基于超声波测距倒车雷达的设计

基于超声波测距倒车雷达的设计内容摘要：

 (21)  HMar ct an (22) 将式 （ 22） 带入式 （ 21） 得 ： 11   HMLH ar ct anco s (23) 在整个传播过程中，超声波所走过的距离为： vtL2 (24) 式中： v 为超声波的传播速度， t 为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。 将式 （ 24）带入式 （ 23） 可得：   HMvtH a r c ta nc o  (25) 当被测距离 H 远远大于 M 时，式 （ 25） 变为： vtH  (26) 这就是所谓的时间差测距法。 首先测出超声波从发射到遇到障 碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。 经分析和大量实验表明，频率为 40KHz 左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信 号。 图 22 为倒车雷达的工作原理框图。 图 22 倒车雷达 原理框图 影响精度的因素分析 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。 对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。 超声波接收 单片机 控制器 超声波发送 LED 显示 扫描驱动 声光报警 12 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为：       kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s （ 27） 由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。 超声波在大 气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： s RTC M （ 28） 由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。 工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下：   0C C 1 T 273 （ 29） 式中 C0=； T 为绝对温度，单位 K。 式 （ 29） 一般能为声速的换算提供较为准确的结果。 实际情况下，温度每上升或者下降 1 ℃ , 声 速将增加或者减少 ，这个影响对于较高精度的测量是相当 严重的。 因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。 此外，当要求测距误差小于 1mm 时，假定超声波速度 C=344m/s(20℃ 室温 )，忽略声速的传播误差 ，则 测距误差 S△ t 002 907s，即。 根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时 间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于 1mm 的误差。 使用的12 MHz 晶体作时钟基准的 AT89C51 单片机定时器能方便的计数到 1μs 的精度，因此系统采用 AT89C51 的定时器能保证时间误差在 1mm 的测量范围内。 13 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。 此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。 不同的检测仪阻塞程度不一样。 根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价 会使结果偏低，有时甚至不能发现障 碍物，这时需要注意的。 由于发射 脉冲自身有一定的宽带，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离称为盲区，具体分析如下： 当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。 因此，在一段较长的时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定的幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 VM；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的 限幅电平，当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。 在超声波检测中，接收信号幅值需达到规定的阀值 Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阀值才能使接收信号放大器有输入信号。 系统整体设计方案和论证 由于超声波指向性强，能量萧寒缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，你用超声波测量距离，设计比较方便，计算原理也较简单，并且在测量精度方面也能达到倒车雷达设计的要求 系统整体方案的设计 该设计的应用背景是基于 AT89C51 的超声信号检测的。 因 此初步计划 是 在室内小范围的测试，限定在 米左右。 单片机 （ AT89C51） 发出短暂的 40KHz 信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到 LED 显示电路显示， 并 进行 报警。 超生波 发射电路通常分为调谐式和 非调谐式。 在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率 由 调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。 在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的 超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带较宽。 将一定频率 的交流电压加到发射传感器的固有频率 40KHz，使其工作在谐振频率，达到最 14 优的特性。 发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。 但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。 通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。 发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。 接收部分就是有两级放大电路，检 波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。 最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（ AT89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志 单片机发出启动信号，超声波模块经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，启动单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送 LED 显示。 若测得距离小于事先设定的数值，则发出声音预警。 系统整体方案的论证 超声波 测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算 传播距离。 实用的测距方法有两种， 一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一发 种是 射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。 此次设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。 超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。 由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。 硬件电路的设计主要包括三端稳压电源电路 、 单片机及其辅助电路、超声波发射和超声波检 测接收电路 、 显示电路 四 部分组成。 单片机采用 AT89C51 或其兼容系列。 采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。 单片机用 端口输出超声模块所需的启动信号，超声波发射探头发出 40KHZ 的超声波。 利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。 显示电路采用实用的 4 位共阳 LED 数码管，段码 A—G 接单片机的 —，位码用 PNP 三极管 9012 驱动。 15 第三章 系统硬件设计 51系列单片机的功能 5l 系列单片机中典型芯片 (AT89C51)采用 40 引脚双列直插封装 (DIP)形式，内部由CPU， 4KB 的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 个 16B 的定时／计数器 T0 和 T1， 4 个 8B 的 I/O端： P0， P1， P2， P3，一个全双 工 串行通信口等组成。 特别是该系列单片机片内的 Flash可编程、可擦除只读存储器 (E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。 该系列单片机引脚与封装如图 31 所示。 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0( R X D )10P 3 .1( T X D )11P 3 .2( IN T 0)12P 3 .3( IN T 1)13P 3 .4( T 0)14P 3 .5( T 1)15P 3 .6( W R )16P 3 .7( R D )17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .0/ (A 8)21P 2 .1/ (A 9)22P 2 .2/ (A 10)23P 2 .3/ (A 11)24P 2 .4/ (A 12)25P 2 .5/ (A 13)26P 2 .6/ (A 14)27P 2 .7/ (A 15)28P S E N29A L E /P R O G30E A /V P P31P 0 .7/ (A D 7 )32P 0 .6/ (A D 6 )33P 0 .5/ (A D 5 )34P 0 .4/ (A D 4 )35P 0 .3/ (A D 3 )36P 0 .2/ (A D 2 )37P 0 .1/ (A D 1 )38P 0 .0/ (A D 0 )39V C C40A T 89C 51 图 31 AT89C51 单片机结构及引脚图 5l 系列单片机提供以下功能： 4 KB 存储器； 256 B RAM； 32 条 I/O 线； 2 个 16B 定时／计 数器； 5 个 2 级中断源； 1 个全双向的串行口以及时钟电路。 空闲方式： CPU 停止工作，而让 RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。 掉电方式：保存 RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。 5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。 充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的 基于 超声波测距 的倒车雷达系统。 超声波发射电路 超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测 16 量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声 波来实现。 超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。 利用超声波检测往往 比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制 ，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统 中 得到了广泛应用。 超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声 波 能 量 或是把超声 波 能 量转变为同频率的其他形式的能 量 的器件。 目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。 电声型主要有：压电传感器 ， 磁致伸缩传感器 ， 静电传感器。 流体动力 型 包括有气体与液体两种类型的哨笛。 由于工作频率与应用 目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为 “ 哨 ”或“ 笛 ”。 超声波传感器原理及结构 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。 探头有压电晶片、契块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声。