基于超声波的倒车雷达设计

题目：超声波倒车雷达系统的设计 学院：物理科学与工程技术学院 专业：电子科学与技术 姓名：韦昌肖 摘 要 随着我国汽车产量的高速发展，尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐年增加，汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个典型。为了降低汽车倒车时的碰撞事故,本文研究了基于超声波的超声测距倒车雷达。本文设计的倒车雷达预警系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物体的距离而设计开发的。该系统将微计算机技术与超声波的测距技术，传感器技术等相结合，以AT89C51单片机作为核心处理器，包括单片机中心控制处理模块，超声波发送模块，超声波接收模块，数码管显示模块以及报警模块，实现了汽车倒车雷达系统的超声测距，并根据障碍物与车尾距离远近发出报警。经实验检验，该系统运行稳定，效果良好。 关键词：超声波 测距 AT89C51 倒车 1 绪论 倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为 直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况， 解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后 左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。 超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度， 越来越被人们所重视。超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器、控制器和显示器等 部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时， 启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的发送超声波， 遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理， 判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示 。 2 总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 超声波 发射 键盘控制 单 片 超声波 接收 放大 比较 机 LED 数码 管显示 图 2-1 倒车雷达系统总框图 该设计是基于 AT89C51 的超声信号检测的。因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在 2.5 米左右。单片机（AT89C51）发出短暂的 40KHz 信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到 LED 显示电路显示，本进行声光报警 最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（AT89C51）能够识别的中断信 号作为回波到达的标志。 2.1 超声波测距 2.1.1 超声波测距原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波， 从而测 出发射和接收回波的时间差 t,然后求出距离 S=Ct/2，式中的 C 为超声波波速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精 度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波 往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。图 2-2 即为超声波测 距的具体流程图。 定时器 调制器 振荡器 电声换能器 控制 计时器 显示器 2.1.3提高精度的方案及系统设计 声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。由此可见，测量精度 与温度有着直接的关系，采用 DS18B20 温度传感器，对外界温度进行测量， 并在软件中实现温度补偿。 2.2 超声波传感器 2.2.1 超声波传感器原理及结构 传感器的主要组成部分是压电晶片。 当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引 起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者 即为超声波的接收。 2.2.2 超声波传感器的特性 超声波传感器的基本特性有频率特性 40KHz 处为超声波 发射传感器的中心频率，在 40KHz 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最 强。而在 40KHz 两侧，声压 能级迅速衰减。超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似，因此超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。 2.2.3 超声波传感器的应用 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面， 而医学应用是其最主要的应用 之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。 3 硬件设计 该系统设计有超声波发射电路、 超声波接收电路、 电源电路、 温度补偿电路、 声报警电路、键盘控制电路、单片机硬件接口电路及显示报警电路组成，该系统 的核心部分采用性能较好的 AT89C51 单片机。 3.1 超声波发射电路 超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分， 充实吧探 头（又称“超声波换能器” ）选用压电式，可采用软件发生法和硬件发生法产生 超声波。前者利用软件产生 40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器， 经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流 100mA 以上的驱动电路。第二种方法是利用超声 波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声 波。这种方法的优点是无需驱动电路，但缺点是灵活性低。本设计采用第二种方 法产生超声波发射信号。40KHz 的超声波是利用 LC 震荡电路振荡产生的，其振 荡频率计算公式如下： 脉冲发射采用软件方式，利用 AT89S51 的 P1.0 口发射 40 kHz 的方波信号， 3.2 超声波检测接收电路 3.2.1 集成电路 CX20106A 集成电路 CX20106A 是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。 常用的载波频率 38khz 与测距的 40khz 较为相近，可以利用它来做接收电路。适 当的改变 C3 的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 CX20106A 的引脚注释： （1） l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40kΩ 。 （2）2 脚：该脚与 GND 之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电 阻 R 或减小 C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。 但 C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数 为 R=4.7Ω ，C=3.3μ F。 （3） 3 脚：该脚与 GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相 应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的 脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为 3.3μ F。 （4）4 脚：接地端。 （5）5 脚：该脚与电源端 VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频 率 f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取 R=200kΩ 时，fn≈42kHz，若取 R=220kΩ ，则中心频率 f0≈38KHz。 （6） 6 脚： 该脚与 GND 之间接入一个积分电容， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值为 330pF，如果该 电容取得太大，会使探测距离变短。 （7） 7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须 接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 22kΩ ，没有接收信号时该 端输出为高电平，有信号时则会下降。 （8） 8 脚： 电源正极，4.5V～5V。 3.2.2 超声波接收电路 超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用与发射端同型号的压电式超声波传感器。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大 电路进行放大。 超声波接收部分采用集成芯片 CX20106A， 这是一款红外线检波接收的专用 芯片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波 器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路。 （1） 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输 时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很 大的变化。为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平 限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。通过反馈将放大器设定于适当的 状态，再由限制电平电路进行自动控制。 （2） 限度放大器：当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅， 同时也可消除寄生调幅干扰。 （3） 宽频带滤波器：其频率范围为 30Hz~60Hz，其中心频率可调。 （4） 检测器：将返回的超声波的包络解调回来。 （5） 积分滤波器与整形电路：检测器输出的信号经积分滤波器送到整形 电路，输出较好的矩形波。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅 值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和 整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。CX20106A 的外部接线图如图 3-3 所示： 3.3.1 AT89C51 单片机的原理及工作特点 略 3.3.2 单片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的 回波，从而测出发射和接收回波的时间差 tr，然后求出距离 S＝Ct/2，式中的 C 为超声波波速。 压电陶瓷超声波传感器 (TCF40-18TR1) 3.3.3压电陶瓷超声传感器适用范围 家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声测距及汽车倒车防撞装 置；液面探测；超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。 3.3.4 稳压电源电路 在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯 一的能量来源， 稳压电源的主要任务是将 50Hz 的电网电压转换成稳定的直流电 压和电流，从而满足负载的需要，直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节 组成。其电路图如图 3-6 所示。 其中，变压器将交流电源（220V/50Hz）变换位符 合整流电路所需要的交 3.3.5 显示电路原理 超声波测距仪显示模块电路，通过单片机的 25、26、27、28 四个管脚的信号控制四个三极管的 B 极，利用三极管的开关特性，实现数码管 的点亮，从而实现动态显示。采用 LED 动态显示，数据经过 PIC 芯片的计算后 传到 LED 上，显示精度是厘米。 单片机 AT89C51 采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减 少测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40KHz 方波信号，利 用外中断 0 口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4 位共阳 LED 数码管，用于显示车尾障碍物的距离，由单片机 P0.0—P0.6 接 LED 的 a~g 七个笔段，P2.4~P2.7 接四位 8550 的公共端，通过软件以动态扫描方式显 示。段码用 74LS244 驱动，位码用 PNP 三极管 8550 驱动。 图 3-7 单片机及显示系统电路图 3.3.6 温度测量电路 利用数字温度计即集成温度传感器 DS18B20 和单片机，构成一个高精度的数字 温度检测系统。DS18B20 数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同， 能够直接读出被测温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现 9～12 位的 A/D 转换。因而，使用 DS18B20 可使系统结构更简单，同时可靠性更高。 温度测量范围从-55～+125℃，在-10～+85℃检测误差不超过 0.5℃，而在整个温 度测量范围内具有±2℃的测量精度。 3.3.7 键盘控制电路 此键盘与单片机 P2 口四个引脚相接，用于对报警距离进行设定。其中 S1 表示“确定”按键；S2 表示“减一” ；S3 表示“加一” 、S4 表示循环移位，对不 同位置进行选择。驾驶员可以根据自身要求对报警距离进行设定，从而大大提高 了驾驶的安全系数。 4 软件设计 软件设计的总体结构框图如图 4-1：