I 摘要 本文的內(nèi)容是基于超聲波測(cè)距的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將超聲波測(cè)距系統(tǒng)和 片機(jī)結(jié)合于一體，設(shè)計(jì)出一種基于系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方法， 包括電源模塊、單片機(jī)及顯示模塊、報(bào)警模塊、超聲波發(fā)射與接收模塊， 具有模塊化和多功能化的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)的原理是超聲波發(fā)射器發(fā)射一連串超聲波，遇到障礙物 后 反射回來(lái)，由超聲波接收器接收，只要能計(jì)算出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間，就可以通過(guò)計(jì)算 子 程序得出汽車與障礙物的距離，當(dāng)距離小于報(bào)警距離時(shí) ，發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警。 論文概述了 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng) 的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。對(duì)于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。通過(guò)多種設(shè)計(jì)方案比較，得出了最佳設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)計(jì)單元的原理進(jìn)行了介紹。對(duì)組成各系統(tǒng)電路的芯片進(jìn)行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 關(guān)鍵詞： 汽車倒車?yán)走_(dá) 系統(tǒng)； 聲波 測(cè)距 he is on on of a of is a of by as as to be is of on of of of On of of to 錄 摘要 . I . 概述 . 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述 . 1 . 2 . 3 . 3 . 3 2 課題的方案設(shè)計(jì)與論證 . 4 案比較 . 4 . 5 統(tǒng)整體方案的論證 . 6 3 超聲波測(cè)距的原理 . 8 . 8 射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 . 8 . 9 . 9 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 11 統(tǒng)設(shè)計(jì) . 11 片 紹 . 11 . 15 聲波測(cè)距模塊 . 16 產(chǎn)品特點(diǎn)： . 16 電氣參數(shù)： . 16 聲波時(shí)序圖： . 17 . 17 示電路的設(shè)計(jì) . 18 警電路設(shè)計(jì) . 19 電源電路設(shè)計(jì) . 20 . 20 . 21 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 24 . 24 程序設(shè)計(jì)及其流程圖 . 26 聲波發(fā)送及接收程序 . 28 序清單 . 29 總 結(jié) . 36 致 謝 . 38 參考文獻(xiàn) . 39 附錄 1 硬件原理圖 . 40 附錄 2 實(shí)物圖 . 41 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 1 1 概述 內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述 汽車 倒車?yán)走_(dá)在車掛倒擋時(shí)開(kāi)始工作，由探頭、主機(jī) 、 顯示器 和報(bào)警器四 部分構(gòu)成，探頭可以根據(jù)需要安裝不同的數(shù)量，目前比較常見(jiàn)的是 4 探頭 (安裝于后保險(xiǎn)杠上 )和 6探頭 (2 前 4 后 )的；除一般的放置位置外，顯示器也可以替代原來(lái)的后視鏡并兼顧這兩種功能，它可以顯示多種信息。例如障礙物相對(duì)于車的距離、角度和車內(nèi)外溫度等 (視雷達(dá)檔次而定 )。以 4探頭液晶顯示屏的 奧迪 倒車?yán)走_(dá)為例，它最遠(yuǎn)可以探測(cè)到 1 96可以顯示出是由哪個(gè)探頭探測(cè)到的，如果兩個(gè)探 頭同時(shí)探測(cè)到障礙 物，則會(huì)以離車最近的障礙物為準(zhǔn)，有些顯示器上還 帶 有 “ 車載免提功能 ” ，其內(nèi)有揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，可以進(jìn)行錄音和放音。倒車?yán)走_(dá)的提示方法也可以分為數(shù)碼顯示、聲音提示和語(yǔ)音提示等，以博視雷達(dá)為例，其背光可通過(guò)三色變換來(lái)警告危急程度，聲音提示則會(huì)通過(guò)急促程度的不同告訴駕駛員及時(shí)停車有些 雷達(dá)還特別為喜歡安靜的駕駛員設(shè)置了靜音開(kāi)關(guān)。倒車?yán)走_(dá)的接收方式 可 以分為有線式和無(wú)線式兩種，無(wú)線接收方式顯然更省事，不必 “ 走線 ” 而拆裝車內(nèi)的原有裝飾，也不受車型、車長(zhǎng)等因素的影響，其價(jià)格自然也略高些。國(guó)外汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)早期大多采用紅 外線的發(fā)射與接收原理，不屬于雷達(dá)產(chǎn)品， 最大的缺點(diǎn)是紅外線 易受干擾，整個(gè)系統(tǒng)的警示音常呈現(xiàn)不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)，另外對(duì)深黑色粗糙表面物體的反應(yīng)也較差。但更糟糕的是，無(wú)論是紅外線發(fā)射器或接收器，只要任何一方讓一層薄薄的冰雪或泥塵覆蓋，系統(tǒng)就會(huì)失效。最近在歐美出現(xiàn)的一種電磁感應(yīng)倒車?yán)走_(dá)。在線路 上 套上一 個(gè) 環(huán)型的感應(yīng)圈 ，該感應(yīng)圈放置 在 車 后的 保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)， 從 車外完全看不出有此裝置 。 以感應(yīng)車后 是否有障礙物 。此種裝置價(jià)格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝 時(shí) 必須卸下保險(xiǎn)杠，而且只能探測(cè)動(dòng)態(tài)物品，當(dāng)車在后退行進(jìn)時(shí)，可探測(cè)到物體， 但車一旦停止后退行進(jìn)，則任何物體都不被認(rèn)可。換言之，如有任何物品貼在后保險(xiǎn)杠，當(dāng)車一旦停下再啟動(dòng)后，此裝置并不會(huì)告知駕駛者后方有物品貼在保險(xiǎn)杠，此車不能再后退等。德國(guó)大眾公司已經(jīng)將超聲波測(cè)距技術(shù)應(yīng)用在倒車?yán)走_(dá)上，并且具有前視和后視功能，采用自舉升壓的方式驅(qū)動(dòng) 8路超聲波傳感器 。 日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)的大汽車公司都投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力，采用先進(jìn)的毫米波雷達(dá)、 像機(jī)、 高檔微機(jī)等制成安全預(yù)警系統(tǒng)，使用在其所開(kāi)發(fā)的高級(jí)汽車上。據(jù)海外媒體報(bào)道，戴姆勒 文）說(shuō)明書(shū) 2 車系 統(tǒng)，它與其他剎車系統(tǒng)的區(qū)別在于，其在卡車車頭設(shè)有雷達(dá)感應(yīng)器，感應(yīng)器在車前觀察四周環(huán) 境，并將所有收集的信息交由一控制器加 以 處理，形成 虛擬景象，再借助演算法的輔助來(lái)判斷所發(fā)生狀況是否需要利用剎車。未來(lái)兩三年內(nèi)這種新型剎車系統(tǒng)即可量產(chǎn)上市，但價(jià)格昂貴，其過(guò)高的成本限制了它應(yīng)用的普遍性。隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，近兩三年我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入私家車時(shí)代，交通事故發(fā)生的頻率也在增加，為提高汽車運(yùn)行的安全性，倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)不僅深受駕駛員的青睞，也逐漸成為汽車電子產(chǎn)業(yè)中新的增長(zhǎng)點(diǎn)。尤其是近兩年來(lái)，倒車?yán)走_(dá)成了商家的電子新愛(ài)，眾 多生產(chǎn)防盜器的廠家紛紛涉足倒車?yán)走_(dá)，處在我國(guó)汽車電子行業(yè)環(huán)境的繁榮背景下倒車?yán)走_(dá)已漸漸形成一個(gè)較大的行業(yè)，而且已呈現(xiàn)出一派激烈競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)階段，六代的技術(shù)改良，從早期的倒車防撞儀，只能測(cè)試車后有限范圍的障礙物，并發(fā)出警報(bào)，發(fā)展到根據(jù)距離遠(yuǎn)近程度分段報(bào)警，前兩個(gè)階段的倒車?yán)走_(dá)一般采用專用集成電路，功能較簡(jiǎn)單。隨著人們對(duì)汽車駕駛輔助系統(tǒng)易用性要求的提高，以及單片機(jī)價(jià)格不斷下降和汽車電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求，新型的倒車?yán)走_(dá)都是以單片機(jī)為核心的智能測(cè)距傳感系統(tǒng)。要求倒車?yán)走_(dá)連續(xù)測(cè)距并顯示障礙物 距離，并采用不同間歇嗚叫頻率的聲音報(bào)警提示距離，讓駕駛員全神貫注地注視場(chǎng)景。汽車電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展還要求作為駕駛輔助系統(tǒng)子系統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)具有通信功能，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車總線上。如最為先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)為 “ 智能可視倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng) ” ，它在車尾部撞上針孔攝像頭，倒車時(shí)可以在 近日上市的由東風(fēng)汽車有限公司乘用車公司推出的全新一代 轎車 ，最引人注目的是它配備了倒車影像顯示和 星 導(dǎo)航系統(tǒng)，這兩項(xiàng)配置在同級(jí)別的轎車上可謂絕無(wú)僅有，有效提升了 轎車 的檔次，直接將高級(jí)別汽車的智能化從 概念引入了應(yīng)用。在駕駛者掛入倒擋時(shí)，中控臺(tái)上的液晶顯示屏?xí)詣?dòng)切換畫(huà)面，將車尾攝像頭拍下的環(huán)境狀況展示在駕駛者眼前，最大程度地方便泊車，這項(xiàng)功能在夜間尤其具有價(jià)值。 目前市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)品牌可謂是種類繁多，有鐵將軍、北華三松、固地、博視、奇真、臺(tái)灣俊邦、豪迪等幾十種品牌，價(jià)格也是幾百、上千元不等，有些廠家還根據(jù)車型的不同，設(shè)計(jì)專用的倒車?yán)走_(dá)。 計(jì)的目的和意義 隨著汽車的普及，越來(lái)越多的家庭擁有了汽車。交通擁擠狀況也隨之出現(xiàn)，撞車事件也是經(jīng)常發(fā)生，人們?cè)谙硎芷噹?lái)的樂(lè)趣和方便的同時(shí)，更加注重的是汽 車的安全河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 3 性，許多“追尾”事故都與車距有著密切的關(guān)系。為了解決這個(gè)安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種汽車 倒車?yán)走_(dá) 系統(tǒng)勢(shì)在必行。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲 波 經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物 體 位 移 測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單。所以超聲波測(cè)距法是一種非常簡(jiǎn)單常見(jiàn)的方法，應(yīng)用在汽車停車的前后左右防撞的近距離測(cè)量，以及在汽車倒車 雷達(dá) 系統(tǒng)中，超聲波作為一種特殊的聲波，具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?折射，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測(cè)距是利用其反射特性 ，當(dāng)車輛后退時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器利用超聲波檢測(cè)車輛后方的障礙物位置，并利用 到達(dá)一定距離時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出報(bào)警聲，進(jìn)而提醒駕駛?cè)藛T，起到安全的 作用 。 通過(guò)本課題的研究，將所學(xué)到的知識(shí)用在實(shí)踐中并有所創(chuàng)新和進(jìn)步。該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用在生活、軍事、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，它需要設(shè)計(jì)者有較好的數(shù)電、模電知識(shí)，并且有一定的 程能力，綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射與接收信號(hào)進(jìn)行控制，通過(guò)單片機(jī)程序?qū)Τ暡ㄐ盘?hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析、計(jì)算、處理最后顯示在 計(jì)的任務(wù)和要求 利用 片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 路 、報(bào)警電路 等電路組成實(shí)時(shí)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車倒車距離顯示與控制。 計(jì) 的 技術(shù)要求 (1)探測(cè) 距離 402)測(cè)量誤差 5% (3)倒車距離 150，蜂鳴器不響； 倒車距離在 80鳴器 續(xù)的響； 倒車距離在 40鳴器 較急促的響； 倒車距離在 40 ， 蜂鳴器 嘟嘟嘟嘟 連續(xù)的響，發(fā)光二極管發(fā)光。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 4 2 課題的方案設(shè)計(jì)與論證 案比較 方案 一 ：基于單片機(jī)的 汽車倒車 雷達(dá) 系統(tǒng) 利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為 40過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)反射物反射回來(lái)后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖 2示。 發(fā)射 障 礙 接收 物 圖 2這種以單片機(jī)為核 心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè) 高電平 ，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，結(jié)果輸出給 。 方案二：基于 汽車倒車 雷達(dá) 系統(tǒng) 這種系統(tǒng)采用 件，運(yùn)用 寫(xiě)程序，使用終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。 獨(dú)立地編程為 的這種特性非常適用于本系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計(jì)數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由 只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅鳌⒔邮蘸桶l(fā)送電路，即可組成一個(gè)測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的 汽車倒車 雷達(dá) 系統(tǒng)。 本系統(tǒng)利用 件控制超 聲波的發(fā)射，并對(duì)超聲波發(fā)射至接收的往返時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)算結(jié)果在 合使用 集設(shè)計(jì)輸入、數(shù)字顯示 復(fù)位鍵 單 片 機(jī) 發(fā)射驅(qū)動(dòng) 接收處理 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 5 設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開(kāi)發(fā)周期短。其系統(tǒng)框圖如圖 2 圖 2車倒車?yán)走_(dá) 系統(tǒng) 框圖 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射 40超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)， 聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就會(huì)立即返回來(lái)。超聲波接收器收到反射波后就將回波信 號(hào)送到 即停止計(jì)數(shù)。 計(jì)的時(shí)間就是超聲波從傳感器到被測(cè)物的往返時(shí)間。超聲波在空氣中的傳播速度如設(shè)定為 332m/s，根據(jù)計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn) 到 障礙物的距離 s，即： s=332t/2。 要傳感器收到回波， 只有最先返回的超聲波才起作用，也就是說(shuō) 汽車倒車 雷達(dá) 系統(tǒng) 總是測(cè)得離傳感器最近的物體的距離。 基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的 汽車倒車 雷達(dá) 系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，測(cè)距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計(jì)算簡(jiǎn)單。而基于 汽車倒 車 雷達(dá) 系 統(tǒng)硬件復(fù)雜，在適當(dāng)?shù)臏y(cè)量范圍內(nèi)測(cè)距精度不高。因此，本文采用方案 一 （ 基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的 汽車倒車 雷達(dá) 系 統(tǒng) ） 。 統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是基于 片機(jī) 的超聲信號(hào)檢測(cè)的。因此初步計(jì)劃 是 在室內(nèi)小范圍的測(cè)試，限定在 片機(jī) （ 發(fā)出短暫的 40射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此 信號(hào) 進(jìn)行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送到 并 進(jìn)行報(bào)警。 復(fù)位模塊 分頻 計(jì)數(shù)模塊 脈沖發(fā)生 顯示模塊 七段顯示 晶振 啟動(dòng) 復(fù)位 發(fā)射傳感器 接收傳感器 接收放大 整形 發(fā)射放大 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 6 超生波 發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（ 有時(shí)裝在探頭內(nèi)），諧振頻率 由 調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固定參數(shù)決定，頻帶較寬。將一定頻率的交流電壓加到發(fā)射傳感器的固有頻率 為 40其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說(shuō)是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接受的回波功率就比較大，對(duì)于接受電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但是每一支實(shí)際的發(fā)生傳感器有其工作電壓的極限值，同時(shí)發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的 阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。 發(fā)射部件的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過(guò)幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是有兩級(jí)放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)（ 夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志 單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，超聲波模塊經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 測(cè)得距離小于事先設(shè)定的數(shù)值，則發(fā)出聲音預(yù)警。 統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接 收 ，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是 發(fā) 射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有 相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括電源電路 、 單片機(jī)及其輔助電路、超聲波發(fā)射和超聲波檢測(cè)接收電路 、 顯示電路 四 部分組成。單片機(jī)采用 用 12文）說(shuō)明書(shū) 7 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 口輸出超聲模塊所需的啟動(dòng)信號(hào)，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出 40用外中斷 0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用實(shí)用的 4位共陽(yáng) 碼管 。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 8 3 超聲波測(cè)距的原理 聲波測(cè)距的原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波 , 從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出距離 S= (3式 (3的 C 為超聲波在空氣中傳播的速度。 限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范 圍，減少測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射 /接收的設(shè)計(jì)方法。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間 t，即可求得距離 S。其系統(tǒng)原理框圖如圖 3 發(fā)射 障 礙 接收 物 圖 3聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖 單片機(jī) 出短暫的 40號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后， 相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 采用 電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時(shí)，可知由軟件生成的起始時(shí)間對(duì)于一般要求的精度是可靠的。對(duì)于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過(guò)程中會(huì)有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測(cè)物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程為： 數(shù)字顯示 復(fù)位鍵 單 片 機(jī) 發(fā)射驅(qū)動(dòng) 接收處理 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 9 s kh t + k t e t + k c o s A c o s （ 3 由以上公式可知，超聲波在傳播過(guò)程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過(guò)程中衰減很大，收到的回波信號(hào)可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個(gè)回波確定準(zhǔn)確的接受時(shí)間，必須對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時(shí)間，會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量精度產(chǎn)生影響。 地聲速對(duì)測(cè)量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)間的影響嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： （ 3 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢?0C C 1 T 2 7 3 （ 3 式中 s； 位 為 k。 式 （ 3一般能為聲速的換算提供較 為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降 1 , 聲速將增加或者減少 s ，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測(cè)量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀?。 對(duì)于時(shí)間誤差主要由發(fā)送計(jì)時(shí)點(diǎn)和接收計(jì)時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計(jì)時(shí)點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對(duì)發(fā)射信號(hào)和 接 收信號(hào)通過(guò)校正的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。此外，當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1定超聲波速度 C=344m/s(20 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差 ，則 測(cè)距誤差 S t=400)|1) /超出測(cè)量范圍顯示“ -” ; =10; /“ -” =10; /“ -” =10; /“ -” =S%1000/100; /百位 =S%1000%100/10; /十位 =S%1000%10 %10; /個(gè)位 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 26 程序設(shè)計(jì)及其流程圖 主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。程序首先完成初始化過(guò)程，然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號(hào)的過(guò)程，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都判斷在發(fā)射信號(hào)后延時(shí)等待的過(guò)程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來(lái)判斷程序的流程。 工作時(shí)，微處理器 0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器 始計(jì)時(shí)。要檢測(cè)返回信號(hào)必須在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)后 秒才可以檢測(cè)，這樣就可以抑制輸出的干擾。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描 腳，如果 時(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。然后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行聲光報(bào)警。下 面是部分主程序 ) /設(shè) ， ； ; ; /2; /允許 ; /允許 ; /開(kāi)啟定時(shí)器 ; /開(kāi)啟總中斷 ) /當(dāng) 零時(shí)等待 ; /開(kāi)啟計(jì)數(shù) X); /當(dāng) 計(jì)數(shù)并等待 ; /關(guān)閉計(jì)數(shù) ; /計(jì)算 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 27 5程序流程圖 開(kāi)始 初始化 等待 計(jì)算距離 開(kāi)中斷 啟動(dòng)定時(shí) 發(fā)射超聲波 關(guān)報(bào)警 響鈴并發(fā)光 發(fā)光 顯示距離 距離 =400) ; ; _; ; ) /當(dāng) ; /開(kāi)啟計(jì)數(shù) X); /當(dāng) 計(jì)數(shù)并等待 ; /關(guān)閉計(jì)數(shù) 序 清單 程序的設(shè)計(jì)思想是超聲波發(fā)射器先發(fā)射一連串 40后自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò) I/電平持續(xù)的時(shí) 間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，通過(guò)計(jì)算子程序把時(shí)間轉(zhuǎn)化為距離。如果距離小于等于 光二極管發(fā)光，并在 如果距離小于 等于 鈴，發(fā)光二極管發(fā)光 ;并在 離；如果距離大于 碼管顯示“ 此外只在數(shù)碼管上顯示距離。數(shù)碼管采用時(shí)間間隔為 動(dòng)態(tài)顯示。模塊 共陽(yáng)數(shù)碼管 選通數(shù)碼管 。 # /初始化 #X=; X=; 32; 34; ; 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 30 ; ; =0; 0; = 0-*/;/ 斷碼 = 0 /位碼 = 0,0,0,0,; /*/ /掃描數(shù)碼管 if(0) )&0 P1=; P2= +3) ; /*/ 56+; ; / S=(100; /算出來(lái)是 =河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 31 S/=58; /算出來(lái)是 cm S=400)|1) /超出測(cè)量范圍顯示“ -” ; =10; /“ -” =10; /“ -” =10; /“ -” =S%1000/100; /百位 =S%1000%100/10; /十位 =S%1000%10 %10; /個(gè)位 150)&(S=400) ; ; /800啟動(dòng)一次模塊 _; _; _; _; _; _; _; _; _; _; _; 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 34 _; _; _; _; _; _; _; _; _; _; ; /*/ ) /設(shè) ， ； ; ; /2; /允許 ; /允許 ; /開(kāi)啟定時(shí)器 ; /開(kāi)啟總中斷 ) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 35 /當(dāng) 零時(shí)等待 ; /開(kāi)啟計(jì)數(shù) X); /當(dāng) 計(jì)數(shù)并等待 ; /關(guān)閉計(jì)數(shù) ; /計(jì)算 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 36 總 結(jié) 由于時(shí)間 不太 充足，此次 雖然 做出了實(shí)物并最終達(dá)到了 自己設(shè)置的 預(yù)期要求。 但與現(xiàn)實(shí)中的高級(jí)轎車的倒車?yán)走_(dá)還有一定差距。 設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使 汽車倒車?yán)走_(dá) 能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量汽車與障礙物的距離。然后以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。 在汽車距離障礙物的距離小于報(bào)警距離時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光或者響鈴。 超聲波測(cè)距的原 理是利用超聲波的發(fā)射和接 收 ，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距 離 。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括 聲波發(fā)射電路 、 超聲波接收電路 和報(bào)警電路四 部分。單片機(jī)采用 其兼容系列。采用 12精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。換能器所需的 40方波信號(hào)，利用外中斷 0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4位共陽(yáng) 超聲波 發(fā)射電路主要由反相器 74超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) 0一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采 用 兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻一方面可以提高反向器 74出高電平的驅(qū)動(dòng)能力 ，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片做振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng) 的軟件 設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序 、 顯示子程序 以及報(bào)警子程序 組成。我們知道 超聲波測(cè)距儀的程序有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），所以控制程序可采用 C 語(yǔ)言編程。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 37 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器 這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè) 高電平 ，在 片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。 在元件及調(diào)制方面，由于 采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試不是太難。一般只要電路焊接無(wú)誤，稍加調(diào)試就 會(huì)正常工作。電路中除集成電路外，對(duì)各電子元件也無(wú)特別要求。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 38 致 謝 從開(kāi)始做論文到論文基本完成，經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)