《汽车倒车检测预警系统的设计-应用电子技术教育论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车倒车检测预警系统的设计-应用电子技术教育论文.doc（72页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业：应用电子技术教育 班级学号： 040203号 学生姓名： 方晓群 指导教师： 高玉奎 教授 二九 年 六 月天津工程师范学院本科生毕业设计汽车倒车检测预警系统的设计Design of Automobile Back-Draft Detection Early Warning System 专业班级：应电0402学生姓名：方晓群指导教师：高玉奎 教授系 别：电子工程学院2009年6月摘 要本文研究了一种汽车倒车检测预警系统。以AT89S52作为核心处理器，采用超声波测量汽车与物体之
2、间的安全距离，实现了汽车倒车检测预警系统的超声测距、自动报警等功能。该系统是一种基于AT89S52单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传播的反射原理, 以超声波传感器为接口部件, 应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。主要由控制系统、测距系统（包括超声波发射模块、超声波接收模块）和显示报警三个主要模块构成。该设计利用AT89S52单片机系统的I/O口，使超声波传感器发出40KHz的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大、整形、滤波电路进入单片机，比较调试后确定其对应的距离，完成测距，并通过LED显示电路显示结果。该装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传
3、感器技术相结合。能够实现汽车在以较低的速度进行倒车的过程中，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及汽车的速度，在车辆与障碍物发生碰撞前，发出蜂鸣声，提醒司机刹车，起到安全的作用。关键词：倒车雷达；超声波测距 ；AT89S52单片机； ABSTRACTThis article has studied one kind of automobile back-draft examination early warning system.Takes the core processor by AT89S52, The use of ultrasound measurement of t
4、he vehicle and a safe distance between objects, has realized automobile back-draft examination functions and so on early warning systems supersonic range finder, auto-alarm.This system is one kind based on AT89S52 monolithic integrated circuits ultrasonic ranging system, it acts according to the ult
5、rasonic wave the principle of reflection which disseminates in the air, take the ultrasonic sensor as the interface unit, surveys the distance using the monolithic integrated circuit technology and the ultrasonic wave in the air time difference. Mainly by control system, range measuring system (incl
6、uding ultrasonic wave launch module, supersonic reception module) and visual display alarm three main module constitutions.This design uses AT89S52 the monolithic integrated circuit systems I/O mouth, causes the ultrasonic sensor to send out 40KHz the ultrasonic wave, reflects the ultrasonic wave si
7、gnal, the process enlarges, the reshaping, the filter circuit to enter the monolithic integrated circuit, after debugging determined that its corresponding the distance, completes the range finder, and through LED display circuit demonstration result.This equipment monolithic integrated circuits rea
8、l-time control and the data processing function, with the ultrasonic wave range finder technology, the sensor technology unifies. Can realize the automobile, in carries on the back-draft by the low speed in the process, behind the recognition dispatches a vehicle the obstacle, and can survey between
9、 the vehicle and the obstacle distance and automobiles speed, before the vehicles and the obstacle have the collision, exudes the buzzing sound, reminds the driver to get on the brakes, plays the safe role.Key Words：Car Reversing Aid-system； Ultrasonic Distance-Measuring； Fuzzy control； Simulation；目
10、 录 1 引 言11.1课题研究的目的及意义11.2课题研究的内容12 系统构建与方案设计32.1系统设计要求32.2系统构建32.3系统方案设计42.3.1测距系统方案设计42.3.2控制系统方案设计52.3.3显示报警系统方案设计52.3.4系统探测范围的确定52.3.5传感器的布点设计53系统硬件设计73.1系统硬件设计思想73.2测距系统设计83.2.1超声波传感器结构93.2.2测距系统工作原理93.2.3超声波发射模块电路设计93.2.4超声波接收模块电路设计173.2.5 测温电路设计183.3控制系统设计183.3.1 AT89S52单片机最小系统设计183.3.2 单片机复位
11、电路的设计213.3.3 换向选通电路的设计223.3.4电源模块电路设计223.4显示报警模块电路设计243.4.1显示模块电路设计253.4.2报警模块电路设计173.5硬件抗干扰设计264系统软件设计284.1软件总体流程设计284.1.1系统软件实现原理284.1.2系统程序构建284.2软件程序模块化设计294.2.1初始化模块294.2.2延时处理模块314.2.3系统测距模块314.2.4测温模块314.2.5中断检测模块324.2.6显示模块334.3软件抗干扰345系统试验结果及误差分析365.1试验结果365.2误差分析36结 论38致 谢39参考文献40附录一 倒车雷达系
12、统设计原理图41附录二 部分主程序42英文原文53中文译文6166天津工程师范学院2009届本科生毕业设计1 引 言随着我国公路等级的不断提高，特别是高速公路的飞速发展，汽车的行驶速度越来越快，车流量也越来越大，汽车碰撞事故越来越多。据初步调查统计15%的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，增强汽车的后视能力，尤其是增强大型、重型车辆的后视能力，对于提高行车安全，减轻司机的劳动强度和心理压力，是十分重要的。目前，国内外都在研究如何利用先进的技术，即汽车防撞技术，辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危急情况下由系统主动干涉驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防
13、止汽车相撞事故的发生。1.1课题研究的目的及意义在汽车电子领域中，倒车雷达【3】(Car Reversing AidSystem)全称“倒车防撞雷达”又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，主要针对汽车倒车时无法目测到车尾的物体和距离车身的距离而设计开发的。本课题研究的汽车倒车预警系统将为驾驶者提供一个倒车提示和距离报警，本课题的现实应用的意义在于: (1) 将倒车自动化从被动防撞引向智能控制方向发展。(2) 体现了“以人为本”的驾驶理念，倒车时驾驶者的视线可集中在前方，不需顾及车后状况，增加了倒车的安全性和可靠性，并且它的应用可减轻司机体力和脑力劳动的强度。(3) 安全可
14、靠的防碰撞预警，使驾驶者无论是白天还是夜晚都能实现安全倒车。(4) 这一方案建立在安装小组件的基础上，避免对汽车整车的影响，为应用和普及创造了条件，经济实用性较好，易于普及。汽车倒车雷达预警系统的运用可极大地减轻驾驶者的体力、脑力劳动强度，降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起的事故，同时它将对提高汽车智能化水平和最终实现汽车无人驾驶产生积极的意义。1.2课题研究的内容本课题的主要研究内容是汽车倒车雷达预警系统的设计和实现，以及在其基础上引入模糊控制理论，进行系统的计算机仿真，以验证系统的可靠性和有效性。论文共分5部分，各部分主要内容如下:第1部分 引言。包括课题的目的、意
15、义以及相关技术。第2部分 系统总体方案设计。首先介绍可视倒车雷达预警系统的设计要求，详细介绍系统测距系统、控制系统和显示报警系统的方案设计，然后提出本系统的方案设计。系统三个模块技术方案的确立，为设计工作奠定了基础。第3部分 系统硬件设计。首先分析超声波传感器的工作原理，然后详细讨论系统测距模块的硬件电路设计，具体讨论测距模块中的超声波发射电路设计和超声波接收电路设计。接着详细讨论系统控制模块的硬件设计，介绍了系统显示报警模块电路的设计，最后给出系统硬件的组成框图。第4部分 系统的软件设计。在软件设计中，采用模块化设计思想，分别对系统的初始化模块、延时模块、测距模块、测温模块、中断检测模块、数
16、据处理模块和显示模块的程序进行了软件设计。第5部分 系统试验结果与误差分析。2 系统构建与方案设计2.1系统设计要求汽车倒车雷达预警系统由三个子系统组成，分别为测距子系统(超声波发送接收系统)、控制系统（单片机最小控制系统）和显示报警子系统。 本系统主要完成的功能是:当车挂入倒档位后，提供:(1) 防碰撞预警:在汽车距障碍物距离小于0.6米时，报警指示灯亮；当距离小于0.35米时蜂鸣器发出间隔频率为1Hz的BiBi声；(2) 最小车距显示:在显示屏上显示最小车距以提醒驾驶者。2.2系统构建按照系统设计要求，汽车倒车雷达预警系统由硬件和软件两部分组成，系统设计采用模块化思想。系统硬件结构分为三个
17、主要模块:测距系统，控制系统和显示报警系统。软件部分对不同功能模块的程序进行分别编程，便于调试和移植。并对该系统建立数学模型，以提供较为可靠的指令给驾驶者完成倒车任务。整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图2-1所示。 图2-1汽车倒车雷达预警系统结构原理图各模块所完成的具体功能如下:(1) 测距系统:由单片机、发射器及传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。(2) 控制系统:本系统以微机器为控制核心，控制整个系统的运行，对各种接口电路进行控制，通过对多路选择开关的控制、发射脉冲、检测到回波后，进行数据处理实现实时时间差采样，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻
18、差，从而测出距离。(3) 显示报警系统:显示最小距离及报警以提醒驾驶员。 2.3系统方案设计2.3.1测距系统方案设计目前汽车倒车雷达预警系统测距技术【1】主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过后方返回的探测信息判断后方车辆和本车间的相对距离，并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施。下面对五种不同测距技术方案进行介绍和比较，如表2-1: 表2-1 各种传感器测距性能比较超声波红外线摄像系统毫米波雷达激光最大探测距离10m10m大于100m大于150m可达150m响应时间较快约为15ms慢1*10
19、ms取决于处理时间快可达到1ms较快约10ms探头磨损，污染等因素的影响几乎没有影响影响不大大，直接影响分辨能力较小很大，使探测距离减小1/21/3成本比较探头约20元一支，工作机理简单，探头易安装约80元大于1000元大于1500元，价格昂贵，结构复杂约500元环境适应性好，可以工作在恶劣环境中差，但在能见度低时比其他光学系统好差，可见性不好条件下无法工作较好，不受能见度影响差，受恶劣环境影响综合以上考虑和实际应用条件，本系统的测距模块采用的是超声波方案，并在超声波测距技术方案的设计上进行了简化和改进。2.3.2控制系统方案设计在控制系统的方案选择上，由于整个系统的设计涉及到数据处理，控制实
20、时性等问题，选用基于微控制器的系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩小整个系统的体积。本系统是精密实时采集传输系统，需要微控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据.微控制器选用ATMEL公司的AT89S52单片机的控制系统。AT89S52【4】是一个具有8K字节可编程FPEPROM的高性能微控制器。具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，其价格仅为DSP的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。它与工业标准
21、MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。2.3.3显示报警系统方案设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而己。最简单的显示器可以使LED发光二极管，设计简单，易于安装，成本只要几元，但给出只是一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏，其成本在几十元到百元不等。综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源，本系统采用数码管显示距离。报警装置采用的是有源蜂鸣器，根据距离远近进行报警，以提示
22、驾驶员。2.3.4系统探测范围的确定为了满足安全距离的要求，超声波传感器的最大探测范围为10米，本系统测距的范围是0-8米。由于汽车工作环境的恶劣和各种干扰，选择合适的传感器和在车体安装适当的位置是很重要的。根据超声波传感器【6】的灵敏度高，可靠性和稳定性好，耐高低温、振动等特点，本系统选择超声波测距传感器UCM-R40KI、UCM-R40KI(T表示发射传感器，R表示接收传感器)最大探测距离为10m，发射扩散角为60。2.3.5传感器的布点设计单传感器在应用中存在以下缺陷:(1) 传感器扩散角小，导致传感器对空间信息检测的盲区大。(2) 传感器工作周期较长，造成系统时域盲区大，实时性差。因此
23、，传感器的数量选择要保证在获取环境信息的同时达到信息的最小化，在选定数量的前提下，尽量保证时间适用度参数达到最大值。考虑到汽车的形体、行驶的需求和程序控制的输入输出点数，按设计要求，本系统在汽车尾部安装多个超声波传感器，根据一般要求装4-6个较合适，本系统设计成4个测量通道，具体安装如图2-2所示，在汽车两侧中后部各安装一个传感器，尾部安装三个传感器，4个距离值由单片机进行处理运算。考虑汽车倒车雷达预警系统有4个测量通道，对4个探头采用扫描工作法，可以共用一个信号处理电路，达到降低成本的目的。图2-2 传感器安装图3系统硬件设计可视倒车雷达预警系统主要实现汽车尾部到障碍物之间的距离测量。硬件设
24、计包括测距系统设计(超声波发送接收系统)、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。其中，测距系统由超声波发射模块和超声波接收模块构成；控制系统设计主要对AT89S52单片机系统进行设计；显示报警系统设计主要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和静态显示电路进行设计。3.1系统硬件设计思想根据超声波测距原理【8】，以8051系列的AT89S52单片机系统为核心，开发超声波测距系统。图3-1为系统硬件原理图。图3-1系统硬件结构图系统由超声波发射，回波信号接收，计时测量、数据处理和智能算法、显示和报警等构成。整个系统由微处理器控制，根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射电路发射超声波，超声波在空气中传
25、播至障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收换能器接收并转换成电信号，再经滤波、放大、整形后，输入到微处理器的外部中断口处产生中断，计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。它的各部分电路的说明如下： (1) AT89S52单片机系统是超声波测距仪的核心部分。主要任务有：控制一个40KHz的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器能最大效率工作，实现串口通讯。T0计时，完成测距数据的计算和处理软件除干扰。(2) 超声波发射电路作
26、用是将振荡电路振荡出40KHZ的脉冲信号，信号幅值是18V(可调节)，脉冲信号将驱动超声波发射传感器，发射超声波。(3) 超声波接收电路主要包括微弱信号放大、电压比较中断信号输出、温度测量电路等部分。它是用来对接收到的回波进行放大和整形，即将回波信号转换成单片机的中断信号。(4) 通过显示电路将测距结果实时地显示出来。(5) 电源电路。该电路可以产生稳定的+5V和可调的电压+5V+37V。3.2测距系统设计3.2.1超声波传感器的结构利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。近年来，超声波的波长范围己达um级，频率己扩大到GHz领域，分辨率
27、达um量级的超声波显微镜己实用化。超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。超声波传感器【7】一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波传感器是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害，金属网也是起保
28、护作用的，但不影响发射与接收超声波。超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。当在两电极加交变脉冲信号(触发脉冲)时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。通过对此信号的分析处理，可实现各种检测。压电陶瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波发射器才有较高发射效率，接收器才有较
29、好接收灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于遥控的超声传感器的中心频率一般为40KHz。本系统采用的超声波发射接收器。3.2.2测距系统工作原理距离公式：距离(S)=时间(T)速度(V)。在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法【8】。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。本超声波测距仪采用渡越时间检测法。超声波测量原理图如图3-2所示。图3-2超声波测距原理图在超声波发射器两端输入1
30、0个40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面，由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。如图3-2所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2，超声波的传播速度约为(20时)依据公式，得距离。3.2.3超声波发射模块电路设计发射电路的实现目的为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。依据电路需要，发射电路满足下列要求:(1) 振荡电路振荡频率可调:(2) 驱动能力较高；(3) I/O口控制。1.振荡电路【10】振荡电路的实现目的是为超声波
31、传感器提供40KHz脉冲。当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能高效率的转化为机械声波机械能。一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz，实际有偏差，如400.5KHz。故设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。振荡电路有多种设计方案，方案选择如下:方案一：利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路 最简单的振荡器。这种振荡器特点是：T(1.42.3 ) R*C电源波动将使频率不稳定，适合小于100KHz的低频振荡情况。此振荡是上电振荡，不方便控制。简单振荡电路如图3-3所示。 图3-3简单振荡电路方案二：采用两个三极
32、管和电阻电容构成的振荡器如图3-4所示。 图3-4 三极管和电阻电容构成的振荡器方案三：LC三点振荡电路如图3-5所示。方案四: 555芯片组成振荡电路。555芯片振荡电路，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到。如图3-6所示。图3-5 LC三点振荡电路图3-6振荡电路本设计采用的由555振荡电路所构成的超声波发射电路【11】如图3-7所示。由图3-7可知超声波发射电路是由LM555CH集成定时器组成的多谐振荡器。其基本原理：合上电源瞬间，由于电容电压不能突变，内部电路中的R为低电平0，S为高电平1，所以输出为高电平；因T截止，电容以固定
33、时间充电，其电压按指数规律上升；当电容电压升到一定电压范围后，R=S=0；基本触发器状态保持，C继续充电；当电容电压大于一定值时，R=1，S =0基本触发器置0，输出电压为低电平；于是T导电，C放电，电容的电位下降，只要C一开始放电，又变为R=S=0，C继续放电；当放电小于一定值时，比较器C1输出R =0，比较器C2输出S=1，输出又变为高电平，C又开始充电。如此周而复始，便产生了振荡。 图3-7 超声波发射电路图其振荡周期为:T = ( R6 + 2R5 )C3ln2选择R6=1K，R5=91K， C3=200PF，可以确定输出波的频率约为40KHz。为了能够通过微处理器来控制超声波的发射，
34、将其输出端与AT89S52单片机的Pl.6相接。其中需要注意的是单片机的控制脉冲的频率必须远远低于多谐振荡器的振荡频率。由于超声波发射器的驱动电压要求较高，而且超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范围足够远，可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上，因此可在发射端接一个达林顿三极管，以增强其驱动电路的能力。2.驱动电路驱动电路【12】是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。驱动电路有多种方案:(1) 用74LS04芯片驱动。(2) 分立元件组成的驱动电路，其价格便
35、宜，元件普通，调试方便。(3) 用变压器提升电压，增加驱动能力其电路如图3-8所示。图3-8变压器升压驱动 声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大，衰减越大。为能接收远距离的回波，可采取的有效措施有：(1) 增加驱动功率。(2) 减小声波频率(频率越低，衰减越慢)。(3) 设计合理的电路与负载功率匹配电路使其简单、可靠，为进一步增加驱动能力，并列的非门换成3个。要求6个非门来自一个芯片上的非门，以保证信号上升沿下降沿的同步。在非门输出端接上一个电容防止直流直接加载到超声波发射器上而导致损坏。本文采用COMS芯片CD4069组成超声波驱动电路，其电路图如图3-9所示。4端和13端两端输出波形如
36、图3-10所示。其对应示波器显示的测量波形如图3-11所示。由第2部分的讨论可以知道，测距系统所用的超声波仪在频率40KHz，幅值9V(可调)的电压驱动下，各种性能最佳，所以通过单片机的P1.0管脚输出4KHz的脉冲信号给振荡电路。由振荡电路送给驱动电路。由于单片机P1口的输出电压为5V，其驱动能力达不到要求，所以用了一个大功率的CMOS管CD4069来驱动超声波传感器的发射器。它的工作原理是这样的：几个非门并接，即可提供较大的驱动能力。而且到发射器两端是反向的，使得超声波的发射器得到足够的能量。图3-9 COMS与CD4469芯片组成超声波驱动电路 图3-10超声波发射器两端波形图 图3-1
37、1发射传感器的波形图根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求：(1) 微弱信号放大，放大倍数要求mVV(2) 波形整形。(3) 实时选通不同方向的微弱信号。如图3-12所示，不同方向的超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，信号经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入INTO中断口，该低电平作为AT89S52外部中断0的中断信号使AT89S52产生中断，在中断服务程序中停止计数器TO的计时，并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。其过程如图3-12所示，进行波形处理。图
38、3-12接收电路信号变化关系图如3-12图所示，微弱信号放大信号整形信号。3放大电路设计放大电路【12】的目的是实现微弱信号放大。微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、电压比较电路构成。根据所用的T/R40-16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。此问题需在软件中处理。在回波信号的放大过程中，由于干扰信号的存在，为避免将干扰信号放大而产生回波误识别，必须将干扰信号滤除，即回波信号放大过程中必须设计带通滤波器，对有效频带内的超声波信号进行选择放大。滤波器【
39、13】的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。由于超声波回波信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因此，本系统采用RC无源滤波方式，用于微弱回波信号的放大。检波网络的功能是通过二阶带通滤波网络，检测到系统所需要的40KHz频率信号。4比较电路设计比较电路【11】目的：将级的微弱信号放大后的V级信号整形成能为辨识的脉冲信号，单片机是下降沿引起中断。根据硬件电路的设计思想，要将回波信号转换成CPU识别的高低中断信号，所以在对回波信号(正弦波)经过两次放大以后，需要将正弦波整形成方波，
40、于是后面接了一个电压比较电路。因为输入频率为40KHz，采用了集成电压比较器LM393。LM393具有低偏置电流和失调电流(典型值分别为100nA和6nA)，其响应速度为200ns。可用单电源供电(如+5V)，也可用双电源供电(如12V)。在本系统中采用了+9V单电源供电。通过实验观察，LM393输出信号符合设计要求，单片机端口识别引脚1处标准下降沿。电路图如图3-13所示。 图3-13 LM393构成比较电路如图3-13所示，放大后的信号由LM393第2脚进入，在第3脚有一个电容电阻接入的比较基准电压是+2.5V，由于R115电阻可调，即根据输入的信号可以调节基准电压。可以有效地防止干扰。L
41、M393是+9V(可调)供电，需要在输出端口接上一个上拉电阻10K，该电阻由+5V供电，供单片机端口识别。3.2.4 超声波接收模块的设计由于超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器的接收信号一般在10mV60mV之间。为了便于使用，接受电路要提供100倍以上的放大增益，使用将超声波通过施密特触发器进行方波整形，最后输到AT89S52的单片机中进行数据处理。超声波接收电路【11】如图3-14所示。图3-14 超声波接收电路3.2.5 测温电路设计 测温电路的实现目的是实时测得介质温度，实时得出超声波在介质中的速度值延时250。声波在介质中的速度受介质、介质温度影
42、响。在本课题中，介质是空气，空气颗粒较小，对超声波衰减影响较小，忽视其带来的影响，但空气温度变化影响较大，不容忽视。传统的测温系统一般都是由温度传感器、AD转换、单片机处理、显示驱动芯片和LED显示组成。本测温系统则是用一线测温器件DS18B20与AT89C2051单片机共同组成了最小的测温系统。(1)DS18B20简介DS18B20【15】是美国DALLAS公司生产的一线数字温度传感器。它的测温范围从-55到+125。分辨率为0.0625，在-10到+85范围内其测温准确度为。它体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连接。它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一
43、根I/O口线。其供电电源可来源于单片机I/O口数据线，而无需额外电源。每片DS18B20都有全球惟一的识别号。因而特别适合于构成多路多点温度测量系统。DS18B20有3个管脚，管脚排列如图3-15所示。图中1是GND为地，DQ为数据输入输出端，该脚为漏极开路输出。常态下呈高电平，VDD不用时应接地。(2)利用单片机AT89SS2与DS18B20构成最小测温系统在该最小测温系统中，温度值存在单片机的内存中，需要时可以读出。AT89S52的RD用来与DS18B20通信，接10k的上拉电阻以增加该I/O的驱动能力，只需一片AT89S52就可实现DSI8B20的温度读图3-15 DS18B20取。简化
44、了硬件电路，提高了系统的可靠性。而且还大大地降低了系统的硬件成本。在AT89S52初始化后对DS18B20发出转换温度值命令后，等待750ms（DS18B20最长转换时间)，从口读出温度值，对读入的温度值做相应的数据处理，然后实时将计算出来的某温度下超声波在介质中的速度值提供给AT89S52单片机。3.3控制系统设计3.3.1 AT89S52单片机最小系统设计（1)AT89S52单片机介绍AT89S52单片机最小系统由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。AT89S52是一种低功耗、高性能的含有8K字节快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM- Flash Pro
45、grammable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与AT89S52指令系统和引脚完全兼容。芯片上的 FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89S52的主要性能包括：(1)与MCS-52微控制器产品系列兼容。(2)片内有8K字节的可在线重复编程快闪擦写存储器(Flash Memory )。(3)编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给。(4)存储器可循环写入/擦除1000次。(5)存储数据保存时间为10年。(6)宽工作电压范围，Vcc可由2.7V到6V。(7)全静态工
46、作，可由OHz到16MHz。(8)程序存储器具有3级锁存保护。(9)128X8位内部RAM。 (10)32条可编程I/O线。(11)三个16位定时器/计数器。(12)中断结构具有5个中断源和2个优先级。(13)可编程全双工串行通道。(14)空闲状态维持低功耗和掉电状态保护存储内容。AT89S52内部有256个字节的RAM，地址范围是00H0FFH，但实际提供给用户使用的只有128个字节(00H-7FH)，另128个字节(80H-FFH)是特殊寄存器区。除ROM和RAM外，芯片内部还有三个16位的定时器/计数器。在本系统中定时器T0用来计时，定时器T1用来做波特率发生器。时钟电路采用12M晶振。AT89S52单片机及其外围电路设计图如图3-16所示。图3-16 AT89S52