超声波倒车雷达系统的设计毕业设计(论文

超声波倒车雷达系统的设计毕业设计(论文内容摘要：

发射波 反射波 图 23 超声波测距的原理 图 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据。 所以微控制器选用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机的控制系统。 AT89S52是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在 线 可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能 ： 8k字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作 ，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 显示报警系统方案设计 显示器应用极为广泛，是一种输出设备， 综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源， 本设计使用 三 个 DPY_7SEG_DP 共阴二极管显示器 ，由发射电路 接收电路 显示距离 报警电路 单 片 机 控 制 发射传感器 接收传感器 图 24 单片机控制系统 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 于倒车时距离障碍物的距离本来就比较近，大概在 3米以内，所以一个 三 位的LED 显示器就可以达到要求。 报警装置采用的是有源蜂呜器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员。 系统探测范 围及传感器布点的确定 超声波传感器 发射超声波有一定的角度范围，下图为常用 超声波传感器 的探测角度： 影响超声波探测的因素以上阴影区只是 超声波传感器 发射超声波的覆盖区，而覆盖区内的障碍物是否能被探测到，则与以下因素有关： 1． 从物理学的反射原理可知：超声波的反射规律为反射角等于入射角，因此，反射波是否能被 超声波传感器 捕捉，与反射面的角度有关。 图 24 探测角度 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 2．反射面的大小不同，也会影响反射波的强度。 3．另外，障碍物会吸收掉一部分超声波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，则与障碍物的材质和表面处理相关。 疏松、多孔的表面较易吸收音波而导致反射效率较低，不易被侦测。 4．超声波在空气中传输时也会衰减，所以同一个反射面，同样的角度，距离越远，发射和反射的超声波衰减越大，越不易被测到。 5．以上几点简单的说就是：角度、大小、表面材质和距离 这些因素综合起来，决定障碍物是否会被探测到。 根据以上原理可知，在下列环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况 ： 1．铁丝网、 绳索类细小物体。 2．于草地行车或崎岖不平路面。 3．棉质或表面易吸收声波之物质。 4．传感器表面附 着异物。 5．同频率 (40KHZ)之超声波杂音，如金属声，高压气体排放声，汽车喇叭正对传感器鸣 叫时。 6． 障碍物为锐角反射体，锥状物体。 为了满足安全距离的要求，超声波传感器的最大探测范围为 10 米，本系统测距的范围是 0～ 8 米。 由于汽车工作环境的恶劣和各种干扰，选择合适的传感器和在车体安装适当的位置是很重要的。 根据超声波传感器的灵敏度高，可靠性和稳定性好，耐高低温，振动等特点，本系统选择超声波测距传感器UCMT40KI、 UCMR40KI (T表示发射传感器， R表示接收传感器 )，最大探测距离为 10m，发射扩 散角为 60 度。 考虑到汽车的形体、行驶的需求和程序控制的输入输出点数，按设计要求，本系统在汽车尾部安装多个超声波传感器，根据一般要求装 4— 6个较合适，本系统设计成 4个测量通道，具体安装在汽车两侧中后部各安装一个传感器，尾部安装两 个传感器， 4个距离值由单片机进行处理运算。 本章小结 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 本章首先根据系统的设计要求，介绍了系统构建，然后详细阐述了系统的方案设计，对系统的三个模块：测距系统、控制系统和显示报警系统分别方案设计，确定了本系统以 AT89S52 单片机系统为核心，以 UCMT40KI、 UCMR40KI为超声波发射、接收器的汽车倒车雷达预警系统的方案设计并 分析 影响超声波传感器 工作 的多种因素。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 3 系统硬件设计 本章讲述倒车雷达系统的各个模块的设计和主要元器件的介绍。 包括测距系统设计 (超声波发送接收系统 )、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。 其中，测距系统由超声波发射模块和超声波接收模块构成；控制系统设计主要对 AT89S52 单片机系统进行设计； 显示报警系统设计差要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和静态显示电路进行设计。 以下就各模块的电路图、功能及设计思路作详细说明。 系统硬件设计思想 其硬件结构图如图 31 所示。 图 31 系统硬件结构图 40kHz 的超声波发送脉冲信号由微处理器的 ， 发出一系列的脉冲群 ，信号经过放大，再经过驱动电路，驱动超声波发射头，使发射换能器接收高电压。 其内部的压电晶片开始震动，经过换能器发出 40kHz 的脉冲超声波。 当超声波遇到障碍物发生反射，反射波 (回波 )返回到超声波传感器上。 反射回的正弦波信号经过放大、滤波、整形后输入单片机的 INT0 端 ，产生中断。 计数器停止计数，测出从超声 波发射脉冲群时刻到接收回波信号时刻差，超声波在单 片 机 发射电路 发射传感器 报警电路 测温电路 显示电路 接收电路 接受传感器 障碍物 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。 测距系统设计 测距系统模块由超声波发射与回波接收电路组成，其主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压辐值，有效地进行电 \声转换，增大超声波的发射距离。 并通过收发一体的超声波 传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号，供单片机进行处理。 超声波 的传播速度一般来说只跟介质有关 ， 相同的介质在不同的条件下传播速度会有一些不同 ，比如温度不同它的传播速度也不相同，由于本设计中距离障碍物的距离很近 ，所以必须考虑到温度对超声波传播速度的影响。 超声波发射模块电路设计 发射电路的实现目的是为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。 要求荡电路振荡频率可调，同时具有一定的驱动能力可以驱动超声波传感器发出超声波。 振荡电路的目的是为超声波传感器提供 40KHz 脉冲。 用 555 定时器组成的多谐振荡器如图所示。 接通电源后，电容 C被充电，当 VC 上升到 2VCC /3 时，使 V0 为低电平 ，同时放电三极管 T导通。 此时电容 C通过 R2 和 T放电， VC 下降。 当 VC 下降到 VCC /3时， V0 翻转为高电平。 电容器 C 放电所需的时间为 tPL = R2 Cln2= R2 C 当放点结束时， T截止， VCC 将通过 R1 、 R2 向电容器 C 充电， VC 由 VCC /3上升到 2VCC /3 所需的时间为 tPH =（ R1 + R2 ） Cln2=（ R1 + R2 ） C 当 VC 上升到 2VCC /3 时，电路又翻转为低电平。 如此周而复始，于是，在电路的输出端就一个周期性的矩形波。 其振荡频率为 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 f=  PHPL tt 1 )C2R(R 21  图 32 震荡电路 在控制信号 ，此振 荡电路启振，调节到 R1 、 R2 、 C 可得到40kHz 左右的振荡频率。 声波在空气中的传播速度受空气介质影响，距离越远，衰减越大。 为能够接收远距离的回波，所以要增加驱动电路来增大功率。 驱动电路的实现目的是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。 驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声 波 电脉冲去激励 超声波 发射器，由 超声波发射器将电能转换为 机械能。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 本文采用 COMS 芯片 CD4049 组成超声波驱动电路图， 芯片 CD4049 的引脚图如图所示： 1 16引出端是空脚 ，与内部电路无连接。 VDD 接地， VCC 接 9V 电压。 图 33 CD4049引脚图 为了增加驱动能力，把 3个非门并列起来。 要求 6 个非门都来自同一个芯片上，以保证信号的上升沿和下降沿的同步。 在非门输出的两端直接接上一个电容是为了防止直流直接加载在超声波发射器上而导致其损坏。 其电路图如图34所示： 测距系统所用的超声波探头 UCMT40KI 在频率 40KHz，幅值 9V(可调 )的电压驱动下，各种性能达到最佳，所以通过单片机 AT89S52 的 P1． 0 管脚输出脉冲信号给振荡电路。 由振荡电路发出 40KHz 的脉冲信号给驱动电路。 由于单片机 AT89S52 的 P1 口的输出电压只有 5V，其驱动能力达不到要求，所以用一个CMOS 芯片 CD4069 来驱动超声波传感器的发射探头发射超声波。 它的工作原理是：几个非门并接，即可提供较大的驱动功率，而且到达发射器两端的信号是反向的，使得超声波的发射器得到足够的能量。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 18 图 34 CD4069芯片组成超声波驱动电路 超声波接收模块电路设计 因为超声波 测距只用于近距离 ， 当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号相对也比较微弱。 因此接收端应先 设置一个放大电路， 然后通过检波电路对其输出信号进行解 调，最后把检波输出的信号送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入单片机的 INT0 中断口，产生中断，停止计时，在进行数据处理运算。 其过程如图所示： (1)放大电路的设计 +5V +5V +5V 5V 5V 5V 图 35 接收电路信号变化关系图 如上图所示：微弱信号 放大信号 整形信号 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 19 放大电路的目的：把超声波探头接收到的微弱信号进行放大。 为了提高抗干扰性，滤波电路要针对 40 kHz 信号进行高 带通滤波，并对该频 率信号进行 放大增益。 如图： 图 36 运放构成接收电路图 R8 10KR7 100KR3 100KR5 22KR6 1MR1 KR2 22KR4 1M10KC3 680PC1 680PC2 μfC4 μfD1A1A1R9 47kC5 1μf输出河南理工大学毕业设计（论文）说明书 20 电路由集成运放 A A2 构成二级放大电路， R、 C为无源滤波网络，二极管、R9 为检波网络。 在回波信号的放大过程中，由于干扰信号的存在，为避免将干扰信号放大而产生回波误识别，必须将干扰信号去 除，即回波信号放大过程中必须设计带通滤波器， 只 对有效频带内的超声波信号进行选择放大。 滤波器 的功能是让一定频率范围内的信号通过，而把此频率范围以 外的信号加以抑制或使其急剧衰减。 当干扰信号与有用信号不在同一频 率范围之内时，可使用滤波器有效的抑制干扰。 由于超声波回波信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因此，本系统采用 RC 无源滤波方式 ，用于微弱回波信号的放大。 集成运放主要是把所得到的有用信号进行一定倍数的放大。 由二极管和电容组成的检波网络 的 主要 功能是通过二阶带通滤波网络，检测到系统所需要的 40KHZ 频率信号。 (2)比较电路的设计 比较电路的目的：将放大电路放大、滤波得到的 40KHZ 频率信号整形成能为单片机的 INT0 口辨识的脉冲信号 ，也就是将正弦波整形成方波。 采用集成电压比较器 LM393 来实现这一功能， LM393 的内部结构如图： 图 37 LM393的内部结构如图 在本文中只用一组比较器，另一组比较器的三个管脚必须接地， VCC 接 9V电压， GND 接地。 由 LM393 构成的比较电路如图所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 21 图 38 LM393构成比较电路 如图所示，放大后的信号由 LM393 第 2脚进入，由于 R2 电阻可调，即根据输入的信号可以调节滞回电压。 可以有效地防止干扰。 LM393 是 +9V(可调 )供电，需要在输出端口接上一个上拉电阻 10K，该电阻由 +5V 供电。