超聲波測距應(yīng)用

1、 摘要 分析了汽車倒車防撞系統(tǒng)的基本設(shè)計原理以及目前國內(nèi)外此類防撞系統(tǒng)存在的問題，較詳細的介紹超聲波測距系統(tǒng)以及根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計原理、方法和步驟，研制的汽車倒車防撞報警器。這種報警器在汽車倒車過程中達到極限位置的時候，能自動檢測車尾障礙物的距離并發(fā)出聲光警報，提醒司機剎車。本設(shè)計利用超聲波傳感器進行信號的發(fā)射和接收，包括發(fā)射、接受以及報警電路三個部分。超聲傳感器的主要元件是采用壓電元件鋯鈦化鉛，具有很強的方向性，報警電路部分是利用聲光報警器，將信號傳遞之后，可實現(xiàn)聲音報警，本設(shè)計利用國內(nèi)生產(chǎn)假的通用元件，成本低，性能可靠。有利于推廣。 關(guān)鍵字：超聲波，防撞，汽車倒車，報警器，傳感器。 目錄第1章

2、緒論.3 1.1超聲波檢測技術(shù)發(fā)展綜術(shù).3 1.2 研究的目的及意義.3第2章 超聲波測距.4 2.1 超聲波傳感器的介紹.4 2.2 超聲波測距的原理及實現(xiàn).5第3章單片機的測距系統(tǒng) .6 3.1 單片機的選擇.6 3.2 超聲波發(fā)射與接受電路設(shè)計.7 3.3 顯示與報警單元方案設(shè)計.17系統(tǒng)報警電路 .18 3.4 單片機復(fù)位電路.19 3.5穩(wěn)壓電源.20第4章 系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計.21 4.1單片機AT89C51介紹.21 4.2 運算放大器.24 4.3探頭UCM介紹.25 4.4系統(tǒng)軟件設(shè)計.25 4.5主程序.27第5章 系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化.305.1 發(fā)射器探頭對接收器探頭的影響

3、.305.2 補償溫度.30.5.3 相關(guān)優(yōu)化.31第6章 參考文獻.32 第1 章 緒論1.1 超聲波檢測技術(shù)發(fā)展綜述 眾所周知，關(guān)于超聲波的研究起始于1876年，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波，這些年來，隨著超聲波技術(shù)的不斷深入，再加上其具有高精度，無損，非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及，多年來已在一些領(lǐng)域的要應(yīng)用，而用于汽車防裝卻是近年的事情。這主要原因是傳統(tǒng)的超聲波傳感器不能達到汽車行業(yè)的特殊要求。 利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視的生物作為防御以及捕捉獵物的生存手段，也就是有生物體發(fā)出而不被人們所聽到的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播由被呆捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔

4、長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙物位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小得多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定位發(fā)射，方向性好，輕度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。汽車倒車防撞測距報警器,是我國八·五期間需重點開發(fā)的重大科研項目之一,也是汽車六大類汽車電子產(chǎn)品中的一種。以往的汽車倒車報警器可分為四大類,即嘀嘀聲加閃光,音樂聲加閃光,語言聲加閃光和倒車至危險距離(如015m)時發(fā)出報警聲的超聲波倒車報警器。本研究綜合了第3、4類報警器各功能,并將第4類報警器加以改進、發(fā)展

5、,使其不僅可發(fā)出警告行人的語言聲,而且還能在整個倒車過程中自動測量車尾與最近障礙物之間的距離,并用數(shù)字顯示出來,在倒車至極限安全距離(如016m)時,會發(fā)出急促的警告聲,提醒駕駛員注意剎車。另外當(dāng)蓄電池電壓過低時,還會發(fā)出聲光警告,提醒駕駛員及時充電,以保證儀器及汽車正常工作。 1.2 研究的目的及意義 本產(chǎn)品一旦問世,可望成為駕駛員,特別是貨及公共汽車駕駛員的好幫手,可有效地減少或避免些后視野不良的大型汽車的如冷藏車、集裝廂車、圾車、食品車、載貨汽車、公共汽車等倒車交通事另外還特別適于夜間輔助倒車、倒車入庫及進入停場停車到位,甚至還能防止盜賊扒車。由于本儀器能多,成本低廉,性能優(yōu)良,目前處于

6、國內(nèi)領(lǐng)先水又是國家八·五重點開發(fā)項目,市場極其廣闊,對高我國汽車電子工業(yè)水平,具有較大的實際意義。 第2章 超聲波測距2.1 超聲波傳感器的介紹 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變同頻率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。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。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。 壓電傳感

7、器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、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)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。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。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。

8、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)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。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。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。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

9、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。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板，當(dāng)它的兩極外加信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為波傳感器。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率f0。發(fā)射超聲波時，在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片

10、的幾何尺寸，就常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器超聲波傳感器的內(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壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護作用的，但不影響與接收超聲波。2.2 超聲波測距原理及實現(xiàn) 超聲波的指向性強,能量消耗緩慢,遇到障礙物后反射效率高,是測距的良好載體。測距時由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,由定時器計時。首先由發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波并同時啟動定時器計時,超聲波

11、在介質(zhì)傳播途中一旦遇到障礙物后就被反射回來,當(dāng)接收器收到反射波后立即停止計時。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(s)。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s,所以發(fā)射點距障礙物之間的距離為: S=340 t/2=170 t (1)由于單片機內(nèi)部定時器的計時實際上是對機器周期T機的計數(shù),設(shè)計中時鐘頻率fosc取12MHz,設(shè)計數(shù)值N,則 T機=12/fosc=1s,t=N T機=N×10-6(s) S=170×N×T機=170×N/106(m) 或S=17×N/103(cm) (2) 程序中按式(2

12、)計算距離。可以看出主要部分有：(1)供應(yīng)電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；(2)使接收和發(fā)射隔離的開關(guān)部分；(3)轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；(4)接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號的接收傳感器；(5)接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備；(6)記錄/控制設(shè)備，通常控制發(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時間，存儲所要求的數(shù)據(jù)，并將時間間隔轉(zhuǎn)換成距離。 在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米，

13、是一種適合室內(nèi)測量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。距離測量系統(tǒng)常用的頻率范圍為25KHz300KHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時共用一個，或者兩個是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責(zé)向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強大的發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。 第3章 單片機的測距

14、系統(tǒng) .3.1 單片機的選擇 單片機種類很多,根據(jù)本系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能,及夠用、好用的原則,本文選擇功耗低、性能高的A T89C51單片機。該單片機內(nèi)含4 kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。其具有40個引腳,32個外部雙向輸入輸出(I O)端口,同時內(nèi)含2個外中斷口,2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口。在編程方面,A T89C51既可以按照常規(guī)方法進行編程,也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起,特別是可反復(fù)擦寫的F la sh存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 汽車倒車防撞報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.2 超聲波發(fā)射與接受

15、電路設(shè)計 超聲波發(fā)射與接收電路是整個系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設(shè)計方案關(guān)系整個系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。本文通過多種方案比較，以達到最佳方案確定。 設(shè)計方案一： 圖3.1接收控制及接口電路初始，比較器A1同相端已經(jīng)通過調(diào)整Rr，使其電壓略高于2.5V。因此A1應(yīng)輸出高電平，但由于D1相位作用，A1輸出低電平，即RS觸發(fā)器的=0，Q=1，=1,，=0。當(dāng)P1.0發(fā)出啟動信號，在A點形成正脈沖，經(jīng)N1反相，=0，D1相位釋放，=1，Q=0，=1（正跳），T0計數(shù)器開始計數(shù)。脈沖過后，=1，=1，Q=0，=1。回波信號經(jīng)放大濾波，送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V電壓上的交變40kHz

16、的信號。它的前沿使A1輸出低電平。=0，=1，Q=1，=0（負跳），即獲得負跳沿信號，CPU響應(yīng)中斷，T0計數(shù)停，計數(shù)值N1送存RAM。 由于發(fā)射探頭和接收探頭都是平行放置且距離較近，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時，接收探頭會引起強烈的感應(yīng)信號，因此必須將其隱去。當(dāng)P1.0輸出啟動信號，主控同步脈沖加至比較器A2時，A2輸出一個遠大于2.5V的電壓，經(jīng)過D2降壓后約為7.5V左右，加至A1同相端，又C2的延遲作用，A1同相端產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，它的幅度和寬度均大于發(fā)射串?dāng)_信號，A1輸出端即RS觸發(fā)器的端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號將被隱去。這段時間稱為盲區(qū)，約2ms。設(shè)計方案二: 40KHz的超聲波發(fā)

17、送脈沖信號由單片機的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖群，每一個脈沖群的持續(xù)時間大約為0.5ms左右。信號經(jīng)過三極管放大，再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器（變壓器輸入輸出比為1：10）后，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開始震動，經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出40kHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物時就會產(chǎn)生反射波，發(fā)射波返回到超聲波傳感器上，盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是由回波引起的接受壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有幾毫伏，遠距離還不到幾毫伏，由于在較遠距離的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值也很小，為此要求將信號放大6000倍左右。信號經(jīng)過放大整形電路產(chǎn)生一

18、個負脈沖信號，使單片機產(chǎn)生中斷。 在接收端第一級，要求其放大倍數(shù)為了C945這62倍左右，所以選擇只三極管，達到了放大倍數(shù)。第二三級選用了一枚集成放大器NE5532，它集成了兩個放大器，可達到預(yù)定放大倍數(shù)。設(shè)計方案三:1、發(fā)射電路 的高頻電壓信號，經(jīng)過整形及功放電路加至超聲波換能器探頭，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生振動頻率為20KHz的超聲波。2、 接收電路接收電路主要由回波放大接收電路及比較電路組成。如圖3.3所示，首先調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使比較器A1同相端電位高于2.5V。由于D1輸出低電平，而反相器N輸出高電平，所以有RS觸發(fā)器的=0，=1，Q=1，=0當(dāng)P1.0發(fā)出啟動信號（如圖3.2中的（1）所示）

19、經(jīng)過微分電路形成的同步脈沖信號通過反相器N的反相功能，=0，D1箝位釋放=1，Q=0，=1（正跳變），T0計數(shù)器開始記數(shù)，脈沖經(jīng)過之后=1，Q=0，=1?；夭ㄐ盘柦?jīng)過放大濾波送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V上的頻率為20KHz的高頻電壓信號。如圖3.2中的（3）所示，其前上升沿使A1輸出低電平，=0，=1，Q=1，=0（負跳變）即獲得負跳沿信號，CPU響應(yīng)中斷請求，使T0計數(shù)器停止計數(shù)，記數(shù)值N送存RAM。3、盲區(qū)干擾信號的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時接收換能器接收到的第一個波是串?dāng)_直通波，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(fā)射換

20、能器直接到達接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會引起強烈的感應(yīng)信號。所以必須將其隱去,當(dāng)P1.0輸出啟動信息,同步脈沖加至比較器A2時，A2輸出一遠大于2.5V的電壓，經(jīng)D2降壓后大約等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延遲作用，A1同相端將產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，如圖3.2中的（4）所示。它的寬度和幅度都大于發(fā)射串?dāng)_信號，A1輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號將被隱去，這段時間稱為盲區(qū)，約2毫秒。 圖3.2測距脈沖圖 圖3.3超聲波回波接收電路設(shè)計方案四:1、發(fā)射電路 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電

21、容構(gòu)成振蕩電路，由單片機P1.1口控制其是否工作。其電路圖如圖3.4所示。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。2、接收電路接收電路的主要任務(wù)是檢測回波，并向單片機發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設(shè)計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級電路放大；整形電路把回波信號整理為單片機系統(tǒng)能夠接收的信號并向單片機申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號十分微弱并含有噪聲，S/N較

22、小，所以接收電路設(shè)置了兩級高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級和二級濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。其電路如圖3.5所示。圖3.5中，R11、R12、C13、C14、R15和運算放大器Amp1A組成了一級濾波放大電路；R21、R22、C23、C24、R25和運算放大器Amp1B組成了二級濾波放大電路。 圖3.4發(fā)射部分電路 圖3.5一次和二次濾波放大電路發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的各種問題：發(fā)射波形如圖3.6，傳感器的振蕩波形要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，理論上信號的幅度時指數(shù)上升的，Q各周期后達到滿幅度的95%，1.5Q個周期后達到99%。為提高傳感器的靈敏度，Q值一

23、般不能太低，為使傳感器充分振蕩起來，發(fā)射脈寬要求不能小于Q個振蕩周期，才能使發(fā)射幅度基本達到最大?？紤]到測量“盲區(qū)”，這里選擇脈寬為120s，包含5個調(diào)制的44KHz的方波信號。 圖3.6發(fā)射波形 由文獻3知，測距儀的發(fā)射波形如圖3.6，在規(guī)定時刻將一持續(xù)時間為的正弦波加到傳感器上，然后關(guān)閉發(fā)射電路，打開接收通道，接收來自障礙物的反射波。 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失，接收預(yù)放大單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利檢測單元的正確檢測。 如何達

24、到信號的最佳接收關(guān)系整個系統(tǒng)的準確性和安全性，所以也應(yīng)考慮到影響接收信號的各方面問題。在傳感器接收到的信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。室內(nèi)環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，遠離回波信號頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機的內(nèi)部噪聲決定，其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識，輸入為已知信號加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配濾波器具有以下特點：(1)輸出最大信噪比與信號波形無關(guān)(2)匹配濾波器對信號的幅度和時延具有適應(yīng)性，即對只有幅度和出現(xiàn)時間不同的信號，它們的匹配濾波器是相同的。(3)匹配濾波器與相關(guān)接收和相

25、關(guān)器具有等效性。實際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個射頻脈沖的頻譜是連續(xù)的，用普通的窄帶濾波器就能把其主峰部分(w附近)濾波出來，適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器的通帶寬度就能取得與匹配濾波器相差不多的效果。 圖3.7信號放大器原理圖 接收放大器的作用是放大有用信號，并抑止其它噪聲與干擾，從而達到最大的信噪比，以利于檢測電路的正確檢測。放大器組成框圖如圖3.7，采用三級放大電路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使輸入信號功率最大。帶通放大器選擇最佳時間帶寬積，以達到匹配濾波的效果。模擬開關(guān)起收發(fā)隔離的作用。在測量近距離時，模擬開關(guān)閉合，發(fā)射信號可以進入接收通道；測量遠距離時，模擬開關(guān)斷開，發(fā)射信號不可以進入

26、接收通道。程控放大器分為2檔，分別放大10倍和100倍，由控制端A1，A0控制。綜合以上四種方案比較，最后確定超聲波發(fā)射接收電路如圖3.8所示。該電路簡單實用，通過兩極放大，增強接收信號，比較適合本設(shè)計需要。測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器，他的工作電壓是40kHZ的脈沖信號，前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口，單片機執(zhí)行程序后，在P1.0端口輸出一個40kHZ的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHZ的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200 圖3.8基于AT89C51單片機的超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射接收電路 由AT89C51單片機編程，執(zhí)行程序后P1.0口產(chǎn)生

27、40KHZ的脈沖信號，經(jīng)三極管放大后來驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭UCM40T，產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運算放大器兩級放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)解R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mv，輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。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。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT

28、O或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。發(fā)射電路電路圖如圖3.9所示： 圖3.9系統(tǒng)發(fā)射電路此電路由一個9V的電源,R1=3.6K歐,R2=360歐,三極管T一個,激勵換能器T40-16一個。 其流程圖如圖3.10所示： 圖3.10流程圖發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機AT89C51,通過P1.0這個I/O口,發(fā)送一系列的脈沖經(jīng)過三極管T進行放大,從而使T40-16這個激勵換能器發(fā)射出超聲波。接收電路如3.11所示： 圖3.11接收電路圖其原理框圖如下： 圖3.12原理框圖此系統(tǒng)為了全方位測距，故有左、右、中三個測距電路，其電路都相同。

29、3.3 顯示與報警單元方案設(shè)計顯示報警單元是經(jīng)過超聲波發(fā)射接收電路及單片機AT89C51處理后把信號轉(zhuǎn)化為人為可以知覺的數(shù)字顯示和報警響應(yīng)，以進一步避免事故發(fā)生。顯示報警電路由顯示和報警兩部分電路組成，主要實現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下的顯示報警功能，以此提醒駕駛員。顯示器是一個典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實際要求以及考慮單片機的接口資源，采用串行方式顯示的LED驅(qū)動輸出設(shè)備。由于

30、全程顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，用3個LED數(shù)碼管表示距離的cm數(shù)值。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動和動態(tài)顯示驅(qū)動。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動，就是給要點亮的LED通以恒定的電流即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口。單片機只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機中CPU開銷小，但這種驅(qū)動方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動態(tài)顯示驅(qū)動就是給欲點亮的LED通以脈沖電流，即采用分時的方法，輪流控制

31、各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮，這時LED的亮度就是通斷的平均亮度。考慮各種因素，本設(shè)計選用動態(tài)驅(qū)動顯示。本設(shè)計選用8155芯片作為單片機應(yīng)用系統(tǒng)擴展的I/O口。8155的P口作為LED的字形輸出口，為提高顯示亮度，采用8路反相驅(qū)動器74LS244驅(qū)動PC口作為LED的位選控制口，采用共陽極的LED顯示器，由于8段全亮?xí)r位控線的驅(qū)動電流較大，采用6路反相驅(qū)動器74LS06以提高驅(qū)動能力。 圖3.13系統(tǒng)顯示電路3.3.2系統(tǒng)報警電路設(shè)計系統(tǒng)報警電路由一個運算放大器、一個發(fā)光二極管和一個喇叭組成。R25的阻值為1K，R26的阻值為10K。對于二級運算放大,都采用F007芯片.兩級放大

32、電路均是負反饋接法,即反相比例運算電路.而反相比例運算電路中,輸入信號從反相輸入端輸入,同相輸入端接地.根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點，即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所謂“虛短”是由于理想集成運放Au0。所以可以認為兩個輸入端之間的差模電壓近似為零，即Uid=u_=u+0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于兩個輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱為“虛短”。而“虛斷”是由于理想集成運放的輸入電阻Rid，故可以認為輸入端不取電流，即i_=i+0.這樣，輸入端相當(dāng)于斷路，而又不是斷開，稱為“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況稱為“虛地”。所以iI

33、=,iF=，因為i_=0,iI=if,則可得u0=-.uI故可將信號進行放大。 圖3.14系統(tǒng)報警電路當(dāng)單片機AT89C51通過P1.0，P1.1，P1.2三個I/O口，發(fā)射出超聲波的信號，即輸出一個高電平給這三個I/O口，大約5V的電壓，同時單片機計數(shù)器T0開始計時。則信號經(jīng)過三極管T1，T2，T3進行放大。使電流達到T40-16的工作電流，從而發(fā)射出超聲波。當(dāng)T40-16發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時會被反射回來，這時接收器R40-16便會將反射回來的超聲波接收，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過運算放大器的兩極放大，將信號送給LM567的輸入端，當(dāng)LM567的輸入端電流大于25mA時，其8號輸出引腳會產(chǎn)

34、生一個信號，使得單片機AT89C51產(chǎn)生一個中斷。這樣，計數(shù)器便停止計數(shù)。單片機把計得的時間差進行運算，根據(jù)S=170*t這個公式來計算車與障礙物的距離，并把運算結(jié)果以十進制的方式送到七段LED顯示電路去顯示。如果距離小于0.5m，則單片機AT89C51便給P1.5口一個信號，使得報警電路工作，實現(xiàn)報警。3.4 單片機復(fù)位電路 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準確、可靠地工作。 單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24

35、個時鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使RST保持高電平。只要RST保持高電平，則單片機就循環(huán)復(fù)位。 單片機復(fù)位電路通常采用以下幾種方式： a、上電自動復(fù)位在通電瞬間，由于R2C電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復(fù)位。 圖3.15上電復(fù)位電路 b、按鍵電平復(fù)位 通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的。 c、系統(tǒng)復(fù)位在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這特別適合于應(yīng)用現(xiàn)場干擾大、電壓波動大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系統(tǒng)有多個復(fù)位端時，能保證可靠地同

36、步復(fù)位考慮本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，干擾小，故采用上電自動復(fù)位。3.5 穩(wěn)壓電源大部分的電子電路與電子設(shè)備都需要有一個穩(wěn)定的直流電源提供能量，而且對于我們通常所接觸的控制器而言，一般都是利用電網(wǎng)提供的交流電源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后，濾去其不穩(wěn)定的脈動、干擾成分，提供一個穩(wěn)定的直流電壓，來使電子電路與電子設(shè)備保持正常的工作。并且，我們目前絕大部分電子電路與電子設(shè)備都是使用線性電源，即通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的直流電壓給電子電路及芯片工作的。固定式三端穩(wěn)壓電源(7805)是由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GND組成,它的穩(wěn)壓值為+5V,它屬于CW78xx系列的穩(wěn)壓器,輸入端接電容可以進一步的濾

37、波,輸出端也要接電容可以改善負載的瞬間影響,此電路的穩(wěn)定性也比較好。由于固定式三端穩(wěn)壓電源（7805）的輸出電流有1.5A，而本次設(shè)計電路電流在1A到2A之間，考慮到電路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次設(shè)計電源電路需要采用擴流電路，如圖3-17。 圖 3-17 第4章 系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計4.1單片機AT89C51介紹 AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單

38、元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。I/O端口的編程實際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對I/O寄存器進行編程。具體步驟如下： (1)根據(jù)實際電路的要求，選擇要使用哪些I/O端口，用EQU偽指令定義其相應(yīng)的寄存器； (2)初始化端口的數(shù)據(jù)輸

39、出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； (3)根據(jù)外圍電路功能，確定I/O端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因為I/O的復(fù)位缺省值為輸入； (4)用作輸入的I/O管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻； (5)最后對I/O端口進行輸出(寫數(shù)據(jù)輸出寄存器)和輸入(讀端口)編程，完成對外圍電路的相應(yīng)功能。 圖4.1 AT89C51單片機芯片根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，各接口功能如下：P1.0:產(chǎn)生輸出一個40KHZ的脈沖信號。（用于前方測距電路）P1.1:產(chǎn)生輸出一個40KHZ的脈沖信號。（用于右側(cè)測

40、距電路）P1.2:產(chǎn)生輸出一個40KHZ的脈沖信號。（用于左側(cè)測距電路）INT0:產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。INT1:產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。P1.3:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。P1.4:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。P0.0:用于顯示輸出，接顯示器。P0.1:用于顯示輸出，接顯示器。P0.2:用于顯示輸出，接顯示器。P0.3:用于顯示輸出，接顯示器。P0.4:用于顯示輸出，接顯示器。P0.5:用于顯示輸出，接顯示器。P0.6:用于顯示輸出，接顯示器。P0.7:用于顯示輸出，接顯示器。P2.7:接報警電路P2.0:接報警電路P2.1:接報警電路 XTAL1：接

41、外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，些引腳應(yīng)接地。 XTAL2：接外部晶振的一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。 RST：AT89C51的復(fù)位信號輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片又時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89C51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。4.2 運算放大器 主要技術(shù)參數(shù): 2、輸入失調(diào)電壓及其溫漂：失調(diào)電壓的大小主要反映了差分輸入元件的失配；輸入失調(diào)電

42、壓是隨溫度,電源電壓或時間而變化的,通常將輸入失調(diào)電壓對溫度的平均變化率稱為輸入電壓溫度漂移。 3、輸入失調(diào)電流及其溫漂：在常溫下，輸入信號為零時，放大器的兩個輸入端的基極靜態(tài)電流之差稱為輸入失調(diào)電流II0。輸入失調(diào)電流溫度漂移是指輸入失調(diào)電壓隨溫度變化的平均變化率。一般以mA/0C為單位。高質(zhì)量的為每度幾個皮安。 4、輸入偏置電流IIB：IIB是指常溫下輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值，即 IIB=（IB1+IB2）/2 （4-1）IIB的大小反映了放大器的輸入電阻和輸入失調(diào)電流的大小，IIB越小，運算放大器的輸入電阻越高，輸入失調(diào)電流越小。 5、差模輸入電阻Rid：Rid是指運算

43、放大器兩個輸入端之間的動態(tài)電阻，一般為幾兆。 6、輸出電阻R0：運算放大器在開環(huán)工作時，在輸出端對地之間看進去的等效電阻即為輸出電阻。R0大小放映了運算放大器的負載能力。 7、共模抑制比KcmR KcmR=Aud/Auc （4-2）用dB表示，即為20lg(Aud/Auc). 8、最大差模輸入電壓UidM：UIdM是指運算放大器同相端和反相端之間所能加的最大電壓。 9、最大共模輸入電壓UicM：UIcM是指運算放大器在線性工作范圍內(nèi)能承受的最大共模輸入電壓。4.3探頭UCM介紹 壓電陶瓷超聲波換能器（超聲波傳感器）體積小，靈敏度高、性能可靠、價格低廉，是遙控、遙測、報警等電子裝置最理想的電子器

44、件、用此換能器構(gòu)成的超聲波遙控開關(guān)，可使家電產(chǎn)品、電子玩具加速更新?lián)Q代，提高市場競爭能力。表2.1傳感器特性參數(shù) 型號 UCMT40K1 UCMR40K1 結(jié)構(gòu) 開放式 開放式 發(fā)射距離 810米 810米 使用方式發(fā)射 接收 諧振頻率 40KHZ±1KHZ 40KHZ±1KHZ 頻帶寬 2KHZ±0.5KHZ 2KHZ±0.5KHZ靈敏度70dB/V/ubar70dB/V/ubar外形尺寸16mm322.5mm 16mm322.5mm 溫度范圍 20+6020+60 相對濕度20±5時達98%20±5時達98% 使用注意事項：兩接線

45、腳焊接時間不宜過長，以免器件內(nèi)之焊點溶化脫焊及造成底座與接線腳之間松動。不宜與腐蝕性物質(zhì)接觸。4.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 汽車倒車防撞系統(tǒng)根據(jù)超聲測距原理用AT89C51單片機開發(fā)設(shè)計。整個軟件采用模塊化設(shè)計,由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)的要求,系統(tǒng)軟件應(yīng)具有以下功能: (1)控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài)。傳感器的工作狀態(tài)因行駛方向的不同而不同,而且,探測距離時發(fā)射傳感器還要依次輪流工作,這些功能需靠軟件程序來實現(xiàn)。 (2)根據(jù)汽車的行駛速度計算出倒車避撞的安全距離和報警距離。安全距離就是汽車自由停下所需的距離,這時需要的距離必然小于根據(jù)車速確定的安全距離。比安全距離稍遠些的是報警距離,設(shè)計的報警距離比安全距離長出1米。通過報警來減少不必要的停車。 (3)測出超聲波信號的往返時間,來計算出最近的障礙物與平臺車的距離。超聲波從發(fā)射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時間,需要通過軟件定時器來記錄。根據(jù)這個時間才能計算出障礙物的距離。 軟件設(shè)計的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等功能編成獨立的模塊,在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式,當(dāng)按下控制鍵后,在一定周期內(nèi),依次執(zhí)行各個模塊,調(diào)用預(yù)置子程序、