基于單片機倒車防撞雷達的設(shè)計研究

1、基于單片機倒車防撞雷達的設(shè)計研究 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)論文題目 基于單片機倒車防撞雷達的設(shè)計研究 學(xué) 院 工程技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)電氣工程及其自動化 年 級 姓 名原志偉 指導(dǎo)教師 宋海燕 職 稱 副教授 (2021年6月)學(xué)士學(xué)位論文(設(shè)計)原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明:所提交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文研究做出過重要奉獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承當(dāng)。學(xué)位論文作者簽名(親筆): 年 月 日學(xué)士學(xué)位論文(設(shè)計)版權(quán)使用授權(quán)書專業(yè): 論文

2、(設(shè)計)題目:本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定,本科生在校攻讀期間學(xué)位論文(設(shè)計)工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬山西農(nóng)業(yè)大學(xué),同意學(xué)校保存并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱;本人授權(quán)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或局部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 畢業(yè)后發(fā)表與本研究有關(guān)的文章,作者單位署名應(yīng)為“山西農(nóng)業(yè)大學(xué),可以在備注中注明本人現(xiàn)工作單位。本研究成果的知識產(chǎn)權(quán)歸屬山西農(nóng)業(yè)大學(xué),未經(jīng)指導(dǎo)教師和山西農(nóng)業(yè)大學(xué)同意。本人不私自從事與課題有關(guān)的任何開發(fā)和盈利性活動。學(xué)位論文作者簽名(親筆): 年 月 日

3、導(dǎo)師簽名(親筆): 年 月 日畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)評 價 表指導(dǎo)教師意見 簽 字: 年 月 日評閱人意見 簽 字: 年 月 日辯論委員會意見 主任委員簽字: 年 月 日評分或評語院長簽字: 年 月 日基于單片機倒車防撞雷達的設(shè)計研究摘要 隨著我國經(jīng)濟飛速開展,越來越多的人擁有了自己的汽車,同時由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來越多。這些事故常常給駕駛員帶來許多麻煩,因此,有助于駕駛員泊車和倒車的倒車?yán)走_應(yīng)運而生。 倒車?yán)走_,是汽車泊車平安輔助裝置,能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況。本文介紹了一種利用超聲波測距原理研究的高性價比倒車?yán)走_,它可以提醒駕駛員進入警戒區(qū)域,同時進行

4、三級聲光報警。無須占用司機的視覺資源,使司機可以把全部注意力用于觀察車前及車旁的路況。超聲發(fā)射局部由89C51單片機產(chǎn)生40kHz的信號,通過CD4069驅(qū)動發(fā)射探頭;系統(tǒng)接收局部由接收探頭拾取反射回來的微弱信號,當(dāng)接收電路接收到反射信號就中斷89C51計數(shù)器停止計數(shù),從而得到超聲波從發(fā)射到接收信號的時間差。 關(guān)鍵詞:倒車?yán)走_、超聲波、單片機畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)中文摘要Based on monolithic integrated circuit back-draft anticollision radar design research修改對應(yīng)的英文文摘Abstract Along with

5、 our country economy rapid development, more and more many people had own automobile, simultaneously by parks the accident which initiates with the back-draft more and more to be also many. These accidents frequently bring many troubles to the pilot, therefore, is helpful in the pilot parks with the

6、 back-draft back-draft radar arises at the historic moment. The back-draft radar, is the automobile parks the safe auxiliary unit, can or a more direct-viewing demonstration informs around the pilot by the sound the obstacle situation, the puzzle which relieved the pilot to have parked with start ve

7、hicles when all around visits causes, and helped the pilot to clean the field of vision dead angle and the line of sight fuzzy flaw. This article introduced one kind of use ultrasonic ranging principle research the high performance-to-price ratio back-draft radar, it may remind the pilot to enter th

8、e zone of security, simultaneously carries on three levels of acousto-畢業(yè)設(shè)計說明書論文外文摘要optics to report to the police. Does not need to take driver's visual resources, enables the driver to be possible to use in the complete attention observing in front of nearby the vehicle and the vehicle state of

9、 roads. The supersonic launch part produces the 40kHz signal by the 89C51 monolithic integrated circuit, Through CD4069 actuation launch probe head; The system receive part the weak signal which reflects by the receive probe head collection, When the accepting circuit receives the reflection signal

10、to interrupt the 89C51 counter stop counting, thus obtains the ultrasonic wave from to launch to the receive signal time difference.Keywords :Reversing radar, Ultrasonic, SCM目錄1引言1 1.1 倒車?yán)走_研究的背景及意義1 1.2 國內(nèi)外倒車?yán)走_的開展現(xiàn)狀2 1.3 雷達的開展22 超聲波倒車?yán)走_的工作原理3 2.1 超聲波3 2.2 超聲波發(fā)生器4 2.3 超聲波測距原理4 2.4 超聲波測距誤差分析6 2.4.1 溫度

11、誤差6 2.4.2 時間誤差6 2.5 影響超聲波探測的因素7 2.6 如何提醒車主93 系統(tǒng)設(shè)計10 3.1 倒車?yán)走_的工作原理圖10 3.2 系統(tǒng)硬件電路原理圖114 系統(tǒng)硬件電路介紹12 4.1 AT89C51單片機12 4.2 電源局部15 4.3 放大電路17 4.4 音頻解碼電路分析18 4.4.1 LM567芯片介紹19 4.4.2 譯碼電路工作原理分析20 4.4.3 LM567在使用要注意以下幾個方面21 4.5 聲光報警電路215 系統(tǒng)軟件設(shè)計22 5.1計算超聲波傳播時間22 5.2超聲波發(fā)生子程序23 5.3超聲波接收中斷程序24參考文獻26致謝271引言1.1 倒車?yán)?/p>

12、達研究的背景及意義 隨著我國經(jīng)濟的快速開展,交通運輸車輛及私家用車的不斷增加,不可防止的交通問題瞬時成為人們關(guān)注的問題。其中由于倒車事故發(fā)生的頻率高,已引起了社會和交通部門的高度重視。倒車事故發(fā)生的原因是多方面的,造成倒車時的事故率遠(yuǎn)大于汽車前進時的事故率,尤其是非職業(yè)駕駛員以及女性更為突出。而倒車事故給車主帶來許多麻煩,不僅經(jīng)濟上,更有人身傷害,例如撞上別人的車,如果傷及兒童更是不堪設(shè)想,基于此根底,汽車高科技產(chǎn)品中,專為汽車倒車泊位設(shè)置的“倒車?yán)走_應(yīng)運而生,倒車?yán)走_的加裝可以解決司機的不少麻煩,大大降低了倒車事故的頻率。由于存在視覺盲區(qū),無法看清車后狀況,司機在倒車時很容易發(fā)生事故。為了減

13、少帶來的損失,需要有一種專門幫助司機平安倒車的裝置。目前市場上用于輔助司機倒車的裝置主要有:語音告警裝置、后視系統(tǒng)以及倒車?yán)走_等。語音告警裝置用于播放提示語以提醒車后的行人注意避讓正在倒車的汽車。這種裝置價格廉價且使用方便,缺點是只能對車后的行人起告警作用,對于其他障礙物那么不起作用,所以其應(yīng)用范圍有限。后視系統(tǒng)是由視頻捕捉裝置和視頻播放裝置組成,通過視頻司機可以很直接地看到車后的障礙物。由于這類裝置的價錢較高,目前還沒有普及。 倒車?yán)走_全稱叫“倒車防撞雷達,也叫“泊車輔助裝置,是汽車泊車平安輔助裝置,能以聲音或者后視鏡的顯示通告司機車后的狀況,解除了司機泊車和啟動車輛時前后左右探視所引起的麻

14、煩,并幫助司機解決由視覺引起的缺陷,提高駕駛的平安性。倒車?yán)走_的原理與普通雷達一樣,是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設(shè)計開發(fā)的。通過感應(yīng)裝置發(fā)出超聲波來判斷前方是否有障礙物,以及障礙物的距離、大小、方向、形狀等。只不過由于倒車?yán)走_體積大小及實用性的限制,目前其主要功能僅為判斷障礙物與車的距離,并做出提示。司機在倒車時,啟動倒車?yán)走_,在控制器的控制下,由車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波,遇到障礙物,產(chǎn)生回波信號,傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理,從而計算出車體與障礙物之間的距離,判斷出障礙物的位置,再由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號,從而使司機倒車時不至于撞上障礙物。1

15、.2 國內(nèi)外倒車?yán)走_的開展現(xiàn)狀 通常的倒車?yán)走_主要由感應(yīng)器、主機、顯示設(shè)備等三局部組成。感應(yīng)器發(fā)出和接受超聲波信號,并將接收到的信號傳輸?shù)街鳈C,再通過顯示設(shè)備顯示出來。感應(yīng)器裝在后保險杠上,以角45°輻射,檢查目標(biāo),能探索到那些低于保險杠而司機從后窗又難以看見的障礙物并報警,如花壇,蹲在車后玩耍的兒童等:顯示設(shè)備裝在儀表板上,提醒駕駛員汽車據(jù)后面物體還有多少距離,到危險距離時,蜂鳴器就開始鳴叫,提示司機停車。根據(jù)感應(yīng)器種類不同,倒車?yán)走_可分為粘貼式、鉆孔式和懸掛式等種。轉(zhuǎn)帖式感應(yīng)器后有一層膠,可直接粘在后保險杠上:鉆孔式感應(yīng)器是在保險杠上鉆一個洞,然后把感應(yīng)器嵌進去:懸掛式感應(yīng)器主要

16、用于載貨車。根據(jù)顯示設(shè)備種類不同,倒車?yán)走_又可以分為數(shù)字式、顏色式和蜂鳴式等三種。數(shù)字式顯示設(shè)備是一只如傳呼機大小的盒子,安裝在駕駛臺上,直接用數(shù)字表示汽車與后面物體的距離,并可精確到1厘米,讓駕駛員一目了然。 經(jīng)過幾年的開展,倒車?yán)走_系統(tǒng)已經(jīng)過了數(shù)代的技術(shù)改進,不管從結(jié)構(gòu)外觀上,還是從性能價格上,這幾代產(chǎn)品都各有特點,目前使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車?yán)走_這3種。1.3 雷達的開展1 第1代倒車?yán)走_ “倒車請注意!想必不少人還記得這種聲音它只能算作最早的有關(guān)于倒車的一個產(chǎn)品,不能稱為雷達,現(xiàn)在只有小局部商用車還在使用。只要駕駛員掛上倒檔,它就會響起, 提醒周圍的人注意。從某種意義

17、上說,它對駕駛員并沒有直接的幫助,根本屬于淘汰產(chǎn)品。 最初的倒車?yán)走_是蜂嗚器,它標(biāo)志著倒車?yán)走_系統(tǒng)的真正開始。倒車時,如果距車1.51.8M處有障礙物,蜂鳴器就會開始工作,蜂鳴聲越急,表示車距障礙物越近。該裝置既沒有語音提示,也沒有距離顯示,雖然駕駛員知道車后有障礙物,但不能確定障礙物距離車究竟有多遠(yuǎn)。2 第2代倒車?yán)走_ 第2代產(chǎn)品采用數(shù)碼波段顯示,可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果車后是物, 在1.8M開始顯示;如果是人,在0.9M左右的距離開始顯示。這一代產(chǎn)品有2種顯示方式, 數(shù)碼顯示產(chǎn)品直接顯示距離數(shù)字,而波段顯示產(chǎn)品由3種顏色來區(qū)別:綠色代表平安距離,表示障礙物離車體距離有0.8M以

18、上;黃色代表警告距離,表示離障礙物的距離只有0.60.8M;紅色代表危險距離,表示離障礙物只有不到0.6M的距離,必須停止倒車。第2代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起,比擬實用,但安裝在車內(nèi)不太美觀。3 第3代倒車?yán)走_ 第3代產(chǎn)品是液晶熒屏顯示,這一代產(chǎn)品較以前有一個質(zhì)的飛躍,特別是熒屏顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔,只要發(fā)動汽車,顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離。其外表美觀,可以直接粘貼在儀表盤上,安裝很方便,給人以舒適的感覺,顯示的距離也更準(zhǔn)確些。不過液晶顯示器外觀雖精巧,但靈敏度較高,抗干擾能力不強,所以誤報也較多。4 第4代倒車?yán)走_ 第4代產(chǎn)品是魔幻鏡倒車?yán)走_,它結(jié)合了

19、前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點,采用了最新仿生超聲雷達技術(shù),配以高速微機控制,可全天候準(zhǔn)確地測知2M以內(nèi)的障礙物,并以不同等級的聲音和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_把后視鏡、倒車?yán)走_、免提 、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項功能整合在一起,并設(shè)計了語音功能,其外形就是一塊倒車鏡,所以可以不占用車內(nèi)空間,直接安裝在車內(nèi)后視鏡的位置。而且顏色款式多樣,可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配,不過價格稍高。5 第5代倒車?yán)走_ 第5代產(chǎn)品是整合影音系統(tǒng),它是專為高檔轎車生產(chǎn)的,在上一代產(chǎn)品的根底上新增了很多功能,它整合了高檔轎車的影音系統(tǒng),可以在顯示器上觀看DVD影像。當(dāng)然其價格也相當(dāng)?shù)牟环啤?倒車?yán)走_的開展實際上已

20、經(jīng)融入了整車的設(shè)計,隨著技術(shù)的成熟,價格的降低,倒車?yán)走_將會逐漸普及成為標(biāo)準(zhǔn)配置。2 超聲波倒車?yán)走_的工作原理2.1 超聲波 我們知道,當(dāng)物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率,它的單位是赫茲。人類耳朵能聽到的聲波頻率為2020,000HZ。當(dāng)聲波的振動頻率大于20000HZ或小于20HZ時,我們便聽不見了。因此,我們把頻率高于20000HZ的聲波稱為“超聲波。超聲波廣泛地應(yīng)用在多種技術(shù)中。超聲波有兩個特點,一個是能量大,一個是沿直線傳播。由于超聲波也是一種聲波,超聲波在媒質(zhì)中傳播的速度和媒質(zhì)的特性有關(guān)。 聲波是物體機械振動狀態(tài)(或能量)的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)

21、點在其平衡位置附近進行的往返運動。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的,它們的共同點都是一種機械振動,通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播,是一種能量的傳播形式,其不同點是超聲頻率高,波長短,在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。超聲波具有以下的特點:1) 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 2) 超聲波可傳遞很強的能量。 3) 超聲波會產(chǎn)生反射、干預(yù)、疊加和共振現(xiàn)象。 4) 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時,可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象2.2 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲

22、波,一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu),它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)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,壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產(chǎn)生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)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(zhuǎn)換為電信號,這時它就成為超聲波接收器了。2.3 超聲波測距原理 在超聲波探

23、測電路中, 發(fā)射端輸出一系列脈沖方波, 其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔, 被測物距越遠(yuǎn), 脈沖寬度越大, 輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲波測距的方法有多種, 如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高, 但檢測范圍有限可檢測到汽車倒車中, 其障礙物與汽車的距離;聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法, 其測量原理圖如圖1所示。 圖1 超聲波測距原理圖 其原理為: 在超聲波發(fā)射器兩端輸入40KHZ 脈沖串, 脈沖信號經(jīng)過超聲波內(nèi)部振子, 振蕩產(chǎn)生機械波, 并通過空氣介質(zhì)傳播到被測面, 由被測面反射到超聲波接收器接收, 在超聲波

24、接收器兩端, 信號是毫伏級的正弦波信號, 超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間, 即為往返時間。 超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法,其中常用脈沖回波法測距。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 ,其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波, 超聲波在空氣中傳播至障礙物, 經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖, 測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間, 再乘以超聲波在空氣中的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離, 即:Lc?t/2 1 式(1)中, L為超聲傳感器與被測障礙物之間的距離, c為超聲波在介質(zhì)空氣中的傳輸速率, t為超聲波從發(fā)射到接收的時間。超聲波在空氣中的傳播速度為: , 其中T為絕對溫度數(shù)值, ,。

25、在測量精度不是很高的情況下, 一般可以認(rèn)為c為常數(shù)340m/s。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度;超聲波反射回波又很難精確捕捉,致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素是使用超聲測距引起誤差的原因。2.4 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式Lc?t/2,可知測距的誤差是由超聲波的溫度誤差、傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。2.4.1 溫度誤差 由于超聲波也是一種聲波。其聲速C與溫度有關(guān)。表1列出了幾種不同溫度下的聲速 表1聲速與溫度關(guān)系溫度-30-20-100102030100聲速米/秒313319325323338344349386 這是超聲波的溫度效應(yīng)特性,超聲

26、波的傳播速度“C可以用公式2表示:C=331.5+0.607t(m/s),式中t溫度()。因此要精確測量與某個物體之間的距離時,那么應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?.4.2 時間誤差 當(dāng)要求測距誤差小于1mm時,假設(shè)超聲波速度C344m/s 20室溫,忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s0.000002907s 即2.907ms。 在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下,測量距離的傳播時間差值精度只要在到達微秒級,就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1s的精度,因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。 對于超聲波測距

27、精度要求到達1MM時,就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當(dāng)溫度0時超聲波速度是332m/s, 30時是350m/s,溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。假設(shè)超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測量100M距離所引起的測量誤差將到達5M,測量1M誤差將到達5MM。 超聲波遇到障礙物后,一局部會反來,那么,通過計算發(fā)射出超聲波到接收到回波之間的時差,還有音速,就能算出障礙物的距離。2.5 影響超聲波探測的因素 圖2 超聲波差距示意圖 在圖2中,用一個超聲波傳感器來發(fā)射超聲波,同時它又可以接收到回波。一般使用的超聲波頻率為40KHZ。根據(jù)以上原理,所算出的障礙物距離都是指障礙物到傳感器的距離

28、。 傳感器可檢查到的角度:傳感器發(fā)射超聲波有一定的角度范圍,圖3,圖4為常用傳感器的探測角度: 圖3 水平探測角度 圖4 垂直探測角度 以上菱形區(qū)域是發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū),而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物能否被探測到,那么與以下因素有關(guān)見圖5示:1) 從物理方面的反射原理可知:超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角,因此,反射波是否能被傳感器捕捉,與反射面的角度有關(guān)。2) 反射面的大小不同,也會影響反射波的強度。3) 另外,障礙物會吸收掉一局部超聲波,反射回去的只是其中一局部,而吸收多少,反射又是多少,那么與障礙物的材質(zhì)和外表處理相關(guān)。疏松、多孔的外表較易吸收音波而導(dǎo)致反射效率較低,不易被偵測。4) 超聲波在空氣

29、中傳輸時也會衰減,所以同一個反射面,同樣的角度,距離越遠(yuǎn),發(fā)射和反射的超聲波衰減越大,越不易被測到。5) 以上幾點簡單的說,就是:角度、大小、外表材質(zhì)和距離。這些因素綜合起來,決定障礙物是否會被探測到。 圖5 超聲波探測障礙物根據(jù)以上原理可知,在以下環(huán)境下,易造成無法偵測及偵測不良之情況!1)鐵絲網(wǎng),繩索類細(xì)小物體。2)草地行車或崎嶇不平路面。3)棉質(zhì)或外表易吸收聲波之物質(zhì)。4)傳感器外表附著異物。5)同頻率40 KHz之超聲波雜音加金屬聲,高壓氣體排放聲,汽車?yán)日龑鞲衅鼬Q叫時。6)障礙物為銳角反射體,錐狀物體。2.6 如何提醒車主 倒車?yán)走_在上圖所示偵測區(qū)內(nèi)檢測到有效障礙物時,LED及系

30、統(tǒng)內(nèi)的蜂鳴器會根據(jù)障礙物的距離發(fā)出警告聲和不同的顯示方式。分為三段 如表2 這樣,用戶可以很清楚的判斷出障礙物的大概距離。表2倒車?yán)走_左中/ 右中傳感器提示方式:障礙距離LED與蜂鳴器響應(yīng)方式A段150100CM對應(yīng)方位的指示燈亮、蜂鳴器以相應(yīng)的頻率叫聲為提示B段10050CM對應(yīng)方位的指示燈亮、蜂鳴器以不同頻率的叫聲提示C段50CM以內(nèi)對應(yīng)方位指示燈全亮,并伴有閃爍以警告用戶、蜂鳴器長鳴3 系統(tǒng)設(shè)計3.1 倒車?yán)走_的工作原理圖 圖6 測距工作原理 以單片機作為主控電路元件,以12MHZ晶振作為標(biāo)準(zhǔn)脈沖振蕩電路元件,通過軟件編程實現(xiàn)40KHZ方波的產(chǎn)生,經(jīng)過放大驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生諧振,發(fā)射

31、超聲波信號,同時單片機開中斷并開始計時,超聲波信號遇到障礙物后反射回來被超聲波接收探頭接收,經(jīng)過整形濾涉及放大驅(qū)動音頻譯碼器LM567,鎖相后,該芯片8腳變?yōu)榈碗娖浇釉贗NT1上,關(guān)中斷,計時結(jié)束,根據(jù)超聲波測距原理:Lct/2,調(diào)用測距子程序,計算距離。除了設(shè)計主測距電路外還需設(shè)計好電源局部、聲光報警局部,及其接口局部,以便很好的與上位機通訊,進行實時控制。 發(fā)送的脈沖選用40KHZ的方波,這是由探頭本身的中心頻率和其頻率特性決定的,如圖2所示:在40KHZ頻率時,超聲波探頭的輸出聲壓和靈敏度值最大。 輸出超聲波的聲壓/dB 靈敏度/dB 圖7超聲波傳感器發(fā)射和接收頭的頻率特性3.2 系統(tǒng)硬

32、件電路原理圖 圖8 電路原理圖4 系統(tǒng)硬件電路介紹 圖9 電路框圖4.1 AT89C51單片機 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓,高性能CMOS 8位微處理器,俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU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,AT89C單片機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。圖片見圖5: 圖10 AT89C51管腳圖1)主要特性:與MCS-51 兼容 4K字

33、節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命:1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保存時間:10年全靜態(tài)工作:0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2)管腳說明: VCC:供電電壓。 GND:接地。 P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高。 P1口:P1

34、口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時,P1口作為第八位地址接收。P2口:P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1時,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時,P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時,P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢

35、,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口:P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下所示: 口管腳 備選功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 /INT0(外部中斷0) P3.3 /INT1(外部中斷1) P3.4 T0(記時器0外部輸入)

36、 P3.5 T1(記時器1外部輸入) P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時,要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。3) 振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件,XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器,因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。4) 芯

37、片擦除: 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合,并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫“1且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前,該操作必須被執(zhí)行。 此外,AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯,支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下,CPU停止工作。但RAM,定時器,計數(shù)器,串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下,保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個硬件復(fù)位為止。 4.2 電源局部 三端穩(wěn)壓器由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比擬放大電路、調(diào)整電路和保護電路等局部組成。下面對各局部電路作簡

38、單介紹。圖11 電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(1)啟動電路 在集成穩(wěn)壓器中,常常采用許多恒流源,當(dāng)輸入電壓VI接通后,這些恒流源難以自行導(dǎo)通,以致輸出電壓較難建立。因此,必須用啟動電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動電路由T1、T2、DZ1組成。當(dāng)輸入電壓VI高于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓時,有電流通過T1、T2,使T3基極電位上升而導(dǎo)通,同時恒流源T4、T5也工作。T4的集電極電流通過DZ2以建立起正常工作電壓,當(dāng)DZ2到達和DZ1相等的穩(wěn)壓值,整個電路進入正常工作狀態(tài),電路啟動完畢。與此同時,T2因發(fā)射結(jié)電壓為零而截止,切斷了啟動電路與放大電路的聯(lián)系,從而保證T2左邊出現(xiàn)的紋波與噪聲不致影響基

39、準(zhǔn)電壓源。(2)基準(zhǔn)電壓電路 基準(zhǔn)電壓電路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2組成,電路中的基準(zhǔn)電壓為 ? 式中VZ2為DZ2的穩(wěn)定電壓,VBE為T3、D1、D2發(fā)射結(jié)(D1、D2為由發(fā)射結(jié)構(gòu)成的二極管)的正向電壓值。在電路設(shè)計和工藝上使具有正溫度系數(shù)的R1、R2、DZ2與具有負(fù)溫度系數(shù)的T3、D1、D2發(fā)射結(jié)互相補償,可使基準(zhǔn)電壓VREF根本上不隨溫度變化。同時,對穩(wěn)壓管DZ2采用恒流源供電,從而保證基準(zhǔn)電壓不受輸入電壓波動的影響。3)取樣比擬放大電路和調(diào)整電路 這局部電路由T4T11組成,其中T10、T11組成復(fù)合調(diào)整管;R12、R13組成取樣電路;T7、T8和T6組成帶恒流源的差

40、分式放大電路;T4、T5組成的電流源作為它的有源負(fù)載。 T9、R9的作用說明如下:如果沒有T9、R9,恒流源管T5的電流IC5IC8+IB10,當(dāng)調(diào)整管滿載時IB10最大,而IC8最小;而當(dāng)負(fù)載開路時IO0,IB10也趨于零,這時IC5幾乎全部流入T8,使得IC8的變化范圍大,這比照擬放大電路來說是不允許的,為此接入由T9、R9級成的緩沖電路。當(dāng)IO減小時,IB10減小,IC8增大,待IC8增大到 0.6V時,那么T9導(dǎo)通起分流作用。這樣就減輕了T8的過多負(fù)擔(dān),使IC8的變化范圍縮小。 (4)保護電路 減流式保護電路 減流式保護電路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4組成,R11為

41、檢流電阻。保護的目的主要是使調(diào)整管(主要是T11)能在平安區(qū)以內(nèi)工作,特別要注意使它的功耗不超過額定值PCM。首先考慮一種簡單的情況。假設(shè)圖11中的DZ3、DZ4和R14不存在,R15兩端短路。這時,如果穩(wěn)壓電路工作正常,即PCPCM并且輸出電流IO在額定值以內(nèi),流過R11的電流使 IOR110.6V,T12截止。當(dāng)輸出電流急劇增加,例如輸出端短路時,輸出電流超過極限值(IOCLPCM/VI0.6V/R11)時,即當(dāng) 0.6V時,使T12管導(dǎo)通。由于它的分流作用,減小了T10的基極電流,從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護電路的缺乏之處是只能將輸出電流限制在額定值以內(nèi)。由于調(diào)整管的耗散功率PC

42、MICVCE,只有既考慮通過它的電流和它的管壓降VCE值,又使PCPCM,才能全面地進行保護。圖11中DZ3、DZ4和R14、R15所構(gòu)成的支路就是為實現(xiàn)上述保護目的而設(shè)置的。電路中如果(VI?IOR11?VO)(VZ3+ VZ4),那么DZ3、DZ4擊穿,導(dǎo)致T12管發(fā)射結(jié)承受正向電壓而導(dǎo)通。VBE12的值為 經(jīng)整理后得 顯然,(VI ?VO)越大,即調(diào)整管的VCE值越大,那么IO越小,從而使調(diào)整管的功耗限制在允許范圍內(nèi)。由于IO的減小,故上述保護稱為減流式保護。(5)過熱保護電路 電路由DZ2、T3、T14和T13組成。在常溫時,R3上的壓降僅為0.4V左右,T14、T13是截止的,對電路

43、工作沒有影響。當(dāng)某種原因(過載或環(huán)境溫升)使芯片溫度上升到某一極限值時,R3上的壓降隨DZ2的工作電壓升高而升高,而T14的發(fā)射結(jié)電壓VBE14下降,導(dǎo)致T14導(dǎo)通,T13也隨之導(dǎo)通。調(diào)整管T10的基極電流IB10被T13分流,輸出電流IO下降,從而到達過熱保護的目的。 電路中R10的作用是給T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一條分流通路,以改善溫度穩(wěn)定性。 值得指出的是:當(dāng)出現(xiàn)故障時,上述幾種保護電路是互相關(guān)聯(lián)的。4.3 放大電路 本超聲波測距電路放大局部采用雙運算放大器LM358,由于是單電源供電,需要在輸入端加直流偏置電壓,并設(shè)置適宜的靜態(tài)輸出電壓,以便能放大正負(fù)兩個方向的變

44、化信號。圖12 LM358管腳圖 LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器,適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式,在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無關(guān)。 它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特性:內(nèi)部頻率補償 直流電壓增益高約100dB 單位增益頻帶寬約1MHz 電源電壓范圍寬單電源3?32V雙電源±±15V 低功耗電流,適合于電池供電 低輸入失調(diào)電壓:2mV 共模輸入電壓范圍寬 差模輸入電壓范圍寬,等于電源電壓范圍

45、4.4 音頻解碼電路分析 集成鎖相環(huán)音頻譯碼器LM567是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的56系列集成鎖相環(huán)路中的一種,它設(shè)計精巧,電路簡潔,良好的噪聲抑制能力和中心頻率穩(wěn)定性,在各種譯碼電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 鎖相環(huán)是一個閉環(huán)的相位負(fù)反響控制系統(tǒng),它由相位檢波器,低通濾波器和壓控振蕩器三個根本部件組成:圖13 鎖相環(huán)的原理框圖 相位檢波器是一個誤差檢測元件,它比擬輸入電壓相位與VCO輸出電壓相位,并輸出一個誤差電壓,它的大小決定于兩個輸入電壓的相位差;然后,這個誤差電壓通過低通濾波器濾除高頻分量,輸出控制電壓去控制VCO輸出電壓的頻率,從而減小輸入電壓和輸出電壓之間的相位差。當(dāng)環(huán)路處于穩(wěn)態(tài)時,當(dāng)輸

46、出信號和輸入信號頻率相等時,它們的瞬時相位差為一常量;而且,假設(shè)瞬時相位差為一常量,那么輸入信號和輸出信號頻率相等,這時環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。這是鎖相環(huán)路的一個特點,用這個方法可以得到十分精確的頻率控制。電路的捕獲帶寬定義為環(huán)路能通過捕獲過程而進入鎖定狀態(tài)所允許的最大固有頻差。因此,鎖相環(huán)能夠在一定范圍內(nèi),使輸出信號和輸入信號保持固定的相位差,從而到達輸出信號頻率跟蹤輸入信號頻率的目的。4.4.1 LM567芯片介紹 鎖相環(huán)音頻譯碼采用雙列8腳直插式圖14 LM567內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖重畫這個圖 它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)由正交相位探測器、鎖相環(huán)、放大器等組成。LM567的工作電壓為4.759V,工作頻率從可

47、達500KHZ,靜態(tài)工作電流僅8mA。第3腳是信號輸入端,要求輸入信號大于25mV。第8腳是邏輯輸出端,從圖中可以看出,它是一個集電極開路的晶體管輸出,允許最大灌電流為100mA。第5、6腳外接的電阻、電容決定了IC內(nèi)部的壓控振蕩器中心頻率,FT1.1/RC。第1、2腳通常是分別對地接電容,形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路低通濾波網(wǎng)絡(luò),其中第2腳所接電容決定了鎖相環(huán)路的捕捉帶寬,電容數(shù)值越大,環(huán)路帶寬越窄。當(dāng)音頻譯碼器LM567工作時,其鎖相環(huán)內(nèi)部電壓控制振蕩器產(chǎn)生一定頻率的振蕩信號,此信號連同引腳3輸入的信號頻率一起送入正交相位探測器進行比擬,假設(shè)連續(xù)輸入的信號頻率落在給定的通頻帶時,鎖相環(huán)即將這個信

48、號鎖定,同時LM567的內(nèi)部晶體管受控導(dǎo)通,引腳8輸出端輸出低電平。LM567的引腳5輸出內(nèi)部振蕩器的矩形信號,引腳6輸出鋸齒波脈沖,二者的頻率都與內(nèi)部振蕩器的中心頻率相同。4.4.2 譯碼電路工作原理分析 其5、6腳外接的電阻RP2和電容C7決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率FT,FT×C7。2腳所接電容C8決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬,C8確實定方法是:C8 130FT RP2+10RP2 。1腳所接電容C9的容量應(yīng)至少是2腳電容的2倍。當(dāng)LM567的3腳輸入信號幅度25mV、頻率在捕捉帶寬范圍內(nèi)時,8腳由高電平變成低電平。我們可利用了LM567接收到相同頻率的載波信號后8腳輸出低電平這一

49、特性,來形成對控制對象的控制。 電路在工作時,要先將LM567的中心頻率FT調(diào)到與超聲波探頭的中心頻率F0相同,即使FT F0。超聲波接收探頭未接收到反射回來的波時,LM567的3腳輸入信號頻率不在捕捉帶寬范圍內(nèi),8腳內(nèi)部三極管截止,此時為集電極開路輸出;當(dāng)恰巧40KHZ頻率電信號被接收并放大的話,LM567的3腳輸入信號頻率便進入了捕捉范圍內(nèi),這時8腳內(nèi)部三集管導(dǎo)通,輸出變?yōu)榈碗娖健?在進行電路調(diào)試時,先使溫度到達控制點,測出多諧振蕩器輸出信號頻率F0,調(diào)節(jié)RP2使LM567的5腳信號頻率FTF0,這時8腳應(yīng)為低電平,在溫度為其它值時,8腳應(yīng)為高電平,證明電路可以正常工作。4.4.3 LM5

50、67在使用要注意以下幾個方面1 精確而適當(dāng)?shù)脑O(shè)置LM567的工作頻率和帶寬。 LM567內(nèi)部振蕩頻率FT可在0.01HZ500KHZ范圍內(nèi)預(yù)先設(shè)定,其對應(yīng)帶寬可在(10%14%)FT范圍內(nèi)按要求確定,因此要在被探測信號確定后,設(shè)置FT使它與被測信號中心頻率重合,并設(shè)置適當(dāng)帶寬。在使用時要防止5腳外接電阻的短路或斷路,否那么無論有無輸入信號,8腳都將輸出低電平。2腳外接電容可以改變捕捉帶寬,電容值越小,帶寬越寬,但不能一味的減小電容來增加帶寬,以免造成抗干擾能力下降,甚至造成誤觸發(fā),而影響電路可靠性。 2 盡可能使通頻帶中心頻率與振蕩中心頻率相重合,以提高電路可靠性和靈敏度。LM567的工作電壓要穩(wěn)定,以保證有穩(wěn)定的振蕩頻率。 3 防止輸出端在通電時誤動作。 LM567在接通電源瞬間,8腳輸出一低電平,因而可在輸出端加上延時電路,以免在通電瞬時產(chǎn)生誤動作。4.5 聲光報警電路 聲光報警是指當(dāng)探測到的距離小于或大于所設(shè)定的平安值時,發(fā)出聲音提醒人們,聲光電路設(shè)計如下圖。M3720是單聲一閃燈報警音效集成電路,芯片內(nèi)存儲一種報警音效,可直接驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲或經(jīng)外接功放三極管推動揚聲器放音,同時還能驅(qū)動一只LED閃爍。該芯片各引腳功能為:5腳VDD;1腳VSS分別為電源輸入端與負(fù)端,VDD電壓33.5V;8腳X和1腳Y分別為芯片外接振蕩電阻器;6腳TG為觸發(fā)控制端,低電平觸發(fā)有效;3腳BZ