车载超声波测距系统的开发(1)

０ 引言 根据中国汽车工业协会提供的数据，２００９年。在汽车生产
形势整体下滑，世界主要汽车生产国产量下降明显的情况下。 中国汽车市场一枝独秀。呈现高速增长态势，累计产销双超ｌ ３００万辆。２０１０年上半年，国内汽车需求保持较快的增长，国 际市场需求也逐步恢复。汽车进出口量双双呈现快速增长。然 而，汽车保有量的增长也带来了道路拥堵和交通事故频发等问 题。由于司机的视线受到车身的阻挡．在倒车、转弯、泊车等 过程中极易发生刮蹭和碰撞。为了避免这种情况的发生。各大 厂商和许多研发部门都投入人力物力研制各种驾驶辅助系统。 如倒车雷达等，以确保行车安全。在各类需探知外部环境的驾 驶辅助系统中，超声波测距是应用较为广泛的一种环境探测手 段。笔者提出了一种车载超声波测距系统，分析了超声波测距 的原理，设计了系统的硬件和软件结构。实验证明该系统具有 良好的测距性能。适于车载应用。
２．５显示模块 文中的显示模块采用共阳极四位一体数码管ＳＭ４１０５６４。
数码管的显示方式采用动态扫描显示。
２．６ 电源模块 笔者设计的超声测距系统工作电压为５ Ｖ。车载电源一般
为１２ Ｖ，有的车上将两个车载电源进行串联。形成２４ Ｖ电源。 因此可以采用ＺＵＳｌ２０５或ＺＵＳ２４０５电源模块。
３系统软件设计 笔者所设计的软件系统包括主程序，定时中断程序和外部
车载超声波测距系统的开发
刘欣，渠笑纳，方家宝 （大连Ｘ－ｒ－大学机械工程学院，辽宁大连１１６０２３）
摘要：提出了一种车载超声波系统，分析了超声测距的原理和超声测距系统需要从外界获取的参数，设计了超声波测距的硬 件软件系统，其中详细叙述ｒ超声波发射电路和超声波接收电路的组成。经实验证实，本系统具有较高的测距精度，可以完成倒 车雷达等泊车辅助系统所需测距任务，具有一定的使用价值和广阔的应用前景。
４结束语 经实验证实，笔者所设计的超声测距系统的测量范围为
０．２３～４．１１ ｍ，在３ ｉｎ以内精度可达到±１ ｃｍ，超过３ ｍ以后 精度逐渐下降。实验证实了文中所设计的车载超声波系统能够 较为精确完成测距任务；电路的设计合理。该车载超声波系统 可以应用于倒车雷达等辅助泊车系统中。具有一定的使用价值 和较为广阔的应用前景。
图４ ＣＸ２０１０６Ａ内部结构图
ＣＸ２０１０６Ａ各引脚的定义如下： （１）引脚１为信号输入端，在ＣＸ２０１０６Ａ原始设计中，该 引脚用来外接光电二极管，此处接到接收探头上。 （２）引脚２外接电阻电容组成ＲＣ串联网络以确定放大器 的增益和频率特性，常用值为屁＝４．７ ｎ，Ｃ＝ｌ妒。 （３）引脚３外接检波电容。ＣＸ２０１０６Ａ采用峰值检波法。 外接电容过大会变成平均值检波．通常取值为３．３肛Ｆ。 （４）引脚４接地。 １５）引脚５外接电阻到电源正极以设置带通滤波器的中心 频率。据文献［４］记载，外接电阻为２００ ｋｉｔ的时候，中心频 率为３８ ｋＨｚ，外接电阻为２２０ ｋｉｌ的时候，中心频率为４２ ｋＨｚ。 经实验证实，外接电阻为２１０ ｋｆｌ的时候，可以接收到４０ ｋＨｚ 的超声波，故此，文中采用了一个２００ ｋ１）的电阻与一个１０ ｋｎ 的电阻串联的形式。 （６）引脚６外接积分电容，一般取值为３３０ ｐＦ，此值大一 些可以增强抗干扰能力。笔者采用４７０ ｐＦ的电容。 （７）引脚７为整形输出端，可以将接收到的超声波信号以 方波的形式输出。 （８）引脚８接＋５ Ｖ电源。 引入接收探头的两脚要接一个０．１斗Ｆ的电容，这样， ＣＸ２０１０６Ａ才能较为稳定地输出。接收到的超声波信号为正弦 波，经ＣＸ２０１０６Ａ解调后变成方波。从８脚输出，接到单片机
笔者采用５５５时基电路来产生４０ ｋＨｚ的脉冲串。如图３所 示，ＮＥ５５５Ｄ与周边的元件组成的脉冲发生电路。在３脚上可 以产生脉冲串。ＮＥ５５５Ｄ的４脚ＧＥＮ端接受来自单片机的控 制，高电平时产生脉冲串．低电平时不工作。电位器凡用来 调节脉冲串的占空比，电位器兄用以调节脉；中串的频率。
图３超声波发射电路 提高驱动电压可以增加测距的量程。笔者采用ＭＡＸ２３２来
ｉｎ ｐａｒｋｉｎｇ ａｓｓｉｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｈ ａｓ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｕｓｉｎｇ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
பைடு நூலகம்
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ；Ｒａｎｇｉｎｇ；Ｐａｒｋｉｎｇ ａｓｓｉｓｔ ｓｙｓｔｅｍ；Ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｒａｄａｒ
１ 超声波测距原理与分析 发射和接收超声波的装置为超声波探头．又称为超声波换
能器。超声波探头按工作方式分为收发一体式和收发分体式， 文中采用收发分体式的探头，即发射和接收分别由两个探头独 立完成。超声波探头是用压电材料制成的。压电材料的压电效 应可以用来发射超声波。发射超声波时，探头的压电晶片被加 以超声频的交变电信号，压电晶片变形，发射出超声波。压电 材料的逆压电效应可以接收超声波。接收超声波时，反射回来 的超声信号可以挤压压电晶片。产生超声频的电信号，便于系 统探知回波。
２．１ 单片杌 单片机在系统中任务有：控制超声波的发射；检测接收到
的回波信号；利用定时器获得超声波在空气中传播的时间从测 温模块中读取温度、计算距离、显示计算结果。
蹄毕譬蒲呷‰ 前置放大
限幅放大带通滤波峰值检波积分比较整形输出
２．２超声波发射电路 超声波发射电路需要产生超声频率的电脉冲串，并将驱动
电压升高，以驱动发射探头发射超声波。空气中测距常用的超 声波频率为４０ ｋＨｚ，市面上最多的超声波探头的中心频率也是 加ｋＨｚ。笔者采用的也是这个频率的探头。
ｃ２：业
（２】
Ｐ
其中：ｃ为声速；对于空气，常数Ａ＝１．４０２；Ｐ为气压；Ｐ为气
体密度。根据克拉珀龙方程
ｐＶ＝面ｍＲｒ
（３）
将公式（１）中的Ｐ替换掉，声速的表达式为
ｃ。２：２百警
（１４４）Ｊ
其中：月为气体常数，肘为气体的摩尔质量，在空气中为常 量。ｒ为气体的热力学温度，是变量，由此可见，声速受到气 体的温度的影响。Ｐ。＝１．０１３ Ｘ１０５ Ｐａ。环境温度为０℃时。声
关键词：超声波；测距；泊车辅助系统；倒车雷达
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｒａｎｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
ＬＩＵ Ｘｉｎ，ＱＵ Ｘｉａｏｎａ。ＦＡＮＧ Ｊｉａｂａｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １ ６０２３，Ｃｈｉｎａ）
［Ｊ］．民办教育研究，２００９（８）：８５—８８．
作者简介：刘欣，男，辽宁大连人，副教授，硕士生导师。 主要从事自动化控制及智能仪表的研究。联系人：渠笑纳，电话：
１３８８９４５９８２８，Ｅ—ｍａｉｌ：ｔａｗｕｇｅ＠１６３．ｃｏｒｎ。
收稿日期：２０１０—０９—２５
（上接第５３页） 均效率要远高于常规动力系统，因此可以进一步降低油耗。因 此，混合动力客车在降低油耗方面大于３０％。
垫！！：！！墨堕！堕墅堕旦！堕
０５５
研究与开童
万方数据
的外部中断引脚上，以证实已接收到超声波。
ＶＣＣ
Ｃ 接收探头
ｐＦ
图５超声波接收电路
２．４测温模块 由前面分析可知，超声波测距系统需要探知外部环境温
度。笔者采用了ＤＳｌ８８２０作为温度传感器。ＤＳｌ８８２０是Ｄａｌｌａｓ 半导体公司出品的单总线（１．Ｗｉｒｅ）器件。只需一条线就可以 与主机进行通信。ＤＳｌ８８２０可以将温度自动转换成９位二进制 数据传送给主机。ＤＳｌ８８２０可以节省Ｉ／Ｏ口，并且具有较高的 精度．其编程需要严格遵守其时序规则。
参考文献： 【ｌ】许肖梅．声学基础［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３． 【２】张无良，吕艳，王建军．智能仪表设计实用技术及实例［Ｍ］．北
京：机械工业出版社，２００８． 【３】瞿贵荣．红外解调器ＣＸ２０１０２Ａ原理与检修［Ｊ］．家庭电子，
１９９７（７）：３３． １４】袁新娜，余红英．超声波传感器在智能小车避障系统中的应用
２硬件系统设计 硬件系统由单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、
测温模块、显示模块和电源模块组成。如图２所示。
。厕衙 ［彳超声波发射电路
单片机
图２系统硬件结构图
提高探头的驱动电压。输出的脉冲串经过反相器以后。与原脉
冲串一同进入ＭＡＸ２３２的ｍ电平输入端，在输出端．可以产
生达到ＲＳ２３２标准的电平信号，ＲＳ２３２标准的逻辑１为一３一 一１５ Ｖ，逻辑０为３～１５ Ｖ【２１。电压差可达到６—３０ Ｖ，有效提 高了驱动电压。两路脉冲信号相位相反．加到探头上具有推挽 驱动的效果。可以有效地提高测距的量程。
研究与开发
．Ａ．．ｕ．．ｔ．ｏ．．ｍ．．．ｏ．．ｂ．．ｉｌ．ｅ．．．Ｐ．．ａ．．ｒ．ｔ．ｓ．．．．．２．０．．．１．０．．．．１—１— ０５４
万方数据
速ｃｏ＝３３１．６ ｍ／ｓ。以ｃｏ为基准。 将热力学温度ｒ转换为摄氏
度ｒ，声速的计算式为
忙√１万ｃｏ ／２４３．５＋，／－
（５）
上式可以用来求任意温度下的声速。由以上分析可见．超 声测距系统应当获取的参数为超声波回波在空气中传播的时间 和环境温度。
中断程序三部分，如图６所示。
萋詈
塞
图６程序流程图
主程序完成系统的初始化、测温和测量距离值的计算，以 及显示测量数据的任务。定时中断程序用来规定发射超声波的
时间和接收超声波的时间。定时中断程序按照全局变量Ｓ的值 分成三段：第一段为发射超声波的时段，Ｓ＝１，发射频率为４０ ｋＨｚ的超声波脉冲十个．大约为２５０ Ｉｘｓ；第二段为延时部分，Ｓ ＝２，为了去除发射探头余振的影响，延时大约ｌ ｎｌｇ，在此期 间并不承认接收到的回波；第三段为接收部分，Ｓ＝０。在此时 间段内接收反射回波。外部中断程序用来处理从ＣＸ２０１０６Ａ传 送来的回波信号。若Ｓ＝Ｏ，即在接收时段内，则确定已收到回 波，将定时器的值赋给全局变量Ｄ，主程序根据Ｄ计算测量所 得的距离并进行显示。
２．３超声波接收电路 超声波接收电路需要检测超声波的回波，并且给单片机一
个信号。表明已经接收到超声波，来帮助单片机完成确定超声 波传播时间的任务。
一般说来，超声波回波信号的检测包括信号放大，带通滤 波和整形输出三部分。为了保证电路工作的稳定性和可靠性， 文中的超声波回波接收采用了以ＣＸ２０１０６Ａ为核心的电路。 ＣＸ２０１０６Ａ是日本索尼公司生产的红外解调电路，内部含有前 置放大、自动偏置、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分比 较和施密特整形输出电路¨３。如图４所示。
图１超声测距原理图
超声波测距最常用的方法为渡越时间法，如图１所示，由 发射探头发射超声波，超声波碰到物体之后产生回波，被接收 探头收到。通常，两个探头之间的距离ｓ与测试距离￡相比很 小。可以忽略。在空气中的声速为ｃ，超声波在空气中传播的 时间为￡。则探头与障碍物之间的距离为
Ｌ＝７Ｇｇ
（１）
对于理想气体中的小振幅声波，声速的表达式为…
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｖｅｈｉｃｌｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｎｅｅｄｅｄ Ｗａｓ ａｒｍ—
ａｎｄ枷ｗａｒｅ ｌｙｚｅｄ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｈａｒｄｗａｒｅ
ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅ·
ｔａｉｌ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉ【ｓｈ ｒａｎｇｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｂｌｅ ｔＯ ａｃｈｉｅｖｅ ｒａｎｇｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ
由于避免了冷起动，也避免了排放略低于冷起动的热起 动，混合动力客车极大地降低了有害气体的排放。按美国 ｎ聊５的标准计算，降低幅度超过８０％。
５结束语 开发的新型混合动力装置，能够满足混联式混合动力汽车
的需要，尤其使用于体积较大的城市公交客车，可以提高经济 性，降低排放，有利于节约资源保护环境。