基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计

基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计内容摘要：

WIRE 总线传至 MCU， 由软件进行声速换算。 为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 单片机实现超声波测距的各项功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持 48MHz 的前提下能够实现 1个时钟机械周期的运行速度。 由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少由 计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。 (2) 标杆校正的方法提高测距精度 在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如 果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。 标杆校正的示意图如图 24 所示。 图 24标杆校正的示意图 超声波测距装臵首先测量距离已知为 h 的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离 h 根据公式 (23) 求出当地声速。 通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。 因此，只用为测距设备设定 “ 标定 ” 和 “ 测量 ” 两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。 测量盲区 T R 基平面（ 标杆） 超声波测距装置 被测物 超声波倒车雷达系统的设计 10 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。 由于发射声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。 超声波传感器 超声波传感器 原理及结构 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。 利用超声波检测往北比较迅速、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，因此在测控系统的研制上得到了广超声波倒车雷达系统的设计 11 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能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。 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： 1 压电传感器； 2 磁致伸缩传感器； 3静电传感器。 流体动力性中包括有 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 ” 活“笛 ” 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能相互转换的一种传感器，是超声波检测装臵的重要组成部分。 压电材料分 为晶体和压电陶瓷两类。 属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。 其具有下列的特性：把这种材料臵于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。 所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。 因此，用这种材料可以制成超声传感器。 传感器的主要组成部分是压电晶片。 当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。 当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。 前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。 超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。 这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。 在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶超声波倒车雷达系统的设计 12 片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在 一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。 也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0 交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介， 便会发出超声波。 如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种 机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 压电式超声波发生器实际上是 利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器内部结构如图 25 所示，它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，其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，并带动共振板的振动，便产生超声波。 反之，如果两级间为外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。 压电 陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。 发射超声波时， 加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。 这样，超声传感器才有较高的灵敏度。 当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常 方便的改变其固有谐振频率。 利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。 超声波传感器的 内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。 金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。 超声波倒车雷达系统的设计 13 图 25超声波传感器结构 超声波传感器的特性 超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里 以课题中选用的传感器 SZWS4012M 发射型超声波传感器的特性为例加以说明。 （ 1） 频率特性 图 26 超声波传感器的升压能级和灵敏度 图 26 是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。 其中， 40KHz 处为超声波发射传感器的中心频率，在 40KHz 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 40KHz 处所产生的超声声压能级最高。 而在 40KHz 两侧，声压能级迅速衰减。 其频率特性如图 27 所示。 因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 40KHz 的交流电压来激励。 压电晶片 电极 共振板 超声波倒车雷达系统的设计 14 图 27 超声发射传感器频率特性 另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。 曲线在40KHz 处曲线最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在 40KHz 处接收灵敏度最高。 因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。 超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻 R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的， 并且在这个共振频率上灵敏度很高。 如果 R 较小，频率特性变得光滑而且有较宽的带宽，同时灵敏度以随之降低。 并且最大灵敏的向稍低的频率移动。 因此，超声接收传感器应与输入阻抗的前臵放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。 考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率 f = 40KHz，波长 λ =。 （ 2） 指向特性 实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡器， 辐射出一个半球而波（子波）， 这些子波没有指向性。 但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。 超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意 义是 0 度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。 超声传感器的指向角一般为 40 度到 80 度，本设计超声波倒车雷达系统的设计 15 要求传感器的指向角为 75 度。 图 28 是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。 图 28 超声波传感器指向特性及结构 超声波传感器的应用 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。 超声波在 医学 上的应用主要是诊断 疾病 ，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。 超声波 诊断 的 优点 是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的 准确率 高等。 因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。 超声波诊断 可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的 A 型方法。 这个方法是利用超声波的 反射。 当超声波在 人体组织 中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。 每遇到一个反射面时， 回声 在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的 振幅 的高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。 过去，许多 技术 因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。 当然更多的超声波传感器是固定地 安装在不同的装臵上， “ 悄无声息 ” 地探测人们所需要的信号。 在未来的应用中，超声波将与 信息技术 、新超声波倒车雷达系统的设计 16 材料技术结合起来，将出现更多的 智能化 、高灵敏度的超声波传感器。 遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。 采用小型超声波传感器（ Φ12Φ16),工作频率在 40KHZ,遥控距离约 10米 .遥控器的发送，这是由 555时基 电路 组成的振荡器 ,调整 10KΩ 电位器，使振荡频率为 40KHZ，传感器接在 ③ 脚接下按钮时，发送出超声波，接收电路。 电源由 220V 经电容降压、整流、滤波、稳压后获得 12V 工作电压。 由于是非隔离电源，要整个电路用塑料外壳封装，以防触电（在调试时也应注意）。 信号 由超声波接收器接收，经 Q Q2放大（ L、 C 谐振槽路调谐在 40KHZ）。 放大后的信号去触发由 Q Q4组成的双稳态电路， Q5 及 LED 作为触发隔离，并可发光显示。 由于双稳态在开机时有随机性，故加一清零按钮。 Q5 输出的触发信号使双向可控硅导通，负载接通。 要负载断路，则要按一次发送钮。 液位指示及控制器由于超声波在 空气 中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位臵越高，信号越大；液面越低则信号就小。 接收到的信号经 BG BG2 放大，经 D D2 整流成直流电压。 当 上的电压超过 BG3 的导通电压时，有电流流过 BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。 当液位低于设臵值时，比较器输出为低电平。 BG 不导通，若液位升到规定位臵，比较器翻转，输出高电平。 BG 导通， J 吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）。 3 硬件设计 该系统设计有超声波发射电路、超声波接收电路、 电源电路、温度补偿电路、声报警电路、键盘控制电路、 单片机硬件接口电路及显示报警电路组成，该系统的核心部分采用性能较好的 AT89C51 单片机，下面分步介绍各硬件部分的具体超声波倒车雷达系统的设计 17 设计分析。 超声波 发射 电路 超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，充实吧探头（又称“超声波换能器”）选用压电式，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 100mA 以上的驱动电路。 第二种方法是利用超声波专业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需驱动电路，但缺点是灵活性低。 本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。 40KHz 的超声波是利用 LC 震荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下： 脉冲发射采用软件方式，利用 AT89S51 的 口发射 40 kHz 的方波信号，经过 74HC04 放大后输出到超声波换能器，产生超声波。 74LS04 是一个高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于 LSTTL 逻辑 IC，它的功耗减少很多。 对于 HC 类型，其工作电压为 2～ 6 V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入 LSTTL 逻辑信号和 CMOS 逻辑输入等特点。 本系统将 40 KHz 方波信号分成两路，分别由 74LS04 经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。 电路图 如图 31 所示。 发射电路主要由反向器 74LS04 和超声波换能器构成，单片机 端口输出 40KHz 方波信号一路经一级反向器后送到超声。