第二基于單片機的超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設(shè)計-免費閱讀

　　

【正文】 如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。超聲波發(fā)射程序比較簡單，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。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描 int0 引腳，如果 int0 接收的信號有高電平變?yōu)榈碗娖?，此時表明信號已經(jīng)返回，微處理器進入中斷關(guān)閉定時器。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)射點距離障礙物之間的距離為：S=340t/2=170t在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。 軟件設(shè)計的要求本系統(tǒng)的設(shè)計要求是利用超聲波測距原理設(shè)計一個車用的倒車雷達。軟件設(shè)計的總體結(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)剛上電的時候?qū)ο到y(tǒng)的各個引腳的電平分配和對各寄存器的初值賦值。本設(shè)計溫度測量選用DALLAS 公司的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電電源范圍為 至 無需備用電源。因此在測量精度要求很高的場合，應(yīng)通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正，以提高測量精度，減小誤差。 顯示電路原理超聲波測距儀顯示模塊電路如圖 38 所示。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距系統(tǒng)。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準確的計時?？梢岳盟鳛槌暡z測電路。（6） 6 腳： 該腳與 GND 之間接入一個積分電容，標準值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 圖 32 集成電路 CX20226A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CX20226A 的引腳注釋：（1） l 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。U4A74ALS04 U4B74ALS04U4C74ALS04U4D74ALS04U4E74ALS04LS1TX(F)R81KR91KVCCP10圖 31 超聲波發(fā)射電路 超聲波檢測接收電路 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。電路圖如圖 31 所示。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流 100mA 以上的驅(qū)動電路。接收到的信號經(jīng) BGBG2 放大，經(jīng) DD2 整流成直流電壓。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。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。超聲傳感器的指向角一般為 40 度到 80 度，本設(shè)計要求傳感器的指向角為 75 度。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，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。（1） 頻率特性圖 26 超聲波傳感器的升壓能級和靈敏度圖 26 是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如液位、井深、管道長度等場合。 測量盲區(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)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。為了更好的實現(xiàn)換算過程同時兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機實現(xiàn)超聲波測距的各項功能。由此可見，測量精度與溫度有著直接的關(guān)系，本文采用 DS18B20 溫度傳感器，對外界溫度進行測量，并在軟件中實現(xiàn)溫度補償。實際情況下，溫度每上升或者下降 1℃, 聲速將增加或者減少 /s ，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng)嚴重的。其振蕩頻率計算公式如下： ???? 影響精度的因素分析(1) 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。這就是超聲波測距儀的機理。發(fā)射部件的點脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。單片機（AT89C51）發(fā)出短暫的40KHz 信號，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)對此型號進行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計算結(jié)果送到 LED 顯示電路顯示，本進行聲光報警 [1]。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新仿生超聲雷達技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準確地測知 2m 以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。如果是物體，在 開始顯示；如果是人，在 左右的距離開始顯示。只要司機掛上倒檔，它就會響起，提醒周圍的人注意，從某種意義上來說，它對駕駛員并沒有直接的幫助，不能算真正的倒車雷達，基本屬于淘汰產(chǎn)品。 設(shè)計的意義和要求隨著汽車的迅速增加，停車難已經(jīng)是不爭的事實，狹小的停車場地常常令有車一族無所適從，稍不慎，則闖禍，煩事又煩人。 In addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 1~ 5 m, based on AT89C51 ultrasonic rangefinder. Receiving circuit using the SONY pany dedicated CX20226A infrared detecting chip, the chip used in the 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。工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測量邏輯電路提供一個短脈沖。因此。超聲波接收電路使用 SONY 公司的 CX20226A 紅外檢測專用芯片，該芯片常用于 38kHz 的檢波電路，文中通過對芯片內(nèi)部電路的仔細分析，設(shè)計出能夠成功對 40kHz 超聲波檢波的硬件電路，距器使用數(shù)碼管顯示目標物的距離。技術(shù)上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設(shè)備趨于小型化、人性化、智能化等方向發(fā)展。經(jīng)過這幾年的發(fā)展，倒車雷達系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過了六代技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性能價格上，這六代產(chǎn)品都各有特點，使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車雷達這三種。但沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠，對駕駛員幫助不大。不用掛倒檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。第六代產(chǎn)品在第五代的基礎(chǔ)上新增了很多功能：外觀上看，比第五代產(chǎn)品更為精致典雅；從功能上看，它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看 DVD 影像。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接受的回波功率就比較大，對于接受電路的設(shè)計就相對簡單一些。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。這就是本系統(tǒng)的測量原理。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即：（22）?sRTCM?由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。根據(jù)以上過計算可知，在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm 的誤差。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1WIRE 總線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個 I/O 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線供電） ，極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在－10 ℃～＋85℃的工作環(huán)境下可以保持177。T R 基平面（標桿）超聲波測距裝置 被測物圖 24 標桿校正的示意圖超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面（標桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離 h 根據(jù)公式(23) 求出當(dāng)?shù)芈曀?。因此，在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定的幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平 VM；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平，當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。流體動力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。圖 27 超聲發(fā)射傳感器頻率特性另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。（2） 指向特性實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩器，輻射出一個半球而波（子波） ，這些子波沒有指向性。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。Q5 輸出的觸發(fā)信號使雙向可控硅導(dǎo)通，負載接通。 3 硬件設(shè)計該系統(tǒng)設(shè)計有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、溫度補償電路、聲報警電路、鍵盤控制電路、單片機硬件接口電路及顯示報警電路組成，該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 AT89C51 單片機，下面分步介紹各硬件部分的具體設(shè)計分析。 74LS04 是一個高速CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，而相對于LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。這種 IC 性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號接收器 IC 相同或相似，故可用來代換多種型號的遙控信號接收集成電路。（4） 4 腳：接地端。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路進行放大。（3） 寬頻帶濾波器：其頻率范圍為 30Hz~60Hz，其中心頻率可調(diào)?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān) 壓電陶瓷超聲波傳感器 (TCF4018TR1)圖 35 壓電陶瓷超聲傳感器(1)　適用范圍 家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝置；超聲測距及汽車倒車防撞裝置；液面探測；超聲波近接開關(guān)及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和電容濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直接輸出電壓。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，用于顯示車尾障礙物的距離，由單片機 —接 LED 的 a~g 七個筆段，~ 接四位 8550 的公共端，通過軟件以動態(tài)掃描方式顯示。因而，使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，同時可靠性更高。其中 S1表示“確定”按鍵；S2 表示 “減一” ；S3 表示“加一 ”、S4 表示循環(huán)移位，對不同位置進行選擇。（6） 聲光報警模塊：當(dāng)所測距離小于一定值時，通過聲光報警來挺行駕駛員。測距時有安裝在同一位置的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，有定時器計時。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號的過程，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都很判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序的流程。主程序利用為中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波