超聲波車位信息采集器的設(shè)計

摘 要 隨著汽車保有量的迅猛增加，在擁擠的市區(qū)里汽車與停車位之間的矛盾越來越突出。如果能實時掌握空置停車位的數(shù)量及位置信息，可以幫助停車場管理人員更充分、高效地利用有限的車位資源。超聲波車位信息采集器是利用在車位有車和無車狀態(tài)下超聲波發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間不同的原理，做出車位上有車/無車的判斷，然后通過CAN局域網(wǎng)將車位信息上傳到服務(wù)器。

【關(guān)鍵詞】超聲波 CAN局域網(wǎng)總線 電壓跟隨 自動量程切換

超聲波車位信息采集器是基于超聲波測距的原理實現(xiàn)的。將其安裝在車位的正上方，向下發(fā)射超聲波，經(jīng)地面或車輛頂部反射后由傳感器接收，記錄下傳輸?shù)臅r間從而計算出傳輸?shù)木嚯x。根據(jù)有車與無車時距離的不同判斷有無車輛停放。

1 系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，該系統(tǒng)由單片機控制模塊、超聲波信號驅(qū)動電路、接收電路、CAN局域網(wǎng)通信模塊、車位狀態(tài)指示電路、電源輸入保護電路、功能設(shè)定模塊構(gòu)成。CAN局域網(wǎng)通信模塊接收到上位機指令，由單片機控制模塊輸出40KHz脈沖信號，經(jīng)過超聲波驅(qū)動電路發(fā)射超聲波信號。信號經(jīng)過空氣傳播由地面或車輛反射回超聲波接收電路將信號放大，整形并觸發(fā)單片機控制模塊計算出發(fā)射與接收之間的時間差判斷車位狀態(tài)，并控制車位狀態(tài)指示電路顯示車位狀態(tài)。

1.1 超聲波信號驅(qū)動電路

由圖2所示。通過控制單片機定時器，從定時器輸出引腳輸出40KHz、占空比50%的振蕩信號，通過CD4069反相器進行調(diào)理，提高發(fā)射強度以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。

1.2 超聲波信號接收電路

超聲波信號接收電路如圖3所示。由于超聲波接收器件接收反射回來的超聲波信號非常微弱，并可能含有其它高頻干擾信號，因此接收電路包含電壓跟隨器，有源帶通濾波器，放大電路，雙路比較整形電路。

1.2.1 電壓跟隨器

在超聲波接收器件后端設(shè)計電壓跟隨器，可避免超聲波接收器件直接與后級的濾波電路直接連接時，由于超聲波接收器件的高阻輸出而導(dǎo)致部分信號能量損耗在前級的輸出電阻上，提高有源帶通濾波器輸入阻抗。

1.2.2 有源帶通濾波器

由于超聲波接收器件接收到的超聲波反射信號非常微弱，并可能含用其它高頻干擾信號，采用有源帶通濾波器對前級輸出的信號進行濾波并放大。

1.2.3 放大電路

采用兩級反比例放大電路將有源帶通濾波器輸出的信號進行進一步的放大，放大倍數(shù)為10000倍。使得超聲波信號有足夠的電壓幅度保證其能夠通過后面的比較整形電路。

1.2.4 雙路比較整形電路

比較整形電路將放大電路輸出的信號處理成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，方便單片機處理。由于不同的反射距離經(jīng)有源帶通濾波器放大后得到的信號幅度不同，使用雙路比較整形電路，為每一路各配置一套參數(shù)，單片機自動選擇測量線路，實現(xiàn)只采用一對超聲波接收器件就進行多量程測量，提高系統(tǒng)測量精度，節(jié)約成本。

1.3 CAN通信模塊

單片機通過CAN通信接口采用雙絞線作為傳輸線與CAN局域網(wǎng)及上位機相連，實現(xiàn)將停車場的各車位狀態(tài)信息聯(lián)網(wǎng)上報及對車位進行統(tǒng)一管理。

1.4 功能設(shè)定模塊

功能設(shè)定模塊通過單片機的串口連接到PC機，使用上位機軟件設(shè)定超聲波反射距離閾值（或時間閾值）及采集器CAN局域網(wǎng)時的通信地址等參數(shù)。

1.5 電源輸入保護電路

考慮到在停車場進行工程安裝時需安裝的超聲波車位信息采集器數(shù)量較多，難免會出現(xiàn)采集器接錯線造成整條供電線路上的所有超聲波車位信息采集器短路，甚至可能燒壞同一供電線路上的所有超聲波車位信息采集器。因此，添加如圖4所示電源輸入保護電路。當(dāng)電源正向輸入時，場效應(yīng)管導(dǎo)通，正常供電；當(dāng)電源反向輸入時，場效應(yīng)管截止，后級負載不會被損壞；當(dāng)電源正向輸入電流過大時，保險管燒斷，從而發(fā)揮保護作用。

2 軟件設(shè)計

超聲波探測子程序流程圖如圖5所示。單片機配置定時器1用來產(chǎn)生8個40KHz的方波信號；定時器2用來計時并設(shè)定超時時間為40ms。當(dāng)CAN模塊接上到上位機的探測指令則同時打開定時器1，2。其中定時器1產(chǎn)生完成8個脈沖后關(guān)閉。延時2ms后，單片機打開接收中斷，等待接收超聲波信號。如果在規(guī)定的超時時間內(nèi)有信號成功返回，則定時器2記錄當(dāng)前時間，并根據(jù)公式計算出探測距離（探測距離=（超聲波速度*定時器2時間）/2）。然后將探測距離值跟閾值比較得出車位狀態(tài)，并通CAN模塊上傳給上位機。

3 實驗結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，以上論述的方法設(shè)計的超聲波車位信息采集器能夠準(zhǔn)確的在5米范圍內(nèi)探測距離。經(jīng)測試驗證，該系統(tǒng)能夠根據(jù)探測的距離值精確判斷車位信息。

參考文獻

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作者簡介

孫曉明（1985-），畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，獲通信工程學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)任廣西南寧泰森電子科技有限公司總工程師，主要從事智能停車場系統(tǒng)的研究與設(shè)計工作，并獲得多項目國家專利及多項軟件著作權(quán)。

作者單位

廣西南寧泰森電子科技有限公司 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530001