【正文】 2020 屆畢業(yè)設計（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 顯示電路的設計 液晶顯示模塊已作為很多電子產品的通用器件，如在計算器、萬 用表、電子表及很多家用電子產品中都可以看到，顯示的主要數字是數字、專用符號和圖形。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時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。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)射強度。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信 號分成兩路，分別由 74HC04 經兩次和一次反向放大，從而構成推拉式反向放大 (電路圖如圖 8 所示 )。 74HC04 是一個高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉換時間，而相對于 LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。本設計采用第二種 方法產生超聲波發(fā)射信號。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產生超聲波信號，并直接驅動換能器產生超聲波。前者利用軟件產生 40KHz 的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波。 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。 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。 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，推薦參數為 F。增大電阻 R 或減小 C，將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍數增大。 1) l 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。其主要功能是從 38KHz 紅外載波信號中，將編碼信號解調出來，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。 CX20206A(國內同類產品型號為 D20206A)是日本索尼公司生產的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預放用的雙極型集成電路。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。 CX20206A 的外部接線圖如圖 6所示。 5) 積分濾波器與整形電路：檢測器輸出的信號經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。通過反饋將放大器設定于適當的狀態(tài)，再由限制電平電路進行自動控制。 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，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。內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。由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經放大電路進行放大。 圖 5 單片機最小系統(tǒng) 超聲波接收和發(fā)射電路設計 超聲波接收電路設計 2020 屆畢業(yè)設計（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。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，構成一個穩(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 和微調電容 C1和 C6。 2）復位電路的設計 由電容串聯電阻構成 ,由圖并結合電容電壓不能突變的性質 ,可以知道 ,當系統(tǒng)一上電 ,RST腳將會出現高電平 ,并且 ,這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC 值來決定 .典型的 51 單片機當RST 腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位 ， 所以 ,適 當組合 RC 的取值就可以保證可靠的復位 .一般教科書推薦 C 取 10u,R 取 ， 當然也有其他取法的 ,原則就是要讓 RC 組合可以在 RST 腳上產生不少于 2 個機周期的高電平。 1）電源模塊的設計 AT89C51 實驗開發(fā)板提供了一個 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專門的電源插座把直流電壓引入實驗開發(fā)板，左邊兩個是 12 伏的電源濾波電容，一般大電容旁邊并聯一個小電容的目的是降低高頻內阻，因為大的電解電容一般采用卷繞工藝制造，所以等效電感較大，小電容可以提供一個小內阻的高頻通道，降低電源全頻帶內阻。單片機最小系統(tǒng)基本電路由電源、復位及晶振電路組成。 單片機最小系統(tǒng)的設計 51系列單片機種類很多，此次我選用 AT89C51單片機。作輸出腳使用，欲進行高電平驅動時，得利用外電路來實現（見附圖）， I/O 腳不通，電流經 R 驅動 LED 發(fā)光；低電平時， I/O 腳導通，電流由該腳入地， LED 滅（ I/O 腳導通時對地的電壓降小于 1V， LED 的域值 ～ ）。低電平時，吸入電流可達 20mA，具有一定的驅動能力；而為高電平時，輸出電流僅數十微安 甚至更?。娏鲗嶋H上 是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅動能力。 51 系列的 I/O 腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設置為高電平（復位時，各 I/O 口均置高電平）。 Intel 公司 51 系列的典型產品是 8051，片內有 4K 字節(jié)的一次性程序存儲器（ OTP）。 在 51 系列中，還有一條二進制 十進制調整指令 DA，能將二進制變?yōu)?BCD 碼，這對于十進制的計量十分方便。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 系列的另一個優(yōu)點是乘法和除法指令，這給編程也帶來了便 利。這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，因為一個較復雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。 圖 3 汽車倒車系統(tǒng)的工作原理圖 3 單元電路設計 單片機控制電路設計 單片機的選擇 現在應用最廣泛的八位單片機是 Intel 的 51 系列，由于產品硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產歷史“悠久”，具有很多優(yōu)點。 輔助電源為系統(tǒng)元器件提供電源， 單片機主要是接收信號、處理信號和輸出信號。通過計數器測得的脈沖數可得到超聲波信號往返所需要的時間，從而達到測距的目的。從圖中可看出，該電路主由接收電路、單片機系統(tǒng)、發(fā) 射電路、顯示電路、報警電路、溫度補償電路以及輔助電源等。由此可見，測量精度與溫度有著直接的關系，本文采用 DS18B20 溫度傳感器，對外界溫度進行測量，并在軟件中實現溫度補償。使用的 12 MHz 晶體作時鐘基準的AT89C51 單片機定時器能方便的計數到 1μs的精度，因此系統(tǒng)采用 AT89C51 的定一時器能保證時間誤差在 1mm的測量范圍內。則測距誤差 s△ t 002 907s，即 。 對于時間誤差主要由發(fā)送計時點和接收計時點準確 性確定，為了能夠提高計時點選擇的準確性，本文提出了對發(fā)射信號和 接 收信號通過校正的方式來實現準確計時。實際情況下，溫度每上升或者下降 1℃ , 聲速將增加或者減少 /s ，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重 的。 T 為絕對溫度，單位 K。超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： 由上式知，在空氣中，當地聲速只決定于氣體的溫度，因此獲得準確的當地氣溫可以有效的提高超聲波測距時的測量精度。 經以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產生影響。對于接收到的回 波，超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數規(guī)律。 理論計算 圖 2 測距的原理 如圖 2 所示為反射時間，是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短 和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數，我們通過測量回波時間 T 利用公式： 其中， S 為被測距離、 V為空氣中聲速、 T 為回波時間， T 2 T 1 定時器 顯示器 振蕩器 調制器 接收檢測器 電聲換能器 計時器 控制 電聲換能器 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 3 ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s???可以計算出路程，這種 方法不受聲波強度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設置 “時間門 ”來加以克服。這就是本系統(tǒng)的測量原理。當聲波受到尺寸大 于其波長的目標物體阻擋時就會發(fā)生反射 ， 反射波稱為回聲。這就是超聲波測距儀的原理。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關， 列出了幾種不同溫度下的聲速。 超聲波倒車雷達系統(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，現在市場上的倒車雷達大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產生回波信號，傳感器接收到回波信號后經控制器進行數據處理，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，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數，使倒車變得更輕松。技術上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設備趨于小型化、人性化、智能化等方向發(fā)展。就目前形勢來看，汽車市場的快速發(fā)展將帶動倒車雷達市場的繁榮。本文著重研究超聲波測距。 倒車雷達又稱泊車輔助系統(tǒng)，是汽車泊車安全