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超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械震蕩，由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等到優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于測量距離。本文設計的倒車(chē)雷達系統就是利用超聲波的上述特性做到對倒車(chē)距離實(shí)時(shí)和高精度的檢測，同時(shí)，此系統成本低、設計簡(jiǎn)單、精度和穩定性好，有望得到廣泛的應用，從而減少交通事故的發(fā)生。 1 超聲波測距原理 超聲波測距原理是利用超聲波從發(fā)射到接收過(guò)程中傳播的時(shí)間來(lái)計算出傳播距離。本文的倒車(chē)雷達系統采用反射接收回波方式。設l為測量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為c，則有t=2l／c，而聲波在空氣中傳輸速率為 。式中T為環(huán)境溫度；cO為絕對溫度時(shí)的速度，是常數。從上述兩式可以推出 ，故利用超聲波測量的距離與時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)，在本系統中利用AT89S52中的定時(shí)器測量超聲波傳播時(shí)間，利用DSl8820測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度。 2 硬件設計 2．1 系統硬件總體設計 如圖1所示，本系統硬件部分由AT89S52控制器、超聲波發(fā)射電路、接收電路、溫度測量電路，聲音報警電路和LCD顯示電路組成。汽車(chē)行進(jìn)時(shí)LCD顯示環(huán)境溫度，當倒車(chē)時(shí)，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過(guò)AT89S52數據處理將距離也顯示到LCD上，如果距離小于設定時(shí)，報警電路會(huì )鳴叫，提醒司機注意車(chē)距。AT89S52是主控芯片，支持在線(xiàn)下載程序，方便調試，有8kB的Flash、32個(gè)I／O口、三個(gè)16位定時(shí)／計數器、八個(gè)中斷源、全雙工UART串行口和看門(mén)狗定時(shí)器等，資源豐富，既滿(mǎn)足了本系統的設計要求，也滿(mǎn)足了日后擴展的需求。 2．2 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩部分，超聲波探頭選用CSB40T�？刹捎密浖l(fā)生法和硬件方法產(chǎn)生超聲波。本系統利用軟件產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，經(jīng)過(guò)74HC04兩次和一次反向放大驅動(dòng)后輸出到CSB40T，如圖2所示。 74HC04是一個(gè)高速CMOS六反相器，具有對稱(chēng)的傳輸延遲和轉換時(shí)間，而相對于LSTTL邏輯IC，它的功耗減少很多。對于HC類(lèi)型，其工作電壓為2～6V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入LSTTL邏輯信號和CMOS邏輯輸入。 2．3 超聲波接收電路 由于超聲波在空氣中傳播，其能量會(huì )隨傳輸距離的增大而減小，從遠距離障礙物反射的回波信號一般比較弱，所以在設計超聲波接收電路時(shí)，要有較大的放大倍數；為減小環(huán)境噪聲對回波信號的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測。超聲波接收電路使用集成電路CX20106A，可用來(lái)完成信號的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能，如圖3所示。 其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強時(shí)放大器不會(huì )過(guò)載；其帶通濾波器中心頻率可由芯片5腳的外接電阻調節，不需要外接電感，可避免外磁場(chǎng)對電路的干擾，可靠性較高。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿(mǎn)足接收電路的要求。同時(shí)，使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。當接收到40kHz信號后，芯片7腳會(huì )出現較短的低電平，接入單片機便可以使單片機產(chǎn)生中斷。 2．4 溫度測量電路 由于超聲波的傳播速度v會(huì )受溫度、濕度、壓強等的影響，其中溫度的影響尤為嚴重。因此在測量精度要求高的場(chǎng)合，應通過(guò)溫度補償對超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，以減小誤差。 本系統采用DALLAS公司的DSl8820數字式溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，它所測量的溫度值用9位二進(jìn)制數直接表示，這些值通過(guò)DSl8820的數據總線(xiàn)直接輸入CPU，無(wú)需A／D轉換，而且讀寫(xiě)指令、溫度轉換指令都是通過(guò)數據總線(xiàn)傳入DSl8820，無(wú)需外部電源。DSl8820數字溫度傳感器與AD590、LM35等溫度傳感器相比，具有相當的測溫范圍和精度，溫度測量精確、不受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)。硬件結構如圖4所示。 2．5 顯示電路 本系統中的顯示部分采用1602LCD液晶顯示。具體接口如圖5所示。 如上圖，有兩組電源，一組是模塊的電源 一組是背光板的電源 均為5V供電。R3是調節對比度的引腳，調節此腳上的電壓可以改變黑白對比度。RS是很多液晶上都有的引腳，是命令／數據選擇引腳，該腳電平為高時(shí)表示將進(jìn)行數據操作；為低時(shí)表示進(jìn)行命令操作。RW也是很多液晶上都有的引腳，是讀寫(xiě)選擇端，該腳電平為高時(shí)表示要對液晶進(jìn)行讀操作；為低時(shí)表示要進(jìn)行寫(xiě)操作。同樣，很多液晶模塊有E引腳，通常在總線(xiàn)上信號穩定后給一正脈沖通知把數據讀走，在此腳為高電平的時(shí)候總線(xiàn)不允許變化。DO～D7 8位雙向并行總線(xiàn)，用來(lái)傳送命令和數據。BLA是背光源正極，BLK是背光源負極。 3 軟件設計 本系統的軟件設計采用模塊化設計，由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、溫度補償子程序、報警子程序以及顯示子程序組成。主程序流程圖如圖6所示。 超聲波倒車(chē)雷達系統，最重要的就是對發(fā)射信號的控制及接收測量的時(shí)機控制。在設計中，AT89S52對發(fā)射的控制就是對40kHz方波產(chǎn)生電路的控制。由AT89S52的Pl．0口控制超聲波發(fā)射電路以6個(gè)脈沖的序列發(fā)射出去，在程序中用延時(shí)實(shí)現。脈沖發(fā)射同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器T0開(kāi)始計時(shí)，發(fā)射后等待1ms打開(kāi)外部中斷INT0，等待回波反射到接收探頭。等待1ms的原因是，超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波一般都會(huì )存在余波干擾，有部分聲波會(huì )直接傳到接收探頭，經(jīng)接收電路放大后，系統就會(huì )把它誤認為是檢測的回波信號，發(fā)射后等待1ms可以避免檢測到余波信號，當然這也會(huì )導致測量盲區的存在。 4 結論 為了證明本文設計的倒車(chē)雷達系統的可靠性，在內部進(jìn)行了實(shí)地測量。本系統測距范圍為0．2～5m。最大誤差小于3cm。因此，本系統具有工作穩定、抗干擾能力強、靈敏度高的特點(diǎn)。 |
