汽車防撞系統(tǒng)中的非接觸式測(cè)距

唐家榮 ,　吳光碧,　田　進(jìn)

(1.重慶文理學(xué)院 軟件工程學(xué)院, 重慶　402160;

2.重慶文理學(xué)院 文化與傳媒學(xué)院, 重慶　402160)

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汽車防撞系統(tǒng)中的非接觸式測(cè)距

唐家榮1,吳光碧2,田進(jìn)1

(1.重慶文理學(xué)院 軟件工程學(xué)院, 重慶402160;

2.重慶文理學(xué)院 文化與傳媒學(xué)院, 重慶402160)

摘要：以單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)以及超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)了汽車防撞系統(tǒng)的非接觸式測(cè)距，有效解決了汽車倒車監(jiān)控及報(bào)警問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī); 超聲波; 測(cè)距; 測(cè)試誤差

0引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸測(cè)距方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的要求。測(cè)距應(yīng)用遍及生活各個(gè)方面，如建筑行業(yè)、機(jī)械制造、計(jì)量科學(xué)等領(lǐng)域。統(tǒng)計(jì)局每年發(fā)布的傷亡事故中，交通事故已經(jīng)是安全因素中的最大隱患，造成巨大的人員及財(cái)產(chǎn)損失。當(dāng)前汽車防撞技術(shù)運(yùn)用于各

類高中低檔車型，防撞技術(shù)不盡相同。超聲波容易發(fā)射和檢測(cè)，分辨率高，測(cè)量精度能滿足工業(yè)上的許多標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)時(shí)控制。所以文中研究非接觸式測(cè)距，采用超聲波非接觸測(cè)距方法，防止汽車在倒車、泊車、轉(zhuǎn)彎等情況發(fā)生劃傷、創(chuàng)傷等事故，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到了良好的測(cè)試效果。

1非接觸式測(cè)距概述

1.1　概念及特點(diǎn)

非接觸式測(cè)距應(yīng)用最為廣泛的是空氣測(cè)距、物體識(shí)別等方面。非接觸測(cè)距一般為影像測(cè)量?jī)x，與傳統(tǒng)的接觸式測(cè)距相比較，優(yōu)缺點(diǎn)明顯，其優(yōu)點(diǎn)是不受測(cè)量人為誤差因素影響，采用其數(shù)字圖像處理技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)識(shí)別，采集和處理速度非?？?。測(cè)量不可接觸的物體具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如煉鋼房高溫物體、核電站輻射物體等。超聲波在空氣中消耗緩慢，傳播波速也較慢，傳播距離較遠(yuǎn)，但相對(duì)于汽車倒車速度，可以假設(shè)成汽車靜止，因此用于汽車防撞系統(tǒng)是較好的選擇。

1.2　非接觸式測(cè)距的分類

1.2.1激光測(cè)距

激光測(cè)距是非接觸式測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)之一，結(jié)合了非接觸傳感和現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試距離遠(yuǎn)、精度高、受環(huán)境影響小，因而廣泛應(yīng)用于各種距離測(cè)試，如在海上作戰(zhàn)系統(tǒng)、空中精確打擊等場(chǎng)合。按照工作方式不同分為脈沖和連續(xù)激光器，激光具有單色性，作為光源來(lái)測(cè)距離[1]。目前激光測(cè)距設(shè)備較多，如IMPULSE系列，雖然經(jīng)歷多代更新，其原理和技術(shù)基本一致。

1.2.2電磁波測(cè)距

光和無(wú)線電波均為電磁波，都是通過(guò)發(fā)送和接收電磁波達(dá)到測(cè)距的目的，以光速的速度傳播，在一定溫度范圍內(nèi)受影響微小。根據(jù)應(yīng)用情況可選擇合適的波長(zhǎng)和頻率，制造出成本較低、性能穩(wěn)定的電子儀器。通過(guò)發(fā)送電磁波，遇到被測(cè)對(duì)象接受電磁波，源與目標(biāo)之間的時(shí)間差乘以光速得到測(cè)試距離。

1.2.3超聲波測(cè)距

超聲波分為兩大類，根據(jù)發(fā)生器不同分為機(jī)械方式和電器方式，超聲波定位是蝙蝠等沒(méi)有目視能力靠聲波原理測(cè)試的一種生存手段[2]。超聲波速度比電磁波小很多，容易測(cè)試，一般發(fā)射頻率在20 kHz以上，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差、信號(hào)強(qiáng)弱判斷距離和位置。文中以超聲波技術(shù)測(cè)距為例，結(jié)合在應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用單片機(jī)控制達(dá)到測(cè)距的目的。

1.3　超聲波測(cè)距原理

超聲波的頻率范圍在20 kHz以上，人耳不能識(shí)別，超聲波波長(zhǎng)短，根據(jù)頻率的高低決定繞射能力和反射能力，根據(jù)這些特性研制超聲波傳感器。一般汽車防撞設(shè)計(jì)中采用電器超聲波，根據(jù)晶體管的諧振原理工作，發(fā)射端的電磁振蕩轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩形成超聲波，接收端把超聲波轉(zhuǎn)換成電磁振蕩的工作原理如圖1所示。

圖1　超聲波傳感器工作原理

超聲波頻率在40 kHz，其靈敏度最高，聲壓能級(jí)最大[3]。單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的控制信號(hào)，輸入傳感器兩引角，換能器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能發(fā)出聲波；超聲波遇到被測(cè)物體后反射，接收機(jī)將聲波轉(zhuǎn)換成電振蕩信號(hào)，通過(guò)放大器放大。汽車防撞系統(tǒng)某點(diǎn)向某一方向發(fā)射信號(hào)時(shí)，單片機(jī)同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在一定溫度范圍內(nèi)，超聲波以340 m/s的速度在空氣中傳播，接收端收到反射信號(hào)瞬間停止計(jì)時(shí)。傳輸過(guò)程中所用的時(shí)間為ΔT，忽略空氣中傳播時(shí)溫度和空氣密度的影響，速度記為聲速V，得到被測(cè)物體離汽車傳感器位置距離S[4]。

(1)式中:S----測(cè)試距離;

V----超聲波速度，常溫下可取值340m/s。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲波工作方式有兩種：一種是發(fā)送與接收在被測(cè)對(duì)象的兩端，例如超聲波身高測(cè)試器；另一種就是發(fā)送與接收處于同一平行位置的相近點(diǎn)。文中超聲波在汽車防撞中的應(yīng)用，采取的是同一平行位置方式。測(cè)距設(shè)計(jì)的主要電路模塊有單片機(jī)最小單元、發(fā)送與接收模塊、顯示電路等[5]。單片機(jī)采用ATMEL公司的AT89C52芯片，晶振頻率為12MHz，傳感器所需40kHz信號(hào)由P1.0口輸出，設(shè)計(jì)方框圖如圖2所示。

圖2　超聲波測(cè)距儀原理框圖

2.1　時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

AT89C52工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào)，提高單片機(jī)的工作速度和穩(wěn)定性，文中采用單片機(jī)內(nèi)部提供的時(shí)鐘方式。單片機(jī)內(nèi)部的高增益反向運(yùn)放加上外接電路，便構(gòu)成了自激振蕩，電路如圖3所示。

圖3　時(shí)鐘電路圖

頻率的高低和AT89C52的速度成正比，但是要求ROM速度匹配，所以兩個(gè)電容選擇具有溫度補(bǔ)償?shù)膯纹沾呻娙軳PO，晶振頻率為上文提到的12MHz，外接電路單片機(jī)兩引腳為XTAL1和XTAL2[6]。

2.2　超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路反相器和發(fā)射換能器組成發(fā)射電路，反相器采用和興利科技的74LS05，單片機(jī)AT89C52輸出的40kHz信號(hào)分別送入換能器的兩極，兩路信號(hào)采用不同的放大運(yùn)放，提高發(fā)射強(qiáng)度。文中采用的壓電式換能器，當(dāng)外加兩極的脈沖和換能器晶片固有頻率相等時(shí)產(chǎn)生共振，帶動(dòng)換能器共振板從而發(fā)出超聲波[7]。反相器另一作用是消除由于電路傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺現(xiàn)象，通過(guò)濾波達(dá)到較好的方波效果，詳細(xì)設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4　 超聲波發(fā)射電路圖

2.3　超聲波檢測(cè)接收電路

接收電路的功能是信號(hào)放大、消除毛刺、濾波干擾信號(hào)和噪音信號(hào)，最后變?yōu)殡x散信號(hào)，文中采用得賽爾公司的CX20106A集成電路[8]。一般CX20106A接收的載波頻率為38kHz,如何接收超聲波頻率40kHz，實(shí)驗(yàn)表明，RW4可變電阻調(diào)節(jié)到200kΩ時(shí)方可接收，接收到40kHz輸出低電平，否則輸出高電平[9]。為了提高靈敏度，可改變電容C10的值，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5　超聲波接收電路圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波測(cè)距原理，主要是計(jì)算時(shí)間ΔT，當(dāng)發(fā)射超聲波信號(hào)同時(shí)啟動(dòng)AT89C52定時(shí)器T0，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)接收與發(fā)射時(shí)間。當(dāng)收到40kHz信號(hào)，接收端輸出負(fù)跳變，文中利用INT0端口請(qǐng)求中斷，AT89C52響應(yīng)中斷，判斷執(zhí)行中斷程序。程序需要完成的工作是距離計(jì)算，首先讀時(shí)間差，根據(jù)距離公式輸出計(jì)算結(jié)果。程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，例如超聲波發(fā)射程序且發(fā)射10次“voidUltrasonic(void)；times++；if(times==10)；break；”，編寫(xiě)方便快捷[10]。測(cè)試結(jié)果采用8421BCD碼輸出顯示，同時(shí)按照?qǐng)?bào)警級(jí)別控制蜂鳴器，當(dāng)初次或者再次發(fā)射，主程序初始化，重復(fù)測(cè)距，流程圖如圖6所示。

圖6　軟件設(shè)計(jì)流程圖

4應(yīng)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新

設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)是自動(dòng)減小測(cè)量誤差，原理是自動(dòng)控制電容值，可以采取兩種方法。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試距離存在一定的誤差，主要原因有兩點(diǎn)：一是發(fā)送與接收端之間存在夾角；再是傳播速度受溫度的影響[11]。該設(shè)計(jì)中，接收電路電容C7直接換成可調(diào)電容，電容容量范圍的確定需要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試。首先給出溫度范圍，在多次測(cè)試中，溫度不斷變化，誤差波動(dòng)范圍較小的容量值就是C7的可調(diào)范圍。在要求較高時(shí)，電容改變需通過(guò)MCU控制，觸發(fā)電平可直接從接收電路產(chǎn)生，誤差電路由兩部分組成[12]。一部分來(lái)自溫度傳感器，減小受溫度誤差的影響，另一部分就是角度測(cè)試樣本誤差，從而達(dá)到精確的控制，如圖7所示。

圖7　誤差補(bǔ)償框圖

5結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，電路成本低、可靠性高，能滿足實(shí)用需求，達(dá)到了預(yù)定的效果。針對(duì)創(chuàng)新中的誤差設(shè)計(jì)，只要誤差電路精度高，可以取得較好的效果,為以后的優(yōu)化電路研究，提高可靠的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]安嘯.非接觸式測(cè)距技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用研究[D]:[碩士學(xué)位論文].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2012:9-10.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).超聲波檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:56-58.

[3]趙宏剛,黃席樾.基于AT89C2051的超聲波泊車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2005(6):7-9.

[4]倪衛(wèi)寧,朱祖揚(yáng),張衛(wèi),等.高精度微距超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(1):75-76.

[5]奠石鎂.超聲波測(cè)距在汽車倒車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].人工智能及識(shí)別技術(shù),2012(6):1084-1086.

[6]阮俞穎,徐軍.基于射頻技術(shù)的人體生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(2):19-21.

[7]G Elliott, S Raabe, G A Covic, et al. Multiphase pickups for large lateral tolerance contactless power-transfer systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(5):1590-1598.

[8]孫艷玲.簡(jiǎn)易高精度超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2013,23(6):103-106.

[9]呂德深,梁承權(quán).一種汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與Proteus仿真[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(11):150-154.

[10]孫琳琳,石飛飛.一種高精度超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(30):56-60.

[11]J Sallan, J L Villa, A Llombart, et al. Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,56(6):2140-2149.

[12]S Yan, Ling Li, Xin Dai. Synthesis for frequency uncertainty of the ICPT system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011(9):1-10.

Non-contacting range measurement in

automobile draft collision avoidance system

TANG Jia-rong1,WU Guang-bi2,TIAN Jin1

(1.Department of Software and Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160， China;

2.Department of Culture and Communication, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China)

Abstract：Single-chip Microcomputer is used as core controller, model design and ultrasonic sensor are applied to realize the Non-contacting range measurement for a automobile draft collision avoidance system with the functions of backing monitoring and alarming.

Key words：Single-chip Microcomputer; ultrasonic sensor; range measurement; error.

作者簡(jiǎn)介：唐家榮(1983-)，男，漢族，重慶人，重慶文理學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制方向研究,E-mail:61274873@qq.com.

基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目(KJ131211)； 永川區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013nc8002)； 重慶文理學(xué)院2013年科研基金資助項(xiàng)目(Z20130016)； 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2013007)

收稿日期：2014-09-13

中圖分類號(hào)：TP 311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2015)01-0022-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.05