专利名称：倒车及防撞报警器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种倒车防撞报警器，尤其是一种利用超声波测距的汽车倒车及防撞报警器。
司机在倒车时及时发现后面的障碍物，提高倒、停车的准确性和安全性，减少事故的发生是非常重要的。实用新型ZL95245331.2公开了一种以双时基集成电路NE556为40KHZ振荡器，音片机为核心控制处理器件，用双位数码管显示距离，由超声传感器向车后发射超声波脉冲，根据反射回波测得车尾距障碍物距离的汽车倒车安全报警装置。它的缺点在于无法克服外界温度对超声波传感器灵敏度的影响，即外界温度的变化会导致超声波传感器谐振频率的变化。那么超声波传感器的发射效率也会随之降低，原先可以正常探测的障碍物就有可能无法探知。此外，该报警器接收头与发射头独立，安装调校困难及抗干扰能力低的问题。
本实用新型的目的在于提供一种适应各种外界温度条件，小巧、抗干扰力强的倒车及防撞报警器。
本实用新型是这样实现的，它包括超声波传感器部分、主机单元与声/光报警器部分，超声波传感器部分包括超声波传感器、超声波传感器发射驱动电路、超声波传感器接收电路与超声波发射状态反馈电路，主机单元以单片微型机(CPU)为主，声/光报警器部分由三色LED灯、放大驱动电路、直流蜂鸣器组成，CPU是整个报警器系统的核心部分，它控制整个系统的运作，超声波传感器发射驱动电路中由软件模拟产生的方波，直接驱动超声波传感器，使系统为单时钟系统，超声波的发射采用动态扫描频率，超声波发射状态反馈电路中采用了窗口式集成运放电压比较器。
对本实用新型作进一步改进，该装置直接接驳汽车上的+12V直流电源，在一个超声波传感器中同时封装有发射头与接收头。
对本实用新型作进一步改进，该装置输入、输出即接地均采用电源滤波稳压电路。
本实用新型由软件模拟法产生驱动信号，可根据实际需要，发出不同频率的驱动信号，并采用窗口式集成运放电压比较器和动态扫描频率的软硬件相结合技术，使报警器适应各种不同的外界温度条件。此外，该装置直接接驳汽车上的+12V直流电源，在一个超声波传感器中同时封装有发射头与接收头，体积小巧且安装方便，该装置输入、输出即接地均采用电源滤波稳压电路，既保证自身装置不干扰其它电子设备，就是连其它用电设备的干扰也无法通过电源串入本装置，有效提高了抗干扰能力。
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。
图1为本实用新型之模块图；图2为本实用新型之CPU功能模块图；图3为本实用新型之超声波发射电路图；图4为本实用新型之超声波接收电路图图5为本实用新型之声/光驱动电路图6为本实用新型之窗口式集成运放电压比较器图；图7为本实用新型之电源输入、输出滤波图；图8为本实用新型之温度频率曲线图；图9为本实用新型之超声波传感器结构图。
如
图1所示，本实用新型按其功能共可划分为6个模块。
附图2中对CPU的功能做进一步描述，构成有4MHz XT晶振，电容C1、C2，复位晶体管N1、R1、A,b发射/接收、声/光驱动报警，Vcc电源输入，Vss接地。
附图3中，超声波发射驱动电路构成有晶体管N1,D1,D2,D3电阻R1,R2,R3,R4,R5,R6电容元件C1,C2电感元件I1,I2和变压器E1经CPU管脚输出的驱动电压N1、E1放大，提压之后，再经过R5,C2,D2,D3,13,14,R3,R4,C1整形之后送入超声波传感器进行驱动发射。
这里特别是要指出的是R6,I5的作用，如前面所指出的那样，如果超声波的最后接地不加任何屏蔽直接串入地端，则会干扰其它用电设备的正常工作，I5,R6正是起到屏蔽作用，使高频谐波尽量消耗在I5,R6上，做到净化电源作用。附图4中，电路较为复杂，电路构造。有晶体管N1,N2,N3
电阻R1~R19电容元件C1~C8电感元件I1集成元件CA324超声波传感器将接收回来的超声波信号转换成电信号，但是这个电信号是不能直接入CPU作为最终的输入信号，还得需要对该信号进行滤波、整形和放大才行。输入信号经过电容C1后把输入信号的直流信号滤掉，N1对该信号进行一级预放后作CA324集成运放的负反馈输入端的输入端口。CA324内部有个独立的集成运放，故可接成二级的负反馈集成运放比较器，把输入信号接成负反馈形式可带来两个好处①放大量不至于过大。②负反馈有自动跟随功能，这一点对成功地检测出正确的接收信号来讲是很重要的。首先，接收的信号会由于距离的远近不同而造成信号的强弱大不相同，但负反馈形式的电路可将信号调整成一定强度，保证信号的正确性。
经过两级的集成运放比较器之后，信号可进行最后级放大的电路放大后最后送入CPU检测口，完成其任务。同样，I1、R2的作用是和发射电路中的I5和R5起到一样的效果，具体可参照发射电路部分。
附图5中电路构造。有晶体管N1,N2,N3电阻R1,R2,R3,R4,R5,R6电容元件C1蜂鸣器和三色LED灯
CPU检测到有效的超声波反射信号之后，就根据这个信号值和TO计数器进行比较，这个值可会成4个部分①障碍物在1.4米之外，在危险区外，不报警。
②障碍物在1.4米之内，1米之外，已在危险区内，绿灯报警同时蜂鸣器以较为缓慢的速度鸣叫。
③1米之内，0.5米之外，已在中等危险内，黄灯打警，同时蜂鸣器以较快的速度报警。
④0.5米之内，这时已在高危险区内，同时系统驱动红灯，蜂鸣器同时急促报警。
这里的光报警装置采用三色灯报警灯即一个三色灯通过不同的控制方法可发出三种不同颜色的光，电容C1的作用是把高频谐波过滤掉。
附图6中窗口式集成运放电压比较器电路构造。有反馈电压变压器E1晶体稳压管D1,D2集成运放A1电阻R1,R2,R3,R4,R5,R6反馈电压变压器E1将送往超声波传感器的驱动信号提取一电压信号后送往窗口电压比较器进行比较，其中窗口比较器的UTH1=4.5V,UTH2=1V，若反馈电压信号不是以高到+4.5V使窗口电压比较器进行翻转，则CPU就能够判断由于当前的温度变化已经使得谐振频率点漂移过多，所以CPU就必须重新搜索谐振频率点了，图中的D,D2,R4,D2是防止过流或过压两损坏集成运放而设计的。
附图7中电源供给和滤波电路构造。有晶体稳压管4007,D1集成稳压器件7812,7808,78L05电阻R1,R2电容C1,C2,C3,C4,C5电感L1在做好整个系统的整体设计之后，进而对主机的电源供给的输入电源采用电源净化电路，我们知道，电源的稳定性对整机系统有着重要的作用，超声波传感器的驱动电压很高(约为120V)且存在高次傅立叶谐波。如果本系统的信号不加任何屏蔽而直接与供电电源直接相联，不但自己系统无法正常工作，还会影响汽车上其它用电设备的正常工作，所以该净化电路具有双向性，即使是本机的信号也不能通过电源串入其他电器设备之中。
其电路图原理如下电感L1可过滤高频谐波，起隔交导直作用，4007稳压器可起到两个作用，一是使电源流向是单向的，即起到二极管作用，二是可起到稳压作用，经过处理的电压最后可为三路不同电压的输出+12V,+8V,+5V以满足不同元器件的不同用电要求，对+12V的驱动，还必须再上一个二极管D1来屏蔽它。
图9是本实用新型所采用的超声波传感器结构图。
超声波传感器是系统中很重要的一个环节，其好坏直接决定系统的准确度。对汽车产品来讲，选择的指标必须满足以下几点①集成度和轻便；②灵敏度和声压要高；③对湿度和温度有很强的抵抗性，即不会由于外界温度和湿度的变化而产生明显的变化；④价格要低；⑤指向性要大。
超声波传感器的灵敏度和抗干扰能力是一对矛盾，灵敏度高则抗干扰能力就会降低，抗干扰能力高了，则灵敏度就会降低，如何以不降低或降低一点点的灵敏度的代价以获得高抗干扰能力这就是本实用新型的特点。市场一些同类产品是以牺牲其抗干扰能力的基础上来获得极高的灵敏度。其采用的手段有●增大有效信号检测时间，使得更多的干扰信号得以确认。
●对回馈的信号采取过度放大。扩大其指向性以减少“死区”这种的“高度灵敏”所带来的后果是对外界的干扰信号输入无能为力。或反应过于灵敏。根据我们实验结果可知a．当我们敲打铁皮时，报警器就发出“报警”；b．当我们在附近发动汽车、摩托车引擎时，同样也发生这种情况。而这几种的干扰源在现实情况中是到外可见的。
另一为获得高抗干扰能力，使其放大不足和信号检测时间过长，造成众多真正的回馈信号不能得到确认。这种毛病带来的后果更严重首先是死区过大，使得处于“死区”内的物体不能报警，其次是对于对超声波有着强吸收能力的物体(如人的衣物等)，由于回馈信号弱，无法报警。其三是在0cm~25cm很近的距离内会发出乱报警的现象。
针对这两种最大的毛病，本实用新型利用软硬相结合的方法，顺利地解决了这个矛盾。
有了功能完善的硬件作为坚实的基础，就可以发挥软件上灵活性的优势。前面提到，为了解决灵敏度与抗干扰能力上的这一矛盾，我们采用的是软硬件相结合的方法，重点体现软件上的特点，市场上有几种的报警器在其硬件上堪称优良，工艺性能也不错，就因为没有做好软件上的配合，使其使用效果不佳。
所采用的技术描述如下1．由软件模拟产生驱动的方波，直接驱动超声波传感器。
本超声波传感器在+80摄氏度到-40摄氏度的谐振频率38KHz~42KHz，这与系统所用的高速时钟是不相匹配的。而用软件产生方波后，就可省掉一专用振荡器，使系统从双时钟系统变成单时钟系统，降低了成本，提高了可靠性。
另外由软件产生驱动信号，可带来用振荡器难以做到的一点，即可以根据实际需要，发出不同频率的驱动信号，这点在提高系统自适应能力上是很重要的，具体可参照自适应技术要点的描述。这里需要提到一点，当超声波停止发射时，传感器并不能立时停止发射，会在将余的能量作用下继续振荡一段时间才能停止下来。这一段时间称为“余振时间”，所以停止发射信号之后还不能立即转为检测信号，必须延时一段时间才能检测信号，具体余振时间决定于所采用的超声波传感器，这一余振时间通过现场实验就可以找出，为了保证正确性，还得加上余振时间×10％的余振裕度。
由于有在余振时间，这就意味着系统存在距离上的“死区”，即在很近的距离内传感器将失去效用。这个距离大致是5~10cm之间消除这个死区需要双头移相技术。由于代价昂贵，且编程复杂，安装调试困难，所以暂时在本实用新型中不具备。2．关于抗干扰和灵敏度配合技术①对物体的检测采取动态聚焦技术，提高扫描准确性，其技术描述如下当测知有一个物体已进入某一危险区，则CPU就记录下这个区的特征码，在随后的扫描过程采取以该区为主的扫描方法。重点扫描该区物体的状态。比起那些不分主次的平等的扫描方法，可以大大提高准确度，这个技术很象照像中聚焦，所以我们称其为动态聚焦技术。软件描述如下初始状态危险区中等危险区高危区扫描频率之比为1∶2∶3即三个区域的扫描次数是不均等，越危险区扫描次数越多，这符合现实的需要。发现障碍物后重新分配扫描频率之比，障碍物出现的可能性有三种一．只有一个区有障碍物，则分配比规则有两条，障碍物所在的区的优先级最高取其次数为3，然后根据各个区的危险程度分配次数，其可能性有三种1∶2∶3 1∶3∶2 3∶1∶2二．两个区都有障碍物，则分配比为2∶2∶1，即有三种可能性2∶2∶12∶1∶21∶2∶2三．三个区都有障碍物则1∶2∶3分配扫描频率比。以上的分析对任一个独立探头来说都是适用的．②多重取样技术，我们知道，绝大多数外界的干扰脉冲是短暂的、随机的、不连续的，很少有可能出现大范围、大动态、长时间的强干扰脉冲(要真的出现这种情况，那么任何的软硬件方法都将失效)。所以，根据这种情况，我们对回馈信号采取双重或三重采样后，才确认其有效性，这样其抗干扰能力可以极大地增强了。采用这种技术之后，以前碰到敲铁皮，发动机引擎发动时所发生的那种误报警现象不再出现了。清除各个危险区的发现障碍物计数器为零→依次扫描各个区是否存在障碍物→哪个区有障碍物则哪个区的计数器加1→再次扫描各个区→如两次扫描结果得出所在区有障碍物，则确认这个区的有效性，若该区的前后结果不一致则认为是由干扰信号引起的，则不确认其有效性。③距离优先性倒车时，车后的障碍物也许并不止一个或者左边传感器和右边传感器同时检测发现两边均有障碍物，这时CPU必须作出判断，选择距离最近的点作为报警点，以免乱报警。经过多重取样之后，CPU对最终的结果进行判断，作出该以何种形式进行报警，判断须经过两个步骤一．对左路探头、右路探头的自己三个危险区内选择一个最危险的距离为作表。二．对左路探头和右路探头选择的最危险距离进行判断，以选择更近的距离为报警的抗态。④自适应技术在现实条件中，什么样的恶劣情况都有可能发生，从炎炎夏天到冷冽寒冬，从干燥寒冷的空气到湿润温暖的空气，从无风、微风到大风，如何保证报警器灵敏度的一致性，这就需要CPU具有自适应能力。在这些因素中，温度因素影响最大，所以必须进行温度修正，采取动态扫描频率而非固定不变的扫描频率，使其灵敏度与外界温度相匹配，其温度与灵敏度曲线见附图8。
我们知道对于超声波传感器，其等效电路在未接上电线_Cable时为一个由电阻R，电感L和电容C串联成的电路。所以，可以运用相量法分析一个由电阻R，电感L和电容C串联成的电路在正弦稳态下的工作情况。由基尔霍夫定律和各元件方程有f0=(1/2π)*(LC)1/2也就是说，在给定条件下，要使发射效率最高，则发射频率必须满足上述公式也只有发射频率为f0时，电抗=0即处于串联谐振点。所以中心发射频率不是任意设定的。本系统所采用的超声波传感器由厂家在出厂前就预设成在室温25℃时中心发射频率为40KHz。从温度频率曲线图可知，随着温度的变化，其阻抗｜Z｜也随之增大，灵敏度也随之减小。即中心发射频率也随之漂移。这时如果系统仍然继续以f0=40KHz不变的频率发射时，发射效率就会下降，随着温度变化加大，则效率会下降到不可接受的程度。原先可以正常探测的物体如今不能被感知，这是不可接受的。所以必须重新调整发射频率，重新寻找串联谐振点，以保证系统效率的一致性、统一性。即系统必须具有对外界变化的自适应能力。要做到系统具有自适应能力必须要有软硬件的相互配合才行。技术描述如下在一般情况下，倒车的时间只有持续几分钟，在这几分钟时间内外界的条件一般不会发生大的变化，所以只须在本系统开机复位之后，CPU经过自检后才进入搜索谐振点工作。当搜索到谐振点时，以后就按照这个频率驱动超声波传感器。不再重新搜索谐振点了，这样可大大减少软件程序的复杂性。
另外为降低成本，并不对每一路的传感器进行取样，只选择其中的一路为代表，其它各路均以该路的谐振点为基准。
从温度一频率曲线图中，我们可以得知超声波在谐振点时，｜Z｜值最低，灵敏度即驱动电压最高。根据这个原理，采用窗口式集成运放电压比较器可以得知当前超声传感器的工作效率。
利用采样变压器对超声波传感器的驱动电压进行采样，调整变压比，使在谐振点附近时反馈电压信号高于门槛电压VTH1=4.5V，使得电压比较器的输出电压U0发生变化(由于采用正反馈式的电压比较器的灵敏度很高，所以无须担心灵敏度不足)，使CPU发生中断后记录发生中断的次数，若一次发送20次的信号使得CPU中断16次以上，则可认为当前频率已经很接近谐振点，所以就以这一频率点为谐振频率点退出循环，若低于16次，则当前频率加上步长200Hz继续搜索，直到搜索到谐振点为止。当CPU从38KHz搜索到42KHZ仍未找到谐振点时，说明外界温度已经超过极限工作温度-40℃和+80℃，这时只能选择40KHz为工作点了。3．关于程序失控制时的处理技术CPU在强干扰脉冲的作用下很可能就会失控，也就是程序“飞掉”，对这种的现象解决办法有三个。
①硬件“看门狗”技术，使程序在失控的情况下经过一定的时间而由“看门狗”产生一个硬件复位操作，重新进行程序的正常运作。
②在最坏的情况下，程序在失控后，而看门狗无法提供硬件复位，这时只能采取软件的方法使其自动复位，采用的是软件“陷阱”的方法，当程序出错时，程序就“跳进陷阱”后强行进入预设的复位点“复位”，继续正常运行。
③为避免由于强干扰而引起I/O口状态的突变或初始状态如中断，计数器等的突变，程序每运行一段时间就“刷新”一次。
权利要求1．一种倒车及防撞报警器，它包括超声波传感器部分、主机单元与声/光报警器部分，超声波传感器部分包括超声波传感器、超声波传感器发射驱动电路、超声波传感器接收电路与超声波发射状态反馈电路，主机单元以单片微型机(CPU)为主，声/光报警器部分由三色LED灯、放大驱动电路、直流蜂鸣器组成，CPU是整个报警器系统的核心部分，它控制整个系统的运作，其特征在于超声波传感器发射驱动电路中由软件模拟产生方波直接驱动超声波传感器，使系统为单时钟系统，超声波的发射采用动态扫描频率，超声波发射状态反馈电路中采用了窗口式集成运放电压比较器，在一个超声波传感器中同时封装有发射头与接收头，该装置直接接驳汽车上的+12V直流电源，输入、输出即接地均采用电源滤波稳压电路。
2．根据权利要求1所述的倒车及防撞报警器，其特征在于窗口式集成运放电压比较器电路构造有反馈电压变压器E1晶体稳压管D1,D2集成运放A1电阻R1,R2,R3,R4,R5,R6反馈电压变压器E1将送往超声波传感器的驱动信号提取一电压信号后送往窗口电压比较器进行比较，其中窗口比较器的UTH1=4.5V,UTH2=1V，若反馈电压信号不是以高到+4.5V使窗口电压比较器进行翻转，则CPU就能够判断由于当前的温度变化已经使得谐振频率点漂移过多，所以CPU就必须重新搜索谐振频率点了，图中的D,D2,R4,D2是防止过流或过压损坏集成运放。
3．根据权利要求1所述的倒车及防撞报警器，其特征在于主机单元包括单片微型机(CPU)、石英晶体振子、复位电路与电源滤波电路，CPU由4MHz XT晶振，电容C1、C2，复位晶体管N1、R1、A,b发射/接收、声/光驱动报警，Vcc电源输入，Vss接地构成。
4．根据权利要求1所述的倒车及防撞报警器，其特征在于电源供给和滤波电路包括晶体稳压管4007,D1集成稳压器件7812,7808,78L05电阻R1,R2电容C1,C2,C3,C4,C5电感L1电路中电感L1过滤高频谐波，起隔交导直作用，4007稳压器使电源流向是单向的，即起到二极管作用，另可起到稳压作用，经过处理的电压最后为二路不同电压的输出+12V,+8V,+5V以满足不同元器件的不同用电要求，对+12V的驱动，再用一个二极管D1来屏蔽。
专利摘要本实用新型涉及一种倒车及防撞报警器。它包括超声波传感器部分、主机单元与声/光报警器部分,主机单元以单片微型机(CPU)为主控制系统运作。系统由软件模拟法发出不同频率的驱动信号,并采用窗口式集成运放电压比较器和动态扫描频率,使报警器适应各种不同的外界温度条件,该装置在一个超声波传感器中同时封装有发射头与接收头,体积小巧,输入、输出即接地均采用电源滤波稳压电路,有效提高了抗干扰能力。
文档编号B60Q1/22GK2343031SQ9823334
公开日1999年10月13日 申请日期1998年12月4日 优先权日1998年12月4日
发明者李安培 申请人:李安培