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53超声波测距离在汽车上的应用,53,超声波,测距,汽车,应用,利用,运用
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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 6-Jun-2010 Shet of File: D:业业业protel业业业业7.DBDrawn By:P6.3/A3P6.4/A4P6.5/A5P6./A6P6.7/A7XINVref+XOUTVeref+Vref-/Veref-DVcP1.0/TACLKP1./TA0P1.2/TA1P1.3/TA2P1.4/SMCLKAVc DVs AVs P6.2/A2 P6.1/A1 P6.0/A0 RST/NMI TCKTMSTDI/TCLKTDO/TDI XT2INXT2OUTP5.7/TBOUTHP5.6/ACLKP5.5/SMCLKP1.5/TA0 P1.6/TA1 P1.7/TA2 P2.0/ACLKP2.1/TAINCLKP2.2/CAOUT/TA0P2.3/CA0/TA1P2.4/CA1/TA2P2.5/RoscP2.6/ADC12CLKP2.7/TA0 P3.0/STE0P3.1/SIMO0P3.2/SOMI0P3.3/UCLK0P3.4/UTXD0MSP430F1475.4/MCLKP5.3/UCLK1P5.2/SOMI0 45P5.1/SIMO1P5.0/STE1P4.7/TBCLKP4.6/TB6P4.5/TB5P4./TB4P4.3/TB3P4.2/TB2P4.1/TB1P4.0/TB0P3.7/URXD1P3.6/UTXD1P3.5/URXD0 33435363738394048474644342411234567891011213141516646362616059 57565545358 525150491718192021223242526272829303132MSP430F147位位业业 C310uFR71MR830K1.0uFR9210K C74uF C80.1uF-5C950uF+5C50.1uFC4470uFR1010K C1010uFR110KR1226K+513 4 852 76C122uF C1320P150K 20K+5R1310KLM 567C6 C12uF位 位 位 位NE532 NE532470uF 104+5+3.V1 2 3GOILD117位位位位位6N136R11K R251C10.1uFR33K+5R42KR630+24C225R51MMOSFET 40KHZ位位位 位 位位业业C0.1uFGNDRESETRESET12MAX809STRVc 3位位位VCGNDDQVD123VCDS18B20位位位位VDNT7532D/CCSBSCKSDARESC86P/S VsVDLCM12864HLCD位位位0.1uF0.1uFXTAL132kHzR144.7KVDISD404SMOSIISOVsdNC位位位NCNCNCNCNCVSAVSAADUONTAMCAP NCANAIN-ANAIN+VCANCNCNCNCVSARACINTXCLKVCDSCLK业业C141uFC15 1uF3V位 位 位 位湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 超 声 波 测 距 离 在 汽 车 上 的 应 用专 业：机械设计制造及其自动化 学 号： 2006183913 姓 名： 肖 兵 指导教师： 李玉声 完成日期： 2010 年 6 月 II湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 超声波测距离在汽车上的应用 学号：2006183913 姓名：肖 兵 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师：李 玉 声 系主任：周 友 行 一、主要内容及基本要求 1 、在实际倒车过程中，经常出现倒车碰撞事故，倒车己成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。本设计研究了一种汽车倒车雷达预警系统，该系统在常见的汽车倒车预警装置的基础上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警，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，提高了驾驶安全性。2 、该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达预警系统的构架和设计方案。 3 、完成翻译和硬件电路设计工作。 4 、撰写毕业设计计算说明书。 二、重点研究的问题超声波测距离在汽车上的应用分析以及解决汽车倒车困难的方案 III三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅资料、调研 第 13 周2 开题报告、制订设计方案 第 46 周3 画出硬件电路图 第 710 周4 分析、调试 第 1113 周5 撰写毕业设计说明书 第 1416 周6 答辩 2009 年 6 月 710 日四、应收集的资料及主要参考文献1 高飞燕：基于单片机的超声波测距系统的设计 ，信息技术，2005 年第 7 期，第 128-129 页。 2 时玮、孟军、刘波：温度修正的超声波测距控制设计 ，机械工程与自动化，2005 年第 6 期，第 85-87 页。 3 利尔达单片机技术有限公司：MSP430 超声波测距 。 4 雷建龙：仪表技术与传感器 ，2004 年第 6 期，第 8-10 页。 5 黄攀、王俊杰：单总线数字温度传感器 DS1820 及其应用 ，元器件与应用，2001 年第 2 期，第 29-31 页。 6秦 龙：MSP430 单片机实例精讲 ，电子工业出版社，2007 年。 IV湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2006183913 姓名 肖 兵 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 超声波测距离在汽车上的应用 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价评阅人： 2010 年 6 月 日V湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号：2006183913 姓名：肖 兵 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 58 页 图 表 1 张论文（设计）题目： 机械设计制造及其自动化 内容提要： 本文以倒车过程中测量距离以及安全系数的考虑为目标，提出了当前的倒车雷达测量方法。以实际的应用背景为实例，说明了采用超声波倒车雷达测量距离的方法的优点。并对超声波及超声波传感器做了简单的介绍，由此引出超声波测距离的原理并对该测量原理进行了简单的介绍及分析，在此基础上设计出了基于 MSP430F147 单片机的超声波倒车雷达测量系统。本方案在研究汽车倒车雷达预警系统过程中,运用理论分析，电路设计和计算机仿真等研究手段,完成了倒车雷达预警系统硬件和软件的设计。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达预警系统的构架和设计方案。在查阅了大量资料后，给出了主要电路部分的多种方案，并对这些方案进行了简单的分析比较，最终设计出了一套完整的超声波倒车雷达测量系统的硬件电路方案。该电路结构原理简单，使用元件较少，成本较低，但功能强大，性能稳定，还具有较强的抗干扰能力。并且还针对对硬件电路编写了软件程序框图，最后进行了硬件电路的仿真和实验测试，经过实验测试证明，该测量系统具有较高的测量精度和稳定性。VI指导教师评语指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日VII答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日VIII目 录摘 要 .IXAbstract .X第一章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内汽车倒车雷达预警系统的现状 .11.3 本课题研究内容 .2第二章 超声波倒车雷达测量仪的测量原理 .32.1 超声波 .32.1.1 超声波概念及特点 .32.1.2 超声波传播速度 .32.1.3 超声波频率 .32.2 超声波传感器 .42.3 超声波倒车雷达测量原理 .5第三章 系统硬件设计 .73.1 硬件电路整体结构说明 .73.2 电源设计 .73.2.1 复位电路设计 .83.3 超声波发射电路 .93.3.1 MSP430 单片机 .93.3.2 发射电路方案选择 .103.4 超声波接收电路 .123.4.1 运算放大器 NE5532 简介 .133.4.2 LM567 及锁相环电路 .133.4.3 光电隔离电路及光耦 6N136 .153.5 温度补偿电路 .163.5.1 数字温度传感器 DS18B20 .163.5.2 DSl8B20 工作过程及时序 .203.5.3 DS18B20 与单片机接口电路 .223.6 LCD 显示电路 .233.6.1 LCD 模块 LCM12864H .233.6.2 LCM12864H 与单片机接口电路 .243.7 语音提示电路 .25IX第四章 系统软件设计 .284.1 系统软件整体结构 .284.2 超声波发射接收程序 .284.3 温度测量程序 .294.3.1 温度测量程序流程图 .304.4 液晶显示程序 .314.5 声音提示程序 .31第五章 系统误差分析 .33第六章 总结 .34参考文献 .35附录 1：总电路图 .36附录 2：翻译 .37X超 声 波 测 距 离 在 汽 车 上 的 应 用摘 要本文探讨了超声波测距离在汽车上的应用问题，也就是我们常说的倒车雷达，即一种汽车倒车雷达测量预警系统，该系统在常见的汽车倒车预警装置的基础上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警，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，提高了驾驶安全性。本文在研究汽车倒车雷达测量预警系统过程中,运用理论分析，电路设计和计算机仿真等研究手段,完成了倒车雷达预警系统硬件和软件的设计。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达测量预警系统的构架和设计方案。在硬件电路中详细阐述了运用单片机技术实现的倒车雷达预警系统的测距原理，分析了以 MSP430 单片机为主控单元的系统硬件和软件设计,并对该系统进行了试验和误差分析，给出了本系统的稳定性指标。试验结果显示，该系统对室内有限距离的距离测量具有较高的精度，实现了倒车提示和距离报警功能。关键词：超声波；倒车雷达；温度补偿；MSP430；距离测量XIUltrasonic distance measurement in automotiveapplicationsAbstractThis article treats of ultrasonic pacing out distances in cars in which the application, we often say that a radar, reversing the car into reverse in the early warning radar system, in common the car into reverse warning apparatus on the basis of computer controlled by technology and ultrasound range of technical and obstacles to show the distance, according to its distance from far and near real-time a call the police, from parking and start when the vehicle and visit the trouble of driving security. Based on the research vehicle reversing early warning radar system process, the use of theoretical analysis, design and computer simulation, and other research tools, completed a reverse early warning radar system hardware and software design. Ranging module into the system, the system control module and display alarm module, respectively, and their program of construction of a reversing early warning radar system of systems architecture and design programs in the hardware circuit in detail the use of the SCM technology Visual reversing range early warning radar system to achieve the principle of a MSP430 MCU control unit for the system hardware and software design, and the system was tested and error analysis, given the stability of the system indicators The results show that the system of limited indoor range of distance measurement with higher precision, to achieve a prompt and distance, reversing alarm function.Keywords：Ultrasound；reversing radar； temperature compensation；MSP430；distance measurement1第一章 绪论1.1 课题背景随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。在享受汽车给我们带来的便利同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越来越少；另一方面，新司机及非专职司机越来越多，因倒车引起的纠纷越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。在 2009 年汽车事故的发生比例中，倒车引起的事故占 28%，倒车己成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。驾驶者只能依赖后视镜观察后方障碍物，后视镜受其位置的限制，视野狭窄、清晰度差，根本无法达到倒车过程中后视的目的。其二是倒车时驾驶者同时要兼顾车辆前方、两侧的情况，必须扭身回头观察车辆后面的情况，体力和脑力消耗过大，易产生不安全因素。其三，倒车是一个复杂的工程，它依赖于驾驶者的驾驶经验、驾驶技巧及反应灵敏程度，任意环节出问题都导致驾驶员无法快速准确地完成倒车任务。解决汽车的倒车难问题目前有两种思路：一是寄希望于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟，目前这项技术只用于少量高档豪华车上，短期内未能全面推广应用；第二是采用简单的汽车倒车预警系统，但是传统的汽车倒车预警系统的功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断车后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务。本文研究的汽车倒车预警系统属于第二种思路，它在常见的汽车倒车预警装置的基础上进行改进，能在很大程度地解决倒车难题，同时也为汽车自动驾驶的研究应用奠定基础。1.2 国内汽车倒车雷达预警系统的现状随着我国汽车产业的高速发展，近两三年我国开始进入私家车时代，交通事故发生的频率也在增加，为提高汽车运行的安全性。倒车雷达预警系统不仅深受驾驶员的青睐，也逐渐成为汽车电子产业中新的增长点。尤其是近两年来，倒车雷达成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达，处在我国汽车电子行业环境的繁荣背景下倒车雷达已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派激烈竞争的态势。倒车雷达系统经历了三个阶段，六代的技术改良。从早期的倒车防撞仪，只能测试车后有限范围的障碍物，并发出警报，发展到根据距离远近程度分段报警，前两个阶段的倒车雷达一般采用专用集成电路，功能较简单。随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，以及单片机价格不断下降和汽2车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。要求倒车雷达连续测距并显示障碍物距离，并采用不同间歇鸣叫频率的声音报警提示距离，让驾驶员全神贯注地注视场景。汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的倒车雷达具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上。如最为先进的倒车雷达系统为智能可视倒车雷达系统，它在车尾部装上针孔摄像头，倒车时可以在显示屏上显示车后的真实图像。在前段时间上市的由东风日产汽车有限公司乘用车公司推出的全新一代蓝鸟至尊，最引人注目的是它配备倒车影像显示和卫星导航系统，这两项配置在同级别的轿车上可谓绝无仅有，有效提升了蓝鸟的档次。直接将高级别汽车的智能化从概念引入了应用。在驾驶者挂入倒挡时，中控台上的液晶显示屏会自动切换画面，将车尾摄像头拍下的环境状况展示在驾驶者眼前，最大程度的方便泊车，这项功能在夜间尤其具有价值。而它的卫星导航系统，使日产成为继丰田之后又一个将导航定位系统引入国内的厂家。1.3 本课题研究内容本文采用脉冲回波法，选用 TI 公司的 MSP430 高速低功耗单片机作为整个测量系统的核心部件，并运用 DS18B20 数字温度传感器进行温度补偿，加以用液晶显示模块和声音提示模块，能够直观的显示出测量内容，设计出了结构简单、成本较低，功能完善，性能稳定的硬件结构和较为合理的系统软件，并对硬件和软件进行了相关的测试。软件编程采用通用性较强的 C 语言，基于程序设计功能模块化的思想，设计出了超声波发射和接收程序模块，温度测量程序模块和液晶显示程序模块。3第二章 超声波倒车雷达测量仪的测量原理2.1 超声波2.1.1 超声波概念及特点超声波是一种振动频率高于声波的机械波，是机械振动在媒介中的传播过程，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波是人耳听觉范围值以上的振动，频率范围在 10kHz 到 1THz 之间，常用频率大约在 10kHz 到 10MHz之间。超声波的波型分纵波、横波、瑞利波和表面波。超声波按传播方式可分为纵波和横波。纵波的传播方向与质点的振动方向一致，纵波可以在气液和固体中传播。横波的传播方向垂直于质点的振动方向横波只能在固体中传播。超声波的物理性质有：反射与折射、衰减与吸收、叠加与干涉等。2.1.2 超声波传播速度由于超声波也是一种声波，超声波在传播介质中的传播的速度和介质的特性有关。理论上，在 13的海水里，声音的传播速度是 1500m/s。在 25的空气中传播的速度是 344m/s，在温度为 0时的速度是 334m/s。超声波的传输速度和声波一样，超声波在空气中传播时，空气的温度、大气压力、湿度等都对超声波的声速有影响，其中温度对速度的影响最大。超声波在空气中传播时，传输速度和温度的关系可以由公式（2-1）来表示： 31.4506CT（2-1）在测量过程中，如果温度变化不大，则可以认为声速是不变的。如果对测量精度要求较高，为了减小误差，避免因环境温度变化而带来的偏差，必须对环境温度进行检测，通过温度补偿的方法对声速进行校正，以实现能够精确测量。2.1.3 超声波频率超声波在传播过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为 2abf（2-2）其中，a 为衰减系数，b 为介质常数，f 为振动频率。在空气中，41320/bscm。其物理意义为，声波在空气中传播，由于空气运动摩擦的原因，能量被吸收损耗。由公式（2-2）可知，超声波的频率越高，衰减也就越大，其传播的距离也就越短。传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在地球表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。如图 2-1 所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，波的传播距离也就越短。图 2-1 声压在不同距离下的衰减特性超声波传感器的工作频率是测距系统的主要参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损耗，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。对于不同占空比的超声波，其发送接收效率不同，一般 50%的占空比频率为 40KHz 左右的超声波在空气中传播的效率最佳。2.2 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。目前超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛型、液哨型和气流旋笛型等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。在超声波测距的应用中，最为常用的是压电型传感器。压电型超声波传感器的工作原理：它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波传感器习惯上称为超声换能器，或者超声探头。其结构原理如图 2-2 所示 。5图 2-2 超声波传感器内部结构超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极板加脉冲信号(触发脉冲)，若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，电能转换为机械能，此现象称为逆压电效应。机械能以波动的方式向外辐射传播，产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，这现象称为压电效应，此时的传感器就成了超声波接收器。压电型超声波传感器结构如图 2-3 所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形谐振器金属片喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且压电陶瓷可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。图 2-3 压电型超声波传感器结构图2.3 超声波倒车雷达测量原理通常，超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。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, 并带动共振板振动，便产生超声波。在超声波探测电路中，发射端输出一系列脉冲方波，其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。6超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响，精度不高。本文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其测量原理图如图2-4 所示。图2-4超声波测距原理图传感器发出 40KHz 超声波, 但并不是单独发射一个脉冲,而是一串的几个脉冲, 并对测量逻辑电路提供一个短脉冲，开始计时,超声波接收器接收到遇到障碍而返回的脉冲串前端, 同样也对测量逻辑电路提供一个短脉冲 ,计时结束,这就得到了超声波运行时间间隔 t(s), 结合空气中超声波传播速度 v(m/s),根据运动定律, 我们便得到所要测量的目标距离S(m) :S=Vt/2 (2-3)然而，超声波在空气中传播的速度 V 和空气的温度有关。温度补偿：在理想气体中, 超声波传播速度可表述为:(2-4)RT其中, 为气体的比热值, R 为气体常数, T 为热力学温度, 为气体的分子量。由(2-4)可知:声速与热力学温度的平方根成正比, 温度越高声速越大。实验表明, 实用的温度值经验公式为:(2-5)16.2734.V对于 T 值, 可使用温度传感器采集并送给单片机进行计算。7第三章 系统硬件设计3.1 硬件电路整体结构说明超声波倒车雷达测量系统框图如图 3-1。液晶显示、报警MSP430F147 单片机温度检测 超声波发射端及驱动电路超声波接收端及放大锁相电路图 3-1 超声波液位测量系统框图系统主要由五个部分组成：单片机控制部分，液晶显示、报警部分，温度检测部分，超声波发射部分和超声波接收部分。单片机控制部分用来产生 40kHz 的方波，并测量出超声波从发射到接收所传播的时间，驱动液晶显示模块，采集温度测量部分的温度信息以及进行数据的处理。温度测量部分用来测量环境温度，对温度进行补偿，来减少环境温度变化对测量精度的影响。LCD 部分用来显示测量的结果，即可以显示出距离。发射部分由单片机产生的 40KHz 方波信号作为控制信号，控制驱动电路使超声波传感器发射出超声波。超声波接收部分则负责对超声波接收传感器产生的电信号进行滤波放大，经过检波电路，产生接收中断信号，使单片机能够计算出超声波发射到接收所消耗的时间。3.2 电源设计在本系统中，使用到了多种电源，有+24V，12V，+5V，+3.3V 及+3V。超声波发射驱动电路使用到的是+24V，运算放大器 NE5532 使用的电源是12V，光耦 6N136 及集成锁相环路解码器 LM567 使用的是+5V 的电源，声音提示芯片 ISD4004 使用的是+3V的电源，而单片机 MSP430F147 和 LCD 模块 LCM12864H 使用的是+3.3V。由于本课题设计的对象不是便携式产品，使用的电源是汽车电瓶 12V 电压。为了减少设计任务，本8文选用的是独立的开关电源模块，能够输出12V 和+5V 的直流电。但要获得+3.3V 的电源，还需要进行电源的设计。获得+3.3V 电源的方法有多种，如用电阻分压、使用电源芯片等。为了简化电路，本系统采用的是电源管理芯片 LD1117，输出为+3.3V，如图3-2 所示。图 3-2 电源电路图3.2.1 复位电路设计在单片机系统中，为了保证系统在上电时进行初始化，同时也为了保证对电源的监视，需要采用复位芯片，如图 3-3 所示。图 3-3 复位电路93.3 超声波发射电路超声波传感器发出超声波，需要 40KHz 的激励信号源。在前面已经提到过最好的激励源是 40KHz，占空比为 50%的激励源。而产生 40KHz 信号的方法有多种，如使用 LC振荡电路、555 时钟电路、单片机发生等等。由于前两种方法产生 40KHz 的信号电路复杂，性能不够稳定，而本系统采用单片机，利用其定时器产生 40KHz 的方波。在单片机的选择中，本系统选用的是 MSP430147 单片机，它较传统使用的 51 单片机的最大优点是高速低功耗，性能有极大的提高，开发成本低，下面就 MSP430 单片机进行简单的介绍。3.3.1 MSP430 单片机MSP430 系列超低功耗单片机是 TI 公司推出的一种新型单片机。其外部引脚图如图3-4，主要功能部件有 CPU：MSP430 系列单片机的 CPU 和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430 的内核 CPU 结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了 MSP430 的实时处理能力。 存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字的形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。其中 MSP430 各系列单片机的程序存储器有 ROM、OTP、EPROM 和 FLASH 型。 外围模块：经过 MAB、MDB、中断服务及请求线与 CPU 相连。MSP430 不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。它们分别是以下一些外围模块的组合：时钟模块、看门狗、定时器 A、定时器 B、比较器 A、串口 0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA 控制器等。 MSP430 特点有：(1)功耗低,典型功耗是:2.2V 时时钟频率 1MHz 时，活动模式为200uA ，关闭模式时仅为 0.1uA，且具有 5 种节能工作方式。(2)高效 16 位 RISC 结构CPU,27 条指令，8MHz 时钟频率时指令周期时间 125ns，绝大多数指令一个时钟周期完成，32kHz 时钟频率时 16 位 MSP430 单片机的执行速度高于典型的 8 位单片 20MHz 时钟频率时的执行速度。(3)低电压供电、宽工作电压范围：1.8V3.6V。(4)灵活的时钟系统(两个外部时钟和一个内部时钟)。(5)低时钟频率可实现高速通信。(6) 具有串行在线编程能力。(7)强大的中断功能。(8)唤醒时间短,从低功耗模式下唤醒仅需6us。(9) ESD 保护： 抗干扰力强。基于以上特点，该系列单片机在便携式仪表、智能10传感器、实用检测仪器、电机控制、家庭自动化等领域的应用较为普遍。MSP430 产品系列可以提供多种存储器容量组合的选择，从 14 位模数转换器(ADC)到液晶显示器(LCD) 驱动电路的混合信号外设，可根据需要进行选择，简化了各类应用的电路设计。且集成时钟、集成 LCD 驱动电路、集成 A /D、D/A 转换器，使硬件简化,所需外部元件极少。MSP430 的 16 位定时器中断可用于事件计数，时序发生，PWM 等；是应用于工业控制的理想配置。DCO 为单片机系统提供一个内部时钟源并具有锁相环，当 XTALT2 没有提供时，系统依靠 DCO 运行，整个时钟配置可以通过 DCOCTL 、BCSCTL1、BCSCTL2 和SR 等控制寄存器中相应的位来选择和控制以满足用户对系统的要求。不同型号单片机的存储器容量和外围模块各不相同，使用者可以根据需要具体选择适应工业级应用环境。图 3-4 MSP430F147 系列外部引脚图113.3.2 发射电路方案选择单片机发出的信号是不能够直接驱动超声波传感器的，还需加驱动电路。超声波反射回后，能量会减弱，在距离较远的情况下会减小的更弱。此时超声波传感器有可能检测不到回波，或检测到回波后发出的电信号只有毫伏级甚至是微伏级，这样就影响测量范围和测量精度。因此为了加大超声波的测量范围，驱动电路需要较大的驱动能力。超声波发射驱动电路的方法有多种，常用到的驱动方法有如图 3-5 所示四种。(a)(b) (c)(d)12图 3-5 发射驱动电路图其中图 3-5（a） 、 （c）所示电路所用元件较少，结构也较简单，但是它们的驱动能力有限，不能使超声波传感器发出较大的超声波能量，只适用测量范围较小的场合使用。图 3-5（b）所示电路中使用一个了变压器，其体积较大，结构比较复杂，但是其有较强的驱动能力。而本系统设计的要求是电路结构简单，所以不予采用。图 3-5（d）所示电路选用的是常用的高速开关型的 MOSFET IRF120，其体积较小，具有很高的工作电压，导通时间比较快，导通电阻也比较小，因此比较适合使用在本系统中。经过实验证明，该驱动电路结构简单，驱动能力强，符合设计要求。所以整体发射电路如图 3-6 所示。图 3-6 整体超声波发射驱动电路图3.4 超声波接收电路接收电路中，超声波传感器将接收到的超声波能量转换成电能，但其电能非常弱小。为了满足后续信号处理的需求，必须对接收信号进行放大处理。接收部分主要由超声波接收传感器、放大电路、锁相环电路等环节组成，如图 3-7 所示。其中放大电路是一个放大倍数较高的两级运算放大器，其功能是将从被测物体反射回来的微弱信号进行整形放大后送入锁相环电路。锁相环电路再根据放大后的信13号进行检测，若检测到的信号为超声波反射回来产生的信号，就会产生脉冲信号，送入计数控制电路部分。本文采用的是常用的运算放大器 NE5532，其常用作音频电路的前置放大。图 3-7 超声波接收驱动电路图3.4.1 运算放大器 NE5532 简介NE5532 是高性能低噪声运放，与很多标准运放相似，它具有较好的低噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号放大性能与电源带宽，高信号响应速率，还具有输入保护二极管和输出短路保护。其性能指标如下：（1）小信号带宽：10MHz；（2）输出驱动能力：600，10V；（3）输入噪声电压：5nV/HZ（典型值） ；（4）DC 电压增益：50000；（5）AC 电压增益：10KHz 时 2200；（6）电源带宽：140KHz；（7）转换速率：9V/S；（8）大电源电压范围：320V。143.4.2 LM567 及锁相环电路本文设计的系统方案中，在放大电路后面还加入了锁相环电路，集成锁相环路解码器 LM567 是美国国家半导体公司生产的 56 系列集成锁相环路中的一种。其同类产品还有美国 Signetics 公司的 SE567/INE567 等。LM567 是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通信设备中的解码以及 AM、FM 信号的解调电路中。主要用于振荡、调制、解调和遥控编、译码电路。如电力线载波通信、对讲机亚音频译码、遥控等。LM567 为 8 脚直插式封装，其引脚功能和内部结构如图 3-8 所示。LM567 内部包含了两个鉴相器 PD1 及 PD2、放大器 AMP、电压控制振荡器 VCO 等单元电路。鉴相器PD1、PD2 均采用双平衡模拟乘法器电路，在输入小信号情况下(约几十毫伏)，其输出为正弦鉴相特性，而在输入大信号情况下(几百毫伏以上)，其输出转变为线性(三角)鉴相特性。锁相环路输出信号由电压控制振荡器 VCO 产生，电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件 Rt、Ct 的关系式为：Fo1/1.1Rt*Ct （3-1）图 3-8 LM567 内部结构图LM567 的工作电压范围是 4.75-9V，工作频率可达 500KHz，静态工作电流仅8mA，第 3 脚是信号输入脚，要求输入信号大于 25mA，第 8 脚是逻辑输出脚，允许最大灌电流为 100mA，第 5、6 脚外接的电阻、电容决定了 IC 内部压控振荡的中心频率。第1、2 脚通常是分别对地接电容，形成输出滤波网络和环路低通滤波网络，其中 2 脚所接电容决定锁相环的捕捉带宽，电容数值越大，环路带宽越窄。在输入信号幅度小于200mV 时，可用公式（3-2）计算，当输入信号幅度大于 200mV 之后，带宽不会再增加。15（3-2）00217%*iVBWffC式中 ,Vi 为输入信号的幅值(rms)，C2 为滤波电容的容量(单位为 F)。锁相环电路如图 3-9 所示，锁相环电路的作用是经过放大后的接收信号从 3 脚输入锁相环电路，当该信号为 40KHz，即确定为接收到的回波信号，在 8 脚上将输出低电平。而在平时 8 脚输出的是高电平，当单片机检测到该脚上的输出的电平由高到低的跳变时，将产生中断，计算出超声波从发射到接收所传播的时间。图 3-9 锁相环电路3.4.3 光电隔离电路及光耦 6N136本系统的设计思想是把本系统设计成两大部分，一部分是主机部分，由单片机电路和按键显示部分组成。另一部分是信号测量部分，由超声波发射接收部分组成。主机部分放置在地面工作的地方，测量部分则安装在车尾和车的侧边。由于两部分传输距离较远，因此在本系统中还应用了光电隔离电路。其作用是能够对单片机发出的40KHz 脉冲波进行隔离并放大，使之能够传输到较远的距离，采用的光耦是 6N136。高速光耦 6N136 是日本东芝公司生产的具有优良特性的光电耦合器件，它内部封装一个高度红外光管和光敏三级管。图 3-10 所示为 6N136 的管脚和内部结构示意图。6N136 具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与 TTL 逻辑电平兼容等优点，可用于隔离线路、开关电路、数模转换、逻辑电路、长线传输、过流保护、高压抑制、电平匹配、线性放大等方面。表 3-1 给出了 6N136 的主要性能参数。16图 3-10 6N136 结构原理图表 3-1 6N136 性能参数输入特性 输出特性 传输特性 隔离特性参数 最大工作电流正向压降输出电流工作电压传输比隔离阻抗极间耐压极间电容符号 IF VF IO VCC CTR RI-O BVS CI-O单位 mA V mA V % Vnms PF6N136 25 1.65 8 15 18 1012 2500 0.63.5 温度补偿电路从前文已知，温度对超声波速度的影响非常大，需要对测量系统进行温度补偿。本文采用的温度传感器是一线制数字集成温度传感器 DS18B20。如图 3-11 所示。17图 3-11 温度补偿电路3.5.1 数字温度传感器 DS18B20DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。可以分别在 93.75ms 和 750ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，而且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电，而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DS18B20 有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20 具有下列主要特性：(1) 独特的单线接口方式: DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。(2) 在使用中不需要任何外围元件。(3) 可用数据线供电,
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