一款数码倒车雷达防撞系统原理浅析

电子报/2015年/7月/26日/第006版

3C维修

一款数码倒车雷达防撞系统原理浅析

江苏赵忠仁

超声波倒车雷达是一种汽车泊车防撞辅助装置:驾驶员在倒车时，启动倒车雷达，装在车尾保险杠上的探头发送出超声波信号，若遇到障碍物便产生回波信号，探头接收到回波信号后，经过控制器进行数据处理，判断障碍物的位置，同时数码管显示距离值，蜂呜器发出提示声，辅助驾驶员安全泊车。一般小轿车都配有倒车雷达装置，使用中故障时有发生，用户能略知倒车雷达的结构原理及常见故障排除方法很有必要。为此，笔者实测其绘制了东风标致206型车配置的倒车雷达主板电路图，简单介绍数码超声波倒车防撞预警系统的工作原理。

一、码超声波倒车雷达系统的组成

超声波倒车防撞予警系统框图如图1所示。硬件由四个超声波换能器及其超声波发射与回波接收电路，超声波回波信号放大与整形电路，八位单片机控制电路，数码管色柱显示、蜂鸣器提示电路和稳压电源组成。

当汽车换档倒车时，自动接通倒车雷达电源，系统得电，复位立即进入工作状态。单片机发出一串短促的频率为40kHz脉冲电压，通过四选一摸拟开关选通一路超声波发射与回波接收电路，脉冲信号经放大后驱动超声波探头转换为超声波，同时单片机开始计时。当超声波脉冲遇到暲碍物时就会反射，超声波探头把接收到的反射波转换为微弱的电信号，该信号经过放大与整形后向单片机发出中断申请，单片机立即响应，执行中断服务程序，停止计时，CPU根据发射与接收波之间的时间间隔T，计算出探头与障碍物之间的距离S，即S=(CT)/2。(C是超声波在空气中的传播速度，常温下约为340m/s)。如果发射出的超声波在测距范围内没有碰到障碍物，直到CPU定时中断产生，执行定时中断服务程序，按左、中左、中右、右路的顺序选择下一路，逐路连续发射和接收超声波，并经过CPU计算处理。待四个探测处理完毕，选择四路中测出的最小距离值，通过LED数码管和色柱显示出来，当最小距离小於予先设定的报警距离时，CPU接通蜂鸣器，随着距离的不断变化，蜂鸣器发出间歇不同的声音报警。当距障碍物为0.3米以下时.显示为“0.0”及左右两边三色七段色柱点亮，表示应立即停车。左边有障碍物时，左边三色七段光柱从左至右依次点亮;右边有障碍物时，右边三色七段光柱从右至左依次点亮；中间有障碍物时，左右两边三色七段同时点亮。如四路探测都没有回波中断申请，则显示“一.一”，表明在安全距离内没有障碍物，然后继续下一轮循环探测处理。

二、超声波倒车雷达系统电路原理

图2是该款超声波倒车防撞系统的电原理图，它由U2单片机、超声波发送电路、超声波接收电路、四个超声波收发探头、LED数码及条柱显示声报警电路五个部分组成。

1.超声波探头(换能传感器)

超声波探头利用压电效应原理构成，它由双压电陶瓷晶片、锥形共振板、底座、引线、金属外壳等组成.内部结构如图3所示。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。根据压电效应可知，在晶片两极加上频率等于压电晶片的固有频率(f0=40kHz)的交流电压时，压电晶片将会产生共振，带动锥形共振盘振动，园锥形振动盘发送超声波时，有较强的方问性，能高效率发射超声波。相反，如果晶片两极未加电压，超声波振动集中于振子中心，接收到频率为f0的超声机械波作用在晶片上时，迫使压电晶片受力作振动，将机械能转变为电能，在晶片两端产生频率与超声杌械波频率相同的电压信号，成为超声波的接收换能器。锥形共振盘使发射和接收超声波能量集中，所以换能探头具有一定的指向角。若同一只超声波探头，既作超声波发射器又用作

超声波接收器，则称为兼用型或收发一体化超声波传感器。这种传感器收发的频率特性相同，它的幅频特性曲线在f0处输出幅度最大，所以具有很好的频率选择特性。

2.超声波发射电路

超声波发射电路包含超声脉冲信号的产生、四选一模拟开关U3(CD4052)、驱动放大器和超声波换能传感器组成。运用软件方式由单片机U2(EM78P156NP)产生频率为40kHz一定时间间隔调制脉冲信号，从U2单片机的I/0端口P62输出，接至四选一模拟开关U3的ZA信号输入端；同时单片机的P60和P61端口向U3发出二位地址码，U3开关相应选通一路，在该路开关三极管Q的基极获得激励信号，集电极便输出超声波脉冲电流，通过脉冲变压器(T)升压、与超声波传感器相匹配，从而获得足够的驱动功率转换为较强的超声波能量幅射。从表1所示的CD4052的真值表可知，当单片机改变U3输入的二位地址码，即可依次驱动车尾四只不同位置上的超声波换能器(A、B、C、D)发射超声波。

并接在脉冲变压器次级绕组上的电阻(Rl8-R20和R33)，是防止负载开路时初级绕组产生较高的反向电势，保护开关管Q；电阻(例如R1)与两个反向并联的二极管(例如D7、D8)，组成双向限幅电路，避免在发射时，大的超声波发射脉冲电压，阻塞开关和放大整形电路，影响回波接收电路正常工作，甚至损坏器件。

3.超声波回波接收电路

回波接收电路由四路兼用型超声波传感器、四选一模拟开关和四运放U1(TL074CN)组成。其中UIA为微分电压放大器、U1D为带通滤波器、U1C适调电压放大器、U1B电压比较器。

当超声波探头接收到超声波后，产生压电效应，声能转换为毫伏级的电信号，由于回波电信号幅值很小，该信号不会通过脉冲变压器T次级绕组形成短路，二极管(例如D7、D8)截止，所以回波电信号经电阻(例如R1)通过U3选通从ZB端输出，回波信号电压送到U1A前置放大电路进行放大。

1)前置放大电路

四运放TL074CN具有JFET高输入阻抗、低噪声特性，须正负双电源供电。图2中U1A与C1、R15等元件组成微分型放大器，它的闭环增益KCL=-jωRl5C1，因为高频下电容C1容抗很小，所以高频增益很高，适合放大40kHz微弱超声回波信号。图中给出R15=1MΩ、C1=1000pF，f0=40kHz计算得KCL≈250倍，其缺点是高频噪声和干扰比较严重和稳定性差。由于本系统U1采用+8V单电源供电，须在运放的同相输入端接入二分之一的电源电压，使输出端电位上移，这样输入交流信号的负半波也可放大，该正向平移电压，本系统是用阻容电路的形式(Cl0、C14与C17、C16、R36)进行分压取得，因C14=C16、C10=C17，所以平移电压约为+4V。

2)带通滤波器

在回波信号的接收和放大过程中，由于干扰信号的存在，为了避免由干扰信号放大而产生回波误识别，所以设置一级带通滤波器，只对有效频带内的超声波信号进行选择放大，其余干扰信号加以抑制或衰减。图2中运放U1D和反馈网络R14、R12、R11、C8、C9组成了一级有源二阶带通滤波器，放大器的同相输入端同样要接+4V平移电压，C1、C7是去耦电容。带通滤波器的中心频率和增益计算式如下:

巳知C=C8=C9=1000p R11=160ΩR,2=82K R14=2kΩ代入算得中心频率f0≈45.68KHz、增益Kf≈20.5。

3)适调放大器