麥錦文

（廣州市交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校，廣東 廣州 510440）

現(xiàn)代汽車倒車防撞測(cè)距技術(shù)，利用超聲波測(cè)距具有先進(jìn)性和可靠性，系統(tǒng)通過探測(cè)倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)及時(shí)發(fā)出警告。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而利用超聲波設(shè)計(jì)的倒車防撞測(cè)距系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)到在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。超聲波檢測(cè)電路往往比較迅速、方便、易于做到聲光并茂的聽覺和視覺警告，通過實(shí)時(shí)控制，可以游刃有余地讓駕駛員采取必要的動(dòng)作措施，因此在汽車倒車預(yù)警裝置的研制上，得到了實(shí)際的應(yīng)用效果。

1 超聲波測(cè)距原理分析

1.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器規(guī)格品種較多，在汽車倒車防撞測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)中，目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。這種傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，是一種可逆的換能器件，既可以把電振蕩的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩形成超聲波，又可以把接收到的超聲波能量轉(zhuǎn)換為電振蕩，圖1所示是分離式反射型超聲波傳感器的基本工作方式。

圖1 傳感器的基本工作方式

1.2 超聲波傳感器工作原理

從圖2中T/R40型超聲波傳感器頻率特性曲線可看出，其聲壓能級(jí)、靈敏度在40 kHz時(shí)最大，在電路設(shè)計(jì)時(shí)40 kHz為最佳工作狀態(tài)。當(dāng)有40 kHz的脈沖電信號(hào)從傳感器的兩引腳輸入時(shí)，傳感器內(nèi)部通過激勵(lì)換能器處理以后，將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，由此而形成了超聲波，并通過傳感器的輻射口將超聲波信號(hào)向外部空間發(fā)射。同時(shí)發(fā)射出去的超聲波信號(hào)在遇到障礙物以后，立即被反射回來。接收機(jī)接收后，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換，將超聲波信號(hào)變成電振蕩信號(hào)，并將信號(hào)放大。汽車倒車防撞測(cè)距系統(tǒng)，就是通過超聲波傳感器獲得所需要的控制信號(hào)，利用該信號(hào)控制測(cè)距和報(bào)警電路的。

圖2 T/R40型超聲波傳感器頻率特性曲線

1.3 汽車倒車防撞系統(tǒng)超聲波測(cè)距原理

汽車倒車系統(tǒng)超聲波測(cè)距原理是：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波，就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即S=340 t/2。在接收和發(fā)射的超聲波系統(tǒng)中，發(fā)射傳感器的共振頻率與接收傳感器的反共振頻率是互相匹配的。

2 超聲波探測(cè)實(shí)驗(yàn)電路

原理如圖3所示，該電路是利用超聲波反射原理，檢測(cè)前方障礙物位置，電路由超聲波發(fā)射電路、接收放大電路及檢測(cè)電路組成。

圖3 超聲波接收電路

超聲波發(fā)射電路是由NE555定時(shí)器產(chǎn)生40 kHz的超聲波信號(hào)，經(jīng)超聲波發(fā)射頭UCM－40T向外發(fā)射（見圖3）。

超聲波接收電路如圖4所示，若發(fā)射的超聲波遇到障礙物，超聲波接收頭UCM－40 R將接收到反射的超聲波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過三級(jí)運(yùn)算放大器放大，送入由鎖相環(huán)譯碼器LM567組成的檢測(cè)電路。當(dāng)LM567設(shè)定的頻率與發(fā)射頻率一致時(shí)，8腳輸出低電平，使三極管Q導(dǎo)通，在電阻R13形成高電位。如果離開障礙物，三極管Q輸出低電位。接收信號(hào)可以通過一個(gè)音樂芯片、驅(qū)動(dòng)電路和揚(yáng)聲器發(fā)出汽車的倒車安全提示警示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

3 汽車超聲波防撞測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

汽車超聲波防撞測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從圖2超聲波傳感器的頻率特性曲線中可以得知，超聲波傳感器的中心工作頻率40 kHz時(shí)為最大，接收到的信號(hào)最強(qiáng)，當(dāng)偏離這個(gè)頻率時(shí)，接收的靈敏度將明顯降低，當(dāng)發(fā)送的頻率偏離40 kHz時(shí)，探測(cè)距離也將縮短。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵在于調(diào)準(zhǔn)40 kHz驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)于產(chǎn)生40 kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，方法有多種，可以選用電感、電容振蕩元件來完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生器，但是其頻率難以調(diào)準(zhǔn)，穩(wěn)定性相對(duì)較差。所以，以上的NE555定時(shí)器超聲波實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)中不容易達(dá)到要求。

因此，在本電路設(shè)計(jì)中，介紹選用美國(guó)INTEL公司在我國(guó)非常流行的51系列單片機(jī)芯片（8751或89 C51或89 S51）作為信號(hào)的發(fā)生電路，由于采用了頻率穩(wěn)定性好的晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘，有極高的穩(wěn)定性，由此產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也較為穩(wěn)定，當(dāng)編制不同的程序時(shí)，可以得到不同的頻率輸出，且成本較低、有良好的性價(jià)比。我們?cè)盟鼇硗瓿梢幌盗械膶?shí)驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)制作要求，且芯片內(nèi)有4 k的ROM，便于編程。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

汽車超聲波防撞測(cè)距系統(tǒng)，應(yīng)能幫助汽車駕駛員及時(shí)了解車周圍阻礙物的情況，防止汽車在轉(zhuǎn)彎、倒車等情況下撞傷、劃傷。其硬件電路設(shè)計(jì)，接收部分電路如圖5所示。圖中只畫出某一個(gè)方向測(cè)距電路的接線圖，其他測(cè)距電路分別相同，故省略之。

圖5 超聲波測(cè)距電路原理圖

40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射。測(cè)距系統(tǒng)中采用UCM40的壓電陶瓷超聲波傳感器，其工作電壓是40 kHz的脈沖信號(hào)，執(zhí)行程序由單片機(jī)來產(chǎn)生。

PUZEL：MOV 14H,#12H；超聲波發(fā)射持續(xù)200μs

HERE：CPL P1.0；輸出40 kHz方波……

RET ……（略）

在測(cè)距電路中，假設(shè)這個(gè)方向的輸入端接單片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在P1.0端口將輸出一個(gè)40 kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40 kHz的脈沖超聲波。其他電路的輸入端，可以分別接P1.1和P1.2端口，工作原理分別相同。

3.2 超聲波的接收與處理

接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩級(jí)放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1 R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25 mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。

圖6 程序流程圖

4 結(jié)束語

利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)汽車超聲波倒車防撞測(cè)距系統(tǒng)，電路簡(jiǎn)單，程序設(shè)置可以自定，讀數(shù)直觀，工作穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)中需要注意的問題是：汽車的倒車防撞報(bào)警器電路的超聲波發(fā)射傳感器和接收傳感器，一般并排安裝在汽車的尾部，電路部分是安裝在駕駛室內(nèi)。兩者的連接電纜長(zhǎng)度在5 m左右，連接應(yīng)采用帶狀屏蔽電纜較為合適，使用屏蔽線的目的，主要是為了防止外界的干擾串入電子電路，以避免倒車防撞報(bào)警的電子電路產(chǎn)生誤動(dòng)作。使實(shí)驗(yàn)的效果更符合實(shí)際。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，該類測(cè)距系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時(shí)間，測(cè)得的距離有誤差，但在汽車超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用中，此誤差仍可以滿足要求。

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