基于超声波测距的倒车雷达设计

基于超声波测距的倒车雷达设计内容摘要：

度； T为测量距离传播的时间差 (T 为发射到接收时间数值的一半 )。 图 1为原理图。 图 1 超声波测距原理 超声波发生器 为了研究和利 用超声波，人们已经设计和制定了许多超声波发生器。 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。 电气方式包括压电型、 磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛等。 它们所产生的超声波频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。 目前比较常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。 当它的 两极外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会 发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 反之，如果两电极间为外加压电，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器。 定时器 控制 计时器 调制器 振荡器 显示器 接收检验 电声换能器 声电换能器 障 碍 物 4 超声波 的简介 超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵能够听到的范围 .一般而言是指声音超过20KHz 以上时 ,称之为超声波 .与光波不同 ,超声波是一种弹性机械波 ,它可以在气体、液体、固体中传播。 由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。 理论上，在 13℃的海水里声音的传播速度为 15OOm/s。 在盐度水平为 35‰，深度为 0m 温度为 0℃的环境下，声波的速度为。 声音在 25℃空气中传播速度的理论值为344m/s，这个速度在 0℃时降为 334m/s。 声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。 温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。 它和温度的关系可以用以下公式来表示 :C=+(米 /秒 )。 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。 如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即 可求得距离，这就是超声波测距系统的机理。 超声波测距 的 应用 超声波测距是单片机控制超声波传感器发射出超声波束，遇到障碍后返回，然后接收它的回波，利用发、收过程中产生的时间差，就可以计算出前方物体离超声波传感器的实际距离。 设计为了能测量汽车不同位置障碍物距离，设计成多传感器测距。 经分析可知：频率为 400KHZ 左右的超声波在空气中传播的效率最佳，因此，为了方便处理，发射的超声波被调制成 40KHZ 左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号，如图 2 所示。 图 2 超声波通道工作时序 5 超声波倒车雷达系统工作原理 倒车雷达只 需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。 由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。 在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了 这 种方法。 超声波倒车雷达 系统工作原理 如图 3所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送 模块 向后发射40kHz 的超声波 信号 ，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较， 单片机AT89C2051 将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于 1m、 、 时，发出不同的报警声， 提醒驾驶员停车。 图 3 系统工作原理框图 超声波发送模块 超声波 接收 模块 驱动电路 放大 比较 AT89C2051 倒车档GCH 显示模块 语音电路 6 第二章 超声波倒车雷达的芯片选择 单片机控制芯片 AT89C2051 简介： AT89C2051 是一个低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 2k bytes的可反复擦写的只读 Flash 程序存储器 128bytes 的随机存取数据存储器（ RMA） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8位中央处理器和 F拉屎存储单元，功能强大的 AT89C2051 单片机可为您提供 许多高性价比 的场合。 AT89C2051 是一个功能强大的单片机，但它只有 20 个引脚， 15个双向输入 /输出（ I/O）端口，其中 P1是一个完整的 8 位双向 I/O 口，两个外中断口，两个 16位可编程定时计数器 ,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。 同时 AT89C2051 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 RAM、定时 /计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入 继续工作状态。 省电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位 方可继续运行。 AT89C2051 主要功 能特性见表 1，管脚图 如 图 4。 图 4 AT89C2051 管脚图 7 表 1 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统 2k 可反复擦写 (1000 次） Flash ROM 5 个双向 I/O 口 6个中断源 两个 16位可编程定时 /计数器 的宽工作电压范围 时钟频率 024MHz 128x8bit 内部 RAM 两个外部中断源 两个串行中断 可直接驱动 LED 两级加密位 低功耗睡眠功能 内置一个模拟比较放大器 可编程 UARL 通道 软件设置睡眠和唤醒功能 8 第三章 超声波倒车雷达硬件设计 超声波倒车雷达的工作原理 倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。 由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。 在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了 这 种方法。 如图 3所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送 模块 向后发射 40kHz 的超声波 信号 ，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较， 单片机 AT89C2051 将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离 小于 1m、 、 时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。 图 3 系统工作原理框图 超声波发射电 路 超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称 “ 超声波换能器 ” ）选用 CSB40T，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。 前者利用软件产生 40kHz 的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。 这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动 电流 在100mA 以上的驱动电路。 第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。 这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。 本设计采用第一种方法产生超声波，电路设计如图 5所示。 40kHz 的超声波是利用 555时基电路振荡产生的。 其振荡频率计算式为 f=((R 9+2R 10)C 5)。 将 R 10设计为超声波发送模块 超声波 接收 模块 驱动电路 放大 比较 AT89C2051 倒车档GCH 显示模块 语音电路 9 可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的 40kHz 固有频率一致。 为保证 555时基具 有足够的驱动能力，宜采用 +12V 电源。 CNT 为超声波发射控制信号，由单片机进行控制。 图 5 超声波发送模块电路 超声 波接收电路 超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。 超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用 CSB40R，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。 由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。 正弦波信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。 按照上面所讨论的原理，单片机需要的只是第一个回波的时刻。 接收电路的设计可采用专用接收电路，也可采用通用电路来实现，如图 6所示。 超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号 越强，距离越远信号越弱，通常在 1mV～ 1V之间。 当然，不同接收探头的输出信号强度存在差异。 由于输入信号的范围较大，对放大电路的增。