毕业设计（论文）-基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计 (2).doc

超声波倒车雷达系统的设计 i 基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计 摘 要 近年来，我国的汽车数量正逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥 挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追 尾事故。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便 成为近些年来的研究热点。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无 接触测距的倒车雷达系统。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲， 给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间 差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。目前，国内外一般的超声波 测距仪，其理想的测量距离为 1m5 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离 测距中。本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件， 介绍了基于 at89c51 单片机的超声波测距器。该设计由超声波发射模块、信号 接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文 中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。超声波接收 电路使用 sony 公司的 cx20106a 红外检测专用芯片，该芯片常用于 38khz 的检 波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对 40khz 超声 波检波的硬件电路，距器使用数码管显示目标物的距离。 关键词：超声波 测距 at89c51 倒车 超声波倒车雷达系统的设计 ii design of ultrasonic vehicle revering system with ultrasonic basedon mcu abstract in recent years, chinas number of cars is increasing every year. highways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur.so after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. ultrasonic ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range; in addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus ultrasonic ranging way so that only apply to a shorter distance. at present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 1 5 m, based on at89c51 ultrasonic range-finder. receiving circuit using the sony company dedicated cx20106a infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38khz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40khz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, the use of digital rangefinder display the distance between objects. key words at89c51 silent wave;measure distance reversing 超声波倒车雷达系统的设计 目目 录录 摘 要i abstract.ii 1 绪论1 1.1 设计的现状1 1.2 设计的意义2 1.3 目前国内倒车雷达的发展现状.2 2 总体设计方案3 2.1 超声波测距4 2.1.1 超声波测距原理4 2.1.2、测量与控制方法5 2.1.3、理论计算5 2.1.4 影响精度的因素分析.6 2.1.5 提高精度的方案及系统设计.7 2.1.6 测量盲区8 2.2 超声波传感器9 2.2.1 超声波传感器原理及结构.9 2.2.2 超声波传感器的特性11 2.2.3 超声波传感器的应用.13 3 硬件设计.14 3.1 超声波发射电路.14 3.2 超声波检测接收电路15 3.2.1 集成电路 cx20106a15 3.2.2 超声波接收电路17 3.3 超声波显示及控制部分电路18 超声波倒车雷达系统的设计 3.3.1 at89c51 单片机的原理及工作特点18 3.3.2 单片机实现测距原理19 3.3.3 压电陶瓷超声波传感器 (tcf40-18tr1)19 3.3.4 稳压电源电路.20 3.3.5 显示电路原理.21 3.3.6 温度测量电路.23 3.3.7 键盘控制电路.23 4 软件设计23 4.1 软件设计的要求.25 4.2 超声波测距的算法设计.25 4.3 主程序26 4.4 超声波发送及接收中断程序28 4.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序.30 5 系统的软硬件调试30 结束语31 致 谢32 参考文献33 附录 1 超声波倒车雷达系统的设计34 附录 2 程序清单.35 超声波倒车雷达系统的设计 1 1 绪论 倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更 为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时 前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷， 提高了安全性。 超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被 人们所重视。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁 荣。国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。技术 上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智 能化等方向发展。由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活 中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。 超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头） 、控制器和显示器等 部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时， 启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波， 遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理， 判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从 而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。 1.2 设计的意义和要求 随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令 有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。虽然每辆车都有后视镜， 但不可避免的都存在一个后视盲区。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅 助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况， 解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾 驶员扫除了使用死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的发明 是迫在眉睫的，是必不可少的设备。 1.1 目前国内倒车雷达的发展现状 超声波倒车雷达系统的设计 2 经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。经过这几年的 发展，倒车雷达系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性 能价格上，这六代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻 镜倒车雷达这三种。 第一代：倒车时通过喇叭提醒 。 “倒车请注意”！想必不少人还记得这种 声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有少部分商用车还在使用。只要 司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾 驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。 倒车时，如果车后 1.8m1.5m 处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急， 表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有 障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很 多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在 1.8m 开始显示；如果 是人，在 0.9m 左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产 品显示距离数字，而波段显示产品由 3 种颜色来区别：绿色代表安全距离，表 示障碍物距离有 0.8m 以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有 0.6m0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到 0.6m，必须停止倒 车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。 第四代：液晶屏动态显示。这一代有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始 出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案 以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表 盘上，安装很方便。不过 lcd 显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不 强，所以误报也较多。 第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超 声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知 2m 以内的障碍物，并 以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视 镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一 超声波倒车雷达系统的设计 3 起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。因为其外形就 是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而 且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。 第六代：专为高档轿车配置的。第六代产品在第五代的基础上新增了很多 功能：外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五 代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上 观看 dvd 影像。 2 总体设计方案 超声波 发射 单 片 机 led 数 码管显 示 键盘控制 超声波 接收 放大比较 图 2-1 倒车雷达系统总框图 该设计的应用背景是基于 at89c51 的超声信号检测的。因此初步计划实在 室内小范围的测试，限定在 2.5 米左右。单片机（at89c51）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，锁相环对此型 号进行技术判断后，把相应的计算结果送到 led 显示电路显示，本进行声光报 警1。 其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有 时装在探头内） ，谐振频率有调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带 较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的 固定参数决定，频带较宽。将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固 有频率 40khz，使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说 是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越 大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计 就相对简单一些。但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时 发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法 来改变发射强度。 超声波倒车雷达系统的设计 4 发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的 射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。 接收部分就是有两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电 路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（at89c51）能够识别的 中断信号作为回波到达的标志。 2.1 超声波测距 2.1.1 超声波测距原理 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，从而 测出发射和接收回波的时间差 t,然后求出距离 s=ct/2，式中的 c 为超声波波速。 由于超声波也是一种声波，其声速 c 与温度有关，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。声速确定后，只要测得 超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。图 2-2 即为 超声波测距的具体流程图。 定时器 显示器 振荡器调制器 接收检测器 电声换能器 计时器 控制 电声换能器 图 2-2 系统总体设计流程图 2.1.2、测量与控制方法 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物 体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已 知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到 目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。 由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测 距选择就以自动选择功能来实现. 超声波倒车雷达系统的设计 5 2.1.3、理论计算 t 2 t 1 图 2-3 测距的原理 如图 2-3 所示为反射时间，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波 的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认 为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 t 利用公式： 2 t cs 其中，s 为被测距离、v 为空气中声速、t 为回波时间， 21 ttt 可以计算出路程，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响 也可以通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离： 2 21 ttc s 555 时基电路振荡产生 40hz 的超声波信号。其振荡频率计算公式如下： 5109 2 43 . 1 crr f 2.1.4 影响精度的因素分析 (1) 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 tr40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40khz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的 精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大 超声波倒车雷达系统的设计 6 的衰减，其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为： （2-1） k ht +ktet +kt 2 0 aacosacos 由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰 减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号 可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收 到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度 产生影响。 (2) 当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超 声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： （2-2） s rt c m 由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当 地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当 地声速的公式如下： （2-3） 0 cc1 t 273 式中 c0=331.4m/s ；t 为绝对温度，单位 k。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上 升或者下降 1, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的 测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地 声速。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提 高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来 实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1mm 时，假定超声波速度 c=344m/s(20室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差 st0.000 002 907s， 即 2.907ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测 超声波倒车雷达系统的设计 7 量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于 1mm 的 误差。使用的 12 mhz 晶体作时钟基准的 at89c51 单片机定时器能方便的计数 到 1s 的精度，因此系统采用 at89c51 的定一时器能保证时间误差在 1mm 的 测量范围内。 超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的 传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。由此可见，测量精 度与温度有着直接的关系，本文采用 ds18b20 温度传感器，对外界温度进行测 量，并在软件中实现温度补偿。 2.1.5 提高精度的方案及系统设计 (1) 温度校正的方法提高测距精度 由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 (2-3) 求出 当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的 方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 dalass 公司生产的 ds18b20 集成温度传感器。 ds18b20 采用了 dalass 公司的 1-wire 总 线专利技术，能够仅在占用控制器一个 i/o 口的情况下工作（芯片可由数据线 供电） ，极大的方便了使用者的调试使用，而且其在10 85的工作环 境下可以保持0.5%的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提 供足够的精度范围。 通过 ds18b20 芯片获得的数据信号经由 1-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 超声波倒车雷达系统的设计 8 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 2-4 所示。 t r 基平面（标杆）超声波测距装置被测物 图 2-4 标杆校正的示意图 超声波测距装置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(2-3) 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。 2.1.6 测量盲区 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。 超声波倒车雷达系统的设计 9 2.2 超声波传感器 2.2.1 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 超声波检测装置的重要组成部分。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：把这种材料置于电场之中，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 超声波倒车雷达系统的设计 10 压电陶瓷晶片产生机械变形，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 2-5 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。 压电晶片 电极 图 2-5 超声波传感器结构 2.2.2 超声波传感器的特性 共振板 超声波倒车雷达系统的设计 11 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 szw-s40-12m 发射型超声波传感器的特性为例加以说明。 （1） 频率特性 图 2-6 超声波传感器的升压能级和灵敏度 图 2-6 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 2-7 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。 图 2-7 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 超声波倒车雷达系统的设计 12 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置放大器配合使用，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 = 0.85cm。 （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 计要求传感器的指向角为 75 度。图 2-8 是电路中选用的发射传感器的指向特性 及结构。 图 2-8 超声波传感器指向特性及结构 2.2.3 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。 超声波倒车雷达系统的设计 13 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。 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（12-16),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 10k 电位器，使振荡频率为 40khz，传感器 接在脚接下按钮时，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 q1、q2 放大（l、c 谐振槽路调谐在 40khz） 。放大后的信号去触发由 q3、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，液面位置越高，信号越大；液面越低则 信号就小。接收到的信号经 bg1、bg2 放大，经 d1、d2 整流成直流电压。当 4.7k 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。当液位低于设置值时，比较器输出为低电平。bg 不导 通，若液位升到规定位置，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 超声波倒车雷达系统的设计 14 的具体设计分析。 3.1 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 p1.0 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 26 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 3-1 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 p1.0 端口输出 40khz 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。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可 以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力， 上拉电阻 r8、r9 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，缩短其自由振荡的时间。 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， 超声波倒车雷达系统的设计 15 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。 u 4a 74a l s04 u 4b 74a l s04 u 4c 74a l s04 u 4d 74a l s04 u 4e 74a l s04 l s1 t x(f) r8 1k r9 1k v cc p10 图 3-1 超声波发射电路 3.2 超声波检测接收电路 3.2.1 集成电路 cx20106a 集成电路 cx20106a 是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。 常用的载波频率 38khz 与测距的 40khz 较为相近，可以利用它来做接收电路。 适当的改变 c3 的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 cx20106a(国内同类产品型号为 d20106a)是日本索尼公司生产的在红外遥 控系统中作接收预放用的双极型集成电路。它还可广泛用于视频系统、家用电 器遥控电路以及通信系统等。这种 ic 性能优越，封装形式及体积与许多遥控信 号接收器 ic 相同或相似，故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。 cx20106a 可用来完成遥控信号，cx20106a 是日本索尼公司生产的红外解调 集成电路，采用 8 脚单列直插式塑料超小型封装，+5v 供电，内部含可前置放 大、自动偏置、限幅放大、通带摅波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出 等电路。其主要功能是从 38khz 红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加 以放大和整形，然后再送到微处理器(cpu)进行处理，以实现遥控操作功能，其 具体引脚图如图 3-2 所示。 超声波倒车雷达系统的设计 16 图 3-2 集成电路 cx20106a 内部结构图 cx20106a 的引脚注释： （1）l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k。 （2）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=4.7，c=3.3f。 （3）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 3.3f。 （4）4 脚：接地端。 （5）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=200k 时，fn42khz， 若取 r=220k，则中心频率 f038khz。 （6）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）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 22k，没有接收信号时该 端输出为高电平，有信号时则会下降。 （8）8 脚： 电源正极，4.5v5v。 3.2.2 超声波接收电路 超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部 分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计 超声波倒车雷达系统的设计 17 采用与发射端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接 收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须 经放大电路进行放大。 超声波接收部分采用集成芯片 cx20106a，这是一款红外线检波接收的专 用芯片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通 滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路。 （1） 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输 时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有 很大的变化。为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动 电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。通过反馈将放大器设定于 适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。 （2） 限度放大器：当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅， 同时也可消除寄生调幅干扰。 （3） 宽频带滤波器：其频率范围为 30hz60hz，其中心频率可调。 （4） 检测器：将返回的超声波的包络解调回来。 （5） 积分滤波器与整形电路：检测器输出的信号经积分滤波器送到整形 电路，输出较好的矩形波。- 接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅 值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器 和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。cx20106a 的外部接线图如图 3-3 所示： in 1 c1 2 c2 3 g nd 4 f0 5 c3 6 o ut 7 v cc 8 r17 cx20106a l s3 rx(s) c9 473 r144.7k + c17 10uf/50v + c10 10uf/50v r15 200k r16 200k c6330pf v cc c1 104 p32 超声波接收电路 图 3-3 超声波检测接收电路图 超声波倒车雷达系统的设计 18 3.3 超声波显示及控制部分电路 3.3.1 at89c51 单片机的原理及工作特点 5l 系列单片机中典型芯片(at89c51)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 t0 和 t1，4 个 8 b 的 i/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(eprom)，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。该系列单片机引脚与封装如图 3-4 所示。 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0(rx d ) 10 p3.1(tx d ) 11 p3.2(int 0) 12 p3.3(int 1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p3.6(wr) 16 p3.7(rd ) 17 x ta l 2 18 x ta l 1 19 g nd 20 p2.0/(a8) 21 p2.1/(a9) 22 p2.2/(a10) 23 p2.3/(a11) 24 p2.4/(a12) 25 p2.5/(a13) 26 p2.6/(a14) 27 p2.7/(a15) 28 pse n 29 a le /pro g 30 e a/v pp 31 p0.7/(ad 7) 32 p0.6/(ad 6) 33 p0.5/(ad 5) 34 p0.4/(ad 4) 35 p0.3/(ad 3) 36 p0.2/(ad 2) 37 p0.1/(ad 1) 38 p0.0/(ad 0) 39 v cc 40a t89c51 图 3-4 at89c51 单片机结构及引脚图 5l 系列单片机提供以下功能：4 kb 存储器；256 bram；32 条 i/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。 3.3.2 单片机实现测距原理 超声波倒车雷达系统的设计 19 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，从而测出发射和接收回波的时间差 tr，然后求出距离 sct/2，式中的 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以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。为了增加所测量的覆盖范 围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的 设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速 c 与温度有关 3.3.3 压电陶瓷超声波传感器 (tcf40-18tr1) 图 3-5 压电陶瓷超声传感器 (1) 适用范围 家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；超声测距及汽车倒车防撞装 置；液面探测；超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。 (2) 命名方法 tcf4018tr1 tc压电陶瓷超声传感器；f类别；t通用性；f防水性；40中心 频率 khz ；18外径 （mm） ；tr使用方式；t发射；r接受；tr 收发兼用 ；1产品序列号：1、2、3 (3) 产品