基于超声波防撞报警系统的设计.docx

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基于超声波防撞报警系统的设计

基于超声波防撞报警系统的设计

1超声波及其工作原理

1．1超声波和超声波传感器

人耳的听音范围是20Hz--20KHz，超声波是人耳听不到的一种声波，是一种频率高于20KHz的声波。

通常频率高于20KHz的超声波不仅波长短、方向性好、能够成射线定向传播、纵向分辨率比较高、对色彩和光照度不敏感、对外界光线和电磁场不敏感，碰到界面就会有显著反射，而且能在有灰尘、烟雾、有毒等各种环境中稳定工作。

这些特性都有利于选取超声波作为媒介，测定物体的位置、距离甚至形状等。

经综合比较，基于超声波的汽车防撞报警系统的设计中，采用的是超声波频率为40KHz的超声波传感器【l-5】。

1．1．1超声波传感器的特性

1）在自身特性谐振点40KHz附近可获得较高的灵敏度：

2）谐振带宽、波束角可以通过制作控制得很窄，有利于抗声波干扰设计：

3）不受无线电频谱的资源限制，易于进行抗电磁干扰设计：

4）超声波系统成本低、性能稳定，应用前景好。

1．1．2超声波的工作原理

超声波测距的工作原理是超声波发射探头不断地发射出40KHz超声波，遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收探头接收到反射波信号，并将其转变为电讯号。

测出发射和接收回波的时间差△t，然后求出距离S。

在已知速度c的情况下，求出S=C△t，2。

式子中，C为超声波音速，由于超声波也是声波，故c即为音速。

音速为C=

。

式中，r—气体的绝热体积系数l：

p一气体的气压（海平面为

pa）：

一气体密度（空气为1．29kg／m3）。

对于lmol的空气，质量为m，体积为y，则密度

=m／V，故c=C=

=C=

，对于理想气体，有PV=RT，式中，R为摩尔气体常数；T为绝对温度。

因此，C=

，由于r、R、m均为已知常数，故声速C仅与温度T有关，若温度不变，则声音在空气中的速率与压强无关。

在O'C的空气中，Co=331.5m／s，对于任何温度下，有Ci／Co=

，即Ci=331．5

，通过对上式的实际分析得，温度每升高1℃，声速增加约为0．607m／s，故可以得出声速与现场温度的经验公式：

C=331．5+0．607T。

只要测得超声波发射和接收回波的时间差△t出以及现场温度T，就可以精确计算出从发射点到障碍物的距离【5-8】。

1.2超声波探头的中心频率及主要参数

一、主要参数

（1）中心频率

中心频率，即压电晶片的谐振频率。

当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。

中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。

常见超声波传感器的中心频率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。

（2）灵敏度

灵敏度的单位是分贝（dB），数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。

（3）指向角

指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。

一般为几度至几十度。

4）工作温度

工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。

以石英晶片为例，当温度达至+290摄氏度时灵敏度可降低6％。

一旦达到居里温度点（573摄氏度）,就完全丧失压电性能。

供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在-20—+70摄氏度温度范围内可以长期工作。

治疗用的超声波传感器温度较高，必须采取冷却降温措施。

1.3单片机的选择

单片机是系统软件的载体，是控制系统的核心。

因此其性能将直接影响系统的稳定性。

选择好的单片机不仅关系到系统的精度、稳定性，而且还有利于减少系统成本。

根据系统设计的要求以及总体设计思路对所选择的单片机要求进行进一步的概括。

本设计由于超声波采用软件驱动，仅需要一个定时器，一个计数器，常用的51系列单片机满足需要。

1.4其他元器件的选择

显示部分是采用七段四位数码管，选用共阴极接法，CD4511控制段选码，74LS138控制位选信号。

发射部分超声波探头的选用TCT40-16TR1，相应的信号处理元件选用TC4069、74LS138。

超声波的接收信号选用CX20106芯片处理。

单片机的外围电路元件选用11.0592MHz的晶振，报警电路选用蜂鸣器。

2超声波汽车防撞系设计

2．1控制系统方框图

超声波汽车防撞控制系统方框图如图1所示。

该系统全部由单片机控制，超声波发射电路能在单片机的控制下发出超声波。

接收电路接收到信号之后送入单片机进行处理，算出车尾与障碍物之间的距离，将处理结果送入显示电路进行显示，再按照技术指标的要求由声光报警电路进行报警。

2．1．1AT89C2051

AT89C2051是美国某公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128查表的随机存取数据存储器（RAM），器件采ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。

基于超声波的汽车防撞报警系统的设计中，采用的是AT89C2051单片机。

2．1．2超声波发射部分的设计

超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头的型号选用CSB40T，采用软件发生法产生40Kz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，这种方法充分利用软件，灵活性好。

超声波发送器设计图如图2所示。

从图2中可知，40Kz的超声波信号是利用555时基电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下：

f≈1．43÷（（

+2

）×

），将

设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与超声波探头的40Kz固有频率一致。

CNT为超声波发射控制信号，由微处理器控制。

各引脚介绍：

1脚：

为红外信号输入端。

该引脚和地之间连接光电二极管，输入阻抗约40kΩ。

2脚：

为增益调节端。

该引脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。

3脚：

为检测端。

该引脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。

4脚：

接地端。

5脚：

为带通滤波器调整端。

该引脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则芯片中心频率f0≈38kHz。

6脚：

为积分端。

该引脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：

为信号输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8脚：

为电源端。

该引脚接电源正极，电压为4.5V～5V。

2．1．3超声波接收器的设计

超声波接收器包括超声波接受探头，信号放大电路及波形变换电路3部分。

超声波接收器设计图如图3a和图3b所示。

按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。

接收电路的设计可采用通用电路来实现。

超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与距离成正比，距离越近、信号越强，距离越远、信号越弱，通常在lmv～1V之间。

放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用一片LM324通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。

为满足交流信号的需要，每一级放大器均采用电容电路进行电平偏移，即图3b中的C7、C9、C10和C11，容量均为10uf,实现单电源条件下交流信号的放大。

对交流信号而言，电容为短路，前三级放大电路的放大增益均为10。

实验中发现，距离较近时，两级放大的增益能输出足够强度的信号，在第3级有可能出现信号饱和，但距离较远时，必须采用三级放大电路。

合理调节电位器R10，选择比较基准电压，使测量更加准确和稳定。

实验证明，比较参考电压的选取非常关键，它与测量灵敏度、系统鲁棒性都有关联。

选小可提高测量灵敏度，但鲁棒性下降，容易出现虚假回波被捕捉的情况，选大则情况相反。

2．1．4基于DSl8820的温度测量电路温度测量电路

基于DSl8820是是美国DALLS公司出品的数字温度传感器，其耐磨耐碰、体积小、使用方便、封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

基于超声波的汽车防撞报警系统的设计中，采用的是DSl8B20数字温度传感器。

2．1．5声光报警电路和主机电路的设计

ISDl420为美国ISD公司出品的优质的单片机录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。

系统主机电路的设计图如图4所示。

2．1．6软件设计

1）DSl8820的接口程序设计

DSl8820的工作协议流程是，初始化一ROM操作指令一存储器操作指令一数据传输。

其工作时包括：

初始化时序、写时序和读时序。

每种工作时序都有相应的要求【7-10】。

初始化的实质是使DSl8B20复位，主要是通过判断存在脉冲的形式来实现。

2）温度补偿和距离计算

温度补偿是求取声速过程中的一个必要环节。

为简化程序设计，在测距环节中，采用查表法进行温度补偿，其目的就是为了避开复杂的浮点数运算及浮点结果中各字节的提取操作。

关键在于根据温度值进行声速的温度补偿，得到声速以及超声波的发送与接收的时间差来获取。

时间差的获取则是通过计时器的技术来实现，即再发射声速后启动定时计数，得到第一回波信号停止计数，假设时间值为2字节（单位为微秒），进行编程。

测得超声波发射和接收回波的时间差出以及现场温度r，即可精确计算出从发射点到障碍物的距离。

3报警电路设计

考虑到本设计的实际需求，系统只需提供简单的嘀嘀声作为报警信号即可。

所以，报警电路不需要复杂的设计，只需用NPN三极管控制蜂鸣器发声即可，具体电路如图所示。

4程序流程设计

主程序实现系统的功能，主程序的编写是在各个子程序的基础上实现的。

主程序程序指导各个子程序依次工作，实现系统的测距功能。

主程序开始时，要对系统进行初始化，初始化包括I/O端口的初始化、中断的初始化、定时器的初始化等等。

在初始化完成后，由定时器T0产生40KHz脉冲信号。

由单片机P1.6端口输出40KHz的脉冲信号，由TC4069驱动超声波换能器发射40KHZ的超声波，同时定时器T1开始计时。

单片机用P1.7接收超声波回波信号，当接收到下降沿，即p1.7口输入是低电平时，定时器T1计时停止。

单片机开始转入计算子距离。

由单片机内部程序决定其最终显示距离。

主程序的工作流程图如图所示。

5结论

通过试验结果表明基于超声波的汽车防撞报警系统的设计达到了预期目的，设计合理，功能完善，能够对汽车行驶过程中警示车距进行报警，且准确率高，提高了汽车驾驶的安全性。

该报警系统具有功能多、电路简单、操作简便、工作稳定等优点，其具有一定的实用价值，以及广阔的推广应用前景。

另外，通过查阅相关的文献资料，利用现有的实验条件，在深入理解超声波原理的基础上，提出了基于89c51单片机的防撞报警系统的整体设计方案。

选用TCT40-16型收发分体式超声波传感器、TC4069来设计超声波发射电路，接收电路选用CX20106芯片。

这样，不仅外围元件较少，电路简单，而且具有更好的稳定性和可靠性。

本系统具有测量精确、性能稳定、成本低廉、电路简单实用等特点，能满足驾驶员在实际倒车中的需求。

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