精品文檔-下載后可編輯一種汽車倒車測距儀的實現-技術方案前言

隨著汽車產業的發展和人們生活水平的不斷提高，汽車的數量逐年增加，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生碰撞事件。

經過調查，對絕大部分非職業汽車駕駛員都希望有一種能發現汽車尾部障礙物的“后視眼”———倒車測距儀，因此我們設計了一種經濟實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確定

經過對許多汽車駕駛員的調查，確定主要功能指標如下：

（1）測距5.00米，測距0.35米，實時數字顯示測得距離，顯示分辨率0.01米；

（2）超過5.00米為溢出，僅顯示小數點，當距離小于0.35米時，顯示為0.00,表示很危險；

（3）燈光報警：當距離小于0.60米時，報警指示燈亮；

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

2測距原理

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

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———超聲脈沖發射時刻。

利用單片機的定時器/計數器可以較方便地實現該測距原理，設單片機的T0端為起始發射同步定時器（確定起點t0），單片機的T1端為回波測量定時器（確定起點t1），單片機的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技術實現

3.1系統框圖說明

系統框圖如圖2所示，采用AT89C2051單片機作為智能處理部件，配有各種接口電路可實現實時時間差采樣、距離運算、顯示及聲光報警等功能。由于系統的一項重要任務是測量超聲脈沖發射與其回波的時間間隔，故單片機與超聲信號處理部分的連接端的工作時序是關鍵，而超聲信號處理部分主要由超聲脈沖發射、超聲回波接收兩部分構成，超聲信號處理部分的工作受單片機控制的，那么單片機是怎樣控制超聲信號處理電路呢？

單片機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出一個1.8毫秒的同步負脈沖信號，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射狀態。單片機在T0端給出同步負脈沖的同時，還通過F端向超聲信號處理電路發出16個40KHz的方波（需0.4毫秒），該信號經驅動后耦合到換能器終發射出超聲脈沖串。

在T0端的負脈沖結束時，超聲信號處理部分自動轉變為超聲回波接收狀態。超聲波在空氣中傳播時不會折返，僅當超聲波遇障礙物后才被反射，當返回的超聲波通過換能器時會轉換成電壓信號，如果在氣溫為20℃時，超聲脈沖6.615米內的遇障礙產生的回波有一定強度（聲壓），經過特定電路處理后，能夠在38.5毫秒之內獲得一個觸發脈沖，單片機的定時器T1記錄下該脈沖下降沿時刻t1,單片機根據初始時刻t0（也稱發射時刻）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。

當介于6.615米和6.924米之間的障礙物產生的回波仍然有一定的強度時，應由T0端低電平控制不允許產生觸發脈沖，而超過6.924米以外的障礙物產生的回波的聲壓，應該低于允許觸發的閾值，這樣可以確保本次測量發出的超聲脈沖不會影響到下一個測量周期的計時。

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

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，應在汽車尾部安裝多個超聲換能器，根據一般需求裝2～3個較合適，我們把倒車測距儀設計成3個測量通道。為了安裝方便和減小系統體積，我們選用發射和接收合為一體的空氣探頭（換能器）。實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，達到降低成本的目的。

3.2.1超聲脈沖發射電路

該部分的方框圖如圖3所示，由單片機產生的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，必須先經過反相驅動器前置驅動，再經發送驅動后發射出去。通過三路模擬傳輸開關來控制信號送哪一個探頭的發送驅動器輸入端。三路模擬傳輸開關需要一個3進制脈沖分配器來控制，而脈沖分配器由單片機的T0端信號反相后觸發的。

3.2.2超聲回波接收電路

超聲波碰到障礙物會發生透射和反射，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行放大，即設置了一個限幅的前置放大環節。由于發射和接收用同一個換能器，發射時的大幅值電壓脈沖會影響前置放大器的正常工作，故這個環節除放大作用外，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節組成多個接收通道，各通道電子器件參數存在差異而造成各通道不平衡，會影響測量精度。因此，接下來就要設置一個平衡調節環節。反射波被探頭轉換成電壓信號后經前置放大和平衡調節環節，再通過模擬傳輸開關，其電壓幅度還較小，又設置了二級放大器。為了消除發射電壓回饋到信號處理電路而引起單片機誤計時，此時需要一個可控濾波器，它由單片機的T0端控制，它對發射電壓回饋的信號進行旁路，而對回波的接受信號無權處理，100%向后傳輸。

為了減少噪聲的干擾，系統中少不了帶通放大裝置。

反射波的強弱，與距離有很大關系。在測量范圍內的電路應有足夠的增益，設置增益可調放大環節是必要的。

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

超聲波接收電路框圖如圖4所示。

4系統達到的技術指標

設計工作完成后，根據電路的功能、電子器件的體積及安裝位置關系，將系統電路制成兩塊電路板，單片機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；超聲電壓源驅動及信息處理部分做成另一塊電路板（發射接受板），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射接受板相連，實物照片如圖5所示。

在實驗室內，氣溫約為20℃時，通過鋼皮卷尺與倒車測距儀對照測量，測得數據如下表所示：

測量距離是以厘米為分辨率的3位數字顯示，其中，絕大部分倒車測量的數據滿足±1厘米的測量精度（在20℃左右），少部分數據的誤差也在±2厘米的范圍內，并且實現了提出的汽車倒車測距儀的功能及參數的要求。達到了設