【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)射波 反射波 圖 23 超聲波測(cè)距的原理圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 10 程序走飛時(shí)能自動(dòng)復(fù)位；執(zhí)行指令速度要快，以便能高速處理采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。所以微控制器選用 Atmel 公司的 AT89S52 單片機(jī)的控制系統(tǒng)。 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在 線(xiàn) 可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作 ，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 顯示報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 顯示器應(yīng)用極為廣泛，是一種輸出設(shè)備， 綜合課題的實(shí)際要求、成本以及考慮單片機(jī)的接口資源， 本設(shè)計(jì)使用 三 個(gè) DPY_7SEG_DP 共陰二極管顯示器 ，由發(fā)射電路 接收電路 顯示距離 報(bào)警電路 單 片 機(jī) 控 制 發(fā)射傳感器 接收傳感器 圖 24 單片機(jī)控制系統(tǒng) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 11 于倒車(chē)時(shí)距離障礙物的距離本來(lái)就比較近，大概在 3米以?xún)?nèi)，所以一個(gè) 三 位的LED 顯示器就可以達(dá)到要求。 報(bào)警裝置采用的是有源蜂嗚器，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報(bào)警，以提示駕駛員。 系統(tǒng)探測(cè)范 圍及傳感器布點(diǎn)的確定 超聲波傳感器 發(fā)射超聲波有一定的角度范圍，下圖為常用 超聲波傳感器 的探測(cè)角度： 影響超聲波探測(cè)的因素以上陰影區(qū)只是 超聲波傳感器 發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)，而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物是否能被探測(cè)到，則與以下因素有關(guān)： 1． 從物理學(xué)的反射原理可知：超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角，因此，反射波是否能被 超聲波傳感器 捕捉，與反射面的角度有關(guān)。 圖 24 探測(cè)角度 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 12 2．反射面的大小不同，也會(huì)影響反射波的強(qiáng)度。 3．另外，障礙物會(huì)吸收掉一部分超聲波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和表面處理相關(guān)。疏松、多孔的表面較易吸收音波而導(dǎo)致反射效率較低，不易被偵測(cè)。 4．超聲波在空氣中傳輸時(shí)也會(huì)衰減，所以同一個(gè)反射面，同樣的角度，距離越遠(yuǎn)，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不易被測(cè)到。 5．以上幾點(diǎn)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是：角度、大小、表面材質(zhì)和距離 這些因素綜合起來(lái)，決定障礙物是否會(huì)被探測(cè)到。 根據(jù)以上原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無(wú)法偵測(cè)及偵測(cè)不良之情況 ： 1．鐵絲網(wǎng)、 繩索類(lèi)細(xì)小物體。 2．于草地行車(chē)或崎嶇不平路面。 3．棉質(zhì)或表面易吸收聲波之物質(zhì)。 4．傳感器表面附 著異物。 5．同頻率 (40KHZ)之超聲波雜音，如金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車(chē)?yán)日龑?duì)傳感器鳴 叫時(shí)。 6． 障礙物為銳角反射體，錐狀物體。 為了滿(mǎn)足安全距離的要求，超聲波傳感器的最大探測(cè)范圍為 10 米，本系統(tǒng)測(cè)距的范圍是 0～ 8 米。由于汽車(chē)工作環(huán)境的惡劣和各種干擾，選擇合適的傳感器和在車(chē)體安裝適當(dāng)?shù)奈恢檬呛苤匾?。根?jù)超聲波傳感器的靈敏度高，可靠性和穩(wěn)定性好，耐高低溫，振動(dòng)等特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇超聲波測(cè)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(cè)距離為 10m，發(fā)射擴(kuò) 散角為 60 度。 考慮到汽車(chē)的形體、行駛的需求和程序控制的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，按設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)在汽車(chē)尾部安裝多個(gè)超聲波傳感器，根據(jù)一般要求裝 4— 6個(gè)較合適，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成 4個(gè)測(cè)量通道，具體安裝在汽車(chē)兩側(cè)中后部各安裝一個(gè)傳感器，尾部安裝兩 個(gè)傳感器， 4個(gè)距離值由單片機(jī)進(jìn)行處理運(yùn)算。 本章小結(jié) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 13 本章首先根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，介紹了系統(tǒng)構(gòu)建，然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)模塊：測(cè)距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示報(bào)警系統(tǒng)分別方案設(shè)計(jì)，確定了本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)系統(tǒng)為核心，以 UCMT40KI、 UCMR40KI為超聲波發(fā)射、接收器的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)并 分析 影響超聲波傳感器 工作 的多種因素 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 14 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本章講述倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和主要元器件的介紹。包括測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) (超聲波發(fā)送接收系統(tǒng) )、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，測(cè)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(jì)主要對(duì) AT89S52 單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)； 顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)差要對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。 以下就各模塊的電路圖、功能及設(shè)計(jì)思路作詳細(xì)說(shuō)明。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想 其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 40kHz 的超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由微處理器的 ， 發(fā)出一系列的脈沖群 ，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)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(kāi)始震動(dòng)，經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、整形后輸入單片機(jī)的 INT0 端 ，產(chǎn)生中斷。 計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，測(cè)出從超聲 波發(fā)射脈沖群時(shí)刻到接收回波信號(hào)時(shí)刻差，超聲波在單 片 機(jī) 發(fā)射電路 發(fā)射傳感器 報(bào)警電路 測(cè)溫電路 顯示電路 接收電路 接受傳感器 障礙物 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 15 同溫同介質(zhì)中的傳播速度由測(cè)溫系統(tǒng)得知，將時(shí)刻差與聲速相乘，得出距離，并顯示。 測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 測(cè)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(dòng)超聲波傳感器的脈沖電壓輻值，有效地進(jìn)行電 \聲轉(zhuǎn)換，增大超聲波的發(fā)射距離。并通過(guò)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(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行處理。 超聲波 的傳播速度一般來(lái)說(shuō)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(huì)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(jì)中距離障礙物的距離很近 ，所以必須考慮到溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響。 超聲波發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì) 發(fā)射電路的實(shí)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(hào)。要求蕩電路振蕩頻率可調(diào)，同時(shí)具有一定的驅(qū)動(dòng)能力可以驅(qū)動(dòng)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(shí)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) VC 上升到 2VCC /3 時(shí)，使 V0 為低電平 ，同時(shí)放電三極管 T導(dǎo)通。此時(shí)電容 C通過(guò) R2 和 T放電， VC 下降。當(dāng) VC 下降到 VCC /3時(shí)， V0 翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器 C 放電所需的時(shí)間為 tPL = R2 Cln2= R2 C 當(dāng)放點(diǎn)結(jié)束時(shí)， T截止， VCC 將通過(guò) R1 、 R2 向電容器 C 充電， VC 由 VCC /3上升到 2VCC /3 所需的時(shí)間為 tPH =（ R1 + R2 ） Cln2=（ R1 + R2 ） C 當(dāng) VC 上升到 2VCC /3 時(shí)，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(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 16 f= ?? PHPL tt 1 )C2R(R 21 ? 圖 32 震蕩電路 在控制信號(hào) ，此振 蕩電路啟振，調(diào)節(jié)到 R1 、 R2 、 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(yuǎn)，衰減越大。為能夠接收遠(yuǎn)距離的回波，所以要增加驅(qū)動(dòng)電路來(lái)增大功率。 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)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(lì) 超聲波 發(fā)射器，由 超聲波發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為 機(jī)械能。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 17 本文采用 COMS 芯片 CD4049 組成超聲波驅(qū)動(dòng)電路圖， 芯片 CD4049 的引腳圖如圖所示： 1 16引出端是空腳 ，與內(nèi)部電路無(wú)連接。 VDD 接地， VCC 接 9V 電壓。 圖 33 CD4049引腳圖 為了增加驅(qū)動(dòng)能力，把 3個(gè)非門(mén)并列起來(lái)。要求 6 個(gè)非門(mén)都來(lái)自同一個(gè)芯片上，以保證信號(hào)的上升沿和下降沿的同步。在非門(mén)輸出的兩端直接接上一個(gè)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(cè)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(dòng)下，各種性能達(dá)到最佳，所以通過(guò)單片機(jī) AT89S52 的 P1． 0 管腳輸出脈沖信號(hào)給振蕩電路。由振蕩電路發(fā)出 40KHz 的脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路。由于單片機(jī) AT89S52 的 P1 口的輸出電壓只有 5V，其驅(qū)動(dòng)能力達(dá)不到要求，所以用一個(gè)CMOS 芯片 CD4069 來(lái)驅(qū)動(dòng)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(gè)非門(mén)并接，即可提供較大的驅(qū)動(dòng)功率，而且到達(dá)發(fā)射器兩端的信號(hào)是反向的，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 18 圖 34 CD4069芯片組成超聲波驅(qū) 動(dòng)電路 超聲波接收模塊電路設(shè)計(jì) 因?yàn)槌暡y(cè)距只用于近距離 ， 當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，衰減較為嚴(yán)重，反射回來(lái)的信號(hào)相對(duì)也比較微弱。因此接收端應(yīng)先 設(shè)置一個(gè)放大電路， 然后通過(guò)檢波電路對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行解 調(diào)，最后把檢波輸出的信號(hào)送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的方波信號(hào)直接輸入單片機(jī)的 INT0 中斷口，產(chǎn)生中斷，停止計(jì)時(shí)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。其過(guò)程如圖所示： (1)放大電路的設(shè)計(jì) +5V +5V +5V 5V 5V 5V 圖 35 接收電路信號(hào)變化關(guān)系圖 如上圖所示：微弱信號(hào) 放大信號(hào) 整形信號(hào) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 19 放大電路的目的：把超聲波探頭接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。 為了提高抗干擾性，濾 波電路要針對(duì) 40 kHz 信號(hào)進(jìn)行高 帶通濾波，并對(duì)該頻率信號(hào)進(jìn)行 放大增益。 如圖： 圖 36 運(yùn)放構(gòu)成接收電路圖 R8 10KR7 100KR3 100KR5 22KR6 1MR1 KR2 22KR4 1M10KC3 680PC1 680PC2 μfC4 μfD1A1A1R9 47kC5 1μf輸出河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 20 電路由集成運(yùn)放 A A2 構(gòu)成二級(jí)放大電路， R、 C為無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)，二極管、R9 為檢波網(wǎng)絡(luò)。 在回波信號(hào)的放大過(guò)程中，由于干擾信號(hào)的存在，為避免將干擾信號(hào)放大而產(chǎn)生回波誤識(shí)別，必須將干擾信號(hào)去 除，即回波信號(hào)放大過(guò)程中必須設(shè)計(jì)帶通濾波器， 只 對(duì)有效頻帶內(nèi)的超聲波信號(hào)進(jìn)行選擇放大。 濾波器 的功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而把此頻率范圍以 外的信號(hào)加 以抑制或使其急劇衰減。當(dāng)干擾信號(hào)與有用信號(hào)不在同一頻率范圍之內(nèi)時(shí)，可使用濾波器有效的抑制干擾。 由于超聲波回波信號(hào)具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用 RC 無(wú)源濾波方式 ，用于微弱回波信號(hào)的放大。集成運(yùn)放主要是把所得到的有用信號(hào)進(jìn)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(guò)二階帶通濾波網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)到系統(tǒng)所需要的 40KHZ 頻率信號(hào)。 (2)比較電路的設(shè)計(jì) 比較電路的目的：將放大電路放大、濾波得到的 40KHZ 頻率信號(hào)整形成能為單片機(jī)的 INT0 口辨識(shí)的脈沖信號(hào) ，也就是將正弦波整形成方波 。 采用集成電壓比較器 LM393 來(lái)實(shí)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(gè)管腳必須接地， VCC 接 9V電壓， GND 接地。由 LM393 構(gòu)成的比較電路如圖所示： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 21 圖 38 LM393構(gòu)成比較電路 如圖所示，放大后的信號(hào)由 LM393 第 2腳進(jìn)入，由于 R2 電阻可調(diào)，即根據(jù)輸入的信號(hào)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(gè)上拉電阻 10K，該 電阻由 +5V