【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下：當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只能維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用）。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)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發(fā)射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較遠(yuǎn)的表面發(fā)射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭越來(lái)越遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值愈來(lái)愈小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值Vm，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閥值才能使接收放大器有輸入信號(hào)。4 倒車(chē)防撞系統(tǒng)各組成單元設(shè)計(jì)該超聲波測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成，下面主要通過(guò)各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的AT89C51單片機(jī)。 發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。設(shè)計(jì)方案一：由施密特振蕩器和數(shù)字功放電路組成。它啟動(dòng)振蕩器，輸出40KHz的高頻信號(hào)，經(jīng)整形及功放電路，加至發(fā)射換能器，發(fā)出40KHz的超聲波。接收電路主要由回波放大接收及比較控制電路組成。 接收控制及接口電路初始，比較器A1同相端已經(jīng)通過(guò)調(diào)整Rr。因此A1應(yīng)輸出高電平，但由于D1相位作用，A1輸出低電平，即RS觸發(fā)器的=0，=1，=1，=0。，在A點(diǎn)形成正脈沖，經(jīng)N1反相，=0,D1相位釋放, =1，Q=0，=1（正跳），T0計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。脈沖過(guò)后，=1，=1，Q=0，=1?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)放大濾波，送至比較器A1的反相端。它的前沿使A1輸出低電平。=0， =1，Q=1，=0（負(fù)跳），即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷，T0計(jì)數(shù)停，計(jì)數(shù)值N1送存RAM。由于發(fā)射探頭和接收探頭都是平行放置且距離較近，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)，接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)，因此必須將其隱去。，主控同步脈沖加至比較器A2時(shí)，，加至A1同相端，又C2的延遲作用，A1同相端產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，它的幅度和寬度均大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器的S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去。這段時(shí)間稱為盲區(qū)，約2ms。設(shè)計(jì)方案二：，發(fā)出一系列的脈沖群。信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大，再經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路即變壓器（變壓器輸入輸出比為1：10）后，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開(kāi)始振動(dòng)，經(jīng)過(guò)壓電換能器將發(fā)出40KHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射波，發(fā)射波返回到超聲波傳感器上，盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是由回波引起的接收壓點(diǎn)晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有幾毫伏，遠(yuǎn)距離還不到幾毫伏，由于較遠(yuǎn)距離的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值很小，為此要求將信號(hào)放大6000倍左右，信號(hào)經(jīng)放大整形電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。在接收端第一級(jí)，要求其放大倍數(shù)為了C945這62倍左右，所以選擇只三極管，達(dá)到了放大倍數(shù)。第二三級(jí)選用了一枚集成放大器NE5532，它集成了兩個(gè)放大器，可達(dá)到預(yù)定放大倍數(shù)。設(shè)計(jì)方案三：1. 發(fā)射電路發(fā)射電路由555多諧振蕩器和數(shù)字功率放大器組成。采用555多諧振蕩器可以實(shí)現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單占用面積小。，該同步脈沖啟動(dòng)多諧振蕩器，使其輸出20KHz的高頻電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形及功放電路加至超聲波換能器探頭，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)頻率為20KHz的超聲波。2. 接收電路接收電路主要由回波放大接收電路及比較電路組成。由于D1輸出低電平，而反相器N輸出高電平，所以有RS觸發(fā)器的=0, =1,Q=1, =（（1）所示）經(jīng)過(guò)微分電路形成的同步脈沖信號(hào)通過(guò)反相器N的反相功能， =0，D1相位釋放=1,Q=0, =1（正跳變），T0計(jì)數(shù)器開(kāi)始記數(shù)，脈沖經(jīng)過(guò)之后S==1,Q=0,INT0=。（3）所示，其前上升沿使A1輸出低電平，=0, =1,Q=1, =0（負(fù)跳變）；即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，使T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，記數(shù)值N送存RAM。3. 盲區(qū)干擾信號(hào)的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)接收換能器接收到的第一個(gè)波是串?dāng)_直通波，也稱泄露波它是近源的波束旁瓣或通過(guò)繞射由發(fā)射換能器直接到達(dá)接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)。所以必須將其隱去，同步脈沖加至比較器A2時(shí)，，加至A1同相端，由于C1延遲作用，A1同相端將產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，（4）所示。它的寬度和幅度都大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去，這段時(shí)間稱為盲區(qū)，約2毫秒。 測(cè)距脈沖圖 超聲波回波接收電路設(shè)計(jì)方案四：1. 發(fā)射電路發(fā)射電路由脈沖電路和發(fā)射電路路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門(mén)和電阻電容構(gòu)成振蕩電路。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。2. 接收電路接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波。并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收部分電路由檢測(cè)電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢測(cè)電路拾取回波中的正半波，以使后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。圖中，R1R1C1C1R15和運(yùn)算放大器AmplA組成了一級(jí)濾波放大電路；R2R2C2C2R25和運(yùn)算放大器AmplB組成了二級(jí)濾波放大電路。 發(fā)射部分電路 一次和二次濾波放大電路發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的各種問(wèn)題：，理論上信號(hào)的幅度時(shí)指數(shù)上升的，Q各周期后達(dá)到滿幅度的95%，%。為提高傳感器的靈敏度，Q值一般不能太低，為使傳感器充分振蕩起來(lái)，發(fā)射脈寬要求不低于Q個(gè)振蕩周期，才能發(fā)射幅度基本達(dá)到最大?？紤]到測(cè)量“盲區(qū)”，這里選擇脈寬為120181。s，包含5個(gè)調(diào)制的44KHz的方波信號(hào)。 發(fā)射波形由文獻(xiàn)[3]知，在規(guī)定時(shí)刻將一持續(xù)時(shí)間為T(mén)的正弦波加到傳感器上，然后關(guān)閉發(fā)射電路，打開(kāi)接收通道，接收來(lái)自障礙物的反射波。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳播損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失，接收預(yù)放大單元的作用是對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利檢測(cè)單元的正確檢測(cè)。如何達(dá)到信號(hào)的最佳接收關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性，所以也應(yīng)考慮到影響接收信號(hào)的各方面問(wèn)題。在傳感器接收到的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。室內(nèi)環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，遠(yuǎn)離回波信號(hào)頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪聲決定，其功率譜寬度遠(yuǎn)大于接收機(jī)的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識(shí)，輸入為已知信號(hào)加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配濾波器具有以下特點(diǎn)：（1） 輸出最大信噪比與信號(hào)波形無(wú)關(guān)（2） 匹配濾波器對(duì)信號(hào)的幅度和時(shí)延具有適應(yīng)性，即對(duì)只有幅度和出現(xiàn)時(shí)間不同的信號(hào)，它們的匹配濾波器是相同的。（3） 匹配濾波器與相關(guān)器具有等效性。實(shí)際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個(gè)射頻脈沖的頻譜是連續(xù)的，用普通的窄帶濾波器就能把其主峰部分（w附近）濾波出來(lái)，適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器的通帶寬度就能取得與匹配濾波器相差不多的效果。前置放大帶通放大模擬開(kāi)關(guān)程控放大信號(hào)輸出控制端A1 A0 信號(hào)放大器原理圖接收放大器的作用是放大有用信號(hào)，并抑制其它噪聲和干擾，從而達(dá)到最大的信噪比，以利于檢測(cè)電路的正確檢測(cè)。，采用三級(jí)放大電路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使輸入信號(hào)功率最大。帶通放大器選擇最佳時(shí)間帶寬積，以達(dá)到匹配濾波的效果。模擬開(kāi)關(guān)起收發(fā)隔離的作用。在測(cè)量近距離時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)閉合，發(fā)射信號(hào)可以進(jìn)入接收通道；測(cè)量遠(yuǎn)距離時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，發(fā)射信號(hào)不可以進(jìn)入接收通道。程控放大器分為2檔，分別放大10倍和100倍，由控制端A1，A0控制。綜合上述四種方案比較。該電路簡(jiǎn)單實(shí)用，通過(guò)兩極放大，增強(qiáng)接收信號(hào)，比較適合本設(shè)計(jì)需要。測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40KHz的脈沖信號(hào)，單片機(jī)執(zhí)行程序后，經(jīng)過(guò)三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200181。s。，原理和前方測(cè)距相同。 基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射接收電路由AT89C51單片機(jī)編程，經(jīng)三極管放大后來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T，產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1，IR8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)解R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25mv，輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈碗娖?，作為中斷?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和接收反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。： 系統(tǒng)發(fā)射電路此電路由一個(gè)9V的電源，R1=，R2=360歐，三極管T一個(gè)，激勵(lì)換能器T4016一個(gè)。：AT89C51單片機(jī)三極管放大激勵(lì)換能器R4016超聲波 流程圖發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機(jī)AT89C51，發(fā)送一系列的脈沖，經(jīng)過(guò)三極管T進(jìn)行放大，從而使T4016這個(gè)激勵(lì)換能發(fā)射出超聲波。：其原理框圖如下：接收器R4016運(yùn)算放大器放大100倍二級(jí)運(yùn)算放大器放大10倍音頻譯碼集成塊AT89C51單片機(jī) 原理框圖 接收電路圖此系統(tǒng)為了全方位測(cè)距，故左、右、中三個(gè)測(cè)距電路，其電路都相同。 顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)顯示報(bào)警單元是經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)射接收電路及單片機(jī)AT89C51處理后把信號(hào)轉(zhuǎn)化為人為可以知覺(jué)的數(shù)字和報(bào)警響應(yīng)，以進(jìn)一步避免事故發(fā)生。顯示報(bào)警電路由顯示和報(bào)警響應(yīng)，以進(jìn)一步避免事故發(fā)生。顯示報(bào)警電路由顯示和報(bào)警兩部分電路組成，主要實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下的顯示報(bào)警功能，以此提醒駕駛員。 系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的LED驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。由于全程顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，用3個(gè)LED數(shù)碼管表示距離的cm數(shù)值。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的LED通以恒定的電流，即每一位LED顯示器個(gè)引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU開(kāi)銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的LED通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮，這時(shí)LED的亮度就是通斷的平均亮度。考慮各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。本設(shè)計(jì)選用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的I/O口。8155的PA口作為L(zhǎng)ED的字形輸出口，采用共陽(yáng)極的LED顯示器，由于8段全亮?xí)r位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，采用6路反相驅(qū)動(dòng)器74LS06以提高驅(qū)動(dòng)能力。 系統(tǒng)顯示電路 系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)喇叭組成。R25的阻值為1K，R26的阻值為10K。對(duì)于二級(jí)運(yùn)算放大，都采用F007芯片，兩級(jí)放大電路均是負(fù)反饋接法，即反相比例運(yùn)算電路，而反相比例運(yùn)算電路中，輸入信號(hào)從反相輸入端輸入，同相輸入端接地，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，即u_=u+，i_=i+=+=0，而所謂“虛短”是由于理想集成運(yùn)放Au0→∞.所以可以認(rèn)為兩個(gè)輸入端之間的差模電壓近似為零，即Uid=u_=u+≈=u+，而u0具有一定值。由于兩個(gè)輸入端的電壓為零，而又不是短路，故稱“虛短”。而“虛斷”是由于理想集成運(yùn)放的輸入電阻Rid→∞，故可以認(rèn)為輸入端不取電流，即i_=i+≈，輸入端相當(dāng)于斷路，而又不是斷開(kāi)，稱為“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，