#超声波测距倒车雷达方案选择说明.docx

1、#超声波测距倒车雷达方案选择说明方案选择说明超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是集成电路的成本很高，并且没有显示操作使用不方便。本文介绍AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。实际证明该仪器工作稳定，性能良好。系统总体方案的设计本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统原理框图，如图1所示。整个系统由单片机AT89S52控制，超声波传感器采用收发分体式，分别是一支超声波发射

2、换能器TCT4016T和一支超声波接收换能器TCT4016R。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后，输入单片机的INT0脚产生中断，计算中间经历的时间，同时再根据具体的温度计算相应的声速，根据式(2)就可得出相应的距离用来显示，当然在一些场合也可根据需要，设置距离报警值。倒车报警器主要依据是超声波测距，以AT89S51单片机为核心设计出方案1超声波测距原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温

3、度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应用通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距的机理。 表1 声速与温度关系表温度（C）-30-20-100102030100声速（米/秒）3133193253233383443493862AT89S52的功能特点 AT89S52是一个4K字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供一个高度灵活有效的解决方案，AT89S52具有以下特点

4、：4K字节的EPROM，128字节RAM、32根I/O口线、2个16位定时器/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向串行口、并且内含精密模拟比较器和片内扩展器，具有4。25V至5。5V的电压工作范围和12MHZ/24MHZ的工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟等。此外，AT89S52还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM，定时/计数器、串行口和中断系继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停止以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。AT89S52有2个16位计时/计数器寄存器T0、T1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样

5、寄存器即可计数机器周期。因此，可以对外部的输入端P3。2/INT0和P3。3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。充分利用AT89S51的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。3.超声波发射部分超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT4016T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电

6、路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT4016T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图2所示。图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。4.超声波接收部分上述TCT4016T发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT4016R进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0

7、)引脚，以产生一个中断。接收部分的电路，如图3所示可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为3060 kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整

8、到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40 kHz，就可达到理想的效果。5.其他主要电路(1)温度测量部分。由于声音的速度在不同的温度下有所不同，为提高系统的精度，采用了温度补偿功能。这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将DS18

9、B20数据线与单片机的P1.1口相连，就可以实现温度测量，如图4所示。(2)LCD显示部分。本设计显示部分采用字符型TC1602液晶显示所测距离值。TC1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，与数码管相比，显得更专业、美观。使用时，可将P0与LCD的数据线相连，P2口与LCD的控制线相连，如图5所示。其中，TC1602第4脚RS为寄存器选择，第5脚RW为读写信号线，第6脚E为使能端。第714脚：D0D7为8位双向数据线。这里要注意的是，为了布线方便，单片机端的D0D7是接到LCD602的D1D0，正好相反，因此在编写软件时需要做

10、处理，使读取正确。(3)报警部分。采用一个蜂鸣器，由P1.2输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管9 012的放大。报警部分的连线，如图6所示。(4)电源电路：220 V经9 V变压器降压后，再经D1D4桥式整流和7 805稳压后给电路各部分供电。(5)晶振电路：采用12 MHz的晶振。系统硬件电路设计电路图如下一张所示AT89S52通过外部引脚P1。6输出脉冲宽度为250us，载波为40KHZ的10个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，P1。7输入一个高电平启动，给电容C4充电。发射结束时高电平翻转为低电平，C4开始对R2、

11、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪音放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正端。发射时P1。7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。超声波测距原理，我们必须测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可算出距离，再在LCD上显示出来。当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。限制系统大测距离存在的四个因素：超声波的幅度，反射的质地，反射而和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的

12、可测距离。系统软件设计AT89S52单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可直接控制计算机硬件，生成质量高、使用方便等诸多优点。超声波测距仪就是用AT89S51单片机开发设计的。它采用模块计，由主程序、发射子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。软件分为两部分：主程序和中断服务程序，流程图如图2 所示。主程序完成初始化工作及超声波发射和接收控制。中断服务程序包括定时中断服务子程序和外部中断服务子程序，分别完成超声波的发射、距离计算及显示报警等工作。 图2 测距报警系统程序流程图测试结果 当距离大于2m 时，绿灯闪亮，显示距离；当距离小于1m 时，红灯闪亮，由端口RB2 驱动蜂鸣器报警，显示距离；当距离介于2m 和1m之间时，红灯闪亮，显示距离。为提高抗干扰能力，系统连续发射超声波，测量三次，从中剔除最大最小值，取中间值计算出距离。