【文章內(nèi)容簡介】 技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，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：一類是發(fā)送和接收是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測距有效范圍比較大，但不具備防塵防水功能；另一類是具有雙向的發(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，此類超聲波測距范圍比較小，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 202110%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)，并測算 距離，同時(shí)根據(jù)倒車距離段的不同進(jìn)行分段語音報(bào)警。硬件部分實(shí)現(xiàn)分四 部分來闡述： 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； 第四是 語音報(bào)警電路。 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 。超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 單 片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器 可以反復(fù)擦除 1000 次 。 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距系統(tǒng)。 電源電路 在一般家用中小型汽車內(nèi)部的電瓶為 12V，單片機(jī)所需電壓為 5V，語音芯片所需電壓為 。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。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 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 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 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，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 。 圖 6 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個(gè)部分，超聲波探頭選用壓電式，發(fā)射超聲波需要在超聲波振蕩器的外接電路兩端產(chǎn)生振蕩，超聲波發(fā)射探頭才能夠發(fā)射超聲波。首先利用軟件編程的方法在單片機(jī)的一個(gè)接口產(chǎn)生頻率為 40KHz的方波信號，然后在經(jīng)過超聲波的發(fā)射電路產(chǎn)生超聲波 [6]。 超聲波發(fā)射電路如圖 7 所示 ， 脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 AT89C51 的 口發(fā)射 40 KHz的方波信號，經(jīng)過 74LS04 放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。 74LS04是一個(gè)高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，功耗小。 超聲波發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成， 本系統(tǒng)將 單片機(jī) 端口輸出 的 40KHz 方波信號 分成兩路， 一路經(jīng)一級 74LS04 反向 放大 后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級 74LS04 反向 放大 后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極 ， 從而構(gòu)成推拉式反向放大。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻 RR2 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū) 動(dòng)能力，另一方面可以 增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志 [7]。 圖 7 超聲波發(fā)射電路 超聲波檢測接收電路 集成電路 CX20216A 集 成電路 CX20216A 是一款紅外接收的專用芯片， 廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)證明，其具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾的能力 。 CX20216A 芯片 (國內(nèi)同類產(chǎn)品型號為 D20216A)是日本索尼公司生產(chǎn)的用于檢測紅外線的專用芯片，常作為家用電器的紅外遙控接收器。常用的載波頻率 38KHz 與測距的 40KHz 較為相近，可以利用它來做接收電路。 CX20216A 芯片采用 8 腳單列直插式塑料超小型封裝， +5v 供 電， 內(nèi)部含可前置放大、自動(dòng)偏置、限幅放大、帶通濾 波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路 。 其主要功能是從 38KHz 紅外載波信號中，將編碼信號解調(diào)出來，并加以放大和整形，然后再送到微處理器 (CPU)進(jìn)行處理 [8]。 CX20216A 是 CX20216 的改進(jìn)型，二者之間的主要差別在于電參數(shù)略有不同，CX20216A 多用于超聲波測試。 CX20216A 芯片簡單易用，電路簡單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。 7 引腳連接單片機(jī)的外部中斷，沒有接收到回波時(shí)，輸出為高電平，當(dāng)收到回波后立即變?yōu)榈碗娖健?CX20216A 的引腳連接說明如 表 1 所示 。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 表 1 CX20216A的引腳說明 引腳符號 說明 引腳 1IN 超聲波信號輸入端，接超聲波接收探頭，用來檢驗(yàn)超聲 波回波信號。 引腳 2C1 引腳與地之間串聯(lián)一個(gè)由電阻和電容組成的 RC 網(wǎng)絡(luò)，改變電容或電阻中的一個(gè)，即可改變前置放大器的增益和頻率特性。本文 RC參數(shù)為 R1=， C1=1μ F。 引腳 3－ C2 連接檢波電容，檢波方式為平均值檢波。本文超聲波測 距對靈敏度要求相對較高，因此，電容參數(shù)取 。 引腳 4－ GND 接地端 引腳 5－ F0 與電源間接入一個(gè)電阻，以確定帶通濾波器中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。本文超聲波的頻率為 40kHz，取 R=210kΩ 引腳 6－ C3 與地之間接一個(gè)積分電容，一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF。 引腳 7－ OUT 信號輸出端，接一個(gè) 22kΩ上拉電阻到電源端 引腳 8－ Vcc 電源端，接 +5V電壓 超聲波接收電路 超聲波接收電路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(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì)采用與發(fā)射端同型號的 CSB40R壓電式超聲波傳感 器。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 路進(jìn)行放大 [9]。 超聲波接收電路如 圖 8所示，采用 CX20216A集成電路作為接收電路的核心，接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。 其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載；其帶通濾波器中心頻率可由芯片 5腳的外接 電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。 CX20216A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時(shí)，使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。當(dāng)接收到 40KHz信號后，芯片 7腳會(huì)出 現(xiàn)較短的低電平，接入單片機(jī)便可以使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 圖 8 超聲波檢測接收電路 顯示電路 本系統(tǒng)中的顯示部分采用 1602LCD 液晶顯示。 LCD1602 的 操作 簡單 、編程方便，且電路簡單，顯示更加直觀、清晰。 它 顯示的內(nèi)容為 16*2,即可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符液晶 模塊（顯示字符和數(shù)字）。內(nèi)含復(fù)位電路，并且提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 DDRAM。 具體接口如 圖 9所示 ，其 714管腳分別與單片機(jī)的 ， RS、 RW、 EN分別為寄存器選擇、讀寫信號選擇和使能端。 圖 9 顯示接口電路 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 語音報(bào)警電路 本系統(tǒng)采用 ISD4004 語音芯片進(jìn)行語音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，音質(zhì)好，可實(shí)現(xiàn)分段錄放，能達(dá)到本系統(tǒng)的要求。語音電路的主要作用是在汽車倒車過程中，為駕駛員提供人性化的語音提示，可以使駕駛員在不分神的 情況下，得知汽車與障礙物之間的距離，使倒車順利完成。 語音芯片 選擇 ISD4004 系列工作電壓 ， 音質(zhì)好 ， 適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用 CMOS 技術(shù)，片內(nèi)集成了時(shí)鐘振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、傳聲器前置放大器、自動(dòng)靜噪電路、高密度多電平閃爍存儲(chǔ)陣列、模擬收發(fā)器、驅(qū)動(dòng)控制電路、差動(dòng)音頻放大器電源控制等單元功能模塊。 ISD4004 與普通的錄音 /重放芯片相比，有如下特點(diǎn) [10]： （ 1） 單片 8至 16分 鐘語音錄放 ； （ 2） 高質(zhì)量、自然的語音還原技術(shù) ；記錄的聲音沒有段長度 的限制； （ 3） 快速閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì) ，語音數(shù)據(jù)斷電不丟失，可保存 100 年，允許反復(fù)錄音10 萬次； （ 4） 接口簡單， SPI接 口提供全部數(shù)據(jù)和控制操作； （ 5） 單電源供電，工作電流為 25~30mA，維持電流為 1μ A。 ISD4004 語音芯片的引腳定義 ISD4004采用 28腳的 SOIC雙列直插式封裝，其引腳定義如圖 10所 示。 圖 10 ISD4004語音芯片的引腳排列 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 ISD4004各 引腳功能如下： (1) 電 源 (VCCA， VCCD)： VCCA和 VCCD接 源。 (2) 地 線 (VSSA， VSSD)： VSSA和 VSSD接 地。 (3) 同相模擬輸入端 (ANA IN+)： 錄音信號的同相輸入端，輸入放大器可用單端或差分電路驅(qū)動(dòng)的方式。 (4) 反相模擬輸 入端 (ANA IN)： 當(dāng)采用差分驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，該引腳是錄音信號的反相輸入端。 (5) 音頻 輸出 (AUD OUT)：提供音頻輸出，可驅(qū)動(dòng) 5kΩ的 負(fù)載。 (6) 片 選 (/SS)： 該引腳為低電平時(shí)，即選通 該片 ISD4004， 并向其發(fā)送指令，在兩條指令之間該引腳為高電平狀態(tài)。 (7) 串行輸 入 (MOSI)：該引腳為 ISD4004語音芯片的串行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時(shí)鐘上升沿之前的半個(gè)周期將數(shù)據(jù)傳送到該引腳，供 ISD4004語音 芯片輸入。 (8) 串行輸出 (MISO)：該引腳為 ISD4004語音芯片的串行輸出端。