第二基于單片機的超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設(shè)計-wenkub

　

【正文】 he distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range。就目前形勢來看，汽車市場的快速發(fā)展將帶動倒車雷達市場的繁榮。超聲波倒車雷達系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭） 、控制器和顯示器等部分組成，現(xiàn)在市場上的倒車雷達大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。倒車雷達的發(fā)明是迫在眉睫的，是必不可少的設(shè)備。 “倒車請注意”！想必不少人還記得這種聲音，這就是倒車雷達的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有少部分商用車還在使用。倒車時，如果車后 ～ 處有障礙物，蜂鳴器就會開始工作。這代產(chǎn)品比第二代進步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。第四代：液晶屏動態(tài)顯示。第五代：魔幻鏡倒車雷達。而且顏色款式多樣，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配。因此初步計劃實在室內(nèi)小范圍的測試，限定在 米左右。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固定參數(shù)決定，頻帶較寬。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強度。 超聲波測距 超聲波測距原理超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t,然后求出距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。這樣可以求出距離： ??21TCS?? 555 時基電路振蕩產(chǎn)生 40Hz 的超聲波信號。經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結(jié)果。此外，當(dāng)要求測距誤差小于 1mm 時，假定超聲波速度C=344m/s(20℃室溫) ，忽略聲速的傳播誤差。 超聲波的傳播速度主要受空氣密度所的影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的溫度值。 通過 DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號經(jīng)由 1WIRE 總線傳至 MCU，由軟件進行聲速換算。(2) 標桿校正的方法提高測距精度 在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時，如果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。因此，只用為測距設(shè)備設(shè)定“標定”和“測量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這時需要注意的。 超聲波傳感器 超聲波傳感器原理及結(jié)構(gòu)超聲波由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點，而經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。反之，如果兩級間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。壓電晶片電極圖 25 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器的特性共振板超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的傳感器 SZWS4012M 發(fā)射型超聲波傳感器的特性為例加以說明。其頻率特性如圖 27 所示。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0 度時電壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。這個方法是利用超聲波的 反射。過去，許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。采用小型超聲波傳感器（Φ12 Φ16),工作頻率在 40KHZ,遙控距離約 10 ，這是由555 時基電路組成的振蕩器,調(diào)整 10KΩ 電位器，使振蕩頻率為 40KHZ，傳感器接在③腳接下按鈕時，發(fā)送出超聲波，接收電路。放大后的信號去觸發(fā)由4 組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，Q5 及 LED 作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。液位指示及控制器由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從液面反射回來的信號大小與液位有關(guān)，液面位置越高，信號越大；液面越低則信號就小。BG 不導(dǎo)通，若液位升到規(guī)定位置，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平。前者利用軟件產(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。本設(shè)計采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信號分成兩路，分別由 74LS04 經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力，上拉電阻 RR9 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標志。CX20226A(國內(nèi)同類產(chǎn)品型號為 D20226A)是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。其主要功能是從 38KHz 紅外載波信號中，將編碼信號解調(diào)出來，并加以放大和整形，然后再送到微處理器(CPU)進行處理，以實現(xiàn)遙控操作功能，其具體引腳圖如圖 32 所示。但 C 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為 R=，C= μF。例如，取 R=200kΩ 時，fn≈42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率 f0≈38KHz。 超聲波接收電路超聲波接收電路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。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。通過反饋將放大器設(shè)定于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進行自動控制。（5） 積分濾波器與整形電路：檢測器輸出的信號經(jīng)積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。該系列單片機引腳與封裝如圖 34 所示。5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。其中，變壓器將交流電源（220V/50Hz）變換位符 合整流電路所需要的交流電壓；整流電路是具有但方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷瑢⒔涣麟妷赫鞒蓡畏较蛎}動的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路是一種自動調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動或負載變化時，通過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。它由電源變壓器，橋式整流電路 D1~D4，濾波電容 CC8，防止自激電容 C1C16和一只固定式三端穩(wěn)壓器（7805）組成。單片機 AT89C51 采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減少測量誤差。12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31(AD7)32(AD6)33(AD5)34(AD4)35(AD3)36(AD2)37(AD1)38(AD0)39VCC40AT89C51U5LS2 Speaker+C19 /25vC1104fP10P11VCCS5RSTC25 20PFC20 20PFXT1 12MOS1OS2VCCa bfcgdeDPY1234567a b c d e f g8dpdpDS1 DPY_7SEG_DPa bfcgdeDPY1234567a b c d e f g8dpdpDS2 DPY_7SEG_DPa bfcgdeDPY1234567a b c d e f g8dpdpDS3 DPY_7SEG_DPa bfcgdeDPY1234567a b c d e f g8dpdpDS4 DPY_7SEG_DPQ18550P11123456789RL1CON91G11A121A231A341A451A162A272A382A49GND101Y1111Y2121Y3131Y4142Y1152Y2162Y3172Y4182G19VCC2074LS244U6 74LS244VCCOS1OS2R3210KR31 1KVCCVCC R171KR181KR191KR201KR251KR261KR291KR281Kd1d2d3d4d5d6d7d8d1d2d3d4d5 d6d7d8P20P21P22P23 123DS18B20VCCR1RXDRXDR102KR112KR122KR132KQ28550Q38550Q48550Q58550 VCC聲報警電路單片機及顯示系統(tǒng)電路202201010133溫度測量電路P32圖 37 單片機及顯示系統(tǒng)電路圖 溫度測量電路 由于超聲波的傳播速度 V 受到空氣中的溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中溫度的影響最為突出，溫度每升高 1℃，速度增加約 。為此，利用一線性數(shù)字溫度計即集成溫度傳感器 DS18B20 和單片機，構(gòu)成一個高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。2℃的測量精度。其電路連接如圖 37 溫度測量電路所示。4 軟件設(shè)計超聲波倒車雷達系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、INT0超聲波接收中斷程序及顯示子程序四個主要模塊組成。（4） 發(fā)射接收控制模塊：發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲脈沖啟動定時器工作，同時啟動接收電路工作，當(dāng)接收電路有信號輸入時，對輸入信號進行處理。 系統(tǒng)各功能模塊系統(tǒng)初始化程序按鍵掃描模塊數(shù)碼管顯示模塊運算結(jié)果處理模塊發(fā)射接收控制模塊聲光報警模塊主程序除了完成定時器 T0、中斷源 TNT0 初始化外，主要實現(xiàn)超聲波的巡回發(fā)射（調(diào)用超聲波發(fā)射程序）和距離的動態(tài)掃描顯示；INT0 中斷服務(wù)程序計算車尾距離障礙物的距離數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)一方面交由主程序顯示，另一方面與設(shè)定值（比如 1m）進行比較，如小于 1m，接蜂鳴器報警，否則關(guān)閉報警；如果車尾距離障礙物的距離較遠，超聲波往返時間就會超過了定時器 T 一次性最長的定時時間，則 T0 發(fā)生溢出而中斷，這時進行距離計算，并顯示 “OFF”，以示車后無障礙物，可放心倒車。距離的計算公式為： （42tcsd??1）其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程， c 為聲速，t 為聲波來回所用的時間。這樣，定時器就記錄下了超聲波自發(fā)射點至障礙物之間往返傳播經(jīng)歷的時間 t 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＲ獧z測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后 毫秒才可以檢測，這樣就可以抑制輸出的干擾。下圖 42 為主程序流程框圖。如果當(dāng)計時器溢