基于超聲波測距倒車雷達的設計說明

1、 PAGE39 / NUMPAGES39基于超聲波測距技術的倒車雷達裝置設計與研究專業(yè)班級：學生：指導教師： 職稱：摘要汽車倒車雷達是一種能夠實時顯示車后障礙狀況的汽車倒車輔助裝置。在現實生活中應用廣泛。本文根據超聲波在空氣中可定向發(fā)射和反射的原理，以超聲波換能器為接口部件，應用單片機技術設計了一套基于超聲波測距的倒車雷達系統(tǒng)。本文的容是基于超聲波測距的倒車防撞系統(tǒng)的設計，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和AT89C51單片機結合于一體，設計出一種基于AT89C51單片機的倒車防撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用軟硬結合的方法，具有模塊化和多用化的特點。論文概述了超聲波檢測的發(fā)展與基本原理，闡述

2、了超聲波傳感器的原理與特性。對于系統(tǒng)的一些主要參數進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構成。通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個設計單元的原理進行了介紹。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結構，通過編程來實現系統(tǒng)功能。關鍵詞：超聲波 測距 AT89C51 倒車雷達Design and Research of Parking Sensors Based on Ultrasonic Ranging Technology AbstractThe ultrasonic wave automobile

3、 back-draft detector is one kind auxiliary unit that can display the condition of the obstacle behind the vehicle in real time .It applies extremely widely in the real life. In this paper, according to the transmission reflection theory of wave in the air, Using supersonic transducer as interface un

4、it and applying monolithic machine techniques to design a series of bus ultrasonic ranging system.The paper is based on the ultrasonic distance reversing collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integra

5、tion AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of modular and multi-use characteristics.The paper outlines the development and the basic

6、principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basic, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design co

7、mparison,the best designed programdrawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function.Keywo

8、rds： Ultrasonic，Ranging，AT89C51，Parking sensors目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326578328第一章緒論 PAGEREF _Toc326578328 h 5HYPERLINK l _Toc3265783291.1 課題的背景和意義 PAGEREF _Toc326578329 h 5HYPERLINK l _Toc3265783301.2 超聲波測距儀的國外現狀 PAGEREF _Toc326578330 h 6HYPERLINK l _Toc3265783311.3 本課題的研究容和目標 PAGEREF _

9、Toc326578331 h 8HYPERLINK l _Toc326578332第二章課題設計原理與思路 PAGEREF _Toc326578332 h 10HYPERLINK l _Toc3265783332.1 超聲波測距原理 PAGEREF _Toc326578333 h 10HYPERLINK l _Toc3265783342.2 影響精度的因素分析 PAGEREF _Toc326578334 h 11HYPERLINK l _Toc3265783352.2.1 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 PAGEREF _Toc326578335 h 11HYPERLINK l _Toc32

10、65783362.2.2 當地聲速對測量精度的影響分析 PAGEREF _Toc326578336 h 12HYPERLINK l _Toc3265783372.3 測量盲區(qū) PAGEREF _Toc326578337 h 13HYPERLINK l _Toc3265783382.4 系統(tǒng)整體設計方案和論證 PAGEREF _Toc326578338 h 13HYPERLINK l _Toc3265783392.4.1 系統(tǒng)整體方案的設計 PAGEREF _Toc326578339 h 13HYPERLINK l _Toc3265783402.4.2 系統(tǒng)整體方案的論證 PAGEREF _To

11、c326578340 h 14HYPERLINK l _Toc326578341第三章系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc326578341 h 16HYPERLINK l _Toc3265783423.1 51系列單片機的功能 PAGEREF _Toc326578342 h 16HYPERLINK l _Toc3265783433.2 超聲波發(fā)射電路 PAGEREF _Toc326578343 h 17HYPERLINK l _Toc3265783443.2.1 超聲波傳感器原理與結構 PAGEREF _Toc326578344 h 17HYPERLINK l _Toc3265783453

12、.2.2 超聲波傳感器的特性 PAGEREF _Toc326578345 h 18HYPERLINK l _Toc3265783463.3 超聲波檢測接收電路 PAGEREF _Toc326578346 h 22HYPERLINK l _Toc3265783473.3.1 集成電路CX20106A PAGEREF _Toc326578347 h 22HYPERLINK l _Toc3265783483.3.2 超聲波接收電路設計 PAGEREF _Toc326578348 h 24HYPERLINK l _Toc3265783493.4 穩(wěn)壓電源電路 PAGEREF _Toc326578349

13、 h 25HYPERLINK l _Toc3265783503.5 預警電路 PAGEREF _Toc326578350 h 26HYPERLINK l _Toc3265783513.6 鍵盤控制電路 PAGEREF _Toc326578351 h 27HYPERLINK l _Toc3265783523.7 超聲波測距顯示電路 PAGEREF _Toc326578352 h 27HYPERLINK l _Toc326578353第四章系統(tǒng)軟件的設計 PAGEREF _Toc326578353 h 29HYPERLINK l _Toc3265783544.1 超聲波測距的算法設計 PAGERE

14、F _Toc326578354 h 29HYPERLINK l _Toc3265783554.2 主程序設計與其流程圖 PAGEREF _Toc326578355 h 31HYPERLINK l _Toc3265783564.3 超聲波發(fā)送與接收中斷程序 PAGEREF _Toc326578356 h 33HYPERLINK l _Toc3265783574.4 顯示子程序和蜂鳴報警子程序 PAGEREF _Toc326578357 h 35HYPERLINK l _Toc326578358第五章系統(tǒng)的軟硬件調試 PAGEREF _Toc326578358 h 36HYPERLINK l _T

15、oc326578359結束語 PAGEREF _Toc326578359 h 37HYPERLINK l _Toc326578360致 PAGEREF _Toc326578360 h 38HYPERLINK l _Toc326578361參考文獻 PAGEREF _Toc326578361 h 39HYPERLINK l _Toc326578362附錄程序清單 PAGEREF _Toc326578362 h 40第一章 緒 論1.1 課題的背景和意義一般認為，關于超聲波的研究最初起始于1876年FGalton的氣哨實驗，這是人類首次有效產生的高頻聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知

16、的東西，由于當時電子技術發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。在第一次世界大戰(zhàn)中，對超聲波的研究逐漸受到重視。法國人LaIlgevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并進行水下通信。1929年，Sokoov首先提出用超聲波探查金屬物部缺陷的建議。相隔2年，1931年Mulhauser獲準一項關于超聲檢測方法的德國專利，不過他并未做更多的工作。4年之后，1934年Sokoov首次發(fā)表了關于在液體槽子里用穿透法作實物試驗的結果，他用了各種方法做了實驗，用來檢測穿過試件的超聲能量，其中之一是用簡單的光學方法觀察液體表面由超聲波形

17、成的波紋。德國人Begemann在他的論著ULTRASONIC中，詳細的論述了有關超聲波的大量早期資料，該論著一直被認為是該領域的經典之作。美國的Firestone和英國的Sproule首次介紹了脈沖回波探傷儀，使超聲波檢測技術發(fā)展到了更重要的階段。在各種系統(tǒng)中，這是最成功的一種，因為它有最廣泛的通用性，其檢測結果也最容易解釋。這種方法除可用于手工檢測外，還可與采用先進技術的自動系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問世以來，根據一樣的原理，有無數種其他儀器得到了發(fā)展，并有許多改進和精化。目前，在超聲無損檢測中，脈沖回波系統(tǒng)仍是使用最為廣泛的一種。HuaHong.wallg Yon闡述了其所研究的一種

18、調幅連續(xù)超聲波大圍動態(tài)測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)的測距原理是利用超聲波傳感器發(fā)射和接收調幅連續(xù)超聲波，基于接收信號于發(fā)射信號之間的相位差和兩傳感器之間的正比關系，用相位差法測量傳感器之間的動態(tài)距離。文中給出了設計原理、硬件實施和測量結果。實驗結果表明，該系統(tǒng)在15m的測距精度可達到lcm。中國測試技術研究所的茂山在超聲波測距原理與實踐技術中闡述了用超聲波在空氣里傳播速度為已知條件，測量超聲波行進于待測距離所耗費時間的超聲波測距原理。文中分析了聲波的傳輸特性和影響聲速的因素，給出了超聲波測距的框圖。作者還進行了超聲波測距誤差源分析以與超聲波測距儀的檢驗。師大學的鳴華、余水寶利用單片機開發(fā)了一種超聲波料位測

19、量系統(tǒng)。作者介紹了超聲波料位測量的原理以與超聲波料位測量儀的軟硬件設計，硬件設計主要分為超聲波信號的產生發(fā)射電路、信號接收處理電路、AT89c2051單片機控制電路等。作者還分析了造成料位測量誤差的幾點原因，并給出了幾種方法來減少測量誤差。比如：在計數電路設計中，采用了“延遲接收，信號分離的技術和相關計數法減小了計數誤差，對于聲速的測量誤差，使用溫度補償法，在軟件設計中采用了查表的方法，由單片機實現自動補償校正。文中的一些方法對于設計超聲波測量系統(tǒng)來說具有一定的參考價值。聲速的測量在超聲波測距中對提高超聲波精度有重要的作用，超聲波在介質中的傳播速度與溫度、壓力等因素有關，其中溫度的影響最大，因

20、此需要對其進行補償。中國海洋大學的玉華提出了采用溫度補償的方法測量聲速，來提高超聲波測距精度 。文中溫度檢測部分采用了美國DALLAS半導體公司生產的可組網單線數字溫度傳感器DSl8820測量環(huán)境溫度，用以溫度補償以修正超聲波速度，來減小溫度變化對距離測量精度的影響。該超聲波測距裝置在1.5m的測量圍，測量誤差小于5cm.倒車雷達又稱泊車輔助系統(tǒng)，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。 超聲波倒車雷達系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和

21、顯示器等部分組成，現在市場上的倒車雷達大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產生回波信號，傳感器接收到回波信號后經控制器進行數據處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，得到與時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數，使倒車變得更輕松。1.2 超聲波測距儀的國外現狀倒車雷達在車掛倒擋時開始工作，由探頭、主機和顯示器三部分構成，探頭可以根據需要安裝不同的數量，目前比較常見的是4探頭(安裝于后保險杠上)和6探頭(2前4后)的；除一般的放置位置外，顯示器也可以替代原來的后視鏡并兼顧這兩種功能，它可以顯示

22、多種信息。例如障礙物相對于車的距離、角度和車外溫度等(視雷達檔次而定)。以4探頭液晶顯示屏的豪迪倒車雷達為例，它最遠可以探測到196m外的障礙物，并可以顯示出是由哪個探頭探測到的，如果兩個探頭同時探測到障礙物，則會以離車最近的障礙物為準，有些顯示器上還帶有“車載免提功能”，其有揚聲器和麥克風，可以進行錄音和放音。倒車雷達的提示方法也可以分為數碼顯示、聲音提示和語音提示等，以博視雷達為例，其背光可通過三色變換來警告緊危急程度，聲音提示則會通過急促程度的不同告訴駕駛員與時停車有些雷達還特別為喜歡安靜的駕駛員設置了靜音開關。倒車雷達的接收方式呵以分為有線式和無線式兩種，無線接收方式顯然更省事，不必“

23、走線”而拆裝車的原有裝飾，也不受車型、車長等因素的影響，其價格自然也略高些。國外汽車倒車雷達預警系統(tǒng)早期大多采用紅外線的發(fā)射與接收原理，不屬于雷達產品， 最大的缺點是紅外線波易受干擾，整個系統(tǒng)的警示音常呈現不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)，另外對深黑色粗糙表面物體的反應也較差。但更糟糕的是，無論是紅外線發(fā)射器或接收器，只要任何一方讓一層薄薄的冰雪或泥塵覆蓋，系統(tǒng)就會失效。最近在歐美出現的一種電磁感應倒車雷達。在線路上套上一個環(huán)型的感應圈，該感應圈放置在車后的保險杠側，從車外完全看不出有此裝置。以感應車后是否有障礙物。此種裝置價格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝時必須卸下保險杠，而且只能探測動態(tài)物品，當車在

24、后退行進時，可探測到物體，但車一旦停止后退行進，則任何物體都不被認可。換言之，如有任何物品貼在后保險杠，當車一旦停下再啟動后，此裝置并不會告知駕駛者后方有物品貼在保險杠，此車不能再后退等。德國大眾公司已經將超聲波測距技術應用在倒車雷達上，并且具有前視和后視功能，采用自舉升壓的方式驅動8路超聲波傳感器，目前國引進車型對這一技術尚不能國產化，仍需要引進德國原廠成品安裝。因此，實用性也相當有限。日本、美國和歐洲等國的大汽車公司都投入了相當的人力、物力，采用先進的毫米波雷達、CCD攝像機、GPS和高檔微機等制成安全預警系統(tǒng)，使用在其所開發(fā)的高級汽車上。據海外媒體報道，戴姆勒-克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出

25、供商用車使用的電子剎車系統(tǒng)，它與其他剎車系統(tǒng)的區(qū)別在于，其在卡車車頭設有雷達感應器，感應器在車前觀察四周環(huán)境，并將所有收集的信息交由一控制器加上處理，形成一虛擬景象，再借助演算法的輔助來判斷所發(fā)生狀況是否需要利用剎車。未來兩三年這種新型剎車系統(tǒng)即可量產上市，但價格昂貴，其過高的成本限制了它應用的普遍性。隨著我國汽車產業(yè)的高速發(fā)展，近兩三年我國開始進入私家車時代，交通事故發(fā)生的頻率也在增加，為提高汽車運行的安全性，倒車雷達預警系統(tǒng)不僅深受駕駛員的青睞，也逐漸成為汽車電子產業(yè)中新的增長點。尤其是近兩年來，倒車雷達成了商家的電子新愛，眾多生產防盜器的廠家紛紛涉足倒車雷達，處在我國汽車電子行業(yè)環(huán)境的繁

26、榮背景下倒車雷達已漸漸形成一個較大的行業(yè)，而且已呈現出一派激烈競爭的態(tài)勢。倒車雷達系統(tǒng)經歷了三個階段，六代的技術改良，從早期的倒車防撞儀，只能測試車后有限圍的障礙物，并發(fā)出警報，發(fā)展到根據距離遠近程度分段報警，前兩個階段的倒車雷達一般采用專用集成電路，功能較簡單。隨著人們對汽車駕駛輔助系統(tǒng)易用性要求的提高，以與單片機價格不斷下降和汽車電子系統(tǒng)網絡化發(fā)展的要求，新型的倒車雷達都是以單片機為核心的智能測距傳感系統(tǒng)。要求倒車雷達連續(xù)測距并顯示障礙物距離，并采用不同間歇嗚叫頻率的聲音報警提示距離，讓駕駛員全神貫注地注視場景。汽車電子系統(tǒng)網絡化發(fā)展還要求作為駕駛輔助系統(tǒng)子系統(tǒng)的倒車雷達具有通信功能，能夠

27、把數據發(fā)送到汽車總線上。如最為先進的倒車雷達系統(tǒng)為“智能可視倒車雷達系統(tǒng)”，它在車尾部撞上針孔攝像頭，倒車時可以在DVD顯示屏上顯示車后的廣角真實圖像。在近日上市的由東風汽車乘用車公司推出的全新一代“藍鳥智尊”，最引人注目的是它配備了倒車影像顯示和NAVI衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這兩項配置在同級別的轎車上可謂絕無僅有，有效提升了藍鳥的檔次，直接將高級別汽車的智能化從概念引入了應用。在駕駛者掛入倒擋時，中控臺上的液晶顯示屏會自動切換畫面，將車尾攝像頭拍下的環(huán)境狀況展示在駕駛者眼前，最大程度地方便泊車，這項功能在夜間尤其具有價值。而它的NAVI衛(wèi)星導航系統(tǒng)，使同產成為繼豐田之后又一個將GPS導航定位系統(tǒng)引入

28、國的廠家。目前市場上的倒車雷達品牌可謂是種類繁多，有鐵將軍、北華三松、固地、博視、奇真、俊邦、豪迪等幾十種品牌，價格也是幾百、上千元不等，有些廠家還根據車型的不同，設計專用的倒車雷達。1.3 本課題的研究容和目標本文設計的防撞裝置在結構上采用微電腦技術和專用芯片設計，具有結構簡單，小型化的特點，非常適合用于測控系統(tǒng)；在軟件設計上，突出模塊的靈活性，并且C51語言簡潔，大大簡化了編寫程序的工作量。比較現在市場已有的防撞器，該結構緊湊性好、成本低，可靠性好，通信能力強，能有效地避免汽車相撞事故的發(fā)生，具有一定的市場價值。超聲波測量距離是一種有效的非接觸式測距方法，可廣泛應用于各種需要測量距離或物位

29、參數的場合。特別是其具有高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應用變得越來越普與。隨著科學技術的不斷發(fā)展超聲波測距技術本身也在不斷的完善和發(fā)展，而基于超聲波的倒車雷達的設計也必將越來越精確。第二章 課題設計原理與思路2.1 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,然后求出距離，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，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，則應通過溫度補償的方法加以校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離

30、。這就是超聲波測距儀的機理。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計時。假設超聲波在空氣中的傳播速度為，根據計時器記錄的時間，發(fā)射點距障礙物的距離，如圖2.2所示 圖2-1 超聲波測距原理圖2-1中被測距離為H，兩探頭中心距離的一半用M表示，超聲波單程所走過的距離用表示，由圖可得： (2-1) (2-2)將式（2-2）帶入式（2-1）得： (2-3)在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： (2-4)式中：為超聲波的傳播速度，為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式（2-4）帶入式（2-3）

31、可得： (2-5)當被測距離H遠遠大于M時，式（2-5）變?yōu)椋?(2-6)這就是所謂的時間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。由于是利用超聲波測距，要測量預期的距離，所以產生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達到預定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。經分析和大量實驗表明，頻率為40左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調制成具有一定間隔的調制脈沖波信號。圖2-2為倒車雷達的工作原理框圖。超聲波接

32、收 單片機控制器超聲波發(fā)送LED顯示掃描驅動聲光報警 圖2-2 倒車雷達原理框圖2.2 影響精度的因素分析2.2.1 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。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數規(guī)律。設測量設備基準面距被測物距離為h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為：（2-7）由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。經以上分析，超聲波回波的幅值

33、在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產生影響。 2.2.2 當地聲速對測量精度的影響分析當地聲速對超聲波測距測量精度的影響遠遠要比收發(fā)時間的影響嚴重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度與氣體分子成分的影響，即：（2-8）由上式知，在空氣中，當地聲速只決定于氣體的溫度，因此獲得準確的當地氣溫可以有效的提高超聲波測距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當地聲速的公式如下： （2-9）式中C0=331.4m/s；T為絕對溫度，單位K。 式（2-9）一般能

34、為聲速的換算提供較為準確的結果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1, 聲速將增加或者減少0.607m/s ，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當地聲速。對于時間誤差主要由發(fā)送計時點和接收計時點準確性確定，為了能夠提高計時點選擇的準確性，本文提出了對發(fā)射信號和加收信號通過校正的方式來實現準確計時。此外，當要求測距誤差小于1mm時，假定超聲波速度C=344m/s(20室溫)，忽略聲速的傳播誤差，則測距誤差St0.000 002 907s，即2.907ms。根據以上過計算可知，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

35、秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12 MHz晶體作時鐘基準的AT89C51單片機定時器能方便的計數到1s的精度，因此系統(tǒng)采用AT89C51的定時器能保證時間誤差在1mm的測量圍。2.3 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。此時，在短時間放大器的放大倍數會降低，甚至沒有放大作用，這種現象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據阻塞區(qū)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發(fā)現障礙物，這時需要注意的。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間圍，所要求發(fā)現的缺陷往往不能被

36、發(fā)現，這段距離稱為盲區(qū)，具體分析如下：當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長的時間，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。在超聲波檢測中，接收信號幅值需達到規(guī)定的閥值Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號放大器有輸入信號。2.4 系統(tǒng)整體設計方

37、案和論證由于超聲波指向性強，能量蕭寒緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，你用超聲波測量距離，設計比較方便，計算原理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到倒車雷達設計的要求2.4.1 系統(tǒng)整體方案的設計該設計的應用背景是基于AT89C51的超聲信號檢測的。因此初步計劃是在室小圍的測試，限定在2.5米左右。單片機（AT89C51）發(fā)出短暫的40KHz信號，反射后的超聲波經超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此型號進行技術判斷后，把相應的計算結果送到LED顯示電路顯示，并進行報警。超生波發(fā)射電路通常分為調諧式和非調諧式。在調諧式電路中有調諧線圈（有時裝在探頭），諧振頻率由調諧電

38、路的電感、電容決定，發(fā)射的超聲脈沖頻帶較窄。在非調諧式電路中沒有調諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固定參數決定，頻帶較寬。將一定頻率的交流電壓加到發(fā)射傳感器的固有頻率40KHz，使其工作在諧振頻率，達到最優(yōu)的特性。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，對于接受電路的設計就相對簡單一些。但是每一支實際的發(fā)生傳感器有其工作電壓的極限值，同時發(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)射強度。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生的射頻電壓

39、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。接收部分就是有兩級放大電路，檢波電路與鎖相環(huán)構成，其中包括雜波抑制電路。最終達到對回波進行放大檢測，產生一個單片機（AT89C51）能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志單片機發(fā)出啟動信號，超聲波模塊經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送LED顯示。若測得距離小于事先設定的數值，則發(fā)出聲音預警。2.4.2 系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據超聲波傳播的時間來計算傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種

40、是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一發(fā)種是射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當的衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。硬件電路的設計主要包括三端穩(wěn)壓電源電路、單片機與其輔助電路、超聲波發(fā)射和超聲波檢測接收電路、顯示電路四部分組成。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲

41、得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲模塊所需的啟動信號，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出40KHZ的超聲波。利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用實用的4位共陽LED數碼管，段碼AG接單片機的P0.0P0.6，位碼用PNP三極管9012驅動。第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1 51系列單片機的功能5l系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，部由CPU，4KB的ROM，256 B的RAM，2個16B的定時計數器T0和T1，4個8B的I/O端： P0，P1，P2，P3，一個全雙工串行通信口等組成。特別是該系列單片機片的Flash可編程、

42、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電與特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖3-1所示。圖3-1 AT89C51單片機結構與引腳圖5l系列單片機提供以下功能：4 KB存儲器；256 BRAM；32條I/O線；2個16B定時計數器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以與時鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片資源，即可在較少外圍電路的情

43、況下構成功能完善的基于超聲波測距的倒車雷達系統(tǒng)。3.2 超聲波發(fā)射電路超聲波由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點，而經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。超聲波測距主要應用于倒車雷達、建筑施工工地以與一些工業(yè)現場，例如液位、井深、管道長度等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在測控系統(tǒng)中得到了廣泛應用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲波能量或是把超聲波能量轉變?yōu)橥l率的其他形式的能量的器件。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：壓電傳

44、感器，磁致伸縮傳感器，靜電傳感器。流體動力型包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣的，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”。3.2.1 超聲波傳感器原理與結構壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現電能和聲能相互轉換的一種傳感器，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瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。壓電材料具有一種特性，把這種材料置于電場之中，它就產生

45、一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產生了應變就會在其部產生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加上交變電場，它就會產生交變的應變，從而產生超聲振動。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。當壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵后會產生振動，即可發(fā)射超聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，是正壓電效應。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中。在壓電瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據壓電效應，就會

46、使壓電瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定圍是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會產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。如果在壓電瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電瓷晶片產生頻率與超聲機械波一樣的電信號。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振類工作的，超聲波發(fā)生器部結構如圖3-2所示，它有兩個壓電晶片的一個共振板，當它的兩級外加脈沖信號，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，并帶動共振板的振動，便產生超聲波。反之，

47、如果兩級間為外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。壓電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，加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，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電瓷晶片的幾何尺寸，就可非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。圖3-2 超聲波傳感器的部結構超聲波傳感器的部結構由壓電瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼與金屬網構成，其中，壓電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，金屬外

48、殼可防止外界力量對壓電瓷晶片與錐形輻射喇叭的損壞。金屬網也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。3.2.2 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。頻率特性a) b)圖3-3 超聲波傳感器的頻率特性圖a）超聲波傳感器的聲壓能級 b）超聲波傳感器的靈敏度圖3-3是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。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)射傳感器所產生的超聲機械波最強，也就是說在40KHz處所產生的超聲聲壓能級最高。而在40KHz兩側，聲壓能級迅速衰減。其頻

49、率特性如圖3-4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。圖3-4 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。曲線在40KHz處最尖銳，輸出電信號的振幅最大，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。如果R較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時靈敏度也隨之降低，并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能

50、有較高的接收靈敏度?？紤]到實際工程測量的要求，可以選用超聲波頻率f=40KHz，波長=0.85cm。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。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結果（衍射），卻有指向性。超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構成，其物理意義是0度時電壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40度到80度，本設計要求傳感器的指向角為75度。圖2-8是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性與結構。a） b） 圖3-5 超聲波傳感器指向特性a）與結構b）超聲波發(fā)

51、射電路包括超聲波產生電路和超聲波發(fā)射電路兩個部分，探頭（又稱超聲波換能器）選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產生超聲波。前者利用軟件產生40KHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設計一個驅動電流100mA以上的驅動電路。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產生超聲波信號，并直接驅動換能器產生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無需驅動電路，但缺點是靈活性低。本設計采用第二種方法產生超聲波發(fā)射信號。40KHz的超聲波是利用LC震蕩電路振蕩產生的，其振蕩頻率計算公式如下： （3-1）脈沖發(fā)射采用軟件方式，

52、利用AT89C51的P1.0口發(fā)射40 KHz的方波信號，經過74LS04放大后輸出到超聲波換能器，產生超聲波。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換時間，而相對于LSTTL邏輯IC，它的功耗減小很多。對于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邏輯信號和CMOS邏輯輸入等特點。本系統(tǒng)將40 KHz方波信號分成兩路，分別由74LS04經兩次和一次反向放大，從而構成推拉式反向放大。電路圖如圖3-6所示。發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器構成，單片機P1.0端口輸出40KHz方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換

53、能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力，上拉電阻R4、R5一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，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間。圖3-6超聲波發(fā)射電路壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振

54、板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片振動，使機械能轉換為電信號，這時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構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。3.3 超聲波檢測接收電路3.3.1 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與測距的40KHz較為相近，可以利用它來做接收電路。適當的改變電容的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20106A（國同類產品型號為D20106A）是日本索尼公司生產的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預放用的雙極型集成電路。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以與通信系統(tǒng)

55、等。這種IC性能優(yōu)越，封裝形式與體積與許多遙控信號接收器IC一樣或相似，故可用來代換多種型號的遙控信號接收集成電路。CX20106A可用來完成遙控信號，它采用8腳單列直插式塑料超小型封裝，+5V供電，部含可前置放大、自動偏置、限幅放大、通帶濾波、峰值檢波、積分比較與施密特整形輸出等電路。其主要功能是從38KHz紅外載波信號中，將編碼信號解調出來，并加以放大和整形，然后再送到微處理器（CPU）進行處理，以實現遙控操作功能，其具體引腳圖如圖3-7所示。 圖3-7 集成電路CX20106A部結構圖CX20106A的引腳注釋：l ：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2：該腳與GND之間連接成

56、RC串聯(lián)網絡，它們是負反饋串聯(lián)網絡的一個組成部分，改變它們的數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，將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍數增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數為R=4.7，C=3.3F。3：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數為3.3F。4：接地端。5：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設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=200k時，fn42KHz，若取R=22

57、0k，則中心頻率f038KHz。6： 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。7：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上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8： 電源正極，4.5V5V。3.3.2 超聲波接收電路設計超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號放大電路與波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，關鍵是頻率要一致，本設計采用與發(fā)射端同型號的壓電式超聲波傳感器，否則將因無法產生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經探頭變換后的正弦波電信

58、號非常弱，因此必須經放大電路進行放大。集成芯片CX20106A部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。它們的作用分別是：前置放大器：它是高增益的放大器，由于超聲波在空氣中直線傳輸時，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的幅值會有很大的變化。為了不使放大器的輸出信號過強而產生失真，集成塊部有自動電平限制電路，對前置放大器的增益進行自動限制。通過反饋將放大器設定于適當的狀態(tài)，再由限制電平電路進行自動控制。限度放大器：當信號太強時為了防止放大器過載，限制高電平振幅，同時也可消除寄生調幅干擾。寬頻帶濾波器：其頻率圍為30Hz60

59、Hz，其中心頻率可調。檢測器：將返回的超聲波的包絡解調回來。積分濾波器與整形電路：檢測器輸出的信號經積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適的幅值；再經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，實現準確的計時。超聲波接收電路如圖3-8。圖3-8超聲波接收電路3.4 穩(wěn)壓電源電路在各種電子設備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設備唯一的能量來源，穩(wěn)壓電源的主要任務是將50Hz 的電網電壓轉換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。

60、其電路圖如圖3-6所示。其中，變壓器將交流電源（220V/50Hz）變換為符合整流電路所需要的交流電壓。交流電壓變換部分主要由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三部分組成。整流電路是具有但方向導電性能的整流器件，將交流電壓整流成單方向脈動的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路是一種自動調節(jié)電路，在交流電源電壓波動或負載變化時，通過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。圖3-9 穩(wěn)壓電路220V交流電通過電源變壓器變換成低壓交流電源，再經過橋式整流電路和濾波電容的整理和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的