超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計(共35頁)

1、南 陽 理 工 學 院本科生畢業(yè)設計(b y sh j)(論文)學 院： 電子(dinz)與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生： 睢 豐 指導(zhdo)教師 ： 尉 喬 南 完成日期 2013 年 5 月南陽理工學院本科生畢業(yè)設計(b y sh j)（論文）超聲波倒車(do ch)雷達系統(tǒng)的設計Design of Ultrasonic Reversing Radar System總 計： 29 頁表 格： 1 個插 圖： 18 幅南 陽 理 工 學 院 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文(lnwn)）超聲波倒車雷達系統(tǒng)(xtng)的設計Design of Ultrasonic Re

2、versing Radar System學 院： 電子(dinz)與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： 睢豐 學 號： 1109614050 指 導 教 師（職稱）： 尉喬南（講師） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學院Nanyang Institute of Technology超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 III超聲波倒車雷達(lid)系統(tǒng)的設計電氣工程及其自動化專業(yè)(zhuny) 睢豐摘 要基于超聲波測距的汽車倒車雷達系統(tǒng)是在充分理解(lji)了超聲波測距原理的基礎上提出的。工作時，超聲波傳感器發(fā)出脈沖信號，經障礙物反射后由超聲波接收裝置接收并送至單片機

3、處理，可實現倒車時障礙物距離的實時監(jiān)測并通過語音報警提示駕駛員。本設計是以AT89C51單片機為主控制器的超聲波倒車雷達系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)射和接收部分、單片機處理部分、LCD顯示部分和語音報警部分等硬件系統(tǒng)以及軟件程序設計。關鍵詞倒車雷達；單片機控制；超聲波測距；語音報警Design of Ultrasonic Reversing Radar SystemElectrical Engineering and Automation Specialty SUI FengAbstract:Based on the ultrasonic distance measurement principle,t

4、his text put forward a design scheme of car reversing radar system based on ultrasonic distance measurement. Ultrasonic sensor sends a pulse signal when it is working,and the ultrasonic receiving decive send the reflected signal by the obstacle to the MCU,this system could achieve Real-time monitori

5、ng of the Obstacle distance when reversing and prompt the driver by voice alarm.The overall design of ultrasonic reversing radar system based on the AT89C51 single chip as main controller was detailed introduced,include Ultrasonic transmitting and receiving part,MCU processing part,display by LCD, V

6、oice Alarm part and its programming in the software.Keywords:Reversing radar; single chip microprocessor; ultrasonic distance measurement; voice alarm目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc356506114 1 引言(ynyn) 1 引言(ynyn)倒車，是每位駕駛員都必須掌握的技能，如同前行一樣需要小心謹慎，每年都有倒車引起事故的報道，輕則對自己的車和他人的財物造成損傷，重則可能危及人的性命，尤其是對兒童危害較

7、大，他們(t men)體型較小，僅從后視鏡來獲取視野指導倒車仍有可能會對讓們造成傷害?，F如今后視鏡已越來越不能滿足人們安全倒車的需求了。據初步調查統(tǒng)計，15的汽車事故是由汽車倒車后視不良造成的。因此，人們對汽車倒車操縱的便捷性提出了更高的要求，希望有種裝置能夠解決汽車倒車給駕駛員們帶來的不便，消除安全隱患。由此，專為汽車倒車泊位設置的倒車雷達應運而生。倒車雷達是汽車倒車停車時的安全輔助裝置，能夠以聲音或者直觀的顯示來告知駕駛員駕駛車輛周圍障礙物的情況，幫助駕駛員解決泊車倒車時前后左右探視所引起的困擾。超聲波倒車雷達系統(tǒng)一般由超聲波傳感器、控制器和報警裝置等部分組成?，F如今市場上的倒車雷達大多采

8、用超聲波測距原理，駕駛員在倒車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制下，由超聲波探頭發(fā)送超聲波，在遇到障礙物后產生回波信號，傳感器接收到回波信號后經處理器進行數據處理，判斷出障礙物的位置，通過(tnggu)聲音、數據、圖像等形式為駕駛員提供信息和警示來告知駕駛員周圍情況，從而使駕駛員倒車時做到心中有數，提高了駕駛的安全性。1.1 倒車雷達的研究現狀及發(fā)展趨勢經過多年的發(fā)展，倒車雷達設計及應用都發(fā)生了質的變化。日本、美國和歐洲等國的大汽車公司都投入了相當的人力、物力，采用先進的毫米波雷達、CCD攝像機、GPS和高檔微機等制成安全預警系統(tǒng)，使用在其所開發(fā)的高級汽車上。據海外媒體報道，戴姆勒-克萊斯勒公司

9、日前成功開發(fā)出供商用車(尤指卡車)使用的電子剎車系統(tǒng)，它與其他剎車系統(tǒng)的區(qū)別在于，其在卡車車頭設有雷達感應器，感應器在車前觀察四周環(huán)境，并將所有收集的信息交由一控制器進行處理，形成一虛擬景象，再借助演算法的輔助來判斷所發(fā)生狀況是否需要利用剎車。未來兩三年內這種新型剎車系統(tǒng)即可量產上市，但價格昂貴，其過高的成本限制了它應用的普遍性。在底特律國際車展上，通用公司的Precept概念車裝了Donnelly公司生產的以攝像機為基礎的后視鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)用一個內后視鏡和兩個外后視鏡采集汽車周圍的景象，三個景象合成一個全景圖像在中控臺的視屏上顯示出來，還用文字說明來傳達信息。攝像機也可在倒車時使用，當車后近

10、處有消火栓等障礙物時，就及時讓駕駛員知曉。我國倒車雷達從2000年開始起步，從最初只是奔馳、寶馬等高檔車的專利，發(fā)展到現在成為許多轎車的標準配置。經過多年的發(fā)展，倒車雷達系統(tǒng)已經歷經了六代技術改良，不管從結構外觀上還是性能價格上，這六代產品都各有特點。使用較多的是數碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車雷達這三種。迄今為止，國內外許多學者均著眼于測距傳感器的研究。通常的倒車雷達主要由感應器、主機、顯示設備等三部分組成。在日新月異的科學技術發(fā)展的背景下，倒車雷達系統(tǒng)也會隨著計算機技術等的發(fā)展而不斷創(chuàng)新，向著智能化、可視化、集成化的方向發(fā)展，逐漸將各個功能集中在一起，實現了一套硬件設備可以完成多項功能。倒車

11、雷達的集成化就是將倒車雷達的可視化、LCD顯示、超聲波測距、語音報警等功能集成在一起，組成了真正意義上的硬件系統(tǒng)。在今后的發(fā)展中，我們依然可以將倒車雷達、車載導航，車載音頻等系統(tǒng)集成在一起，組成一個更為廣泛的集成化系統(tǒng)。1.2 設計主要(zhyo)內容為避免汽車在倒車過程(guchng)中發(fā)生事故，本文設計了一種基于AT89C51單片機的超聲波倒車雷達系統(tǒng)。介紹了超聲波測距的基本原理，闡述了倒車雷達系統(tǒng)的結構組成、硬件(yn jin)電路設計以及軟件設計。倒車距離通過語音報警電路對不同距離段做出不同的語音提示。該系統(tǒng)由單片機控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路以及語音報警電路等幾部分組成。

12、AT89C51單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調各部分電路的工作。單片機在超聲波信號發(fā)射的同時開始計時，超聲波信號在空氣中傳播，在遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號經過處理后輸入到單片機的外部中斷口發(fā)生中斷，單片機停止計時。通過單片機可得到超聲波信號往返所需要的時間，再結合當地聲速即可求得車體與障礙物之間的距離。超聲波傳感器選用CSB40T(R)超聲波傳感器，諧振頻率為40KHz；超聲波發(fā)射電路包括超聲波發(fā)射器、驅動電路等組成；超聲波接收電路包括集成電路CX20106A及外圍電路組成；語音報警電路采用語音芯片ISD4004，可實現汽車倒車過程中的分段語音報警功能。2 系統(tǒng)的總體設計方案及理論基

13、礎2.1 總體設計方案本設計的應用背景是基于AT89C51的超聲信號檢測的。因此初步計劃在實驗室內小范圍的測試。超聲波發(fā)射儀發(fā)出短暫的40KHz信號，反射后的超聲波經超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，單片機對此信號進行技術判斷處理后，把相應的計算結果送到LED顯示電路顯示，并進行語音報警。系統(tǒng)硬件部分主要由單片機控制電路、超聲波發(fā)射和接收電路、超聲波接收電路、LCD顯示電路以及語音報警電路等幾部分組成。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)應用軟件由C語言編寫，程序采用模塊化設計思想，可對各子程序分別進行設計和調試，然后將調試好的子程序塊鏈接起來進行統(tǒng)調。系統(tǒng)軟件模塊劃分為主程序模塊、超聲

14、波測距模塊和語音報警模塊等幾大功能模塊。圖1 系統(tǒng)(xtng)總體結構框圖2.2 超聲波測距理論(lln)分析2.2.1 超聲波測距原理(yunl)一般來說，頻率在20Hz-20KHz之間能為人耳所聽到的機械波稱為聲波；頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波；高于20KHz的機械波稱為超聲波；而高于100MHz的機械波則稱之為特超聲波。超聲波由于其為直線傳播，反射能力強且在液體、固體中傳播衰減很小，穿透力強等特性，使其在實際生活中得到廣泛應用。假如聲波在介質中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。超

15、聲波測距就是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出超聲波傳輸的往返時間,然后求出聲波傳播距離。其關系式如公式（1）： （1）式中：S為待測距離；c為超聲波在空氣介質中的傳播速度；t為往返時間。2.2.2 超聲波測距精度分析(1) 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析采用壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率40KHz，忽略脈沖電路硬件產生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數規(guī)律，超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 所以，超聲波回波的幅值在傳播

16、過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接收時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產生影響。(2)當地聲速對測量精度的影響分析當地聲速對超聲波測距測量精度的影響也比較大。超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響如式（2）1： （2）由上式知，在空氣中，當地聲速只決定于氣體的溫度，在實際情況(qngkung)下溫度每上升或者下降 1，聲速將增加或者(huzh)減少 0.607m/s。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當地聲速。假定(jidng)超聲波速度C=344m/s(20

17、室溫)，忽略聲速的傳播誤差。則測距誤差 0.000 002 907s，即2.907ms。即在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用12 MHz 晶體作時鐘基準的AT89C51 單片機定時器能方便的計數到1s 的精度，因此系統(tǒng)采用AT89C51 的定時器能保證在20室溫下時間誤差在1mm的測量范圍內。在實際生產應用中，提高精度的關鍵在于準確得到當地的溫度數據?？刹捎脺囟葌鞲衅鳒y得當地溫度，并在軟件中實現溫度補償，本文不再贅述。2.3 超聲波傳感器2.3.1 超聲波傳感器的原理及結構要利用超聲波進行測距，首先要研究超聲波傳

18、感器的工作原理。超聲波傳感器是利用超聲波作為信息傳遞媒介的傳感器，它是一種將其它形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其它形式的能的器件?？傮w上講，超聲波傳感器可以分為兩大類：一類是使用電氣方式產生超聲波；另一類是使用機械方式產生超聲波。壓電式傳感器屬于電聲型超聲波傳感器，一般采用雙壓電陶瓷芯片制成，需用的壓電材料較少，價格低廉且非常適用于氣體和液體介質中。它是利用壓電材料的正、逆壓電效應來工作的，在壓電陶瓷芯片上加有一定頻率的電壓脈沖，芯片就會產生同頻率的機械振動。這種振動在介質中的傳播，便會產生超聲波。反之，如在壓電陶瓷芯片上有超聲波作用，將會使其產生機械變形，這種機械變

19、形使壓電陶瓷芯片產生頻率與超聲波相同的電信號2。圖2 超聲波傳感器結構示意圖圖2為超聲波傳感器的結構示意圖，其內部結構由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網構成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。2.3.2 超聲波傳感器的應用(yngyng)超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面，它在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病(jbng)，已經成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、

20、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息(qio w shn x)”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。2.2.3 超聲波傳感器的主要性能指標超聲波傳感器按收發(fā)方式一般可分為兩類：一類是發(fā)送和接收是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測距有效范圍比較大，但

21、不具備防塵防水功能；另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如TR40-16，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測距范圍比較小，防塵、防水性能好。根據本設計所處的環(huán)境要求，本系統(tǒng)選用的超聲波傳感器為分體式超聲波傳感器CSB40T(R)，該型號探頭各項參數為：頻率為 40KHz，阻抗500，靈敏度為 103dB(min)，帶寬在 -3dB 時為 1.5K，角度最大值為 (-6dB)，靜電容 200010%PF，最大驅動電壓 150Vp-p(10%工作周期)，回波靈敏度為 -70dB(min)，聲壓電平 0dB=1uvolt/bar3。3 系統(tǒng)的硬件設計本章主要內容

22、是具體分析系統(tǒng)的硬件實現。整個系統(tǒng)以性能較好的AT89C51單片機為核心，控制超聲波傳感器的收發(fā)，并測算距離，同時根據倒車距離段的不同進行分段語音報警。硬件部分實現分四部分來闡述：第一是以AT89C51單片機為核心的主控系統(tǒng)電路；第二是超聲波發(fā)射和接收電路；第三是顯示電路；第四是語音報警電路。3.1 單片機主控系統(tǒng)電路設計3.1.1 單片機選擇AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CP

23、U和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3所示4。圖3 AT89C51外形(wi xn)及引腳排列圖5l系列(xli)單片機提供以下功能：4 kB存儲器；256 BRAM；32條I/O線；2個16b定時(dn sh)/計數器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：此時CPU停止工作，而讓RAM、定時/計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決

24、辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。3.1.2 電源電路在一般家用中小型汽車內部的電瓶為12V，單片機所需電壓為5V，語音芯片所需電壓為3.3V。所以本系統(tǒng)的電源電路主要由一個AC-DC的+12V電源適配器、兩個三端穩(wěn)壓塊（LM7805、LM1117-3.3）、一些濾波電容等組成，輸出+5V電壓5。電源電路如圖4所示。圖4 系統(tǒng)(xtng)電源電路圖3.1.3 復位(f wi)電路在單片機引用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當由于程序運行出錯(ch cu)或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。所以，系統(tǒng)的復

25、位電路必須準確、可靠的工作。在時鐘電路工作后，只要在單片機的RET引腳上出現24個時鐘震蕩脈沖以上的高電平，單片機便實現初始化狀態(tài)復位。為了保證應用系統(tǒng)可靠的復位，在設計復位電路時，通常使RET保持高電平，則單片機就循環(huán)復位。系統(tǒng)的復位電路如圖5所示。圖5 系統(tǒng)復位電路3.1.4 時鐘(shzhng)電路時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現，電路應在唯一的時鐘信號控制(kngzh)下嚴格地按時序進行工作。該時鐘電路(dinl)由兩個電容和一個晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸

26、入端，這個放大器構成了片內振蕩器。輸出端為引腳X2，在芯片的外部通過這兩個引腳接晶體振蕩器和微調電容，形成反饋電路，構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。時鐘電路如圖6所示。圖6 系統(tǒng)時鐘電路3.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路包括超聲波產生電路和超聲波發(fā)射電路兩個部分，超聲波探頭選用壓電式，發(fā)射超聲波需要在超聲波振蕩器的外接電路兩端產生振蕩，超聲波發(fā)射探頭才能夠發(fā)射超聲波。首先利用軟件編程的方法在單片機的一個接口產生頻率為40KHz的方波信號，然后在經過超聲波的發(fā)射電路產生超聲波6。 超聲波發(fā)射電路如圖7所示，脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用AT89C51的P1.0口發(fā)射40 KHz的方波信號，經過74LS0

27、4放大后輸出到超聲波換能器，產生超聲波。74LS04是一個高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉換時間，功耗小。超聲波發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器構成，本系統(tǒng)將單片機P1.0端口輸出的40KHz方波信號分成兩路，一路經一級74LS04反向放大后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級74LS04反向放大后送到超聲波換能器的另一個電極，從而構成推拉式反向放大。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力，上拉電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增

28、加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志7。圖7 超聲波發(fā)射(fsh)電路3.3 超聲波檢測(jin c)接收電路3.3.1集成電路(jchng-dinl)CX201

29、06A集成電路CX20106A是一款紅外接收的專用芯片，廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。實驗證明，其具有較高的靈敏度和較強的抗干擾的能力。CX20106A芯片(國內同類產品型號為D20106A)是日本索尼公司生產的用于檢測紅外線的專用芯片，常作為家用電器的紅外遙控接收器。常用的載波頻率38KHz與測距的40KHz較為相近，可以利用它來做接收電路。CX20106A芯片采用8腳單列直插式塑料超小型封裝，+5v供電，內部含可前置放大、自動偏置、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路。其主要功能是從38KHz 紅外載波信號中，將編碼信號解調出來，并加以放大和整形

30、，然后再送到微處理器(CPU)進行處理8。CX20106A是CX20106的改進型，二者之間的主要差別在于電參數略有不同，CX20106A多用于超聲波測試。CX20106A芯片簡單易用，電路簡單，減少了生產調試的麻煩。7引腳連接單片機的外部中斷，沒有接收到回波時，輸出為高電平，當收到回波后立即變?yōu)榈碗娖?。CX20106A的引腳連接說明如表1所示。表1 CX20106A的引腳說明引腳符號說明引腳1-IN超聲波信號輸入端，接超聲波接收探頭，用來檢驗超聲波回波信號。引腳2-C1引腳與地之間串聯(lián)一個由電阻和電容組成的RC 網絡，改變電容或電阻中的一個，即可改變前置放大器的增益和頻率特性。本文RC參數為

31、R1=4.7，C1=1F。引腳3C2連接檢波電容，檢波方式為平均值檢波。本文超聲波測距對靈敏度要求相對較高，因此，電容參數取3.3F。引腳4GND接地端引腳5F0與電源間接入一個電阻，以確定帶通濾波器中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。本文超聲波的頻率為40kHz，取R=210k引腳6C3與地之間接一個積分電容，一般情況下，標準值為330pF。引腳7OUT信號輸出端，接一個22k上拉電阻到電源端引腳8Vcc電源端，接+5V電壓3.3.2 超聲波接收(jishu)電路超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形(b xn)變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，關鍵(g

32、unjin)是頻率要一致，本設計采用與發(fā)射端同型號的CSB40R壓電式超聲波傳感器。由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經放大電路進行放大9。超聲波接收電路如圖8所示，采用CX20106A集成電路作為接收電路的核心，接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適的幅值；再經過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實現準確的計時。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強時放大器不會過載；其帶通濾波器中心頻率可由芯片5腳的外接電阻調節(jié)，不需

33、要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時，使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。當接收到40KHz信號后，芯片7腳會出現較短的低電平，接入單片機便可以使單片機產生中斷。圖8 超聲波檢測(jin c)接收電路3.4 顯示(xinsh)電路本系統(tǒng)中的顯示(xinsh)部分采用1602LCD液晶顯示。LCD1602的操作簡單、編程方便，且電路簡單，顯示更加直觀、清晰。它顯示的內容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。內含復位電路，并且提供各種控制命令，如：清屏、

34、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能有80字節(jié)顯示數據存儲器DDRAM。具體接口如圖9所示，其7-14管腳分別與單片機的P0.0-0.7腳相連，RS、RW、EN分別為寄存器選擇、讀寫信號選擇和使能端。圖9 顯示接口電路3.5 語音報警(bo jng)電路本系統(tǒng)采用ISD4004語音芯片進行語音報警電路的設計，音質好，可實現分段錄放，能達到本系統(tǒng)的要求。語音電路的主要作用是在汽車倒車過程(guchng)中，為駕駛員提供人性化的語音提示，可以使駕駛員在不分神的情況下，得知汽車與障礙物之間的距離，使倒車順利完成。3.5.1 語音(yyn)芯片選擇ISD4004 系列工作電壓3.3V，音質好，適用于

35、移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片采用 CMOS 技術，片內集成了時鐘振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、傳聲器前置放大器、自動靜噪電路、高密度多電平閃爍存儲陣列、模擬收發(fā)器、驅動控制電路、差動音頻放大器電源控制等單元功能模塊。ISD4004與普通的錄音/重放芯片相比，有如下特點10：（1）單片8至16分鐘語音錄放；（2）高質量、自然的語音還原技術；記錄的聲音沒有段長度的限制；（3）快速閃存作為存儲介質，語音數據斷電不丟失，可保存100年，允許反復錄音10萬次；（4）接口簡單，SPI接口提供全部數據和控制操作；（5）3.3V 單電源供電，工作電流為2530mA，維持電流為1A。3.5.2 IS

36、D4004語音芯片的引腳定義ISD4004采用28腳的SOIC雙列直插式封裝，其引腳定義如圖10所示。圖10 ISD4004語音芯片的引腳排列ISD4004各引腳功能如下：(1) 電源(VCCA，VCCD)：VCCA和VCCD接3.3V電源。 (2) 地線(VSSA，VSSD)：VSSA和VSSD接地。 (3) 同相模擬(mn)輸入端(ANA IN+)：錄音信號的同相輸入(shr)端，輸入放大器可用單端或差分電路驅動的方式。 (4) 反相模擬(mn)輸入端(ANA IN-)：當采用差分驅動電路時，該引腳是錄音信號的反相輸入端。 (5) 音頻輸出(AUD OUT)：提供音頻輸出，可驅動5k的負載

37、。 (6) 片選(/SS)：該引腳為低電平時，即選通該片ISD4004，并向其發(fā)送指令，在兩條指令之間該引腳為高電平狀態(tài)。 (7) 串行輸入(MOSI)：該引腳為ISD4004語音芯片的串行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前的半個周期將數據傳送到該引腳，供ISD4004語音芯片輸入。 (8) 串行輸出(MISO)：該引腳為ISD4004語音芯片的串行輸出端。當 ISD4004語音芯片未被選中時，該引腳呈高阻狀態(tài)。 (9) 串行時鐘(SCLK)：該引腳為ISD4004語音芯片的串行時鐘輸入端，由主控制器產生串行時鐘，用于同步控制MOSI和MISO的數據輸入/輸出。在SCLK的上升沿時，數據被

38、鎖存到ISD4004語音芯片中，在SCLK的下降沿，數據則移出ISD4004語音芯片。 (10) 中斷(/INT)：本端為漏極開路輸出。ISD在任何操作(包括快進)中檢測到EOM 或OVF 時，本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用RINT 指令讀取。OVF 標志指示ISD的錄、放操作已到達存儲器的未尾。EOM 標志只在放音中檢測到內部的EOM 標志時，此狀態(tài)位才置1。 (11) 行地址時鐘(RAC)：漏極開路輸出，每個RAC周期表示 ISD4004內部存儲器陣列的操作進行了一行(ISD4004語音芯片中的存儲器一共有2400行)。該信號保持高電平的時間為175m

39、s，低電平時間為25ms。在快進模式，RAC可保持高電平109.38s，低電平15.63s。該端可用于ISD4004語音芯片的存儲管理技術。(12) 外部時鐘(XCLK)：在不外接時鐘時，該引腳必須接地。 (13) 自動靜噪(AM CAP)：當錄音信號電平下降到內部設定的某一閾值以下時，ISD4004語音芯片的自動靜噪功能可令錄音信號衰減，這樣有助于減小靜音時的噪聲。通常，該引腳對地接一只1uF的電容器，構成ISD4004語音芯片內部信號電平峰值檢測電路的一部分11。3.5.3 ISD4004與單片機的接口電路ISD4004和AT89C51單片機的連接較少。單片機的P2.1口接ISD4004的

40、片選引腳/SS，控制 ISD4004 是否選通；P2.0接ISD4004的串行輸入引腳MOSI，從該引腳讀入錄放音的地址；P2.3接ISD4004的溢出中斷INT；P2.2接ISD4004的串行時鐘引腳 SLCK。單片機的P2.4接錄音按鈕S，按下時對ISD4004進行錄音操作；P2.5接放音按鈕，按下時對ISD4004進行放音操作；P2.6接STOP按鈕，用來對芯片進行復位。圖11 ISD4004與單片機的接口(ji ku)電路本系統(tǒng)ISD4004與單片機的接口(ji ku)電路如上圖11所示。ISD4004語音芯片所需要的連接還有音頻信號輸出引腳 AUD OUT，該引腳通過一個濾波電容，經

41、低壓音頻功率放大器LM386后與喇叭相連；MIC接ISD4004的錄音信號輸入端（ANA IN、ANA IN）；AM CAP為自動(zdng)靜音端，使用時通過一個1F電容接地12。此外，要注意的是 ISD4004 的工作電壓為 3.3V，而LM386的工作電壓為 5V。本系統(tǒng)ISD4004與單片機的接口電路如圖10所示。汽車在倒車過程中，語音報警電路根據倒車的距離段不同進行不同的語音提示。當倒車距離大于2米時，語音提示為“請放心倒車”；當倒車距離為 2 米時，語音提示為“2 米，2 米”；當倒車距離為 1 米時，語音提示為“1 米，1 米”；當倒車距離小于等于 0.5 米時，語音提示為“危險

42、，緊急停車”。另外，語音報警電路專門設置了電源開關 S2，如果駕駛員喜歡安靜，不希望被語音提示打擾，則可以關閉語音報警功能。4 系統(tǒng)的軟件設計倒車雷達系統(tǒng)各項功能的實現，離不開軟件的支持，本章主要介紹在系統(tǒng)硬件設計基礎上的系統(tǒng)軟件設計。本系統(tǒng)的軟件設計將主程序分為若干個功能模塊，然后對各個功能模塊分別進行程序設計，最后將所有模塊組合起來成為整個倒車雷達系統(tǒng)的軟件部分。本章將對本系統(tǒng)的軟件實現進行闡述。4.1 軟件設計的要求(yoqi)本系統(tǒng)(xtng)的設計要求是利用超聲波測距原理設計一個車用的倒車雷達。要求通過設計能夠(nnggu)測出車與障礙物的距離，并能在距離小于2m的時候開始根據設定值

43、進行語音報警。超聲波倒車雷達系統(tǒng)的軟件對總體設計主要包括：（1）主程序，包括系統(tǒng)的初始化以及各子程序的調度管理等部分。（2）超聲波測距程序模塊，包括超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序以及距離計算子程序等部分。（3）語音報警程序模塊，包括ISD4004錄音子程序、放音子程序以及停止子程序等部分組成。4.2 主程序設計主程序是單片機程序的主體，整個單片機端系統(tǒng)軟件的功能的實現都是在其中完成的，主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，然后調用超聲波發(fā)射子程序送出超聲波脈沖，打開外部中斷0接收返回的超聲波信號13。如果有回波接收到則利用聲速進行距離計算，并送到顯示程序顯示，同時選擇語音播報地址，最后播報語音和顯示

44、所測距離。主流程框圖如圖12所示。 圖12 主程序流程圖 圖13 計算距離子程序4.3 超聲波測距模塊(m kui)設計4.3.1 距離(jl)計算子程序由本文(bnwn)第二章所介紹的超聲波測距的算法公式可知，距離計算子程序設計的關鍵在于得到當地聲速，以及從超聲波發(fā)射到接收的時間差的獲取。在實驗室條件下（20）超聲波在空氣中的傳播數的約為344m/s，可得發(fā)射點距離障礙物之間的距離為式（3）： (3)在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0端產生一個中斷請求信號，

45、單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離14。在實驗室情況下可認為聲速是基本不變的，如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。在程序設計中還應注意到晶振頻率為12MHz，機器周期就為1us,所測得時間無需換算，所以根據公式4-1算出來的距離即如式（4）（cm）所示： (4)計算得公式（5）： (5)距離計算子程序流程圖如圖13所示。4.3.2 超聲波發(fā)送和接收程序超聲波發(fā)射子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把定時器T0打開進行計時。主程序利用為中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲

46、波信號（INT0引腳出現低電平），立即進入中斷程序，并立即關閉計時器T0停止計時。如果當計時器溢出是還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關閉。超聲波發(fā)射程序比較簡單，主要包括T1中斷服務程序和超聲波接收中斷服務程序。其中部分源程序如下：void time1() interrupt 3 P1_0=P1_0; void int0( ) interrupt 0t=(TH0*256+TL0);/計算高電平持續(xù)的時間TR1=0;TH0=0;TL0=0;4.4 ISD4004語音報警(bo jng)程序設計ISD4004語音報警程序主要是對測得的距離信號進行查詢，準確判斷(pndun)

47、距離信息是否有效，并可靠查找信息所對應的語音存儲地址(dzh)，取出信息進行實時播報。4.4.1 錄音放音時序及操作流程ISD4004 在延時 TPUD(8KHz 采樣時，約為 25ms)后才能開始操作。因此，用戶發(fā)完上電指令后，必須等待 TPUD，才能發(fā)出一條操作指令。單片機向 ISD4004 發(fā)送錄音指令后，ISD4004 的 ANA IN 引腳就將語音數據存儲到 ISD4004 指定的內部存儲器里。錄音操作流程如圖14所示。 單片機向 ISD4004 發(fā)送放音指令后，ISD4004 就從指定的內部存儲器里讀出數據并通過 ANA OUT 引腳輸出語音數據。放音操作流程如圖15所示15。 圖

48、14 錄音操作流程圖 圖15 放音操作流程4.4.2 語音報警(bo jng)主程序設計本系統(tǒng)采用分段語音報警來提示駕駛員。語音提示內容共分4段，分別存儲在 ISD4004 的不同(b tn)地址范圍內。這4段語音分別為：（1）請放心倒車；（2）2 米，2 米；（3）1 米，1 米；（4）危險，緊急停車。語音報警模塊的主程序流程圖如圖16所示。圖16 語音報警(bo jng)模塊主程序流程圖5 系統(tǒng)的仿真調試5.1 系統(tǒng)仿真調試內容對系統(tǒng)的調試包括對系統(tǒng)的硬件調試和軟件調試。首先，要在Proteus軟件中對電路進行仿真調試，這需要同所編寫程序下載聯(lián)機仿真。利用Keil uVision4對實驗程

49、序進行編譯，軟件調試開發(fā)環(huán)境如圖17所示。編譯調試成功后可將程序下載到Proteus中硬件電路中的單片機調試運行?？梢愿鶕嶋H情況修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。圖17 軟件開發(fā)環(huán)境(hunjng)界面如圖18為Proteus部分仿真運行圖，由仿真電路(dinl)可以測得距離并顯示。系統(tǒng)調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。圖18 Proteus仿真(fn zhn)運行圖5.2 實驗的誤差(wch)分析本系統(tǒng)在實驗(shyn)測距的過程中，不可避免地會存在測量誤差。產生測量誤差的主要原因如

50、下16：（1）超聲波傳播速度(sd)的影響。準確的得到超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，超聲波在空氣中傳播的速度會受到溫度、濕度、大氣壓力等因素的影響。對于測距而言，引起超聲波傳播速度變化的主要原因是溫度的變化。但在本實驗中，設定的環(huán)境條件是在實驗室內，室溫20下的聲波平均速度344m/s，而這個聲速定會與當地的實際超聲波傳播速度有偏差，這樣就會造成測量誤差。（2）超聲波回波時間測定的影響。為了防止其他信號的干擾，提高測量的可靠性，超聲波傳感器常常一次發(fā)射的是多個超聲波脈沖串。實際測量時，接收電路接收到的往往不是第一個回波的過零觸發(fā)。這樣，最終測得的時間則與實際距離所對應的時間不同，從而

51、造成了超聲波回波時間引起測量誤差。（3）測量盲區(qū)的影響。超聲波傳感器安裝在汽車尾部的保險杠上，當障礙物不在超聲波發(fā)射的幾何角度上，就會產生測量盲區(qū)。在測量盲區(qū)內不能實現正常測距，測量誤差很大。此外，在程序指令運行過程中需要占用一定的時間以及環(huán)境中的干擾因素等都會引起測量誤差。結束語本文所設計的超聲波倒車雷達系統(tǒng)是一種保證汽車安全的輔助泊車系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中通過AT89C51單片機的引腳發(fā)出40KHz的脈沖，經超聲波探頭反射出超聲波，使用高速單片機計算測量車與障礙物之間的往返時間然后再通過公式計算出車與障礙物的距離，當測得的距離小于設定值時由揚聲器發(fā)出語音報警提示，根據具體距離數據進行語音提示，在

52、報警過程中可使用按鍵關閉報警。該超聲波倒車雷達系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠(nnggu)滿足一般近距離測距要求，具有(jyu)電路設計簡單，且成本低、有良好(lingho)的性價比，測量精度比較高等優(yōu)點，而其最大的優(yōu)勢在于硬件電路中加入了ISD4004語音芯片，可以對測量距離進行實時語音提示，使駕駛員更直觀的了解倒車狀態(tài)。但是由于時間精力和個人能力有限，本系統(tǒng)設計還有很多不足。所以如若使用在實際生產中還應在以下幾個方面進一步探討： （1） 如何將溫度對聲速的影響降到最低。（2） 如何對非平面物體和傾斜物體進行準確測距。（3） 如何減小測距盲區(qū)。（4） 如何進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復性。參考文獻1 馮若

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57、令，兩條指令之間為高電平sbit isd4004_int=P23;/ISD4004溢出，當為0時為溢出sbit record_key=P24;/定義控制錄音的按鍵sbit play_key=P25;/定義控制放音的按鍵sbit addr_key=P26; void delay_50us(unsigned int t);/延時50*T微妙函數(hnsh)的聲明void delay_3us();/3US的延時程序(chngx)void send_isd4004(unsigned char value);/向ISD4004發(fā)送數據void isd4004_stopmode();/向ISD4004發(fā)送

58、(f sn)0X30，讓ISD4004停止工作void isd4004_powerdown();/向ISD4004發(fā)送0X10,使ISD4004發(fā)送數void isd4004_powerup();/向ISD4004發(fā)送0X20,使ISD4004上電 void isd4004_play();/放音void play_deal();/放音處理unsigned char flag1=0,flag2=0,flag3=0,flag4=0,addr_flag=0,addr; void play_deal() isd4004_int=1; if(isd4004_int=1) play_key=1; if(play_key=0) switch (flag2) case 0: isd4004_play(); flag2=1; flag1=0; break; case 1: isd4004_stopmode(); isd4004_powerdown(