超声波汽车测距告警装置

1　引言

　　在日常机场保障与维护过程中，工程车、充气车、电源车、加油车等诸多车辆常常需要在停机坪附近穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与飞机非常接近，驾驶员的视野颇受限制，碰撞和拖挂飞机的事故时有发生，在夜航时则更显突出。为确保飞机安全，我们研制了一种测距告警装置，有效地提高了飞机在保障和维护过程中的安全性和可靠性。 我们所研制的汽车测距告警装置的主要性能指标如下：
　　作用距离　　　　 0.2 m
　　测距精度　　　≤0.05 m
　　告警距离 ≤1 m(可调)
　　漏警率1%
　　虚警率0.01%

2　基本工作原理及框图

　　此装置在单片机的控制下，利用超声波测距原理，测量低速行驶车辆与飞机的距离，当车辆与飞机的距离小于安全距离时，发出声光报警，并显示车辆与飞机之间的距离，提醒驾驶员及时采取减速、制动等措施，从而达到避免车辆与飞机碰撞、拖挂等事故，其原理框 图如图1所示。整个系统由超声波发射、超声波接收、8031单片机系统和声光报警、距离显 示等设备组成。

图1　超声波汽车测距告警装置原理框图

　　发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器及超声换能器组成。 单脉冲发生器在振荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换能器发射超声波。
　　接收部分由超声换能器、接收放大器和编码解调器组成。接收到的超声波反射信号经超 声换能器转换、放大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显示器显示车辆与飞 机之间的距离，当该距离小于设定的告警距离时，启动报警系统报警。
　　在多台车辆同时作业时，某台车辆发射的超声波信号可能被其它车辆接收，从而因造成 系统混乱而产生误报。为解决这一问题，系统对不同的车辆进行不同的编码调制，使每辆 车只能接收到其本身发射的信号。
　　为有效消除干扰，编码解调采用积累检测解调。编码解调的框图如图2所示。V₁ 为被放大后的含有干扰的接收信号，经门限检测电路与门限电压V0比较后输出脉冲 V₂（当V₁＞V₂时，输出脉冲，反之无输出）。单稳电路1和单稳电 路2 相互配合与或非门共同构成一个可以重新触发的单稳电路，通过此单稳电路，实现对脉冲序 列的延时积累，其输出为V₃，V₃经积分器积分后输出V₄，最后经整形电 路整形后输出，V₅并送入单片机处理。解调器的工作波形如图3所示。

图2　编码解调器原理框图

图3　解调器工作波形

　　单稳电路时间常数的选择，要求使其展宽时间大于载波脉冲周期。若载波脉冲周期为25 μs，取单稳电路的展宽时间为两个载波脉冲周期（50μs ），则当触发脉冲V₂ 为单个脉冲时，经单稳电路之后，其输出脉冲V₃的宽度为50 μs，当触发脉冲V ₂为两个连续脉冲时，经单稳电路之后，其输出脉冲V₃的宽度为75μs，触发脉 冲为3个连续脉冲时，其输出脉冲V₃的宽度为100 μs ，其余依次类推。即使由于干 扰而使中间的某一触发脉 冲丢失，也可被后一个脉冲所触发。所以，在单稳电路展宽时间取两个载波脉 冲周期时，在V₂的脉冲串中，只要不连续丢失两个以上的脉冲，单稳电路的暂稳态 就可保持到被V₂脉冲串的最后一个脉冲触发。因此，单稳电路展宽时间应根据实 际干扰环境选取。展宽时间过小，则不利于对码元“1 ”的检测，展宽时间过大，又不利于 对码元“ 0”的检测，这一点可以从图3所示的波形中看出。
　　系统中的发射和接收部分由单片机控制轮流工作。在单片机编码发送完毕后，即转入接收状态，同时关闭发射部分的单脉冲发生器；当接收一定时间后再转入发射状态重发编码时 ，同时关闭接收放大器。因此，为保证测距正确，接收时间必须根据实际量程来限制时，众所周知，声波传播的距离s、速度c及传播时间t之间的关系为：s=c×t 。若系统量程为5m，则接收时间T_s应满足：

3　软件设计

　　软件设计流程图如图4所示。

图4　软件流程图

　　系统上电初始化后，先使安装在车辆四侧的超声波收发装置处于发射状态并输出调制编码，同时开始计时，在调制编码发送完毕后，使收发装置处于接收状态，并巡回检测四侧接收装置是否接收到返回信号。当某一侧检测到返回信号时，就 结束计时，并保存计时时间，同时接收返回信号编码，并将其与发送编码进行比较， 若两者相符，则计算车辆与飞机间的距离，并显示距离。然后将计算机所得的距离与设定 的告警距离进行比较，若小于告警距离就发出报警，否则返回重发。若接收编码与发射编码不相符，则返回重发。若四侧接收装置均没有检测到返回信号，则判断接收限时是否已到， 若接收限时未到，则继续巡回检测接收装置，否则返回发射状态重发编码。

　　经实际测试该装置完全达到了设计指标要求，具有测距精确、告警及时、灵敏度高等优点；实际应用时装置效果良好，有效地避免了机场事故的发生，具有很高的应用价值。由于超声波的传播速度慢，传输延时较大，影响了系统告警的反应速度，因此只限于低速行驶 的车辆用，若要应用于高速车辆中，则需要进行改进。