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超声波倒车雷达系统硬件设计 郑州轻院轻工职业学院专科毕业设计(论文)题 目 超声波倒车雷达 系统硬件设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 (系) 机电工程系 指导教师(职称) 完成时间 2017 年 05 月 01 日 超声波倒车雷达系统硬件设计 I超声波倒车雷达系统的设计摘 要基于超声波测距的汽车倒车雷达系统是在充分理解了超声波测距原理的基础上提出的。工作时,超声波传感器发出脉冲信号,经障碍物反射后由超声波接收装置接收并送至单片机处理,可实现倒车时障碍物距离的实时监测并通过语音报警提示驾驶员。本设计是以 AT89C51 单片机为主控制器的超声波倒车雷达系统,包括超声波发射和接收部分、单片机处理部分、LCD 显示部分和语音报警部分等硬件系统以及软件程序设计。关键词 倒车雷达/单片机控制/超声波测距Design of Ultrasonic Reversing Radar SystemAbstractBased on the ultrasonic distance measurement principle,this text put forward a design scheme of car reversing radar system based on ultrasonic distance measurement. Ultrasonic sensor sends a pulse signal when it is working,and the ultrasonic receiving decive send the reflected signal by the obstacle to the MCU,this system could achieve Real-time monitoring of the Obstacle distance when reversing and prompt the driver by voice alarm.The overall design of ultrasonic reversing radar system based on the AT89C51 single chip as main controller was detailed introduced,include Ultrasonic transmitting and receiving part,MCU processing part,display by LCD, Voice Alarm part and its programming in the software.Keywords Reversing radar,single chip microprocessor,ultrasonic distance measurement 超声波倒车雷达系统硬件设计 II超声波倒车雷达系统硬件设计 3目 录中文摘要英文摘要1 引言 .11.1 设计主要内容 .12 系统的总体设计方案及理论基础 .12.1 总体设计方案 .12.2 超声波测距理论分析 .22.2.1 超声波测距原理 .22.3 超声波传感器 .32.3.1 超声波传感器的原理及结构 .32.3.2 超声波传感器的应用 .42.2.3 超声波传感器的主要性能指标 .43 系统的硬件设计 .53.1 单片机主控系统电路设计 .53.1.1 单片机选择 .53.1.2 电源电路 .63.1.3 复位电路 .63.1.4 时钟电路 .73.2 超声波发射电路 .73.3 超声波检测接收电路 .93.3.1 集成电路 CX20106A.93.3.2 超声波接收电路 .103.4 数码管显示模块 .104 系统的软件设计 .114.1 软件设计的要求 .114.2 主程序设计 .124.3 超声波测距模块设计 .124.3.2 超声波发送和接收程序 .135 主程序 .14超声波倒车雷达系统硬件设计 45.1 显示程序 .145.2 超声波测距程序 .14实训主要元器件介绍 .176 系统的仿真调试 .256.1 系统仿真调试内容 .256.2 实验的误差分析 .26结束语 .27致谢 .28参考文献 .29附录 .30原件清单 .31超声波倒车雷达系统硬件设计 01 引言倒车,是每位驾驶员都必须掌握的技能,如同前行一样需要小心谨慎,每年都有倒车引起事故的报道,轻则对自己的车和他人的财物造成损伤,重则可能危及人的性命,尤其是对儿童危害较大,他们体型较小,仅从后视镜来获取视野指导倒车仍有可能会对让们造成伤害。现如今后视镜已越来越不能满足人们安全倒车的需求了。据初步调查统计,15的汽车事故是由汽车倒车后视不良造成的。因此,人们对汽车倒车操纵的便捷性提出了更高的要求,希望有种装置能够解决汽车倒车给驾驶员们带来的不便,消除安全隐患。由此,专为汽车倒车泊位设置的倒车雷达应运而生。倒车雷达是汽车倒车停车时的安全辅助装置,能够以声音或者直观的显示来告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况,帮助驾驶员解决泊车倒车时前后左右探视所引起的困扰。超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器、控制器和报警装置等部分组成。现如今市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理,驾驶员在倒车时,启动倒车雷达,在控制器的控制下,由超声波探头发送超声波,在遇到障碍物后产生回波信号,传感器接收到回波信号后经处理器进行数据处理,判断出障碍物的位置,通过声音、数据、图像等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围情况,从而使驾驶员倒车时做到心中有数,提高了驾驶的安全性。1.1 设计主要内容为避免汽车在倒车过程中发生事故,本文设计了一种基于 AT89C51 单片机的超声波倒车雷达系统。介绍了超声波测距的基本原理,阐述了倒车雷达系统的结构组成、硬件电路设计以及软件设计。该系统由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路等几部分组成。AT89C51 单片机是整个系统的核心部件,协调各部分电路的工作。单片机在超声波信号发射的同时开始计时,超声波信号在空气中传播,在遇到障碍物后发生反射,反射的回波信号经过处理后输入到单片机的外部中断口发生中断,单片机停止计时。通过单片机可得到超声波信号往返所需要的时间,再结合当地声速即可求得车体与障碍物之间的距离。超声波传感器选用 CSB40T(R)超声波传感器,谐振频率为 40KHz;超声波发射电路包括超声波发射器、驱动电路等组成;超声波接收电路包括集成电路CX20106A 及外围电路组成。2 系统的总体设计方案及理论基础2.1 总体设计方案本设计的应用背景是基于 AT89C51 的超声信号检测的。因此初步计划在实验室内超声波倒车雷达系统硬件设计 1小范围的测试。超声波发射仪发出短暂的 40KHz 信号,反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入,单片机对此信号进行技术判断处理后,把相应的计算结果送到LED 显示电路显示。系统硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射和接收电路、超声波接收电路、LCD 显示电路等几部分组成。系统的总体结构框图如图 1 所示。障碍物超声波接收传感器超声波发射传感器发射电路接收电路A T 8 9 C 5 1 单片机电源电路L C D 显示电路报警电路图 1 系统总体结构框图2.2 超声波测距理论分析2.2.1 超声波测距原理超声波是指频率高于 20KHZ 的机械波。为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波,完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯称之为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器两种,但是一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器利用压电效应的原理将超声波和电能相互转换,即在发射超声波的时候,将电能转换为超声波,而在收到回波的时候,则将超声振动转换为电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的生源与障碍物之间的距离,超声波测距适用于高精度的中长距离测量,因为超声波在标准空气中的传播速度为332.45m/s。单片机使用 12MHZ 晶振,所以此系统的测量精度理论可以达到毫米级。如下图超声波发生器 T 在某一时刻发出一段超声波信号,当超声波遇到障碍物(被测物体)后返回被接收器 R 接受。测距的原理如图 2。超声波倒车雷达系统硬件设计 2RTT2T1图 2 测距的原理这样只要检测出发射超声波和接收到超声波之间的时间,就可以计算出超声发射器与反射物体的距离。距离计算公式为: /)(/tcsd其中:d 为被测物与测距器的距离s 为声速的来回路程c 为声速t 为声波来回所用的时间由于超声波也是一种声波,其声速 v 与温度有关,下表 1 列出了几种不同温度下的声速。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。表 1 超声波波速与温度的关系表温度() -30 -20 -10 0 10 20 30 100声速(ms) 313 319 325 323 338 344 349 3862.3 超声波传感器2.3.1 超声波传感器的原理及结构要利用超声波进行测距,首先要研究超声波传感器的工作原理。超声波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器,它是一种将其它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它形式的能的器件。总体上讲,超声波传感器可以分为两大类:一类是使用电气方式产生超声波;另一类是使用机械方式产生超声波。压电式传感器属于电声型超声波传感器,一般采用双压电陶瓷芯片制成,需用的压电材料较少,价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。它是利用压电材料的正、超声波倒车雷达系统硬件设计 3逆压电效应来工作的,在压电陶瓷芯片上加有一定频率的电压脉冲,芯片就会产生同频率的机械振动。这种振动在介质中的传播,便会产生超声波。反之,如在压电陶瓷芯片上有超声波作用,将会使其产生机械变形,这种机械变形使压电陶瓷芯片产生频率与超声波相同的电信号 2。图2 超声波传感器结构示意图图2为超声波传感器的结构示意图,其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。2.3.2 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,它在医学上的应用主要是诊断疾病,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。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上,“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。2.2.3 超声波传感器的主要性能指标超声波传感器按收发方式一般可分为两类:一类是发送和接收是两种不同的分体式超声波传感器,此类传感器测距有效范围比较大,但不具备防尘防水功能;另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器,如 TR40-16,不仅用于发射超声波,也用于接收超声波,此类超声波测距范围比较小,防尘、防水性能好。根据本设计所处的环境要求,本系统选用的超声波传感器为分体式超声波传感器 CSB40T(R),该型号探头各项参数为:频率为 40KHz,阻抗 500,灵敏度为 103dB(min),带宽在 -3dB 时为 1.5K,角度最大值为 (-6dB),静电容 200010%PF,最大驱动电压 150Vp-p(10%工作周期 ),回波灵敏度为 -70dB(min),声压电平 0dB=1uvolt/bar3。超声波倒车雷达系统硬件设计 43 系统的硬件设计本章主要内容是具体分析系统的硬件实现。整个系统以性能较好的 AT89C51 单片机为核心,控制超声波传感器的收发,并测算距离,同时根据倒车距离段的不同进行分段语音报警。硬件部分实现分四部分来阐述:第一是以 AT89C51 单片机为核心的主控系统电路;第二是超声波发射和接收电路;第三是显示电路。3.1 单片机主控系统电路设计3.1.1 单片机选择AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标

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