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倒車雷達工作原理


倒車雷達(Car Reversing Aid Systems)的全稱是“倒車防撞雷達”,也稱“泊車輔助裝置”,是汽車泊車安全輔助裝置,能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況,解除了駕駛員泊車和起動車輛時前後左右探視所引起的困擾,並幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷,提高了安全性。

係統工作原理

倒車雷達隻需要在汽車倒車時工作,為駕駛員提供汽車後方的信息。由於倒車時汽車的行駛速度較慢,和聲速相比可以認為汽車是靜止的,因此在係統中可以忽略多普勒效應的影響。在許多測距方法中,脈衝測距法隻需要測量超聲波在測量點與目標間的往返時間,實現簡單,因此本係統采用了這種方法。

如圖1所示,駕駛員將手柄轉到倒車檔後,係統自動啟動,超聲波發送模塊向後發射40kHz的超聲波信號,經障礙物反射,由超聲波接收模塊收集,進行放大和比較,單片機AT89C2051將此信號送入顯示模塊,同時觸發語音電路,發出同步語音提示,當與障礙物距離小於1m、0.5m、0.25m時,發出不同的報警聲,提醒駕駛員停車。

 

圖1 係統工作原理框圖



圖2 超聲波發送模塊電路



 

硬件設計

1 超聲波發送模塊設計

超聲波發送器包括超聲波產生電路和超聲波發射控製電路兩個部分,超聲波探頭(又稱“超聲波換能器”)選用CSB40T,可采用軟件發生法和硬件發生法產生超聲波。前者利用軟件產生40kHz的超聲波信號,通過輸出引腳輸入至驅動器,經驅動器驅動後推動探頭產生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件,靈活性好,但需要設計一個驅動電流在100mA以上的驅動電路。第二種方法是利用超聲波專用發生電路或通用發生電路產生超聲波信號,並直接驅動換能器產生超聲波。這種方法的優點是無須驅動電路,但缺乏靈活性。

本設計采用第一種方法產生超聲波,電路設計如圖2所示。40kHz的超聲波是利用555時基電路振蕩產生的。其振蕩頻率計算式為f=1.43/((R 9+2·R 10)·C 5)。將R 10設計為可調電阻的目的是為了調節信號頻率,使之與換能器的40kHz固有頻率一致。為保證555時基具有足夠的驅動能力,宜采用+12V電源。CNT為超聲波發射控製信號,由單片機進行控製。

 

圖3 超聲波接收模塊電路

                                                                                 

 

2 超聲波接收模塊設計

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發射探頭對應的型號,關鍵是頻率要一致,本設計采用CSB40R,否則將因無法產生共振而影響接收效果,甚至無法接收。由於經探頭變換後的正弦波電信號非常弱,因此必須經放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收,必須進行波形變換。按照上麵所討論的原理,單片機需要的隻是第一個回波的時刻。接收電路的設計可采用專用接收電路,也可采用通用電路來實現,如圖3所示。

超聲波在空氣中傳播時,其能量的衰減與距離成正比,即距離越近信號越強,距離越遠信號越弱,通常在1mV~1V之間。當然,不同接收探頭的輸出信號強度存在差異。由於輸入信號的範圍較大,對放大電路的增益提出了兩個要求:一是放大增益要大,以適應小信號時的需要;二是放大增益要能變化,以適應信號變化範圍大的需要。另外,由於輸入信號為正弦波,因此必須將放大電路設計成交流放大電路。為減少負電源的使用,放大電路采用單電源供電,信號放大和變換采用了一片LM324通用運算放大器,前三級為放大器設計,後一級為比較器設計。LM324既可以雙電源工作,也可以單電源工作,因此能滿足使用要求。為滿足交流信號的需要,每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移,即圖3中的C7、C21、C22和C24,容量均為10μF,實現單電源條件下交流信號的放大。對於交流信號而言,電容為短路,因此前三級放大電路的增益均為10。距離較近時,兩級放大的增益已能夠輸出足夠強度的信號了,第三級有可能出現信號飽和,但距離較遠時,必須采用三級放大。合理調節電位器R27,選擇比較基準電壓,可使測量更加準確和穩定。

 

 

圖4 語音電路

                                                                                                                   

 

3 語音電路設計

語音報警是指當倒車雷達探測到的距離小於所設定的安全值時,發出聲音提醒駕駛員,語音電路設計如圖4所示。M3720是單聲一閃燈報警音效集成電路,芯片內存儲一種報警音效,可直接驅動蜂鳴器發聲或經外接功放三極管推動揚聲器放音,同時還能驅動一隻LED閃爍。該芯片各引腳功能為:5腳VDD;1腳VSS分別為電源輸入端與負端,VDD電壓3~3.5V;8腳X和1腳Y分別為芯片外接振蕩電阻器;6腳TG為觸發控製端,低電平觸發有效;3腳BZ和2腳BB分別為報警音效輸出端,可直接外接壓電陶瓷蜂鳴器,如果驅動揚聲器則由3腳BZ端引出;4腳L為閃燈輸出端,可直接驅動LED發光。

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