汽车倒车防撞雷达系统原理及优化的探讨

ISSN1009-3044 ComputerKnowledgeAndTechnology电脑知识与技术 V01．4，No．6，November2008，PP．1498—1499 汽车倒车防撞雷达系统原理及优化的探讨 林勇 (安徽广播影视职业技术学院，安徽合肥230022) E-mail：kf．vj@(-P(：r．net．(·n htlp：／／www．dnzs．net．rn Tel：+86-551-569()963569()964 摘要：文章概述了利用单片机控制的超声渡测距应用于汽车倒车防撞雷达系统的基本原理，例如当汽车倒车时，启动单片机及外部 传感器实现距离洲量。单片机对超声波的发射与接收通过计时进行控制，当所测得的距离小于预设的安全距离时，启动声光报警． 有效避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人。同时文章对该系统存在的弊端及其优化思路进行详细阐述。 关键词：超声波：单片机；测量：优化 中图分类号：TP加2．1 文献标识码：A 文章编号：1009—3044(2008)33—1498—02 ThePrincipleofCar'sBackupAlarmRadarSystemandtheDiscussionforOptimizingoftheSystem L1NYong ， (AnhuiBroadcastingMovieandTelevisionCollege，Hefei230022，china) Abstract：ThispapersummarizedthebasicprincipleofUltrasonicDistanceMeasurementsystemappliedincarbackupalarmradarsystem controlledbySingle—Chip．Forexample，WhentheCarwalkbackup，theSingle—Chipandtheoutersensorarestartedtomeasuredis-· tance．TheSingle—Chipcontrolsthetransmittingandreceivingofultrasonicbycalculatingtime．Ifthemeasureddistanceisshorterthanthe setsafetydistance，thelightalarmsystemwillbeworked，andthepossibleharmfrombarrierandfootpassengerswillbeeffectivelyavoided． Atthesametime，defectandoptimizingthoughtsofthesystemateexpoundedindetail． Keywords：ultrasonic；single——chip；measuring；optimization l倒车防撞雷达系统基本原理 该文的汽车倒车雷达系统，是以MCS一5l系列单片机为控制芯片，当汽车进入倒车状态时，单片机控制超声波发生器每隔一定 时间发出一串40KHz超声波，同时不断检测反射的Inl波，从而测得时间差T，然后求得距离。见公式(1)。 S=C4T／2 (1) 式中的C为声波在空气介质中传播的速度，从而实现对车尾与车后障碍物之间的距离进行实时测量(如网1)并用最示器显示， 根据所测量的距离是否安全发出相应的声光报警。 由图1可以看H{，南于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因而不可避 免地存在反射与发射之间的夹角，其大小为2a。当a角度很小时．直接按上式计算 得到距离．当Of．较大时．则必须进行距离修正，修lE公式为S=eosct*(CT／2)，倾角Ot与 超声波发射探头与接收探头的安装佗置有关，在实际应用巾，应注意适当安装。 2系统硬件原理图 汽车倒车防撞雷达系统其核心鄢分足超声波测距．它主要包括：温度检测电 路、超声波发射及控制电路、超声波接收及信号处理电路、显示电路、报警电路、微 处理器及其辅助电路(如图2)。具体方案如下： 1)89C205I单片机为主控制器．利用其片内时钟电路．低 电压、低功耗，以及封装体积小．便于嵌入其它系统等诸多优 点．能很好地满足 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的有关要求： 2)数码管显示器显示距离数值．单位为mm，数码管接口 基于MAX7219进行设计： 3)超声波发射与接收采用分离设计，即单独采用发射器 和接收器。而不是采用发射接收一体化器件．以降低调试的复 杂性．提高系统安装的灵活性； 4)系统电源以+12V为主电源。通过稳压电路得到系统需 要的+5V电压。 图1 超声波测量距离原理示意图 刮蛋，匡F单片机 控制 匀臣 ·40KH舯 刊LED显示报警电路 图2测距系统原理框图 3系统弊端及其优化思路 3．1低功耗问题的提出 由于时钟为连续性工作状况．因此其平均功牢消耗的高低不仅对节能有现实意义，而且对降低系统温度、提高系统长期安伞可 靠运行也有现实意义。对于以微处理器为核心的系统，其平均工作功率取决于系统的硬件设计，主要是低功耗器件的选用，同时也 收稿日期：2008—07—31 作者简介：林勇(1981一)，男，安徽广播影视职业技术学院助理讲师。硕士在读，从事高校实验室教学科研工作，研究方向：电子与通信。 1498··计算机工程应用技术··--- 本栏目贾任编辑：员薇薇 万方数据 林勇：汽车倒车防撞雷达系统原理及优化的探讨 取决于系统的软件设计，主要是系统的运行模式等。 3．2低功耗问题的解决思路 核心89C2051单片机有睡眠(IDLE)和掉电(POWER--DOWN)两种1二作模式，通过分别置位PCON寄存器中的IDL位和PD位 来做选择。在待机方式下，晶体振荡器频率为】2MHz。电源电压为5V时，电源电流从20MA降至5MA，而电压为3V时，电流由 5．5MA降至lMA，由此可见其市电效果是十分明硅。任何一个中断或硬件复位都能唤醒中断工作模式，恢复正常工作模式。在硬件 方面．在倒车时，才会接通电源．而平时是处在无电源状态。 3．3抗干扰问题及解决方法 由于汽车在工作时的高压点火。对外有很强的电磁辐射．电磁环境恶劣，故在硬件及软件方面就抗干扰问题都进行考滤。解决 方法如下： 1)良好的接地 接地不良时将形成明硅的共模干扰，以及受其它高频干扰。接地应用原则：一般高频电路应就近多点接地，低频电路应同一点 接地．在高频电路中，地线上具有电感．闪而增加了地线阻抗。而且地线变成r天线，向外辐射噪声信号，因此要多点就近接地。在低 频电路中，接地电路若形成环路，对系统影响很大，因此应问一点接地。除此之外数字电路模块和模拟电路模块应分开接地。 2)屏蔽 硬件方面，超声波的接收在前级是弱小信号．传感器的连接采用质鼋好的单芯屏蔽线．保证小信号的可靠传输，在信号的放大 部分采用滤波器，滤麦岛频和低频十扰。发射和接收部分分块设计，像控制器一样用金属外壳对外电磁场进行屏蔽，对于各种通过 电磁感应引起的十扰特别有效。 · 3．4发射接收时间对测量精度的影响分析 采用压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率40KHz，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知南软件生成的起始时 间对于一般要求的精度是可靠的。I寸于接收到的I口j波，超声波在空气介质的传播过程巾会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。设 测量设备基准向距被测物距离为h．则空气中传播的超声波波动方程为(见公式2)： A=A(^)cDs(出}船t)=如一“∞J(国f竹}) r，1 南以上公式可知．超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快。但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 Fh以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大．收到的凹波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准 确的接受日'f间，必须对收到的信号进jj足够的放大，否则不正确的判断凹波时间，会对超声波测量精度产生影响。 3．5声速的温度补偿问题与优化 3．S．1当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度 及气体分子成分的影响．在窄气中．当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测星 精度。工程上常_I丰j的由气温估箅当地声速的公式如下(见公式3)：c=co-而 (3) 式巾C庐331．4m／s；T为绝对温度．单位K。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降l℃，声速将增加或者减少0．607m／s，这 个影响对于较高精度的测醴是相当严重的。肉此提高超声波测鞋精度的重中之重是获得准确的当地卢速。 3．5．2温度校正的方法提高测距精度 由卜．述的误差分析知，如果能够知道当地温度．则可根据公式f4)求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键 在于获得温度数据的方法，采用热敏电阻、集成温度传感器郡un奠获得较为准确的温度值。 C--Co+O．607术rC f41 式中Co=331．4m／s为零度时的声波速度；T为实际温度，单位摄氏度。 为了便于时温度信号的数据采集及处理，我们采崩DALASS公司售产的DSl8820集成温度传感器。DSl8820采用了DALASS 公司的l—WIRE总线专利技术．能够仅在占用控制器一个I／O口的情况下工作(芯片可南数据线供电)，极大的方便r使用者的调 试使用．而凡其在一lO℃．+85℃的T作环境下可以保持±0．5％的使}t{精度，在这个李间内足以保证为超声波测距设备提供足够 的精度范闱，通过DSl8820芯片获得的数据信号经由1-WIRE总线传至MCU，由软件进行声速换算补偿，能够满足较高精度超声 波测距的没计要求。因此町靠性得到保障。 4结束语 以上是汽车倒乍防撞雷达系统原理及优化的概述，实际中测垦车后一定距离范周内的物体与车尾的距离，并以MCS一51系列单 片机作为巾心控制单元．这种倒车防撞雷达通过显示器可以及时娃示障碍物距车尾的距离，显示范罔能达到0．1—5．OM。采用网位数 码管可显示数值。单位mm．还可以根据儿段距离分别设计出几种不同的报警信号，以警示司机几种不同程度的紧急状态．使司机据 此做出相应的操作，防止事故的发生。通过硬件元件选取与改造对低功耗问题和抗干扰问题进行解决，而对声速的温度补偿等问题 的软件优化达到了良好的效果，保证了此系统的可靠性。 参考文献： f11康华光．电子技术基础【M1．第五版．北京：高等教育出版社，2008．1． 【21余锡存，酋【竭华．单片机原理及接口技术【M】．两安：阿安科技大学出版社，2000．7． [3I何希才，刘洪梅．传感器应用接u电路fM]．北京：电子工业出版社，2004．12． 本栏目责任编辑：员薇薇 -····计算机工程应用技术一-1499 万方数据 汽车倒车防撞雷达系统原理及优化的探讨 作者： 林勇， LIN Yong 作者单位： 安徽广播影视职业技术学院,安徽,合肥,230022 刊名： 电脑知识与技术 英文刊名： COMPUTER KNOWLEDGE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2008，4(33) 被引用次数： 0次 参考文献(3条) 1.康华光 电子技术基础 2008 2.余锡存.曹国华 单片机原理及接口技术 2000 3.何希才.刘洪梅 传感器应用接口电路 2004 相似文献(10条) 1.期刊论文 雷建龙 基于单片机的超声波液位测量仪 -仪表技术与传感器2004,""(6) 介绍了用集成锁相环路解码器LM567作为超声波检测元件,以89C51单片机作为主控元件的超声波液位测量的原理、电路及测控程序.用超声波测量液 位具有不与被测介质接触、可测量低温介质、无可动部件、寿命长等优点;以LM567作为超声波检测元件可降低系统的价格,提高超声波捕捉能力;采用单 片机来控制超声波的发射与接收,并且计算出液位,使检测具有更高的智能性.对由于超声波声速变化及LM567输出延时引起测量误差的原因作了详细的分 析,并提出了提高调整波速精度及调整输出延时的措施.实验表明:该液位测量仪具有较高的准确度和可靠性,并且价格低廉,具有广泛的用途. 2.期刊论文 王景中.张朝杰 基于AT89S51系列单片机实时语音播报的超声波测距仪设计 -微型机与应用2010,29(4) 详细介绍了一种基于单片机实时语音播报、带有LED数码显示功能的脉冲反射式超声测距系统.利用AT89S51定时功能来计算超声波在媒质中的传播时 间,进而计算出超声波在媒质中的传播距离.该仪器在工业控制、能源勘探、水利监测等领域具有广泛的应用,特别是在实时性要求比较高的领域具有更大 的优势和更广阔的应用前景. 3.期刊论文 裴玖玲.屈百达.PEI Jiuling.QU Baida 基于单片机8089的超声波电源控制技术的研究 -现代电子技术 2008,31(9) 针对目前大功率超声波电源采用模拟控制电路存在精度低、动态响应慢、参数整定不方便等缺点,采用单片机8089组成智能控制的超声波电源系统 .提出了基于SPWM技术的双闭环控制策略和应用单片机实现软锁相的工作原理和软件思想,使整个超声波电源实现了低损耗、高功率因数,优化了电路的整 体性能. 4.期刊论文 宋继红.SONG Ji-Hong 基于单片机的高精度超声波液位检测系统 -机电产品开发与创新2009,22(3) 介绍一种使用超声波进行液位检测的微机控制系统及其硬件组成和相应软件流程图.为使测量具有较高的精度,系统在测量方式上采用在容器底部放 置超声波探头的回波检测法,使超声波在液体中来回传播以稳定超声波传播速度.该系统由脉冲发射电路,变增益接收电路,温度补偿电路和相应的控制电 路组成. 5.学位论文 高守香 双频超声波清洗机的研制 2007 功率超声波应用技术已经在清洗、乳化和加工等方面取得可观的成效。超声清洗是功率超声技术最广泛也较成熟的一种应用，并且日益向各行各业 渗透。 超声波清洗中的压电换能器常因驱动电路的输出频率没有谐振在压电陶瓷片的共振频率上，因而导致压电陶瓷片的Q值下降，损耗加大，继而使得陶 瓷片发热，效率减小而发生断裂。因此共振频率是压电陶瓷超声波换能器的一个重要参数，它随负载及工作温度等因素的变化而变化，或随时间的增加 而变化，换能器馈电电路能否自动跟踪其共振频率就变得很重要。此外，由于目前市场上的超声波清洗机设备多采用单一频率的工作方式，也就是每套 设备只能工作在一个超声频率上，这使得结构复杂的工件得不到充分清洗，同时，由于驻波场的形成，造成清洗盲区，使清洗效果不均匀。 本文以半桥变换器为夹心式压电换能器的驱动电路，以脉宽调制器3525为脉冲波产生电路，采用单片机89S51、DAC0832D/A转换器及软件技术，设计 出具有频率跟踪功能的双频超声波发生器，较好地消除超声波清洗机清洗槽内由驻波引的清洗死角，有效地提高了超声波清洗机清洗效率。实验表明 ，采用双频超声波清洗方式的超声波清洗机，工作稳定、高效，具有广泛的应用前景。 6.期刊论文 李春玲.LI Chun-ling 基于单片机的高精度超声波液位检测系统 -电子科技大学学报2006,35(3) 介绍一种使用超声波进行液位检测的微机控制系统及其硬件组成及相应软件流程图.为使测量具有较高的精度,系统在测量方式上采用在容器底部放 置超声波探头的回波检测法,使超声波在液体中来回传播以稳定超声波传播速度;在硬件上引入专用定时芯片8254,以提高传播时间的分辨率,同时8254的 时标信号由具有较高稳定频率的多谐振荡电路产生;在软件算法上减少舍去误差.系统测量精度可准确到厘米. 7.期刊论文 李晓峰.姬志国.樊琛 基于AT89C2051单片机和超声波控制的厨用炉灶节能系统设计 -电子元器件应用 2009,11(1) 介绍了一种利用超声波来控制厨用炉灶火焰的节能系统设计方案,给出了基于单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路以及软件系统的设 计与实现方法.该系统具有抗干扰能力强,控制准确,节能充分等优点. 8.学位论文 田晓娟 基于单片机的超声波淤泥界面检测系统的开发 2008 沉淀池是污水处理工程中的一个重要部分，对于沉淀池淤泥界面的测量目前国内普遍采用插杆目测或使用进口设备进行测量。前者方法简陋，测量 误差大，而进口设备价格昂贵。所以面对我国污水处理厂的形势，研制一种成本低廉，便于国产化的淤泥界面测量系统具有非常重要的现实意义。 本论文课题针对淤泥界面的检测展开工作，系统地分析了超声测距的基本原理，对超声波测距的误差精度进行了详细分析，提出一种基于AT89C51单 片机的超声波淤泥界面检测系统。该系统由单片机，超声波发射电路，超声波接收电路，温度补偿电路，LED显示器等主要部分组成。该系统能够实现了 对沉淀池内淤泥界面进行自动测量，并显示出来当前的界面位置，由于系统采用了温度补偿电路，提高了系统的测量精度。本课题的研究成功将有利于 提高我国目前污水处理的自动化水平，提高劳动生产率、节能、降耗和降低污水处理厂建设及污水处理的单位运行成本费用。 本论文内容即根据上述内容展开讨论： 第一章介绍本课题的项目背景、目的和意义及本课题使用的相关检测技术的发展现状。 第二章详细地分析了超声波检测技术的方法和原理。 第三章给出了超声波进行界面检测的工作原理，并进行了误差分析，提出了时间误差和温度误差的补偿方法，设计了超声波淤泥界面检测系统的总 体方案。 第四章详细论述了系统的硬件组成电路，并进行了各功能模块的设计。 第五章从软件体系结构的角度，对系统软件的总体设计和各个功能模块的设计作了详细介绍。 9.期刊论文 张坤鹏.王子樑.孙俊清.ZHANG Kun-Peng.WANG Zi-Hang.SUN Jun-qing 基于ATmega单片机的超声波数 字识别系统设计 -自动化与仪表2008,23(7) 分析了超声波信号传输的特点,运用ATmega单片机设计了基于超声波的调制与解调电路,并且利用有限状态机建模,设计了发送与接收的软件算法,从 而实现了数字信号的发送与接收.通过使用数字通讯协议实现了基于超声波的数据包通讯,达到模仿RFID进行数字识别的功能. 10.期刊论文 张芬.董浩斌.焦彦斌.ZHANG Fen.DONG Hao-bin.JIAO Yan-bin 基于C8051F320单片机的超声波测距仪 -仪表技术与传感器2009,""(12) 介绍了USB(通用串行总线,Universal Serial Bus)型单片机C8051F320和相应的集成开发环境,详细论述了超声波测距仪从系统的整体结构设计到发 射与接收部分电路的实现以及软件设计的整个过程.为了提高测量精度,采取了温度补偿、增大发射功率、回波捕捉等措施.系统充分利用C8051F320的功 能模块和片内资源,实现了温度和距离的测量、输入信号的采集和USB总线传输,可在VC编制的界面平台上控制单片机及实时显示数据处理结果.该超声波 测距仪符合USB2.0规范并采用USB总线供电模式,无需外接电源,支持即插即用.经测试该系统能有效提高测距精度,有望得到进一步应用. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dnzsyjs-itrzyksb200833091.aspx 授权使用：洛阳工学院（河南科技大学）(wflskd)，授权号：e2ad8fd4-62a0-4c9f-9722-9e0c01495bd5 下载时间：2010年10月11日