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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，經(jīng)常用于測量距離。本文設(shè)計的倒車雷達系統(tǒng)就是利用超聲波的上述特性做到對倒車距離實時和高精度的檢測，同時，此系統(tǒng)成本低、設(shè)計簡單、精度和穩(wěn)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)射到接收過程中傳播的時間來計算出傳播距離。本文的倒車雷達系統(tǒng)采用反射接收回波方式。設(shè)l為測量距離，t為往返時間差，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為絕對溫度時的速度，是常數(shù)。從上述兩式可以推出 ，故利用超聲波測量的距離與時間和環(huán)境溫度有關(guān)，在本系統(tǒng)中利用AT89S52中的定時器測量超聲波傳播時間，利用DSl8820測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度。 2 硬件設(shè)計 2．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 如圖1所示，本系統(tǒng)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。汽車行進時LCD顯示環(huán)境溫度，當?shù)管嚂r，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過AT89S52數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到LCD上，如果距離小于設(shè)定時，報警電路會鳴叫，提醒司機注意車距。AT89S52是主控芯片，支持在線下載程序，方便調(diào)試，有8kB的Flash、32個I／O口、三個16位定時／計數(shù)器、八個中斷源、全雙工UART串行口和看門狗定時器等，資源豐富，既滿足了本系統(tǒng)的設(shè)計要求，也滿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。可采用軟件發(fā)生法和硬件方法產(chǎn)生超聲波。本系統(tǒng)利用軟件產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，經(jīng)過74HC04兩次和一次反向放大驅(qū)動后輸出到CSB40T，如圖2所示。 74HC04是一個高速CMOS六反相器，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，而相對于LSTTL邏輯IC，它的功耗減少很多。對于HC類型，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(shè)計超聲波接收電路時，要有較大的放大倍數(shù)；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，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強時放大器不會過載；其帶通濾波器中心頻率可由芯片5腳的外接電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時，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腳會出現(xiàn)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合，應通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正，以減小誤差。 本系統(tǒng)采用DALLAS公司的DSl8820數(shù)字式溫度傳感器進行溫度測量，它所測量的溫度值用9位二進制數(shù)直接表示，這些值通過DSl8820的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU，無需A／D轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令、溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入DSl8820，無需外部電源。DSl8820數(shù)字溫度傳感器與AD590、LM35等溫度傳感器相比，具有相當?shù)臏y溫范圍和精度，溫度測量精確、不受外界干擾等優(yōu)點。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。 2．5 顯示電路 本系統(tǒng)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(diào)節(jié)對比度的引腳，調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)選擇引腳，該腳電平為高時表示將進行數(shù)據(jù)操作；為低時表示進行命令操作。RW也是很多液晶上都有的引腳，是讀寫選擇端，該腳電平為高時表示要對液晶進行讀操作；為低時表示要進行寫操作。同樣，很多液晶模塊有E引腳，通常在總線上信號穩(wěn)定后給一正脈沖通知把數(shù)據(jù)讀走，在此腳為高電平的時候總線不允許變化。DO～D7 8位雙向并行總線，用來傳送命令和數(shù)據(jù)。BLA是背光源正極，BLK是背光源負極。 3 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)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。 超聲波倒車雷達系統(tǒng)，最重要的就是對發(fā)射信號的控制及接收測量的時機控制。在設(shè)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個脈沖的序列發(fā)射出去，在程序中用延時實現(xiàn)。脈沖發(fā)射同時打開定時器T0開始計時，發(fā)射后等待1ms打開外部中斷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存在余波干擾，有部分聲波會直接傳到接收探頭，經(jīng)接收電路放大后，系統(tǒng)就會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，當然這也會導致測量盲區(qū)的存在。 4 結(jié)論 為了證明本文設(shè)計的倒車雷達系統(tǒng)的可靠性，在內(nèi)部進行了實地測量。本系統(tǒng)測距范圍為0．2～5m。最大誤差小于3cm。因此，本系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、抗干擾能力強、靈敏度高的特點。 |
