倒車?yán)走_(dá)分析

1、倒車?yán)走_(dá)分析倒車?yán)走_(dá)分析1倒車?yán)走_(dá)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所適 從，稍不慎，則闖禍，煩事又煩人。雖然每輛車 都有后視鏡，但不可避免的都存在一個(gè)后視盲 區(qū)。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔助 裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員 駕駛車輛周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊 車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困 擾，并幫助駕駛員掃除了使用死角和視線模糊的 缺陷，提高駕駛的安全性。倒車?yán)走_(dá)的發(fā)明是迫 在眉睫的，是必不可少的設(shè)備。2總體方案該設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景是基于 AT89C51的超聲 信號(hào)檢測(cè)的。因此初步計(jì)劃實(shí)在室內(nèi)小范圍的

2、測(cè) 試，限定在2.5米左右。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，并進(jìn)行聲光報(bào)警 1 。其發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。 在 調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時(shí)裝在探頭內(nèi)） ， 諧振頻率有調(diào)諧電路的電感、 電容決定， 發(fā)射的 超聲脈沖頻帶較窄。 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。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)射電壓從理 論上說是越高

3、越好， 因?yàn)閷?duì)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(duì) 于接受電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。 但是每一支 實(shí)際的發(fā)生傳感器有其工作電壓的極限值， 同時(shí) 發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。 通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。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。接收部分就是有兩級(jí)放大電路， 檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成，其中包括雜波抑制電 路。最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測(cè)， 產(chǎn)生一個(gè)單 片機(jī)（AT89C51能夠識(shí)別的中斷信號(hào)

4、作為回波 到達(dá)的標(biāo)志。2.1 超聲波測(cè)距2.1.1 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波， 從而測(cè)出發(fā)射和接收 回波的時(shí)間差t,然后求出距離S=Ct/2，式中的 C為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其 聲速C與溫度有關(guān)，在不同溫度下的聲速也不相 同。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲 速是基本不變的。 如果測(cè)距精度要求很高， 則應(yīng) 通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?聲速確定后， 只 要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間， 即可求得距離。 這就 是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。 圖 2-2 即為超聲波測(cè)距 的具體流程圖。2.1.2、測(cè)量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。

5、當(dāng)聲波 受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā) 生反射；反射波稱為回聲。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。這就是本系統(tǒng)的 測(cè)量原理。由于此超聲波測(cè)距儀可以實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)距，所 以需進(jìn)行測(cè)距選擇，而這個(gè)測(cè)距選擇就以自動(dòng)選 擇功能來實(shí)現(xiàn)2.1.3、理論計(jì)算如圖2-3所示為反射時(shí)間，是利用檢測(cè)聲波 發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來測(cè)量距 離其原理如圖所示，對(duì)于距離較短和要求不高的 場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)， 我們通過測(cè)量回波時(shí)間T利用公式：s 二c -2其中，s為被測(cè)距離、V為空氣中聲速、T

6、 為回波時(shí)間，TT2測(cè)距的原理可以計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度 的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過設(shè)置 “時(shí)間門”來加以克服。這樣可以求出距離：CTi J2555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生 40Hz的超聲波信 號(hào)。其振蕩頻率計(jì)算公式如下：f _1.43R92 Rl0 C52.2超聲波傳感器221超聲波傳感器的特性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 SZW-S40-12M發(fā)射型超聲波傳感器的特性為例加 以說明。圖是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級(jí)和靈敏 度。其中，40KHz處為超聲波發(fā)射傳感器的中心 頻率，在40KHz處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超 聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說

7、在40KHz處所產(chǎn)生的超 聲聲壓能級(jí)最高。而在40KHz兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅 速衰減。其頻率特性如圖2-7所示。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的交流電壓來激勵(lì)。肚射iUUK I dB)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。曲線在40KHZ處曲線最 尖銳，輸出電信號(hào)的振幅最大，即在40KHZ處接 收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很 好的頻率選擇特性。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。如果R較小，頻率特性變得 光滑而且有較寬的帶寬，同時(shí)靈敏度

8、以隨之降 低。并且最大靈敏的向稍低的頻率移動(dòng)。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?？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)入=0.85cm 。3硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、溫度補(bǔ)償電路、聲報(bào)警電路、 鍵盤控制電路、單片機(jī)硬件接口電路及顯示報(bào)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(jī)，下面分步介紹各硬件部分的具 體設(shè)計(jì)分析。3.1超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超 聲波發(fā)射電路兩個(gè)部分，探頭（又稱“超聲波換 能器”）選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件

9、 發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40KHZ的 超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū) 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。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。第二種方法是 利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生 超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這 種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需驅(qū)動(dòng)電路，但缺點(diǎn)是靈活性 低。本設(shè)計(jì)采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信 號(hào)。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： t=2LC脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 AT89S51 的 P1.0 口發(fā)射 40 kHz 的方波信號(hào)，經(jīng)過 74HC0

10、4 放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。 74LS04是一個(gè)高速CMO六反相器，具有放大作 用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間， 而相對(duì)于 LSTTL邏輯IC,它的功耗減少很多。對(duì)于 HC類 型，其工作電壓為 26 V，它具有高抗擾度， 可以兼容直接輸入LSTTL邏輯信號(hào)和CMO邏輯 輸入等特點(diǎn)。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信號(hào)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。電路圖如圖 3-1 所示。 發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器 構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出40KHZ方波信號(hào)一 路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電 極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后

11、送到超聲波換能器的 另一個(gè)電極。 用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超 聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。 輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能 力，上拉電阻 R8、R9 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧 振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片 和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻 率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì) 發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波， 這時(shí) 它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問 未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將

12、壓迫 壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí) 它就成為超聲波接收換能器。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(shí)應(yīng)分清 器件上的標(biāo)志。74ALS04U4AU4D3.2超聲波檢測(cè)接收電路3.2.1 集成電路 CX20106A集成電路CX20106A是一款紅外接收的專用 芯片，常用于電視紅外遙控器。常用的載波頻率 38khz與測(cè)距的40khz較為相近，可以利用它來 做接收電路。適當(dāng)?shù)母淖?C3的大小，可以改變 接受電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20106A國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品型號(hào)為 D20106A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。它還可廣泛用于視頻 系

13、統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。 這種 IC性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號(hào) 接收器IC相同或相似，故可用來代換多種型號(hào) 的遙控信號(hào)接收集成電路。CX20106A可用來完 成遙控信號(hào)，CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的 紅外解調(diào)集成電路，采用8腳單列直插式塑料超 小型封裝，+5v供電，內(nèi)部含可前置放大、自動(dòng) 偏置、限幅放大、通帶攄波、峰值檢波、積分比 較及施密特整形輸出等電路。其主要功能是從 38KHz紅外載波信號(hào)中，將編碼信號(hào)解調(diào)出來， 并加以放大和整形，然后再送到微處理器 (CPU) 進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)遙控操作功能，其具體引腳圖如圖所示紅外信號(hào)轍入端曙益調(diào)節(jié)端檢測(cè)端 地 帶通濾疲

14、積分端信號(hào)輸出端 電源端 器調(diào)蔡端集成電路CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CX20106A勺引腳注釋：1) l 腳：超聲波信號(hào)輸入端， 該腳的輸入阻 抗約為40k Q。(2) 2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)， 它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分， 改變 它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率 特性。增大電阻R或減小C,將使負(fù)反饋量增 大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用 中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=4.7Q,C=3.3 卩F。(3) 3腳：該腳與GN龍間連接檢波電容，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)

15、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3.3卩F。4)4 腳：接地端。(5)5腳：該腳與電源端VCC接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0,阻值越 大，中心頻率越低。例如，取 R=200kQ時(shí)， fn 42kHz,若取 R=220kQ，則中心頻率 f0 38KHz(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。( 7)7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電 阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kQ，沒有 接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平， 有信號(hào)時(shí)則會(huì) 下降。(8)8腳

16、：電源正極，4.5V5V。3.2.2 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(hào) 放大電路及波形變換電路三部分。 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，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效 果，甚至無法接收。 由于經(jīng)探頭變換后的正弦波 電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路進(jìn)行放大。超聲波接收部分采用集成芯片 CX20106A， 這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。 內(nèi)部電路 由前置放大器、 自動(dòng)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?？梢岳盟鳛槌暡z測(cè)電路。（1）前置放大器：

17、它是高增 益的放大器，由于超聲波在空氣 中直線傳輸時(shí)，傳輸距離越大， 能量的衰減越厲害，故反射回來 的超聲波信號(hào)的幅值會(huì)有很大的 變化。為了不使放大器的輸出信 號(hào)過強(qiáng)而產(chǎn)生失真，集成塊內(nèi)部 有自動(dòng)電平限制電路，對(duì)前置放 大器的增益進(jìn)行自動(dòng)限制。通過 反饋將放大器設(shè)定于適當(dāng)?shù)臓?態(tài)，再由限制電平電路進(jìn)行自動(dòng) 控制。（2）限度放大器：當(dāng)信號(hào)太 強(qiáng)時(shí)為了防止放大器過載，限制 高電平振幅，同時(shí)也可消除寄生 調(diào)幅干擾。（3）寬頻帶濾波器：其頻率 范圍為30Hz60Hz其中心頻率 可調(diào)。（4）檢測(cè)器：將返回的超聲波的包絡(luò)解調(diào)回來。(5) 積分濾波器與整形電 路：檢測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)積分濾 波器送到整形電路，

18、輸出較好的 矩形波。-接收的回波信號(hào)先經(jīng)過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)。CX20106A的外部接線圖如圖所示：LS34軟件圖形超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程 序、超聲波發(fā)射子程序、INTO超聲波接收中斷 程序及顯示子程序四個(gè)主要模塊組成。 軟件設(shè)計(jì) 的總體結(jié)構(gòu)框圖如下：（1）系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時(shí)候?qū)?系統(tǒng)的各個(gè)引腳的電平分配和對(duì)各初值賦值。（2）數(shù)碼管顯示模塊：通過該模塊的設(shè)計(jì)能夠 讓所測(cè)得的距離顯示在數(shù)碼管上。（3）按鍵掃描模塊：此模塊用來通過鍵盤控

19、制 倒車?yán)走_(dá)的工作。（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(dòng)定時(shí)器 工作，同時(shí)啟動(dòng)接收電路工作，當(dāng)接收電路有信 號(hào)輸入時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。（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。（ 6）聲光報(bào)警模塊：當(dāng)所測(cè)距離小于一定值時(shí)， 通過聲光報(bào)警來挺行駕駛員。我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的 算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精 細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間， 而超聲波測(cè)距儀的程序 既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)） ，

20、又要求精細(xì) 計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)） ，所以控制 程序可米用C語言和匯編語言混合編程。主程序除了完成定時(shí)器TO、中斷源TNT0初始 化外，主要實(shí)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(dòng)態(tài)掃描顯示； INT0 中斷 服務(wù)程序計(jì)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im進(jìn)行比較，如小于im接蜂鳴器報(bào) 警，否則關(guān)閉報(bào)警； 如果車尾距離障礙物的距離 較遠(yuǎn)，超聲波往返時(shí)間就會(huì)超過了定時(shí)器 T 一次 性最長(zhǎng)的定時(shí)時(shí)間，則 T0 發(fā)生溢出而中斷，這 時(shí)進(jìn)行距離計(jì)算，并顯示“ OFF，以示車后無障 礙物，可放心倒車。4.1主程序主程序是單片機(jī)程序的主體，根據(jù)相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì) 圖形如下：C開1始）初初1發(fā)射發(fā)射1J超T91結(jié)束語通過這次倒車?yán)走_(dá)的分析， 讓我明白了它的 倒車原理。即，通過超聲波探頭反射超聲波，使 用高速單片機(jī)計(jì)算測(cè)量車與障礙物之間的往返 時(shí)間然后再計(jì)算出車與障礙物的距離， 并加入了 軟件補(bǔ)償， 提高了距離計(jì)算的精度， 然后顯示在 LED數(shù)碼管上，當(dāng)在探測(cè)的范圍有障礙物時(shí)，蜂鳴器提示報(bào)警， 距離越近蜂鳴器的報(bào)警頻率也越 大，當(dāng)距離小于最小安全距離時(shí)， 蜂鳴器不間斷 報(bào)警。致謝經(jīng)過幾個(gè)星期的努