【文章內(nèi)容簡介】 特點，本系統(tǒng)選擇超聲波測距傳感器UCMT40KI、UCMR40KI (T表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器)，最大探測距離為10m，發(fā)射擴散角為60度。考慮到汽車的形體、行駛的需求和程序控制的輸入輸出點數(shù)，按設(shè)計要求，本系統(tǒng)在汽車尾部安裝多個超聲波傳感器，根據(jù)一般要求裝4—6個較合適，本系統(tǒng)設(shè)計成4個測量通道，具體安裝在汽車兩側(cè)中后部各安裝一個傳感器，尾部安裝兩個傳感器，4個距離值由單片機進行處理運算。本章首先根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，介紹了系統(tǒng)構(gòu)建，然后詳細闡述了系統(tǒng)的方案設(shè)計，對系統(tǒng)的三個模塊：測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示報警系統(tǒng)分別方案設(shè)計，確定了本系統(tǒng)以AT89S52單片機系統(tǒng)為核心，以UCMT40KI、UCMR40KI為超聲波發(fā)射、接收器的汽車倒車?yán)走_預(yù)警系統(tǒng)的方案設(shè)計并分析影響超聲波傳感器工作的多種因素。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計本章講述倒車?yán)走_系統(tǒng)的各個模塊的設(shè)計和主要元器件的介紹。包括測距系統(tǒng)設(shè)計(超聲波發(fā)送接收系統(tǒng))、單片機控制系統(tǒng)設(shè)計和顯示報警系統(tǒng)設(shè)計。其中，測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊構(gòu)成；控制系統(tǒng)設(shè)計主要對AT89S52單片機系統(tǒng)進行設(shè)計；顯示報警系統(tǒng)設(shè)計差要對數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、蜂鳴器和靜態(tài)顯示電路進行設(shè)計。以下就各模塊的電路圖、功能及設(shè)計思路作詳細說明。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。單片機發(fā)射電路發(fā)射傳感器報警電路測溫電路顯示電路接收電路接受傳感器障礙物圖31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，發(fā)出一系列的脈沖群，信號經(jīng)過放大，再經(jīng)過驅(qū)動電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭，使發(fā)射換能器接收高電壓。其內(nèi)部的壓電晶片開始震動，經(jīng)過換能器發(fā)出40kHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物發(fā)生反射，反射波(回波)返回到超聲波傳感器上。反射回的正弦波信號經(jīng)過放大、濾波、整形后輸入單片機的INT0端，產(chǎn)生中斷。計數(shù)器停止計數(shù)，測出從超聲波發(fā)射脈沖群時刻到接收回波信號時刻差，超聲波在同溫同介質(zhì)中的傳播速度由測溫系統(tǒng)得知，將時刻差與聲速相乘，得出距離，并顯示。測距系統(tǒng)模塊由超聲波發(fā)射與回波接收電路組成，其主要作用是提高驅(qū)動超聲波傳感器的脈沖電壓輻值，有效地進行電\聲轉(zhuǎn)換，增大超聲波的發(fā)射距離。并通過收發(fā)一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉(zhuǎn)變成微弱的電信號，供單片機進行處理。超聲波的傳播速度一般來說只跟介質(zhì)有關(guān)，相同的介質(zhì)在不同的條件下傳播速度會有一些不同，比如溫度不同它的傳播速度也不相同，由于本設(shè)計中距離障礙物的距離很近，所以必須考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響。發(fā)射電路的實現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號。要求蕩電路振蕩頻率可調(diào)，同時具有一定的驅(qū)動能力可以驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)出超聲波。振蕩電路的目的是為超聲波傳感器提供40KHz脈沖。用555定時器組成的多諧振蕩器如圖所示。接通電源后，電容C被充電，當(dāng)V上升到2V/3時，使V為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通。此時電容C通過R和T放電，V下降。當(dāng)V下降到V/3時，V翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為t= RCln2= RC當(dāng)放點結(jié)束時，T截止，V將通過R、R向電容器C充電，V由V/3上升到2V/3所需的時間為t=（R+ R）Cln2=（R+ R）C當(dāng)V上升到2V/3時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為f= 圖32 震蕩電路，此振蕩電路啟振，調(diào)節(jié)到R、R、C可得到40kHz左右的振蕩頻率。聲波在空氣中的傳播速度受空氣介質(zhì)影響，距離越遠，衰減越大。為能夠接收遠距離的回波，所以要增加驅(qū)動電路來增大功率。驅(qū)動電路的實現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號。驅(qū)動電路要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲波電脈沖去激勵超聲波發(fā)射器，由超聲波發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為機械能。本文采用COMS芯片CD4049組成超聲波驅(qū)動電路圖，芯片CD4049的引腳圖如圖所示：116引出端是空腳 ，與內(nèi)部電路無連接。V接地，V接9V電壓。圖33 CD4049引腳圖為了增加驅(qū)動能力，把3個非門并列起來。要求6個非門都來自同一個芯片上，以保證信號的上升沿和下降沿的同步。在非門輸出的兩端直接接上一個電容是為了防止直流直接加載在超聲波發(fā)射器上而導(dǎo)致其損壞。其電路圖如圖34所示：測距系統(tǒng)所用的超聲波探頭UCMT40KI在頻率40KHz，幅值9V(可調(diào))的電壓驅(qū)動下，各種性能達到最佳，所以通過單片機AT89S52的P1．0管腳輸出脈沖信號給振蕩電路。由振蕩電路發(fā)出40KHz的脈沖信號給驅(qū)動電路。由于單片機AT89S52的P1口的輸出電壓只有5V，其驅(qū)動能力達不到要求，所以用一個CMOS芯片CD4069來驅(qū)動超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。它的工作原理是：幾個非門并接，即可提供較大的驅(qū)動功率，而且到達發(fā)射器兩端的信號是反向的，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。圖34 CD4069芯片組成超聲波驅(qū)動電路因為超聲波測距只用于近距離，當(dāng)距離較遠時，衰減較為嚴(yán)重，反射回來的信號相對也比較微弱。因此接收端應(yīng)先設(shè)置一個放大電路，然后通過檢波電路對其輸出信號進行解調(diào)，最后把檢波輸出的信號送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入單片機的INT0中斷口，產(chǎn)生中斷，停止計時，在進行數(shù)據(jù)處理運算。其過程如圖所示：+5V+5V+5V5V5V5V圖35 接收電路信號變化關(guān)系圖如上圖所示：微弱信號放大信號整形信號(1)放大電路的設(shè)計放大電路的目的：把超聲波探頭接收到的微弱信號進行放大。為了提高抗干擾性，濾波電路要針對40 kHz信號進行高帶通濾波，并對該頻率信號進行放大增益。如圖：圖36 運放構(gòu)成接收電路圖電路由集成運放AA2構(gòu)成二級放大電路，R、C為無源濾波網(wǎng)絡(luò)，二極管、R9為檢波網(wǎng)絡(luò)。在回波信號的放大過程中，由于干擾信號的存在，為避免將干擾信號放大而產(chǎn)生回波誤識別，必須將干擾信號去除，即回波信號放大過程中必須設(shè)計帶通濾波器，只對有效頻帶內(nèi)的超聲波信號進行選擇放大。濾波器的功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而把此頻率范圍以外的信號加以抑制或使其急劇衰減。當(dāng)干擾信號與有用信號不在同一頻率范圍之內(nèi)時，可使用濾波器有效的抑制干擾。由于超聲波回波信號具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點，因此，本系統(tǒng)采用RC無源濾波方式，用于微弱回波信號的放大。集成運放主要是把所得到的有用信號進行一定倍數(shù)的放大。由二極管和電容組成的檢波網(wǎng)絡(luò)的主要功能是通過二階帶通濾波網(wǎng)絡(luò)，檢測到系統(tǒng)所需要的40KHZ頻率信號。(2)比較電路的設(shè)計比較電路的目的：將放大電路放大、濾波得到的40KHZ頻率信號整形成能為單片機的INT0口辨識的脈沖信號，也就是將正弦波整形成方波。采用集成電壓比較器LM393來實現(xiàn)這一功能，LM393的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：圖37 LM393的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖在本文中只用一組比較器，另一組比較器的三個管腳必須接地，V接9V電壓，GND接地。由LM393構(gòu)成的比較電路如圖所示：圖38 LM393構(gòu)成比較電路如圖所示，放大后的信號由LM393第2腳進入，由于R2電阻可調(diào)，即根據(jù)輸入的信號可以調(diào)節(jié)滯回電壓?？梢杂行У胤乐垢蓴_。LM393是+9V(可調(diào))供電，需要在輸出端口接上一個上拉電阻10K，該電阻由+5V供電，將+9V高電平拉低到+5V高電平，供單片機INT0端口識別。超聲波的傳播速度一般來說只跟介質(zhì)有關(guān)，相同的介質(zhì)在不同的條件下傳播速度會有一些不同，比如溫度不同它的傳播速度也不相同，由于本設(shè)計中距離障礙物的距離很近，所以必須考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響。 超聲波是一種能量傳播。一般來說，傳播的距離大或是速度慢，能量消耗就大，倘若聲波的能量全部消耗在傳播途中或是聲波改變方向，那么超聲波探頭就接受不到信號了。而聲波傳播的速度與彈性介質(zhì)的種類和狀況關(guān)系極大，通常說的聲速每秒340米，其傳播介質(zhì)是15℃的標(biāo)準(zhǔn)空氣。事實上，我們身邊的空氣是不可能“標(biāo)準(zhǔn)”的，它的狀況與各種氣象要素的組合（也就是天氣的狀況）密不可分。 研究表明，聲音的傳播速度與溫度是成正比的，溫度越高,空氣中分子密度越小,而空氣作為聲音傳播介質(zhì),那么聲音傳播速度會有所增強。反之溫度越低,空氣中分子密度越大,而空氣作為聲音傳播介質(zhì),那么聲音傳播速度會有所減小。聲波與速度的關(guān)系，如表31所示。表31 聲波與速度的關(guān)系溫度℃速度m/s溫度℃速度m/s溫度℃速度m/s01734352118352193433632037433421385223935562340724346418254293372643102744358112845122934946133047143403148153249361163350通過超聲波的聲速與溫度的理論分析，設(shè)計溫度測量電路。（1）DSl8B20簡介DSl8B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，他具有獨特的單線總線接口方式。它體積小、功耗低、抗干擾能力強、易與微處理器連結(jié)。它無需任何外圍硬件即可方便地進行溫度測量，與單片機交換信息僅需要一根I/O線。DS18B20的供電方式有兩種：寄生供電和外部電源。寄生供電就是從DQ數(shù)據(jù)獲取電源，采用這種方式供電時，需要V接地，這種供電方式可能使得DQ線沒有足夠的驅(qū)動能力，因此本文使用的是第二種供電方式，即將V直接接外部電源（3～）。DSl8B20的管腳圖如下圖所示：DSl8B201 2 3GNDDQVCC圖39 DSl8B20的管腳圖DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出端，GND接地，V接高電平，同時接10k的上拉電阻以增加該I／O的驅(qū)動能力。圖310 測溫電路電路圖控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，一切命令的發(fā)出、接受、處理、數(shù)據(jù)運算都是在這部分中完成的。 AT89S52單片機最小系統(tǒng)設(shè)計AT89S52單片機最小系統(tǒng)由AT89S52單片機及其外圍電路組成，是整個超聲波測距儀的核心電路。一般包括晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路：每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。復(fù)位電路目的：在需要的時候，單片機復(fù)位，保證正常的工作循環(huán)。圖311 單