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1、倒车雷达系统的设计【摘要】倒车雷达（Car Reversing Aid Systems）的全称是“倒车防撞雷达”,也称“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起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高了安全性。本文介绍基于单片机控制的倒车雷达系统，由单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。再根据障碍物与车尾的距离远近情况发出警报。【关键词】 单片机，超声波测距，倒车雷达，超声波换能器。【前言】随着我国汽车产业的高速发展
2、，尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个典型。本文设计的倒车雷达预警系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物体的距离而开发设计的。该系统将单片机技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可以测到汽车倒车中，其障碍物与汽车的距离，通过 LED 显示屏显示距离，并根据远近发出警报。一、 超声波测距原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达
3、原理是一样的。测距的公式表示为：L=CT 式中 L 为测量的距离长度；C 为超声波在空气中的传播速度；T 为测量距离传播的时间差(T 为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用 LM92温度传感器进行声
4、波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。1.1超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=CT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。1.2时间误差当要求测距误差小于 1mm 时，假设已知超声波速度 C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差 st(0.001/344)0.000002907s即 2.907ms。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到 1s 的精度，因此系统采用
5、 89C51 定时器能保证时间误差在 1mm 的测量范围内。1.3 超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表 1 所示。已知超声波速度与温度的关系近似如下：C=C0+0.607T r气体定压热容与定容热容的比值，对空气为 1.40， R气体普适常量，8.314kgmol-1K-1， M气体分子量，空气为 28.810-3kgmol-1， T绝对温度，273K+T。式中：C0 为零度时的声波速度 332m/s； T 为实际温度()。测试精度：空气中测距精度小于或等于 1% 1 厘米。温度：值精度小于或等
6、于 1%,-20-60 摄氏度。对于超声波测距精度要求达到 1mm 时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度 0时超声波速度是 332m/s, 30时是 350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为 18m/s。若超声波在 30的环境下以 0的声速测量 100m距离所引起的测量误差将达到 5m，测量 1m 误差将达到 5mm。美国国家半导体公司的 LM92温度传感器的温度测试分辨率为 0.0625，-10至+85准确度为1.0，I2C 总线接口。用 89C51的通用 I/O 端口能很容易的模拟 I2C 总线的读写时序，LM92的高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。
7、为了简化设计本设计不采用温度补偿。二、 整体方案设计为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动
8、共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： (1)取输出脉冲的平均值电压，该电压(电压的幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离； (2)测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t。因此，被测距离为 S=1/2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波也是一种声波，其声速
9、C 与温度有关，附表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，则应通过温度补偿的方法加以校正。本系统包括超声波发射功率区配电路、接受电路、发声电路、以及显示电路，各信号线与控制线都接主控芯片 STC89C51，并在 STC89C51 的指挥下统一协调工作，如图 1 所示,驾驶员将手柄转到倒车档后,系统自动启动,超声波发送模块向后发射 40kHz 的超声波信号,经障碍物反射,由超声波接收模块收集,进行放大和比较,单片机STC89C51将此信号送入显示模块,同时触发语音电路,发出同步语音提示,当与障碍物距离不同时,发出不同的报警声,提醒
10、驾驶员停车。图 1、系统框图三、 器件介绍3.1 STC89C51 单片机介绍STC 单片机是一款增强型 51 单片机，完全兼容 MCS-51，还增加了新的功能，比如新增两级中断优先级，多一个外中断，内置EEPROM，硬件看门狗，具有掉电模式，512B 内存等。还支持 ISP 下载，不用编程器，只要一个 MAX232 和一些廉价的元件就能写程序，可擦写 10 万次。因此是一款很好用的单片机。选用 STC 单片机的 12 大理由：01.与 MCS-51 单片机完全兼容：指令兼容，引脚兼容，因此易学；02.高保密性：无法读出，因此无法解密，保护知识产权的首选；03.超强抗干扰能力：电源、I/O 口
11、、时钟均有抗干扰措施，是工程应用的首选：高抗静电（ESD 保护）；轻松过 2KV/4KV 快速脉冲干扰（EFT 测试）； 04.高可靠性，工程应用的首选：宽电压范围，不怕电源波动：5V 产品 3.4V6V，3V 产品 1.9V4V；宽温度范围：-40 oC85 oC；05.低电磁辐射：可禁止 ALE 输出，降低辐射；可选 6 时钟/机器周期，降低晶振频率，降低辐射；单片机时钟振荡器增益可设为 1/2；06.超低功耗：掉电模式典型功耗： 01A,可由外中断唤醒；空闲模式典型功耗：2mA；正常工作典型功耗：4mA7； mA 07.在系统可编程，无需编程器，无需仿真器，节约投资；08.可远程升级和随
12、时升级，缩短产品开发周期，提升产品性能；09.强驱动能力：无论拉电流还是灌电流，均优于 MCS-51 单片机；10高速度：080MHz，最高达 90 MHz。11产品封装形式多样：引脚从 20，28，32，40，44 等多种型号可供选择； PDIP-20、PDIP-28、PDIP-32、PDIP-40、SOP-28、SOP-32、PLCC-44、PQFP-44、图 2、STC 单片机结构图LQFP-44 等多种封装可供选择；12内部资源更丰富。与 MCS-51 单片机相比，增加了： T2 定时/计数器；内部数据存储器 RAM 增加了 18 倍，空间大小随型号不同而不同；大部分产品自带 E2PR
13、OM，空间大小随型号不同而不同；部分产品自带模数转换器 A/D 和 PWM；部分产品有 P4 口图 3、引脚分布图STC89C51 分部图如图 3 所示。3.2 LM324 介绍LM324 为四运放集成电路，采用 14 脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324 工作电压范围宽，可用正电源 330V，或正负双电源15V15V 工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为 OVcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端
14、，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同。 LM324 引脚排列见图 1。2。 lm124、lm224 和 lm324 引脚功能及内部电路完全一致。lm124 是军品；lm224 为工业品；而 lm324 为民品。由于 LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用在各种电路中。图 4、LM324 内部结构图内部结构如上图。图 5、LM324 内部原理图如图 5 所示,内部原理图3.3 LM386 介绍LM386 是一种集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真
