超声波测距离在汽车上的应用.docx

超声波测距离在汽车上的应用.docx

《超声波测距离在汽车上的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波测距离在汽车上的应用.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

超声波测距离在汽车上的应用

超声波测距离在汽车上的应用

摘要

本文探讨了超声波测距离在汽车上的应用问题，也就是我们常说的倒车雷达，即一种汽车倒车雷达测量预警系统，该系统在常见的汽车倒车预警装置的基础上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，提高了驾驶安全性。

本文在研究汽车倒车雷达测量预警系统过程中,运用理论分析，电路设计和计算机仿真等研究手段,完成了倒车雷达预警系统硬件和软件的设计。

该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达测量预警系统的构架和设计方案。

在硬件电路中详细阐述了运用单片机技术实现的倒车雷达预警系统的测距原理，分析了以MSP430单片机为主控单元的系统硬件和软件设计,并对该系统进行了试验和误差分析，给出了本系统的稳定性指标。

试验结果显示，该系统对室内有限距离的距离测量具有较高的精度，实现了倒车提示和距离报警功能。

关键词：

超声波；倒车雷达；温度补偿；MSP430；距离测量

Ultrasonicdistancemeasurementinautomotive

applications

Abstract

Thisarticletreatsofultrasonicpacingoutdistancesincarsinwhichtheapplication,weoftensaythataradar,reversingthecarintoreverseintheearlywarningradarsystem,incommonthecarintoreversewarningapparatusonthebasisofcomputercontrolledbytechnologyandultrasoundrangeoftechnicalandobstaclestoshowthedistance,accordingtoitsdistancefromfarandnearreal-timeacallthepolice,fromparkingandstartwhenthevehicleandvisitthetroubleofdrivingsecurity.

Basedontheresearchvehiclereversingearlywarningradarsystemprocess,theuseoftheoreticalanalysis,designandcomputersimulation,andotherresearchtools,completedareverseearlywarningradarsystemhardwareandsoftwaredesign.

Rangingmoduleintothesystem,thesystemcontrolmoduleanddisplayalarmmodule,respectively,andtheirprogramofconstructionofareversingearlywarningradarsystemofsystemsarchitectureanddesignprogramsinthehardwarecircuitindetailtheuseoftheSCMtechnologyVisualreversingrangeearlywarningradarsystemtoachievetheprincipleofaMSP430MCUcontrolunitforthesystemhardwareandsoftwaredesign,andthesystemwastestedanderroranalysis,giventhestabilityofthesystemindicators"Theresultsshowthatthesystemoflimitedindoorrangeofdistancemeasurementwithhigherprecision,toachieveapromptanddistance,reversingalarmfunction.

Keywords：

Ultrasound；reversingradar；temperaturecompensation；MSP430；distancemeasurement

第一章绪论

1.1课题背景

随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。

在享受汽车给我们带来的便利同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。

一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越来越少；另一方面，新司机及非专职司机越来越多，因倒车引起的纠纷越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。

在2009年汽车事故的发生比例中，倒车引起的事故占28%，倒车己成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。

驾驶者只能依赖后视镜观察后方障碍物，后视镜受其位置的限制，视野狭窄、清晰度差，根本无法达到倒车过程中后视的目的。

其二是倒车时驾驶者同时要兼顾车辆前方、两侧的情况，必须扭身回头观察车辆后面的情况，体力和脑力消耗过大，易产生不安全因素。

其三，倒车是一个复杂的工程，它依赖于驾驶者的驾驶经验、驾驶技巧及反应灵敏程度，任意环节出问题都导致驾驶员无法快速准确地完成倒车任务。

解决汽车的倒车难问题目前有两种思路：

一是寄希望于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟，目前这项技术只用于少量高档豪华车上，短期内未能全面推广应用；第二是采用简单的汽车倒车预警系统，但是传统的汽车倒车预警系统的功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断车后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务。

本文研究的汽车倒车预警系统属于第二种思路，它在常见的汽车倒车预警装置的基础上进行改进，能在很大程度地解决倒车难题，同时也为汽车自动驾驶的研究应用奠定基础。

1.2国内汽车倒车雷达预警系统的现状

随着我国汽车产业的高速发展，近两三年我国开始进入私家车时代，交通事故发生的频率也在增加，为提高汽车运行的安全性。

倒车雷达预警系统不仅深受驾驶员的青睐，也逐渐成为汽车电子产业中新的增长点。

尤其是近两年来，倒车雷达成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达，处在我国汽车电子行业环境的繁荣背景下倒车雷达已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派激烈竞争的态势。

倒车雷达系统经历了三个阶段，六代的技术改良。

从早期的倒车防撞仪，只能测试车后有限范围的障碍物，并发出警报，发展到根据距离远近程度分段报警，前两个阶段的倒车雷达一般采用专用集成电路，功能较简单。

随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。

要求倒车雷达连续测距并显示障碍物距离，并采用不同间歇鸣叫频率的声音报警提示距离，让驾驶员全神贯注地注视场景。

汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的倒车雷达具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上。

如最为先进的倒车雷达系统为智能可视倒车雷达系统，它在车尾部装上针孔摄像头，倒车时可以在显示屏上显示车后的真实图像。

在前段时间上市的由东风日产汽车有限公司乘用车公司推出的全新一代蓝鸟至尊，最引人注目的是它配备倒车影像显示和卫星导航系统，这两项配置在同级别的轿车上可谓绝无仅有，有效提升了蓝鸟的档次。

直接将高级别汽车的智能化从概念引入了应用。

在驾驶者挂入倒挡时，中控台上的液晶显示屏会自动切换画面，将车尾摄像头拍下的环境状况展示在驾驶者眼前，最大程度的方便泊车，这项功能在夜间尤其具有价值。

而它的卫星导航系统，使日产成为继丰田之后又一个将导航定位系统引入国内的厂家。

1.3本课题研究内容

本文采用脉冲回波法，选用TI公司的MSP430高速低功耗单片机作为整个测量系统的核心部件，并运用DS18B20数字温度传感器进行温度补偿，加以用液晶显示模块和声音提示模块，能够直观的显示出测量内容，设计出了结构简单、成本较低，功能完善，性能稳定的硬件结构和较为合理的系统软件，并对硬件和软件进行了相关的测试。

软件编程采用通用性较强的C语言，基于程序设计功能模块化的思想，设计出了超声波发射和接收程序模块，温度测量程序模块和液晶显示程序模块。

第二章超声波倒车雷达测量仪的测量原理

2.1超声波

2.1.1超声波概念及特点

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，是机械振动在媒介中的传播过程，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波是人耳听觉范围值以上的振动，频率范围在10kHz到1THz之间，常用频率大约在10kHz到10MHz之间。

超声波的波型分纵波、横波、瑞利波和表面波。

超声波按传播方式可分为纵波和横波。

纵波的传播方向与质点的振动方向一致，纵波可以在气液和固体中传播。

横波的传播方向垂直于质点的振动方向横波只能在固体中传播。

超声波的物理性质有：

反射与折射、衰减与吸收、叠加与干涉等。

2.1.2超声波传播速度

由于超声波也是一种声波，超声波在传播介质中的传播的速度和介质的特性有关。

理论上，在13℃的海水里，声音的传播速度是1500m/s。

在25℃的空气中传播的速度是344m/s，在温度为0℃时的速度是334m/s。

超声波的传输速度和声波一样，超声波在空气中传播时，空气的温度、大气压力、湿度等都对超声波的声速有影响，其中温度对速度的影响最大。

超声波在空气中传播时，传输速度和温度的关系可以由公式（2-1）来表示：

（2-1）

在测量过程中，如果温度变化不大，则可以认为声速是不变的。

如果对测量精度要求较高，为了减小误差，避免因环境温度变化而带来的偏差，必须对环境温度进行检测，通过温度补偿的方法对声速进行校正，以实现能够精确测量。

2.1.3超声波频率

超声波在传播过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为

（2-2）

其中，a为衰减系数，b为介质常数，f为振动频率。

在空气中，

。

其物理意义为，声波在空气中传播，由于空气运动摩擦的原因，能量被吸收损耗。

由公式（2-2）可知，超声波的频率越高，衰减也就越大，其传播的距离也就越短。

传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在地球表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。

如图2-1所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，波的传播距离也就越短。

图2-1声压在不同距离下的衰减特性

超声波传感器的工作频率是测距系统的主要参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损耗，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。

对于不同占空比的超声波，其发送接收效率不同，一般50%的占空比频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳。

2.2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。

目前超声波传感器大致可以分为两类：

一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛型、液哨型和气流旋笛型等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

在超声波测距的应用中，最为常用的是压电型传感器。

压电型超声波传感器的工作原理：

它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。

超声波传感器习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

其结构原理如图2-2所示。

图2-2超声波传感器内部结构

超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。

当它的两电极板加脉冲信号（触发脉冲），若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，电能转换为机械能，此现象称为逆压电效应。

机械能以波动的方式向外辐射传播，产生超声波。

相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，这现象称为压电效应，此时的传感器就成了超声波接收器。

压电型超声波传感器结构如图2-3所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。

该复合式振动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。

谐振器呈喇叭形谐振器金属片喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且压电陶瓷可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。

图2-3压电型超声波传感器结构图

2.3超声波倒车雷达测量原理

通常，超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动，便产生超声波。

在超声波探测电路中，发射端输出一系列脉冲方波，其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。

相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响，精度不高。

本文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其测量原理图如图2-4所示。

图2-4超声波测距原理图

传感器发出40KHz超声波,但并不是单独发射一个脉冲,而是一串的几个脉冲,并对测量逻辑电路提供一个短脉冲，开始计时,超声波接收器接收到遇到障碍而返回的脉冲串前端,同样也对测量逻辑电路提供一个短脉冲,计时结束,这就得到了超声波运行时间间隔t（s）,结合空气中超声波传播速度v（m/s）,根据运动定律,我们便得到所要测量的目标距离

S（m）:

S=Vt/2（2-3）

然而，超声波在空气中传播的速度V和空气的温度有关。

温度补偿：

在理想气体中,超声波传播速度可表述为:

（2-4）

其中,

为气体的比热值,R为气体常数,T为热力学温度,μ为气体的分子量。

由（2-4）可知:

声速与热力学温度的平方根成正比,温度越高声速越大。

实验表明,实用的温度值经验公式为:

（2-5）

对于T值,可使用温度传感器采集并送给单片机进行计算。

第三章系统硬件设计

3.1硬件电路整体结构说明

超声波倒车雷达测量系统框图如图3-1。

图3-1超声波液位测量系统框图

系统主要由五个部分组成：

单片机控制部分，液晶显示、报警部分，温度检测部分，超声波发射部分和超声波接收部分。

单片机控制部分用来产生40kHz的方波，并测量出超声波从发射到接收所传播的时间，驱动液晶显示模块，采集温度测量部分的温度信息以及进行数据的处理。

温度测量部分用来测量环境温度，对温度进行补偿，来减少环境温度变化对测量精度的影响。

LCD部分用来显示测量的结果，即可以显示出距离。

发射部分由单片机产生的40KHz方波信号作为控制信号，控制驱动电路使超声波传感器发射出超声波。

超声波接收部分则负责对超声波接收传感器产生的电信号进行滤波放大，经过检波电路，产生接收中断信号，使单片机能够计算出超声波发射到接收所消耗的时间。

3.2电源设计

在本系统中，使用到了多种电源，有+24V，±12V，+5V，+3.3V及+3V。

超声波发射驱动电路使用到的是+24V，运算放大器NE5532使用的电源是±12V，光耦6N136及集成锁相环路解码器LM567使用的是+5V的电源，声音提示芯片ISD4004使用的是+3V的电源，而单片机MSP430F147和LCD模块LCM12864H使用的是+3.3V。

由于本课题设计的对象不是便携式产品，使用的电源是汽车电瓶12V电压。

为了减少设计任务，本文选用的是独立的开关电源模块，能够输出±12V和+5V的直流电。

但要获得+3.3V的电源，还需要进行电源的设计。

获得+3.3V电源的方法有多种，如用电阻分压、使用电源芯片等。

为了简化电路，本系统采用的是电源管理芯片LD1117，输出为+3.3V，如图3-2所示。

图3-2电源电路图

3.2.1复位电路设计

在单片机系统中，为了保证系统在上电时进行初始化，同时也为了保证对电源的监视，需要采用复位芯片，如图3-3所示。

图3-3复位电路

3.3超声波发射电路

超声波传感器发出超声波，需要40KHz的激励信号源。

在前面已经提到过最好的激励源是40KHz，占空比为50%的激励源。

而产生40KHz信号的方法有多种，如使用LC振荡电路、555时钟电路、单片机发生等等。

由于前两种方法产生40KHz的信号电路复杂，性能不够稳定，而本系统采用单片机，利用其定时器产生40KHz的方波。

在单片机的选择中，本系统选用的是MSP430147单片机，它较传统使用的51单片机的最大优点是高速低功耗，性能有极大的提高，开发成本低，下面就MSP430单片机进行简单的介绍。

3.3.1MSP430单片机

MSP430系列超低功耗单片机是TI公司推出的一种新型单片机。

其外部引脚图如图3-4，主要功能部件有CPU：

MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。

MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。

这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。

存储器：

存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。

有程序存储器和数据存储器。

对程序存储器访问总是以字的形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。

其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。

外围模块：

经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。

MSP430不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。

它们分别是以下一些外围模块的组合：

时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA控制器等。

MSP430特点有：

（1）功耗低,典型功耗是:

2.2V时时钟频率1MHz时，活动模式为200uA，关闭模式时仅为0.1uA，且具有5种节能工作方式。

（2）高效16位RISC结构CPU,27条指令，8MHz时钟频率时指令周期时间125ns，绝大多数指令一个时钟周期完成，32kHz时钟频率时16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片20MHz时钟频率时的执行速度。

（3）低电压供电、宽工作电压范围：

1.8V～3.6V。

（4）灵活的时钟系统（两个外部时钟和一个内部时钟）。

（5）低时钟频率可实现高速通信。

（6）具有串行在线编程能力。

（7）强大的中断功能。

（8）唤醒时间短,从低功耗模式下唤醒仅需6us。

（9）ESD保护：

抗干扰力强。

基于以上特点，该系列单片机在便携式仪表、智能传感器、实用检测仪器、电机控制、家庭自动化等领域的应用较为普遍。

MSP430产品系列可以提供多种存储器容量组合的选择，从14位模数转换器（ADC）到液晶显示器（LCD）驱动电路的混合信号外设，可根据需要进行选择，简化了各类应用的电路设计。

且集成时钟、集成LCD驱动电路、集成A/D、D/A转换器，使硬件简化,所需外部元件极少。

MSP430的16位定时器中断可用于事件计数，时序发生，PWM等；是应用于工业控制的理想配置。

DCO为单片机系统提供一个内部时钟源并具有锁相环，当XTALT2没有提供时，系统依靠DCO运行，整个时钟配置可以通过DCOCTL、BCSCTL1、BCSCTL2和SR等控制寄存器中相应的位来选择和控制以满足用户对系统的要求。

不同型号单片机的存储器容量和外围模块各不相同，使用者可以根据需要具体选择适应工业级应用环境。

图3-4MSP430F147系列外部引脚图

3.3.2发射电路方案选择

单片机发出的信号是不能够直接驱动超声波传感器的，还需加驱动电路。

超声波反射回后，能量会减弱，在距离较远的情况下会减小的更弱。

此时超声波传感器有可能检测不到回波，或检测到回波后发出的电信号只有毫伏级甚至是微伏级，这样就影响测量范围和测量精度。

因此为了加大超声波的测量范围，驱动电路需要较大的驱动能力。

超声波发射驱动电路的方法有多种，常用到的驱动方法有如图3-5所示四种。

（a）

（b）（c）

（d）

图3-5发射驱动电路图

其中图3-5（a）、（c）所示电路所用元件较少，结构也较简单，但是它们的驱动能力有限，不能使超声波传感器发出较大的超声波能量，只适用测量范围较小的场合使用。

图3-5（b）所示电路中使用一个了变压器，其体积较大，结构比较复杂，但是其有较强的驱动能力。

而本系统设计的要求是电路结构简单，所以不予采用。

图3-5（d）所示电路选用的是常用的高速开关型的MOSFETIRF120，其体积较小，具有很高的工作电压，导通时间比较快，导通电阻也比较小，因此比较适合使用在本系统中。

经过实验证明，该驱动电路结构简单，驱动能力强，符合设计要求。

所以整体发射电路如图3-6所示。

图3-6整体超声波发射驱动电路图

3.4超声波接收电路

接收电路中，超声波传感器将接收到的超声波能量转换成电能，但其电能非常弱小。

为了满足后续信号处理的需求，必须对接收信号进行放大处理。

接收部分主要由超声波接收传感器、放大电路、锁相环电路等环节组成，如图3-7所示。

其中放大电路是一个放大倍数较高的两级运算放大器，其功能是将从被测物体反射回来的微弱信号进行整形放大后送入锁相环电路。

锁相环电路再根据放大后的信号进行检测，若检测到的信号为超声波反射回来产生的信号，就会产生脉冲信号，送入计数控制电路部分。

本文采用的是常用的运算放大器NE5532，其常用作音频电路的前置放大。

图3-7超声波接收驱动电路图

3.4.1运算放大器NE5532简介

NE5532是高性能低噪声运放，与很多标准运放相似，它具有较好的低噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号放大性能与电源带宽，高信号响应速率，还具有输入保护二极管和输出短路保护。

其性能指标如下：

（1）小信号带宽：

10MHz；

（2）输出驱动能力：

600Ω，10V；

（3）输入噪声电压：

5nV/HZ（典型值）；

（4）DC电压增益：

50000；

（5）AC电压增益：

10KHz时2200；

（6）电源带宽：

140KHz；

（7）转换速率：

9V/μS；

（8）大电源电压范围：

±3～±20V。

3.4.2LM567及锁相环电路

本文设计的系统方案中，在放大电路后面还加入了锁相环电路，集成锁相环路解码器LM567是美国国家半导体公司生产的56系列集成锁相环路中的一种。

其同类产品还有美国Signetics公司的SE567/INE567等。

LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器．由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通信设备中的解码以及AM、FM信号的解调电路中。

主要用于振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。

如电力线载波通信、对讲机亚音频译码、遥控等。