【正文】 雷達預警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖各模塊所完成的具體功能如下：(1)測距系統(tǒng)模塊：針對超聲波傳感器設(shè)計的發(fā)送模塊、接收模塊和控制系統(tǒng)共同完成測距功能。(3)顯示報警系統(tǒng)模塊：顯示最小距離及報警以提醒駕駛員。而且在有的環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況。由于題目要求，本系統(tǒng)的測距模塊采用的是超聲波測距，其他測距方法不做過多說明。正常人的聽覺可以聽到1620千赫茲（KHZ）的聲波，低于16千赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過20千赫茲的聲波稱為超聲波。電磁波的傳播速度為310m/s，超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s(常溫下)。由上述敘述可知，超聲波測量能夠達到系統(tǒng)中所要求的測量精度，一般應(yīng)用在汽車倒車系統(tǒng)上。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。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。小功率超聲探頭多用作探測作用。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。（2）工作溫度。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。主要取決于壓電晶片本身。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。該復合式振動器是諧振器以及由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進行覆蓋。圖22 超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖其原理為：在超聲波發(fā)射器兩端輸入40KHZ脈沖串，脈沖信號經(jīng)過超聲波內(nèi)部振子，振蕩產(chǎn)生機械波，并通過空氣介質(zhì)傳播到被測面，由被測面反射到超聲波接收器接收，在超聲波接收器兩端，信號是毫伏級的正弦波信號，超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即為往返時間。而所測距離為聲波傳輸距離的一半，其關(guān)系式可由公式(11)表示：L=CT/2 (11)（11）式中，L為待測距離，C為超波的聲速，T為往返時間。假設(shè)微處理器的周期為t，則T=Nt，則探測距離可由公式(12)表示：L=CT/2=CNt/2 （12）因為超聲波指向性強，所以超聲波對障礙物面的入射角對超聲波電子倒車雷達的靈敏度影響較大。圖 23是超聲波測距的原理圖。本系統(tǒng)是精密實時采集傳輸系統(tǒng)，需要微控制器有很強的抗干擾能力，而且要求微控制器內(nèi)部有看門狗定時器，以便在程序走飛時能自動復位；執(zhí)行指令速度要快，以便能高速處理采集到實時數(shù)據(jù)。發(fā)射電路接收電路顯示距離報警電路單片機控制發(fā)射傳感器接收傳感器圖24 單片機控制系統(tǒng)AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在線可編程Flash 存儲器。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。顯示器應(yīng)用極為廣泛，是一種輸出設(shè)備，綜合課題的實際要求、成本以及考慮單片機的接口資源，本設(shè)計使用三個DPY_7SEG_DP共陰二極管顯示器，由于倒車時距離障礙物的距離本來就比較近，大概在3米以內(nèi)，所以一個三位的LED顯示器就可以達到要求。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角度：圖24 探測角度影響超聲波探測的因素以上陰影區(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到，則與以下因素有關(guān)：1．從物理學的反射原理可知：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)。3．另外，障礙物會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)。4．超聲波在空氣中傳輸時也會衰減，所以同一個反射面，同樣的角度，距離越遠，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不易被測到。根據(jù)以上原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況：1．鐵絲網(wǎng)、繩索類細小物體。3．棉質(zhì)或表面易吸收聲波之物質(zhì)。5．同頻率(40KHZ)之超聲波雜音，如金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車喇叭正對傳感器鳴叫時。為了滿足安全距離的要求，超聲波傳感器的最大探測范圍為10米，本系統(tǒng)測距的范圍是0～8米。根據(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，振動等特點，本系統(tǒng)選擇超聲波測距傳感器UCMT40KI、UCMR40KI (T表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器)，最大探測距離為10m，發(fā)射擴散角為60度。本章首先根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，介紹了系統(tǒng)構(gòu)建，然后詳細闡述了系統(tǒng)的方案設(shè)計，對系統(tǒng)的三個模塊：測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示報警系統(tǒng)分別方案設(shè)計，確定了本系統(tǒng)以AT89S52單片機系統(tǒng)為核心，以UCMT40KI、UCMR40KI為超聲波發(fā)射、接收器的汽車倒車雷達預警系統(tǒng)的方案設(shè)計并分析影響超聲波傳感器工作的多種因素。包括測距系統(tǒng)設(shè)計(超聲波發(fā)送接收系統(tǒng))、單片機控制系統(tǒng)設(shè)計和顯示報警系統(tǒng)設(shè)計。以下就各模塊的電路圖、功能及設(shè)計思路作詳細說明。單片機發(fā)射電路發(fā)射傳感器報警電路測溫電路顯示電路接收電路接受傳感器障礙物圖31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，發(fā)出一系列的脈沖群，信號經(jīng)過放大，再經(jīng)過驅(qū)動電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭，使發(fā)射換能器接收高電壓。當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。計數(shù)器停止計數(shù)，測出從超聲波發(fā)射脈沖群時刻到接收回波信號時刻差，超聲波在同溫同介質(zhì)中的傳播速度由測溫系統(tǒng)得知，將時刻差與聲速相乘，得出距離，并顯示。并通過收發(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，供單片機進行處理。發(fā)射電路的實現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號。振蕩電路的目的是為超聲波傳感器提供40KHz脈沖。接通電源后，電容C被充電，當V上升到2V/3時，使V為低電平，同時放電三極管T導通。當V下降到V/3時，V翻轉(zhuǎn)為高電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就一個周期性的矩形波。聲波在空氣中的傳播速度受空氣介質(zhì)影響，距離越遠，衰減越大。驅(qū)動電路的實現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號。本文采用COMS芯片CD4049組成超聲波驅(qū)動電路圖，芯片CD4049的引腳圖如圖所示：116引出端是空腳 ，與內(nèi)部電路無連接。圖33 CD4049引腳圖為了增加驅(qū)動能力，把3個非門并列起來。在非門輸出的兩端直接接上一個電容是為了防止直流直接加載在超聲波發(fā)射器上而導致其損壞。由振蕩電路發(fā)出40KHz的脈沖信號給驅(qū)動電路。它的工作原理是：幾個非門并接，即可提供較大的驅(qū)動功率，而且到達發(fā)射器兩端的信號是反向的，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。因此接收端應(yīng)先設(shè)置一個放大電路，然后通過檢波電路對其輸出信號進行解調(diào)，最后把檢波輸出的信號送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入單片機的INT0中斷口，產(chǎn)生中斷，停止計時，在進行數(shù)據(jù)處理運算。為了提高抗干擾性，濾波電路要針對40 kHz信號進行高帶通濾波，并對該頻率信號進行放大增益。在回波信號的放大過程中，由于干擾信號的存在，為避免將干擾信號放大而產(chǎn)生回波誤識別，必須將干擾信號去除，即回波信號放大過程中必須設(shè)計帶通濾波器，只對有效頻帶內(nèi)的超聲波信號進行選擇放大。當干擾信號與有用信號不在同一頻率范圍之內(nèi)時，可使用濾波器有效的抑制干擾。集成運放主要是把所得到的有用信號進行一定倍數(shù)的放大。(2)比較電路的設(shè)計比較電路的目的：將放大電路放大、濾波得到的40KHZ頻率信號整形成能為單片機的INT0口辨識的脈沖信號，也就是將正弦波整形成方波。由LM393構(gòu)成的比較電路如圖所示：圖38 LM393構(gòu)成比較電路如圖所示，放大后的信號由LM393第2腳進入，由于R2電阻可調(diào)，即根據(jù)輸入的信號可以調(diào)節(jié)滯回電壓。LM393是+9V(可調(diào))供電，需要在輸出端口接上一個上拉電阻10K，該電阻由+5V供電，將+9V高電平拉低到+5V高電平，供單片機INT0端口識別。 超聲波是一種能量傳播。而聲波傳播的速度與彈性介質(zhì)的種類和狀況關(guān)系極大，通常說的聲速每秒340米，其傳播介質(zhì)是15℃的標準空氣。 研究表明，聲音的傳播速度與溫度是成正比的，溫度越高,空氣中分子密度越小,而空氣作為聲音傳播介質(zhì),那么聲音傳播速度會有所增強。聲波與速度的關(guān)系，如表31所示。（1）DSl8B20簡介DSl8B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，他具有獨特的單線總線接口方式。它無需任何外圍硬件即可方便地進行溫度測量，與單片機交換信息僅需要一根I/O線。寄生供電就是從DQ數(shù)據(jù)獲取電源，采用這種方式供電時，需要V接地，這種供電方式可能使得DQ線沒有足夠的驅(qū)動能力，因此本文使用的是第二種供電方式，即將V直接接外部電源（3～）。圖310 測溫電路電路圖控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，一切命令的發(fā)出、接受、處理、數(shù)據(jù)運算都是在這部分中完成的。一般包括晶振電路和復位電路。復位電路目的：在需要的時候，單片機復位，保證正常的工作循環(huán)。AT89S52單片機對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高靈活有效的解決方案。AT89S52單片機各個引腳分布如圖所示，P10為控制超聲波發(fā)射；INT0為接收超聲波回波信號；X1和X2為單片機自身的12MHZ晶振；RESET是復位信號； P21接溫度傳感器DS18B20，測量溫度，實時計算出距離；P00一P07引腳對應(yīng)LED顯示器，控制LED顯示器的寫入字符；TXD、RXD引腳控制寫入下載程序；P20引腳輸出報警信號；當距離達到限定值就啟動蜂鳴器，開始嗚叫報警，以提醒駕駛員注意倒車情況。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。串行接口電路的種類和型號很多。從本質(zhì)上說，所有的串行接口電路都是以并行數(shù)據(jù)形式與CPU接口，以串行數(shù)據(jù)形式與外部邏輯接口。 PC機與單片機之間可以由RS232C、RS422或RS423等接口相連，關(guān)于這些標準接口的特征我們已經(jīng)在前面的篇幅中介紹過。該適配器的核心元件是可編程的Intel8250芯片，它使PC機有能力與其他具有標準的RS232C接口的計算機或設(shè)備進行通信。同樣，PC機和單片機之