超声波检测系统倒车雷达的设计(传感器的设计)

超声波检测系统倒车雷达的设计

一、设计背景。项目来源、需要解决的问题等。

随着社会的不断发展，尤其是近几年来，汽车已逐渐成为人们不可或缺的交通工具。然而，由于汽车的普及，汽车所萌生的一系列问题正渐渐凸显出来。倒车，是每位驾驶员都必须掌握的技能，如同前行一样需要小心谨慎，每年都有倒车引起事故的报道，轻则对自己的车和他人的财物造成损伤，重则可能危及人的性命，尤其是对儿童危害较大，他们体型较小，仅从后视镜来获取视野指导倒车仍有可能会对人们造成伤害。现如今后视镜已越来越不能满足人们安全倒车的需求了。因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。本系统介绍了一种基于51单片机的超声波测距倒车系统的设计，该系统可以精确测得车尾与障碍物的距离，指导司机安全倒车。

倒车雷达是汽车倒车停车时的安全辅助装置，能够以声音或者直观的显示来告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，帮助驾驶员解决泊车倒车时前后左右探视所引起的困扰。超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器、控制器和报警装置等部分组成。现如今市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶员在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由超声波探头发送超声波，在遇到障碍物后产生回波信号，传感器接收到回波信号后经处理器进行数据处理，判断出障碍物的位置，通过声音、数据、图像等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围情况，从而使驾驶员倒车时做到心中有数，提高了驾驶的安全性。

二、设计指标要求。

（1）测量距离40—400cm

（2）倒车距离大于150cm时，报警器不响；

倒车距离在80—150cm时，报警器断续的响；

倒车距离在40—80cm时，报警器较急促的响;

倒车距离小于40cm时，报警器连续响，并且发光二极管发光。

三、设计过程。根据指标要求选择传感器、采集系统、处理系统、

控制显示系统等，并给出具体公司、型号等。

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,然后求出距离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.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。这就是超声波测距仪的机理。

2.系统设计原理

整个系统由单片机AT89C51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和一支超声波接收换能器。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，根据计算公式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。

系统框图如下图1所示：

图1 系统框图

3.单片机选用与设计

5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4KB的ROM，256 B的RAM，2个16B的定时／计数器T0和T1，4

个8B的I/O端： P0，P1，P2，P3，一个全双工串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图2所示。

图2 AT89C51单片机结构及引脚图

5l系列单片机提供以下功能：4 KB存储器；256 B RAM；32条I/O线；2个16B定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

4.超声波传感器的选择与设计

超声波传感器按收发方式一般可分为两类：一类是发送和接收是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘防水功能；另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，如TR40-16，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距范围比较小，防尘、防水性能好。根据本设计所处的环境要求，本系统选用的超声波传感器为TR40-16。

超声波传感器选用西安新敏电子公司的TR40-16O01-01

工作频率为：40KHz

工作温度为：-20—70℃

存储温度为：-30—80℃

（1）超声波的发射电路设计

555构成的超声波发射电路从555的3脚输出的40kHz的振荡脉冲驱动T-40-16工作，使之发射出40kHz的超声波信号。电路工作电压为9V，工作电流为40～45mA。超声波发射单路的设计如下图3所示：

图3 发射电路图

（2）超声波接收电路设计

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38HKz与测距的超声波频率40HKz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。超声波接收电路图的设计如下图4所示：

图4 接收电路图

CX20106A的引脚注释：

1脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗为40K Ω。

2脚：该脚与GND 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R 或减小C ，将使负反馈增大，放大倍数下降，反之放大倍数增大。但C 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F C R μ3.3,7.4=Ω=。

3脚：该脚与GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，推荐参数为

F μ3.3。

4脚：接地端。

5脚：该脚与电源端VCC 接入一个电阻，用以设置贷通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低。

6脚：该脚与GND 之间接入一个积分电容，标准值为330pF ，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：遥控命令输出端。

8脚：电源正极，4.5V ---5V 。

5. 报警电路的设计

报警信号由单片机输出，提供声光报警信号，电路由电阻R2、R3、三极管Q2、蜂鸣器BUZL 、发光二极管D1组成。当汽车距离障碍物的距离不同响铃不同；当汽车距离障碍物的距离小于40cm 时，发光二极管发光，并且铃声响。当测量值高于设定的报警值时，停止发光报警声响。报警电路的设计如下图5所示：

图5 报警电路图

6. LCD 显示电路的设计