超声波汽车倒泊防撞报警器设计与研究毕业论文.doc

汽车倒泊防撞报警器的设计与研究1 绪 论1.1 概述随着科技的迅猛发展，越来越多的科技成果被广泛的运用到人们的生活，生产和研究等领域。特别是近几十年来对电子技术，检测技术以及材料的研究，使得各种检测与测量技术有了较大的发展，广泛的在地质勘探，石油勘探和建筑等行业的工程技术领域取得了较为广泛的应用。在日常生活中，尤其对于开车人员，汽车倒车防撞是相当重要的，若在倒车的过程中一个不留神，很有可能会使汽车受到伤害，小则刮漆，重者撞坏后车，所以制作一个汽车倒车防撞报警系统具有重要的意义，这里只对超声波探测器探头作为对象进行分析讨论来说明如何进行超声波汽车倒车的防撞报警。在常规的设计中，要检测是否有物体挡住，一般的做法是超声波发射头发射一个信号，在接收处判断是否有信号接收到，若有信号接收到，说明中间没有物体挡住，若接收不到，则说明有物体挡住。然而在对汽车倒车防撞报警器的设计中，由于汽车在一个移动的物体，不可能在某一具体的位置上安装接收或发射装置，这就决定了系统的发射与接收必须安装于一起，因些如何设计一款将发射与接收安装于一起的物体检测装置是本课题研究的方向。本设计中采用了性能比较好的超声波传感器t/r40-16，此传感器具有全集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点，另外，还采用了单片机系统的微处理器at89c2051芯片。从发射头发射的信号通过障碍物反射所得的信号接收，信号放大，再通过单片机直接处理，然后把处理后的信号通过驱动器驱动扬声器播放出声音，同时通过显示电路显示出来，来满足防撞报警的需要，从而达到了一个汽车倒车防撞和报警的目的。广泛用于出租车，大客车，私家车等汽车倒车中。1.2 汽车倒泊防撞报警器的研究现状众所周知，关于超声波的研究最初起始于1876年，这是人类首次有效产生的高频声波，这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域得到应用。例如利用超声波技术的自动测距照相机，建筑商使用的手持式墙面测距仪。而用于汽车防撞却是近年的事情。这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。现代的超声波传感器不同以往的是在结构上采用了完全封闭形式，它将其换能部分和外界完全隔开，并采用了抗锈材料作为外壳，这样才有可能符合汽车电器所要求的诸如防潮，淋雨，防尘灯较为苛刻的耐候性指标。其次，汽车本身就是一个积电磁波，噪声，振动，撞击等干扰于一体的强干扰源，因此为了能让倒车雷达稳定的工作。除了，具备优良的硬件系统以外，还需要通过软件的数字智能甄别筛选，方能过滤这些干扰信号，只有近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微电脑才能够到这些要求。1.3 汽车倒泊防撞报警器设计的主要工作在本设计中，硬件电路由单片机，超声波发射与接收电路，显示电路，温度补偿电路组成，通过软件的程序设计对报警器电路驱动进行工作，完成对距离的测量，报警。温度补偿电路时为了提高系统的精度，减小由温度带来的测量误差。1.4 本章小结本章介绍了汽车倒泊防撞报警器系统的背景，及发展状况。2 汽车倒泊防撞报警器系统方案研究与选择下面对这两类传感器进行研究（也是为以上提出方案的验证）。设计方案1（基于超声波型）：利用超声波传感器t/r40-16，它是一种性能优良的发射与接收配对的传感器。该系统主要用电磁式输出与输入振荡电路，所输入的信号经过放大，直接发送到单片机at89c2051单片机进行处理，通过编程可以进行自动控制。系统框图如图2-1所示：超声波接收电路信号放大电路电源电路超声波发生器超声波发射电路直流控制电路中央控制单元距离选择电路数字显示电路报警电路图 2-1 基于超声波探测汽车倒车防撞报警系统该系统主要由以下功能块系统构成：超声波传感器t/r40-16、超声波发射与接收构成的收发系统；中央控制处理器at89c2051组成的主机系统；控制报警输出系统等。主要的系统电路有：电源电路、超声波发生器、超声波发射电路、超声波接收电路、信号放大电路、直流控制电路、显示电路、探测距离选择电路、报警电路等。该系统的主要特点有： 该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单，不需要布线直接通过发射模块进行无线发射。因此体积小。 该系统的测量精度很高，能在ta = +25oc、ucc = +5v 的条件下，测量精度可达到1%。 具有语音报警功能。具有智能性，一旦有超声波接收到一定范围就能自动报警。 设计方案2(基于红外线型) 红外线接收电路信号放大电路电源电路红外信号发生电路红外信号发射电路直流控制电路中央控制单元距离选择电路数字显示电路报警电路 图 2-2 基于红外线探测汽车倒车防撞报警系统该系统主要由以下功能块系统构成：红外线信号发生电路、红外线发射电路、红外线接收电路、信号放大电路、直流控制电路、数字显示电路、中央控制处理器at89c2051、距离选取择电路和报警电路及电源电路组成，与超声波作为传感器的系统除发射与接收部分不同外，其他均相同。该系统的主要特点有： 该产品的互换性好，响应速度快、体积小。 该系统的测量精度很高，能在ta = +25oc、ucc = +5v 的条件下，测量精度可达到1%。 具有语音报警功能。由于采用计算机进行控制，因而具有智能性，可根据不同的运用场合开发不同的控制功能。其缺点是：由于是红外线信号，容易受到太阳光的干扰。本设计决定采用第一个方案作为本系统的设计方案。一方面无论是在性能，特点，还是原理图上，或者是在电路设计上，材料上都具有简单，使用性强等方面都是上上之选，特别是抗电磁干扰方面超声波传感器比起红外线传感更加出色21总体设计方案一、干扰源、干扰种类及干扰现象 传感器及仪器仪表在现场运行所受到的干扰多种多样，具体情况具体分析，对不同的干扰采取不同的措施是抗干扰的原则。这种灵活机动的策略与普适性无疑是矛盾的，解决的办法是采用模块化的方法，除了基本构件外，针对不同的运行场合，仪器可装配不同的选件以有效地抗干扰、提高可靠性。在进一步讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前，有必要分析影响模拟传感器精度的干扰源及干扰种类。1、主要干扰源 （1）静电感应（2）电磁感应（3）漏电流感应（4）射频干扰（5）化学干扰（6）机械干扰（7）热干扰 2、干扰的种类 （1）常模干扰（2）共模干扰（3）长时干扰（4）意外的瞬时干扰3、干扰现象 在应用中，常会遇到以下几种主要干扰现象： （1）发指令时，电机无规则地转动； （2）信号等于零时，数字显示表数值乱跳； （3）传感器工作时，其输出值与实际参数所对应的信号值不吻合，且误差值是随机的、无规律的（4）当被测参数稳定的情况下，传感器输出的数值与被测参数所对应的信号数值的差值为一稳定或呈周期性变化的值；（5）与交流伺服系统共用同一电源的设备(如显示器等)工作不正常。 干扰进入定位控制系统的渠道主要有两类：信号传输通道干扰，干扰通过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入；供电系统干扰。 信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈信号和发出控制信号的途径，因为脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道干扰，所以在传输过程中，长线的干扰是主要因素。 任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰，如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，线路中也不会建立起任何干扰电压；此外，交流伺服系统驱动器本身也是较强的干扰源，它可以通过电源对其它设备进行干扰二、抗干扰的措施1、供电系统的抗干扰设计 对传感器、仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰，产生尖峰干扰的用电设备有：电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯，甚至电烙铁等。尖峰干扰可用硬件、软件结合的办法来抑制（1）用硬件线路抑制尖峰干扰的影响 常用办法主要有三种： 、在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器，将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上，从而减弱其破坏性；、在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器，利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲；、在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，从而削弱干扰的影响。 （2）利用软件方法抑制尖峰干扰 对于周期性干扰，可以采用编程进行时间滤波，也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样，从而有效地消除干扰。 （3）采用硬、软件结合的看门狗（watchdog）技术抑制尖峰脉冲的影响 软件：在定时器定时到之前，cpu 访问一次定时器，让定时器重新开始计时，正常程序运行，该定时器不会产生溢出脉冲，watchdog 也就不会起作用。一旦尖峰干扰出现了“飞程序”，则 cpu 就不会在定时到之前访问定时器，因而定时信号就会出现，从而引起系统复位中断保证智能仪器回到正常程序上来。 （4）实行电源分组供电，例如：将执行电机的驱动电源与控制电源分开，以防止设备间的干扰。（5）采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰。该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。 （6）采用隔离变压器 考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级寄生电容耦合的，因此隔离变压器的初、次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抵抗共模干扰能力。（7）采用高抗干扰性能的电源，如利用频谱均衡法设计的高抗干扰电源。这种电源抵抗随机干扰非常有效，它能把高尖峰的扰动电压脉冲转换成低电压峰值（电压峰值小于 ttl 电平）的电压，但干扰脉冲的能量不变，从而可以提高传感器、仪器仪表的抗干扰能力。 2、信号传输通道的抗干扰设计 （1）小信号隔离措施 （2）双绞屏蔽线长线传输 3、局部产生误差的消除 4、接地问题处理办法 5、软件滤波 6、其他抗干扰技术 （1）稳压技术 （2）抑制共模干扰技术 （3）软件补偿技术 2.2 汽车倒泊防撞报警器的主要干扰问题及解决方案针对汽车来说，主要产生的干扰时内外部产生电磁干扰现象，电磁干扰现象严重影响了汽车中一些仪器的稳定性及准确性。一 电磁干扰的基本概念电磁干扰，简称emi，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰，辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。车辆产生的电磁干扰不但对车辆的无线电设备造成影响，而且也会对车辆内部的各种电子部件造成不良影响。早期人们普遍关心的是车辆电磁干扰对电磁环境的重大影响随着有效的治理，这种影响已经得到了控制。这些年，汽车出现了许多由于车辆内部电磁干扰对车辆的正常运行及安全性和可靠性等产生重大影响的现象，引起了人们的特别关注。目前，人们开始研究车辆内部电磁干扰的产生的影响及其控制技术。1 汽车产生的电磁干扰源有：高压点火系统，各种感性负载（如电机类电器部件）：各种开关类（闪光继电器）,各种电子控制单元ecu，甚至各种灯具，无线电设备等。这些部件产生的干扰会在汽车内部造成相互影响。2 汽车内电磁干扰的特点车辆内部的电磁干扰特点不同于车辆外部的干扰。车内电磁干扰可以通过各种连接线缆传播，也会以耦合方式，空间辅射的方式进行传播。典型的形式有：沿着电源线传导干扰，人体静电放电对电子部件的干扰，干扰能量通过空间辐射等。下面就一些典型干扰源的特点进行分析。二 电磁干扰的抑制电磁干扰的抑制措施的选用，首先考虑干扰源，要根据不同的干扰源的特点采取不同的抑制方式。如：点火系统的干扰；电源供电系统的干扰；电感性负载或开关性负载引起的干扰等。其次，考虑干扰的传播途径，这对采取有效地抑制措施非常重要。干扰的途径可以是：通过供电系统的电缆；通过天线或各种导线；通过耦合；通过空间直接辐射电磁波等方式。 此外干扰抑制应充畔虑抑制成本。一般的处理方式，限制干扰源产生的干扰噪声达到规定的合理范围内；同时被干扰体应具有一定的抵抗干扰的能力，以达到相互共存、互不影响的状态。无限制地加大干扰抑制会成倍地增加抑制成本，这在实际应用中是非常不可取的做法。汽车电子电器部件的干扰抑制方式，一般规定若干等级限值，不同部件根据其特点和使用方式的不同，选择一种合理的等级限值，以降低抑制成本。三 抑制各种干扰采取的措施对来自车内供电系统的干扰，一种简单而有效的方法是利用蓄电池作为一个极低阻抗、大容量的瞬变电压抑制器，吸收各种瞬变电压产生的干扰能量。最好的方式是保证蓄电池电缆接线良好。若负极搭铁，应保证搭铁电阻值最小，应尽可能保证线路阻抗r0达最小值，甚至为零。对于线缆间耦合引起的干扰，一种节省成本的方法是在车内布线时充分考虑合理而有效地布置线缆。最好的方式为将ecu控制线或信号线与电源线分开布置，以减小因耦合而引起的干扰信号侵入。此外，采用屏蔽电缆的方式，也是避免外界电磁干扰侵入控制线和信号线的好方法。对于电感性负载引起的干扰，抑制方式可以采用并联一个适当数值的电容器，以消除反向过电压。总体讲，干扰抑制措施的方式有很多种，但归纳整理为：屏蔽、滤波、接地、阻尼。总之，汽车内电磁干扰及其产生的影响是重大的，关系到汽车安全可靠性。人们应该意识到现代电子化汽车中出现的许多新问题，在相当程度上与电磁干扰的影响有关。实际中，采取适当的干扰抑制措施，同时提高汽车电子电器部件的电磁抗扰特性，可以有效地提高汽车运行可靠性。2.3 超声波探测盲区问题及改进方案多数倒车雷达的超声波传感器23个（组），单个传感器的水平探测角度约为6070，这样势必造成23个水平盲区。而增加传感器的个数不但增加了成本，而且提高了故障率。另外，等同于水平探测角度的垂直探测角度显得较大（约6070），往往对粗糙地面发生误报，我也试用过探测角度约30传感器，虽然没有对粗糙地面发生误报，但不能有效地探测约30cm高的路堤，造成倒车时碰到后保险杠的情况。探测盲区改进方案：当超声波传感器数量较少时，可用加大超声波传感器探测角度的方法来改善，但加大角度后又产生新问题，显示(探测)距离a=b，一个目标的实际距离是正确的；而另一目标因为离开超声波传感器轴线较多而误差较大（实际距离小于探测距离）。这样一来，给驾车者造成误导。但也有办法改善，就是加大“报警值”，就是当探测距离小于某数值时候就报警。这样，尽管实际距离并不很准确，但只要小于“报警值”就报警。如果探测距离小于报警值，就会立即报警，如果报警值取0.5m，探测角度为110，当目标距离为0.5m时候，则另一目标为0.29m是可以保证安全的。因为此时不同于初始倒车阶段，而是已经减到了较慢的车速，所以不必担心目标离车较近。再提高报警值，安全性当然更高，但如果目标处于超声波传感器轴线附近就显得太远了。我认为“报警值”取0.5m，单个超声波传感器水平探测角度取100110较为恰当。对于垂直盲区问题，经过多次试验，将垂直探测角度为4050（传感器安装高度距离地面0.6m）。结果能在不发生误报的前提下，有效地探测到2030公分高的路堤，而对于小于20公分高的路堤因不会碰到车轮以外的部件，能够做到可探测但是不报警。这样一来，需要有水平与垂直角度不同的超声波传感器（水平探测度100110；垂直探测角度4050），这只改变传感器“外耳”形状，就可以实现。经过改进后的倒车雷达在实际倒车时感到放心并且从容，作为倒车辅助监控装置，是确有实用价值的，同时因为提高了汽车的电子化程度，增加了科技含量，所以提高了汽车的档次，增加了整车附加值，其经济价值也是显而易见的。2.4 超声波的最大有效探测距离的问题及改进方案多数成品倒车雷达的最大有效探测距离为：墙面小于2.5m，行人0.61.2m。我实测了一些驾驶者的习惯初始倒车速度，约在312km/h，即0.833.3m/s。现在以1.5/s计算（5.4km/h），从倒车雷达发现目标报警，直到实际零距离（撞车）的时间，对于墙面目标仅有1.67s，对于行人只有0.40.8s。如此一来，等报警再减速就很紧张，明显感到预警时间不足。最大有效探测距离改进方案：设计将该指标提高了约一倍。这样墙面目标达到5m，行人为1.42m。同样以1.5m/s（5.4 km/h）计算，结果使倒车雷达从发现目标到报警，知道实际零距离的时间达到了，墙面为3.3s，行人为0.931.33s，有了较富裕的预警时间。2.5 超声波反应速度问题及改进方案多数成品倒车雷达的显示速度因为考虑到抗干扰等原因，显示更新的速度为0.20.4s，即在0.20.4是显示一次距离。根据上一小节的推断从倒车雷达发现目标到发出报警如果需要0.3s，这时候车已经行驶了0.45m，这也感到反应迟钝反应速度的改进方案：多数的倒车雷达由微电脑控制的工作周期0.05s。同时为了抗干扰采用多数取一数的方法，即在多个采样数据中挑选出一个数作为有效数据来显示，这样势必浪费了许多回波信号，延迟了显示时间。例如采用了五数取一数方案，那么至少五个工作周期才能产生一个有效数字，0.05*5=0.25s， 现在采取的方案是：1尽可能的缩短工作周期，时间为0.032s（5m*2/343.5m=0.029s，再稍加余量）;2采取了有一数取一数的方法，同时加强了软硬件的抗干扰措施，经过实际测量，在不降低抗干扰性能的前提下，反应速度可达0.08s以内。2.6 系统的特点和性能2.6.1系统的组成特点以及功能 基于超声波的汽车倒车防撞报警系统利用单片智能化传感器和单片机系统，该系统具有结构简单，可靠性高，操作方便，能实现对现场的自动监控，具有很好的实用价值，在一定的距离之内就能实现倒车防防撞报警。因此，它一方面可大大减少危险的事情发生，提高驾驶安全性；另一方面能防止因倒车发生刮漆，车身碰伤等事件，提高汽车的使用寿命，节约资源有着很大的帮助。总之，该系统还能帮助初学车司机轻松驾驶、倒车、对开车的技术的发展等有着发挥很大的作用。总的来说，基于超声波的倒车防撞报警系统有以下几个特点：功能强大， 测量的精度高。配有配对的超声波发射与接收头，能对人与障碍物距离进行精确测量，达到一定距离就会报警工作人员操作简单，依照使用方法规范操作或按本系统自动显示档位及报警。工作不受时间限制，只要倒车就可以进行监控，都可以保障安全。 系统全自动工作，实时准确记录报警，没有人为干扰，工作安全便携。安装方便，通过无线安装，装在车尾就可以了，方便实用2.6.2 汽车倒泊防撞报警器的组成体系结构超声波传感器t/r40-16，它可以分为超声波发射头，和超声波接收头，超声波发射头发射超声波经障碍物反射，被超声波接收头接受，接收所得的信号再经过信号放大和直流控制电路的处理，得到一个低电平信号，这个信号经计算机处理后，驱动报警电路进行报警。显示部分是led数码管用来显示距离的档位。由于设计所采用的超声波接收头具有很高的频率选择性，对40khz的信号具有较高的接收灵敏度，当偏离这个中心频率时，增益会明显减弱，通过调节发射头的发射频率，便可以方便地进行距离的选择。当单片机的7脚所接为探测的距离选择电路，按动按钮时，显示电路就会显示相应的值，不同的值控制发射头输出不同的发射频率信号，从而对应不同的探测距离。它的系统基本原理框图如图2-3所示: 图2-3 系统原理简化方框图障碍物接收发射中央处理器电源电路显示电路控制电路 2.6.3本章小结本章详细介绍了本次课题设计方案的选择，另外还介绍了超声波倒泊防撞报警器的组成体系结构。 - 38 - 3 汽车倒泊防撞系统的硬件设计为使超声波汽车倒车防撞系统能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，对该系统的硬件进行精心的设计。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个部分。其中，at89c2051单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。外围电路包括电源电路、超声波发生器、超声波发射电路、超声波接收电路、信号放大电路、显示电路、探测距离选择电路、报警电路等等。系统总电路图见附图i3.1 超声波测距原理 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 测距的公式表示为： （3-1）式中l为测量的距离长度；c为超声波在空气中的传播速度；t为测量距离传播的时间差(t为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级以及用lm92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，设计的高精度超声波测距仪。3.2 超声波测距误差分析根据超声波测距公式，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度c=344m/s (20室温)忽略声速的传播误差。测距误差即2.907ms。在超声波的传播速度是准确的前提下，测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12mhz晶体作时钟基准的89c2051单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89c2051定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，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 已知超声波速度与温度的关系如下：近似公式为： （3-2）式中 为零度时的声波速度332m/s； t为实际温度()。式中： r 气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，r 气体普适常量，8.314kgmol-1k-1， m气体分子量，空气为28.810-3kgmol-1， t 绝对温度，。对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。3.3 超声波传感器t/r40-16的结构参数及工作原理在电子距离测量、海底控制等特殊测量领域中，超声波传感器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。3.3.1 超声波传感器的工作原理及特性一般声控电路所用的声源如掌声，哨声，喇叭声等声响，它的声频范围从几百赫兹到十几千赫兹，人耳所能听到的声频范围从20hz20khz，超过20khz即称为超声频，也称为超声波。在声频范围内，自然办声音的种类极其丰富，因此一般的声控电路受士气产生误触发的情况较多，可靠性较差，虽然采取了某些措施，如选频等措施，但是对某些场合仍不能适应要求，而超声波由于它的干扰声源范围较小，而超声波发射，接收，换能元件本身又具有单峰特性，因此它的抗干扰性能较好。超声波传感器是近年来出现的用于超声控制元件，它分为发射器和接收器，发射器将电磁振荡转换为超声波向空间发射，接收器是产针接收到的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。超声波传感器的工作原理如下：当40khz的脉冲电信号由两引线输入后，由压而不服电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去，发射出的超声波向空中四面八方直线传播，遇到有障碍物后它可以发生反射。而接收器在收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号放大器，最后驱动执行器使电路动作。以下是超声波传感器t/r40-16型传感器的声压能级和灵敏度图3-1所示 图3-1 超声波传感器t/r40-16型传感器的声压能级和灵敏度 3.4 超声波发射与接收电路由于该系统是利用超声波测距的原理进行工作的，必须要配高性能的超声波发射和接收电路。超声波传感器的超声波头发射无线超声波信号时,当超声波遇到障碍物进行反射到超声波接收头，产生电信号，把信号经过处理，然后信号放大，再送给at89c2051单片机进行处理。然后，经过单片机处理后的信号经过移位寄存器送往led中显示出来，对单片机进行编程，进行报警，同时显示出是来自第几档位。3.5具体电路本设计中硬件电路中的器件有at89c2051型单片机，t/r40-16超声波传感器，ds1820温度传感器。电路有超声波接收电路，超声波发射电路，显示电路，温度补偿电路，驱动电路。超声波接收电路信号放大电路电源电路超声波发生器超声波发射电路直流控制电路中央控制单元距离选择电路数字显示电路报警电路图3-2 系统硬件方框电路图3.5.1 超声波发射电路设计1、超声波发射电路原理超声波发射电路,是由超声波传感器的超声波发射头t40-16来完成的,详细图3-3和3-4所示,当输入的是12v电源，经d3极性保护，led2作为电源指示灯，经三端稳压集成电路lm7805稳压后，向主机提供+5v工作电源,然后供给发射头和单片机at89c2051工作。当距离选择为“0”时，发射头不工作；当系统处于另外档位时，at89c2051的第2脚便输出一串间断式的低电平信号，电源经超声波发射器由at89c2051的2脚流入负极，由于2脚输出的是间断式的低电平信号，因此发射头工作的方式也是间断式的，他的工作频率取决于单片机2脚输出的脉冲频率。因此只要控制单片机2脚的输出频率，就可以控制向外发射的超声波信号的频率，也正是利用这一点结合超声波接收头的频率选取择性来进行档位选择的。图3-3超声波发射电路图2、主要元件参数的确定数码管选取了0.5寸的高亮度七段数码管，其单管工作电流一般在15ma就可以有足够的亮度。对于51系列单片机来说，其p1口的灌电流能达到20ma，因此无需增加放大电路就可以直接驱动。限流电阻的确定。数码管每管的管压降为1.8v左右，因此，可得到限流电阻阻值为： （3-3） （3-4）从以上的计算可得，限流电阻的阻值可以0.643.2k间选取，本设计中选取了820的电阻。3.5.2 超声波接收电路1、电路原理超声波接收电路详图如图3.2所示，它就是利用超声波传感器r40-16接收头来完成的，当接收头收到外界超声波时，通过能量转换方式，把磁能转换为电能，由于该接收头对频率的选取择性，当接收到不同的频率时，其感应出的电压信号幅值也不一样。超声接收头接收到的信号经vt1、vt2及外围电路二级放大后，得到一个较大幅度的交流信号，经d1、d2和c5组成的倍压整流电路后，在c5两端形成直流控制电压，vt3为输出转换器，用于和单片机的接口。当发射的信号没有受阻时，接收电路由于没有收到超声波信号，vt3截止，输出为高电平，单片机判断为没有遇到障碍物，报警电路不工作；当发射的超声波信号受阻后，接收电路便收到了发射出去的超声波信号，经放大处理后，输出一个低电平信号，这个低电平信号送入单片机进行处理后，就判断为倒车过程中遇到障碍物，马上启动报警电路，蜂鸣器开始鸣叫，表示马上要撞上障碍物了，提醒司机注意。 图3-4超声波接收电路图 2、主要元件参数的确定vt2及偏置电路的确定vt2我们选用npn型小功率三极管9013，选其直流放大倍数为：80，取r4为10k，此时，饱和时的集电极和基极电流为： (3-5) (3-6)为了使接收电路有较高的输入阻抗，同时结合以上电流值，我们选用基极偏置电阻的阻值为2 m。由于接收到的超声波信号频率为40khz，其耦合电容我们选用了0.1uf的瓷片电容。为了减小vt1放大电路中对有用信号的衰减，在发射极加入了c7作为旁路电容，其值为0.01uf。对于vt3的负载电阻，选用了10k，选用vt3的放大倍数为50，此时能让电平转换电路可靠工作的基极电流值为： （3-7） （3-8）整流二极管选用了1n4148。在接收到可靠的超声波信号时，经倍压整流和电容滤波后形成的电压值大于3v，此时，基极限流电阻值： （3-9）为了确保转换的绝对可靠性，选的阻值为3.9k3.5.3 单片机单片机作为系统的核心，系统的任何工作都跟它有非常密切的关系。它要对超声波的信号进行发射并接收反应来的信号，同时收集温度数据，并对距离进行测算，并对结果传送给报警器。可以看出单片机在系统中的作用很大，几乎每一个工作步骤都需要它的参与。它直接关系着系统的各项功能指标，因此对单片机的选择非常的重要。根据系统对单片机功能上的要求，采用at89c2051型单片机，它可以满足系统设计的需求。at89c2051是由美国atmel 公司生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。该芯片采用flash存储技术，内部具有2kb字节快闪存存储器，采用dip封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。at89c2051具有以下几个特点：at89c2051与mcs-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0hz24mhz；三级程序存储器加密；1288位内部ram；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。at89c2051引脚功能如下：at89c2051单片机为20引脚芯片如图3-5所示 图 3-5 at89c2051引脚分布图其主要的功能特性如下表3-1所示：表3-1 at89c2051的主要功能特性兼容mcs51指令系统2k可反复擦写(1000次)flash rom15个双向i/o口6个中断源两个16位可编程定时计数器2.7-6.0v的宽工作电压范围时钟频率0-24mhz128 x8bit内部ram两个外部中断源两个串行中断可直接驱动led两级加密位低功耗睡眠功能内置一个模拟比较放大器可编程uarl通道软件设置睡眠和唤醒功能3.5.4 时钟电路的设计所有mcs-51微控制器均有片内振荡器作为cpu的时钟源。但通常所说的这种片内振荡器，实际其本身并非振荡器，只不过是一个适于构成反馈振荡器的高增益反相放大器罢了。为构成反馈振荡器，必须在其xtal1和xtal2两个引脚上提供一个参考频率。xtal1是该反相放大器的输入端；xtal2则是其输出，并同时作为内部时钟发生器的输入。参考频率可由晶体、电感或外部时钟源提供。通常的做法是: 在xtal1与xtal2两端跨接一只石英晶体或陶瓷谐振器以及一端接地的两只电容器。这里的石英晶体为一电感性元件，与外接其上的电容构成并联谐振回路，为片内振荡器提供正反馈和振荡所必需的相移条件，从面构成一个自激振荡器。片内时钟发生器对振荡器频率进行二分频，为微控制器提供一个两相时钟信号。就是说，一个时钟周期或称一个s状态，包括p1和p2，即相位1和相位2两个振荡周期。每个机器周期固定由6个s状态（12个振荡周期）组成，若振荡器频率为12mhz，则一个机器周期即等于1us，在这一点在计算单片机延时时间非常有意义。石英晶振或陶瓷谐振器c1c2xtal1xatl2vss图3-6 时钟电路的电路图3.5.5 复位电路的设计at89c2051的rst脚为外部复位信号的输入引脚，在mcs-51器件内部，rst接到一个施密特触发器的输入端。大家知道，施密特触发器要有一定的输入电平才奶触发，所以可滤掉某些噪声干扰信号。在振荡器运行时，rst引脚上保持至少两个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。为响应这一过程，cpu发出内部复位信号。内部复位操作是在发现rst为高电平后的第二个机器周期进行的，并且此后每个周期都重复进行复位操作，直到rst变为低电平为止。对于上电自动复位电路的设计，要结合电源从加入到振荡器启动这些参数，一般来讲，vcc电源的上升时间不超过1ms ,片内振荡器启动时间在10ms之内，在这种情况下，只要能保证rst引脚的复位高电平持续时间大于11ms，就可以确保上电复位的可靠完成。通过以上分析可以得出，把rst引脚通过10uf电容接到vcc并同时经10k电阻接地，就可获得上电自动复位的结果。应当指出，对于chmos器件来说，10k电阻是不需要的，但上电后保持复位脚高电平的时间超过11ms都可以完成复位，因此电阻适当取大点也无妨。接通电源后，vcc便对电容c通过电阻r或内部电阻进行充电。rst脚的电压等于vcc与电容两端电压差。在充电过程中，随着电容电压的逐步趋近于vcc，rst引脚上的电压最终将接近于0。此过渡过程的长短取决于电阻和电容值的大小。10uf的电容足可使rst脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平，从而使整个复位过程得以完成。vcccrstvssr图3-7 复位电路的电路图3.5.6 温度补偿电路 温度对声音速度的影响比较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。系统采用了数字温度传感器ds1820来采集温度，ds1820是美国dallas公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化，低功耗，抗干扰能力强，易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统，它的测量温度范围为-55摄氏度+125摄氏度，精度可达0.0675摄氏度，最大转换时间为200ms。数字式温度传感器和模拟温度传感器最大的区别是：将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握ds1820的通信协议是使用该器件的关键。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲，应答脉冲时隙，写“0”，读“1”时隙，读“0”，读“1”时隙。初始化后，传感器输出两个字节的温度，进行数据处理后得到实际温度的值，计算补偿声速。3.6 超声波汽车倒泊防撞系统控制部分的电路的分析与设计3.6.1 超声波倒车防撞系统控制部分的总电路图与总体实现图3-8 超声波倒泊防撞系统部分总电路图超声波传感器t/r40-16，它是有独立的发射头和接收头组成的，当单片机输出一定频率的超声波驱动信号，从而使超声波发射头工作，超声波在向外界发送独立的超声波信号时，如遇到障碍物，所发射的超声波信号便会返回，返回的超声波信号被超声波接收头接收，经过能量的变换后由超声波的电磁信号转换为可以为电路使用的电平脉冲频率信号，输入到单片机at89c2051进行处理。从而判断在设定距离内是否有障碍特，驱动报警电路的工作与否。为了实现不同距离时的报警，在设计中采用了三档进行调节，当控制发送端的输出频率时，由超声波传感器声压级与灵敏度特性曲线的内容知道，由于超声波传感器对于接收到的信号对频率的选择性，当接收到的信号是40khz时，其接收灵敏度最高，因此经放大电路放大后得到的控制电压也最高，同时接收到的信号还与反射距离有关，距离越近，反射回来的信号越强，经放大后形成的控制电压也越大，结合了这两点，当发射40khz的超声波信号时，由于接收灵敏度最高，因此在较远处反射的信号经放大后，所形成的控制电压就可以使vt3等组成的电压比较器的输出变为低电平，而当发射的频率偏移时，由于灵敏度变低，因此，只有将距离移近，接收到的信号才能达到电压比较器的门槛电压，而随着发射频率与中心频率偏移的增大，灵敏度进一步降低，因此只有再次缩短距离，才能使输出达到电压比较器的门槛电压，系统才能检测到物体的存在。因此通过软件控制发射器的发射频率，结合电压比较器的门槛电压，可以有效地控制系统报警距离。3.6.2 本章小结本章介绍了超声波汽车倒车防撞系统能够具有更好的实用性的特点，并且详细介绍了硬件外围电路包括电源电路、超声波发生器、超声波发射电路、超声波接收电路、信号放大电路、显示电路、探测距离选择电路、报警电路。4 系统软件设计程序是整个系统的灵魂，硬件电路只有通过程序的驱动才能正常的工作，因此程序对于系统来说是非常重要的。程序中出现一个小的错误可能使系统无法正常工作。系统软件设计的主要任务是：控制超声波发射器向空中发射不同频率的超声波信号、档位的选择、输出档位显示信息、检测是否收到反射回来的超声波信号、控制报警电路的工作。4.1 主程序设计首先对系统环境初始化，判断距离是否为0，如果是的话返回，如果否的话，执行下一段程序，判断距离是否为1，是的话驱动超声波发射频率为40khz的信号，并判断p3,5口的值是否为0。如果是否的话，执行下一段程序，判断距离是否为2，假使是2的话，驱动超声波传感器发射频率为39khz的信号，并判断p3,5口的值是否为0。如果是否的话，执行下一段程序，判断距离是否为3，假使是的话，驱动超声波传感器发射频率为38khz的信号，并判断p3,5口的值是否为0。如果是否的话返回，如果p3.5口的值为0的话，启动报警电路，提醒司机注意。主程序流程图如图4-1注意：以上距离为1代表汽车离障碍物60cm ，2代表汽车离障碍物50cm，3代表汽车离障碍物40cm开始初始化距离为1?距离为2?距离为0?39khz发射程序40khz发射程序38khz发射程序p3.5为0?启动报警电路距离为3?是否否否是否是否图4-1主程序流程图 4.2 子程序设计子程序包括中断服务子程序，开始后按下距离选择开关产生中断，若20h单元里数据为4则清0，若不为4，则计数器加1，用于完成距离的选择。之后打开中断返回。关总中断20h 加120h等于4? 20h单元清0显示20h单元值打开中断，返回返回开始否是是图4-2中断子程序流程图4.3 本章小结本章叙述了系统的软件设计，包括主程序的设计首先对系统环境初始化，判断距离是否为0，如果是的话返回，如果否的话，执行下一段程序，判断距离是否为1，是的话驱动超声波发射频率为40khz的信号，并判断p3,5口的值是否为0。如果是否的话，执行下一段程序，判断距离是否为2，假使是2的话，驱动超声波传感器发射频率为39khz的信号，并判断p3,5口的值是否为0。如果是否的话，执行下一段程序，判断距离是否为3，假使是的话，驱动超声波传感器发射频率为38kz的信号，并判断p3,5口的值是否为0。如果是否的话，返回，如果p3.5口的值为0的话，启动报警电路，提醒司机注意，不为0则返回，以及子程序的设计，子程序包括中断服务子程序，开始后按下距离选择开关产生中断，若20h单元里数据为4则清0，若不为4，则计数器加1，用于完成距离的选择。之后打开中断返回。其中包括主程序和子