超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2025-06-15 08:45 本頁(yè)面
【正文】 件部分主要由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射和接收電路、超聲波接收電路、LCD顯示電路等幾部分組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 超聲波測(cè)距理論分析 超聲波測(cè)距原理超聲波是指頻率高于20KHZ的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣稱(chēng)之為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器兩種，但是一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)的原理將超聲波和電能相互轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波，而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的生源與障礙物之間的距離，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。單片機(jī)使用12MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論可以達(dá)到毫米級(jí)。如下圖超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一段超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到障礙物（被測(cè)物體）后返回被接收器R接受。測(cè)距的原理如圖2。RTT2T1 圖2測(cè)距的原理這樣只要檢測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到超聲波之間的時(shí)間，就可以計(jì)算出超聲發(fā)射器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式為： 其中：d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離 s為聲速的來(lái)回路程 c為聲速 t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表1列出了幾種不同溫度下的聲速。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Ｕ１? 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386 超聲波傳感器 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)要利用超聲波進(jìn)行測(cè)距，首先要研究超聲波傳感器的工作原理。超聲波傳感器是利用超聲波作為信息傳遞媒介的傳感器，它是一種將其它形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其它形式的能的器件?？傮w上講，超聲波傳感器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類(lèi)是使用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。壓電式傳感器屬于電聲型超聲波傳感器，一般采用雙壓電陶瓷芯片制成，需用的壓電材料較少，價(jià)格低廉且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。它是利用壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的，在壓電陶瓷芯片上加有一定頻率的電壓脈沖，芯片就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，便會(huì)產(chǎn)生超聲波。反之，如在壓電陶瓷芯片上有超聲波作用，將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形使壓電陶瓷芯片產(chǎn)生頻率與超聲波相同的電信號(hào)[2]。圖2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖2為超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶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，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 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，它在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。 超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)超聲波傳感器按收發(fā)方式一般可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是發(fā)送和接收是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類(lèi)傳感器測(cè)距有效范圍比較大，但不具備防塵防水功能；另一類(lèi)是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如TR4016，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類(lèi)超聲波測(cè)距范圍比較小，防塵、防水性能好。根據(jù)本設(shè)計(jì)所處的環(huán)境要求，本系統(tǒng)選用的超聲波傳感器為分體式超聲波傳感器CSB40T(R)，該型號(hào)探頭各項(xiàng)參數(shù)為：頻率為 40KHz，阻抗500，靈敏度為 103dB(min)，帶寬在 3dB 時(shí)為 ，角度最大值為 (6dB)，靜電容 200010%PF，最大驅(qū)動(dòng)電壓 150Vpp(10%工作周期)，回波靈敏度為 70dB(min)，聲壓電平 0dB=1uvolt/bar[3]。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容是具體分析系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)以性能較好的AT89C51單片機(jī)為核心，控制超聲波傳感器的收發(fā)，并測(cè)算距離，同時(shí)根據(jù)倒車(chē)距離段的不同進(jìn)行分段語(yǔ)音報(bào)警。硬件部分實(shí)現(xiàn)分四部分來(lái)闡述：第一是以AT89C51單片機(jī)為核心的主控系統(tǒng)電路；第二是超聲波發(fā)射和接收電路；第三是顯示電路。 單片機(jī)主控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)選擇AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖3所示[4]。圖3 AT89C51外形及引腳排列圖5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條I/O線；2個(gè)16b定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。空閑方式：此時(shí)CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內(nèi)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(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 電源電路在一般家用中小型汽車(chē)內(nèi)部的電瓶為12V，單片機(jī)所需電壓為5V。所以本系統(tǒng)的電源電路主要由一個(gè)ACDC的+12V電源適配器、兩個(gè)三端穩(wěn)壓塊（LM780）、一些濾波電容等組成，輸出+5V電壓[5]。電源電路如圖4所示。圖4 系統(tǒng)電源電路圖 復(fù)位電路在單片機(jī)引用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠的工作。在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘震蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠的復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RET保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖5所示。圖5 系統(tǒng)復(fù)位電路 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳X2，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。時(shí)鐘電路如圖6所示。
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