基于单片机的汽车倒车雷达超声波测距系统的设计

基于单片机的汽车倒车雷达超声波测距系统的设计内容摘要：

，则可认为声速 C是基本不变的，计算 时取 C 为 340M/S。 如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿的方法或者在硬件电路基本不变的情况下，通过软件改进算法的方法来加以校正。 如果环境温度变化显著，则必须考虑温度补偿问题。 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 测距原理图如下： 温度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 声速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 哈尔滨理工大学专科毕业 论文 9 图 21超声波测距原理框图 单片机发出 40kHZ的信号，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，用锁相环电路进行检波处理后，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。 单片机控制 放大电路 超声波接收器 放大电路 锁相环检波电路 显示器 定时器 超声波发射器 哈尔滨理工大学专科毕业 论文 10 3 系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。 单片机采用 AT89C51 单片机。 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 超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。 显示电路采用简单实用的 4位共阳 LED 数码管。 51 系列单片机的功能特点及测距原理 51 系列单片机的功能特点 51 系列 单片机中典型芯片 (AT89C31)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 TO和 T1， 4 个 8 b 的工／ O 端 I： IP0， P1， P2， P3，一个全双功串行通信口等组成。 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。 5l 系列单片机提供以下功能： 4 kB 存储器； 256 BRAM； 32 条工／ 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超声波测距系统 哈尔滨理工大学专科毕业 论文 11 该系列单片机引脚与封装如图 31所示。 51 系列单片机测距原理 单片机发出 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波， 以 测出发射和接 收回波的时间差 t，然后求出距离 S＝ Ct／ 2，(C 为超声波波速 )。 限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角及接收换能器的灵敏度。 接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。 由于超声波属于声波 范围 ，其波速 C与温度有关。 哈尔滨理工大学专科毕业 论文 12 超声波发射电路的设计 超声波发射电路原理图如图 22 所示。 发射电路主要由反相器 74LS04和超声波发射换能器 T构成，单片机 端口输出的 40kHz 的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送 到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。 输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。 上位电阻 R1O、 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反 之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 图 32 超声波发射电路原理图 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电 极问未外加电哈尔滨理工大学专科毕业 论文 13 压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波接 收 电路的设计 集成电路 CX20206A 是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。 考虑到红外遥控常用的载波频率 38 kHz 与测距的超声波频率 40 kHz 较为接近，因为当 CX20206A 接受到 40KHZ 的信号时，会在第 7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输 入，可以利用它制作超声波接收电路 (如图 23)。 实验证明用 CX20206A接收超声波 (无信号时输出高电平 )，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。 适当更改电容 C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 图 33超声波接收电路原理图 CX20206A 的引脚注释： l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40kΩ。 哈尔滨理工大学专科毕业 论文 14 2 脚：该脚与 GND 之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。 增大电阻R或减小 C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放 大倍数增大。 但C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为 R=， C=。 3 脚：该脚与 GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为。 4 脚：接地端。 5 脚：该脚与电源端 VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。 例如，取 R=200kΩ 时， fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率 f0≈38kHz。 6 脚： 该 脚与 GND 之间接入一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。 显示电路的设计 在单片机系统中，最常用的显示器有：发光二极管，简称 LED(Light Emitting Diode)；液晶显示器，简称 LCD；荧光管显示器，简称 VFD(Vacuum Fluorscents Display)。 其中 LED 是一种极低功耗 显示器，广泛应用于测量产品中。 由于本课题不需要复杂的显示信息，所以选择的是 LED 显示模块，可以节约硬件资源，降低成本。 LED 数码管里面有 8 只发光二极管，分别记作 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、dp，其中 dp 为小数点， 每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚上，而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端 （ COM） ，如 下 图所示。 哈尔滨理工大学专科毕业 论文 15 图 34LED数码管引脚图 市面上常用的 LED数码管有两种即共阳极数码管与共阴极数码管。 共阳极是数码管里面的发光二极的阳极接在一起作为公共引脚即公共阳极，在使用时此公共引脚接到电源正极。 相反，共阴极就是数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚即公共阴极，在使用时此引脚接到电源负极。 单片机对数码管的显示可以分为静态显示和动态显示，静态显示能够稳定地。