系统构建与硬件设计.docx

n摘 要采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险扛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，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由LED显示器和蜂鸣器声发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易，更安全。本文在查阅、分析国内外倒车雷达系统相关技术的基础上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨和研究。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系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的可视倒车雷达预警系统的测距实现原理，分析了以AT89S52单片机为主控单元的系统硬件设计，并通过系统仿真研究，验证了系统的可靠性和可行性。关键字：超声波；倒车雷达；传感器；AT89S52单片机ABSTRACTThe ultrasonic distance principle, drivers in reverse, the gears to push the car back and start against R radar, under the control of the controller, the device to carry on the rear insurance send ultrasonic probe, obstacle, sensor, echo signal after receiving echo signal controller, which calculated data processing, the distance between the body and the obstacles and obstacles, then LED by a warning signal and noise, thus make the drivers reverse not mask obstacles. The whole process, without turning and car drivers that after, parking and reverse easier, more safety.Based on the analysis of domestic consulting, reverse radar system on the basis of relevant technology, combining the latest research results of the based onultrasonic ranging back-draft radar warning system is discussed and studied. This system is divided into rangefinder module, the system control module and display alarming module, and carries on the analysis, to construct the backing of the early-warning radar system architecture and design scheme, In the hardware circuit, this paper expounds the application of visualization technology realization of location back-draft radar warning system, and analyzes the realization principle for the control unit of AT89S52 SCM system hardware and software design, and through the system simulation verified the feasibility and reliability of the system.Key words: ultrasonic sensors, radar, reversing AT89S52 SCM.目 录1 绪论自2002年以来，家用轿车成为继购房之后的又一大消费热点。据新华社报道，2003年4月份中国轿车产量高达16.69万辆，同比增长83；中国国家汽车行业“十五”规划研究组预测，2005年和2010年，全国轿车总有量将分别达到843869万辆和14231542万辆，轿车需求量为110121万辆和193220万辆；国际汽车制造商协会也在最近预测，中国今年将成为第三大汽车市场，同时也证明中国将成为全球汽车配套服务产业的第四大市场，汽车用品及服务行业正赶上历史上从未有过的空前繁荣期。另据有关专业机构统计，目前有车一族用于每辆新购汽车的平均装潢费用4500元。现在是汽车越来越多，车位越来越多，泊位越来越小，新司机越来越多，女司机越来越多，刮蹭等倒车事故越来越多，因倒车事故引发的纠纷越来越多。以上的事实及数字读起来索然无味，但却实实在在地告诉我们一种消费的趋势正在形成，一片近乎空白的市场已凸现眼前。现在汽车出厂大多都不配备倒车雷达，有安装倒车雷达的车也是和倒车雷达厂家合作生产，基于此，计划自主设计开发一种主要用于售后市场的、结构简单、制作方便、成本低廉的倒车雷达。1.1倒车雷达防撞的意义“往后倒一点，再往后，打方向盘，打多了，回一点再倒，好，停。”相信一般的车主在停车场泊位时，都会遇到车辆保管员的“热情招呼”。车技纯熟的倒也与人工提示配合默契；车技一般、方向感较差的，就经常使负责指挥的那位人士高度紧张，脾气急躁的还少不了挤兑车主几句。可是，并不是所有车主都有幸得到人工倒车指引，比如，有时回家晚了，一个人慢慢倒车，不小心还真容易磕磕碰碰，更有甚者，倒车时没注意到车后有个小孩老人什么的，后果就会比较严重。有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”因此应运而生，而且，越来越先进的产品电投放到市场中，广为人知。倒车雷达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对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，提高驾驶的安全性。1.2倒车雷达的发展过程倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统。它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。它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、倒车和启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，提高驾驶的安全性。 现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，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，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。 具体地说，倒车雷达的工作原理为：首先连接电源并打开，车辆进入倒挡时，探测器主机自动进入工作状态，同时显示器波段亮起。然后，用专用钻头在保险杠上开孔，并将探测器分别装入孔内。根据车主倒车和停车的习惯，四个探头探测器分别安装在汽车的尾部或者两侧安装两个。安装好探测器主机在适当的位置，将显示器夹在车内后视镜上，就开始正常工作。通常，倒车雷达由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。倒车雷达一般采用超声波测距原理，在控制器的控制下，由传感器发射超声波信号，当遇到障碍物时，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其他警示信号，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。在几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展。 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，现在只有小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。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。价格便宜，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1.8米1.5米处有障碍物，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1.8米开始显示；如果是人，在0.9米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，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，黄色代表警告距离，红色代表危险距离必须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观。 第四代：液晶荧屏动态显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕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。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，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2米以内的障碍物，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起，并设计了语音功能。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：整合影音系统。它在第五代产品的基础上新增了很多功能，属于第六代产品，是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，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。 目前市场上倒车雷达品牌多达二十几种，价格从上百元到一两千元不等，选购倒车雷达可以从如下方面考虑：功能、性能、外观、质量、安装、价格等。1.3本文主要内容本文的主要研究内容是汽车倒车雷达预警硬件系统的设计和实现，以及在此基础上进行系统的计算机仿真，以验证系统的可靠性和有效性。论文共分5章，各章主要内容如下：第l章绪论。包括倒车雷达的意义和发展过程。第2章系统总体方案设计。首先介绍课题的设计要求，详细介绍系统测距模块、控制模块和显示报警模块的方案设计，然后提出本系统的方案设计并分析影响超声波传感器工作的多种因素。第3章系统硬件设计。详细讨论了系统测距模块、控制模块、显示报警模块的硬件电路设计，具体讨论测距模块中的超声波发射电路设计和超声波接收电路设计。第4章仿真。通过MATLAB对该设计系统进行计算机仿真，证明该系统的可行性和稳定性。第5章总结和展望。对全文进行总结，指出不足之处，对倒车雷达预警系统的发展前景进行展望。2 系统构建与方案设计2.1系统设计要求汽车倒车雷达预警系统由三个部分组成，分别为测距部分、控制系统部分和显示报警部分。本系统的主要功能是：当车挂入倒档后，蜂鸣器发出间隔频率为1HZ的BiBi声；在汽车距障碍物距离小于0.60米时，报警指示灯亮，同时在显示屏上显示最小车距以提醒驾驶者。2.2系统构建按照系统设计要求，重点介绍硬件部分，硬件系统设计采用模块化思想。系统硬件结构分为三个主要模块：测距系统模块、控制系统模块和显示报警系统模块。并对该系统建立数学模型，对其进行了倒车仿真试验研究，以提供较为可靠的方法给驾驶者完成倒车任务。整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图2-1所示。控制系统发射模块接收模块数据显示蜂鸣器图2-1 汽车倒车雷达预警系统结构原理图各模块所完成的具体功能如下：(1)测距系统模块：针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。(2)控制系统模块：本系统以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。(3)显示报警系统模块：显示最小距离及报警以提醒驾驶员。除此之外，系统探测范围及传感器的布点对倒车也有很大的影响，如果系统探测范围及传感器的布点设置不当，那么就容易出现盲区，对汽车周围的障碍物探测不出，容易出现倒车事故。而且在有的环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况。2.3系统方案设计2.3.1测距系统方案设计目前汽车倒车雷达预警系统测距技术主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息判断前方车辆和本车间的相对距离，并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施。由于题目要求，本系统的测距模块采用的是超声波测距，其他测距方法不做过多说明。所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到16-20千赫兹（KHZ）的声波，低于16千赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。电磁波的传播速度为3×10m/s，超声波在空气中的传播速度约为340m/s(常温下)。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，并且利用超声波检测往往比较迅速、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，因而超声波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。由上述叙述可知，超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度，一般应用在汽车倒车系统上。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，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，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面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，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于压电晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。如超声波传感器，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，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。图2-2 超声波探头的结构图其原理为：在超声波发射器两端输入40KHZ脉冲串，脉冲信号经过超声波内部振子，振荡产生机械波，并通过空气介质传播到被测面，由被测面反射到超声波接收器接收，在超声波接收器两端，信号是毫伏级的正弦波信号，超声波经气体介质的传播到接收器的时间，即为往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离为声波传输距离的一半，其关系式可由公式(1-1)表示：L=CT/2 (1-1)（1-1）式中，L为待测距离，C为超波的声速，T为往返时间。采用微处理器脉冲计数的方法，可以精确地测出T的值。假设微处理器的周期为t，则T=Nt，则探测距离可由公式(1-2)表示：L=CT/2=CNt/2 （1-2）因为超声波指向性强，所以超声波对障碍物面的入射角对超声波电子倒车雷达的灵敏度影响较大。理想的情况是让超声波垂直于入射面，可最大限度地接收反射回波以避免可能使超声波电子倒车雷达失灵（进入超声测距盲区）的情况出现。图 2-3是超声波测距的原理图。超声波探头发射波反射波障碍物tV发射波反射波图2-3 超声波测距的原理图2.3.2控制系统方案设计在控制系统的方案选择上，由于整个系统的设计涉及到数据处理，控制实时性等问题，选用基于微控制器的系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩小整个系统的体积。本系统是精密实时采集传输系统，需要微控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据。所以微控制器选用Atmel公司的AT89S52单片机的控制系统。发射电路接收电路显示距离报警电路单片机控制发射传感器接收传感器图2-4 单片机控制系统AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在线可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.3.3显示报警系统方案设计显示器应用极为广泛，是一种输出设备，综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源，本设计使用三个DPY_7-SEG_DP共阴二极管显示器，由于倒车时距离障碍物的距离本来就比较近，大概在3米以内，所以一个三位的LED显示器就可以达到要求。报警装置采用的是有源蜂呜器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员。2.3.4系统探测范围及传感器布点的确定超声波传感器发射超声波有一定的角度范围，下图为常用超声波传感器的探测角度：图2-4 探测角度影响超声波探测的因素以上阴影区只是超声波传感器发射超声波的覆盖区，而覆盖区内的障碍物是否能被探测到，则与以下因素有关：1从物理学的反射原理可知：超声波的反射规律为反射角等于入射角，因此，反射波是否能被超声波传感器捕捉，与反射面的角度有关。2反射面的大小不同，也会影响反射波的强度。3另外，障碍物会吸收掉一部分超声波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，则与障碍物的材质和表面处理相关。疏松、多孔的表面较易吸收音波而导致反射效率较低，不易被侦测。4超声波在空气中传输时也会衰减，所以同一个反射面，同样的角度，距离越远，发射和反射的超声波衰减越大，越不易被测到。5以上几点简单的说就是：角度、大小、表面材质和距离这些因素综合起来，决定障碍物是否会被探测到。根据以上原理可知，在下列环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况：1铁丝网、绳索类细小物体。2于草地行车或崎岖不平路面。3棉质或表面易吸收声波之物质。4传感器表面附着异物。5同频率(40KHZ)之超声波杂音，如金属声，高压气体排放声，汽车喇叭正对传感器鸣叫时。6障碍物为锐角反射体，锥状物体。为了满足安全距离的要求，超声波传感器的最大探测范围为10米，本系统测距的范围是08米。由于汽车工作环境的恶劣和各种干扰，选择合适的传感器和在车体安装适当的位置是很重要的。根据超声波传感器的灵敏度高，可靠性和稳定性好，耐高低温，振动等特点，本系统选择超声波测距传感器UCM-T40KI、UCM-R40KI (T表示发射传感器，R表示接收传感器)，最大探测距离为10m，发射扩散角为60度。考虑到汽车的形体、行驶的需求和程序控制的输入输出点数，按设计要求，本系统在汽车尾部安装多个超声波传感器，根据一般要求装46个较合适，本系统设计成4个测量通道，具体安装在汽车两侧中后部各安装一个传感器，尾部安装两个传感器，4个距离值由单片机进行处理运算。2.4本章小结本章首先根据系统的设计要求，介绍了系统构建，然后详细阐述了系统的方案设计，对系统的三个模块：测距系统、控制系统和显示报警系统分别方案设计，确定了本系统以AT89S52单片机系统为核心，以UCM-T40KI、UCM-R40KI为超声波发射、接收器的汽车倒车雷达预警系统的方案设计并分析影响超声波传感器工作的多种因素。3 系统硬件设计本章讲述倒车雷达系统的各个模块的设计和主要元器件的介绍。包括测距系统设计(超声波发送接收系统)、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。其中，测距系统由超声波发射模块和超声波接收模块构成；控制系统设计主要对AT89S52单片机系统进行设计；显示报警系统设计差要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和静态显示电路进行设计。以下就各模块的电路图、功能及设计思路作详细说明。3.1系统硬件设计思想其硬件结构图如图3-1所示。单片机发射电路发射传感器报警电路测温电路显示电路接收电路接受传感器障碍物图3-1 系统硬件结构图40kHz的超声波发送脉冲信号由微处理器的P1.0口送出，发出一系列的脉冲群，信号经过放大，再经过驱动电路，驱动超声波发射头，使发射换能器接收高电压。其内部的压电晶片开始震动，经过换能器发出40kHz的脉冲超声波。当超声波遇到障碍物发生反射，反射波(回波)返回到超声波传感器上。反射回的正弦波信号经过放大、滤波、整形后输入单片机的INT0端，产生中断。计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲群时刻到接收回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。3.2测距系统设计测距系统模块由超声波发射与回波接收电路组成，其主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压辐值，有效地进行电声转换，增大超声波的发射距离。并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号，供单片机进行处理。超声波的传播速度一般来说只跟介质有关，相同的介质在不同的条件下传播速度会有一些不同，比如温度不同它的传播速度也不相同，由于本设计中距离障碍物的距离很近，所以必须考虑到温度对超声波传播速度的影响。3.2.1超声波发射模块电路设计发射电路的实现目的是为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。要求荡电路振荡频率可调，同时具有一定的驱动能力可以驱动超声波传感器发出超声波。振荡电路的目的是为超声波传感器提供40KHz脉冲。用555定时器组成的多谐振荡器如图所示。接通电源后，电容C被充电，当V上升到2V/3时，使V为低电平，同时放电三极管T导通。此时电容C通过R和T放电，V下降。当V下降到V/3时，V翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为t= RCln2=0.7 RC当放点结束时，T截止，V将通过R、R向电容器C充电，V由V/3上升到2V/3所需的时间为t=（R+ R）Cln2=0.7（R+ R）C当V上升到2V/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就一个周期性的矩形波。其振荡频率为f= 图3-2 震荡电路在控制信号P1.0为高电平时，此振荡电路启振，调节到R、R、C可得到40kHz左右的振荡频率。声波在空气中的传播速度受空气介质影响，距离越远，衰减越大。为能够接收远距离的回波，所以要增加驱动电路来增大功率。驱动电路的实现目的是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声波电脉冲去激励超声波发射器，由超声波发射器将电能转换为机械能。本文采用COMS芯片CD4049组成超声波驱动电路图，芯片CD4049的引脚图如图所示：13、16引出端是空脚 ，与内部电路无连接。V接地，V接9V电压。图3-3 CD4049引脚图为了增加驱动能力，把3个非门并列起来。要求6个非门都来自同一个芯片上，以保证信号的上升沿和下降沿的同步。在非门输出的两端直接接上一个电容是为了防止直流直接加载在超声波发射器上而导致其损坏。其电路图如图3-4所示：测距系统所用的超声波探头UCM-T40KI在频率40KHz，幅值9V(可调)的电压驱动下，各种性能达到最佳，所以通过单片机AT89S52的P10管脚输出脉冲信号给振荡电路。由振荡电路发出40KHz的脉冲信号给驱动电路。由于单片机AT89S52的P1口的输出电压只有5V，其驱动能力达不到要求，所以用一个CMOS芯片CD4069来驱动超声波传感器的发射探头发射超声波。它的工作原理是：几个非门并接，即可提供较大的驱动功率，而且到达发射器两端的信号是反向的，使得超声波的发射器得到足够的能量。图3-4 CD4069芯片组成超声波驱动电路3.2.2超声波接收模块电路设计因为超声波测距只用于近距离，当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号相对也比较微弱。因此接收端应先设置一个放大电路，然后通过检波电路对其输出信号进行解调，最后把检波输出的信号送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入单片机的INT0中断口，产生中断，停止计时，在进行数据处理运算。其过程如图所示：+5V+5V+5V-5V-5V-5V图3-5 接收电路信号变化关系图如上图所示：微弱信号-放大信号-整形信号(1)放大电路的设计放大电路的目的：把超声波探头接收到的微弱信号进行放大。为了提高抗干扰性，滤波电路要针对40 kHz信号进行高带通滤波，并对该频率信号进行放大增益。如图：图3-6 运放构成接收电路图电路由集成运放A1、A2构成二级放大电路，R、C为无源滤波网络，二极管、R9为检波网络。在回波信号的放大过程中，由于干扰信号的存在，为避免将干扰信号放大而产生回波误识别，必须将干扰信号去除，即回波信号放大过程中必须设计带通滤波器，只对有效频带内的超声波信号进行选择放大。滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而把此频率范围以外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内时，可使用滤波器有效的抑制干扰。由于超声波回波信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因此，本系统采用RC无源滤波方式，用于微弱回波信号的放大。集成运放主要是把所得到的有用信号进行一定倍数的放大。由二极管和电容组成的检波网络的主要功能是通过二阶带通滤波网络，检测到系统所需要的40KHZ频率信号。(2)比较电路的设计比较电路的目的：将放大电路放大、滤波得到的40KHZ频率信号整形成能为单片机的INT0口辨识的脉冲信号，也就是将正弦波整形成方波。采用集成电压比较器LM393来实现这一功能，LM393的内部结构如图：图3-7 LM393的内部结构如图在本文中只用一组比较器，另一组比较器的三个管脚必须接地，V接9V电压，GND接地。由LM393构成的比较电路如图所示：图3-8 LM393构成比较电路如图所示，放大后的信号由LM393第2脚进入，由于R2电阻可调，即根据输入的信号可以调节滞回电压。可以有效地防止干扰。LM393是+9V(可调)供电，需要在输出端口接上一个上拉电阻10K，该电阻由+5V供电，将+9V高电平拉低到+5V高电平，供单片机INT0端口识别。3.2.3测温电路设计超声波的传播速度一般来说只跟介质有关，相同的介质在不同的条件下传播速度会有一些不同，比如温度不同它的传播速度也不相同，由于本设计中距离障碍物的距离很近，所以必须考虑到温度对超声波传播速度的影响。 超声波是一种能量传播。一般来说，传播的距离大或是速度慢，能量消耗就大，倘若声波的能量全部消耗在传播途中或是声波改变方向，那么超声波探头就接受不到信号了。而声波传播的速度与弹性介质的种类和状况关系极大，通常说的声速每秒340米，其传播介质是15的标准空气。事实上，我们身边的空气是不可能“标准”的，它的状况与各种气象要素的组合（也就是天气的状况）密不可分。 研究表明，声音的传播速度与温度是成正比的，温度越高,空气中分子密度越小,而空气作为声音传播介质,那么声音传播速度会有所增强。反之温度越低,空气中分子密度越大,而空气作为声音传播介质,那么声音传播速度会有所减小。声波与速度的关系，如表3-1所示。表3-1 声波与速度的关系温度速度m/s温度速度m/s温度速度m/s0331.417341.8343521332.118342.435352.62332.61934336353.23332.820343.637353.8433421344.238354.45334.622344.8393556335.223345.440355.67335.82434641356.28336.425346.642356.8933726347.243357.410337.627347.84435811338.228348.445358.612338.82934946359.213339.430349.647359.81434031350.248360.415340.632350.84936116341.233351.450361.6通过超声波的声速与温度的理论分析，设计温度测量电路。（1）DSl8B20简介DSl8B20是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，他具有独特的单线总线接口方式。它体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结。它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根I/O线。DS18B20的供电方式有两种：寄生供电和外部电源。寄生供电就是从DQ数据获取电源，采用这种方式供电时，需要V接地，这种供电方式可能使得DQ线没有足够的驱动能力，因此本文使用的是第二种供电方式，即将V直接接外部电源（35.5V）。DSl8B20的管脚图如下图所示：DSl8B201 2 3GNDDQVCC图3-9 DSl8B20的管脚图DQ为数据输入输出端，GND接地，V接高电平，同时接10k的上拉电阻以增加该IO的驱动能力。图3-10 测温电路电路图3.3控制系统设计控制系统是整个系统的核心，一切命令的发出、接受、处理、数据运算都是在这部分中完成的。3.3.1 AT89S52单片机最小系统设计AT89S52单片机最小系统由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。一般包括晶振电路和复位电路。晶振电路：每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。复位电路目的：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环。图3-11 单片机最小系统电路图AT89S52单片机在高温环境中稳定性好。AT89S52单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用使形成用于产生超声波的40KHZ信号、形成必要的时序、控制LCD字符的显示、控制继电器通断以及对采集到的数据进行运算。AT89S52单片机各个引脚分布如图所示，P10为控制超声波发射；INT0为接收超声波回波信号；X1和X2为单片机自身的12MHZ晶振；RESET是复位信号； P21接温度传感器DS18B20，测量温度，实时计算出距离；P00一P07引脚对应LED显示器，控制LED显示器的写入字符；TXD、RXD引脚控制写入下载程序；P20引脚输出报警信号；当距离达到限定值就启动蜂鸣器，开始呜