基于单片机的倒车雷达系统设计

基于单片机的倒车雷达系统设计内容摘要：

7 为 f0 才能产生最强的机械波能量。 同理 ，超声波接收传感器的频率特性 也要在特定频率是才能最好的接收到超声波。 超声波接收 和发射 传感器 对频率很敏感， 所以在频率选择上就必须把频率设定在最佳状态这样才能最好的接收和发送超声波。 在电路设计 时 ，要注意超声接收传感器的电路连接，尤其是电路中器件参数的选择。 在接收头上 会外接一个电阻 R，这个电阻的大小决定输入到控制器中的交流电压 频率特性。 当 R大时，频率特性尖锐但灵敏度高；当 R小时，频率特性平滑但灵敏度低。 我们在设计电路时，这个地方应折中考虑，使超声波的接收效果达到最好。 图 超声波 频率特性 指向特性 在日常生活中 人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散周围均能听到声音。 但对于超声波而言 由于超声波 具有很高的 频率，所以方向性（ 方向性即 束射性） 就相对要强。 实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片， 发出的超 声波在各种媒质中传播时，由于媒质 要吸收掉它的一部分能量，所以 随着传播路程的增加，声波的强度会 随之 减弱。 超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果， 具 有 很强的 指向性。 本次设计的汽车倒车雷达主要就是要测出汽车与障碍物的距离，障碍物这一目标是非常明确的，所以我们用的声波需要很强的指向性， 超声波 是最好的选择。 超声 波传感器应用 超声波传感器主要是产生超声波和接收超声波信号 ，主要有两种类型，即专用型和兼用型，专用型是把发射器和接收器制作在一起的。 超声波的检测也主要有两种方式，发射灵敏度（ db） 8 即反射式和直射式。 反射式是将发 送的超声波通过被测物体反射后由探头接收，发射头和接收头位于被测物同一测；直射式是将发射头与接收头分别置于被测物体的两侧 [8]。 如图。 图 反射式与直射式超声波检测 此次设计中 超声波的检测方式用的是用的反射式， 让 压电式 超声 波传感器 在交流电的作用下产生同频率的超声波，发射出去时微处理器开始计时，遇到障碍物时因其具有很强的反射行，会反射回超声波，当接收探头收到超声波信号时，转化为电信号传送给微处理器，此时停止计时， 从而测出发射超声波 和接收到回波的时间差 t。 根据超声波常温时在空气中传播的速度 C=340m/s 就可测得发射器与障碍物的距离 L=C*t/2。 超声波测距示意图如图 ： 图 超声波测距示意图 3 各硬件组成单元方案设计 发射和接收 单元方案设计 该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路L 障碍物 超声波发射器 超声波接收器 接 收 发 送 被测物体 RX TX TX RX 发送 接收 9 组成 ， 通过各个单元模块单独作用通过单片机的整合 构成 整个单片机倒车雷达系统。 通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。 该系统的核心部分采用 综合 性能较好的 AT89S51 单片机。 采用压电式 超声换能器 T4016作为信号的发送和接收 ，具体收发电路如图附录一所示。 该电路为 了 符合 本设计需要和实验室资源，采用了两级信号放大，增强了接收信号， 简单实用。 倒车雷达系统在 当汽车的档位启动 被启动 ， 微处理器 利用定时器的功能 从开始发送超声波时开始定时，在收到反射的超声波时结束定时，从而 记录 下 超声波 在空气中传播的 时间。 经计算距离中断程序算出汽车与障碍物的距离，如果距离太近了，报警系统会通过蜂鸣器发出警示声音，从而提醒驾驶员安全驾驶。 主要模块 设计 ● 发射电路 发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。 由单片机 口控制其 脉冲产生电路产生 40KHz 脉冲电压。 它由与非门和电阻电容构成振荡电路。 脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。 因为 脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围 所以 应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。 发射电路由 电压为 9V 的直流电源提供电能，此外还有阻值分别为 360 欧的电阻 各一个， NPN 型三极管和激励换能器 T4016 也是各一个。 发射电路 工作 原理： 用单片机 AT89S51 编写一个产生40KHz 方波的程序，通过 这个 I/O 送到发射电路， 经过三极管放大 ,驱动 T4016振动 发射出超声波。 其 原理框图如图。 图 框 图 ● 接收电路 接收电路的主要任务是 接收 经过障碍物 返回的超声波 并向单片机发出中断以停止计时。 接收电路设计 是 影响超声波在空气中传播时间的测量 的关键因素。 在超声波接收器的设计上本次设计采用 T4016 作为超声波的接收芯片。 接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。 检波电路 识别 回波以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够 识别 的信号并向单片机 发出 中断 信号停止计时。 接收电路的主体是滤波放大电路。 由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，所以接收电路设置了滤AT89c51单片机 口发出脉冲 通过放大器放大 励磁换能器 T4016 发射超声波 10 波放大电路。 滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。 接收电路如框图。 图 原理框图 发射接收电路中应考虑的问题 [9] ● 超声波是通过压电晶体的振动产生的，但晶体的振动需要一段时间的过度才能稳定，其发射波形如图 ，在不稳定期虽能产生超声波，但灵敏度不高，为了提高灵敏度，我们应该在稳态时产生超声波，本次设计选择脉宽为 120μ s 来消除测量“盲区”， 即波形出于暂态的区域， 其中包含 5 个调制的 44KHz 的方波信号。 图 发射波形 ● 由于超声波传感器发出的是 以 声波 形式在空气中传播 所以在传播的过程中就必然会 损失掉部分能量 ， 传感器功能的实现 主要取决于发射信号 传输过程中的损耗 的因素， 就比如说声波在空气中损失、反射时的损失、环境噪声等。 由于接收的超声波信号很弱 ，所以在信 号放大和滤波方面尤其重要。 ● 信号 接收状态是否良好 关系到整 个系统的准确性和安全性，所以 必须 考虑 对 接收信号 有影响 的 各 种 因素，如超声波在空气介质中传输时回波等其他波的干扰，接收到激励阶段 减幅震荡 暂态 稳态 接 收 器 R40— 16 AT89c51单片机 超声波 通过放大器放大 11 的超声波产生的电信号是否足够大。 为了解决这些问题，在电路中需要安装一个滤波器，它主要起两方面的作用，一是使输出的有用信号成分最强，二是使输出噪声成分尽可能的减小。 但是任意的滤波器都行，必须选一个与之相匹配的。 接收 电路中需要一个 放大器 ，其 作用是放大 经障碍物反射回来的超声波信号，并且抑止干扰信号。 运算放大器的工作原理如图。 运算放大器的 主要技术参数 : （ a） 开环差模电压增益 Au0： Au0 是指集成运放在无外加反馈情况下 ,并工作在线性区时的差模电压增益 .用分贝表示则是 Au0 可达140db 以上。 （ b） 输入失调电压及其温漂：失调电压的大小主要反映了差分输入元件的失配；输入失调电压是随温度 ,电源电压或时间而变化的 ,通常将输入失调电压对温度的平均变化率称为输入电压温度漂移。 （ c） 输入失调电流及其温漂：在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态 电流之差称为输入失调电流 II0。 输入失调电流温度漂移是指输入失调电压随温度变化的平均变化率。 一般以 mA/0C 为单位。 高质量的为每度几个皮安。 （ d） 输入偏置电流 IIB： IIB 是指常温下输入信号为零时，两个输入端静态电流的平均值，即 IIB=（ IB1+IB2） /2 （ ） IIB 的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小， IIB 越小，运算放大器的输入电阻越高，输入失调电流越小。 （ e） 差模输入电阻 Rid： Rid 是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般为几兆。 （ f） 输出电阻 R0：运算放 大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻即为输出电阻。 R0 大小放映了运算放大器的负载能力。 （ g） 共模抑制比 KcmR KcmR=Aud/Auc （ ） 用 dB 表示，即为 20lg(Aud/Auc). （ h） 最大差模输入电压 UidM： UidM 是指运算放大器同相端和反相端之间所能加的最大电压。 （ i） 最大共模输入电压 UicM： UicM 是指运算放大器在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。 12 图 信号放大器原理图 显示报警单元方案设计 当超声波接收器接收到返回的超声波时将信号传送给单片机 AT89s51， 经过运算得出汽车与障碍物得距离， 通过数码管 显示出来，如果具体晓得一定范围 蜂鸣器 就会发出声音， 以被驾驶员直接识别 ， 从而 避免 安全 事故发生。 显示报警 单元主要 由显示 电路 和报警电路组成。 系统显示电路设计 本设计 的 显示距离范围 为 8米，用四联共阳极数码管 LED 进行显示 ， 即汽车与障碍物距离在 0到 8米内都能通过数码管 准确清晰的为驾驶员反映障碍物到保险杠的距离。 从而使驾驶员能够将汽车停靠在相应的位置，显示电路 图见附录一所示。 系统报警电路设计 系统报警电路由一个三极管、一个上拉电阻和一个蜂鸣器组成如图 附录一所示。 当 T4016发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来， 通过 接收器 R4016 接收 ，并将其 转换成 相应的 电信号，经过运算放大器放大 后 ，将信号送给单片机 AT89S51产生一个中断。 这样，计数器便停止计数。 单片机 计算相应的 时间差，根据 S=340*t/2这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段 LED 显示电路去显示， 如果距离小于 ，则单片机 AT89S51 便给 一个信号，使得报警电路工作，实现 显示报警功能 [7]。 单片机复位电路 当给单片机上电那一瞬间，电压有在几微秒内（有的是几毫秒内）不是直接跳变到5V的而是一个直线上升的阶段，这时候，单片机不能正常工作，需要复位电路给它延时以等到电压稳定。 单片机系统在启动运行时都需要复位，复位中央处理器 CPU 和内部其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。 前 置放 大 信号 带通放大 模拟开关 程控放大 输出 控制端 A1 A0 13 MCS51 单片机 有一个复位引脚 RST，高电平有效。