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汽车倒车雷达系统的设计.rar

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    编号:20181030002154111    类型:共享资源    大小:1.06MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    汽车 倒车 雷达 系统 设计
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    摘 要随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺,汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重,撞车事件屡屡发生,造成了不可避免的人身伤亡和经济损失,针对这种情况,设计一种响应快,可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行,超声波测距法是最常见的一种距离测距方法,本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车雷达系统。论文的内容是基于 AT89C51 单片机倒车防撞系统的设计,主要是利用超声波的特点和优势,将超声波测距系统和 AT89C51 单片机结合于一体,设计出一种基于 AT89C51 单片机的倒车雷达系统。该系统采用软、硬件结合的方法,具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声波检测的发展及基本原理,阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论,并且在介绍超声波测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较,得出了最佳设计方案,并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍,并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构,通过编程来实现系统功能。最后,通过对系统的误差分析,给出了系统的改进方案。关键字:单片机 超声波 AT89C51第 1 章 绪 论随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺,汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重,撞车事件屡屡发生,造成了不可避免的人身伤亡和经济损失,针对这种情况,设计一种响应快,可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行,超声波测距法是最常见的一种距离测距方法,应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离,低速状况,以及在汽车倒车雷达系统中,超声波作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性——折射,反射,干涉,衍射,散射。超声波测距即是利用其反射特性,当车辆后退时,超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置,并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员,起到安全的作用。1.1 超声波检测发展综述高速度,高效率是现代工业的标志,而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解:非均一的组织结构,随机出现的微观,宏观缺陷,常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现,评价。当然,这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力,使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在,在工业发达国家,无损检测在产品的设计,研制,使用部门已被卓有成效的运用,1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过:“你们能够给飞机和空间飞行器,发电厂,船舶,汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测,我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。 ”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展,客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。我国无损检测技术是从无到有,从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产,也大致按此规律发展变化。五十年代,我国开始从国外引进超声波仪器,多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪,重达 24Kg,各单位积极开展试验研究工作,在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初,国内科研单位进口了波兰产超声仪,并进行仿制生产。随后,上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪,也是电子管式,仪器重约 20Hg。该仪器性能稳定,波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用,建工部门使用不多。直至七十年代中期,因无损检测技术仍处于试验阶段,未推广普及,所以仪器没有多大发展,仍使用电子管式的 UCT-2,CTS-10 型仪器。1976 年,国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后,国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目,组织全国 6 个单位协作攻关。从此,无损检测技术开始进入有计划,有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展,半导体元件逐渐代替了电子管器件,更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪,是由晶体管分立元件组成,具有波形和数码显示,仪器重量 10Kg。七十年代,英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的 PUNDIT 便携式超声仪。1978 年 10 月,中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用 TTL 线路,数码显示,仪器重量为 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型, CTS-25 型,SYC-2 型超声波检测仪。从此,我国有了自己生产的超声波仪器,为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术,其具有高精度,无损,非接触等优点。目前,已经广泛地应用在机械制造,电子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工业领域。此外,在材料科学,医学,生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究,国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度,二者中以传播时间的精度影响较大,所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前,相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一,在其发展过程中起着重要的作用,它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性,超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析,大部分检测设备仅有 A 扫描形式,需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论,对检测和分析人员的要求较高,因此,人为因素对检测的结果影响较大,波形也不易记录和保存,不适宜完成自动化检测。八十年代后期,由于计算机技术和高速器件的不断发展,使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备,并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点,通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的 Carullo等人介绍了一种自适应系统,采用特殊的发射波形来获得好的回波包络,同时采用对环境噪声进行估测,设置一定的回波开平电路,且采用自动增益的控制放大器,通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外,也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展,数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视,国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美(PANAMETRICS)公司、METEC 公司,加拿大的 R/D TECH 公司,德国的 K-K 公司、法国的 SOFRATEST 公司和西班牙的 TECNATOM 公司等等,上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高,在世界上处于领先水平。随着检测技术研究的不断深入,对超声检测仪器的功能要求越来越高,单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测,记录,存储,数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中,煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪,是一种内带微处理器的智能化测量仪器,全部操作都处于微处理器的控制管理之下,所有测量值,处理结果,状态信息都在显像管上显示出来,并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定,操作简单,可靠性高,具有断电存储功能,其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比,设计新颖合理,功能齐全,在仪器设计上有重大突破和创新,达到了国际先进水平。目前,计算机市场价格大幅度下降,采用非一体化超声波检测仪器,计算机可发挥它一机多用的各种功能,实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置,还不如单独的超声仪,计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件,使用环境,重复性测试内容等基本情况一样,才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发,才能满足用户的要求。综上所述,我国超声波仪器的研制与生产,有较大发展,有的型号已超过国外同类仪器水平。1.2 本论文的主要内容,章节安排本论文第一章绪论部分主要介绍了超声波的发展状况,以及目前的现状和前景。第二章超声波测距原理主要介绍了超声波传感器,超声波传感器的特性,传感器的检测概述和超声波测距的原理及实现。第三章单片机倒车雷达系统总体构想主要介绍了超声测距系统的总体方案,系统主要参数考虑和超声测距系统的总体构成。第四章超声波测距系统各组成单元方案设计(包括发射接收电路设计、显示电路设计、报警电路设计、晶振电路设计、复位电路设计等)。并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。第五章系统硬件软件实现部分主要介绍了各模块中的硬件部分以及软件的实现。第六章给出系统的误差分析和系统改进。第 2 章 超声波测距原理2.1 超声波传感器介绍超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点,而经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体动力型。电声型主要有:1 压电传感器; 2 磁致伸缩传感器;3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同,超声传感器的结构形式是多种多样的,并且名称也有不同,例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛” 。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件,是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英,铌酸锂等,属于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钛酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。因此,用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。前者用于超声波的发射,后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。图 2.1 压电式超声波传感器结构图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 2.1 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,将机械能转化为电信号,这时它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率,即中心频率 f0。发射超声波时,加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样,超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成,其中,压电陶瓷晶片是传感器的核心,锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中,并使传感器有一定的指向角,金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的,但不影响发射与接收超声波。2.1.1 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,这里以 SZW-S40-12M 发射型超声波传感器为例进行说明。一、频率特性图 2.2 超声发射传感器频率特性图 2.2 是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中,f0=40KHz 为超声发射传感器的中心频率,在 f0 处,超声发射传感器所产生的超声机械波最强,也就是说在 f0 处所产生的超声声压能级最高。而在 f0 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 f0 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 f0 处曲线最尖锐,输出电信号的幅度最大,即在 f0 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,并且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得带宽,同时灵敏度也随之降低。并且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,才能有较高得接收灵敏度。二、指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片,可以把表面上每个点看成一个振荡源,辐射出一个半球面波(子波) ,这些子波没有指向性。但离开超声传感器的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。2.2 超声波检测概述超声波是一种频率超过 20kHz 的机械波。超声波作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点,可产生较大力量,并且在不同的媒质介面,超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速,方便,易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如:液位、井深、管道长度等场合。超声波在介质(固体、液体、气体)中传播时,利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时,利用反射这一性质,在金属,非金属中用来探测缺陷的位置和性质,从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验;在水中,根据反射波可以探测潜水艇和鱼群,测量海底深度以及探查海底底层等;在人体中则可以协助临床诊断疾病(如肝脓肿、肿瘤、胆结石等)和探测胎儿等。利用超声连续波的共振性质,可以测量高压容器,锅炉,轮船甲板等的厚度或腐蚀程度,也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性,可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动体时,利用多普勒效应,可以测量流速流量,探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号,则可制成水中电话,水中遥测仪等,以进行水中通信。利用超声波在固体,液体中传播的速度远小于电磁波这一特性,可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。除此之外、声发射、声成像技术(包括声全息成像技术)的发展更大大丰富了超声检测的内容。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用,它不但可以保证产品质量、保障安全,还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比,其最大特点是穿透力强,几乎可以在任何物体中传播,了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单,成本低廉的优点,有利于工程实际使用。近十几年来,由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展,突破了常规超声检测的限制,进一步开拓了其适用范围。2.2.1 超声探伤超声波在被检材料(金属、非金属)中传播时,利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法,称为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法,即不需破坏被检材料或工件就能探测其内部各种缺陷(如裂纹、气泡、夹杂物等)的大小,形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度高、快速方便、易实现自动化等优点,因此广泛应用于机器制造、冶金、化工设备、国防建设等部门,已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段。超声探伤按其方法和目的可分为如下诸种:一、脉冲反射法把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波,这种探伤方法称为脉冲反射法。它是超声探伤中最基本的方法。在脉冲反射法中,根据声束传播情况可分为直探法和斜探法;根据探伤所用波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法和板波探伤法;根据探头个数和作用可分为单探头法和双探头法;根据声耦合方式可分为直接接触法和水浸法等等。由于这些方法具有各自的特点,所以广泛用来对金属和非金属材料及其制品进行无损检验。二、穿透法利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法称为穿透法。穿透法有连续波穿透法,脉冲穿透法和共振穿透法等。此方法的优点是适用于薄工件;由于超声波传播路程仅为反射法的一半,故适用于检查衰减大的材料;探伤图形直观,只要定好检查标准就可以进行作业;易实现自动探伤、检查速度快。缺点是不能知道缺陷的深度位置;缺陷探测灵敏度一般比反射法低,难以检查较小缺陷。三、共振法把频率连续改变的超声波射入被检材料,根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷等材料性质的方法称为共振法。共振法一般用来测量金属板、管壁、容器壁的厚度或腐蚀程度,测量声速,检查板中的分层和进行材质判定。四、声阻法声阻法是利用被测物件的振动特性,即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测的一种无损检测法。它多用于检测物体表面的成层情况,例如用来检查基体材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作频率范围一般都较低(如几千赫兹) 。用这种方法工作时,把探头和被测件直接接触,使被测件和探头结合在一起构成一个共振体,探头一方面是振动源,同时也是检测部件,当被测件的有效厚度不同时(例如,若膜片未粘上,则有效厚度仅为膜片的厚度,若已完好的粘接上,则有效厚度包括膜片和基体材料的厚度) ,该共振体频率特性就不同,从而可根据其频率特性来判定膜片在某个小区域的粘接情况。2.3 超声波测距的原理及实现超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用要求限定,在这里使用脉冲反射式,即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,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停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=340m/s,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),即:S=C*t/2=C*t0 (2-1)其中,t0 就是所谓的渡越时间。可以看出主要部分有: (1) 供应电能的脉冲发生器(发射电路) ;(2) 使接收和发射隔离的开关部分;(3) 转换电能为声能,且将声能透射到介质中的发射传感器;(4) 接收反射声能(回波)和转换声能为电信号的接收传感器;(5) 接收放大器,可以使微弱的回声放大到一定幅度,并使回声激发记录设备;(6) 记录/控制设备,通常控制发射到传感器中的电能,并控制声能脉冲发射到记录回波的时间,存储所要求的数据,并将时间间隔转换成距离。在超声波测量系统中,频率取得太低,外界的杂音干扰较多;频率取得太高,在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中,常使用 40KHz 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米,是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性,具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为 25KHz~300KHz 的脉冲压力波,发射和接收的传感器有时共用一个,或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成,负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串,并由传感器转换成声能发射出去;接收放大器用于放大回声信号以便记录,同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号,接收放大器要有足够的频带宽度;收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号;记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时,并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。第 3 章 单片机超声波测距构想该超声测距系统的应用背景是基于 DSP 的超声信号检测中的先期部分。因此初步计划是在室内小范围的测距,限定在 4 米之内。本章从整体结构角度讨论了测距系统的组成及一些系统主要参数。3.1 超声波测距系统的总体方案系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的,系统结构如图 3.1 所示。图 3.1 超声波测距硬件电路图电子市场上常见的超声探头是收发分体式,一般频率为 40KHz。如果需要更高频率的超声探头,比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率,就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件,拟选用的探头是 40KHz 的超声传感器,有一支接收传感器 SZW-R40-10P 和一支发射传感器 SZW-S40-12M,其特性参数如表 3.1 所示。发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈(有时装
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