基于单片机的车辆倒车防撞系统的设计文献综述

超声波技术的应用

摘要：近年来随着人们生活水平的提高，出门代步的工具越来越高级，小汽车可以说已经很普及了，但出行的安全特别重要，汽车在倒车时的安全问题尤为突出，所以本课题旨在研究汽车倒车防撞系统，主要利用的是超声波测距技术，这是目前在汽车领域倒车时普遍应用的技术。关键字：超声波测距；倒车防撞；倒车雷达

1.前言

近年来由于电子技术的飞跃发展,使得相关技术日新月异。尤其是信息产业的迅速发展,使得研制高度信息化的车辆有了基础,许多先进技术将被引入汽车的设计。汽车安全设计要从整体上考虑,不仅要在事故发生时尽量减少乘员受伤的几率,而且更重要的是要在轻松和舒适的驾驶条件下帮助驾驶者避免事故的发生。然而,目前车辆上的一些安全装置,如安全带,安全气囊,保险杠等均为被动式系统,从本质上讲,其功能只能减轻事故的程度,并不能有效的防止事故的发生。近年来人们越来越认识到,如何利用先进技术,辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路等环境进行实时监控和报警,在危急情况下由系统主动干预驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防止汽车碰撞事故的发生,显得尤其重要。由此也可预见,车辆安全系统的研究将朝着智能化、主动型的安全系统及其技术方向的发展,因此本课题的研究具有重要的意义。[3]

2. 基本原理

2.1 超声波介绍

人们能听到声音是由于物体振动产生的,它的频率在20–20KHZ范围内称为可闻声波，低于20HZ的机械振动人耳不可闻称为次声波，高于2OKHZ的机械振动称为超声波。常用的超声波频率为几十KHZ至几十MHZ，超声波是一种在弹性介质中

的机械振荡，有两种形式，横向振荡(横波)和纵向振荡(纵波)，工业中的应用常采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但传播速度不同。另外它也有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波频率较低，一般为几十KHZ，但衰减较快。在固液体中传播频率较高，但衰减较小、传播较远。[2]超声波的指向性好，不易发散，能量集中，因此穿透本领大。在穿透几米厚的钢板后能量损失不大。超声波在遇到两种介质的分界面时能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的频率越高，其声场指向性就越好，与光波的反射和折射特性就越接近。利用超声波的特性可做成各种超声波传感器，配上不同的电路制成各种超声波测量仪器及装置，并在通信、医疗、家电等各方面得到广泛应用。[2]

2.1.1 超声波测距基本原理简介

人耳的听音范围在20~20KHZ，人耳听不到的声音频率高于20KHZ的声波称为超声波。现代汽车倒车防撞测距技术，利用超声波测距具有先进性和可靠性，系统通过探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并在危险区域内及时发出警告。[1]由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而利用超声波设计的倒车防撞测距系统，可以实现探测到在盲区内障碍物的距离和方向。超声波检测电路往往比较迅速、方便、易于做到声光并茂的听觉和视觉警告，通过实时控制，可以游刃有余地让驾驶员采取必要的动作措施，因此在汽车倒车预警装置的研制上，得到了实际的应用效果。[2]系统设计中采用的是超声波频率为40KHZ的超声波传感器，系统设计采用的是超声波测距基本原理，即当超声波发射探头源连续地发射为40KH的超声波，当超声波遇到障碍物时，能够反射回反射波，而当超声波接收探头部接收到反射波信号后，能够将其转化为电讯号。通过测量计算发射波和接收波之间的时间差Δt，再求出发射点到障碍物之间的距离S，在速度C已知的状况下，容易求得S=CΔt/2，式中C为超声波的音速，因为超声波本质上也是声波，所以C也为音速。系统在测距过程中，可以通过查表法，测量温度值进行声音速度的温度补偿误差。时间差的获取，可以通过计时器技术获得，当发射声速后，

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立即启动定时计数器，在得到第一回波信号即刻停止计数器。通过测量计算得到超声波发射波和接收波之间的时间差Δt和现场环境温度T，就可以精确计算出超声波发射点到障碍物之间的距离。[1]

2.2 传感器原理[5]

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。本次课程设计主要涉及到温度传感器和超声波传感器。

2.2.1 超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子，控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率占空比稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源可用DC12V±10%或24V±10%。[2]

超声波换能器又称超声波探头，超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主要采用压电式，由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头等等。[2]

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超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。[2]

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。[2]

2.2.2 温度传感器[5]

温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

热电阻传感器，金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型:①正温度系数：温度升高 = 阻值增加，温度降低 = 阻值减少；

②负温度系数：温度升高 = 阻值减少，温度降低 = 阻值增加。

热电偶传感器：热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范

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