1、題目：超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院：物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)姓名：韋昌肖 摘 要隨著我國(guó)汽車產(chǎn)量的高速發(fā)展，尤其是近幾年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入私家車時(shí)代，汽車的數(shù)量逐年增加，汽車駕駛員越來(lái)越擔(dān)心車的安全了，其中倒車就是一個(gè)典型。為了降低汽車倒車時(shí)的碰撞事故,本文研究了基于超聲波的超聲測(cè)距倒車?yán)走_(dá)。本文設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)主要是針對(duì)汽車倒車時(shí)人無(wú)法目測(cè)到車尾與障礙物體的距離而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。該系統(tǒng)將微計(jì)算機(jī)技術(shù)與超聲波的測(cè)距技術(shù)，傳感器技術(shù)等相結(jié)合，以AT89C51單片機(jī)作為核心處理器，包括單片機(jī)中心控制處理模塊，超聲波發(fā)送模塊，超聲波接收模塊，數(shù)碼管顯示模塊以及報(bào)警模塊，實(shí)現(xiàn)了汽車倒

2、車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的超聲測(cè)距，并根據(jù)障礙物與車尾距離遠(yuǎn)近發(fā)出報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。關(guān)鍵詞：超聲波 測(cè)距 AT89C51 倒車 1 緒論倒車?yán)走_(dá)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(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視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。 超聲波測(cè)距由于其能夠進(jìn)行非接觸測(cè)量和相對(duì)較高的測(cè)量精度， 越來(lái)越被人們所重視。超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)一般由超聲波傳感器、控制器和顯示器等 部分組成，現(xiàn)在市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測(cè)距原理，駕駛者在倒車時(shí)， 啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器

3、的控制下，由裝置于車尾保險(xiǎn)杠上的發(fā)送超聲波， 遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hào)，得到及時(shí)警示 。2 總體設(shè)計(jì)方案 超聲波 發(fā)射 鍵盤(pán)控制 單 片 超聲波 接收 放大 比較 機(jī) LED 數(shù)碼 管顯示圖 2-1 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)總框圖該設(shè)計(jì)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，本進(jìn)行

4、聲光報(bào)警 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)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。 2.1 超聲波測(cè)距 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距是通過(guò)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。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(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_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。定時(shí)器 調(diào)制器 振蕩器 電聲換能器 控制 計(jì)時(shí)器 顯示器2.1.3提

5、高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)聲波的傳播速度主要受空氣密度所的影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。由此可見(jiàn)，測(cè)量精度 與溫度有著直接的關(guān)系，采用 DS18B20 溫度傳感器，對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量， 并在軟件中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 2.2 超聲波傳感器 超聲波傳感器原理及結(jié)構(gòu)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(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引 起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，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。 超聲波傳感器的特性超聲波傳感器的基本特性有頻率特性40KHz 處

6、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)。而在 40KHz 兩側(cè)，聲壓 能級(jí)迅速衰減。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，因此超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面， 而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用 之一，以醫(yī)學(xué)為例子說(shuō)明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。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(pán)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

7、部分采用性能較好的 AT89C51 單片機(jī)。 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， 充實(shí)吧探 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(chǎn)生 超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號(hào)，通過(guò)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(wú)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

8、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： 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)，3.2 超聲波檢測(cè)接收電路 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(lái)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 的引腳注釋： （1） l 腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40k 。 （2）2 腳：該腳與 GND 之間連接

9、 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=4.7 ，C=3.3 F。 （3） 3 腳：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(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)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 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

10、，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200k 時(shí)，fn42kHz，若取 R=220k ，則中心頻率 f038KHz。 （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(kāi)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 22k ，沒(méi)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： 電源正極，4.5V5V。 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

11、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。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。可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。（1） 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(shí)，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，故反射回來(lái)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(guò)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(guò)反饋將

12、放大器設(shè)定于適當(dāng)?shù)?狀態(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(guò)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(lái)。 （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，輸出較好的矩形波。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)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(guò)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 3-3 所示：3.

13、3.1 AT89C51 單片機(jī)的原理及工作特點(diǎn)略 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)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 tr，然后求出距離 SCt/2，式中的 C 為超聲波波速。 壓電陶瓷超聲波傳感器 (TCF40-18TR1)壓電陶瓷超聲傳感器適用范圍 家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝置；超聲測(cè)距及汽車倒車防撞裝 置；液面探測(cè)；超聲波近接開(kāi)關(guān)及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。 穩(wěn)壓電源電路在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯 一的能量來(lái)源， 穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將 50Hz 的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電 壓和

14、電流，從而滿足負(fù)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。其電路圖如圖 3-6 所示。 其中，變壓器將交流電源（220V/50Hz）變換位符 合整流電路所需要的交 顯示電路原理超聲波測(cè)距儀顯示模塊電路，通過(guò)單片機(jī)的 25、26、27、28 四個(gè)管腳的信號(hào)控制四個(gè)三極管的 B 極，利用三極管的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管 的點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。采用 LED 動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) PIC 芯片的計(jì)算后 傳到 LED 上，顯示精度是厘米。 單片機(jī) AT89C51 采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減 少測(cè)量誤差。單片機(jī)用 P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40KH

15、z 方波信號(hào)，利 用外中斷 0 口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，用于顯示車尾障礙物的距離，由單片機(jī) P0.0P0.6 接 LED的 ag 七個(gè)筆段，P2.4P2.7 接四位 8550 的公共端，通過(guò)軟件以動(dòng)態(tài)掃描方式顯 示。段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。 圖 3-7 單片機(jī)及顯示系統(tǒng)電路圖 溫度測(cè)量電路利用數(shù)字溫度計(jì)即集成溫度傳感器 DS18B20 和單片機(jī)，構(gòu)成一個(gè)高精度的數(shù)字 溫度檢測(cè)系統(tǒng)。DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同， 能夠直接讀出被測(cè)溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，實(shí)現(xiàn) 912 位的 A/D 轉(zhuǎn)換。因而，使用 DS18B20