都将变得不可控，严重影响电路的正常工作。

如果想使运放较为理想的工作，采用负反馈放大的时候，其放大倍数尽量不要太大。

整形电路

放大后回波信号幅值不定，要被单片机读取使用，需要通过比较器整形为数字信号。

如果单片机本身带有比较器功能，信号可以直接接入，如果没有这项功能，则必须外接模拟比较器。

由于PIC18F2480本身不带有比较器，本设计选用了LM2903对放大信号进行整形。

模拟整形电路的主要工作是将幅值不定的一簇正弦波整理为一个有明确上升沿的脉冲信号，以供单片机中断使用。

利用LM2903的整形电路如图4所示：

上面的电路可以很好地完成对回波整形加工的任务，并使整个电路的抗干扰性大大增强。

通过RX_CON的开关，可以很容易地控制回波信号的进入。

这对收发同体的超声传感电路来说是十分必要的，它可以有效地滤除发射信号和余振信号对整体电路的干扰。

通过调整RL3的大小，可以隔离那些不能被滤除的背景噪声信号。

第一级比较之后的输出信号还是一簇40kHz、幅值较小的脉冲波，它们通过二极管对CL2进行充电，利用CL2电平引发第二级比较器输出一个数字脉冲信号。

上面电路的另一个优点是，如果进入比较器的是间或的一两个干扰脉冲，如果它没有充足的电量使CL2的电压升高到足够值，第二级比较电路便不会有输出，在硬件上提高了抗干扰能力。

通道选择电路

因为系统使用了四路探头，所以无论接收或发射，都将有4路信号进出。

为了将它们分开，本电路选用了通道开关芯片CD4051。

接收部分的电路如图5所示。

发射驱动电路

发射驱动电路的主要功能是产生足够的功率来利用40kHz的脉冲波驱动超声传感器发射超声信号。

如果想要测量的距离足够远，除了探头的性能外，发射功率是否足够至关重要。

本电路中采用中周变压器耦合放大来驱动超声传感器，设计电路如图6所示。

其中，Q1和Q2组成达林顿管用来为中周变压器提供驱动电流，通过TX进行控制。

CT1在发射时为中周的初级线圈提供所需的瞬间大电流。

在发射的时候，中周变压器的次级线圈提供的电压峰峰值可以达到100V以上。

因为超声传感器是收发同体的，所以在发射的时候，发射信号也会毫无阻碍地到达第一级运放进行放大。

为了保护运放，有必要设置过渡电路。

过渡电路的主要功能是在发射时，限制运放端的信号幅值在安全范围以内，同时又不能影响接收信号的传输。

通过D11和D12，可以将运放端的信号控制在700mV左右。

在加上电源处理、温度检测电路和显示报警电路后，倒车雷达硬件电路设计基本完成了。

要强调的是，模拟部分的电源一定要足够平滑稳定，以免影响电路正常工作。

软件设计

倒车雷达的功能较为单一，任务不多，所以使用前后台工作方式，主程序流程如图7所示。

系统初始化过程中要仔细设置PIC18F2480I/O口的输入输出控制位，以及A口的模数复用脚控制位，否则不能精确工作。

在功能实现方面，要注意的主要问题有：

<1）发射后，超声传感器会有2mS左右的余震时间，这段时间要关闭接收。

<2）如果4个探头同时工作，要选择测量距离最短的数值进行显示。

在技术实现上，充分利用了T0和T1两个定时器。

T0设置为16位定时方式，以它的溢出为标志开始一个发射测量循环。

T1定时器用于确定发射和接收之间的时间差，如果T1溢出，则表示没有检测到障碍物，置相应标志位。

如果车后有障碍物，则接收到的信号会引发INT0中断。

INT0中断会停止T1计时，并置位标志位。

发射时的驱动脉冲通过单片机引脚输出产生，为了防止干扰，使发射频率准确无误，发射时应关闭中断。

也可以使用硬件产生发射脉冲。

如果需要利用PIC单片机的CAN通讯功能，将倒车雷达连入车身CAN网络中，硬件上只需要联入CAN收发器，软件上则需要补充大量的设计工作。

为了使软件的工作流程更加直观清晰，下面以时间轴方式列出在Debugger模式下各函数运行情况。

这里使用了8M的晶振，T0设为16位定时方式，4分频，初值为0，用于控制工作循环；T1设为16位定时方式，未分频，初值为0x60，用于定时测量时间。

图8是测试程序在Debugger模式下各任务占用时间的明细，目的是直观地了解在哪一个阶段时间比较宽裕，可以安排别的工作，比如通讯<这里假设通讯是异步的，位于从属地位；如果通讯是周期性的，周期时间又比较短的话，就应该充分考虑各任务的优先级并合理安排时间）。

由于前后台编程模式的局限性，每个任务发生的时刻并不能严格确定，这里只大约计算到了毫秒。

其中-10到0的区间是初始化时间<这是没有故障的正常初始化时间，如果有探头故障，因为要提供声音提示，所以占用的时间将根据故障探头的数目多少达到几秒或是十几秒），0到131mS的区间是循环程序时间。

在每个循环的开始，都要发射一组脉冲，并在循环时间内结束测量。

发射时间约为100μS，这期间各中断是关闭的；接下来的2mS是余震时间，外部中断要关闭，别的中断，如有需要，可以开启。

2mS以后开启接收中断，根据障碍物距离的远近，接收占用的时间也不同，如果没有障碍物反射回波引发中断，那么T1最终会溢出，耗时约为20mS。

如果接收到了回波并引发中断的话，中断程序将会停止T1计时并读取数值，同时置位接收标志位。

主循环检测到接收有效位后，会调用距离计算函数计算出距离并保存到数组。

最后的距离显示并不是每个循环都有的，而是4个循环发生一次<这里是假设4个探头均工作在自发自收状态，如果需要使探头相互收发进行交叉测量，那么循环数根据实际次数重新确定）。

测试

设计完成的电路系统可以很好地完成所要求的测距功能，加上液晶显示和蜂鸣报警后，便可以作为后装产品安装到汽车上。

如果再加上CAN驱动器芯片，并设计好通讯部分的软件协议，也可以作为一个节点联入车身CAN网络中。

图9是利用一个探头工作在自发自收时的测距情形，障碍物为距离150cm左右的A4纸张。

示波器通道1用于测量运放输出的波形，电压比例常数为2V；通道2测量单片机的INT引脚，电压比例常数为5V；时基为2mS。

不足

由图9可以看出，传感器发射时的余震信号超过了2mS，这样在自收发测距的情况下，最小的测距范围限制在了40cm左右<小于40cm的距离测量可以通过发射和接收使用不同探头的方法来进行，通过三角换算得出距离，以减小余震的影响，只是精度会差一些）。

这是由于中周性能不良造成的，有待于进一步完善。

另外，一些超声波探测的传统处理难点仍不尽如人意，如扫地波的滤除仍然要部分地借助外壳或安装；斜坡或石子路面的回波干扰问题仍难以辨别等等。

单片机设计超声波测距仪原理及应用

151系列单片机的功能特点

5l系列单片机中典型芯片（女[1AT89C51>采用40引脚双列直插封装（DIP>形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b的工／O端I：

IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。

特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM>，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。

该系列单片机引脚与封装如图1所示。

5l系列单片机提供以下功能：

4kB存储器；256BRAM；32条工／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式：

CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式：

保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。

充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

2单片机实现测距原理

单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。

由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关，表1。

列出了几种不同温度下的波速。

在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。

波速确定后，只要测得超声波往返的时间r，即可求得距离5。

其系统原理框图如图2所示。

单片机（AT89C51>发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示，若测得的距离超出设定范围系统将提示声音报警电路报警。

AT89C51通过外部引脚P2．0输出脉冲宽度为25／us、载波为40kHz的超声波脉冲串，加到射随器的基级，经功率放大推动超声波发射器发射出去。

超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。

经处理后输出低电平，送到AT89C51的引脚利用该原理设计的实例：

汽车防撞雷达

3．1系统硬件设计

汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。

其接收部分硬件电路如图3所示，发射、预置＼控制、显示部分硬件电路如图4所示。

sP3．2，提供给软件进行处理。

经过AT89C51对接收到的信息进行处理后，被测的距离茬LED上显示，显示的数据由串口线RXD和TXD输出到74LSl64，转化为并行数据控制LED的显示，采用动态显