基于超聲波防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于超聲波防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計1超聲波及其工作原理11超聲波和超聲波傳感器人耳的聽音范圍是20Hz-20KHz，超聲波是人耳聽不到的一種聲波，是一種頻率高于20KHz的聲波。通常頻率高于20KHz的超聲波不僅波長短、方向性好、能夠成射線定向傳播、縱向分辨率比較高、對色彩和光照度不敏感、對外界光線和電磁場不敏感，碰到界面就會有顯著反射，而且能在有灰塵、煙霧、有毒等各種環(huán)境中穩(wěn)定工作。這些特性都有利于選取超聲波作為媒介，測定物體的位置、距離甚至形狀等。經(jīng)綜合比較，基于超聲波的汽車防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計中，采用的是超聲波頻率為40KHz的超聲波傳感器【l-5】。111超聲波傳感器的特性1)在自身特性諧振點

2、40KHz附近可獲得較高的靈敏度：2)諧振帶寬、波束角可以通過制作控制 得很窄，有利于抗聲波干擾設(shè)計：3)不受無線電頻 譜的資源限制，易于進(jìn)行抗電磁干擾設(shè)計：4)超聲波系統(tǒng)成本低、性能穩(wěn)定，應(yīng)用前景好。112超聲波的工作原理超聲波測距的工作原理是超聲波發(fā)射探頭不斷 地發(fā)射出40KHz超聲波，遇到障礙物后反射回反射波，超聲波接收探頭接收到反射波信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦枴y出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離S。在已知速度c的情況下，求出S=Ct，2。 式子中，C為超聲波音速，由于超聲波也是聲波，故 c即為音速。音速為C=。式中，r氣體的絕熱體積系數(shù)l：p一氣體的氣壓(海平面為pa)：一氣體密

3、度(空氣為129kgm3)。對于lmol的空氣，質(zhì)量為m，體積為y，則密度=mV，故c= C= C=，對于理想氣體，有PV =RT，式中，R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度。因此，C=，由于r、R、m均為已知常數(shù)，故聲速C僅與溫度T有關(guān)，若溫度不變，則聲音在空氣中的速率與壓強無關(guān)。在O'C的空氣中，Co=331.5ms，對于任何溫度下，有CiCo=，即Ci=3315，通過對上式的實際分析得，溫度每升高1，聲速增加約為0607ms，故可以得出聲速與現(xiàn)場溫度的經(jīng)驗公式：C=3315+0607T。只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t出以及現(xiàn)場溫度T，就可以精確計算出從發(fā)射點到障礙物的距離【5-

4、8】。1.2超聲波探頭的中心頻率及主要參數(shù) 一、主要參數(shù)（1）中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測距越短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。（2）靈敏度靈敏度的單位是分貝(dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。（3）指向角 指向角是超聲波傳感器方向性的一個參數(shù)，指向角越小，方向性越強。一般為幾度至幾十度。4）工作溫度 工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫

5、度達(dá)至+290攝氏度時靈敏度可降低6。一旦達(dá)到居里溫度點(573攝氏度),就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在 -20+70攝氏度溫度范圍內(nèi)可以長期工作。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施。1.3單片機(jī)的選擇單片機(jī)是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。因此其性能將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇好的單片機(jī)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求以及總體設(shè)計思路對所選擇的單片機(jī)要求進(jìn)行進(jìn)一步的概括。本設(shè)計由于超聲波采用軟件驅(qū)動，僅需要一個定時器，一個計數(shù)器，常用的51系列單片機(jī)滿足需要。1.4其他元器件的選擇顯示部分是采

6、用七段四位數(shù)碼管，選用共陰極接法，CD4511控制段選碼，74LS138控制位選信號。發(fā)射部分超聲波探頭的選用TCT40-16TR1，相應(yīng)的信號處理元件選用TC4069、74LS138。超聲波的接收信號選用CX20106芯片處理。單片機(jī)的外圍電路元件選用11.0592MHz的晶振，報警電路選用蜂鳴器。2超聲波汽車防撞系設(shè)計21控制系統(tǒng)方框圖超聲波汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。 該系統(tǒng)全部由單片機(jī)控制，超聲波發(fā)射電路能在單片機(jī)的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，算出車尾與障礙物之間的距離，將處理結(jié)果送入顯示電路進(jìn)行顯示，再按照 技術(shù)指標(biāo)的要求由聲光報警電路進(jìn)行報警。

7、211 AT89C2051AT89C2051是美國某公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含2KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128查表的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元?；诔暡ǖ钠嚪雷矆缶到y(tǒng)的設(shè)計中，采用的是 AT89C2051單片機(jī)。212超聲波發(fā)射部分的設(shè)計超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭的型號選用 CSB40T，采用軟件發(fā)生法產(chǎn)生40Kz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭

8、產(chǎn)生超聲波，這種方法充分利用軟件，靈活性好。超聲波發(fā)送器設(shè)計圖如圖2所示。從圖2中可知，40Kz的超聲波信號是利用555時基電路振蕩產(chǎn)生的，其振蕩頻率計算公式如下：f143÷（+2)×)，將設(shè)計為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與超聲波探頭的40Kz固有頻率一致。CNT為超聲波發(fā)射控制信號，由微處理器控制。各引腳介紹： 1腳：為紅外信號輸入端。該引腳和地之間連接光電二極管，輸入阻抗約40k。2腳：為增益調(diào)節(jié)端。該引腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放

9、大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R1=4.7，C1=1F。3腳：為檢測端。該引腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3f。4腳：接地端。5腳：為帶通濾波器調(diào)整端。該引腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時，f042kHz，若取R=220k，則芯片中心頻率f038kHz。6腳：為積分端。該引腳與地之間接一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果

10、該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：為信號輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。8腳：為電源端。該引腳接電源正極，電壓為4.5V5V。213超聲波接收器的設(shè)計超聲波接收器包括超聲波接受探頭，信號放大電路及波形變換電路3部分。超聲波接收器設(shè)計圖如圖3a和圖3b所示。 按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個回波的時刻。接收電路的設(shè)計可采用通用電路來實現(xiàn)。超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減程度與距離成正比，距離越近、信號越強，距離越遠(yuǎn)、信號越弱，通常在lmv1V之間。放大電路采用單電源供電，

11、信號放大和變換采用一片LM324通用運算放大器，前三級為放大器設(shè)計，后一級為比較器設(shè)計。為滿足交流信號的需要，每一級放大器均采用電容電路進(jìn)行電平偏移，即圖3b中的C7、C9、C10和C11，容量均為10uf,實現(xiàn)單電源條件下交流信號的放大。對交流信號而言，電容為短路，前三級放大電路的放大增益均為10。實驗中發(fā)現(xiàn)，距離較近時，兩級放大的增益能輸出足夠強度的信號，在第3級有可能出現(xiàn)信號飽和，但距離較遠(yuǎn)時，必須采用三級放大電路。合理調(diào)節(jié)電位器R10，選擇比較基準(zhǔn)電壓，使測量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。實驗證明，比較參考電壓的選取非常關(guān)鍵，它與測量靈敏度、系統(tǒng)魯棒性都有關(guān)聯(lián)。選小可提高測量靈敏度，但魯棒性下降，容

12、易出現(xiàn)虛假回波被捕捉的情況，選大則情況相反。214基于DSl8820的溫度測量電路溫度測量電路基于DSl8820是是美國DALLS公司出品的數(shù)字溫度傳感器，其耐磨耐碰、體積小、使用方便、封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域?；诔暡ǖ钠嚪雷矆缶到y(tǒng)的設(shè)計中，采用的是DSl8B20數(shù)字溫度傳感器。215聲光報警電路和主機(jī)電路的設(shè)計ISDl420為美國ISD公司出品的優(yōu)質(zhì)的單片機(jī)錄放電路，由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。系統(tǒng)主機(jī)電路的設(shè)計圖如圖4所示。216軟件設(shè)計1)DSl8820的接口程序設(shè)計 DSl8820的工作協(xié)議流

13、程是，初始化一ROM操作指令 一 存儲器操作指令一數(shù)據(jù)傳輸。其工作時包括：初始化時序、寫時序和讀時序。每種工作時序都有相應(yīng)的要求【7-10】。初始化的實質(zhì)是使DSl8B20復(fù)位，主要是通過判斷存在脈沖的形式來實現(xiàn)。2)溫度補償和距離計算溫度補償是求取聲速過程中的一個必要環(huán)節(jié)。為簡化程序設(shè)計，在測距環(huán)節(jié)中，采用查表法進(jìn)行 溫度補償，其目的就是為了避開復(fù)雜的浮點數(shù)運算及浮點結(jié)果中各字節(jié)的提取操作。關(guān)鍵在于根據(jù)溫度值進(jìn)行聲速的溫度補償，得到聲速以及超聲波的發(fā)送與接收的時間差來獲取。時間差的獲取則是通過計時器的技術(shù)來實現(xiàn)，即再發(fā)射聲速后啟動定時計數(shù)，得到第一回波信號停止計數(shù)，假設(shè)時間值為2字節(jié)(單位為

14、微秒)，進(jìn)行編程。測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差出以及現(xiàn)場溫度r，即可精確 計算出從發(fā)射點到障礙物的距離。3報警電路設(shè)計 考慮到本設(shè)計的實際需求，系統(tǒng)只需提供簡單的嘀嘀聲作為報警信號即可。所以，報警電路不需要復(fù)雜的設(shè)計，只需用NPN三極管控制蜂鳴器發(fā)聲即可，具體電路如圖所示。4程序流程設(shè)計 主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能，主程序的編寫是在各個子程序的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。主程序程序指導(dǎo)各個子程序依次工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的測距功能。主程序開始時，要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化包括I/O端口的初始化、中斷的初始化、定時器的初始化等等。在初始化完成后，由定時器T0產(chǎn)生40KHz脈沖信號。由單片機(jī)P1.6端口輸出40KHz的脈

15、沖信號，由TC4069驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射40KHZ的超聲波，同時定時器T1開始計時。單片機(jī)用P1.7接收超聲波回波信號，當(dāng)接收到下降沿，即p1.7口輸入是低電平時，定時器T1計時停止。單片機(jī)開始轉(zhuǎn)入計算子距離。由單片機(jī)內(nèi)部程序決定其最終顯示距離。主程序的工作流程圖如圖所示。5結(jié)論通過試驗結(jié)果表明基于超聲波的汽車防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目的，設(shè)計合理，功能完善，能夠?qū)ζ囆旭傔^程中警示車距進(jìn)行報警，且準(zhǔn)確率高，提高了汽車駕駛的安全性。該報警系統(tǒng)具有功能多、電路簡單、操作簡便、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，其具有一定的實用價值，以及廣闊的推廣應(yīng)用前景。另外，通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，利用現(xiàn)有的實驗條件，在深

16、入理解超聲波原理的基礎(chǔ)上，提出了基于89c51單片機(jī)的防撞報警系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。選用TCT40-16型收發(fā)分體式超聲波傳感器、TC4069來設(shè)計超聲波發(fā)射電路，接收電路選用CX20106芯片。這樣，不僅外圍元件較少，電路簡單，而且具有更好的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)具有測量精確、性能穩(wěn)定、成本低廉、電路簡單實用等特點，能滿足駕駛員在實際倒車中的需求。參考文獻(xiàn)：【1】1黃繼昌傳感器工作原理及應(yīng)用實例M】北京：人民郵電出版社，1998【2】羅慶生，韓寶玲一種基于超聲波與紅外線探測技術(shù)的測距定位系統(tǒng)【J】計算機(jī)測量與控制，2005，(4)：304-306【3】HERRINGTON D RUltraso

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