超聲波測距倒車雷達實施方案書選擇說明

1、方案選擇說明超聲波測距主要應(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。目前 國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計超聲波測距儀，但是集成 電路的成本很高，并且沒有顯示操作使用不方便。本文介 紹AT89S52單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯 示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。實際證明該 儀器工作穩(wěn)定，性能良好。系統(tǒng)總體方案的設(shè)計本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號接收、溫度測量、顯 示和報警、電源等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成 。系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。圖1系統(tǒng)原理框圖整個系統(tǒng)由單片機AT89S52控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分 體式，分別是一支超聲波發(fā)射

2、換能器TCT40 - 16T和一支超聲波接收換能器TCT40 - 16R。超聲波信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進行相關(guān)處理后，輸入單片機的INTO腳產(chǎn)生中斷，計算中間經(jīng)歷的時間，同時再根據(jù)具體的溫度計算 相應(yīng)的聲速，根據(jù)式（2就可得出相應(yīng)的距離用來顯示，當(dāng) 然在一些場合也可根據(jù)需要，設(shè)置距離報警值。倒車報警器主要依據(jù)是超聲波測距，以AT89S51單片機為核心設(shè)計出方案1. 超聲波測距原理超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。因為超聲波也是一種聲

3、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。在使用時，如果溫度變化不大 ，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)用通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只 要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波 測距的機理。表1聲速與溫度關(guān)系表溫度c）-30-20-100102030100聲速M/秒）3133193253233383443493862. AT89S52的功能特點AT89S52是一個4K字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS- 51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強大微控制器，它 對很多嵌入式控制應(yīng)用提供一個高度靈活有效的解決方案 ,A

4、T89S52具有以下特點：4K字節(jié)的EPROM , 128字節(jié)RAM、32根I/O 口線、2個16位定時器/計數(shù)器、5個向量二級中 斷結(jié)構(gòu)、 1 個全雙向串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片 內(nèi)擴展器，具有4。25V至5。5V的電壓工作范圍和12MHZ/2 4MHZ 的工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器 加鎖、掉電和時鐘等。此外，AT89S52還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時，CPU停止，而讓RAM，定時/計數(shù)器、串行口和中斷系繼續(xù)工作。可掉電保存 RAM 的內(nèi)容 ，但可使振蕩器停止以禁止芯片所有的其它功能直到下一 次硬件復(fù)位。AT89S52有2個16位計時/計數(shù)器寄存器T0、

5、T1。作為一 個定時器，每個機器周期寄存器增加 1，這樣寄存器即可計 數(shù)機器周期。因此，可以對外部的輸入端P3。2/INT0和P3。 3/INT1 編程，便于測量脈沖寬度的門。充分利用AT89S51的片內(nèi)資源，即可在很少外圍電路的 情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。3. 超聲波發(fā)射部分超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT4016 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件 如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采 用后者。編程由單片機 P1.0端口輸出40T能向外界發(fā)出40kHz左右的方波脈沖信號。40kHz左右的方波脈沖信號，因為單片機端口輸出功率不夠，

6、 40kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40 - 16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻R31 , R32，一方面可以提高反向器 74HC04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。74HC04U3A74HC04 3U3D8U3Bl；3C6 74HC044574HC0411超聲波發(fā)送U3E1074HC042 TCT40-16R%|u 11 kQ圖2趨聲波發(fā)射電路框圖4. 超聲波接收部分上述TCT40 -

7、 16T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波（回波 順利接收到超聲波接收換能器TCT40 - 16R進行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20186，得到一個負脈沖送給單片機的P3.2(INTO引腳，以產(chǎn)生一個中斷。接收部分的電路，如圖U4CX20106：|30 pF 卩fc .3330卜4芒波接收圖3超聲波接收電路框圖可以看到，集成芯片 CX20186在接收部分電路中起了很大的 作用。CX20186是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯 片，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等 優(yōu)點，因為紅外遙

8、控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20186內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0 五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060kHz。故本次設(shè)計用它來做接收電路。CX20186內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整 形電路構(gòu)成。工作過程如下：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)整到合適幅值的矩形脈沖 ，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送 給輸出端 7腳。當(dāng)接收到與 CX20 1 86濾波器中心頻率相符的 回波信號時，其輸出端 7腳就輸出低電平，而輸出端 7腳直 接接到.AT89S52的INT

9、O引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一 些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳 5的外接電阻R42，將濾波器的中 心頻率設(shè)置在40 kHz，就可達到理想的效果。5. 其他主要電路(1溫度測量部分。因為聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的 精度，采用了溫度補償功能。這里采用的主要元器件是是 美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。將DS18B20數(shù)據(jù)線與單片機的P1.1 口相連，就可以實現(xiàn)溫度 測量，如圖 4所示。GM)"Q123DS1KB20圖4DS18B20溫度測量魁路(2>LCD顯示部分。本設(shè)計顯示部分采用字符型

10、 TC1602液晶顯示所測距離值。 TC1602顯示的容量為2行16個字。液晶顯示屏有微功耗、體 積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用時，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)線相連，P2口與LCD的控制線相連，如圖5所示圖5 TC16O2液晶顯示電路其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信 號線，第6腳E為使能端。第714腳：DOD7為8位雙向數(shù) 據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機端的DOD7是接到LCD / 602的D1D0，正好相反，因此在編寫軟件 時需要做處理，使讀取正確。(3報警部分。采用一個蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率

11、的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個三極管 9012的放大。報警部分的連線，如圖6所示。Ti22i kn、9012圖6報譽電路(4電源電路：220V經(jīng)9V變壓器降壓后，再經(jīng) D1D4橋式整流和7805穩(wěn)壓后給電路各部分供電。(5晶振電路：采用12 MHz的晶振。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計電路圖如下一張所示AT89S52通過外部引腳P1。6輸出脈沖寬度為250us，載波為 40KHZ的10個脈沖的脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初 經(jīng)升壓變換推動超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時，P1。7輸入一個高電平啟動，給電容 C4充電。發(fā)射結(jié)束時高 電平翻轉(zhuǎn)為低電平，C4開始對R2、R3組成的分壓器放電并 輸出到比較

12、器的負端。超聲波接收將接收到的障礙物反射 的超聲波送到放大器進行放大，這是一個高增益、低噪音 放大器，在對放大后的信號進行檢波后將檢測回波送到比 較器的正端。發(fā)射時 P1。 7輸出的電平可以抑制比較器的翻 轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射器的超聲波直接輻射到接收器而 導(dǎo)致錯誤檢測。超聲波測距原理，我們必須測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用S=Ct/2就可算出距離，再在LCD上顯示出來。當(dāng)然還可以設(shè)置若干個鍵，以用來控制電路的工作狀態(tài)。 限制系統(tǒng)大測距離存在的四個因素：超聲波的幅度，反射 的質(zhì)地，反射而和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的 靈敏度。接收器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的 可測距離。系統(tǒng)軟件設(shè)計AT89S52 單片機和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性 好、表達能力強、表達方式靈活、可進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計、可 直接控制計算機硬件，生成質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu) 點。超聲波測距儀就是用 AT89S51 單片機開發(fā)設(shè)計的。它 采用模塊計，由主程序、發(fā)射子程序、定時子程序、顯示 子程序等模塊組成。軟件分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖 2 所示。主程序完成初始化工作及超聲波發(fā)射和接收控制。 中斷服務(wù)程序包括定