汽车倒车雷达设计 - 图文(2)

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（二）超声波传感器的特性

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性两大类，这里主要介绍压电式超声波传感器的特性。

图3 超声波发射传感器的升压能级和灵敏度示意图

超声波发射传感器的升压能级和灵敏度示意图如图3所示。其中，40KHz处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并目在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽的带宽，同时灵敏度也随之降低。并目最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能获得较高的接收灵敏度。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率为f = 40kHz ,波长λ = 0. 85cm。

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表而上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球而波(子波)，这些子波没有一指向性。但离开超声传感器空间某一点的声压是这些子波迭加的结果(衍射)，却有指向性。图4是电路中选用的超声波发射传感器的指向特性图和硬件结构。

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四川师范大学成都学院专科毕业设计 图4 超声波发射传感器的指向特性图和硬件结构

（三）超声波在各个行业的应用

超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40到80度，本设计发射传感器指向角为60度。超声波在许多领域内比可听声的用途更加广泛，原因有以下几个:

1.具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。

2.超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。

3.超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。

4.当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

二、倒车雷达的原理与总体设计

（一）超声波测距原理

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight），也可以称为回波探测法。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在介质中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，根据计时器记录的时间(t)，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)。

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如图5为超声波测距原理图。公式如公式1所示： s=340t/2（公式1）

图5 超声波测距原理图

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 限制倒车雷达系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度对其的影响。表1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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是倒车雷达的机理。

表1 声速c与温度的关系

温度(℃) 声速(米/秒)

-30 313 -20 319 -10 325 0 333 10 338 20 344 30 349 100 386 （二）倒车雷达整体设计方案

倒车雷达系统的应用依托于AT89C51控制芯片和超声波接发装置来实现超声信号检测和反馈的。因此初步计划是应用于小范围的测距，限定在2.5米左右量程。简单的说就是：单片机(AT89C51)发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波发射器输出；反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示，并进行声光报警。其整体框架构建如图6所示。

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图6 倒车雷达整体框架图

发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈(有时装在探头内)，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表而缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。

发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机(AT89C51)能够识别的中断信号作为回波到达的标志。 （三）单片机控制芯片的选择

在本设计中主要利用P0口来驱动ZLG7289芯片，用P1口的P1.0来控制超声波发送间隔，其中P0要求上拉电阻为10K，才可以输出到ZLG7289芯片。利用P3.3，P3.2来作为按键输入和响应超声波接收中断。利用P3.2口的外部中断0引入中断，中断后

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送入单片机处理时间和计算工作。本系统中所用到的主要芯片有单片机AT89C51、ZLG7289、LF353、LM567、TLP521。以下就部分芯片的功能与结构做简单介绍。

1.AT89C51芯片简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(ROM)和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51的主要性能参数：

★ 与MCS-51产品指令系统完全兼容 ★ 4K字节可重檫写Flash闪速存储器 ★ 1000次檫写周期 ★ 全静态操作：0Hz--24MHz ★ 三级加密程序存储器 ★ 128x8字节内部RAM ★ 32个可编程I/O口线 ★ 2个16位定时/计数器 ★ 6个中断源 2.ZLG7289芯片简介

ZLG7289A是一片具有串行接口的可同时驱动8 位共阴式数码管或64 只独立LED的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64 键的矩阵键盘即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。芯片内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码，也可以同时运行这2种译码方式。此外还具有多种控制指令，如：消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等。

ZLG7289芯片的特点：

★ 串行接口无需外围元件可直接驱动LED ★ 各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性 ★ 循环左移/ 循环右移指令 ★ 具有段寻址指令方便控制独立LED ★ 64 键键盘控制器内含去抖动电路 （四）超声波发送和接收元器件选择

在元器件的选择上遵守一定的原则,必须适合设计的要求。本节主要讲述选择元器

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