淺析汽車倒車防撞系統(tǒng)超聲波測距電路

朱偉文

摘 要：本文從汽車超聲波測距基本原理開始，運用電路分析的方法，剖析超聲波測距電子電路原理、組成、元件功能和工作過程;并以汽車超聲波測距系統(tǒng)控制電子電路的實例（LM1812超聲波控制電路），詳細闡述了日產(chǎn)汽車倒車防撞報警系統(tǒng)超聲波測距電路工作過程，希望能夠為相關(guān)初學(xué)者和工作者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車;電子電路;超聲波測距;電路分析

0 引言

目前，汽車車輛測距方法主要有：超聲波測距、激光測距、雷達測距等三種。采用超聲波測距電路電子技術(shù)具有測距精確、靈敏度高、成本低、易于做到實時控制等優(yōu)點，在汽車倒車預(yù)警測距電器裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。汽車超聲波測距電子電路技術(shù)，主要是解決汽車行駛的安全距離問題，超過安全距離，超聲波測距防碰撞系統(tǒng)立即報警以至自動采取減速措施，使車輛處于安全狀態(tài)。

1 汽車超聲波測距工作原理

汽車超聲波測距的聲波頻率一般為40 kHz。如圖1所示，汽車超聲波倒車報警系統(tǒng)裝置。系統(tǒng)有四個超聲波傳感器，均勻安裝在汽車后保險杠上未噴漆的部位內(nèi)。超聲波傳感器既是執(zhí)行元件又是傳感器，既可發(fā)射信號，也可接收信號。如圖2所示，超聲波傳感器由一個無線電收發(fā)機和一個整理器構(gòu)成（見圖3），整理器將回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給控制單元。簡單的工作過程是：當(dāng)掛上倒擋時，超聲波倒車測距系統(tǒng)即開始工作，發(fā)出“嘟嘟”的聲音，表明該系統(tǒng)狀態(tài)良好;當(dāng)車與障礙物相距約1.6 m時，聽見間歇警報聲。離障礙物越近，聲音越急促，距離小于約0.2 m時，連續(xù)發(fā)出警報聲。回波信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將其傳遞到控制單元，控制單元根據(jù)回波的傳播時間計算出與障礙物的距離，即：s=340 t/2（超聲波常溫下在空氣中的傳播速度為340 m/s）。

2 超聲波測距電路分析

超聲波測距電路由超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、倍壓檢波電路和實時監(jiān)控電路四個部分組成，下面詳細分析各組成電路的工作過程。

2.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路見圖4，是555IC1定時器產(chǎn)生40 kHz超聲波的信號電路原理圖。電路中電阻R1、R2、電位器RP1和電容C2是外接定時元件，決定輸出矩形脈沖的振蕩頻率和周期。電路工作過程：按下電源按鈕開關(guān)SA1后，電源+12V→按鈕SA1→R1→R2→RP1→C2→負極-。剛接通電源時，電容C2兩端電壓Uc=0V，結(jié)合555IC1定時器的功能表（請讀者自行查閱該電路邏輯功能表），可知555IC1定時器的輸出腳③=1，內(nèi)部晶體管VT截止，腳⑦和①相當(dāng)于開關(guān)斷開。電源+12 V不斷通過R1、R2、RP1向C2充電，Uc電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Uc略大于2/3電源電壓12 V時，定時器的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出電壓跳變?yōu)榈碗娖?，即輸出腳③=0，VT飽和導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合，C2通過外接電阻對地放電，Uc電壓下降，當(dāng)下降到略小于1/3電源電壓12 V時，定時器再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出電壓跳變?yōu)楦唠娖剑摧敵瞿_③=1，VT截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開。電源再次通過R1、R2、RP1向C2充電，電路重復(fù)前面的工作過程，形成振蕩。因此，超聲波發(fā)射電路的輸出端經(jīng)超聲波發(fā)射器UCM-40T向外不斷發(fā)射矩形波信號。

2.2 超聲波接收放大電路

超聲波接收電路見圖5，圖中R3、R6是三極管VT1和VT2集電極的負載電阻;同時R3、R4分別是VT2、VT1的基極偏置電阻，與電源電壓Vcc配合，決定放大電路基極電流的大小;R5、C2分別為發(fā)射極電阻和射極旁路電容，R5在電路中起負反饋作用，穩(wěn)定VT2的靜態(tài)工作點。R5兩端并聯(lián)一個射極旁路電容C2，隔直流通交流穩(wěn)定R5工作點，避免放大倍數(shù)下降。

超聲波接收電路工作過程分析：超聲波接收器UCM-40T接收發(fā)射器超聲波信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過二級三極管VT1、VT2放大，送入檢波電路C3和VD1，由VD1同時分兩路電信號輸出，一路直接施加到IC1（集成運算放大器CA3140）的同向輸入端。電路路徑：發(fā)射器→接收器→VT1→VT2→C3→VD1→IC3140→R2;當(dāng)IC1設(shè)定的頻率與發(fā)射的該信號頻率一致時，輸出腳電平=1，經(jīng)R2輸出高電平，使三極管VT4導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，KA常開主觸點閉合，驅(qū)動外接主電路的報警器工作（在圖5中略）。另一路，經(jīng)R7、R8，VT3導(dǎo)通，毫安表 mA指針擺動。每按一次電源按鈕SA1，發(fā)射電路就發(fā)射一次超聲波信號，接收電路繼電器吸合一次，同時毫安表 mA指針也擺動一次，吸合和擺動的時間與發(fā)射電路發(fā)射信號時間同步。

2.3 倍壓檢波電路

在圖5中C3、VD1、VD2和4.7uF高頻濾波電容組成倍壓檢波電路。C3電容的作用是通交流阻直流，有效地防止直流電回竄給VD1;VD1、VD2的型號是IN4148管，是硅材料小功率高頻開關(guān)二極管，由于該電路對工作頻率要求的很高，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，不能用普通整流二極管代替，它由導(dǎo)通-截止或由截止-導(dǎo)通所需的時間比一般二極管要短很多。采用倍壓檢波法，在微波射頻領(lǐng)域中，目的就是得到更高的輸出電壓。

2.4 終端驅(qū)動電路

在圖5 IC3140（CA3140）中，R1、RP1、R2、VT4、VD3和繼電器KA組成超聲波接收器終端驅(qū)動電路。核心元件是IC3140（CA3140），CA3140高輸入阻抗運算放大器，是美國無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點的高電壓運算放大器集成芯片。R1、RP1、R2起限流作用，同時R2也是VT4的基極回路電阻;三極管VT4是起開關(guān)作用，即是VT4達到飽和狀態(tài)時，集電極腳c和發(fā)射極腳e的電壓Vce減少到接近為零（硅管約0.3 V，鍺管為0.1 V，稱為飽和壓降），此時集電極電流Ic=Vcc-Vce/Rc（集電極電阻）≈Vcc/Rc已達到最大值。VD3是一個續(xù)流二極管，在VT4截止期間為線圈KA提供通路，防止線圈KA的自感反電動勢損壞VT4。

2.5 實時監(jiān)控電路

見圖5，R7、R8、RP2、毫安表 mA、VT3組成超聲波接收器實時監(jiān)控電路。三極管VT3也是起開關(guān)作用，工作原理同上VT4。當(dāng)VT3導(dǎo)通時，支路電路路徑：Vcc+12 V→可調(diào)電阻RP2→毫安表 mA→VT3→負極-（接地），表指針擺動。

3 日產(chǎn)汽車倒車防撞報警系統(tǒng)超聲波測距電路

如圖6所示，現(xiàn)以日產(chǎn)汽車LM1812超聲波倒車防撞報警器電路為例，根據(jù)上述汽車超聲波測距電路分析的基礎(chǔ)原理，分析其元件組成功能和電路工作過程。各個引腳的說明和外圍元件功能見下表1，其電路主要由40 kHz的超聲波振蕩器，檢測器、控制器和報警電路等組成。倒車防撞距離為3 m左右，報警靈敏度可調(diào)節(jié)電位器RP2;檢測器是由超聲波發(fā)射器和接收器兩部分組成。

3.1 超聲波振蕩發(fā)生器（40 kHz）電路分析

主要由555時基集成電路IC1（NE555）和R1、R2、C1等元件組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器構(gòu)成。振蕩電路工作時產(chǎn)生的矩形波信號從IC1的③腳輸出，經(jīng)電阻R10施加到VT1的基極，經(jīng)VT1三極管放大后的信號從集電極輸出，直接施加到IC（LM1812）的⑧腳內(nèi)。電路中，改變R1、R2、C1等元件，可以改變振蕩電路的振蕩頻率。

3.2 超聲波發(fā)射與功率放大電路分析

功率放大電路由IC（LM1812）集成電路⑧腳與⑥腳內(nèi)的部分電路及驅(qū)動管VT2等組成。超聲波振蕩信號經(jīng)過其內(nèi)部有關(guān)電路處理后，從⑥腳輸出，由電阻R13和R14，以及電容C10組成的“T”形濾波電路，濾波后的信號施加到VT2功率放大管基極，進行功率放大后，施加到L1線圈抽頭處。L1與C16兩者組成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)對信號進一步濾波選頻后，由帶狀屏蔽電纜線傳送給超聲波發(fā)射器（MA40EIS），經(jīng)超聲波發(fā)射器對信號做進一步處理后向外空間發(fā)射。電路中，超聲波發(fā)射器MA40EIS與C16、L1組成的40 kHz的輸出諧振回路采用并聯(lián)連接方式。為了防止負載對該諧振回路的影響，回路電感L1采用中心抽頭的方式與VT2的集電極相連接。

3.3 超聲波接收控制電路分析

接收傳感器采用與發(fā)射器相配套的MA40EIR，其接收、放大用的諧振回路與發(fā)射回路一樣，諧振在40 kHz頻率上。接收傳感器接收到的信號，經(jīng)整形放大等一系列電路處理后，信號由帶狀屏蔽電纜引入控制電路，再經(jīng)電容C12和電阻R15，送至LM1812集成電路④腳內(nèi)。內(nèi)部兩級放大后同由①腳的諧振回路取出的信號一起送到檢測器。此時也檢測噪聲脈沖，通過⒄腳外接C9和RP1進行濾波，調(diào)試時可以調(diào)整電位器RP1電阻最佳的位置狀態(tài)。

總之，首先LM1812①腳外接L2、C15決定電路發(fā)射或接收超聲波的工作頻率，其頻率最高可達325 kHz。當(dāng)⑧腳為高電平時，L2、C15振蕩電路開啟振蕩模式，振蕩信號經(jīng)驅(qū)動放大后，由⒀腳及⑥腳輸出，LM1812處于發(fā)射模式;⑧腳為低電平時，LM1812處于接收模式。其次，當(dāng)LM1812處于發(fā)射模式時，內(nèi)部第二級放大器自動斷開;當(dāng)切換回接收模式時，第二級放大器暫時不接通，由⑨腳外接電容延時后再接通，延時使接收器暫時封閉（檢測器也封閉），為超聲波振蕩發(fā)生器的停止提供足夠時間，⑨腳外接電容C6的大小與延時長短有關(guān)。最后，LM1812的⒁腳提供與COMS兼容的邏輯輸出，⒁腳為內(nèi)部集電極開路輸出，⑾腳保護⒁腳功率輸出端，外接電容C7在⒁腳為低電平時（吸收電流）對內(nèi)部電流進行積分;若將⑾腳接地，則此功能失效。

3.4 光聲報警電路分析

光聲報警電路受IC2（NE555）時基集成電路和R3、C2等組成的單穩(wěn)態(tài)電路進行控制，由電子蜂嗚器發(fā)出斷續(xù)的報警聲。同時，LED發(fā)光二極管發(fā)光，并同步閃爍（如圖6）。

3.5 故障電路檢修分析

電路出現(xiàn)故障時，主要檢測IC1③腳、VT1與VT2集電極、LM1812④腳、⑧腳與⒁腳這幾個關(guān)鍵點上的波形來確定故障的可能部位。其簡單的工作過程是：當(dāng)超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波在倒車時碰到物體反射回來，被超聲波接收器MA40EIR接收處理后，得到的信號經(jīng)C12、R15進入IC（LM1812）④腳內(nèi)，經(jīng)處理識別后，就會從其⒁腳輸出控制信號，該信號經(jīng)C13電容耦合加到IC2的②腳，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)，從IC2的③腳輸出高低變化的電平。當(dāng)輸出高電平時，經(jīng)降壓電阻R12導(dǎo)通LED發(fā)光，電子蜂鳴器發(fā)出報警聲;當(dāng)輸出低電平時，光、聲均消失。

4 結(jié)束語

綜上所述，目前我國經(jīng)濟快速發(fā)展，汽車的普及化極大地提高人們綜合生活素質(zhì)，但汽車的行使安全至關(guān)重要，汽車車輛測距電子電路的應(yīng)用就是其中一項安全重要保障的技術(shù)之一。在當(dāng)今眾多車輛測距電路技術(shù)中，超聲波測距電子電路技術(shù)依然占據(jù)著重要地位。而本文就較好地為從事或即將從事汽車電子電氣的維修技術(shù)人員提供參考，盡快掌握和理解電子電路元件組成、功能、電路路徑、工作過程原理分析等，為汽車超聲波測距電子電路故障檢測提供理論依據(jù)，以提高工作效率和專業(yè)職業(yè)能力。

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