第二基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-預(yù)覽頁(yè)

　

【正文】 detector circuit 38KHz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, The use of digital rangefinder display the distance between objects. KEY WORDS AT89C51 Silent Wave。國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)主流市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始有進(jìn)口高檔汽車向中低檔汽車發(fā)展。 設(shè)計(jì)的意義和要求隨著汽車的迅速增加，停車難已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，狹小的停車場(chǎng)地常常令有車一族無(wú)所適從，稍不慎，則闖禍，煩事又煩人。 目前國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)以及使用發(fā)生了質(zhì)的變化。只要司機(jī)掛上倒檔，它就會(huì)響起，提醒周圍的人注意，從某種意義上來(lái)說(shuō)，它對(duì)駕駛員并沒(méi)有直接的幫助，不能算真正的倒車?yán)走_(dá)，基本屬于淘汰產(chǎn)品。蜂鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。如果是物體，在 開(kāi)始顯示；如果是人，在 左右的距離開(kāi)始顯示。這一代有一個(gè)質(zhì)的飛躍，特別是熒屏顯示開(kāi)始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測(cè)知 2m 以內(nèi)的障礙物，并以不同等級(jí)的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。第六代：專為高檔轎車配置的。單片機(jī)（AT89C51）發(fā)出短暫的40KHz 信號(hào)，反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此型號(hào)進(jìn)行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送到 LED 顯示電路顯示，本進(jìn)行聲光報(bào)警 [1]。將一定頻率、隔度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的固有頻率 40KHz，使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射部件的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過(guò)幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表 1 列出了幾種不同溫度下的聲速。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來(lái)。其振蕩頻率計(jì)算公式如下： ???? 影響精度的因素分析(1) 發(fā)射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時(shí)，可知由軟件生成的起始時(shí)間對(duì)于一般要求的精度是可靠的。 (2) 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)測(cè)量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)間的影響嚴(yán)重。實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降 1℃, 聲速將增加或者減少 /s ，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。則測(cè)距誤差 s△t 002 907s，即 。由此可見(jiàn)，測(cè)量精度與溫度有著直接的關(guān)系，本文采用 DS18B20 溫度傳感器，對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量，并在軟件中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 為了便于對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 集成溫度傳感器。為了更好的實(shí)現(xiàn)換算過(guò)程同時(shí)兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的各項(xiàng)功能。標(biāo)桿校正的示意圖如圖 24 所示。 測(cè)量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下： 當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短的時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用） 。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。電聲型主要有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3 靜電傳感器。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0 交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。（1） 頻率特性圖 26 超聲波傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度圖 26 是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 40KHz 的交流電壓來(lái)激勵(lì)。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關(guān)系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高?？紤]到實(shí)際工程測(cè)量的要求，可以選用超聲波頻率 f = 40KHz，波長(zhǎng)λ = 。超聲傳感器的指向角一般為 40 度到 80 度，本設(shè)計(jì)要求傳感器的指向角為 75 度。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。電源由 220V 經(jīng)電容降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得 12V 工作電壓。由于雙穩(wěn)態(tài)在開(kāi)機(jī)時(shí)有隨機(jī)性，故加一清零按鈕。接收到的信號(hào)經(jīng) BGBG2 放大，經(jīng) DD2 整流成直流電壓。BG 導(dǎo)通，J 吸合，可通過(guò)電磁閥將輸液開(kāi)關(guān)關(guān)閉，以達(dá)到控制的目的（高位控制） 。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流 100mA 以上的驅(qū)動(dòng)電路。40KHz 的超聲波是利用 LC 震蕩電路振蕩產(chǎn)生的，其振蕩頻率計(jì)算公式如下：脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 AT89S51 的 口發(fā)射 40 kHz 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò) 74HC04 放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。電路圖如圖 31 所示。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。U4A74ALS04 U4B74ALS04U4C74ALS04U4D74ALS04U4E74ALS04LS1TX(F)R81KR91KVCCP10圖 31 超聲波發(fā)射電路 超聲波檢測(cè)接收電路 集成電路 CX20226A集成電路 CX20226A 是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視紅外遙控器。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。 圖 32 集成電路 CX20226A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CX20226A 的引腳注釋：（1） l 腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。（3） 3 腳：該腳與 GND 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 。（6） 6 腳： 該腳與 GND 之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì)采用與發(fā)射端同型號(hào)的壓電式超聲波傳感器，否則將因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無(wú)法接收?？梢岳盟鳛槌暡z測(cè)電路。（2） 限度放大器：當(dāng)信號(hào)太強(qiáng)時(shí)為了防止放大器過(guò)載，限制高電平振幅，同時(shí)也可消除寄生調(diào)幅干擾。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。RST9(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) 28PSEN 29ALE/PROG 30EA/VPP 31(AD7) 32(AD6) 33(AD5) 34(AD4) 35(AD3) 36(AD2) 37(AD1) 38(AD0) 39VCC 40AT89C51圖 34 AT89C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)及引腳圖5l 系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB 存儲(chǔ)器；256 BRAM；32 條 I/O 線；2個(gè) 16b 定時(shí)／計(jì)數(shù)器；5 個(gè) 2 級(jí)中斷源；1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。D1POWER+C15470uf/25v+C161000uf/25vC7104f C8104fVin 1GND2Vout3U7VOLTREG1234D206123J3POWERVCCR301K電 源 電 路圖 36 電源電路220V 交流電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓電源，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路D1~D4 和濾波電容的整理和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin 和GND 兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓。 顯示電路原理超聲波測(cè)距儀顯示模塊電路如圖 38 所示。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40KHz 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。因此在測(cè)量精度要求很高的場(chǎng)合，應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，以提高測(cè)量精度，減小誤差。DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測(cè)溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，實(shí)現(xiàn) 9～12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)溫度測(cè)量選用DALLAS 公司的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無(wú)需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電電源范圍為 至 無(wú)需備用電源。 鍵盤控制電路此鍵盤與單片機(jī) P2 口四個(gè)引腳相接，用于對(duì)報(bào)警距離進(jìn)行設(shè)定。軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 41：圖 41 系統(tǒng)模塊框圖（1） 系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)引腳的電平分配和對(duì)各寄存器的初值賦值。（5） 運(yùn)算結(jié)果處理模塊：運(yùn)算結(jié)果處理模塊將多次所測(cè)得時(shí)間進(jìn)行處理，進(jìn)行軟件取大值工作，根據(jù)公式計(jì)算出距離，然后再對(duì)計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行修正處理，數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼顯示模塊。 軟件設(shè)計(jì)的要求本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是利用超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)一個(gè)車用的倒車?yán)走_(dá)。 超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，遇到障礙物后反射效率高，是測(cè)距的良好載體。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播數(shù)的約為 340m/s，所以由公式 41 知發(fā)射點(diǎn)距離障礙物之間的距離為：S=340t/2=170t在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。其部分源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 //關(guān)外部中斷 0 MOV R7, TH0 //讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH //計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A //存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, 3CH MOV 30H, A SETB EX0 //開(kāi)外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI 主程序主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描 int0 引腳，如果 int0 接收的信號(hào)有高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。開(kāi)始初始化發(fā)射超聲波啟動(dòng)定時(shí)開(kāi)中斷Testok=1計(jì)算距離開(kāi)報(bào)警距離關(guān)報(bào)警顯示距離Testok=2 Testok=0NY顯示 OFF顯示距離圖 42 主程序流程圖 超聲波發(fā)送及接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò) 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約 40kHz 的方波） ，脈沖寬度為 12μs 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)射程序比較簡(jiǎn)單，主要包括 T0 中斷服務(wù)程序和超聲波接收中斷服務(wù)程序。puzel： mov 14h, 12h //超聲波發(fā)射持續(xù) 200ms here： cpl //輸出 40kHz 方波 nop ； nop ； nop ； djnz 14h，here； ret 前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī) 端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在 端口輸出一個(gè) 40kHz 的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管 T 放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭 UCM40T，發(fā)出 40kHz 的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射 200ms。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測(cè)距不成