超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用
·综 述·
超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用
中南工业大学化学系 董子和 长沙市环境保护研究所 李永辉
[摘要] 较详细地介绍了一种超声波测距系统及根据该系统设计、研制的汽车倒车防撞测距报警器。它能在汽
车倒车时自动检测并显示车尾与最近障碍物之间的距离。当到达安全极限距离时, 它能发出声光报警, 提醒司机刹
车。另外在倒车过程中它还能发出“倒车, 请注意”的报警声提醒行人注意, 并能监视汽车蓄电池电压, 以确保仪器
能正常工作。
[Abstract] This paper intruduces m inutely an ultrasonic distance m easurem ent system and a kind of alarm de2
signed and developped according to this system. W hen a car′s backing up, it can detect and disp lay autom atically the
distance betw een the tail of the car and the nearest obstacle. If the distance is to be safe value lim itted, the device w ill
give a sounding and light alarm to w arn the driver braking. A dditionally, it can announce : "A ttention p lease, car′s
backing up" to rem ind the pedestrainsw hen backing and monitor the voltage of the car′s battery, so as to keep the de2
vice working norm ally.
关键词: 超声波 测距 汽车倒车 报警器
Keywords: ultrason ic distance measurement car′s back up alarm
随着电子技术的发展, 出现了微波雷达测距、激
光测距及超声波测距。前二种方法由于技术难度大,
成本高, 一般仅用于军事及工业, 而超声波测距则由
于其技术难度相对不太大, 且成本低廉, 适于民用推
广。
超声波作为一种特殊的声波, 同样具有声波传输
的基本物理特性—— 反射、折射、干涉、衍射、散
射〔1〕。超声波测距即是利用其反射特性。关于超声波
测距, 国外早已有人做过此方面研究〔2〕, 〔3〕, 但由于均
使用了特殊难购的专用元器件, 使其难以推广应用。
本研究则均采用国内生产厂家的通用元器件, 成本低
廉, 性能可靠, 使得本技术更易于推广应用。
作为本技术的应用实例之一——汽车倒车防撞测
距报警器, 是我国八·五期间需重点开发的重大科研
项目之一〔4〕, 也是汽车六大类汽车电子产品中的一
种〔5〕。以往的汽车倒车报警器可分为四大类, 即嘀嘀
声加闪光, 音乐声加闪光, 语言声加闪光和倒车至危
险距离(如 015m ) 时发出报警声的超声波倒车报警器。
本研究综合了第 3、4 类报警器各功能, 并将第 4 类报
警器加以改进、发展, 使其不仅可发出警告行人的语
言声, 而且还能在整个倒车过程中自动测量车尾与最
近障碍物之间的距离, 并用数字显示出来, 在倒车至
极限安全距离(如 016m ) 时, 会发出急促的警告声, 提
醒驾驶员注意刹车。另外当蓄电池电压过低时, 还会
发出声光警告, 提醒驾驶员及时充电, 以保证仪器及
汽车正常工作。
本产品一旦问世, 可望成为驾驶员, 特别是货车
及公共汽车驾驶员的好帮手, 可有效地减少或避免那
些后视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装厢车、垃
圾车、食品车、载货汽车、公共汽车等倒车交通事故,
另外还特别适于夜间辅助倒车、倒车入库及进入停车
场停车到位, 甚至还能防止盗贼扒车。由于本仪器功
能多, 成本低廉, 性能优良, 目前处于国内领先水平,
又是国家八·五重点开发项目, 市场极其广阔, 对提
高我国汽车电子工业水平, 具有较大的实际意义。
1 超声波测距基本原理及基本系统的建立
111 基本原理
超声波测距的基本原理同声纳回声定位法的原理
是基本相同的。超声波发射器不断地发射出 40kHz 超
声波, 遇到障碍物后反射回反射波, 超声波接收器接
收到反射波信号, 并将其转变为电讯号。测出发射波
与接收到反射波的时间差 t, 即可求出距离
s= 1
2 ct
式中 c——超声波音速
由于超声波也是声波, 故 c 即为音速。音速为
c= Cp ?Q。〔6〕
式中 C——气体的绝热体积系数(空气为 114)
p ——气体的气压(海平面为 11013×106Pa)
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Q。——气体的密度(空气为 1129kg?m 3)
对于 1mo l 空气, 质量为m , 体积为V , 密度 Q。则
应为m ?V , 故
c= Cp ?Q。= CpV ?m
对于理想气体, 有
pV = R T
式中 R ——摩尔气体常数
T ——绝对温度
因此 c= CR T ?m
由于 C、R、m 均为已知常数, 故声速 c 仅与温度
T 有关, 若温度不变, 则声音在空气中的速率与气压
无关。在 0℃的空气中, c0= 331145m ?s。
对于任意温度下, 有 ci?c0= T i ? 273, 即 ci=
331. 45 T i ? 273。
在某一地区使用, 因温度变化不大, 可以认为声
速是基本恒定不变的 。
确定了声速, 只要测得超声波信号往返的时间,
即可求得距离。
112 系统的建立
根据以上的测距原理, 并将距离用数字显示出
来, 则可设计出系统的框图如图 1 所示。
图 1 超声测距系统图
发射电路在发射受低频调制的超声波的同时, 使
双稳电路置位, 此时计数器的闸门 E 被打开, 时钟信
号开始进入计数器, 而当接收电路接收到反射波时双
稳态电路复位, 计数器闸门 E 被关闭, 时钟信号被切
断, 数据被锁存, 然后经译码驱动器在显示器上显示
被锁存的数据。假设声速为 343m ?s, 则时钟振荡器的
频率为 3413kHz 时, 即可认为显示器上的读数是目标
的 距 离, 而 事 实 上, 时 钟 振 荡 器 的 频 率 只 需 要
17115kHz, 因为我们要考虑到声波来回的双倍时间。
2 汽车倒车防撞测距报警器(以下称测距报警器)
211 测距报警器的设计
21111 测距报警器是在分析了国内外各种倒车报警
器的功能、特点的基础上, 吸取了其部分特点, 并结
合汽车电子工业发展方向而设计出来的, 它具有以下
功能:
a1 倒车时能自动测出车尾与最近障碍物间的距
离, 并在驾驶室用数字显示给驾驶员。
b1 倒车时能重复发出“倒车, 请注意”的语言警
告声提醒行人注意。
c1 倒车至极限安全距离 (距障碍物 0. 6m ) 时, 发
出急促的警告声提醒驾驶员注意刹车。
d1 能随时监测蓄电池电压, 当电压低于 1112V
时, 发出声光警告声提醒驾驶员注意充电, 以保证仪
器及汽车能正常工作。
21112 测距报警器的电路原理框图见图 2。
本仪器由发射部分, 接收部分, 数字显示部分及
报警部分组成。
a1 发射部分 由低频调制器、编码器、双稳回
路、40kHz 振荡器、功率发送器及发射探头等组成。
40kHz 振荡器受双稳态回路控制断续送出经低频调制
器调制的信号, 同时, 为防止误计数, 提高抗干扰性,
将此信号经编码器编码, 再经功率放大器放大, 由超
声探头向车后发射。
b1 接收部分 由接收探头、第 1 级放大电路、第
2 级放大电路、整形回路、解码器及双稳回路组成。
接收探头接收到反射信号后由第 1 级及第 2 级放大器
放大后, 再送入施密特触发器进行整形, 解码器解
码, 最后经双稳电路送入数字处理部分。
c1 数字显示部分 由时钟振荡器、计数器、译码
器及显示器组成。时钟振荡器一接通电源即开始振
荡, 但只有计数器的闸门打开时, 它才能进入计数器
被计数, 一旦接收到反射波信号, 即关闭闸门, 数据
被锁存, 经译码后通过显示器显示出来。
d1 报警部分 由电源电压监测电路、近距检测、
平滑电路、触发器及语言声光报警电路组成。因探测
到的反射波信号是一组脉冲信号, 将其平滑后送入触
发器, 一旦超过触发阀值报警电路就接通, 发出声光
报警。当电源电压低于 1112V 时, 同样使报警电路导
通发出声光报警。另外在接通电源的同时接通语言报
警电路, 不断放出“倒车, 请注意”的语言报警声。
212 工作原理
一接通电源, 40kHz 振荡器受双稳回路控制, 置
位时开始振荡, 同时受低频调制器调制, 编码器开始
编码, 编码完毕, 双稳电路即被复位, 40KHz 振荡器
停振, 其间产生的经调制、编码的超声波信号经功率
放大器放大后, 通过发射探头向空中辐射, 遇到障碍
物即反射回来(按照反射角= 入射角原则)。接收探头
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接收到反射信号后即将此信号放大, 然后送入施密特
触发器进行整形, 使其成标准的触发脉冲再去解码,
解码后的信号再送入另一双稳电路, 此双稳电路在发
射信号的同时被置位, 同时打开了计数器的闸门, 使
时钟振荡器信号得以进入计数器, 当接收到反射波信
号后, 此双稳电路复位, 计数器闸门关闭, 时钟脉冲
被禁止输入, 锁存器将进入计数器的脉冲个数锁存,
并经译码通过L ED 显示器显示出来, 此时即完成了
一次测距过程, 此过程能自动重复进行, 重复频率受
低频调制器频率控制, 约几 Hz。
另外, 为了使仪器具有近距报警功能, 特增设了
近距 RC 平滑电路及触发器。由 RC 电路将反射波脉
冲进行平滑, 送入一触发器, 一旦达到触发电平阀
值, 即使报警电路导通, 发出声光报警。
为了保证电路可靠地工作, 电路中增设了 2 路稳
压器。本电路工作电压为 9V , 蓄电池正常电压为
12V , 稳压器输入输出压差为 2V , 为此设定了蓄电池
电压报警值为 1112V。
至此, 本仪器的各功能均是为驾驶员了解车后情
况设置的。为了使车后的行人也同时知道汽车在倒
车, 及时躲避, 增设了“倒车, 请注意”的语言告警功
能, 提醒行人注意。此电路与本仪器电源开关 K 的次
级端联动, 即接通仪器电源开关就可重复发出“倒车,
请注意”的语言警告声。
本研究工作得到了长沙市高新技术开发区产业公
司的资助, 并得到了中南工业大学科技开发总公司及
化学系的大力支持, 在此一并致谢。
3 参考文献
1 马大猷等 1 声学手册 1 北京: 科学出版社, 19831
2 J B rian Dance. Electronic Design, 16, A ugust 2, 1975.
3 Thom as M. Frederiksen and W illiam M. How ard, IEEE
J. of solid2state circuits, vol. sc29, No. 6, Dec. 1974.
4 电子报, 1990 (43) 11
5 国际电子报, 1990207223(7)
6 永球 1 无线电技术, 1989 (189): 1601
(责任编辑 笑 笑)
收稿日期: 1996206217
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