超声波测距倒车雷达方案选择说明.doc

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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换能器TCT40－16T和一支超声波接收换能器TCT40－16R.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
—10
0
10
20
30
100
声速（米/秒）
313
319
325
323
338
344
349
386
2．AT89S52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：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TCT40－16T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TCT40－16T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TCT40－16T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TCT40－16R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)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30～60 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DS18B20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7～14脚：D0~D7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D0～D7是接到LCD／602的D1～D0，正好相反，因此在编写软件时需要做处理，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D1～D4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、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。