汽车防撞系统

1、摘要摘要随着社会的发展，经济的进步，越来越多的汽车涌上了街头，随之带来交通事故的增多。因此汽车防撞系统受到了跟多人的重视。而由毫米波雷达、激光雷达以及 CCD 立体视觉系统组成的汽车防撞系统因成本高而无法应用与普通的汽车。超声波测距系统组成的汽车防撞系统，具有成本低、受外界影响小的优点，因此研究大作用距离超声波测距系统组成的汽车防撞系统具有十分重要的意义。本文采用超声换能器组成的超声波测距系统设计实现汽车防撞系统。整个系统包括超声波发射与接收系统，单片机控制器，LED 显示部分，扫描驱动部分。关键词：汽车防撞系统关键词：汽车防撞系统 超声换能器超声换能器 大作用距离大作用距离 测距系统测距系统

2、AbstractWith the development of social and economic progress, an increasing number of cars appear on the streets, which bring more and more traffic accidents. As a result, vehicle collision avoidance systems are paid great attention to. But the vehicle collision avoidance system composed of millimet

3、er-wave radar, laser radar and CCD three-dimensional visual system are too expensive to be used in ordinary cars. The vehicle collision avoidance system using Ultrasonic Ranging has two great advantages, such as low cost and not subject to outside influence. So the study of vehicle collision avoidan

4、ce system composed of ultrasonic ranging system is significant. In this paper, the vehicle collision avoidance system contains ultrasonic ranging system composed of ultrasonic transducer. The system consists of Ultrasonic launching and receiving systems, SCM controller, LED display part and the scan

5、ning driver.Keywords: Automobile collision avoidance system Ultrasonic transducer Large sensing-range Distance measurement systemI目录目录第一章第一章 绪论绪论.11.1 研究背景与课题来源.11.1.1 各类车载测距传感器及其性能.21.1.2 课题的提出.21.2 汽车防撞系统的现状.41.3 超声波测距系统 .51.3.1 可变阈值与回波包络检波法.61.3.2 基于互相关函数的时延估计法.61.3.3 谱线分析法与自适应时延估计.61.4 超声波测距与定位技

6、术的发展概况 .71.5 主要研究工作及内容 .7第二章第二章 超声波发射与接收电路超声波发射与接收电路.92.1 大作用距离超声波换能器.92.1.1 超声波物理特性与换能器技术指标.92.2 超声波发射电路的设计.112.2.1 推挽变换器的工作原理.112.2.2 推挽变换器的转换效率.122.3 超声波接收电路的设计.132.3.1 低噪声前端放大器.132.3.2 滤波放大电路与电源.15第三章第三章 超声波测距系统超声波测距系统.163.1 超声波测距算法分析.163.1.1 问题分析.163.2 超声波测距系统的实现.173.2.1 单脉冲数字相关测距.18第四章第四章 超声波测

7、距汽车防撞系统的设计超声波测距汽车防撞系统的设计.194.1 系统硬件设计 .194.1.1 系统硬件总体框图.194.1.2 超声波发射部分.204.1.3 超声波接收部分.214.1.4 单片机控制部分.214.2 系统软件设计 .224.3 系统的调试与优化 .23总结总结.25致谢致谢.26参考文献参考文献.27- 1 -第一章第一章 绪论绪论随着社会经济的发展，越来越多的人拥有了自己的私家车，越来越多的汽车涌上了公路，可随之而来的是交通事故也越来越多，不少人也因此谈车色变。作为主动式车辆安全系统之一的车辆防碰撞系统受到国内外汽车研究人员的高度重视，也取得了很多成果。防碰撞系统主要用在

8、追尾碰撞系统、侧防系统、倒车雷达三个方面。其中倒车雷达技术比较成熟，成本也比较低，在世界各地都有广泛的应用。世界多个知名汽车制造商也都有成功的研究与应用，但是价格还比较高，未能在中、低档车中推广，还需要进一步完善、降低成本。超声波具有束射和反射特性，基本上可以沿直线传播，其能量远远大于相同振幅的低频声波，非接触式超声测距传感器正是利用超声波的这种特性而制成的。在空气介质中，超声波测距传感器的性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，而且价格低廉、使用方便。因此，在物位测量、车辆安全行驶辅助系统、机器人自动导航、无人作战平台、地形地貌探测乃至江河水位高度监测等许多领域，超声波测距传

9、感器都得到了广泛的应用。此外，由于超声波在水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器、探讨新的超声波信号处理方法，对于推动超声波换能器技术与超声波检测技术的发展，都具有十分重要的现实意义。1.1 研究背景与课题来源研究背景与课题来源随着世界各国汽车持有量的不断增加，车辆碰撞事故也随之增多，尤其在城市道路和高速公路上发生的交通事故更是与日俱增。自适应汽车防碰撞技术和汽车主动防碰撞预警系统以及与此相关的测距技术正是在这种背景下提出的，并己经成为当前车辆工

10、程和测控技术领域中关注的一个热点研究课题。近十年来，欧美大汽车公司资助研制的汽车防碰撞装置，一般倾向于使用毫米波雷达作为车载前视测距传感器。这是因为毫米波雷达能够探测远距离物体，使车载控制器有足够的时间来处理和利用感知信息，以防止车辆发生追尾碰撞或与前方障碍物发生碰撞。然而，更多的碰撞事故是发生在车辆换道、拐弯或倒车的瞬间，而不仅仅局限在车辆向前高速行驶过程中。这就要求汽车主动防碰撞系统具有识别车辆周边物体、提前预报险情或自动保持安全行驶距离的基本功能。由于常见的超声波测距传感器的作用距离太短，只能用于探测近距离(l5m)目标- 2 -(如泊车或倒车防撞报警装置中的超声波探头)，而不适合用于探

11、测靠近车辆的周边物体(大于 15m)。为此，国外一些著名的汽车公司正计划在汽车上安装一种近程雷达，它最多可以感知车辆周边 20m 范围内的 8 个物体。这种额外获取的路况信息，可用来启动汽车防碰撞系统，实时地估计车辆与周边物体的相对距离和速度，以判定是否存在行车事故危险，并及时地发出警告或采取必要的应急措施，以避免发生车辆碰撞事故或减轻车辆发生碰撞的后果。但是，近程雷达的价格昂贵，限制了它在普通汽车上的推广应用。因此，研制和开发具有高性价比的超声波测距传感器和目标探测系统，必将推动具有全方位探测功能的汽车主动防碰撞系统的发展与普遍应用。同时，这种技术也可以推广应用于无人作战平台或现场机器人的目

12、标自动识别系统。1.1.1 各类车载测距传感器及其性能各类车载测距传感器及其性能为了便于在后续章节中说明大量程超声波测距系统研究课题的应用价值和意义，首先必须了解当前车载测距传感器技术领域的研究状况与发展趋势。下面，简要介绍常见的车载测距传感器的类型和技术指标，如表 1-1 所示。一般来说，单一传感器的感知信息都有一定的局限性。为了提高汽车主动防撞系统对周边物体的识别能力，需要引入多传感器信息融合技术，把分布在不同位置的多个传感器或不同类型传感器所提供的局部观测量加以融合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，以形成对周围环境相对一致的感知描述，从而确保汽车主动防碰撞系统能够可靠地运行。例

13、如，如果将车载前视毫米波雷达、双前视激光雷达、超声波传感器阵列以及 CCD 摄像机提供的信息进行融合处理，那么，在虚警概率一定的前提下，可以大大提高车载感知系统对移动目标的检测概率。1.1.2 课题的提出课题的提出鉴于目前国内小型化毫米波测距雷达的研制和试验还处于起步阶段，是以开发基于毫米波雷达的国产化汽车主动防撞系统的条件尚未成熟。本课题的主要任务是研制大作用距离超声波传感器和大量程超声测距系统，用于探测距离车辆20m 或更大范围内的周边物体，以取代价格昂贵的近程雷达。- 3 -表 1-1 常用车载测距传感器类型性能指标用途适用环境价格毫米波雷达（体积小）作用距离：100m（美国）150m（

14、欧洲）测距精度：0.5m(满量程)测速范围：160km/h测速误差： 1.5km/h纵/横视角：4/8.8更新速度：20Hz前视测距测速不受大雨，大雾和沙尘爆等恶劣气候环境的影响；不能探测前方斜面物体成本高激光雷达（体积小）测距范围：1150m测距准确度：0.1m（满量程）纵/横视角：3/6更新速率：1020Hz前视测距受环境变化影响大；对被测物体反射面的粗糙度和斜度有较高的要求。成本较低CCD 立体视觉系统（像素640480）测距范围：325m测距准确度：0.3m（满量程）采样速率：33 帧/秒周边测距受光照，路面背景，粉尘，烟雾及雨雪天气等环境因素的影响大；可探测前方测斜面物体。成本较高超

15、声波测距传感器（体积小）测距范围：0.310m测距精度：0.1m(满量程)波束宽度：10更新速率：15Hz后视测距不受大雨，大雾和沙尘爆等恶劣气候环境影响；不能探测前方斜面物体。成本低超声波换能器的结构、超声波发射电路的机电能量转换效率和超声波接收器的信噪比以及超声波信号处理算法等因素，均对超声波传感器和超声波测距系统的性能产生影响。因此，为了能够研制出频带宽、量程大(2030m)、指向性好和响应速度高的超声波测距传感器和超声波测距系统，必须从以下四个方面采取措施：其一、优化换能器的机械结构、发射电路和机电阻抗匹配参数，以提高超声- 4 -波传感器的 机电能量转换效率；其二、选择适当形式的压电

16、振子，使其谐振频率尽可能地处于较低的频段上，以减小超声波传播过程中的能量衰减；其三、尽可能增大超声波换能器的辐射面积，采用恰当的声学阻抗匹配技术和特殊的换能器结构，以增强超声波换能器的指向性、拓展超声波传感器的工作频带；其四、设计低噪声、高阻抗超声波接收电路，并采用先进的数字信号处理方法，以提高超声波测距系统的处理增益和实时性。解决上述问题涉及到机械、电子、声学和信息技术以及制造工艺等多学科知识的综合应用。因此，超声波测距技术的任何进展，必将推动与之相关的技术和信息化装备系统的进步与发展。1.2 汽车防撞系统的现状汽车防撞系统的现状从上个世纪 90 年代以来，世界各国投入人量人力、物力从事汽车

17、防撞系统的研究，目前已取得了显著的成果，开发了若干新产品，使汽车的行驶安全性人人提高。汽车防撞系统是一种能向驾驶员预先发出视听警告信号的探测装置。它安装在汽车上，能探测到接近车身的行人、车辆或周围的障碍物；能向驾驶员及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使驾驶员采取应急措施来应对特殊险情，从而避免损失。通常，汽车防撞系统由多个传感器、天线、微处理器和数字式信号处理器组成。传感器能向驾驶员提供车辆前、后、两侧及相邻车道可能发生意外事件的即时信息。它采用固态砷化镓单片微波集成电路，能产生 24000MHz 的雷达信号，并采用调频连续波信号形式，这种信号形式不需要相对运动便可探测到目标。同时，车上

18、安装的每个传感器均能全天候工作，并均配置对应的目标指示信号灯和蜂鸣器。这些传感器的电源来自控制显示装置。该装置一般位于汽车仪表板附近，包括主电源开关和每个传感器的促动开关。各车载传感器依据探测到的目标状况向驾驶员发出视听警告信号，即传感器一旦探测到人员或物体，黄色信号灯即开始频闪，同时蜂鸣器发出蜂鸣声报警。灯光和声响的循环周期与车辆、人员及物体靠近车身的距离成比例。微处理器对传感器的未处理回波信号进行整理和综合，并优化对入射信号检测的灵敏度和识别过程，指示灯和蜂鸣器根据其发送的指令向驾驶员提供指示。数字信号处理器具有控制、自校准、输出和故障自诊断功能。美国德尔科电子公司开发了多种汽车防撞装置可

19、供实际使用。在演示现场，德尔科电子公司的- 5 -科技人员将前传感器安装在距离地面 0.85m，车首大灯的两侧，它能扫描车辆前进路线上即将遇到的障碍物，其前方有效探测距离为 28m， 。前传感器的窄波束能区别位于同一车道上的车辆和物体与相邻车道上或道路旁的车辆和物体，以避免虚假报警。该公司的科技人员将侧传感器安装在后视镜和侧视镜难以观察到的盲区，其探测距离为 4m， 。科技人员还把后传感器安装在演示车后部两边，其探测距离达 7m。这样，随着车辆一路行驶，实际上形成了一个车身外横宽 8m、纵长35m，的安全区域，并且是动态的安全区域，故有利于驾驶员进行事先防范，对于在大雾等能见度低的条件下行车更

20、显神通。汽车防撞系统适用于各种车辆，优先用于救护车、公交车、旅游车、抢险车、公务用车及出租车等。国外现已将汽车防撞系统用于学生接送专车，以保护其在行驶途中及驻车时的安全。凡使用过汽车防撞系统的驾驶员均有这样的感觉，即能够方便地知道或观察到以往难以发现的盲区中的物体，做到心中有数，并能及时防范，从而能集中精力，以更多的时间和注意力注意来往车辆，并采取有效的安全防撞措施。汽车防撞系统是高科技的产物，它将伴随微电子、光纤、红外技术的进步而得到新的发展。汽车防撞系统未来的发展方向为：为满足高速行驶，进一步增大探测距离；降低成本和售价，供在用车改装和新车安装使用；与自动驾驶仪形成反馈系统，按时间响应，排

21、除人为影响，正确保持车距或做出机动避让；向智能化方向进一步拓展。1.3 超声波测距系统超声波测距系统采用超声波传感器进行距离测量的方法很多，而应用最多的是 Pellam 和 Galt于 1946 年提出的脉冲回波法，其工作原理是：用超声频脉冲激励超声波探头，使之向外界辐射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波(简称回波)，通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段 ToF(称为射程时间)，然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离 d，即 d= （1-12c ToF12c ToF1）式中，c 为空气介质中声波的传播速度。由式 （l-1）可知，当传播介质的温度发生变化时，声的传播速度

22、。也随之改变。因此，在超声波测距仪中均内置温度探头，用于实时检测声传播介质的温度，以补偿环境温度变化对测距精度的影响。- 6 -为了改善超声波测距系统的性能，仅仅从系统的硬件入手是不够的，还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。为此，国、内外学者研究了许多特殊的超声波测距方法或时延估计算法，如可变阈值鉴幅法、互相关函数法、谱线分析法、相位检测法和自适应时延估计法等等。在实际的超声波测距仪中，经常综合应用了多种测量算法。当然，这些算法与超声波换能器的声学及电气特性是密切相关的。下面，简要地评述这些信号处理算法的特点与应用范围。1.3.1 可变阈值与回波包络检波法可变阈值与回波包络检波法最简

23、单的“过零”检测法，其工作过程如下：在控制器启动时钟计数器的同时，向外发出持续时间固定的超声 频脉冲信号，换能器在该信号的激励下向外界发送超声波。如果在换能器的前方存在目标，则必有反射回来的超声波作用在换能器上，使之产生微弱的电信号，该信号经接收电路放大后，大于预先设定的门槛电压(或称为阈值)，使比较器的输出信号变为高电平。该高电平信号使计数器终止计数，并使能与门，使微机可以在并行输入口上查询到终止计数信号，并读出时钟寄存器中的数值(即 ToF)。根据式 （1-1）计算出目标与换能器之间的距离。顺便指出，换能器发送声波的持续时间的一半与声速的乘积，即为超声波测距仪的盲区。由于回波信号的幅值与目

24、标的距离成反比，目标与换能器之间的距离愈远，超声波接收电路的输出就愈小，相应的射程时间也就愈长。因而，在超声波测距系统中，通常不采用固定阈值或增益的接收电路，而是采用时间-阈值可变或时间-增益可变的接收电路。前者使阈值随射程时间的延长呈指数形式递减，后者使接收电路的放大倍数随射程时间的延长呈指数形式递增。这样，只要适当调整指数函数的时间常数，就能保证在规定的量程范围内准确地测出目标的距离。1.3.2 基于互相关函数的时延估计法基于互相关函数的时延估计法在低信噪比和低采样速率下进行超声波测距，通常采用基于互相关函数的时延估计法。其具体方法是：将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波

25、的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器接收到的回波信号，根据相关峰值出现的时刻就可以计算出射程时间。相关估计法(也称为匹配检测器)既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么，相关估计法的时延估计精度和灵敏度均高于阈值检测法。- 7 -1.3.3 谱线分析法与自适应时延估计谱线分析法与自适应时延估计谱线分析法是利用快速傅立叶变换(FFT)对回波信号进行谱分析，以确定是否存在与换能器所发送的超声波具有相同频谱的回波信号，并由此来判

26、定回波信号的出现时刻。在信噪比极低的条件下，采用谱分析算法来检测回波信号有助于降低虚警概率。但谱分析算法的计算量大，且不容易获得较高的时延估计精度，故气介中的超声波测距很少应用这种算法。1.4 超声波测距与定位技术的发展概况超声波测距与定位技术的发展概况超声波测距与定位技术是声学与仪器科学交叉融合而形成的边缘技术学科，它主要研究如何利用超声波测距传感器来实现三维空间目标的定位问题。由超声波换能器、超声波发射与接收电路、微计算机信息处理器等构成的超声波测距与定位系统，在工业、交通、国防等各个领域中得到了广泛的应用。文献是作者在美国奥克兰大学参加研制汽车防碰撞系统期间发表的论文。5在这些车载安全行

27、驶辅助系统中，超声波探头主要用于感知车辆前、后、左、右的路况，以防止车辆转向或换道时发生意外的碰撞事故。文献分别是国内一些7大学和研究机构研制的车载超声测距仪，其中，前视超声测距仪的探测范围小于10m，而后视和周边探视超声测距仪的探测距离最大不超过 5m，这与前面提及的国外新型近程扫描雷达的探测范围(车辆周边 20m 以内)相差甚远。由此可见，研发大作用距离超声波传感器是十分必要的，对未来国产化汽车防撞预警系统的开发进程必将起到积极的推动作用。在现代快速施工中，特别是野战工事快速构筑作业，以往是依靠人工来控制机械手上的喷嘴与作业面之间的距离及喷射方向，这是一项既颇费体力又难以精确控制距离与方位

28、的操作。如何实现喷射机械手的智能化使其处于最佳的工作状态，也即如何应用高性能超声波传感器和喷射机械手来构成自动定位与控制系统，仍然是一个函待解决的国际难题。附带指出，在超声波技术领域中，也存在一些挑战性很强的前沿探索性课题。譬如，能否使用两束频率稍有差异的强超声波，利用其非线性效应，使之产生频率很低的差频信号与超声波一起传播，以得到指向性很强且衰减很慢的差频信号，这仍然有待于进行深入的理论探索与实验验证。1.5 主要研究工作及内容主要研究工作及内容第一章 介绍近十年来汽车主动防碰撞系统、车载测距传感器的发展现状，简要介绍了超声波测距与定位技术在汽车防撞预警系统中的应用，并指出了声学- 8 -理

29、论与技术领域中的一些前沿课题。最后，简要介绍了论文中各个章节的主要内容。第二章 研究超声波换能器的物理特性与技术。研究设计了超声波发射电路的设计，主要包括推挽变换器的工作原理，以及推挽变换器的转换效率；超声波接收电路的设计，包括低噪声前端放大器，以及滤波放大电路与电源。第三章 对超声波测距算法进行了分析，重点研究超声波测距方法和大量程超声波测距系统的实现技术。提出了基于 PC 机的超声波测距系统试验平台，以及超声波测距的信号处理算法。第四章 鉴于之前对超声波发射与接收电路的设计、对超声波测距系统的研究以及超声波测距算法的分析，设计出由超声波测距系统组成的汽车防撞系统。设计包括系统硬件（系统硬件

30、总体框图、超声波发射部分、超声波接收部分、单片机控制部分） ，系统软件，并对设计出的系统进行调试与优化。- 9 -第二章第二章 超声波发射与接收电路超声波发射与接收电路2.1 大作用距离超声波换能器大作用距离超声波换能器换能器的谐振频率、辐射面积、振子结构、声窗匹配层和背衬材料乃至制作工艺，都直接影响了超声波换能器的作用距离、指向性和频带宽度。为了解决上述问题，本章对超声波的物理特性、换能器的振动模式、结构、制作工艺和声学阻抗匹配以及机电阻抗匹配等技术专题，展开全面而深入的理论与实验研究。2.1.1 超声波物理特性与换能器技术指标超声波物理特性与换能器技术指标超声波换能器技术的研究内容是：综合

31、考虑与换能器和介质相关的声学阻抗、声学结构、工程材料和振动模式等物理特性，应用阻抗匹配技术使之达到电能与声能之间的最佳转换，以满足工程实用需求。现将声波的物理特性和超声换能器的主要性能指标介绍如下。1 超声波的主要物理特性超声波和一切波动一样，具有频率 f、传播速度 c 与波长 三个物理量，三者关系为 （2-1）cf在不同的介质中，声速是不一样的。超声波的频率范围在之间，4132 10 10 Hz与声波相比，超声波具有如下显著的物理特性：(1) 束射特性 超声波传播具有方向性和射线性。在相同的辐射条件下，换能器的工作频率越高，其方向性越强。声源发出的超声波，在一定方向上形成如图 2-1 所示的

32、波束。在离声源较近的一段，波束几乎平行，称为近场区。在该区内声场分布较为复杂，其长度范围： （2-2rfLc2）其中，L 为近场长度，r 换能器辐射面的半径。在远离声源区，波束向四周稍- 10 -有扩散，扩散声束与平行波束之间形成 角，称为半扩散角。 角越小，能量越集中，方向性越强。2rL图 2-1 超声波声源近场的方向性 (2) 射线特性 超声波在直线传播过程中，当遇到两种声阻抗率不同的物质所形成的界面时，就会产生反射和折射(透射)现象。超声波的反射和折射遵循几何光学规律。两种交界面介质的声阻抗率差别愈大，反射愈强，透入第二种介质的声能就愈小。在层状的两个平行反射界面中，声波可以来回反射多次

33、，直至能量减弱至零为止。2 超声波换能器的主要性能指标对于超声波换能器，除了要确定其谐振频率和频响特性外，更重要的是要了解它的电一声转换特性和声辐射特性。换能器的主要性能指标如下：(1)工作频率 f：工作频率大多选取在换能器的机械共振频率附近，因而，换能器的工作频率一般是指换能器的机械共振频率。(2)机电耦合系数 K：机电耦合系数 K 是表示压电换能器的机械能与电能之间耦合关系的一个重要参数。因为压电振子的机械能与振子的形状、振动模式有关，所以振动模式不同，机电耦合系数也不同。(3)换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端都具有一定的特性阻抗。因此，要求换能器与发射电路末级(或

34、接收电路初级)的阻抗相匹配。此外，根据超声波的射线特性，还要求换能器与辐射声负载(或接收声负载)相匹配。如何实现机电阻抗匹配和声学阻抗匹配技术，是研制超声波换能器必须解决的关键问题之一。(4)换能器的频率特性：换能器的频率特性是换能器的主要参数之一，它是指阻抗、声压和灵敏度等随频率变化的特性。在实际应用中，通常希望超声波发射器在一定的频带内获得平坦的阻抗特性，以适应负载的变化，避免阻抗失配- 11 -而导致电路发热、能量转换效率降低甚至损坏设备。宽频带超声波接收器能够接收窄脉冲信号或余振时间短的波动信号，因而在声轴方向上具有极高的位移分辨力。超声波换能器是用来实现电能与声能相互转换的装置。通常

35、，超声波换能器的机电能量转换效率低，严重影响了超声波换能器的作用距离。为了解决这一问题，仅仅考虑改善换能器的机械结构与声学特性是不够的，还必须优化换能器的发射电路和接收电路的设计，以提高超声波发生器的有效发射功率和超声波接收器的信噪比。2.2 超声波发射电路的设计超声波发射电路的设计超声波发生器是由超声波发射电路和超声波换能器构成的。超声波发射电路(也称为驱动电源)根据其工作原理可以分为振荡一放大型和逆变型两类。对于中、小功率且频率不是很高的超声波换能器，一般均采用振荡一放大型驱动电源，如图 2-2 所示。本设计方案是采用它激式振荡器，以便于在较宽的频率范围内调节换能器的工作频率。下面分别介绍

36、驱动电源的各个组成部分。振荡器单变压器推挽功率放大电路压电换能器 图 2-2 振荡-放大型驱动电源2.2.1 推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理图 2-3 是一种采用较多的超声波发生器驱动电源，其功率放大级是由 MOS 管推挽变换器构成的。推挽变换器采用带有中心抽头的脉冲变压器作为输出级，以提高驱动电路的输出电压幅度，进而增大换能器的发射功率。该电路的特点是无激励信号时(选通信号为低电平)，两个 MOS 功率管工 RF520 的静态电流为零；有信号激励时，两个 MOS 管交替工作，各输出半波信号，合起来形成一个完整的波形。在电路中，SN75732 集成芯片是双通道 TTL/MOS 接口电

37、路(双与非门)，用于实现电平转换，以便于控制 MOS 管的漏极电流；是限流电阻，用于限制DISRMOS 管的最大漏极电流与，以避免 MOS 管受到过大的瞬间电流冲击；是由RCX电容和电阻构成的支路，用于禁止直流电压通过，以防止 MOS 管始终处于导通状- 12 -态，同时与电阻构成分压电路，以确定 MOS 管栅-漏极电压的大小和 MOSGRGSV管方波输出信号的占空比系数；凡是外接的偏流电阻，其值取 100 200k 为maxD宜。1 10 0k kH HC C0 00 05 5V V1 15 5V V1 18 85 57 76 64 42 23 3S SN N7 75 57 73 32 2V

38、 VD DD DQ Q1 1Q Q2 2X XR RC CX XR RC CR RG GR RS ST TR RI IN N4 49 93 36 6X XL LC CS SI IG G1 1S SI IG G2 2选选通通信信号号图 2-3 超声波换能器发射电路2.2.2 推挽变换器的转换效率推挽变换器的转换效率现在，仍以未加阻抗匹配的换能器为例，推导计算变换器能量转换效率的表达式。对于图 2-3 所示的电路，可以认为：在输入信号的一个周期 T 内，和各导通T/2(为变换器输入信号的占空比)，且通过两 MOS 管的电流几和功率maxDmaxD管两端的电压在数值上分别相等。因此，只需先计算单管的

39、功耗再乘以 2 就可DSV以求出总的管耗。当 MOS 管的输入信号近似为方波，并且 MOS 管的漏极电流达到最大值与时，总的管耗为 （2-max/2max02TDoptomDBSQDDSBLDN V VPI VdtTR3）式中，T 为输入方波信号的周期。直流电源供给的功率应包括负载得到的功率和两 MOS 管的功耗以及限流电阻上的功耗，即 （2-2/ 2/VQDSOMPPI RP4）式中，为变压器的效率。利用式（2-3）和（2-4）以及(表示变压器初级绕组上的电OMoptDPVNVDPV压，)，即可求出方波输入时变换器电路的效率为DPDDDSBDSVVVIR- 13 - （2-max82%12

40、(/)OMsqrVSLPDSBDPPPRRDVV5）式中，表示换能器负载折合到变压器0.95max0.44D2/LPLoptRRN初级的等效电阻。从电能利用率的角度来看，如果，(二者均与变/SLPRR/DSBDPVV比有关)和输入信号的占空比系数越小，且变压器效率 越高，则推挽变换maxD器的效率就越高，这个结论与式（2-5）所蕴涵的物理意义是一致的。此外，在经典的电子电路设计教科书中，通常认为乙类放大器(推挽放大器)的效率为7080%，与式（2-5）计算的结果大致一致。因此，本文推导的推挽变换器的转化效率公式是正确的。 2.3 超声波接收电路的设计超声波接收电路的设计超声波接收器是由超声波换

41、能器和接收电路构成的。为了实现大范围超声波测距，不仅要求超声波接收电路能够放大远处目标反射回来的微弱信号，而且还希望近距离目标反射回来的强信号经放大后又不至于发生变形或饱和，这就要求接收电路具有自动增益控制(AGC)功能。此外，在接收电路中增加 AGC 功能，有助于克服“混响”现象，提高超声波测距系统的信噪比。为此，文中根据超声波信号幅度随时间变化的衰减特性，利用自动增益控制原理来实现时间-增益控制(TGC)，使超声波接收电路具有很高的增益而又不出现深度饱和现象。此外，本节还设计了低噪声放大电路和带通滤波器，大大提高了接收电路的信噪比。2.3.1 低噪声前端放大器低噪声前端放大器将超声波换能器

42、正对着 2.5m 处的墙壁(目标)发射超声波，用示波器直接观察换能器的输出信号，其电压幅值为 1V。随着目标距离的逐渐增大，回波信号的幅值急剧降低。若希望超声波传感器的测距范围为 235m，则要求超声波接收电路必须具有足够大的增益，才能敏感极其微弱的回波信号，同时，又要求近距离目标所产生的回波信号经放大后不会出现深度饱和现象。因此，前端放大器的增益G 不能取得太大。- 14 - - AD620 +10k0.011000P100k100k10k0.01Rg100P1000P-5V+5VSIG1SIG2图 2-4 低噪声前端放大器电路图 2-4 是超声波接收器的前端放大电路。其中，前端放大器是由

43、AD620 型仪表运算放大器和阻容网络构成的。AD620 具有低功耗、宽频带、高精度和高可靠性等优点，其增益仅由电阻决定的，使用 1%的精密电阻，它就能提供精确的GR增益 G。如果 G=1，则引脚不连接电阻元件(即=)；而对于其它的任何增益，GRGR可按下式确定电阻值：=(k) （2-GR49.41G6）当 G6，则=10 kGR- 15 -2.3.2 滤波放大电路与电源滤波放大电路与电源带带通通滤滤波波电电路路（TL082）（fo=27.5kHz，Q=5）加加法法器器输输出出端端C1000p10k470k1000p-+TL084TL084TL084-+-1000pC1C2RfR1R2+5V-

44、5V1000P10K10K470K次次级级放放大大电电路路带带通通滤滤波波电电路路末末级级放放大大电电路路图 2-5 信号放大与带通滤波电路图 25 是用高阻抗运算放大器(TL084)和 RC 阻容元件构成的同向、反向放大器和有源带通滤波器。在此，重点讨论滤波器设计问题。有源带通滤波器的传递函数为 （2-22(/)( )()(/)cfccjQ AAjjQ 7）式中，为带通滤波器的中心角频率，（为换能器的工作频率，c2ccfcf=24.5kHz)Q 为品质因素，Q=3；A 为滤波器的增益，A=2。滤波器的参数满足cf如下关系： （2-1211121212212,1cfcfcC CQRCRQACC

45、R RR C CRR8）将已知数值代入上式，计算得：， ， 12680CCpF115Rk，最后，通过调节电位器来改变末级放大器的增益，使接收21.8Rk56fRk- 16 -电路的输出幅值满足数据采集电路板的输入要求即可。第三章第三章 超声波测距系统超声波测距系统在超声波测距系统中，测距算法性能的优劣，直接影响了测距系统的性能；而测距算法的运算速度，则直接影响了测距系统的实时性。从信息论的角度来看，超声波测距过程实际上是超声波的传递过程，因此，可以利用通讯技术的基本方法，来增强超声波测距系统的抗干扰能力、提高超声波测距系统的实时性，以实现对高速移动目标的测量或定位。3.1 超声波测距算法分析超

46、声波测距算法分析应用超声波脉冲回波法的测距过程是：用持续时间一定的超声频高压电脉冲信号激励换能器，使之向外部介质发送一串超声波，当超声波在换能器的声轴上遇到一个或多个目标时，部分声能将被反射回来并作用在换能器上，使换能器输出微弱的电信号。该信号经过放大滤波后，送入微处理机系统进行信息处理，以判定回波信号出现的时刻，并计算出超声波的射程时间及其对应的目标距离，从而完成了一个测距周期。如何改善超声波测距系统的抗干扰性能和实时性，是研究超声波信号处理算法时必须考虑的关键性技术问题。3.1.1 问题分析问题分析超声波在传播过程中不仅受到传播介质的影响，而且它的信噪比也将因振动、空气湍流和声能的吸收衰减

47、等外界因素的影响而改变。实验表明，在超声波测距过程中，当发射信号与接收信号的能量均比较大时，传统的阈值检测法是行之有效的。而当目标距离传感器较远时，回波信号受到外界因素的干扰较大，这时测距系统就难以直接判定换能器的输出信号是回波还是噪声，传统的闭值检测法就失效了。幸运的是，回波信号与发射信号的包络基本一致，因而，借助于计算二者的互相关函数，找出其峰值出现的时刻，即可确定超声波的时间射程(Time of Flight， ToF )。在第一章介绍的许多信号处理算法中，包络相关函数法是既适合于处理微弱信号，又适合于采用低采样速率的鲁棒算法。为了提高超声波测距算法的可靠性，可借助于一个经过适当选择的伪

48、随机二进制序列作为编码信号(简称伪随机码，或 PN 码)，将基带脉冲信号调制成为超声频编码信号，用以激励换能器，使之向外界发送超声波编码信号。在大多数情况下，外部干扰信号与所发送的编码信号是不相关的。因此，通过计算该编码信号- 17 -与回波信号的包络相关函数，就可以把混在回波信号中的外部干扰信号消除或减小到最低程度，从而实现对信噪比为负分贝的微弱信号检测。显然，伪随机序列的长度越长，包络相关函数的峰值就越大，测距系统的处理增益也就越高，但测距系统的盲区也将随之增大。故而，应当根据实际测量需求，选用恰当长度的伪随机序列。图 3-1 表示基于包络相关法超声波测距系统的原理框图。为了从理论上证明借

49、助于通讯技术来提高超声波测距系统的处理增益是可行的，有必要研究调制解调器与包络相关算法的输出信噪比。电电平平转转换换功功率率放放大大低低噪噪声声带带通通放放大大器器解解调调器器互互相相关关函函数数PN码码换换能能器器目目标标射射程程时时间间图 3-1 基于 PN 码的包络相关法的超声波测距原理3.2 超声波测距系统的实现超声波测距系统的实现超声波测距实验系统是由 PC 机、数据采集与控制板卡和超声波换能器及其发射/接收电路构成的，如图 3-2 所示。利用该系统，进行了适合于低采样速率的超声波测距实验。实验表明，本文提出测距算法完全能够采用普通的单片机系统来实现，以构成具有高性价比的大量程超声波

50、测距仪。- 18 -PIOA/D逻辑控制&功率放大器接收电路换能器PC图 3-2 基于 PC 机的超声波测距系统实验平台3.2.1 单脉冲数字相关测距单脉冲数字相关测距在图 3-2 所示的系统中，有用的信息是超声波收、发信号的包络。由于换能器的频响特性对包络信号的频谱有一定的影响，但不是很大。根据香农采样定理，只要采样速率高于换能器通带信号的 2 倍，就可以恢复出原信号的包络。对于非组合换能器而言，其频带宽度约为 4kHz，采样频率应高于 8kHz；对于组合式换能器，其发射频带为 4kHz，而接收频带为 7kHz，采样频率应高于 14kHz。当然，采样频率越高，时间轴的分辨力越高，测距

51、精度也随之提高，但数据处理量也相应地增大了。因此，必须根据实际需要，采用适当的采样速率。x2()LPFrC_rMaxC修正ToFr(t)r(n)()stnTs(n)y(n)( )rT n结果图 3-3 超声波测距算法在 PC 机中，信号处理算法如图 3-3 所示。图中，r(t)是经放大和带通滤波后的回波信号，r(n)是计算机采样信号，Tr(n)是发送信号的包络函数。为了获得与同步解调系统一样的处理增益，回波信号经采样、平方后，还应当通过一个二阶数字低通滤波器。滤波器的输出(回波包络的平方) s(n)为：- 19 - （3-222( )( )2(1)(2)s nrnrnrn 1）这里，低通数字滤

52、波器是用于消除由平方算法所产生的位于半采样频率附近的谱成分。发送信号的包络与回波信号的平方包络之间的互相关函数(用卷积公rC式计算)为： （3-10,1, ,10( )( )()MrnNmy nT ms nNMm2）式中，N 是采样序列 s(n)的长度，M 是发送信号包络序列的长度。第四章第四章 超声波测距汽车防撞系统超声波测距汽车防撞系统的设计的设计超声波测距的工作原理超声波测距的原理就是利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录

53、的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s) ，即：s=340t /2。超声波测距的工作方式是利用超声波测距的工作原理达到测量距离的作用，主要有三种测距方法：1) 相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；2) 声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响；3) 渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性(纵波)，通过接

54、收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。- 20 -4.1 系统硬件设计系统硬件设计4.1.1 系统硬件总体框图系统硬件总体框图构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、键盘显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会棍叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；一是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表而反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。根据设计要求并综合各方而因素，采用 AT89C51 单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，

55、超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图 4-1 所示。 超声波接收超声波发送单片机控制器LED 显示扫描驱动前方或后方车辆图 4-1 系统总体框图4.1.2 超声波发射部分超声波发射部分超声波发射电路工作原理如图 4-2 所示：由 NE555 时基电路及外围元件构成40kHz 多谐振荡器电路，调节电阻器 Rp 阻值，可以改变振荡频率，最终达到40kHz。同时用单片机控制 NE555 第 3 脚输出端驱动超声波换能器 T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压 9V，工作电流 4050mA。- 21 - VCCR QTRIG DISCVolt GND

56、 THR单单片片机机输输入入C3100FSR112K425C20.01F1673Rp4.7k100R2T40超超声声波波发发射射器器C11029vNE555图 4-2 超声波发射电路原理图用 555 定时器接成的多谐振荡器来驱动超声波发射传感器。 555 定时器外接电阻和电容构成的多谐振荡电路。振荡频率 f 主要取决于电阻 R1(包括电位器的阻值)，R2 和电容 C1，当 R1，R2 和 C1 固定时，改变电位器的阻值就可改变振荡频率，振荡幅度由电源电压来决定。频率为： f =1.44（R1+2R2）C1 （4-1）（1） 但是输出的矩形波是不对称的，占空比为：q=(R1+R2) /(R1+2

57、R2) （2） 这里采用独立的 9V 电源对二极管驱动电路供电，以增强超声波发射的能量和测量精度。4.1.3 超声波接收部分超声波接收部分电路的功能是将连续变化的信号放大，滤掉高频干扰和噪声，把连续变化的信号转变为离散信号，量化后进入信号采集系统。超声波接收电路原理如图 4-3 所示，当 R40-16 感应到超声波时，信号经过 VT2， VT1 两级放大后再经整形滤波，最后由 VT3 放大输出，若有收到 40kHz 超声波回波，输出低电平到单片机，若无接收 40kHz 超声波的回波，输出高电平到单片机。- 22 - OUTIN LED21KD3IN4004+12V13R410KR3100KR5

58、3.9K100FR1610KVT39014VT19013VT29014 C7103R81KC4104D1IN4148D2IN4148R63.9KR2R7R11M输输出出到到单单片片机机7809R40-16C1 1000F2C5 104图 4-3 超声波接收电路原理图4.1.4 单片机控制部分单片机控制部分40kHZ 的发射频率由单片机的 P3.2 提供给软件进行处理，回波经过 AT89C51对接收到的信急进行处理后，被测的距离在 LED 上显示，显示的数据由 P0 口和P2 口分别控制数码管的段和位实现 LED 的显示，显示部分采用动态扫描显示。两位 LED 可表示 4.90.1m 的距离，满

59、足显示精度；若该距离小于预置的汽车低速安全刹车范围(如：lm 或 0.5m)，报警电路发出适当的警告提示音，由 P2.4 口的蜂鸣器输出控制报警电路的工作。 PB0 PB1 PB2 PB38155 PA0 PA1 PA2单单片片机机7407111共共阴阴级级LED显显示示100*47545*2+5V图 4-4 LED 数码显示电路4.2 系统软件设计系统软件设计汽车防撞系统根据超声测距原理用 AT89C51 单片机开发设计。整个软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等- 23 -模块组成。根据系统的要求，系统软件应具有以下功能：(1)控制超声波发射、接收传

60、感器的工作状态。(2)根据汽车的行驶速度计算出避撞的安全距离和报警距离。(3)测出超声波信号的往返时间，来计算出最近的障碍物与汽车的距离。超声波从发射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间，需要通过软件定时器来记录。根据这个时间才能计算出障碍物的距离。系统主程序流程如图 4-4 所示。软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。当测得距离小于预置距离时，声音报