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超声波倒车雷达预警系统设计与硬件实现
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更新于2024-06-30
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本文主要探讨了"系统构建与硬件设计"中的倒车雷达预警系统,其核心原理是利用超声波测距技术。在倒车过程中,当驾驶员将车辆切换到R挡并激活倒车雷达时,安装在车尾保险杠上的探头会发射超声波。这些声波遇到障碍物会被反射回来,形成回波信号。系统中的传感器接收到这些回波后,经过控制器的处理,能够计算出车体与障碍物之间的精确距离,从而判断障碍物的位置。 本文首先对国内外相关技术进行了详尽的研究和分析,以理解当前倒车雷达系统的最佳实践。它着重于基于超声波测距的倒车雷达预警系统的设计与实现,将系统划分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块。测距模块负责实际的超声波测量,系统控制模块则确保所有功能协调工作,而显示报警模块则通过LED显示器和蜂鸣器来提供清晰的警示信息,提醒驾驶者避免潜在碰撞。 硬件设计方面,文章详细介绍了单片机技术在可视倒车雷达预警系统中的应用。以AT89S52单片机作为主控单元,它负责处理信号、执行算法以及驱动其他组件。通过单片机技术,系统能够实时高效地进行数据处理,确保倒车过程中的实时反馈。作者还通过系统仿真实验验证了这一设计的可靠性和实用性,证明了基于超声波和AT89S52单片机的倒车雷达预警系统能够在实际操作中提供准确且易于理解的倒车辅助信息。 本文不仅介绍了倒车雷达的工作原理,还展示了如何通过精心设计的硬件和软件架构,将超声波测距技术与现代微控制器集成,以提升驾驶者的倒车安全性。这是一项具有实际应用价值的技术,对于汽车行业和自动驾驶领域的发展都具有重要意义。
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穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波,
碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生
物医学等方面以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这
种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
小功率超声探头多用作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、
斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一
个探头反射、一个探头接收)等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片
的材料可以有许多种。晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头
的性能是不同的,我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性
能指标包括:
(1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流
电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
(2)工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高,特别时诊断用超声波
探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不产生失效。
医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。
(3)灵敏度。主要取决于压电晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反
之,灵敏度低。
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一
方面,当振动压电陶瓷时,则会产生一个电荷。利用这一原理,当给由两片压
电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器,所谓叫双压电晶片元件,
施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。相反,当向双压电晶片元
件施加超声振动时,就会产生一个电信号。基于以上作用,便可以将压电陶瓷
用作超声波传感器。
如超声波传感器,一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振
动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动
器的一个结合体。谐振器呈喇叭形,目的是能有效地辐射由于振动而产生的超
声波,并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性,以便防止露水、雨水和
灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口
端,并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言,要求
其精确度要达到 1mm,并且具有较强的超声波辐射。
图 2-2 超声波探头的结构图
其原理为:在超声波发射器两端输入 40KHZ 脉冲串,脉冲信号经过超声波
内部振子,振荡产生机械波,并通过空气介质传播到被测面,由被测面反射到
超声波接收器接收,在超声波接收器两端,信号是毫伏级的正弦波信号,超声
波经气体介质的传播到接收器的时间,即为往返时间。往返时间与气体介质中
的声速相乘,就是声波传输的距离。而所测距离为声波传输距离的一半,其关
系式可由公式(1-1)表示:
L=CT/2 (1-1)
(1-1)式中,L 为待测距离,C 为超波的声速,T 为往返时间。采用微处理
器脉冲计数的方法,可以精确地测出 T 的值。假设微处理器的周期为 t,则
T=Nt,则探测距离可由公式(1-2)表示:
L=CT/2=CNt/2 (1-2)
因为超声波指向性强,所以超声波对障碍物面的入射角对超声波电子倒车
雷达的灵敏度影响较大。理想的情况是让超声波垂直于入射面,可最大限度地
接收反射回波以避免可能使超声波电子倒车雷达失灵(进入超声测距盲区)的
情况出现。图 2-3 是超声波测距的原理图。
2.3.2 控制系统方案设计
在控制系统的方案选择上,由于整个系统的设计涉及到数据处理,控制实
时性等问题,选用基于微控制器的系统,电路的实现不仅简单而且成本低、功
耗低、能大大缩小整个系统的体积。本系统是精密实时采集传输系统,需要微
控制器有很强的抗干扰能力,而且要求微控制器内部有看门狗定时器,以便在
程序走飞时能自动复位;执行指令速度要快,以便能高速处理采集到实时数据。
所以微控制器选用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机的控制系统。
超
声
波
探
头
发射波
反射波
障
碍
物
t
V
发射波
反射波
图 2-3 超声波测距的原理图
AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器,具有 8K 在线可编程
Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业 80C51
产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程,亦适于
常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash,使得
AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52
具有以下标准功能:8k 字节 Flash,256 字节 RAM,32 位 I/O 口线,看门狗定时
器,2 个数据指针,三个 16 位定时器/计数器,一个 6 向量 2 级中断结构,全双
工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作,支
持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许 RAM、定时器/
计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM 内容被保存,振荡器被冻
结, 单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2.3.3 显示报警系统方案设计
显示器应用极为广泛,是一种输出设备,综合课题的实际要求、成本以及
考虑单片机的接口资源,本设计使用三个 DPY_7-SEG_DP 共阴二极管显示器,由
于倒车时距离障碍物的距离本来就比较近,大概在 3 米以内,所以一个三位的
LED 显示器就可以达到要求。
报警装置采用的是有源蜂呜器,根据距离远近进行报警,以提示驾驶员。
发射电路
接收电路
显示距离
报警电路
单
片
机
控
制
发射传感器
接收传感器
图 2-4 单片机控制系统
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