【正文】 圖 43 超聲波發(fā)射電路原理圖四、超聲波檢測(cè)接收電路圖44 超聲波檢測(cè)接收電路超聲波接收部分采用集成芯片CX20226A，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(dòng)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。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，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)射器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將28壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 43 所示。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識(shí)的固有頻率是40KHz，實(shí)際有偏差，如40177。依據(jù)電路需要，發(fā)射電路滿足下列要求：(1)驅(qū)動(dòng)能力較高；(2)I/O口控制。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而27且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來。表41 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（m/s ） 313 319 325 323 338 344 349 386二、測(cè)量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)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。當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于安全距離時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。(4)通過顯示電路將測(cè)距結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示出來。(3)超聲波接收電路主要包括微弱信號(hào)放大，電壓比較中斷信號(hào)輸出等部分。障礙物發(fā)射傳感器接收電路接收傳感器發(fā)射電路 單片機(jī)報(bào)警電路顯示電路26(1)AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)是核心部分，主要任務(wù)有：發(fā)出40KHz的脈沖信號(hào)，使其頻率與超聲波發(fā)射器的固有頻率相同，使換能器能最大效率工作；T0計(jì)時(shí)；完成測(cè)距數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理軟件干擾。由超聲波的發(fā)射電路發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播至障礙物后發(fā)生反射，反射的回波經(jīng)空氣傳播給超聲波接收換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)濾波、放大、整形后,輸入到微處理器的外部中斷口1NT0處產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，測(cè)出從超聲波發(fā)射脈沖串時(shí)刻到接收回波信號(hào)時(shí)刻的差，超聲波在同溫同介質(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。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示報(bào)警電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4l所示。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試，具體放在論文第5章中介紹。硬件設(shè)計(jì)包括測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)(超聲波發(fā)射接收系統(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)。24圖 38 外部時(shí)鐘電路本設(shè)計(jì)只采用一片單片機(jī)，所以采用片內(nèi)時(shí)鐘電路。這時(shí)，外部振蕩器的信號(hào)接至 XTAL2，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端XTAL1 應(yīng)接地，如圖 38。對(duì)外部脈沖信號(hào)只要求高電平持續(xù)時(shí)間大于 20181。MCS51 單片機(jī)常選12擇振蕩頻率為 6MHz 或 12MHz 的石英晶體。對(duì)外1C2接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度穩(wěn)定性。圖 37 是 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘方式的振蕩器電路。23（一）內(nèi)部時(shí)鐘方式8052 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。六、時(shí)鐘電路方案設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生 MCS51 單片機(jī)工作所必需的時(shí)鐘信號(hào)。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的+5V 電平就會(huì)直接加到 RST 端。圖 35 上電復(fù)位電路（二）手動(dòng)復(fù)位圖 36 手動(dòng)復(fù)位電路手動(dòng)復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平（圖 36）。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。上電時(shí),Vcc 的上升時(shí)間約為 10ms，而振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時(shí)間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時(shí)間則為 10ms。上電復(fù)位的工作過程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vcc對(duì)電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。對(duì)于 CMOS 型單片機(jī)，由于在 RST 端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至 1181。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。報(bào)警裝置采用的是有源蜂鳴器，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報(bào)警，以提示駕駛員。綜上所述，閃光報(bào)警裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程方便，但它只作用于人的視覺器官，有一定的局限性，有時(shí)并不能引起人的警覺；語音報(bào)警雖然警報(bào)信息較直接，但硬件成本高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，軟件量也增加；而鳴音報(bào)警電路，簡單實(shí)用，能滿足音響報(bào)警的一般需要。壓電式蜂鳴器，約需10mA 的驅(qū)動(dòng)電流，可在某端口接上一只三極管和電阻組成的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)，如圖 34 所示。圖 33 閃光報(bào)警電路2．鳴音報(bào)警實(shí)現(xiàn)鳴音報(bào)警的接口電路也比較簡單，其發(fā)音元件通?？刹捎脡弘姺澍Q器，當(dāng)在蜂鳴器兩引腳上加 3～15V 直流工作電壓，就能產(chǎn)生 3kHZ 左右的蜂鳴振蕩音響。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的閃光報(bào)警就是在控制指示燈的程序中加入定時(shí)程序，按一定的時(shí)間間隔來交替點(diǎn)亮與熄滅指示燈。（三）報(bào)警方式報(bào)警信號(hào)通常有三種類型：一是閃光報(bào)警，因?yàn)殚W動(dòng)的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報(bào)警，發(fā)出特定的音響，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強(qiáng)警覺；三是語音報(bào)警，不僅能起到報(bào)警作用，還能直接給出警報(bào)種類的信息。調(diào)整參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示，動(dòng)態(tài)顯示節(jié)省了 I/O 口,降低了能耗。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。方案二：動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示時(shí)較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。所以本設(shè)計(jì)采用方案二。簡單地說，LCD 與 LED 是兩種不同的顯示技術(shù)，LCD 是由液態(tài)晶體組成的顯示屏，而 LED 則是由發(fā)光二極管組成的顯示屏。LED 顯示器是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件。LED 是發(fā)光二極管的簡稱，是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的設(shè)備。LCD 液晶器具有本身不發(fā)光，靠反射或者透射其他光源的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有功耗小，可靠性高，壽命長，體積小，電源簡單等特點(diǎn)，非常適合于嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備和掌上設(shè)備的使用。LCD 液晶顯示器是利用光的偏振現(xiàn)象來顯示的。最簡單的顯示器可以使用 LED 發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)簡單，易于安裝，成本只要幾元，但給出只是一個(gè)簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 CRT 監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD 液晶屏，其成本在幾十元到百元不等。圖32 單片機(jī)控制系統(tǒng)綜合以上比較，方案一，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理任務(wù)、控制實(shí)時(shí)性要求高但設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積較大，成本高，而方案二，設(shè)計(jì)簡單，體積小，安裝簡易，成本低等特點(diǎn)，本19系統(tǒng)采用的是第二種方案作為控制系統(tǒng)。具有很高的性價(jià)比，成本低，而且它經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)也相當(dāng)?shù)某墒?。AT89C52是一個(gè)8k字節(jié)可編程FPEPROM 的高性能微控制器。但是用可編程控制器PLC通過數(shù)據(jù)采集控制多個(gè)傳感器的方式，這種方式多用于工業(yè)生產(chǎn)中，體積大，安裝不方便，而且成本高。上、下位機(jī)(PCPLC) 技術(shù)是基于工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可編程序控制器(PLC)控制程序發(fā)展而來的。本系統(tǒng)是精密實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng)，需要微控制器有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且要求微控制器內(nèi)部有看門狗定時(shí)器，以便在程序走飛時(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)。因?yàn)槌暡ㄔ?0 的空氣中Co的傳播速度為334米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 ，所以此系統(tǒng)的測(cè)18量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。故本測(cè)量電路采用第二種方案。方案二：測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，被測(cè)距離為S=vt／2。表31 各種傳感器測(cè)距性能比較超聲波 紅外線 攝像系統(tǒng) 毫米波雷達(dá) 激光最大探測(cè)距離10m 10m 大于100m 大于 150m 可達(dá)150m響應(yīng)時(shí)間 較快, 約為15ms 慢, ms310?取決于處理時(shí)間快,可達(dá)到1ms 很快,約10ms探頭磨損 ,污染等因素的影響幾乎沒有影響影響不大大,直接影響分辨能力較小很大,使探測(cè)距離減少1/2~1/3成本比較探頭約20元一支,工作機(jī)理簡單 ,探頭易安裝約80元 大于1000元大于1500 元,價(jià)格昂貴, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜約500元環(huán)境適應(yīng)性好,可以工作在惡劣環(huán)境中差,但在能見度低時(shí)比其他光學(xué)系統(tǒng)好差,可見性不好條件下無法工作較好,不受能見度影響差,受惡劣環(huán)境影響綜合以上考慮和實(shí)際應(yīng)用條件，本系統(tǒng)的測(cè)距模塊采用的是第五種方案。從以上五種測(cè)距技術(shù)方案的介紹可以看出各個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：超聲波技17術(shù)主要用于短距離探測(cè)，成本低，制作安裝簡便，適應(yīng)惡劣環(huán)境；紅外線技術(shù)一般用于夜間環(huán)境，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差；微波雷達(dá)測(cè)距和激光測(cè)距相對(duì)于超聲波測(cè)距來講精度更高，定位更準(zhǔn)確；攝像系統(tǒng)技術(shù)價(jià)格較貴；毫米波雷達(dá)技術(shù)和激光技術(shù)的成本很高，所以運(yùn)用其原理進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備價(jià)格也是相當(dāng)高的，因而現(xiàn)在只是在比較高級(jí)的轎車中才有所應(yīng)用。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，并且利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)，在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。在這一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)稱為聲振動(dòng)，聲振動(dòng)所激起的縱波稱為聲波。方案五：超聲波測(cè)距超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。由于任何物體在任何時(shí)候都會(huì)發(fā)出紅外線，而且人類肉眼感知不到紅外線，具有極強(qiáng)的隱蔽性。310?紅外線測(cè)距在技術(shù)上難度不大，構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)成本較低，但是在惡劣的天氣和長距離探測(cè)方面仍然不能滿足汽車防撞的要求。方案四：紅外線測(cè)距紅外線測(cè)距和激光、超聲波測(cè)距在原理上基本相同，均是根據(jù)發(fā)射波和反射時(shí)間來判斷目標(biāo)的距離，車載儀器通過發(fā)射并接收前方物體反射回的紅外線，依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱及波長的不同，同時(shí)分析時(shí)間差，可分析出前方物體的性質(zhì)及與汽車的距離。雙目攝像系統(tǒng)模仿人體視覺原理，測(cè)量精度高。方案三；攝像系統(tǒng)測(cè)距CCD攝像機(jī)是一種用來模擬人眼的光電探測(cè)器。毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用于防撞，以避免高速公路上發(fā)生追尾碰撞。作為車載雷達(dá)，目前適用的主要有脈沖多普勒雷達(dá)、雙頻CW雷達(dá)和FM 雷達(dá)三種。所以在汽車防撞領(lǐng)域激光測(cè)距方式?jīng)]有得到發(fā)展。盡管非成像激光雷達(dá)同成像式激光雷達(dá)相比，具有造價(jià)低、速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。目前在汽車上應(yīng)用較廣的激光測(cè)距系統(tǒng)可分為非成像式激光雷達(dá)和成像式激光雷達(dá)。下面對(duì)五種不同的測(cè)距技術(shù)方案進(jìn)行介紹和比較。第三節(jié) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)一、測(cè)距系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)目前汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)測(cè)距技術(shù)主要有激光、毫米波雷達(dá)、攝像系統(tǒng)、紅外線、超聲波等一些測(cè)距技術(shù)，不同的目標(biāo)探測(cè)方式其工作過程和原理有不同之處。(2)控制系統(tǒng)：本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)各種接口電路進(jìn)行控制，發(fā)射脈沖，檢測(cè)到回波后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間差采樣，測(cè)出從超聲波發(fā)射到接收回波信號(hào)的時(shí)刻差，從而計(jì)算出距離。軟件部分對(duì)不同功能模塊的程序進(jìn)行分別編程，便于調(diào)試和移植。圖31 汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化思想。本系統(tǒng)主要完成的功能是：當(dāng)車掛入倒檔位后，提供：(一)防碰撞預(yù)警：當(dāng)距離小于1米時(shí)蜂鳴器發(fā)出BiBi聲；(二)車距顯示：在顯示屏上顯示車距以提醒駕駛者。然而，定時(shí)器 2 的標(biāo)志位TF2 在定時(shí)器溢出的那個(gè)機(jī)器周期的 S2P2 狀態(tài)置位，并在同一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)查詢到該標(biāo)志。當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時(shí)，這些標(biāo)志位不能被硬件清除，事實(shí)上，服務(wù)程序需確定是 TF2 或 EXF2 產(chǎn)生中斷，而由軟件清除中斷標(biāo)志位。IE 也有一個(gè)總禁止位 EA，它能控制所有中斷的允許或禁止。十、中斷AT89C52 共有 6 個(gè)中斷向量：兩個(gè)外中斷（INT0 和 INT1)，3 個(gè)定時(shí)器中斷（定時(shí)器 0、l、2）和串行口中斷。由于識(shí)別 1 至 0 的跳變需要 2 個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)振蕩周期） ，因此，最高計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的 1/24。在計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，當(dāng) T2 引腳上外部輸入信號(hào)產(chǎn)生由 1 至 0 的下降沿時(shí)，寄存器的值加 1，在這種工作方式下，每個(gè)機(jī)器