【正文】 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 19 F e b 20 1 2 S h e e t of F il e : C : \ P r og r a m F i l e s \ D e s i g n E xp l or e r 99 S E \ L ibr a r y \S c h \ M i s c e l la ne ou s D e v i c e s .d dbD r a w n B y: S P E A K E R1A11Y22A32Y43A53Y6G N D74Y84A95Y105A116Y126A13V C C14 74 H C 04V C C 圖 8 超聲波發(fā)射電路 顯示電路的設(shè)計(jì) 液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通用器件，如在計(jì)算器、萬(wàn) 用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要數(shù)字是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。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)生器；反之，如果兩電極問(wèn)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(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(lái)工作的。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信 號(hào)分成兩路，分別由 74HC04 經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大 (電路圖如圖 8 所示 )。 74HC04 是一個(gè)高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于 LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。本設(shè)計(jì)采用第二種 方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。 8) 8腳： 電源正極， ～ 5V。 6) 6腳： 該腳與 GND 之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 5) 5腳：該腳與電源端 VCC 接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。 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(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 F。增大電阻 R 或減小 C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。 1) l 腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。其主要功能是從 38KHz 紅外載波信號(hào)中，將編碼信號(hào)解調(diào)出來(lái)，并加以放大和整形，然后 再送到微處理器 (CPU)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)遙控操作功能。這種 IC 性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號(hào)接收器 IC 相同或相似，故可用來(lái)代換多種型 號(hào)的遙控信號(hào)接收集成電路。 CX20206A(國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品型號(hào)為 D20206A)是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。常用的載波頻率 38khz 與測(cè)距的 40khz 較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。 CX20206A 的外部接線圖如圖 6所示。 5) 積分濾波器與整形電路：檢測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。 3) 寬頻帶濾波器：其頻率范圍為 30Hz~60Hz，其中心頻率可調(diào)。通過(guò)反饋將放大器設(shè)定于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進(jìn)行自動(dòng)控制。 1) 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(shí)，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，故反射回來(lái)的超聲波信號(hào)的幅值會(huì)有很大的變化。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。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路進(jìn)行放大。 圖 5 單片機(jī)最小系統(tǒng) 超聲波接收和發(fā)射電路設(shè)計(jì) 超聲波接收電路設(shè)計(jì) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 19 F e b 20 1 2 S h e e t of F il e : D : \ pc b\ s hu z i w e n du j i .dd b D r a w n B y:IN1C12C23G N D4F05C36O U T7V C C8 C X 2 01 0 6A 47 3 10 4 33 0P F+ 10 U F+ 10 U F 20 0K 20 0K 4. 7K S P E A K E RV C C超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。晶振的頻率選擇 12MHz。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，如電路原理圖所示在引腳 XTAL1 和 XTAL2 跨接晶振 Y1 和微調(diào)電容 C1和 C6。 2）復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成 ,由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì) ,可以知道 ,當(dāng)系統(tǒng)一上電 ,RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平 ,并且 ,這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的 RC 值來(lái)決定 .典型的 51 單片機(jī)當(dāng)RST 腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位 ， 所以 ,適 當(dāng)組合 RC 的取值就可以保證可靠的復(fù)位 .一般教科書(shū)推薦 C 取 10u,R 取 ， 當(dāng)然也有其他取法的 ,原則就是要讓 RC 組合可以在 RST 腳上產(chǎn)生不少于 2 個(gè)機(jī)周期的高電平。 1）電源模塊的設(shè)計(jì) AT89C51 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板提供了一個(gè) 9 伏 400 毫安的外接交流電源，它能空載輸出 12 伏的直流電壓，穩(wěn)壓電源輸出的直流電壓通過(guò)專門(mén)的電源插座把直流電壓引入實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，左邊兩個(gè)是 12 伏的電源濾波電容，一般大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因?yàn)榇蟮碾娊怆娙菀话悴捎镁砝@工藝制造，所以等效電感較大，小電容可以提供一個(gè)小內(nèi)阻的高頻通道，降低電源全頻帶內(nèi)阻。單片機(jī)最小系統(tǒng)基本電路由電源、復(fù)位及晶振電路組成。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 51系列單片機(jī)種類很多，此次我選用 AT89C51單片機(jī)。作輸出腳使用，欲進(jìn)行高電平驅(qū)動(dòng)時(shí)，得利用外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)附圖）， I/O 腳不通，電流經(jīng) R 驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)光；低電平時(shí)， I/O 腳導(dǎo)通，電流由該腳入地， LED 滅（ I/O 腳導(dǎo)通時(shí)對(duì)地的電壓降小于 1V， LED 的域值 ～ ）。低電平時(shí)，吸入電流可達(dá) 20mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十微安 甚至更?。娏鲗?shí)際上 是由腳的上拉電流形成的），基本上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)能力。 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各 I/O 口均置高電平）。 Intel 公司 51 系列的典型產(chǎn)品是 8051，片內(nèi)有 4K 字節(jié)的一次性程序存儲(chǔ)器（ OTP）。 在 51 系列中，還有一條二進(jìn)制 十進(jìn)制調(diào)整指令 DA，能將二進(jìn)制變?yōu)?BCD 碼，這對(duì)于十進(jìn)制的計(jì)量十分方便。積的低位字節(jié)在累加器 A 中，高位字節(jié)在寄存器 B 中 )。而八位乘八位的乘法指令，其積為十六位，精度還是能滿足要求的，用的較多。 51 系列的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程也帶來(lái)了便 利。這一功能無(wú)疑給使用者提供了極大的方便，因?yàn)橐粋€(gè)較復(fù)雜的程序在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到很多分支，因而需建立很多標(biāo)志位，在運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)有關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、清零或檢測(cè)，以確定程序的運(yùn)行方向。雖然其他種類的單片機(jī)也具有位處理功能，但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)屬少見(jiàn)。它的處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。 圖 3 汽車倒車系統(tǒng)的工作原理圖 3 單元電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇 現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的八位單片機(jī)是 Intel 的 51 系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，具有很多優(yōu)點(diǎn)。 輔助電源為系統(tǒng)元器件提供電源， 單片機(jī)主要是接收信號(hào)、處理信號(hào)和輸出信號(hào)。通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)可得到超聲波信號(hào)往返所需要的時(shí)間，從而達(dá)到測(cè)距的目的。從圖中可看出，該電路主由接收電路、單片機(jī)系統(tǒng)、發(fā) 射電路、顯示電路、報(bào)警電路、溫度補(bǔ)償電路以及輔助電源等。由此可見(jiàn)，測(cè)量精度與溫度有著直接的關(guān)系，本文采用 DS18B20 溫度傳感器，對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量，并在軟件中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。使用的 12 MHz 晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的AT89C51 單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到 1μs的精度，因此系統(tǒng)采用 AT89C51 的定一時(shí)器能保證時(shí)間誤差在 1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。則測(cè)距誤差 s△ t 002 907s，即 。 對(duì)于時(shí)間誤差主要由發(fā)送計(jì)時(shí)點(diǎn)和接收計(jì)時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確 性確定，為了能夠提高計(jì)時(shí)點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對(duì)發(fā)射信號(hào)和 接 收信號(hào)通過(guò)校正的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降 1℃ , 聲速將增加或者減少 /s ，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重 的。 T 為絕對(duì)溫度，單位 K。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過(guò)程中衰減很大，收到的回波信號(hào)可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個(gè)回波確定準(zhǔn)確的接受時(shí)間，必須對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時(shí)間，會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量精度產(chǎn)生影響。對(duì)于接收到的回 波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過(guò)程中會(huì)有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 理論計(jì)算 圖 2 測(cè)距的原理 如圖 2 所示為反射時(shí)間，是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖所示，對(duì)于距離較短 和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間 T 利用公式： 其中， S 為被測(cè)距離、 V為空氣中聲速、 T 為回波時(shí)間， T 2 T 1 定時(shí)器 顯示器 振蕩器 調(diào)制器 接收檢測(cè)器 電聲換能器 計(jì)時(shí)器 控制 電聲換能器 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s???可以計(jì)算出路程，這種 方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過(guò)設(shè)置 “時(shí)間門(mén) ”來(lái)加以克服。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。當(dāng)聲波受到尺寸大 于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射 ， 反射波稱為回聲。這就是超聲波測(cè)距儀的原理。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)， 列出了幾種不同溫度下的聲速。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器等部分組成，現(xiàn)在市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測(cè)距原理，駕駛者在倒車時(shí)，啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險(xiǎn)杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號(hào)，得到及時(shí)警示，從而使駕駛者倒車時(shí)做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。技術(shù)上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設(shè)備趨于小型化、人性化、智能化等方向發(fā)展。就目前形勢(shì)來(lái)看，汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展將帶動(dòng)倒車?yán)走_(dá)市場(chǎng)的繁榮。本文著重研究超聲波測(cè)距。 倒車?yán)走_(dá)又稱泊車輔助系統(tǒng)，是汽車泊車安全