汽车倒车雷达的设计_汽车倒车雷达的设计与实现

什么是倒车雷达

驾驶员位于驾驶席内的视角是很有限的，通过车内和外侧的反光镜可以大幅度提高驾驶员的视野范围，但位于车正后方的障碍物，以及高度不足以通过反光镜看到的或者距离车身过近的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角或者视野模糊区中。这样，小则对驾驶员的泊车、倒车感到不便，大则也会带来一些危险。

驾驶员的视野死角

而倒车雷达能够在这些视野的死角处，通过声音、数据、图像等形式为驾驶员提供信息和警示，使驾驶员对周围障碍物的情况能够更清楚的了解，对驾驶员的起步、泊车、倒车等环节起到很大帮助，提高驾车的安全性。

我们通常见到的后方倒车雷达一般都是采用超声波传感器来实现的，这类倒车雷达一般由传感器、控制器、反馈器三个部分组成。

在汽车处于倒档状态时，倒车雷达开始工作，由传感器发射超声波信号，一旦车后方出现障碍物，超声波被障碍物反射，传感器会接收到反射波信号，通过控制器对反射波信号进行处理来判断障碍物的所处位置以及和车身的距离，最后由反馈器通过声音(蜂鸣器)、数据(距离显示)、图像(显示屏模拟)等方式将信息反馈给驾驶员。

倒车雷达示意图

倒车雷达发展

说起倒车雷达，大家一定记得多年前随处可以听到那清脆的女声：“请注意！倒车！”，这可以算作倒车雷达的鼻祖了，虽然从工作原理上看这种话筒式的提示音对驾驶员的操作不会起到任何帮助，只能对行人起些警示作用，但是它对倒车雷达技术的引入树立了一个标杆。

在此之后，上述的超声波传感器式的倒车雷达成为了汽车上的一项标准配置。最开始的倒车雷达，多采用蜂鸣器作为反馈信息的方式，随着提示音的缓急，驾驶员可以判断出相对于障碍物的远近，由于造价相对低廉，这种倒车雷达至今仍然被广泛应用。

1 引言

近年来, 随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不

断提高, 我国的汽车数量正逐年增加。 同时汽车驾驶人员中非

职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、 街道、 停车场、

车库等拥挤、 狭窄的地方倒车时, 驾驶员既要前瞻, 又要后顾,

稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计, 15%的汽车

碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。 因此, 增加

汽车的后视能力, 研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成

为近些年来的研究热点。 安全避免障碍物的前提是快速、 准确

地测量障碍物与汽车之间的距离。 为此, 设计了以单片机为核

心, 利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。

2 整体设计及原理

超声波一般指频率在 20 kHz 以上的机械波, 具有穿透

性强,衰减小,反射能力强等特点[1]

。工作时, 超声波发射器不

断发射出一系列连续脉冲, 给测量逻辑电路提供一个短脉

冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处

理, 自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简

单,成本低,制作方便, 但其传输速度受天气影响较大, 不能

精确测距; 另外, 超声波能量与距离的平方成正比衰减,因

此, 距离越远, 灵敏度越低,从而使超声波测距方式只适用

于较短距离。目前, 国内外一般的超声波测距仪, 其理想的

测量距离为 4～ 5 m, 因此大都用于汽车倒车雷达等近距离

测距中。

该倒车雷达系统采用单片机控制, 如图 1 所示。利用超

声波实现无接触测距, 并考虑测量环境温度对超声波波速的

影响, 而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数

字传感器 DS18B20 构成的温度测量电路, 可直接读取温度

值, 再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速, 由单

片机计数脉冲个数获得传播时间, 根据超声波测距原理测得

并显示距离, 再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。

图 1 整体设计框图

基于超声波测距的倒车雷达系统设计

王红云

(军械工程学院, 河北 石家庄 050003)

摘要: 介绍了以单片机为核心的倒车雷达系统, 它利用超声波实现无接触测距。 系统主要包括超声波发射接触以及温

度测量电路, 突出点是利用数字传感器 DS18B20 对温度进行测量, 并利用声速与温度之间的校正公式对声速进行校

正, 提高了渡越时间的测量精度, 进而提高了测量距离的准确度。适合测量的距离在 5 m以下, 可以满足倒车安全的

要求。

关 键 词: 汽车; 超声波; 倒车雷达; 温度补偿; 单片机

中图分类号: TP368 文献标识码: A 文章编号: 1006- 6977(2008)08- 0070- 03

Design of automobile- r ever sing r ader system based on ultr asound

distance- measur ement

WANG Hong- yun

(Ordnance Engineering college, Shijiazhuang 050003, China)

Abstr act:In this paper,the automobile- reversing rader system which uses the single chip as core is introduced.The system

uses the ultrasound to realized distance measurement without contract.The system mainly includes the blast - off receiving

and temperature measurement electric circuit.The temperature measurement circuit which uses a digital sensor DS18B20 is

given.The accurate degree of distance is compeleted.This system is suited to mesure distance which below 5 meterses can

meet the safety requestment of reversing a car.

Key words: automobile; ultrasound; automobile- reversing rader; temperature compensate; MCU

收稿日期: 2008- 05- 16 稿件编号: 200805048

作者简介: 王红云(1980- ), 女, 河北衡水人, 教师。研究方向: 测量控制。

自动控制与仪器仪表 基于超声波测距的倒车雷达系统设计

- 69-《 国外电子元器件》 2008 年第 8 期

2.1 超声波测距原理

目前, 利用超声波测距的方法[2]

有相位检测法、 声波幅

值检测法、 渡越时间检测法三种。 相位检测的精度高, 但检测

范围有限; 声波幅值检测易受反射波的影响; 渡越时间检测

工作方式简单、直观, 在硬件控制和软件设计容易实现, 其

原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后

接收传感器接收超声波的时间差, 即渡越时间 t。距离 s=ct/2

( c 为声速) ,t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。

2.2 温度与声速的关系

由于超声波也是一种声波, 其声速 v与温度 T有关。表

1 列出了几种不同温度下的声速[2- 3]

。使用时, 若温度变化不

大, 则可视声速基本不变; 若测距精度要求很高, 则应通过

温度补偿法予以校正。

一般情况下, 利用 v=331+0.60T进行温度补偿, 以适应

不同温度下的工作要求。表 2 给出补偿后声速与温度的关

系。可以看出, 0℃以下时声速值完全吻合;0℃以上最大误差

不超过 5%。

由上述分析可知, 温度测量的精度不仅直接影响了速度

的测量精度, 而且也间接影响距离的测量精度, 所以温度的

测量很关键。

3 硬件电路设计

倒车雷达系统主要由超声波发射电路、超声波接收电

路、 温度测量电路及显示报警电路构成。

3.1 超声波发射电路

在单片机控制下, 使脉冲发生器输出超声波。脉冲发生

器由 555 构成, 其连接如图

2 所示。7 引脚和 6、 2 引脚

的上下为 R 和 C; 中间 R 与

RP 并联, RA=R1+RA’ , RA=R2+

RB’ , 且 T1=0.693RAC , T2=

0.693RBC, 通过调节 RA 和

RB 的阻值, 实现输出波形的

占空比的可调。但是, 这里

需要 50%占空比的方波, 因

此调节滑动变阻器, 使 T1=T2, 频率的计算公式为:

f=1.443/( RA+RB) C ( 1)

合理选择 R,C可使超声波获得 40 kHz的输出脉冲。因

为超声波的传输要有一段距离, 为了使信号便于传输, 通常

要在发射电路的后面加上一个调制电路。

3.2 超声波接收电路

因为超声波测距只用于近距离, 当距离较远时, 衰减较

为严重, 反射回来的信号相对也比较微弱, 因此接收端应先

设置一个放大电路, 然后通过检波电路对其输出信号进行解

调, 最后对检波输出信号进行比较整形。超声波接收电路的

需要考虑以下几个方面:

( 1) 环境噪声、 干扰、 温度等影响

图 3 给出放大电路图。它选择一个自举组合电路, 该电

路通过减小向输入回路索取的电流来提高输入阻抗, 其值为

Rin=R1R2/(R1- R2), 该值可

根据前序电路确定 R1 和

R2, 使其与前序电路级间

匹配。电路中用到的是

反相比例放大电路, 增

益比较稳定, 通常 K=-

R3/R1 不会引起自激, 可

降 低 干 扰 对 电 路 的 影

响。因此, 合理地选择 R3

和 R1, 可使输出电压达到 V级。

( 2)检波精度

设计中采用了图 4 所示的全波精密检波电路。为了提高

电路的信噪比, 衰减掉不需要的频率信号, 在输入端加上谐

振回 路 。二 极 管 VD1 和 VD2 选 择 高 频 性 能 比 较 好 的

IN60。 这种检波方式可以使二极管的死区电压和非线性得

到很大的改善。

( 3) 比较整形电路

图 5 示出比较整形电路。 首

先在静态下测量距离等于 5 m,

检波器的输出电压值(该电压同

样是经过放大检波电路 得 到

的) , 并以此电压值作为比较器

的参 考 电压 uR。比 较 器选 用

LM339, 具有失调电压小, 电源电压范围宽, 其单电源电压为

2～ 36 V, 双电源电压为± 1～ ± 18 V,而且对比较信号源的内阻

限制较宽等优点。对于 LM339 来说, 当两个输入端电压差大

于 10 mV 时, 就能确保其输出从一种状态可(下转第 73 页)

图 5 比较整形电路

图 2 占空比可调脉冲振荡电路

图 3 放大电路

图 4 精密全波检波电路

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靠地转换到另一种状态。因此, 把 LM339 用在弱信号检测等

场合是比较理想的。一般情况下, 比较电路的输出波形的上

升沿和下降沿都有延时, 可在其后面加一个与门, 以改善输

出特性。 将比较整形电路的输出送到单片机, 对脉冲计数, 得

到渡越时间。单片机选用 AT89C52。

3.3 温度测量电路

目前, 大多数温度测控系统在检测温度时,都采用温度

传感器将温度转化为电量, 经信号放大电路放大到适当的范

围, 再由 A/D 转换器转换成数字量来完成。这种电路结构复

杂, 调试繁杂, 精度易受元器件参数的影响。为此, 利用一线

性数字温度计即集成温度传感器 DS18B20 和单片机,构成一

个高精度的数字温度检测系统。 DS18B20 数字式温度传感器

与传统的热敏电阻温度传感器不同, 能够直接读出被测温度

值, 并且可根据实际要求, 通过简单的编程, 实现 9～ 12 位的

A/D 转换。 因而,使用 DS18B20 可使系统结构更简单, 同时可

靠性更高。温度测量范围

从- 55~+125℃, 在- 10~+

85℃检 测 误 差 不 超 过

0.5℃[4]

, 而在整个温度测

量范围内具有± 2℃的测

量精度, 其电路连接如图

6 所示。

3.4 显示及报警电路

显示电路采用 4 位共阳

LED 数码管, 码段由 74LS244

驱动电路驱动; 驱动电路由

PNP 晶体管 8550 驱动。图 7

给出报警电路。它采用晶体管

驱动。

4 结语

该倒车雷达系统利用超声波实现了无接触测距; 采用高

精度温度传感器实现了对超声波测距系统的温度测量和补

偿, 即根据 v=331+0.60T, 对声速进行了补偿, 提高了测量精

度。具有电路设计简单, 价格便宜, 测量精度比较高的优点,

目前已批量生产。

参考文献:

[1]冯 诺.超声手册[M].南京: 南京大学出版社, 2002.

[2]肖质红.超声波测距仪在汽车安全系统中的应用[J].浙江

万里学院学报,2007, ( 5) : 43- 46.

[3]徐国华.超声波测距系统的设计与实现[J].电子技术应用,

1995,( 12) :6- 7.

[4]田胜军 ,秦宣云,何永强.基于超声波测距系统的温度补偿

电路设计[J].微计算机信息, 2007, ( 22) : 307- 309.

图 7 报警电路

图 6 DS18B20 温度采集电路

作电压 30 min。 电解电容器应储存在正常大

气条件的环境下。

7.8 焊锡

不适当的焊锡温度及时间均可造成表面

胶管的异常收缩破裂, 有时高温也会由导针

及端子导热至素子内部, 对产品造成不良影

响。 因此必须尽量避免过高温度及过长时间

的焊锡。

8 电解电容在冰箱电源电路中的实际应用

图 3 给出电解电容在冰箱电源电路中的应用实例。输入

电压经过压敏电阻保护电路、 变压器变压、 整流桥电路整流

后, 将交流变成脉动的 12 V直流, 在整流电路之后接入较大

容量的电解电容 E101/E102, 利用其充放电特性, 使整流后的

脉动直流电压变成相对稳定的直流电压。实际应用中, 为了

防止电路各部分供电电压因负载变化而改变时, 通过计算峰

值电压和电解电容的纹波电流, 选用两级滤波电解电容器。

第一级为 2 200 μ F/35 V; 第二级为 470 μ F/35 V。 由于大容量

电解电容一般都具有一定的电感, 不能有效地滤除高频及脉

冲干扰信号, 因此, 应在其两端并联一只容量为 0.1 μ F 的

C102/C103 电容器, 用以滤除高频及脉冲干扰。

9 结语

为了更好地应用并提高电路设计的可靠性, 这里介绍了

铝电解电容器的相关技术参数和使用知识。目前, 新型电解

电容的发展非常快, 正向小型化、 低阻抗化、 片式化、 高速制

造化、 宽温度化、 高电压化、 长寿命化以及环保绿色化方向发

展, 因此铝电解电容器应用前景广阔。

参考文献:

[1] 于安红.简明电子元器件手册[M]. 上海: 上海交大出版社,

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[2] 沈任元, 吴 勇.常用电子元器件简明手册[M].北京: 机械工

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[3] 舒正国. 高效、 高容、 低阻抗、 长寿命的表面安装电容的选

型[J]. 世界电子元器件, 2006( 11) : 55- 57.

图 3 电解电容在冰箱电源电路中的应用

基于铝电解电容器的技术详解及应用原则

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