汽车倒车系统中超声波测距模块的设计
基于超声波检测的倒车雷达的设计
基于超声波检测的倒车雷达的设计摘要：倒车时容易发生事故，因此开发出一种基于超声波检测的倒车雷达系统。
该系统通过发送超声波信号并接收其回波来检测后方的障碍物。
本文详细介绍了这种基于超声波检测的倒车雷达的设计原理和步骤。
一、引言随着交通工具的普及，倒车事故日益增多。
为了避免这些事故的发生，倒车雷达应运而生。
倒车雷达通过使用超声波检测技术来检测后方的障碍物，并向驾驶员提供警告信号，以减少事故的发生。
二、设计原理基于超声波检测的倒车雷达系统包括传感器、控制电路和显示器。
传感器用于发送超声波信号并接收其回波。
控制电路用于处理接收到的信号，并根据信号的强度来判断障碍物的位置和距离。
显示器用于向驾驶员显示检测结果。
三、设计步骤1.硬件设计：选择合适的传感器、控制电路和显示器。
传感器需要能够发射和接收超声波信号，控制电路需要能够处理接收到的信号，并根据信号的强度来判断障碍物的位置和距离，显示器需要能够向驾驶员显示检测结果。
2.电路连接：将传感器、控制电路和显示器连接起来，确保它们能够正常工作。
3.系统编程：编写程序来控制传感器的工作，并对接收到的信号进行处理。
程序应能够根据接收到的信号强度来确定障碍物的位置和距离，并向显示器发送相应的警告信息。
4.系统测试：对设计的倒车雷达系统进行测试，确保它能够正常工作并提供准确的检测结果。
四、设计考虑1.传感器选择：选择适用于倒车雷达系统的超声波传感器。
传感器应具有较高的灵敏度和稳定性，能够正常工作在车辆倒车时的环境下。
2.电路设计：设计一个合适的控制电路来处理传感器接收到的信号，并根据信号的强度来判断障碍物的位置和距离。
3.数据处理：根据接收到的信号强度，将其转换成可读的距离信息，并向驾驶员提供警告信息。
4.系统可靠性：确保设计的倒车雷达系统能够在各种环境条件下正常工作，并提供准确的检测结果。
五、结论。
超声测距—汽车倒车雷达的设计
特此申明。
本人签名：
2013年06月09日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：超声测距—汽车倒车雷达的设计
系部：电子工程系专业：通信工程学号：
学生：指导教师（含职称）：专业负责人：
1．设计（论文）的主要任务及目标
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
关键词：AT89C2051，超声波，数码管，汽车倒车
Cract
This designusesthe ultrasonic ranging, can be used for car parking safety auxiliary devices, to sound and more ocular LED display told the driver of the car around obstacles, lifting the driver in the parking and starting vehicles around when visiting caused the trouble, and help eliminate the vision blind Angle and the driver of sight fuzzy defects, improve the safety car parking.
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
倒车防撞超声波测距器的设计(开题PPT)
倒车防撞超声波测距器的设计
主要任务目标
本设计实现基于单片机的倒车防撞超声波测距器 的设计，采用自上向下的模块化方法，将超声波 测距器系统按功能划分为单片机系统、显示电路、 超声波发射电路和超声波检测接收电路组成。 本设计单片机采用89C51单片机，采用c语言和汇 编语言混合编程，软件编写包括超声测距算法、 主程序、超声波发生子程序和超声波接收子程序 组成。硬件部分主要包括超声波发射电路和超声 波接受电路以及显示电路。
选题依据
随着科技的迅猛发展，越来越多的科技成 果被广泛的运用到人们的生活，生产和研 究等领域。特别是近几十年来对电子技术， 检测技术以及材料的研究，使得各种检测 与测量技术有了较大的发展。 在日常生活中，对于司机，汽车倒车防撞 是十分重要的，在倒车过程中的不留神， 很有可能使汽车受到伤害，所以制作一个 汽车倒车防撞报警系统具有重要的意义， 利用对超声波探测器探头作为对象进行分 析讨论来说明如何进行超声波汽车倒车的 防撞报警。
课题设计的内容
设计一个超声波测距仪，可应用于汽车倒 车以及工业现场的位置的监控，要求测量 范围在0.1---4.0米，测量精度3CM，测量时 与被测量物体无直接接触，能够显示测量 结果。
设计方案
本设计所研究的超声波测距仪利用超声波指向性 强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，即用 超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发 射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候 反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超 声波时，停止计时。设超声波在空气中的传播速 度为V，在空气中的传播时间为T，汽车与障碍物 的距离为S，S=VT/2，这样可以测出汽车与障碍 物之间的距离，然后在LED显示屏上显示出来。
汽车倒车测距仪的设计与实现
摘要随着科学技术的发展，超声波的应用领域越来越广泛。
本文利用超声波在空气中传输的时间差采用STC89C52单片机控制及数据处理设计出了能精确测量距离的汽车倒车测距仪，利用此设备，能比较精确德测量车后障碍物距离。
在查阅并研究国内外相关资料的基础上，对超声波测距进行了深入的探讨研究，指出了设计测距仪的思路和所需考虑的问题，给出了实现超声波测距方案的软、硬件设计。
本系统分为系统控制模块、超声波测距模块和液晶显示模块。
本文首先对系统的设计思路和不同方案进行全面的分析，筛选出最佳设计方案，后半部分通过运用理论分析和电路设计等研究手段，完成了单片机汽车倒车测距仪硬件和软件的设计。
论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。
最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。
通过具体的实验显示出该系统对有限距离的测量具有较高的精度，实现了倒车提示和距离报警功能，其主要技术指标达到了系统设计要求，并通过系统仿真研究,验证了系统的可靠性。
关键词：超声波单片机测距AbstractWith the development of science and technology, there are more and more extensive applications of ultrasound.In this paper, ultrasonic wave in the air transport of the time difference with C8051F MCU control and data processing designs that can accurately measure the distance ultrasonic range finder, the use of use of this equipment, can more accurately measure the rear obstacle distance.In the inspection and study abroad on the basis of relevant information on ultrasonic ranging study conducted in-depth research, that the design ideas and rangefinder issues need to be considered, given the program to achieve ultrasonic ranging hardware and softwaredesign. The system is divided into system control module, ultrasonic distance measuring module and LCD module.Firstly, the system design ideas and a comprehensive analysis of different options, selected the best design, the second half by Theoretical analysis and circuit design research tools, completed a single chip car parking ranger hardware and software design.This paper introduces the system software architecture, system functions through programming.Finally, the system error analysis, given the system's improvement program.Through specific experiments show that the finite distance measuring system with high precision to achieve the reverse prompt and distance alarm function, its main technical indicators have reached the system design requirements and simulation of the system to verify the reliability of the systemand feasibility.Key words: U ltrasound MCU Ranging目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究背景 (1)1.2 课题研究意义 (1)1.3 汽车倒车测距仪的发展史 (1)第2章总体方案设计 (3)2.1 方案论证 (3)2.1.1 超声波测距的原理 (3)2.1.2 系统方案论证 (3)2.2 总体方案设计 (3)2.2.1 系统的功能介绍 (3)2.2.2系统设计要求 (3)2.2.3 总体思路框图 (4)第3章硬件模块设计 (5)3.1 超声波模块 (5)3.1.1 超声波发展史 (5)3.1.2 超声波的概念 (5)3.1.3 超声波的应用领域 (6)3.1.4 超声波的特点 (6)3.1.5 超声波模块说明 (6)3.1.6 超声波探头介绍 (8)3.1.7 超声波电路设计 (9)3.1.8 超声波测距的优越性 (10)3.2 控制模块 (11)3.2.1 STC89C52单片机的主要性能参数 (11)3.2.2单片机STC89C52的特性 (11)3.2.3 单片机复位电路 (13)3.2.4 单片机晶振电路 (15)3.2.5 单片机的选择 (16)3.3 显示与报警模块 (17)3.3.1 液晶显示原理 (17)3.3.2 主要技术参数 (17)3.3.3 引脚说明 (17)3.3.4 LCD1602液晶显示的优越性 (18)3.3.5 报警模块 (20)第4章软件设计 (21)4.1 总体流程图 (21)4.2 初始化模块 (22)4.3 程序初始化模块 (23)4.4 测距模块 (23)4.5 显示模块 (25)第5章程序调试 (26)5.1 K eil μVision2 的简单介绍与使用 (26)5.1.1 Keil的简单介绍 (26)5.2 下载软件STC_ISP_V480的使用 (30)5.3 Protel软件介绍 (31)5.3.1 Protel软件简介 (31)5.3.2 Protel软件的特色 (32)5.4 程序调试 (32)5.5 实验误差分析及改进 (33)5.5.1 实验结果 (33)5.5.2 误差分析 (33)5.5.3 设计的改进 (34)第6章结论及展望 (35)参考文献 (36)致谢 (37)附录 (38)附录A 外文资料及译文 (38)附录B 电路原理图及印刷电路图 (48)附录C 主要程序清单 (49)石家庄铁道大学毕业设计第1章绪论1.1 课题研究背景随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。
汽车倒车测距仪设计
汽车倒车测距仪的设计
摘要
汽车倒车雷达是针对当前公路、街道、停车场、车库等愈来愈拥堵，加上存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，乃至发生事故的情形而显现的一种旨在倒车防护的汽车防撞系统。
该系统能够在汽车以较低的速度进行倒车的进程中，识别出车后部的障碍物，并能够测量车与障碍物之间的距离，在车辆与障碍物发生碰撞前，发作声光报警，提示司机刹车。
本设计从实验研究分析的角度，分析了超声波测距原理和国内外此类汽车倒车雷达存在的问题，提出了目前最简单、有效的一种倒车雷达实现方案，即基于成都国腾微电子公司GM3101倒车雷达芯片为核心的超声波测距倒车雷达,该芯片功能集成度高，外围只需接上超声波传感器和功率器件就能够够实现整个系统功能，也不需要软件编程。
同时设计中围绕目前呼声很高的汽车电器网络化实现，提出倒车雷达数据基于新型总线XY-CN BUS 的传递方案。
系统设计中采纳了模块设计思想，简化了调试工作量，最终专门好完成了超声波测距倒车雷达系统的硬件设计、软件设计及系统调试。
关键词：汽车倒车雷达超声波 GM3101芯片 XY-CNBUS 汽车电器网络化。
倒车系统超声波测距仪设计-任务书
黄河科技学院本科毕业设计任务书信息工程学院电子与通信工程系电子信息工程专业级普本1 班学号1403020007 学生杨肖飞指导教师王玉巧毕业设计题目倒车系统超声波测距仪设计毕业设计工作内容与基本要求一、背景和意义随着汽车的普及，越来越多的家庭拥有了汽车。
交通拥挤状况也随之出现，撞车事件也是经常发生，人们在享受汽车带来的乐趣和方便的同时，更加注重的是汽车的安全性，许多“追尾”事故都与车距有着密切的关系。
为了解决这个安全问题，设计一种汽车测距防撞报警系统势在必行。
二、目标和任务解超声波测距的原理，对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。
根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。
对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，从而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。
具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED显示电路。
三、途径和方法硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。
单片机采用AT89S51，系统晶振采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动四、主要参考资料[1]沈晋明,等.室内空气品质的新定义与新风直接入室的实验测试[J].暖通空调,1995(6).16~18.[2]国家环境保护局.空气和废气监测分析方法[M].中国环境科学出版社,1990.11~16.[3]陈尚芹.环境污染物监测[M].冶金工业出版社,1999.23~28.[4]马学童.室内空气品质监控系统的开发与研制[D].西北工业大学硕士论文,2002.20~34.[5]王化祥.传感器原理与应用[M].天津:天津大学出版社,1998.18~27.[6]邬宽明.单片机外围器件实用手册.数据传输接口器件分册[M].北京航空航天大学出版社,1998.35~38.五、技术要求1．要求学生具有一定的电子设计与制作方面的理论知识，熟悉集成电路的引脚安排；掌握各芯片的逻辑功能及使用方法；了解面包板结构及其接线方法。
超声波测距汽车倒车防撞雷达设计
目录 ? 摘要 1 ? 关键词 11，引言 3 1．1 倒车雷达研究的背景及意义 31．2 国内外倒车雷达的发展现状 32，超声波测距 42.1 超声波测距的基本原理 42.1.1 认识超声波 52.1.2 利用超声波测距 52.2 超声波倒车雷达系统工作原理 52.2.1 系统工作原理框图 63，超声波倒车雷达的芯片选择 63.1 单片机控制芯片 63.2 超声波发送和接收芯片 63.3 声光报警电路芯片 63.4 测温电路芯片 64，超声波倒车雷达硬件设计 74.1 超声波倒车雷达的工作原理 74.2 超声波发射电路 84.3 超声波接收电路 94.4 声光报警电路 104.5 测温电路 104.6 显示电路 104.7 电源电路 105，软件设计 115.1 系统程序的设计 115.2.1 超声波倒车雷达的算法设计 125.2.2 主程序 135.2.3 超声波发生子程序 185.2.4 超声波接收中断程序 185.2.5 显示子程序 196，结束语 197，致谢8，参考文献题目：基于超声波测距汽车倒车防撞雷达随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。
这些事故常常给驾驶员带来许多的麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。
倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车俩时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷。
本文介绍了以AT89C2051单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统，该倒车雷达根据超声波测距原理研制，采用温度补偿技术、开机自检技术和优化的软硬件技术，将测得的结果送至数码管显示，同时进行三级声光报警。
驾驶员只需坐在驾驶室就能做到心里有数，极大的提高了泊车和倒车时的安全和效率。
基于单片机的超声波测距倒车雷达设计毕业设计
基于单片机的超声波测距倒车雷达设计摘要随着我国经济飞速进展，愈来愈多的人拥有了自己的汽车，同时由停车和倒车所引发的事故也愈来愈多。
这些事故常常给驾驶员带来许多麻烦，因此，有助于驾驶员停车和倒车的倒车雷达应运而生。
倒车雷达，是汽车停车平安辅助装置，能以声音或更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情形。
本文设计了一种利用超声波测距原理研究的高性价比倒车雷达，它能够提示驾驶员进入警戒区域，同时进行声光报警。
不必占用司机的视觉资源，使司性能够把全数注意力用于观看车前及车旁的路况。
超声发射部份由AT89C51单片机产生10us的高电平信号，触发测距模块；系统接收部份由接收探头拾取反射回来的信号，当接收电路接收到反射信号就中断AT89C51计数器停止计数，从而取得超声波从发射到接收信号的时刻差，进而计算出车与后方障碍物之间的距离，指导司机平安倒车。
关键词：倒车雷达，超声波，单片机，声光报警The design of Ultrasonic ranging reverse radar based onSinglechipAbstractAlong with the rapid development of economy of our country, more and more people have their own cars, as well as the parking and reversing the accident caused will be increasingly. These accidents often bring many troubles to drivers, so, the reverse radar of help drivers parking and of reversing arise at the historic moment. Reverse radar, the automobile parking safety auxiliary devices, more intuitive to told the driver of around obstacles by voice or display. This paper designs a kind of using ultrasonic ranging principle research high performance-to-price ratio reverse radar；it can remind drivers entered exclusionary area, simultaneously the acousto-optic alarm. The radar need not occupy the driver's visual resources, and can make the driver putting the whole attention to observe the passenger side of the front and roads. Ultrasonic launching 10us partly by AT89C51 produce the high level signal to triggering ranging module; System receiving part reflected by the receiving probe of the signal and when the receiving circuit receives reflected signals will interrupt AT89C51 counter stop counting. Thus obtains from the launch to receiving signal ultrasonic lag between driving, and then calculating the distance between the obstacles to instruct driver safety reverse.Key words：Reverse radar，Ultrasonic，Single-chip microcomputer，Sound-light ala目录前言 (1)第1章概论 (2)设计现状 (2)设计意义 (2)目前国内倒车雷达 (3)第2章系统整体结构设计 (4)系统整体结构框图 (4)超声波传感器介绍 (4)超声波传感器的特性 (7)超声波测距原理 (8)第3章系统硬件设计 (9)AT89C51芯片 (10)AT89C51芯片介绍 (10)AT89C51管脚说明.......................................................... .11要紧特性 (13)电源电路 (13)复位电路 (15)时钟电路 (16)超声波测距模块HC-SR04 (17)测距模块 (17)外型及特性 (18)74HC573芯片 (20)数码管显示及报警电路设计 (21)LED数码管显示 (21)语音报警 (22)第4章系统软件设计 (24)系统主程序的设计 (24)测距模块的设计 (26)中断处置程序的设计 (26)显示及报警模块的设计 (27)结论 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录 (32)附录A:系统总电路图 (32)附录B:部份源程序 (33)前言随着汽车的迅速增加，停车难已是个不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，那么闯祸，烦事又烦人。
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收稿日期:2006-12-13 作者简介:彭翠云(1979-),女,湖北省荆门市人,硕士生,研究方向为汽车倒车辅助系统。
文章编号:1004-2474(2008)02-0251-04
汽车倒车系统中超声波测距模块的设计彭翠云1,赵广耀2,戎海龙3(1.安徽工程科技学院机械学院,安徽芜湖,241000;2.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;3.东南大学自动化学院,江苏南京,210096) 摘 要:介绍了以Cygnal8051F330单片机为控制器,用于汽车倒车的超声波测距模块的硬件电路和软件设计方案,在抗干扰设计等方面该模块采用了软硬件综合处理措施,实现了较高的测距精度和较宽的测距范围。在满足倒车系统要求的基础上,体现了简单、经济、实效、实用的特点,文章给出了该模块的实际调试效果和误差分析结果。关键词:超声波测距;带通滤波;单片机中图分类号:TP212 文献标识码:A
TheDesignofUltrasonicDistance-MeasuringSystemUsedonCar-backingSystem
PENGCui-yun1,ZHAOGuang-yao2,RONGHai-long3(1.Dept.ofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnologyandScience,WuhuAnhui241000,China;2.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China;3.CollegeofAutomation,SoutheasternUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Anpersonallydesignedultrasonicdistance-measuringsystemisintroducedanditshardwarecircuitsandsoftwaredesignmethodsaregiveninthispaper,whichbasesonCygnal8051F330singlechip,andisappliedtocarbackingsystem.Inthesystem,someimprovementonbothhardwareandsoftwareisadapted,whichmakesthesystemhasbetterprecisionandwidermeasuringrange.Moreover,besidesitscapabilityofsatisfytherequirementraisedbycar-backingsystem,thesystemhasothercharacterssuchasbriefness,economy,actualeffect,practicalityetc..Thepracticaldebuggingresultsanderroranalyzingresultsaregivenattheendofthispaper.Keywords:ultrasonicdistance-measuring;bandpass-filtration;singlechip
超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点,通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测[1]。本文主要探讨倒车系统的超声波测距模块
的设计与实现。超声测距模块作为汽车外部环境传感器,其用途是向决策系统实时提供汽车与障碍物的间距,以利于汽车蔽障。为克服以往超声波测距模块因采用超声波专用集成电路而造成的电路固定,应用不灵活,抗干扰和抗噪声能力差等不足,本超声波测距模块以Cygnal8051F330单片机为核心,并侧重发送模块和回波接收预处理模块的开发与实验研究,获得了较高的测距精度和较宽的测距范围,能满足倒车系统要求。该模块选用器件较廉价且易获取,体现出简单、经济、实效、实用的特点。1 硬件设计为使超声测距模块和决策系统之间的接口线最少,本设计采用模拟口方式而不采用串口、SMBus
等方式。该方式即决策系统从超声波测距模块获得的距离信息为一模拟电压,该模拟电压正比于被测距离。为实现控制系统的简单化,本超声测距模块的中央处理器采用Cygnal8051F330单片机[2],该单
片机较其他单片机(如F060等)外设规模小,仅有17个I/O口,虽然功能上显得不够强劲,但其指令执行速度并未降低,加上其20引脚的精简封装,已广泛应用于所需功能较为简单的小规模控制电路中。对于倒车超声波测距系统可谓是合适的选择。图1为超声测距模块的原理。单片机每隔一定时间间隔向超声波换能器发送一串频率为40kHz(超声波换能器的谐振频率)的激励脉冲,使超声波换能器向需要探测的方向发射出超声波,同时开始定时,一旦接收到返回的超声波信号即停止定时,获得超声波往返时间,由超声波脉冲在空气中传输的速度,便可计算出超声波换能器与目标物体间距离。
第30卷第2期压 电 与 声 光Vol.30No.22008年4月PIEZOELECTECTRICS&ACOUSTOOPTICSApr.2008图1 超声波测距模块原理框图1.1 超声波发送模块超声波换能器激发出超声波所需的谐振频率为40kHz,该激发信号采用单片机通过编程产生。但因单片机输出的信号功率有限,所以有必要在单片机和超声波换能器间添加功率放大电路。同时,为增大超声波幅以增加超声波发射距离,还需对该激发信号进行升压操作。这部分电路图如图2所示。
图2 超声波发送电路以前的设计中,其功率放大电路往往采用有源差分放大或者双晶体管复合以及逻辑门级连的方式[3-5],然而这几种方式只是单纯的提升了发射功
率,并未也无法大幅提升加到超声波换能器上的峰值电压,亦即无法大幅增大超声波幅(响度),从而相应降低了系统可测距离;而采用有源差分放大以及逻辑门级连的方式无疑又增大了系统复杂性。1.2 回波接收预处理模块超声波发射出去后,需实时监听因遇到障碍物而反射回来的超声波回波信号,该信号较微弱,需进行放大;且超声波换能器发送的超声波信号为球面波,即接收的超声波信号有可能从各个角度反射回来,且高倍数放大会引进噪声,所以,有必要对放大后的信号进行带通滤波,尽量减少噪声信号;经带通滤波后的信号为一近似方波信号,且有无法滤除的噪声,该噪声信号为随机信号,如果将该噪声信号完全平滑为一电平信号,那么该电平必然低于有用信号和噪声的混合信号做同样处理后的电平,基于此,可通过电平比较法将该噪声滤除,即将经带通滤波器后的混合信号进一步平滑为近似电平信号,并将此信号引入比较器的正输入端,同时在比较器的负输入端引入一门限电压,该门限电压稍高于噪声信号经平滑后的电平,这样比较器输出的结果便能正确显示是否接收到回波,其电路图如图3所示。
图3 超声波接收预处理电路带通滤波电路采用的是无限增益多反馈环型带通滤波器,该滤波器的传递函数为
H(s)=-SR1C
S2+2R5CS+1C2R51R1+1R2
(1)
中心频率 f0=12πC1R51R1+1R2(2)品质因数 Q=12R51R1+1R2(3)通带增益 H0=R5/(2R1)(4)
带宽 B=f0/Q(5)有些系统单纯采用中断的方式来接收回波电压,而非比较器方式,前者缺点较明显,即使没有回波信号,系统不稳定因素(如纹波电压及外部谐波信号等)均有可能产生干扰信号,这些干扰信号经放大后必然会产生高电平信号从而产生误中断。1.3 测距结果输出处理模块测距结果通过模拟电压的形式表示,但F330单片机的D/A转换输出是电流模式,且驱动力有限,因此,需将单片机输出结果作处理,其电路图如图4所示。
图4 测距结果输出处理电路可采用I2C总线或串口方式输出结果,然而,当应用系统采用的超声波测距模块较多时,如汽车倒
252压 电 与 声 光2008年 车系统,需在汽车周身安装至少六个超声波测距模块以探测汽车周围各个方向的障碍物信息,此时,数字输出方式的弊端将比较明显。2 软件设计软件的任务是每隔一定时间发送一次超声波激励信号,而若接收到回波信号,则对障碍物和超声波换能器间的距离进行计算,并将结果输出,软件程序框架如图5所示。图5 软件程序框架2.1 超声波发送超声波换能器所需激励信号频率为40kHz,这一频率用定时器1来产生,并通过单片机I/O口来输出这一激励信号,即单片机每隔1/80kHz时间产生一次中断,中断处理程序用来更新该I/O口输出(输出结果取反),通过这种方法即可向超声波换能器输出频率为40kHz的方波激励信号。定时器1中断处理函数流程图如图6所示。图6 定时器1中断处理函数流程图2.2 计算被测距离本设计采用的是时间检测法[6]计算被测距离,从超声波换能器到障碍物间的距离
D=v×t2(6)式中 v为超声波在空气中的传播速度;t为超声波自发送器发出、经被测目标反射,直至被接收器接收所需时间。是否接收到回波信号由比较器判断。若有回波信号,比较器会即刻向CPU发出中断申请,使CPU转向执行比较器中断处理函数。这一函数即完成计算被测距离、输出结果等一系列处理。该函数程序流程图如图7所示。
图7 比较器中断处理函数流程图3 试验结果分析图8为该模块的试验开发板,开发板的右侧从上至下分别为超声波发送探头与接收探头,其余部分为超声波信号的处理电路,包括超声波发送、接收电路及测距结果输出电路等。为简化布线需要,中央处理器F330焊接在开发板的背面。
图8 实验开发板表1为特定条件(测距模块平置,被测目标为面积1m×1m、垂直地面放置的木板,且该木板垂直于发射探头与接收探头所处位置间的中垂线,测量仪器为美国泰克公司的型号为DS1000的混合信号数字示波器)下该超声测距模块的部分测试结果。由表可看到,随着测量距离的缩短,测量误差增大,其原因是受模块尺寸限制,超声波发射器和接收器
第2期彭翠云等:汽车倒车系统中超声波测距模块的设计253