【文章內(nèi)容簡介】 用與發(fā)射端同型號的壓電式超聲波傳感器，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)放大電路進行放大。 超聲波接收部分采用集成芯片 CX20xx6A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成?？梢岳盟鳛槌暡z測電路 。 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超聲波在空氣中直線傳輸時，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，故反射回來的超聲波信號的幅值會有很大的變化。為了不使放大器的輸出信號過強而產(chǎn)生失真，集成塊內(nèi)部有自動電平限制電路，對前置放大器的增益進行自動限制。通過 反饋將放大器設定于適當?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進行自動控制。 限度放大器：當信號太強時為了防止放大器過載，限制高電平振幅，同時也可消除寄生調(diào)幅干擾 。 寬頻帶濾波器：其頻率范圍為 30Hz~60Hz，其中心頻率可調(diào)。 檢測器：將返回的超聲波的包絡解調(diào)回來。 9 積分濾波器與整形電路：檢測器輸出的信號經(jīng)積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。 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，實現(xiàn)準確的計時。 IN1C12C23G N D4F05C36O U T7V C C8R 1 7C X 201 06AL S 3R X (S )C947 3R 1 4 K+C 1 7 10 uF /5 0V+C 1 0 10 uF /5 0VR 1 520 0KR 1 620 0KC6 33 0pFV C CC110 4P 3 2超聲波接收電路 圖 超聲波 接收電路圖 集成電路 CX20xx6A 集成電路 CX20xx6A 是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視紅外遙控器。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。適當?shù)母淖僀3 的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。 CX20xx6A(國內(nèi)同類產(chǎn)品型號為 D20xx6A)是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預放用的雙極型集成電路。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。這種 IC 性能優(yōu)越 ， 封裝形式及體積與許多遙控信號接收器 IC 相同或相似 ， 故可用來代換多種型號的遙控信號接收集成電路。 CX20xx6A 可用來完成遙控信號， CX20xx6A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外解調(diào)集成電路，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、自動偏置、限幅放大、通帶攄波、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)進行處理，以實現(xiàn)遙控操作功能，其具體引腳圖如圖 所示 ： 10 圖 集成電路 CX20xx6A 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 CX20xx6A 的引腳注釋： （ 1） l 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ 。 （ 2） 2 腳：該腳與 GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R 或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為 R= ， C= F。 （ 3） 3 腳：該腳與 GND 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢 波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 F。 （ 4） 4 腳：接地端 。 （ 5） 5 腳：該腳與電源端 VCC 接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ 時， fn≈ 42kHz，若取 R=220kΩ ，則中心頻率 f0≈ 38KHz。 （ 6） 6 腳： 該腳與 GND 之間接入一個積分電容，標準值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短 。 （ 7） 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ ，沒有 接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降 。 （ 8） 8 腳： 電源正極， ～ 5V。 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 tr，然后求出距離 S＝ Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲 11 波換能器分別作為多 路超聲波發(fā)射 /接收的設計方法。 鍵盤控制電路 此鍵盤 與單片機 P2口四個引腳相接，用于對報警距離進行設定。其中 S1表示“確定”按鍵； S2表示“減一”； S3表示“加一”、 S4表示循環(huán)移位，對不同位置進行選擇。駕駛員可以根據(jù)自身要求對報警距離進行設定，從而大大提高了駕駛的安全系數(shù)。 超聲波傳感器的特性 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的傳感器特性為例子 。 超聲波傳感器的頻率特性 圖 超聲波傳感器的升壓能級和靈敏度 圖 。其中， 40KHz 處為超聲波發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40KHz 處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機械波最強，也就是說在40KHz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在 40KHz 兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。其頻率特性如圖 。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 40KHz 的交流電壓來激勵 。 12 圖 超聲發(fā)射傳感器頻率特性 另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 40KHz處曲線最尖銳，輸出電信號的振幅 最大，即在 40KHz 處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時靈敏度以隨之降低。并且最大靈敏的向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度?？紤]到實際工程測量的要求，可以選用超聲波頻率 f = 40KHz，波長 λ = 。 超聲波傳感器的指向 特性 實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩器，輻射出一個半球而波（子波）， 這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。 超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0度時電壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為 40度到 80度，本設計要求傳感器的指向角為 75度。圖 電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性及結(jié)構(gòu)。 圖 超聲波傳感器指向特性及結(jié)構(gòu) 13 單片機的選擇 本系統(tǒng)中所用到 的單片機為 STC89C51，以下是對其功能與結(jié)構(gòu)的簡單介紹。 STC89C51的簡介 STC89C51是兼容 8051內(nèi)核的單片機，是高速低功耗的新一代 8051單片機， 12時鐘機器周期和 6時鐘周期可反復設置 。 STC89C51的主要性能參數(shù)和特點 1． 增強型 6時鐘機器周期， 12時鐘機器周期， 8051CPU。 2． 工作電壓： – 。 3． 工作頻率范圍： 0 – 40 MHZ，相當于普通 8051的 0 – 80 MHZ，實際工作 頻率可達 48MHZ。 4． 用戶應用程序空間 4K/8K/16K/20K/32K/64K 字節(jié) 。 5． 片上集成 512字節(jié) /1280字節(jié) RAM。 6． 通用 I/0口（ 32/36個），復位后為： P1/P2/P3/P4是準雙向口 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/0口） PO 口是開漏輸入，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 7． ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器可通過串口（ ） 直接下載用戶程序， 8K 程序 3秒即可完成一 片 。 8． EEPROM 功能 。 9．看門狗 。 10．內(nèi)部集成 MAX810專用復位電路（ D 版本才有 0）外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路 。 11．共 3個 16位定時器 /計數(shù)器 。 12．外部中斷 2路，下降沿中斷或電平觸發(fā)中斷， power down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 。 13．通用異步串行口（ UART） 。 14．工作溫度范圍 :075℃ /40 +85℃ 。 ： PDIP40,PLCC44,PQFP44。 超聲波傳感器的選擇 超聲波傳感器的簡介 超聲波傳感器選擇的是 DYPME007 超聲波測距模塊，可提供 的非接觸式距離感測功能，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理為給予此超聲波測距模塊觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當超聲波投射到物體而反射回來時，模塊 14 輸出回響信號，以觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來判定物體的距離。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、 波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面 。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收 ）等。 超聲波傳感器的技術(shù)參數(shù) 1． 工作電壓： DC5V； 2． 靜態(tài)電流：小于 2mA； 3． 電平輸出：高 5V； 4． 電平輸出：低 0V； 5． 感應角度：不大于 15 度 ； 6． 感應距離： 4cm5m； 7． 高精度： 。 本章小結(jié) 本章介紹了系統(tǒng)硬件的設計，對硬件的選擇做了介紹和分析，以及硬件個部分的組成，對硬件部分的搭建做了充分的準備 。 15 第 4 章 倒車雷達 的軟件設計 軟 件總體結(jié)構(gòu)框圖 超聲波倒車雷達系統(tǒng)的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、 INT0 超聲波接收中斷程序及顯示子程序四個主要模塊組成。軟件設計的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 圖 程序總體框圖 軟件設計各程序簡介 （ 1） 系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時候?qū)ο到y(tǒng)的各個引腳的電平分配和對各寄存器的初值賦值。 （ 2） 數(shù)碼管顯示模塊：通過該模塊的設計能夠讓所測得的距離顯示在數(shù)碼管上。 （ 3） 按鍵掃描模塊：此模塊用來通過鍵盤控制倒車雷達的工作。 （ 4） 發(fā)射 接收控制模塊：發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲脈沖啟動定時器工作，同時啟動接收電路工作，當接收電路有信號輸入時，對輸入信號進行處理。 （ 5） 運算結(jié)果處理模塊：運算結(jié)果處理模塊將多次所測得時間進行處理，進行軟件取大值工作，根據(jù)公式計算出距離，然后再對計算得出的結(jié)果進行修正處理，數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼顯示模塊。 （ 6） 蜂鳴 報警模塊 ：當所測距離小于一定值時，通過 蜂鳴 報警來挺行駕駛員。 系統(tǒng)初始化程序 按鍵掃描模塊 液晶顯示模塊 運算結(jié)果處理模塊 發(fā)射接收控制模塊 蜂鳴報警模塊 系統(tǒng)各功能模塊 16 我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法 ， 匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距 儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 主程序除了完成定時器 T0、中斷源 TNT0 初始化外，主要實現(xiàn)超聲波的巡回發(fā)射（調(diào)用超聲波發(fā)射程序）和距離的動態(tài)掃描顯示； INT0 中斷服務程序計算車尾距離障礙物的距離數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)一