超聲波倒車雷達系統的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 波衰減越大，越不易被測到。5．以上幾點簡單的說就是：角度、大小、表面材質和距離這些因素綜合起來，決定障礙物是否會被探測到。根據以上原理可知，在下列環境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況：1．鐵絲網、繩索類細小物體。2．于草地行車或崎嶇不平路面。3．棉質或表面易吸收聲波之物質。4．傳感器表面附著異物。5．同頻率(40KHZ)之超聲波雜音，如金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車喇叭正對傳感器鳴叫時。6．障礙物為銳角反射體，錐狀物體。為了滿足安全距離的要求，超聲波傳感器的最大探測范圍為10米，本系統測距的范圍是0～8米。由于汽車工作環境的惡劣和各種干擾，選擇合適的傳感器和在車體安裝適當的位置是很重要的。根據超聲波傳感器的靈敏度高，可靠性和穩定性好，耐高低溫，振動等特點，本系統選擇超聲波測距傳感器UCMT40KI、UCMR40KI (T表示發射傳感器，R表示接收傳感器)，最大探測距離為10m，發射擴散角為60度。考慮到汽車的形體、行駛的需求和程序控制的輸入輸出點數，按設計要求，本系統在汽車尾部安裝多個超聲波傳感器，根據一般要求裝4—6個較合適，本系統設計成4個測量通道，具體安裝在汽車兩側中后部各安裝一個傳感器，尾部安裝兩個傳感器，4個距離值由單片機進行處理運算。本章首先根據系統的設計要求，介紹了系統構建，然后詳細闡述了系統的方案設計，對系統的三個模塊：測距系統、控制系統和顯示報警系統分別方案設計，確定了本系統以AT89S52單片機系統為核心，以UCMT40KI、UCMR40KI為超聲波發射、接收器的汽車倒車雷達預警系統的方案設計并分析影響超聲波傳感器工作的多種因素。3 系統硬件設計本章講述倒車雷達系統的各個模塊的設計和主要元器件的介紹。包括測距系統設計(超聲波發送接收系統)、單片機控制系統設計和顯示報警系統設計。其中，測距系統由超聲波發射模塊和超聲波接收模塊構成；控制系統設計主要對AT89S52單片機系統進行設計；顯示報警系統設計差要對數據通訊、數據轉換、蜂鳴器和靜態顯示電路進行設計。以下就各模塊的電路圖、功能及設計思路作詳細說明。其硬件結構圖如圖31所示。圖31 系統硬件結構圖，發出一系列的脈沖群，信號經過放大，再經過驅動電路，驅動超聲波發射頭，使發射換能器接收高電壓。其內部的壓電晶片開始震動，經過換能器發出40kHz的脈沖超聲波。當超聲波遇到障礙物發生反射，反射波(回波)返回到超聲波傳感器上。反射回的正弦波信號經過放大、濾波、整形后輸入單片機的INT0端，產生中斷。計數器停止計數，測出從超聲波發射脈沖群時刻到接收回波信號時刻差，超聲波在同溫同介質中的傳播速度由測溫系統得知，將時刻差與聲速相乘，得出距離，并顯示。測距系統模塊由超聲波發射與回波接收電路組成，其主要作用是提高驅動超聲波傳感器的脈沖電壓輻值，有效地進行電\聲轉換，增大超聲波的發射距離。并通過收發一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉變成微弱的電信號，供單片機進行處理。超聲波的傳播速度一般來說只跟介質有關，相同的介質在不同的條件下傳播速度會有一些不同，比如溫度不同它的傳播速度也不相同，由于本設計中距離障礙物的距離很近，所以必須考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響。發射電路的實現目的是為超聲波發射器提供它所需要的脈沖電信號。要求蕩電路振蕩頻率可調，同時具有一定的驅動能力可以驅動超聲波傳感器發出超聲波。振蕩電路的目的是為超聲波傳感器提供40KHz脈沖。用555定時器組成的多諧振蕩器如圖所示。接通電源后，電容C被充電，當V上升到2V3時，使V為低電平，同時放電三極管T導通。此時電容C通過R和T放電，V下降。當V下降到V3時，V翻轉為高電平。電容器C放電所需的時間為t= RCln2= RC當放點結束時，T截止，V將通過R、R向電容器C充電，V由V3上升到2V3所需的時間為t=（R+ R）Cln2=（R+ R）C當V上升到2V3時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為f= 圖32 震蕩電路，此振蕩電路啟振，調節到R、R、C可得到40kHz左右的振蕩頻率。聲波在空氣中的傳播速度受空氣介質影響，距離越遠，衰減越大。為能夠接收遠距離的回波，所以要增加驅動電路來增大功率。驅動電路的實現目的是為超聲波發射器提供足夠功率的脈沖信號。驅動電路要求產生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲波電脈沖去激勵超聲波發射器，由超聲波發射器將電能轉換為機械能。本文采用COMS芯片CD4049組成超聲波驅動電路圖，芯片CD4049的引腳圖如圖所示：116引出端是空腳 ，與內部電路無連接。V接地，V接9V電壓。圖33 CD4049引腳圖為了增加驅動能力，把3個非門并列起來。要求6個非門都來自同一個芯片上，以保證信號的上升沿和下降沿的同步。在非門輸出的兩端直接接上一個電容是為了防止直流直接加載在超聲波發射器上而導致其損壞。其電路圖如圖34所示：測距系統所用的超聲波探頭UCMT40KI在頻率40KHz，幅值9V(可調)的電壓驅動下，各種性能達到最佳，所以通過單片機AT89S52的P1．0管腳輸出脈沖信號給振蕩電路。由振蕩電路發出40KHz的脈沖信號給驅動電路。由于單片機AT89S52的P1口的輸出電壓只有5V，其驅動能力達不到要求，所以用一個CMOS芯片CD4069來驅動超聲波傳感器的發射探頭發射超聲波。它的工作原理是：幾個非門并接，即可提供較大的驅動功率，而且到達發射器兩端的信號是反向的，使得超聲波的發射器得到足夠的能量。圖34 CD4069芯片組成超聲波驅動電路因為超聲波測距只用于近距離，當距離較遠時，衰減較為嚴重，反射回來的信號相對也比較微弱。因此接收端應先設置一個放大電路，然后通過檢波電路對其輸出信號進行解調，最后把檢波輸出的信號送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入單片機的INT0中斷口，產生中斷，停止計時，在進行數據處理運算。其過程如圖所示：(1)放大電路的設計放大電路的目的：把超聲波探頭接收到的微弱信號進行放大。為了提高抗干擾性，濾波電路要針對40 kHz信號進行高帶通濾波，并對該頻率信號進行放大增益。如圖：圖36 運放構成接收電路圖電路由集成運放AA2構成二級放大電路，R、C為無源濾波網絡，二極管、R9為檢波網絡。在回波信號的放大過程中，由于干擾信號的存在，為避免將干擾信號放大而產生回波誤識別，必須將干擾信號去除，即回波信號放大過程中必須設計帶通濾波器，只對有效頻帶內的超聲波信號進行選擇放大。濾波器的功能是讓一定頻率范圍內的信號通過，而把此頻率范圍以外的信號加以抑制或使其急劇衰減。當干擾信號與有用信號不在同一頻率范圍之內時，可使用濾波器有效的抑制干擾。由于超聲波回波信號具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點，因此，本系統采用RC無源濾波方式，用于微弱回波信號的放大。集成運放主要是把所得到的有用信號進行一定倍數的放大。由二極管和電容組成的檢波網絡的主要功能是通過二階帶通濾波網絡，檢測到系統所需要的40KHZ頻率信號。(2)比較電路的設計比較電路的目的：將放大電路放大、濾波得到的40KHZ頻率信號整形成能為單片機的INT0口辨識的脈沖信號，也就是將正弦波整形成方波。采用集成電壓比較器LM393來實現這一功能，LM393的內部結構如圖：圖37 LM393的內部結構如圖在本文中只用一組比較器，另一組比較器的三個管腳必須接地，V接9V電壓，GND接地。由LM393構成的比較電路如圖所示：圖38 LM393構成比較電路如圖所示，放大后的信號由LM393第2腳進入，由于R2電阻可調，即根據輸入的信號可以調節滯回電壓。可以有效地防止干擾。LM393是+9V(可調)供電，需要在輸出端口接上一個上拉電阻10K，該電阻由+5V供電，將+9V高電平拉低到+5V高電平，供單片機INT0端口識別。超聲波的傳播速度一般來說只跟介質有關，相同的介質在不同的條件下傳播速度會有一些不同，比如溫度不同它的傳播速度也不相同，由于本設計中距離障礙物的距離很近，所以必須考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響。 超聲波是一種能量傳播。一般來說，傳播的距離大或是速度慢，能量消耗就大，倘若聲波的能量全部消耗在傳播途中或是聲波改變方向，那么超聲波探頭就接受不到信號了。而聲波傳播的速度與彈性介質的種類和狀況關系極大，通常說的聲速每秒340米，其傳播介質是15℃的標準空氣。事實上，我們身邊的空氣是不可能“標準”的，它的狀況與各種氣象要素的組合（也就是天氣的狀況）密不可分。 研究表明，聲音的傳播速度與溫度是成正比的，溫度越高,空氣中分子密度越小,而空氣作為聲音傳播介質,那么聲音傳播速度會有所增強。反之溫度越低,空氣中分子密度越大,而空氣作為聲音傳播介質,那么聲音傳播速度會有所減小。聲波與速度的關系，如表31所示。表31 聲波與速度的關系溫度℃速度ms溫度℃速度ms溫度℃速度ms01734352118352193433632037433421385223935562340724346418254293372643102744358112845122934946133047143403148153249361163350通過超聲波的聲速與溫度的理論分析，設計溫度測量電路。（1）DSl8B20簡介DSl8B20是DALLAS公司生產的單線數字溫度傳感器，他具有獨特的單線總線接口方式。它體積小、功耗低、抗干擾能力強、易與微處理器連結。它無需任何外圍硬件即可方便地進行溫度測量，與單片機交換信息僅需要一根IO線。DS18B20的供電方式有兩種：寄生供電和外部電源。寄生供電就是從DQ數據獲取電源，采用這種方式供電時，需要V接地，這種供電方式可能使得DQ線沒有足夠的驅動能力，因此本文使用的是第二種供電方式，即將V直接接外部電源（3～）。DSl8B20的管腳圖如下圖所示：DQ為數據輸入輸出端，GND接地，V接高電平，同時接10k的上拉電阻以增加該IO的驅動能力。圖310 測溫電路電路圖控制系統是整個系統的核心，一切命令的發出、接受、處理、數據運算都是在這部分中完成的。 AT89S52單片機最小系統設計AT89S52單片機最小系統由AT89S52單片機及其外圍電路組成，是整個超聲波測距儀的核心電路。一般包括晶振電路和復位電路。晶振電路：每個單片機系統里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機系統里晶振的作