汽车防撞报警器的设计与制作

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汔车盼穆报警器酌ｉ殳计与制作

天津工业大学涂晓星

’

［摘要］本设计采用了以ＡＴ８９Ｃ５２为主控芯片，利用三极管的开关特性驱动Ｔ４０一１６（４０ＫＨＺ超声波发射端予）发射４０ＫＨｚ方波，然后接收端子Ｒ４０一１６接收信号，经放大电路及后级处理后单片机接收到一个下降沿中断，对信号传输期间所计数据进行处理后实现ＬＥＤ显示障碍物与汽车发射端的距离．本文重点介绍了三极管的开关特性，发射端与接收端的压电效应，检波整流电路以及运放的简单应用。经过实际验证，在车体上合理布置该报警器，利用超声波洲量汽车与障碍物距离，实现汽车前行和倒车时与障碍物之间距离的检测Ｉ通过ＬＥＤ点阵实时显示距离，使汽车避免和障碍物发生碰撞。实验表明该汽车防撞报警器具有测距速度快、准确度高、易于实现等优点，具有很好的应用前景．［关键词］超声波测量器单片机开关管障碍物

１、本项设计超声波的应用

本电路基于超声波在空气中的传播，在车体的各个方位安装超声波传感器，同时接收来自于不同方位的反射信号检测车体周围的环境，使车体在行使和后退时始终处于一种安全状态，达到本设计的目的．在设计超声波传感器测距电路时应注意以下几点：

（１）超声波传感器作为谐振器件，驱动时所需电流较小。一般仅为几毫安到十几毫安．但要有一定幅度的驱动电压，另外驱动电路不加限流电阻。

（２）发射器驱动电压的频率一定要接近传感器的中心频率，设计时元件参数需经过精确的计算。调试时通过频率计来监测频率．选用阻抗较高的前置放大器，以获得较高的接收灵敏度和

，

选择性。

２、硬件与软件电路设计总体概述２．１、硬件总体框架

从功能上划分可以分成方波信号产生部分，开关管部分，信号放大部分，检波整流及稳压部分，人机交互部分。

超声波发射郡分ｔ由信号发生电路产生方波信号，利用三极管的开关管特性，信号经过放大处理后，通过发射端子发射。

超声波接收部分ｔ通过接收端子接收反射回来的信号，经过放大电路处理后，利用整流检波电路将交流信号变换为直流电压信号，再经稳压处理后送单片机，通过Ｃ语言编程进行测距，人机交互部分是由ＬＥＤ（液晶）显示及一些功能按键组成。

总体设计如图２—１所示ｔ

Ｉ超声波接收ｌ

超声波发射

＞＜

ＬＥＤ显示

单片机‘控制器

丁丁

扫描驱动

：

图２．１硬件总体框架图

２．２、软件总体框架

超声波测距的软件部分主要由４０Ｋ｝ｋ方波产生程序和距离显示程序组成。采用Ｃ５１语言来实现，该语言具有可移植性

团

系统初始化

◆

好、表达能力强、方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等优点．同时具有完善的调试功能．整体软件设计流程如图２—２所示：

ｌ

发生超声波脉冲

上

计数

（结束）

万方数据　一９２一

图２．２总设计软件流程图

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３、硬件系统工作原理与相关技术分析３．１、压电效应简介

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３．２、检波整流

半波整流电路：利用二极管单向导电特性，作用是将交流电转换成单向脉动性直流电，如图３—２（ｂ）所示．

检波电路：利用有极性电解电容对负载电阻的充放电，由负载电阻输出直流电压，如图３—２（ｃ）所示．

该电路是本设计中后级处理的关键所在，我们利用检波整流原理及电容在充放电时间上的差异将正弦波处理成接近于Ｖｐ—ｐ的直流电压信号．使最后的信号更加的稳定．

正压电效应（顺压电效应）：对于某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象．当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变．

逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象．

№加乍业△ｐ

输入波形

半波整流（ｂ）

检波

（ａ）

（ｃ）

图３．２检波整流波形图

３．３、运算放大器的选择

本设计超声波信号放大电路部分采用ＬＭ３５３集成运算放大器，经过对几种运放性能的综合对比，根据本设计的实际情况，最终选用ＬＭ３５３和ＡＤ８１１，其中ＬＭ３５３的输入阻抗最高可达１ＧＭ０，在接收端信号很微弱的情况下也能经后级跟随及

放大处理，并且这种微弱的信号需要很大的放大倍数才能够被处理成单片机可以接收的信号，ＡＤ８１１的放大倍数可达１００倍之高，性能稳定，两者价格适中．ＬＭ３５３结构如图３—３所示，ＡＤ８１１结构如图３—４所示ｔ

ＤｕａＩ．Ｉｎ—ＬｉｎｅＰａｃｋａｇｅ

～

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Ｂ

ＮＣ＋ＶｓＯＵＴＰＵＴＮＣ

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ｈ

揣擀睢Ｂ

时№

ＮＣ＝ＮＯ

ＣＯＮＮＥＣＴ

图３—３ＬＭ３５３示意图

图３—４ＡＤ８１ｌ示意图

４、硬件各模块电路原理分析４．１，方波产生部分

方波信号产生部分主要以ＡＴ８９ｃ５２为主控芯片使Ｉ／Ｏ口

晶振．计算公式为：

Ｘ（晶振参数）＝４００００・１２・２．ｋ（系效）

Ｘ的范围最好限制在１０Ｍ～２０Ｍ之间．结合现有晶振计算方波误差如表１所示。

输出４０Ｋ磁的方波信号，需精确的计算出所需的晶振，然后根

据计算的值选用适用晶振，此外应尽量用能够产生最小误差的

表１方波误差分析表

ｋ取值

１１１２１３１４１５１６１７１８１９２０

计算结果１０．５６Ｍ

１１．５２Ｍ

现有接近晶振‘

１１．０５９２Ｍ１１．０５９２Ｍ

１２Ｍ１３．５６Ｍ１３．５６Ｍ１６Ｍ１６Ｍ１６Ｍ

２０Ｍ２０Ｍ

产生方波频率

３８．４ＫＨＺ３８．４ＫＨＺ３８．４６ＫＨＺ４０．５３７ＫＨＺ４０．５３７ＫＨＺ３９．２１５６ＫＨＺ３９．２１５６ＫＨＺ３９．２１５６ＫＨＺ４１．６７ＫＨＺ４１．６７ＫＨＺ

误差

４％４％３．８５％１．３４％

１２．４８Ｍ

１３．４４Ｍ１４．４０Ｍ１５．７６Ｍ１６．３２Ｍ

１．３４％

１．９６１％

１．９６１％

１．９６１％４．１５％４．１５％

１７．２８Ｍ

１８．２４Ｍ１９．２０Ｍ

万方数据　

一９３一

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考虑到方波频率偏移对接收端信号影响较大，本设计采用晶振为１３．５６Ｍ，通过计算当ｋ取１４时，ｘ为１３．４４Ｍ，所得到的ＶＣＣ

误差最小，符合本设计的要求。

４．２、开关管部分

单片机的拉电流大约为ｏ．２ｍＡ，灌电流大约为１ｍＡ～２０ｍＡ．考虑拉电流太小无法驱动运放正常工作，所以采用开关管电路作为驱动电路，电路如图４—１：

（１）第一级三极管的基极电压为高电平时，三极管截止．实测输出电压为６．２Ｖ左右，与理论值有一定的误差．

（２）第一级三极管的基极电压为低电平时，三极管导通．实测输出为电压为Ｏ．４Ｖ左右。

４．３、信号放大部分

本设计的重点及难点为信号放大电路的设计，经过几个方案的试验，最终选用运算放大器ＬＭ３５３对接收端信号放大，考虑到超声波在传播途中会有较大的损耗和衰减，所接收到的超声波返回信号是非常微弱的。为了增大超声波的回波信号的强度，接收端利用ＬＭ３５３的高输入阻抗对弱信号进行跟随，利用ＡＤ８１１的大放大倍数对跟随后的信号进行放大．以保证单片机图４．１开关管电路图

可以接收到符合单片机输入范围的信号．放大部分电路如图４—２所示ｌ

图４．２信号放大电路图

４．４、检波整流及稳压部分

是利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻上电压或电本设计整流部分采用整流二极管ＩＮ４００７正反并联来对接流的变化进行补偿，达到稳压的目的．限流电阻是必不可少的元收到的回波信号进行半波整流，二极管型号是根据流过二极管件，它既限制稳压管中的电流使其正常工作，又与稳压管相配合电流的平均值和二极管所承受的最大反向电压来进行选择的．以达到稳压的目的．电路如图４—３所示。

该部分电路设计思路是靠电容Ｃ２的充放电时间的不同，使ｃ２４．５、人机交互部分

保持一个稳定的直流电压，其值约为Ｖｐ—ｐ／２，可以看作直流电人机交互主要是通过键盘虚拟设置车速，以便在本设计有压源Ｉ其与信号输入端信号叠加以后将信号的参考电平抬高至较好的适应性．

Ｖｐ—ｐ／２处。后经检波处理成稳定的直流信号．

４．６、显示部分

显示部分采用简单实用ＬＥＤ数码管，并利用ＨＡ７２７９Ａ芯片驱动ＬＥＤ数码管进行结果的显示，本设计采用ＬＥＤ动态显示方式，所谓动态显示，就是一位一位地循环点亮显示器各个位（扫瞄），对于显示器地每个位来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时问有关，调整电流和时间参致，可以实现亮度较稳定的显示。

５、软件部分说明超声波测距原理

超声波测距的原理在前面已经介绍过了，即超声波发生器Ｔ在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被

图４．３检波整流稳压电路

测物体后反射回来，就会被超声波接收器Ｒ接收到，此时只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可本设计稳压部分采用稳压二极管组成的稳压电路，其原理

算出超声波发射器与反射物体的距离．该距离的计算公式为：

一９４一万　

方数据

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ｄ＝８／２＝（ｖ×ｔ）

（５．１）

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复测量过程．这样就可以根据障碍物的不同位置在ＬＥＤ上显示其中：ｄ为被测物与测距仪的距离，ｓ为声波往返的路程；ｖ不同的距离。

为声速Ｉｔ为声波往返所用的时间。

设计完毕后的整个系统如图５—１所示，

测出距离后结果将送往ＬＥＤ显示，然后再发超声波脉冲重

发射端信号

万　

方数据一９５—

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显示电路

６、设计总结

该汽车防撞报警器从设计制作到试验成功历经一个多月，通过对该系统的制作培养了我们各方面的能力，包括学习能力，动手能力和实际操作能力，同时这也是一种综合能力的培养．

通过该设计有以下几点收获，

（１）电路元器件的摆放问题，由于本设计主要以模拟器件为主，各个模拟器件之间的干扰比较严重，所以合理摆放器件对最后设计的成功与否至关重要，导线的连接也应注意，线长或者线短都会造成麻烦，所以布局和焊接时一定要注意此问题．

（２）发射频率的选择也很重要，频率越高，衰减系数ａ越大，传播的距离也越短．在实际的应用中，一般选用３０一１００ＫＨｚ的超声波进行距离测量，比较的理想典型的频率为４０ＫＨｚ．

（３）接收电路，本设计的重点及难点就是要将接收反射信号

进行放大，放大的方法也很多，这里主要用集成运放对电路进行放大．集成运放放大能力强，干扰少，对单片机的接收和有帮助．

（４）软件编程部分采用Ｃ语言，因为ｃ语言比汇编语言来说在时问精确度方面差了一些，所以在编程的时候要注意时间延时的调试．

这次设计基本上实现了所要求的各项指标，但由于时间、水平和经验方面的欠缺，本设计在很多方面还有很多的不足，比如干扰、电路设计合理性等问题，这些还需日后有待鳃决．通过实际工程的设计也使我们了解到书本知识和实际应用的差别．在实际应用中遇到很多的问题，这都需要我们对问题进行具体的分析，并一步一步地去解决它。这就让我们认识到只有不断的学

习才会不断的提高．

一９６一万　方数据