AT89S52單片機的超聲波倒車雷達系統的設計

0 引言

??? 超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩，由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等到優點，經常用于測量距離。本文設計的倒車雷達系統就是利用超聲波的上述特性做到對倒車距離實時和高精度的檢測，同時，此系統成本低、設計簡單、精度和穩定性好，有望得到廣泛的應用，從而減少交通事故的發生。

1 超聲波測距原理

??? 超聲波測距原理是利用超聲波從發射到接收過程中傳播的時間來計算出傳播距離。本文的倒車雷達系統采用反射接收回波方式。設l為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為c，則有t=2l／c，而聲波在空氣中傳輸速率為。式中T為環境溫度；cO為絕對溫度時的速度，是常數。從上述兩式可以推出，故利用超聲波測量的距離與時間和環境溫度有關，在本系統中利用AT89S52中的定時器測量超聲波傳播時間，利用DSl8820測量環境溫度，從而提高測距精度。

2 硬件設計

2．1 系統硬件總體設計

??? 如圖1所示，本系統硬件部分由AT89S52控制器、超聲波發射電路、接收電路、溫度測量電路，聲音報警電路和LCD顯示電路組成。汽車行進時LCD顯示環境溫度，當倒車時，發射和接收電路工作，經過AT89S52數據處理將距離也顯示到LCD上，如果距離小于設定時，報警電路會鳴叫，提醒司機注意車距。AT89S52是主控芯片，支持在線下載程序，方便調試，有8kB的Flash、32個I／O口、三個16位定時／計數器、八個中斷源、全雙工UART串行口和看門狗定時器等，資源豐富，既滿足了本系統的設計要求，也滿足了日后擴展的需求。

2．2 超聲波發射電路

??? 超聲波發射器包括超聲波產生電路和超聲波發射控制電路兩部分，超聲波探頭選用CSB40T。可采用軟件發生法和硬件方法產生超聲波。本系統利用軟件產生40kHz的超聲波信號，經過74HC04兩次和一次反向放大驅動后輸出到CSB40T，如圖2所示。

??? 74HC04是一個高速CMOS六反相器，具有對稱的傳輸延遲和轉換時間，而相對于LSTTL邏輯IC，它的功耗減少很多。對于HC類型，其工作電壓為2～6V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入LSTTL邏輯信號和CMOS邏輯輸入。

2．3 超聲波接收電路

??? 由于超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳輸距離的增大而減小，從遠距離障礙物反射的回波信號一般比較弱，所以在設計超聲波接收電路時，要有較大的放大倍數；為減小環境噪聲對回波信號的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測。超聲波接收電路使用集成電路CX20106A，可用來完成信號的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能，如圖3所示。

??? 其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強時放大器不會過載；其帶通濾波器中心頻率可由芯片5腳的外接電阻調節，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時，使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。當接收到40kHz信號后，芯片7腳會出現較短的低電平，接入單片機便可以使單片機產生中斷。

2．4 溫度測量電路

??? 由于超聲波的傳播速度v會受溫度、濕度、壓強等的影響，其中溫度的影響尤為嚴重。因此在測量精度要求高的場合，應通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正，以減小誤差。

??? 本系統采用DALLAS公司的DSl8820數字式溫度傳感器進行溫度測量，它所測量的溫度值用9位二進制數直接表示，這些值通過DSl8820的數據總線直接輸入CPU，無需A／D轉換，而且讀寫指令、溫度轉換指令都是通過數據總線傳入DSl8820，無需外部電源。DSl8820數字溫度傳感器與AD590、LM35等溫度傳感器相比，具有相當的測溫范圍和精度，溫度測量精確、不受外界干擾等優點。硬件結構如圖4所示。

2．5 顯示電路

??? 本系統中的顯示部分采用1602LCD液晶顯示。具體接口如圖5所示。

??? 如上圖，有兩組電源，一組是模塊的電源 一組是背光板的電源 均為5V供電。R3是調節對比度的引腳，調節此腳上的電壓可以改變黑白對比度。RS是很多液晶上都有的引腳，是命令／數據選擇引腳，該腳電平為高時表示將進行數據操作；為低時表示進行命令操作。RW也是很多液晶上都有的引腳，是讀寫選擇端，該腳電平為高時表示要對液晶進行讀操作；為低時表示要進行寫操作。同樣，很多液晶模塊有E引腳，通常在總線上信號穩定后給一正脈沖通知把數據讀走，在此腳為高電平的時候總線不允許變化。DO～D7 8位雙向并行總線，用來傳送命令和數據。BLA是背光源正極，BLK是背光源負極。

3 軟件設計

??? 本系統的軟件設計采用模塊化設計，由主程序、超聲波發射子程序、超聲波接收子程序、溫度補償子程序、報警子程序以及顯示子程序組成。主程序流程圖如圖6所示。

??? 超聲波倒車雷達系統，最重要的就是對發射信號的控制及接收測量的時機控制。在設計中，AT89S52對發射的控制就是對40kHz方波產生電路的控制。由AT89S52的Pl．0口控制超聲波發射電路以6個脈沖的序列發射出去，在程序中用延時實現。脈沖發射同時打開定時器T0開始計時，發射后等待1ms打開外部中斷INT0，等待回波反射到接收探頭。等待1ms的原因是，超聲波發射探頭發射的超聲波一般都會存在余波干擾，有部分聲波會直接傳到接收探頭，經接收電路放大后，系統就會把它誤認為是檢測的回波信號，發射后等待1ms可以避免檢測到余波信號，當然這也會導致測量盲區的存在。

4 結論

??? 為了證明本文設計的倒車雷達系統的可靠性，在內部進行了實地測量。本系統測距范圍為0．2～5m。最大誤差小于3cm。因此，本系統具有工作穩定、抗干擾能力強、靈敏度高的特點。