倒車雷達系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p><b>　　倒車雷達系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　【摘要】倒車雷達（Car Reversing Aid Systems）的全稱是“倒車防撞雷達”,</p><p>　　也稱“泊車輔助裝置”,是汽車泊車安全輔助裝置, 能以聲音或者更為直觀的顯</p><p>　　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

2、時前后左右探視</p><p>　　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。</p><p>　　本文介紹基于單片機控制的倒車雷達系統(tǒng)，由單片機控制時間計數(shù)，計算超聲波</p><p>　　自發(fā)射至接收的往返時間，利用聲波在空氣中的傳輸速度，從而得到實測距離。</p><p>　　再根據(jù)障礙物與車尾的距離遠近情

3、況發(fā)出警報。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 單片機，超聲波測距，倒車雷達，超聲波換能器。</p><p>　　【前言】隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，尤其是近幾年來，我國開始進入私家車</p><p>　　時代，汽車的數(shù)量逐年增加，造成公路、街道、停車場、車庫等越來越擁擠。汽</p><p>　　車駕駛員越來越擔(dān)心車的安全了，其中倒車就是一個典

4、型。本文設(shè)計的倒車雷達</p><p>　　預(yù)警系統(tǒng)主要是針對汽車倒車時人無法目測到車尾與障礙物體的距離而開發(fā)設(shè)</p><p>　　計的。該系統(tǒng)將單片機技術(shù)與超聲波的測距技術(shù)、傳感器技術(shù)等相結(jié)合，可以測</p><p>　　到汽車倒車中，其障礙物與汽車的距離，通過 LED 顯示屏顯示距離，并根據(jù)遠近</p><p><b>　　發(fā)

5、出警報。</b></p><p>　　一、 超聲波測距原理</p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)</p><p>　　射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙</p><p>　　物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。</p&

6、gt;<p>　　測距的公式表示為：L=C×T </p><p>　　式中 L 為測量的距離長度；C 為超聲波在空氣中的傳播速度；T 為測量距離</p><p>　　傳播的時間差(T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。</p><p>　　超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然</p><p>

7、　　目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。</p><p>　　由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直</p><p>　　接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到</p><p>　　毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的</p>&l

8、t;p>　　測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以</p><p>　　及用 LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測</p><p>　　距儀能達到毫米級的測量精度。</p><p>　　1.1超聲波測距誤差分析</p><p>　　根據(jù)超聲波測距公式L=C×

9、T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差</p><p>　　和測量距離傳播的時間誤差引起的。</p><p><b>　　1.2時間誤差</b></p><p>　　當(dāng)要求測距誤差小于 1mm 時，假設(shè)已知超聲波速度 C=344m/s (20℃室溫)，忽略</p><p>　　聲速的傳播誤差。測距誤差 s△t<

10、;(0.001/344)≈0.000002907s即 2.907ms。</p><p>　　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</p><p>　　微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的</p><p>　　89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 89C

11、51 定時器</p><p>　　能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。</p><p>　　1.3 超聲波傳播速度誤差</p><p>　　超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速</p><p>　　度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表 1 所示。</p><p>　　已知

12、超聲波速度與溫度的關(guān)系近似如下：</p><p>　　C=C0+0.607×T℃</p><p>　　r—氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為 1.40，</p><p>　　R—氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，</p><p>　　M—氣體分子量，空氣為 28.8×10-3kg

13、·mol-1，</p><p>　　T—絕對溫度，273K+T℃。</p><p>　　式中：C0 為零度時的聲波速度 332m/s；</p><p>　　T 為實際溫度(℃)。</p><p>　　測試精度：空氣中測距精度小于或等于 1% ±1 厘米。溫度：值精度小于或等于 1%,-20--60 攝氏度。</p&

14、gt;<p>　　對于超聲波測距精度要求達到 1mm 時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮</p><p>　　進去。例如當(dāng)溫度 0℃時超聲波速度是 332m/s, 30℃時是 350m/s，溫度變化引</p><p>　　起的超聲波速度變化為 18m/s。若超聲波在 30℃的環(huán)境下以 0℃的聲速測量 100m</p><p>　　距離所引起的測量誤差

15、將達到 5m，測量 1m 誤差將達到 5mm。</p><p>　　美國國家半導(dǎo)體公司的 LM92溫度傳感器的溫度測試分辨率為 0.0625℃，</p><p>　　-10℃至+85℃準確度為±1.0℃，I2C 總線接口。用 89C51的通用 I/O 端口能很</p><p>　　容易的模擬 I2C 總線的讀寫時序，LM92的高精度溫度測量能很好的補

16、償超聲波</p><p>　　在不同溫度的傳播速度。</p><p>　　為了簡化設(shè)計本設(shè)計不采用溫度補償。</p><p><b>　　二、 整體方案設(shè)計</b></p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上</p><p>　　講，超聲波發(fā)生器可以分為

17、兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機</p><p>　　械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有</p><p>　　加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各</p><p>　　不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式</p><p>　　

18、超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如</p><p>　　圖 1 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率</p><p>　　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，并帶動共振板振動，</p><p>　　便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將</p>

19、;<p>　　壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。</p><p>　　在超聲探測電路中，在發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的</p><p>　　寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時間間隔，顯然被測物距離越大，脈沖寬度越大，</p><p>　　輸出脈沖的個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：</p

20、><p>　　(1)取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(電壓的幅值基本固定)與距離成正比，</p><p>　　測量電壓即可測得距離；</p><p>　　(2)測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t。因此，</p><p>　　被測距離為 S=1/2vt。</p><p>　　本測量電路采用第二種方案。&

21、lt;/p><p>　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，附表列出了幾種不同溫度</p><p>　　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</p><p>　　距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?lt;/p><p>　　本系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射功率區(qū)配電路、接受電路、發(fā)聲電路、以及顯示電路，&

22、lt;/p><p>　　各信號線與控制線都接主控芯片 STC89C51，并在 STC89C51 的指揮下統(tǒng)一協(xié)調(diào)工</p><p>　　作，如圖 1 所示,駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后,系統(tǒng)自動啟動,超聲波發(fā)送模塊向</p><p>　　后發(fā)射 40kHz 的超聲波信號,經(jīng)障礙物反射,由超聲波接收模塊收集,進行放大和</p><p>　　比較,單片機

23、STC89C51將此信號送入顯示模塊,同時觸發(fā)語音電路,發(fā)出同步語</p><p>　　音提示,當(dāng)與障礙物距離不同時,發(fā)出不同的報警聲,提醒駕駛員停車。</p><p><b>　　圖 1、系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　三、 器件介紹</b></p><p>　　3.1 STC

24、89C51 單片機介紹</p><p>　　STC 單片機是一款增強型 51 單片機，完全兼容 MCS-51，還增加了新的功能，</p><p>　　比如新增兩級中斷優(yōu)先級，多一個外中斷，內(nèi)置EEPROM，硬件看門狗，具有掉</p><p>　　電模式，512B 內(nèi)存等。還支持 ISP 下載，不用編程器，只要一個 MAX232 和一些</p><

25、;p>　　廉價的元件就能寫程序，可擦寫 10 萬次。因此是一款很好用的單片機。</p><p>　　選用 STC 單片機的 12 大理由：</p><p>　　01.與 MCS-51 單片機完全兼容：指令兼容，引腳兼容，因此易學(xué)；</p><p>　　02.高保密性：無法讀出，因此無法解密，保護知識產(chǎn)權(quán)的首選；</p><p>　　

26、03.超強抗干擾能力：電源、I/O 口、時鐘均有抗干擾措施，是工程應(yīng)用的</p><p><b>　　首選：</b></p><p>　?、俑呖轨o電（ESD 保護）；</p><p>　?、谳p松過 2KV/4KV 快速脈沖干擾（EFT 測試）；</p><p>　　04.高可靠性，工程應(yīng)用的首選：</p&g

27、t;<p>　?、賹掚妷悍秶慌码娫床▌樱?V 產(chǎn)品 3.4V～6V，3V 產(chǎn)品 1.9V～4V；</p><p>　?、趯挏囟确秶?40 oC～85 oC；</p><p>　　05.低電磁輻射：</p><p>　?、倏山?ALE 輸出，降低輻射；</p><p>　?、诳蛇x 6 時鐘/機器周期，降低晶振頻率

28、，降低輻射；</p><p>　　③單片機時鐘振蕩器增益可設(shè)為 1/2；</p><p><b>　　06.超低功耗：</b></p><p>　?、俚綦娔Ｊ降湫凸模骸?01Aμ,可由外中斷喚醒；</p><p>　?、诳臻e模式典型功耗：2mA；</p><p>　?、壅９ぷ鞯湫凸?/p>

29、：4mA～7； mA </p><p>　　07.在系統(tǒng)可編程，無需編程器，無需仿真器，節(jié)約投資；</p><p>　　08.可遠程升級和隨時升級，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升產(chǎn)品性能；</p><p>　　09.強驅(qū)動能力：無論拉電流還是灌電流，均優(yōu)于 MCS-51 單片機；</p><p>　　10．高速度：0～80MHz，最高達 90

30、MHz。</p><p>　　11．產(chǎn)品封裝形式多樣：</p><p>　?、僖_從 20，28，32，40，44 等多種型號可供選擇；</p><p>　?、?PDIP-20、PDIP-28、PDIP-32、PDIP-40、SOP-28、SOP-32、PLCC-44、PQFP-44、</p><p>　　圖 2、STC 單片機結(jié)構(gòu)圖<

31、;/p><p>　　LQFP-44 等多種封裝可供選擇；</p><p>　　12．內(nèi)部資源更豐富。與 MCS-51 單片機相比，增加了：</p><p>　?、?T2 定時/計數(shù)器；</p><p>　?、趦?nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 RAM 增加了 1～8 倍，空間大小隨型號不同而不同；</p><p>　?、鄞蟛糠之a(chǎn)品自帶 E

32、2PROM，空間大小隨型號不同而不同；</p><p>　?、懿糠之a(chǎn)品自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D 和 PWM；</p><p>　?、莶糠之a(chǎn)品有 P4 口</p><p><b>　　圖 3、引腳分布圖</b></p><p>　　STC89C51 分部圖如圖 3 所示。</p><p>　　3.

33、2 LM324 介紹</p><p>　　LM324 為四運放集成電路，采用 14 腳雙列直插塑料封裝。，內(nèi)部有四個運算放大器，</p><p>　　有相位補償電路。電路功耗很小，lm324 工作電壓范圍寬，可用正電源 3～30V，或正負雙</p><p>　　電源±1．5V～±15V 工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為 O～Vcc

34、。它的內(nèi)</p><p>　　部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。每一組運算放</p><p>　　大器可用如圖所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、</p><p>　　“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運</p>&

35、lt;p>　　放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo</p><p>　　的信號與該輸入端的相位相同。 LM324 引腳排列見圖 1。2。 lm124、lm224 和 lm324 引腳</p><p>　　功能及內(nèi)部電路完全一致。lm124 是軍品；lm224 為工業(yè)品；而 lm324 為民品。由于 LM324</p>

36、;<p>　　四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等特點，因此他被</p><p>　　非常廣泛的應(yīng)用在各種電路中。</p><p>　　圖 4、LM324 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖。</b></p><p>　　圖 5、LM324 內(nèi)部原理圖<

37、;/p><p>　　如圖 5 所示,內(nèi)部原理圖</p><p>　　3.3 LM386 介紹</p><p>　　LM386 是一種集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍</p><p>　　大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。</p><p>　　LM386 內(nèi)部電路<

38、/p><p>　　LM386 內(nèi)部電路原理圖如圖所示。與通用型集成運放相類似，它是一個三級</p><p><b>　　放大電路。</b></p><p>　　第一級為差分放大電路，T1 和 T3、T2 和 T4 分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放</p><p>　　大電路的放大管；T5 和 T6 組成鏡像電流源作為 T1 和 T

39、2 的有源負載；T3 和 T4</p><p>　　信號從管的基極輸入，從 T2 管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。</p><p>　　使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負載，可使單端輸出電路的增益近似等于</p><p>　　雙端輸出電容的增益。</p><p>　　圖 6、LM386 內(nèi)部電路圖</p><

40、p>　　第二級為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負載，以增大放大倍</p><p><b>　　數(shù)。</b></p><p>　　第三級中的 T8 和 T9 管復(fù)合成 PNP 型管，與 NPN 型管 T10 構(gòu)成準互補輸出級。</p><p>　　二極管 D1 和 D2 為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。</p

41、><p>　　引腳 2 為反相輸入端，引腳 3 為同相輸入端。電路由單電源供電，故為 OTL</p><p>　　電路。輸出端（引腳 5）應(yīng)外接輸出電容后再接負載。</p><p>　　電阻 R7 從輸出端連接到 T2 的發(fā)射極，形成反饋通路，并與 R5 和 R6 構(gòu)成反</p><p>　　饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，使整個電路具有穩(wěn)

42、定的電壓增益。</p><p>　　LM386 的引腳圖</p><p>　　圖 7、LM386 的引腳圖</p><p>　　LM386 的外形和引腳的排列如上圖所示。引腳 2 為反相輸入端，3 為同相輸</p><p>　　入端；引腳 5 為輸出端；引腳 6 和 4 分別為電源和地；引腳 1 和 8 為電壓增益設(shè)</p>&

43、lt;p>　　定端；使用時在引腳 7 和地之間接旁路電容，通常取 10μF。</p><p>　　LM386 的外形和引腳的排列如右圖所示。引腳 2 為反相輸入端，3 為同相輸</p><p>　　入端；引腳 5 為輸出端；引腳 6 和 4 分別為電源和地；引腳 1 和 8 為電壓增益設(shè)</p><p>　　定端；使用時在引腳 7 和地之間接旁路電容，通常取

44、10μF。</p><p><b>　　四、 單元電路介紹</b></p><p>　　4.1 超聲波發(fā)送模塊設(shè)計</p><p>　　超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分,超聲波</p><p>　　探頭（又稱“超聲波換能器”）選用 CSB40T,可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)</p>

45、<p>　　生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生 40kHz 的超聲波信號,通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器,</p><p>　　經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件,靈活性</p><p>　　好,但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流在 100mA 以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲</p><p>　　波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號,并直

46、接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲</p><p>　　波。這種方法的優(yōu)點是無須驅(qū)動電路,但缺乏靈活性。</p><p>　　本設(shè)計采用第二種方法產(chǎn)生超聲波,電路設(shè)計如圖 8所示。40kHz 的超聲波</p><p>　　是利用單片機產(chǎn)生的。調(diào)節(jié)信號頻率,使之與換能器的 40kHz 固有頻率一致。為</p><p>　　保證 LM386 具有足夠的驅(qū)動能

47、力,宜采用+12V 電源。CNT 為超聲波發(fā)射控制信號,</p><p><b>　　由單片機進行控制。</b></p><p><b>　　CNT</b></p><p><b>　　R18</b></p><p><b>　　50K C11</b>&l

48、t;/p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　U3</b></p><p><b>　　VS6</b></p><p><b>　　5</b><

49、/p><p><b>　　BYP7</b></p><p><b>　　GAIN1</b></p><p><b>　　12V</b></p><p><b>　　C10</b></p><p><b>　　100u</

50、b></p><p><b>　　LS2</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　10u</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　4GN

51、D</b></p><p><b>　　LM386N-1</b></p><p><b>　　GAIN8</b></p><p><b>　　R21</b></p><p><b>　　C14100K</b></p><p

52、><b>　　10u</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　CSB40R</b></p><p>　　圖 8、超聲波發(fā)送模塊電路</p><p>　　4.2 超聲波接收模塊設(shè)計</p><p>　　超聲波

53、接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。</p><p>　　超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號, 關(guān)鍵是頻率要一致,本設(shè)計采用</p><p>　　CSB40R,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</p><p>　　后的正弦波電信號非常弱,因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單</p>

54、<p>　　片機接收,必須進行波形變換。按照上面所討論的原理,單片機需要的只是第一個</p><p>　　回波的時刻。接收電路的設(shè)計可采用專用接收電路,也可采用通用電路來實現(xiàn),</p><p><b>　　如圖 9 所示。</b></p><p>　　超聲波在空氣中傳播時,其能量的衰減與距離成正比,即距離越近信號越強,</p&g

55、t;<p>　　距離越遠信號越弱,通常在 1mV～1V 之間。當(dāng)然,不同接收探頭的輸出信號強度存</p><p>　　在差異。由于輸入信號的范圍較大,對放大電路的增益提出了兩個要求：一是放</p><p>　　大增益要大,以適應(yīng)小信號時的需要;二是放大增益要能變化,以適應(yīng)信號變化范</p><p>　　圍大的需要。另外,由于輸入信號為正弦波,因此必須將

56、放大電路設(shè)計成交流放大</p><p>　　電路。為減少負電源的使用,放大電路采用單電源供電,信號放大和變換采用了一</p><p>　　片 LM324 通用運算放大器,前三級為放大器設(shè)計,后一級為比較器設(shè)計。LM324 既</p><p>　　可以雙電源工作,也可以單電源工作,因此能滿足使用要求。為滿足交流信號的需</p><p>　　要,

57、每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移,即圖 3 中的 C7、C21、C22 和</p><p>　　C24,容量均為 10μF,實現(xiàn)單電源條件下交流信號的放大。對于交流信號而言,電</p><p>　　容為短路,因此前三級放大電路的增益均為10。距離較近時,兩級放大的增益已</p><p>　　能夠輸出足夠強度的信號了,第三級有可能出現(xiàn)信號飽和,但距離較遠時,

58、必須采</p><p>　　用三級放大。合理調(diào)節(jié)電位器R27,選擇比較基準電壓,可使測量更加準確和穩(wěn)</p><p><b>　　定。</b></p><p>　　圖 9、超聲波發(fā)送模塊電路</p><p>　　4.3 報警電路設(shè)計</p><p>　　報警是指當(dāng)?shù)管嚴走_探測到的距離小于所設(shè)定

59、的安全值時,發(fā)出聲音提醒駕</p><p>　　駛員,語音電路設(shè)計如圖 10 所示。SP 端高電平發(fā)聲。</p><p><b>　　LS1</b></p><p><b>　　蜂 鳴 器</b></p><p><b>　　GND</b></p><p&g

60、t;<b>　　Q2</b></p><p><b>　　9014</b></p><p><b>　　R19</b></p><p><b>　　4.7K</b></p><p><b>　　5V</b></p>&l

61、t;p><b>　　SP</b></p><p><b>　　4.4 顯示電路</b></p><p><b>　　圖 10、報警電路</b></p><p>　　用三位 LED 顯示，動態(tài)掃描顯示。P0 口顯示數(shù)字，P2 口位選。電路如圖 11</p><p><

62、b>　　所示：</b></p><p>　　D[2 ... 0]</p><p><b>　　5V</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　Q3</b></p><p><b>　　9014

63、</b></p><p><b>　　R24</b></p><p><b>　　4.7K</b></p><p><b>　　LED1</b></p><p><b>　　D1</b></p><p><b>

64、;　　5V</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　Q4</b></p><p><b>　　9014</b></p><p><b>　　R25</b></p><p><b&

65、gt;　　4.7K</b></p><p><b>　　D2</b></p><p><b>　　5V</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　Q5</b></p><p><b

66、>　　9014</b></p><p><b>　　R23</b></p><p><b>　　4.7K</b></p><p><b>　　D3</b></p><p><b>　　a11</b></p><p>

67、;<b>　　A0</b></p><p>　　R26560L0</p><p><b>　　b7</b></p><p><b>　　c4</b></p><p><b>　　A1</b></p><p><b>　

68、　A2</b></p><p>　　R27560L1</p><p>　　R28560L2</p><p><b>　　d2</b></p><p><b>　　e1</b></p><p><b>　　f10</b></p&g

69、t;<p><b>　　g5</b></p><p><b>　　A3</b></p><p><b>　　A4</b></p><p><b>　　A5</b></p><p><b>　　A6</b></p&g

70、t;<p>　　R29560L3</p><p>　　R30560L4</p><p>　　R31560L5</p><p>　　R32560L6</p><p><b>　　dp3</b></p><p><b>　　NG6</b></p

71、><p><b>　　A7</b></p><p><b>　　3</b></p><p>　　R33560L7</p><p><b>　　38</b></p><p><b>　　2</b></p><p&g

72、t;<b>　　3_LED</b></p><p><b>　　29</b></p><p><b>　　112</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　圖 11、顯示電路</b></p>

73、;<p>　　A[7 ... 0]</p><p><b>　　4.5單片機系統(tǒng)</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用 STC89C51 來實現(xiàn)對 CSB40 系列傳感器及其他模塊的控制。單片</p><p>　　機通過 P1.1 口控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測 CSBI 引腳，當(dāng) CSBI</p>&

74、lt;p>　　引腳的電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就</p><p>　　是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。超</p><p>　　聲波測距的硬件示意圖如圖 12 所示：</p><p>　　A[7 ... 0]</p><p><b>　　5V</b&g

75、t;</p><p><b>　　C9</b></p><p><b>　　10u</b></p><p><b>　　C12</b></p><p><b>　　30p</b></p><p><b>　　Y1</

76、b></p><p><b>　　12M</b></p><p><b>　　C13</b></p><p><b>　　30p</b></p><p><b>　　U2</b></p><p><b>　　19X

77、TAL1</b></p><p><b>　　18XTAL2</b></p><p><b>　　VCC40</b></p><p>　　P0.0/AD039</p><p>　　P0.1/AD138</p><p>　　P0.2/AD237</p>

78、<p>　　P0.3/AD336</p><p>　　P0.4/AD435</p><p>　　P0.5/AD534</p><p><b>　　5V</b></p><p><b>　　L0</b></p><p><b>　　L1</b>

79、;</p><p><b>　　L2</b></p><p><b>　　L3</b></p><p><b>　　L4</b></p><p><b>　　L5</b></p><p><b>　　R20</b&g

80、t;</p><p><b>　　4.7K</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　R222K</b></p><p><b>　　9R

81、ST</b></p><p><b>　　31EA/VPP</b></p><p><b>　　29PSEN</b></p><p><b>　　30ALE</b></p><p>　　P0.6/AD633</p><p>　　P0.7/

82、AD732</p><p><b>　　P1.0/T21</b></p><p>　　P1.1/T2EX2</p><p><b>　　P1.23</b></p><p><b>　　P1.34</b></p><p><b>　　L6<

83、/b></p><p><b>　　L7</b></p><p><b>　　CSBI</b></p><p><b>　　CNT</b></p><p><b>　　P1</b></p><p><b>　　4&l

84、t;/b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　5V</b></p><p><b>　　5V</

85、b></p><p><b>　　RXD</b></p><p><b>　　TXD</b></p><p><b>　　RXD</b></p><p><b>　　TXD</b></p><p>　　10P3.0/RxD&

86、lt;/p><p>　　11P3.1/TxD</p><p>　　12P3.2/INT0</p><p>　　13P3.3/INT1</p><p>　　14P3.4/T0</p><p>　　15P3.5/T1</p><p>　　16P3.6/WR</p><p&

87、gt;　　17P3.7/RD</p><p><b>　　P1.45</b></p><p><b>　　P1.56</b></p><p><b>　　P1.67</b></p><p><b>　　P1.78</b></p><p

88、><b>　　P2.0/A821</b></p><p><b>　　P2.1/A922</b></p><p>　　P2.2/A1023</p><p>　　P2.3/A1124</p><p><b>　　SP</b></p><p><

89、b>　　Header 4</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　五、 系統(tǒng)軟件</b></p><p><b>　　20VSS</b></p><p><b>　　AT89C2051</b><

90、;/p><p>　　圖 12、單片機系統(tǒng)</p><p>　　P2.4/A1225</p><p>　　P2.5/A1326</p><p>　　P2.6/A1427</p><p>　　P2.7/A1528</p><p><b>　　D1</b></p>&l

91、t;p><b>　　D2</b></p><p><b>　　D3</b></p><p>　　D[2 ... 0]</p><p>　　STC89C2051單片機及其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達能</p><p>　　力強、可進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質(zhì)

92、量高、使用方</p><p>　　便等諸多優(yōu)點。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)手柄轉(zhuǎn)入倒車檔，主</p><p>　　程序開始調(diào)用測量子程序、顯示子程序和語音提示子程序，完成整個檢測提示過</p><p>　　程，如圖 13 所示。</p><p>　　圖 13、主程序流程圖</p><p>　　圖 14、定時

93、中斷子程序</p><p><b>　　六、 誤差分析</b></p><p>　　圖 15、外部中斷子程序</p><p>　　6.1 環(huán)境對測量的影響：</p><p>　　聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān),因此,利用聲速測量距離,就要</p><p>　　考慮這些因素對聲速影響。在氣體

94、中,壓強、溫度、濕度等因素會引起密度變化,</p><p>　　氣體中聲速主要受密度影響,液體的深度、溫度等因素會引起密度變化,固體中彈</p><p>　　性模量對聲速影響較密度影響更大,一般超聲波在固體中傳播速度最快,液體次</p><p>　　之,在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度的影響最大。聲波擾動是機械</p><p>　　的

95、,聲波在傳播中帶有機械能量,聲能傳播的途中逐漸轉(zhuǎn)變成熱,從而出現(xiàn)隨距離</p><p>　　而逐漸衰減的現(xiàn)象,稱為聲吸收。聲波的頻率越高衰減得越厲害,傳播距離也越短,</p><p>　　在給定的頻率下,衰減是濕度的函數(shù)。</p><p><b>　　超聲發(fā)送和接收：</b></p><p>　　超聲傳感器等效為 1個

96、電感器、2個電容器和 1個電阻器串并聯(lián)電路如圖</p><p><b>　　所示。</b></p><p>　　圖中,左右兩側(cè)呈現(xiàn)容性,中間呈現(xiàn)感性,是一種典型高 Q值晶體振子特性。</p><p>　　在 fS和 f P處出現(xiàn) 2個阻抗最低點,因此,有 2個諧振峰。發(fā)送傳感器在串聯(lián)</p><p>　　諧

97、振峰有最高靈敏度,接收傳感器在并聯(lián)諧振峰有最高靈敏度。電路激勵和接收</p><p>　　頻率要考慮在此諧振點工作,此外,由于通常需要大功率驅(qū)動,可考慮用諧振升壓</p><p>　　推動。超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有: 1，量程范圍;2， 目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。</p><p>　　超聲波頻率高對探測較小目標(biāo)有利,有效反射目標(biāo)應(yīng)大于至少</p><

98、;p>　　10個波長以上,對于非垂直于發(fā)射波束的目標(biāo),大波束角的傳感器通常可</p><p>　　以獲得更強的回波信號,而波束角越窄對于減小散射波的干擾越有利。</p><p>　　回波測量的計時準確度：</p><p>　　在室溫下,空氣中的聲速是345 m/ s ,考慮反射式測量有2倍路程,采用 1</p><p>　　M

99、Hz的計數(shù)頻率測時,對應(yīng)最小分辨力為0.172mm。這種分辨力可以滿足大多數(shù)</p><p><b>　　工業(yè)測量場合。</b></p><p>　　回波信號放大與整形：</p><p>　　接收傳感器的感應(yīng)信號通常是 mV級,需要經(jīng)過上百近千倍的增益放大,然后</p><p>　　再整形。采用調(diào)諧放大器比直接放大

100、器雖然復(fù)雜,但可以獲得更高的信噪比。由</p><p>　　于聲波在傳輸過程中的吸收衰減和擴散損失,聲強隨目標(biāo)距離增大而衰減,在量</p><p>　　程范圍內(nèi),最近目標(biāo)和最遠目標(biāo)的回波幅度可能相差 1個數(shù)量級。遠目標(biāo)回波信</p><p>　　號幅度小、信噪比低,可能導(dǎo)致整形失敗或者是越過門檻的時刻前后移動,這是影</p><p>　　響

101、大多數(shù)測距裝置重復(fù)性和測量準確度的一個原因。以40 kHz聲波頻率為例,</p><p>　　采用 1 MHz計數(shù)頻率,若越過門檻的時刻前后移動僅僅 2個周期,就會產(chǎn)生 50μ</p><p>　　s誤差,相應(yīng)測距誤差為 0. 172 0 mm×50 = 8. 6mm?？煽紤]放大器采用 AGC自</p><p>　　動增益控制,但仍然未能解決

102、問題,因為AGC電路(包括放大器本身)對信號的階</p><p>　　躍響應(yīng)有滯后,瞬時跟蹤性不佳,而回波信號恰恰是爆發(fā)性的。由此不應(yīng)該對近程</p><p>　　的強回波信號和遠程的弱回波信號采用同一個門檻電壓,恒定的門檻閾值相對強</p><p>　　信號偏低,本可以被壓制的噪聲信號不能壓制。而對弱信號而言,相對又太高,更</p><p&

103、gt;　　容易被疊加的噪聲信號誤觸發(fā)。可采用的方法是專門產(chǎn)生一個隨時間減小的閾值</p><p><b>　　信號。</b></p><p>　　七、 系統(tǒng)性能改善和增大測量距離討論</p><p><b>　　7.1 硬件</b></p><p>　?。?）接收放大電路，可加入帶通濾波或鎖相放大（

104、LM567）以盡可能減少干</p><p>　　擾信號引起誤觸發(fā)，另外為防止發(fā)射信號直接進入接收端所以設(shè)置一定的延時。</p><p>　　鎖相應(yīng)用電路，調(diào)整在 40KHZ 上，但要考慮加入后對接收處理的延時，用軟件調(diào)</p><p><b>　　整。</b></p><p>　　另一方面可采用自動增益補償技術(shù),隨著時間

105、的增加, AGC的放大倍數(shù)呈指</p><p>　　數(shù)規(guī)律變化,從而保證了超聲波接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅變</p><p>　　化,使得每次在同一個波頭觸發(fā)計時電路,提高了系統(tǒng)測量準確度。電路可以采用</p><p>　　如下圖所示或者采用單片 AD603 實現(xiàn)，在這里不具體討論。 （2）發(fā)射驅(qū)動電路，</p><p>　　

106、為放大驅(qū)動脈沖可以再加入一級三極管放大電路，三極管要選用高頻的如9018</p><p>　　以減少放大后波形的失真；另一方面還可以根據(jù)超聲波發(fā)生器的特點合理設(shè)計阻</p><p>　　抗匹配，功放效率和機電轉(zhuǎn)換效率；為此可采用脈沖變壓器，脈沖變壓器是超聲</p><p>　　換能器驅(qū)動電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號，并使功率放大</p>

107、;<p>　　器的輸出阻抗與換能器的負載阻抗匹配。一般脈沖變壓器以變壓器的功率、原副</p><p>　　邊電壓信號的幅值確定變壓器的尺寸和變比；而超聲換能器驅(qū)動用變壓器則主要</p><p>　　以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。缺點是制作和測量都</p><p>　　比較麻煩。在大量程應(yīng)用場合還可以應(yīng)用電容瞬間放電或電感瞬間放電產(chǎn)

108、生高壓</p><p><b>　　激勵脈沖。</b></p><p>　　（3）其它可改善的地方，可采用超聲波測距專用芯片 SB5027；也可以采用</p><p>　　LM1812N 單片超聲波收發(fā)集成電路。</p><p>　　另外可以采用時間放大技術(shù)提供測量精度，主要考慮單片機時鐘脈寬對測量</p>

109、<p>　　精度的影響，因為根據(jù)前面討論的超聲波的速度340M/S，當(dāng)單片機頻率較低時</p><p>　　對測量精度的影響較大，不僅記數(shù)脈沖變少，而且回波到達時間點在一個時鐘周</p><p>　　期中的位置將不確定，時差檢測采用的方法是對普通的晶體振蕩器分頻后作為計</p><p>　　數(shù)器的時鐘，探頭發(fā)射超聲波以后再開始計數(shù)。當(dāng)收到回波時比較器翻

110、轉(zhuǎn)時停止</p><p>　　計數(shù)，對于剩余的不到一個時鐘周期的時間計量，可通過時間放大技術(shù)，然后經(jīng)</p><p>　　過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號實現(xiàn)。其克服了測量精度受時鐘頻率限制，測時誤差</p><p>　　比較大的缺點，將數(shù)字法測時誤差減小到原來的1/K，即將超聲波測距的測量</p><p>　　精度提高了K倍?；陔娙莩?/p>

111、、放電的時間放大技術(shù)成本低、難度小，用較低</p><p>　　的時鐘頻率可將測量精度提高 1～2 個數(shù)量級，與直接計數(shù)測量法相結(jié)合，可用</p><p><b>　　于中、遠距離測量。</b></p><p><b>　　7.2 軟件</b></p><p>　?。?）由于單片機處理速度快，所以可

112、以采用測量多次取平均值的方法進一</p><p>　　步減小誤差，另外考慮到在測量的距離超過一定限度后誤差會變大，可以在大于</p><p>　　一定距離后采用軟件修正，補償實際測的數(shù)據(jù)，當(dāng)然這要在調(diào)試中收集大量的實</p><p>　　際測試數(shù)據(jù)后在單片機中設(shè)置，如果在 5M后的數(shù)據(jù)實行軟件修正，則 5M—10M</p><p>　　的數(shù)

113、據(jù)占用 1K左右的字節(jié)（每個數(shù)據(jù)占兩個字節(jié)，無符號整數(shù) 500—1000，單</p><p>　　位為厘米），一般的單片機都能勝任。軟件算法可采用查表，如果要加快數(shù)據(jù)處</p><p>　　理速度還可以在單片機外圍加上 RAM 存儲修正數(shù)據(jù)，要減少數(shù)據(jù)量的話可以用曲</p><p>　　線擬和或最小平方逼近。這些在增大測量距離和提高測量精度的應(yīng)用上都有實際<

114、/p><p><b>　　意義。</b></p><p><b>　　八、 部分源代碼</b></p><p>　　# pragma DB OE CD OT(5,SPEED) ROM(LARGE)IV</p><p>　　/*連接所需要的庫*/</p><p>　　#includ

115、e<reg52.h></p><p>　　#include<absacc.h></p><p>　　#include<stdio.h></p><p>　　/*定義數(shù)據(jù)類型*/</p><p>　　typedef unsingned char byte;</p><p>　　type

116、def unsigned int word</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define unint unsigned int</p><p>　　#define ulong unsigned long</p><p>　　/*定義系統(tǒng)常數(shù)*/</p><p

117、>　　#define TRUE 1</p><p>　　#define FALSE 0</p><p>　　#define C=340 /*聲速*/</p><p><b>　　/*定義功能位*/</b></p><p>　　sbit bflag=ACC7;</p><p>　　sbit V

118、OLCK=P1^5;</p><p>　　sbit MING=P3^5;</p><p>　　sbit QUIET=P1^3;</p><p>　　sbit BACK=P1^2;</p><p>　　/*定義顯示緩沖區(qū)*/</p><p>　　Uchar idata</p><p>　　ON[1

119、6]={’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=’,’8’,’.</p><p>　　’,’8’8’,’m’,’’,’’,’’};</p><p>　　/*主程序用延時子程序*/</p><p>　　woid main-delay(void)</p><p><b>　　{</b></p>

120、<p>　　register i;</p><p><b>　　TRO=1;</b></p><p>　　for(i=0;i<15;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TH0=0;</b></p><

121、p><b>　　TL0=0;</b></p><p>　　Do{}while(!TF0);</p><p><b>　　TF0=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p>

122、<p><b>　　}</b></p><p>　　*/通用延時子程序*/</p><p>　　void delay(void)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　unint i;</b></p><p>

123、　　for(i=0;i<200;i++){;}</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　/*延時子程序*/</b></p><p>　　void key-delay(void)</p><p><b>　　{</b></p>&l

124、t;p><b>　　unint i;</b></p><p>　　for(i=0;i<200;i++){;}</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　/*初始化程序*/</b></p><p>　　void start_main()<

125、;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　tegister i;</p><p><b>　　uchar</b></p><p>　　a[16]={’’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=,’8’,’.</p><p>　　’，’8’，’8’，

126、’m’,’’,’’,’’};</p><p>　　for(i=0;<16;i++)</p><p>　　{ON[i]=a[i];}</p><p>　　nitlcd();/*初始化 LED*/</p><p>　　display(ON);/*更新顯示*/</p><p><b>　　}</b>

127、;</p><p><b>　　/*主程序*/</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　register s,keycode;</p><p>　　long idata t;</p><

128、;p>　　start-main();/*初始化*/</p><p>　　main-delay();/*延時*/；</p><p>　　if(keycoed= =true)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　keycode=key-scan-wait();</p><p&

129、gt;　　/*判斷是否有測量鍵按下*/</p><p>　　t=measure();*/測量*/</p><p>　　S=0.5*t*C;*/換算*/</p><p>　　Decode-bcd(s.0x09);</p><p>　　/*把測量結(jié)果置換入顯示緩沖區(qū)*/</p><p>　　init-lcd();/*初始化

130、 LED*/</p><p>　　display(ON);/*更新顯示*/</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　九、 結(jié)束語</b></p><p>　　本文所設(shè)計的倒車雷達系統(tǒng)是保

131、障汽車倒車安全的輔助系統(tǒng)，通過超聲波探</p><p>　　頭發(fā)出超聲波，使用高速單片機計算距離，并加入了溫度補償電路，提高了距離</p><p>　　計算的精度。系統(tǒng)安裝的液晶顯示器可以直觀的顯示溫度和距離，給駕駛員提供</p><p>　　了方便。倒車時當(dāng)汽車與障礙物的距離小于我們所設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)便通</p><p>　　過語音集