【文章內(nèi)容簡介】 況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(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題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(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：當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只能維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達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)射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較遠的表面發(fā)射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭越來越遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規(guī)定的閥值Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收放大器有輸入信號。4 倒車防撞系統(tǒng)各組成單元設計該超聲波測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機硬件接口電路、顯示報警電路組成，下面主要通過各個模塊的各種方案比較，確定設計的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的AT89C51單片機。 發(fā)射與接收電路的設計方案超聲波發(fā)射與接收電路是整個系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設計方案關(guān)系整個系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。設計方案一：由施密特振蕩器和數(shù)字功放電路組成。它啟動振蕩器，輸出40KHz的高頻信號，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)通過調(diào)整Rr。因此A1應輸出高電平，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點形成正脈沖，經(jīng)N1反相，=0,D1相位釋放, =1，Q=0，=1（正跳），T0計數(shù)器開始計數(shù)。脈沖過后，=1，=1，Q=0，=1?；夭ㄐ盘柦?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（負跳），即獲得負跳沿信號，CPU響應中斷，T0計數(shù)停，計數(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，接收探頭會引起強烈的感應信號，因此必須將其隱去。，主控同步脈沖加至比較器A2時，，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)射串擾信號，A1輸出端即RS觸發(fā)器的S端仍為高電平，這樣串擾信號將被隱去。這段時間稱為盲區(qū)，約2ms。設計方案二：，發(fā)出一系列的脈沖群。信號經(jīng)過三極管放大，再經(jīng)過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)部的壓電晶片開始振動，經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出40KHz的脈沖超聲波。當超聲波遇到障礙物時就會產(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晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有幾毫伏，遠距離還不到幾毫伏，由于較遠距離的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值很小，為此要求將信號放大6000倍左右，信號經(jīng)放大整形電路產(chǎn)生一個負脈沖信號，使單片機產(chǎn)生中斷。在接收端第一級，要求其放大倍數(shù)為了C945這62倍左右，所以選擇只三極管，達到了放大倍數(shù)。第二三級選用了一枚集成放大器NE5532，它集成了兩個放大器，可達到預定放大倍數(shù)。設計方案三：1. 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多諧振蕩器可以實現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設計簡單占用面積小。，該同步脈沖啟動多諧振蕩器，使其輸出20KHz的高頻電壓信號，經(jīng)過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，產(chǎn)生振動頻率為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)過微分電路形成的同步脈沖信號通過反相器N的反相功能， =0，D1相位釋放=1,Q=0, =1（正跳變），T0計數(shù)器開始記數(shù)，脈沖經(jīng)過之后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（負跳變）；即獲得負跳沿信號，CPU響應中斷請求，使T0計數(shù)器停止計數(shù)，記數(shù)值N送存RAM。3. 盲區(qū)干擾信號的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時接收換能器接收到的第一個波是串擾直通波，也稱泄露波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(fā)射換能器直接到達接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會引起強烈的感應信號。所以必須將其隱去，同步脈沖加至比較器A2時，，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)射串擾信號，A1輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串擾信號將被隱去，這段時間稱為盲區(qū)，約2毫秒。 測距脈沖圖 超聲波回波接收電路設計方案四：1. 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)生電路的主要任務是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(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，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應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是檢測回波。并向單片機發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路由檢測電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢測電路拾取回波中的正半波，以使后級電路放大；整形電路把回波信號整理為單片機系統(tǒng)能夠接收的信號并向單片機申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲波信號十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設置了兩級高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，一級和二級濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。圖中，R1R1C1C1R15和運算放大器AmplA組成了一級濾波放大電路；R2R2C2C2R25和運算放大器AmplB組成了二級濾波放大電路。 發(fā)射部分電路 一次和二次濾波放大電路發(fā)射接收電路中應考慮的各種問題：，理論上信號的幅度時指數(shù)上升的，Q各周期后達到滿幅度的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，發(fā)射脈寬要求不低于Q個振蕩周期，才能發(fā)射幅度基本達到最大?？紤]到測量“盲區(qū)”，這里選擇脈寬為120181。s，包含5個調(diào)制的44KHz的方波信號。 發(fā)射波形由文獻[3]知，在規(guī)定時刻將一持續(xù)時間為T的正弦波加到傳感器上，然后關(guān)閉發(fā)射電路，打開接收通道，接收來自障礙物的反射波。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度，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，接收預放大單元的作用是對有用信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利檢測單元的正確檢測。如何達到信號的最佳接收關(guān)系整個系統(tǒng)的準確性和安全性，所以也應考慮到影響接收信號的各方面問題。在傳感器接收到的信號中，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，遠離回波信號頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機的內(nèi)部噪聲決定，其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識，輸入為已知信號加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配濾波器具有以下特點：（1） 輸出最大信噪比與信號波形無關(guān)（2） 匹配濾波器對信號的幅度和時延具有適應性，即對只有幅度和出現(xiàn)時間不同的信號，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。實際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個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，適當?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關(guān)程控放大信號輸出控制端A1 A0 信號放大器原理圖接收放大器的作用是放大有用信號，并抑制其它噪聲和干擾，從而達到最大的信噪比，以利于檢測電路的正確檢測。，采用三級放大電路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使輸入信號功率最大。帶通放大器選擇最佳時間帶寬積，以達到匹配濾波的效果。模擬開關(guān)起收發(fā)隔離的作用。在測量近距離時，模擬開關(guān)閉合，發(fā)射信號可以進入接收通道；測量遠距離時，模擬開關(guān)斷開，發(fā)射信號不可以進入接收通道。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。該電路簡單實用，通過兩極放大，增強接收信號，比較適合本設計需要。測距系統(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，單片機執(zhí)行程序后，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200181。s。，原理和前方測距相同。 基于AT89C51單片機的超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射接收電路由AT89C51單片機編程，經(jīng)三極管放大后來驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭UCM40T，產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?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輸入信號大于25mv，輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾埱笮盘?，送至單片機處理。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和接收反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。： 系統(tǒng)發(fā)射電路此電路由一個9V的電源，R1=，R2=360歐，三極管T一個，激勵換能器T4016一個。：AT89C51單片機三極管放大激勵換能器R4016超聲波 流程圖發(fā)射電路原理：當單片機AT89C51，發(fā)送一系列的脈沖，經(jīng)過三極管T進行放大，從而使T4016這個激勵換能發(fā)射出超聲波。：其原理框圖如下：接收器R4016運算放大器放大100倍二級運算放大器放大10倍音頻譯碼集成塊AT89C51單片機 原理框圖 接收電路圖此系統(tǒng)為了全方位測距，故左、右、中三個測距電路，其電路都相同。 顯示報警單元方案設計顯示報警單元是經(jīng)過超聲波發(fā)射接收電路及單片機AT89C51處理后把信號轉(zhuǎn)化為人為可以知覺的數(shù)字和報警響應，以進一步避免事故發(fā)生。顯示報警電路由顯示和報警響應，以進一步避免事故發(fā)生。顯示報警電路由顯示和報警兩部分電路組成，主要實現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下的顯示報警功能，以此提醒駕駛員。 系統(tǒng)顯示電路設計顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，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。最簡單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關(guān)信息，而復雜的較完整的顯示器應該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實際要求以及考慮單片機的接口資源，采用串行方式顯示的LED驅(qū)動輸出設備。由于全程顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，用3個LED數(shù)碼管表示距離的cm數(shù)值。在單片機應用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動和動態(tài)顯示驅(qū)動。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動，就是給要點亮的LED通以恒定的電流，即每一位LED顯示器個引腳都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口。單片機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中CPU開銷小，但這種驅(qū)動方法需要寄存器、譯碼器等硬件設備。當需要顯示的位數(shù)增加時，所需的器件和連線也相應增加，成本也增加。而所謂動態(tài)顯示驅(qū)動就是給欲點亮的LED通以脈沖電流，即采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮，這時LED的亮度就是通斷的平均亮度。考慮各種因素，本設計選用動態(tài)驅(qū)動顯示。本設計選用8155芯片作為單片機應用系統(tǒng)擴展的I/O口。8155的PA口作為LED的字形輸出口，采用共陽極的LED顯示器，由于8段全亮時位控線的驅(qū)動電流較大，采用6路反相驅(qū)動器74LS06以提高驅(qū)動能力。 系統(tǒng)顯示電路 系統(tǒng)報警電路設計系統(tǒng)報警電路由一個運算放大器、一個發(fā)光二極管和一個喇叭組成。R25的阻值為1K，R26的阻值為10K。對于二級運算放大，都采用F007芯片，兩級放大電路均是負反饋接法，即反相比例運算電路，而反相比例運算電路中，輸入信號從反相輸入端輸入，同相輸入端接地，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點，即u_=u+，i_=i+=+=0，而所謂“虛短”是由于理想集成運放Au0→∞.所以可以認為兩個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”是由于理想集成運放的輸入電阻Rid→∞，故可以認為輸入端不取電流，即i_=i+≈，輸入端相當于斷路，而又不是斷開，稱為“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，