超聲波車位信息采集器的設(shè)計(jì)

摘 要 隨著汽車保有量的迅猛增加，在擁擠的市區(qū)里汽車與停車位之間的矛盾越來越突出。如果能實(shí)時(shí)掌握空置停車位的數(shù)量及位置信息，可以幫助停車場(chǎng)管理人員更充分、高效地利用有限的車位資源。超聲波車位信息采集器是利用在車位有車和無車狀態(tài)下超聲波發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間不同的原理，做出車位上有車/無車的判斷，然后通過CAN局域網(wǎng)將車位信息上傳到服務(wù)器。

【關(guān)鍵詞】超聲波 CAN局域網(wǎng)總線 電壓跟隨 自動(dòng)量程切換

超聲波車位信息采集器是基于超聲波測(cè)距的原理實(shí)現(xiàn)的。將其安裝在車位的正上方，向下發(fā)射超聲波，經(jīng)地面或車輛頂部反射后由傳感器接收，記錄下傳輸?shù)臅r(shí)間從而計(jì)算出傳輸?shù)木嚯x。根據(jù)有車與無車時(shí)距離的不同判斷有無車輛停放。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、超聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、接收電路、CAN局域網(wǎng)通信模塊、車位狀態(tài)指示電路、電源輸入保護(hù)電路、功能設(shè)定模塊構(gòu)成。CAN局域網(wǎng)通信模塊接收到上位機(jī)指令，由單片機(jī)控制模塊輸出40KHz脈沖信號(hào)，經(jīng)過超聲波驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射超聲波信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過空氣傳播由地面或車輛反射回超聲波接收電路將信號(hào)放大，整形并觸發(fā)單片機(jī)控制模塊計(jì)算出發(fā)射與接收之間的時(shí)間差判斷車位狀態(tài)，并控制車位狀態(tài)指示電路顯示車位狀態(tài)。

1.1 超聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

由圖2所示。通過控制單片機(jī)定時(shí)器，從定時(shí)器輸出引腳輸出40KHz、占空比50%的振蕩信號(hào)，通過CD4069反相器進(jìn)行調(diào)理，提高發(fā)射強(qiáng)度以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。

1.2 超聲波信號(hào)接收電路

超聲波信號(hào)接收電路如圖3所示。由于超聲波接收器件接收反射回來的超聲波信號(hào)非常微弱，并可能含有其它高頻干擾信號(hào)，因此接收電路包含電壓跟隨器，有源帶通濾波器，放大電路，雙路比較整形電路。

1.2.1 電壓跟隨器

在超聲波接收器件后端設(shè)計(jì)電壓跟隨器，可避免超聲波接收器件直接與后級(jí)的濾波電路直接連接時(shí)，由于超聲波接收器件的高阻輸出而導(dǎo)致部分信號(hào)能量損耗在前級(jí)的輸出電阻上，提高有源帶通濾波器輸入阻抗。

1.2.2 有源帶通濾波器

由于超聲波接收器件接收到的超聲波反射信號(hào)非常微弱，并可能含用其它高頻干擾信號(hào)，采用有源帶通濾波器對(duì)前級(jí)輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波并放大。

1.2.3 放大電路

采用兩級(jí)反比例放大電路將有源帶通濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大，放大倍數(shù)為10000倍。使得超聲波信號(hào)有足夠的電壓幅度保證其能夠通過后面的比較整形電路。

1.2.4 雙路比較整形電路

比較整形電路將放大電路輸出的信號(hào)處理成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，方便單片機(jī)處理。由于不同的反射距離經(jīng)有源帶通濾波器放大后得到的信號(hào)幅度不同，使用雙路比較整形電路，為每一路各配置一套參數(shù)，單片機(jī)自動(dòng)選擇測(cè)量線路，實(shí)現(xiàn)只采用一對(duì)超聲波接收器件就進(jìn)行多量程測(cè)量，提高系統(tǒng)測(cè)量精度，節(jié)約成本。

1.3 CAN通信模塊

單片機(jī)通過CAN通信接口采用雙絞線作為傳輸線與CAN局域網(wǎng)及上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)將停車場(chǎng)的各車位狀態(tài)信息聯(lián)網(wǎng)上報(bào)及對(duì)車位進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1.4 功能設(shè)定模塊

功能設(shè)定模塊通過單片機(jī)的串口連接到PC機(jī)，使用上位機(jī)軟件設(shè)定超聲波反射距離閾值（或時(shí)間閾值）及采集器CAN局域網(wǎng)時(shí)的通信地址等參數(shù)。

1.5 電源輸入保護(hù)電路

考慮到在停車場(chǎng)進(jìn)行工程安裝時(shí)需安裝的超聲波車位信息采集器數(shù)量較多，難免會(huì)出現(xiàn)采集器接錯(cuò)線造成整條供電線路上的所有超聲波車位信息采集器短路，甚至可能燒壞同一供電線路上的所有超聲波車位信息采集器。因此，添加如圖4所示電源輸入保護(hù)電路。當(dāng)電源正向輸入時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，正常供電；當(dāng)電源反向輸入時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，后級(jí)負(fù)載不會(huì)被損壞；當(dāng)電源正向輸入電流過大時(shí)，保險(xiǎn)管燒斷，從而發(fā)揮保護(hù)作用。

2 軟件設(shè)計(jì)

超聲波探測(cè)子程序流程圖如圖5所示。單片機(jī)配置定時(shí)器1用來產(chǎn)生8個(gè)40KHz的方波信號(hào)；定時(shí)器2用來計(jì)時(shí)并設(shè)定超時(shí)時(shí)間為40ms。當(dāng)CAN模塊接上到上位機(jī)的探測(cè)指令則同時(shí)打開定時(shí)器1，2。其中定時(shí)器1產(chǎn)生完成8個(gè)脈沖后關(guān)閉。延時(shí)2ms后，單片機(jī)打開接收中斷，等待接收超聲波信號(hào)。如果在規(guī)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)有信號(hào)成功返回，則定時(shí)器2記錄當(dāng)前時(shí)間，并根據(jù)公式計(jì)算出探測(cè)距離（探測(cè)距離=（超聲波速度*定時(shí)器2時(shí)間）/2）。然后將探測(cè)距離值跟閾值比較得出車位狀態(tài)，并通CAN模塊上傳給上位機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，以上論述的方法設(shè)計(jì)的超聲波車位信息采集器能夠準(zhǔn)確的在5米范圍內(nèi)探測(cè)距離。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠根據(jù)探測(cè)的距離值精確判斷車位信息。

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作者簡(jiǎn)介

孫曉明（1985-），畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，獲通信工程學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)任廣西南寧泰森電子科技有限公司總工程師，主要從事智能停車場(chǎng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)工作，并獲得多項(xiàng)目國(guó)家專利及多項(xiàng)軟件著作權(quán)。

作者單位

廣西南寧泰森電子科技有限公司 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530001