【文章內(nèi)容簡介】 限值，即當工作電壓超過了這個極限值以后，會對傳感器的內(nèi)部造成不可回復的損害。因此，工作電壓不能超過這個極限值。發(fā)射部分的點脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓只達毫伏級，甚至微伏。要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。本文采用由555定時器構成的多諧震蕩器驅(qū)動超聲波傳感器，驅(qū)動頻率為40KHz。 超聲波回波接收方案在超聲波發(fā)射完畢后，再延遲一小段時間才能進行接收，目的是為了避免單片機對發(fā)射頭直接傳送到接收頭的信號進行響應而不能正常工作。超聲波回波經(jīng)過超聲波接收傳感器，電容隔直濾波，一、二級放大，三級增益放大后進入比較器LM324，這樣在比較器的輸出端將得到40KHz的方波輸入到單片機INT0引腳以產(chǎn)生中斷。但是由于超聲波傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對回波的接收和處理造成了一定程度的影響。 溫度測量及補償方案溫度對超聲波波速影響非常大，極大的影響測距精度，需要進行溫度補償。本設計采用DS1820芯片進行測溫。由單片機處理后進行補償。DS1820芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，溫度測量范圍是55℃到+120℃ ，可編程為9位到12位A/D轉(zhuǎn)換精度，℃。 顯示及報警方案 倒車探測器在其偵測區(qū)內(nèi)檢測到障礙物時，LED指示燈及擴音器會根據(jù)車與障礙物的距離發(fā)出警告聲。同時數(shù)碼管顯示相應距離。這樣用戶不僅可以很快的判斷出障礙物的大概距離，還可以清楚的知道詳細距離。障礙距離指示燈與報警器響應方式：A段：150—100cm指示燈慢閃亮、擴音器以相應頻率的叫聲提示。B段：100—50cm指示燈快閃亮、擴音器以相應頻率的叫聲提示。C段：50cm以內(nèi)對應方位指示燈長亮，擴音器長鳴。擴音器由555定時器組成電路驅(qū)動，指示燈由單片機直接驅(qū)動。顯示器由四個七段數(shù)碼管組成，由串行輸入顯示接口芯片MC14499驅(qū)動。 3 硬件電路設計 硬件框圖 RESETINT0XTAL1XTAL2—超聲波接收電路超聲波發(fā)送電路測溫電路聲音報警電路復位電路晶振電路顯示電路 硬件框圖LED報警電路單片機AT89C2051作為主控器，復位端接上電+按鈕復位電路。XTAL1和XTAL2接12MHZ晶振構成的時鐘電路。 CSB40T組成的發(fā)射電路發(fā)射超聲波。超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，經(jīng)傳感器，濾波電容，放大器，電壓比較器傳給單片機的INT0口一個低電平。 單片機最小系統(tǒng)設計單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，復位后PC＝0000H，使單片機從第—個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。單片機復位的條件是：必須使RST引腳加上持續(xù)兩個機器周期(即24個振蕩周期)的高電平。本文中時鐘頻率為12MHz，每個機器周期為1181。s，則只需2181。s以上時間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復位。復位電路由電容串聯(lián)電阻構成，由圖并結合電容電壓不能突變的性質(zhì)，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。該電路除具有上電復位功能外，若要復位，只需按RESET鍵，此時電源經(jīng)電阻、分壓，在RESET端產(chǎn)生復位高電平。時鐘電路主要任務是提供一個工作頻率。單片機內(nèi)部有一個用于構成震蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接時鐘源即可構成時鐘電路。有內(nèi)部和外部兩種時鐘產(chǎn)生方式。本設計采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式。，在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體諧振器（振蕩頻率為12MHZ），與內(nèi)部反相器構成自激震蕩器。其發(fā)出脈沖直接送入片內(nèi)定時控制部件。此外，電容對頻率有微調(diào)作用，因為外接晶振，電容選擇20pF，實際應用時諧振器和電容盡可能安裝在單片機附近，減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。 最小應用系統(tǒng)電路圖 超聲波發(fā)送電路設計超聲波發(fā)送電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭（又稱“超聲波換能器”）選用CSB40T。40KHz的超聲波是利用555時基電路振蕩驅(qū)動超聲波探頭產(chǎn)生的。由555定時器構成的多諧振蕩器（）。接通電源后，電源通過和對電容充電，當1/3時，振蕩器輸出=1，放電管截止。當充電到≥2/3后，振蕩器輸出翻轉(zhuǎn)成0，此時放電管導通，使放電端(DIS)接地，電容C通過對地放電，使下降。當下降到≤1/3后，振蕩器輸出又翻轉(zhuǎn)成1，此時放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源通過和又對電容充電，又使從1/3上升到2/3，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，從而在輸出端得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖寬度≈，由電容放電時間決定； =(+)，由電容充電時間決定，脈沖周期T≈+。其振蕩頻率計算式為f=(( +2))。超聲波發(fā)射電路圖（）中將設計為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。 555構成的多諧振蕩器電路圖采用555定時器構成的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。555 定時器的4腳是復位端，利用它來控制超聲波脈沖的發(fā)射。當4 腳為低電平時，555有振蕩脈沖輸出；為高電平時，555定時器清零，沒有輸出。因而，將4 腳與單片機的控制信號相接就可以控制發(fā)射電路。為保證555時基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用+12V電源即=12V。4腳為超聲波發(fā)射控制信號輸入端，由單片機進行控制。 超聲波發(fā)射電路圖 超聲波接收電路設計超聲波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。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，關鍵是頻率要一致，本設計采用 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回波的時刻。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，距離越遠信號越弱，通常在1mV～1V之間。不同接收探頭的輸出信號強度存在差異。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：一是放大增益要大，以適應小信號時的需要；二是放大增益要能變化，以適應信號變化范圍大的需要。另外，由于輸入信號為正弦波，因此必須將放大電路設計成交流放大電路。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LM324通用運算放大器，前三級為放大器設計，后一級為比較器設計。LM324既可以雙電源工作，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要，每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移，、和，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，必須采用三級放大。這里的第四片LM324作反相電位比較器，有一個閥值電壓，為反相電壓比較器輸入電壓。調(diào)節(jié)電位器可得到閥值電壓。當時，=0，為低電平:當時，=，為高電平。當 LM324 檢測到超聲波回波信號時，它輸出低電平信號，此時LM324的輸入電壓就小于閥值電壓，所以LM324就輸出高電平信號，通向PC的數(shù)據(jù)采集端。反之，則輸出為低電平信號到PC的數(shù)據(jù)采集端。比較器這一部分如果調(diào)節(jié)不當也可能會出現(xiàn)一些問題，如在輸出端會有高頻輸出等。這因為比較器非常靈敏，信號的微小變化就導致輸出值和的相互轉(zhuǎn)變。利用比較器的正反饋產(chǎn)生滯環(huán)特性來降低比較器的靈敏度，可以減少干擾。因為放大后的回波信號幅值已經(jīng)較大，這樣再通過設置合適的閥值就可以穩(wěn)定的得到有效信號。采用可調(diào)電位計是較為方便的方法。比較器的輸入端需要穩(wěn)定的基準電壓需要加電容穩(wěn)定。合理調(diào)節(jié)電位器，選擇比較基準電壓，可使測量更加準確和穩(wěn)定。 電位比較器電路圖 超聲波接收電路圖 溫度測量電路設計溫度對超聲波波速影響非常大，超聲波波度c與環(huán)境溫度的關系有如下經(jīng)驗公式： (m/s)，所以溫度每變化1℃， /s 。當溫度從0～40℃變化時，將會產(chǎn)生大約7％ 的聲速變化，在超聲波測距儀中，把聲速作為一個標準量，為了獲得較精確的聲速，引入溫度補償是必要的。本文采用了DS1820進行測溫。DS1820是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，電路連接非常簡單，但是必須保證時序與單片機嚴格同步。溫度測量范圍是55℃+125℃，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，未編程時默認精度為12 位，℃，℃。溫度輸出以16 位符號擴展的二進制數(shù)形式提供，低位在前，℃/LSB（最小可分辨信號）形式表達，高五位為擴展符號位。轉(zhuǎn)換周期與轉(zhuǎn)換精度設定有關，9位精度時，；12位精度時，最大轉(zhuǎn)化時間為750ms。在本系統(tǒng)中采用默認的12位精度?！?。DS1820溫度傳感器有兩個晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。低溫度系數(shù)晶振的震蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩率明顯改變，所產(chǎn)生信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預制在—55攝氏度所對應的一個基數(shù)。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1攝氏度，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)至計數(shù)器2計數(shù)到0，停止溫度寄存器累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。，單片機通過它以串口數(shù)據(jù)傳誦方式讀取測溫結果。DS1820利用單線控制信號在總線上與單片機進行通信。由于所用設備通過漏極開路端（2腳）連在總線上，控制線需要一個上拉電阻。 溫度測量電路圖 報警電路設計，采用典型的555振蕩電路，單片機通過控制4腳(手動復位腳)的電平來控制振蕩器的工作，高電平時工作，低電平時停止。振蕩頻率為800Hz。單片機的P1. 4控制555 電路根據(jù)測量結果，產(chǎn)生不同頻率的信號使報警電路發(fā)出不同長短報警聲。在揚聲器發(fā)出報警聲時，時基電路555 處于暫穩(wěn)態(tài)，此時電源向電容充電，從而使555 結束暫穩(wěn)態(tài)回復到穩(wěn)定狀態(tài) 輸出低電平，使揚聲器停止發(fā)出報警聲。LED指示燈由單片機管腳控制，高電平點亮，低電平熄滅，其閃爍頻率與聲音報警頻率相同。 報警電路圖 顯示電路設計超聲波測距儀的顯示要求比較簡單，測量結果采用十進制數(shù)字顯示。顯示位數(shù)按照該裝置可測量的長度(與采用的超聲波傳感器有關)以及測量的精度來確定，要能顯示出0—9這些數(shù)字以及小數(shù)點等，并要求顯示穩(wěn)定，無閃爍。長度單位一般為“m”，可以不顯示，因此顯示器件可選用BS202