哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 目 錄 摘要 I 1 章 緒論 1 1 1 第 2 章 主要元器件介紹 3 3 功能描述 3 主要特性 4 聲波傳感器 5 5 5 8 9 第 3 章 倒車?yán)走_(dá)原理 10 10 11 第 4 章 單元電路說(shuō)明 14 14 14 14 15 15 16 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 18 18 18 第 6 章 調(diào)試 22 第 7 章 誤差分析 24 結(jié) 論 26 致 謝 27 參考文獻(xiàn) 28 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 全套圖紙， 扣扣 加 414951605 摘要 倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。本設(shè)計(jì)利用 司的 聲波傳感器測(cè)距實(shí)現(xiàn)超聲波倒車?yán)走_(dá)。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 測(cè)距 超聲波 倒車?yán)走_(dá) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 is or a it or a to of of It is in . to 爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 1 章 緒 論 題研究的背景及意義 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和道路交通狀況的不斷改善，我國(guó)汽車保有量不斷增加。但隨著汽車數(shù) 量的不斷增加，一系列后續(xù)問(wèn)題也隨之產(chǎn)生。尤其是交通安全問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于車后盲區(qū)所導(dǎo)致的事故在中國(guó)約占 30%，因此增強(qiáng)汽車的后視能力是十分必要的。據(jù)調(diào)差了解，絕大部分駕駛員都希望有一雙能夠發(fā)現(xiàn)汽車尾部障礙物的“后視眼”以增強(qiáng)倒車時(shí)的安全性，基于以上原因，汽車倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。 倒車?yán)走_(dá)全稱叫做“倒車防撞雷達(dá)”，也可以叫做“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全的輔助裝置。能以聲音或顯示告知駕駛員車后的情況，解決了駕駛員倒車或啟動(dòng)汽車時(shí)前后左右探視引起的麻煩，并幫助駕駛員解決由視覺(jué)誤差引起的缺陷，提高駕駛安全性。倒車 雷達(dá)的原理與普通雷達(dá)一樣，是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會(huì)與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。通過(guò)感應(yīng)裝置發(fā)出超聲波來(lái)判斷前方是否有障礙物，以及障礙物的距離、大小、形狀等信息。只不過(guò)由于倒車?yán)走_(dá)的體積大小和實(shí)用性的限制，目前其主要功能僅為判斷障哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 礙物與車的距離，并作出提示。司機(jī)在倒車時(shí)，倒車?yán)走_(dá)也啟動(dòng)，在控制器的控制下，由車尾保險(xiǎn)杠的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)。傳感器接收到回波信號(hào)后，通過(guò)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物的位置。再由顯示設(shè)備顯示并由報(bào)警裝置發(fā)出警示 。從而使司機(jī)倒車時(shí)不至于撞到障礙物。 內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展情況 經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，倒車輔助系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)六代技術(shù)改良。無(wú)論是結(jié)構(gòu)外觀還是技術(shù)性能都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 “ 倒車請(qǐng)注意 ” ！想必不少人還記得這種聲音，這就是倒車?yán)走_(dá)的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有小部分商用車還在使用。只要司機(jī)掛上倒檔，它就會(huì)響起，提醒周圍的人注意。從某種意義上說(shuō)，它對(duì)司機(jī)并沒(méi)有直接的幫助，不是真正的倒車?yán)走_(dá)。 第二代“轟鳴器” 這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開(kāi)始。倒車時(shí)，鳴器就會(huì)開(kāi)始工作。轟鳴聲越急，表示車輛離障礙 物越近。 在第二代基礎(chǔ)之上，人們又研究出了數(shù)碼波段顯示的倒車輔助系統(tǒng)。可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在 果是人，在 一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由三種顏色來(lái)區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物離車體距離有 色代表警告距離，表示離障礙物的距離只有 色代表危險(xiǎn)距離，表示離障礙物只有不到 必須停止倒車。 第四代產(chǎn)品又有了一個(gè)質(zhì)的飛躍， 特別是熒屏顯示開(kāi)始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。不用 掛倒檔，只要發(fā)動(dòng)汽車，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離。 第五代產(chǎn)品結(jié)合了前四代的優(yōu)點(diǎn)， 采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測(cè)知 2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級(jí)的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)把后視鏡、倒車?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項(xiàng)功能整合在一起，并哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 設(shè)計(jì)了語(yǔ)音功能，是目前市面上最先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。 第六代產(chǎn)品就是無(wú)線倒車?yán)走_(dá)， 全新無(wú)線液晶倒車?yán)走_(dá)，融無(wú)線連接、 倒車?yán)走_(dá)、彩色液晶顯示、 示音、于一體。由于普通倒車?yán)走_(dá)安裝時(shí)，從 車后雷達(dá)主機(jī)到車前儀表臺(tái)上顯示器要布一 條 線，這樣要拆裝車內(nèi)的裝飾板、膠條等，非常不方便?，F(xiàn)在最新推出的第六代無(wú)線液晶倒車?yán)走_(dá)，一舉解決此問(wèn)題，車后主機(jī)和顯示器之間無(wú)線連接，方便快捷。更可在大巴、卡車等車身長(zhǎng)的車上使用，使安裝更容易。 第 2 章 主要元器件介紹 片機(jī) 功能描述 一種帶 4K 字節(jié) 儲(chǔ)器（ 低電壓、高性能 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000次。該器件采用 密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， 一種高效微控制器， 電電壓 地 位漏 級(jí)開(kāi) 路 雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 時(shí)，被定義為高阻輸入。 可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 作為原碼輸入口，當(dāng) 行校驗(yàn)時(shí)， 出原碼，此時(shí) 部必須被拉高。 位雙向 I/ 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， 被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 地址接收。 位雙向 I/出 4個(gè) 電流，當(dāng) 1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， 的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 6位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， 輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/接收輸出4個(gè) 1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， 是由于上拉的緣故。 位輸入 當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) 想禁止 。此時(shí)， 外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) 位無(wú)效。 /外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 / /當(dāng) /持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加 密方式 1時(shí)， / /間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 引腳也用于施加 12 向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 自反向振蕩器的輸出。 小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長(zhǎng)度小于 8K，四個(gè) I/O 口全部提供給用戶。可用 12V 電壓編程，而且擦鞋時(shí)間僅需 10毫秒。工作電壓范圍 靜態(tài)工作。工作頻率在 0供了方便靈活而可靠地硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 是三態(tài)雙向口，統(tǒng)稱數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)操作。 主要特性 與 容 4K 字節(jié)可編程 壽命： 1000寫(xiě) /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 全靜態(tài)工作： 0 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 1288 位內(nèi)部 32 可編程 I/O 線 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷 源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 聲波傳感器 么是超聲波 人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在 20超聲波是指頻率高于 20聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十 在哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 固 體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。常用的超聲波傳感器可以分為二大類 ,一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波 ,如壓電式、磁致伸縮式超聲波發(fā)生器；二是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波 ,有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 聲波傳感器特性 超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接受換能 器，既能發(fā)射超聲波又能接收發(fā)射出去的超聲波回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲波換能器的種類很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲波換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式。 超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電解質(zhì)（晶體、陶瓷、高分子聚合物等）在其適應(yīng)的方向施加作用力時(shí)，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，在電解質(zhì)的某相對(duì)兩表面會(huì)出現(xiàn)與外力成反比的符號(hào)相反的束縛電荷，這種由外力作用是電解質(zhì)帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反的，若在電解質(zhì)加上一個(gè)電場(chǎng)，在 此電場(chǎng)作用下，電解質(zhì)內(nèi)部電極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。壓電材料是雅典換能器的研制、應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導(dǎo)體、壓電高分子聚合物和復(fù)合壓電材料。其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實(shí)心，均勻和一體的壓電功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。其優(yōu)點(diǎn)如下： 1. 所有原材料廉價(jià)且易得 2. 具有非水溶性，遇潮不易損壞 3. 壓電性能優(yōu)越 4. 品種繁多、性能各異，可滿足不同的設(shè)計(jì)要求 5. 機(jī)械強(qiáng)度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸 6. 采用不同的 形狀和不同的電極化軸，可以得到所需的各種振動(dòng)模式 7. 制作工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期較短，價(jià)格適中 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 2圖 2圖 2圖 2超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度。其中，40為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)在 40所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在 40側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 40交流電壓來(lái)激勵(lì)。 另外，超聲波接 收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 40曲線最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，即在 40接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關(guān)系，如果 率特性是尖銳共振的，并目在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并目最大靈敏度向稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度 。 考慮到實(shí)際工程測(cè)量要求 ,可以選 用超聲波的頻率 f = 40波長(zhǎng) = 0. 85 2. 指向特性： 實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表而上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球波 (子波 )，這些子波沒(méi)有一指向性。但離開(kāi)超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果 (衍射 )，卻有一指向性。如圖 2 圖 2超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是0 度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為 40 到 80 度，課題要求發(fā)射傳感器的指向角 為 60 度。 電式超聲波傳感器 壓電式 超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 。 如圖 2超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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)，壓電晶哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波 。 圖 2之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振 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器了，如圖 2圖 2 超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽(tīng)聲的用途更加廣泛，是基于以下凡個(gè)原因： 聲波的頻率越高，則方向性越強(qiáng)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 下聲納系統(tǒng)、超聲測(cè)距系統(tǒng)中方向性是一個(gè)重要的考慮因素。 波長(zhǎng)越越短，波長(zhǎng)可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探傷、微小厚度測(cè)量、高精度測(cè)距中，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。 聲，這樣就避免產(chǎn)生噪聲，因而超聲具有綠色特性。當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。 適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為 23 40類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途 。 透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型， 分離式 反射型可用于接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 第 3 章 倒車?yán)走_(dá)原理 聲波測(cè)距原理 本設(shè)計(jì)利用超聲波測(cè)距儀測(cè)得的距離作為倒車依據(jù)。超聲波產(chǎn)生分為有源 和無(wú)源兩種方式，本設(shè)計(jì)里用的有源測(cè)距。 測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 /秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 12M 晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 of ， 也可以稱為回波探測(cè)法，如圖所示 。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在 介質(zhì)中 傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反 射波就立即停止計(jì)時(shí)。 根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，可分為液介式、氣介式和固介式三種。根據(jù)所用探頭的工作方式，又可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式。而倒車?yán)走_(dá)一般是裝在車尾，超聲波在空氣中傳播， 超聲波在空氣中 (20 )的傳播速度為 340m/s(實(shí)際速度為 344m/s 這里取整數(shù) )，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 (t)，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)。公式如 3 s=340t/2 （ 3 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消 耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。 限制 倒車?yán)走_(dá) 系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(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的可測(cè)距離。 聲波的速度 有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著 ,則必須考慮溫度。 由于超聲波也哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 是一種聲波，其聲速 c 與溫度有關(guān)，表 3出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不 變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是 所謂的時(shí)間差測(cè)距法 。 表 3超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射 后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接受的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與以上方式是一樣的。測(cè)距的公示為： L=C*T 式中 體設(shè)計(jì)方案 該倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于 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)距，限定在 左右量程。 單片機(jī)(出短暫的 40號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波 發(fā)射器 輸出；反射后的超聲波經(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)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(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)果被送至顯示電路進(jìn)行顯示， 并進(jìn)行聲光報(bào)警。 其發(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)射出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有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、隔度的交流電哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻 率 40樣才能使其工作在諧振頻率，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，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對(duì)于接收電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但是，每一支實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過(guò)了這個(gè)極限值之后，會(huì)對(duì)傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過(guò)這個(gè)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。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨 率低，適宜于探測(cè)厚度大，對(duì)分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測(cè)近表而缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。 發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由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。接收部分就是由兩級(jí)放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成的，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。 在測(cè)距計(jì)數(shù)電路中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測(cè)量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提 供 20個(gè)左右的脈沖信號(hào)，單片機(jī)計(jì)數(shù)器立即計(jì)數(shù)。當(dāng)發(fā)射信號(hào)一定時(shí)間以后，若單片機(jī)收到外中斷 1 的信號(hào)則即使成功，若沒(méi)有收到信號(hào)就重新發(fā)射信號(hào)一次，直到收到脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 雙向超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)主要有以下部分組成： 聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、電源模塊五大部分組成。另外包括語(yǔ)音報(bào)警電路。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 3圖 3 優(yōu)點(diǎn)：能進(jìn)行雙向測(cè)距，實(shí)時(shí)性好，精度高，功耗低。 采用 令 簡(jiǎn)單容易控制。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 第 4 章 單元電路說(shuō)明 聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理如大圖所示，發(fā)射電路主要由反相器 組成，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，用這種推換形式將方波信號(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 方面可以提高反向器輸出高電平的驅(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)他就是一個(gè)超聲波發(fā)射器；反之，如果兩電極間未外加電壓，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)它就成為超聲波接受換能器。 聲波接收電路 集成塊是一款紅外線檢波接受的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考 慮到紅外遙控常用的載波頻率為 38測(cè)距的超聲波頻率40以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如大圖。實(shí)驗(yàn)證明在接收超聲波時(shí)（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很好的靈敏度和抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 大小可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。當(dāng)超聲波接探頭 出就會(huì)從高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生一個(gè)下降沿觸發(fā)信號(hào)，完成信號(hào)的采集。 源電路 穩(wěn)壓電源的輸出電壓 或電壓可調(diào)節(jié)范圍 最大輸出電流 它的特性指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)決定了該電源的適應(yīng)范 圍，同時(shí)也決定了穩(wěn)壓器的特性指標(biāo)以及如何選擇變壓器、整流管和濾波電容。而輸出電壓阻、紋波電壓、溫度系數(shù)是穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)，它決定了穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓系數(shù)、輸出阻抗、溫度系數(shù)和濾波電容的選擇。 因?yàn)橄到y(tǒng)是由單片機(jī)直接控制處理，其穩(wěn)定的電壓對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)是十分重要的，如大圖穩(wěn)壓電源，使系統(tǒng)能正常工作。為了改善波紋特性，在穩(wěn)壓電源的輸入端加電容 其輸出端加電容 的是為了改善負(fù)載的瞬間響應(yīng)，防止自激振蕩和減少高頻噪聲。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 三腳穩(wěn)壓塊的選擇：該裝置中穩(wěn)壓塊選用 輸出電壓 3大輸出電流 1 端為輸入端， 2 端為公共端， 3 端為輸出端。注意事項(xiàng)：引腳不能接錯(cuò)，公共端不能懸空；為防止過(guò)熱應(yīng)加裝散熱片，其內(nèi)部原理如圖 圖 4音 播報(bào)及外圍電路 語(yǔ)音播報(bào)包含手動(dòng)錄音電路、語(yǔ)音放大電路、 路圖見(jiàn)大圖。 警電路 報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器，一個(gè) 三極管構(gòu)成，當(dāng)單片機(jī)的 鳴器報(bào)警。原理如圖 4圖 4爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 在 51 系列單片機(jī)中，在振蕩器運(yùn)行時(shí)， 腳上保持至少兩個(gè)周期的高電平輸入信號(hào)，復(fù)位過(guò)程即可完成。未響應(yīng)這一不定期過(guò)程， 部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn) 高電平的第二個(gè)周期開(kāi)始的，并且此后每個(gè)周期都重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到 對(duì)復(fù)位電路對(duì)時(shí)間的需要，所以對(duì)復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般來(lái)講， 內(nèi)振動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間在 10內(nèi)。這種情況下把 0 0，就可獲得上述自動(dòng)復(fù)位的結(jié)果。其具體的復(fù)位電路如圖 4圖 4通電源后， 對(duì)電容通過(guò)的電阻進(jìn)行充電。 充電過(guò)程中，隨著電容電壓逐步趨于 將接近于 0。此過(guò)程之長(zhǎng)短取決于電阻和電容值的大小。 10 而使整個(gè)復(fù)位過(guò)程得以完成。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 超聲波倒車?yán)走_(dá)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程序、顯示程序、語(yǔ)音播報(bào)子程序、數(shù)據(jù)處理程序等。由于本系統(tǒng)工作在兩種模式下，所以程序有兩個(gè)分支，倒車模式和測(cè)距模式。在倒車模式下，先對(duì)所測(cè)的距離與極限值比較，當(dāng)大于極限值時(shí)系統(tǒng)不發(fā)出警告。小于極限值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào) 警。 統(tǒng)程序總框圖 圖 5要編程設(shè)計(jì) 主程序首先使系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 6位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位 給顯示端口 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個(gè)超聲波脈沖 ，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接觸發(fā)，需要延時(shí) ，才打開(kāi)外中斷接收返回的信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)取 20時(shí)聲速為 344M/S 則有： d=（ c*t） /2=1720000爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 其中 0 的計(jì)算值， 用單片機(jī)控制產(chǎn)生 40用延時(shí)程序和循環(huán)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，先定義一個(gè)延時(shí)函數(shù) 后可用 句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時(shí)改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。超聲波發(fā)射子程序如下： ） /延時(shí)函數(shù) ） a=0； a 200； a+） /產(chǎn)生 100個(gè) 40 每循環(huán)一次，輸出引腳取反 接收子程序如下： H, ; ; /停止計(jì)數(shù) 56+ 344*; /計(jì)算距離 ; ; 顯示系統(tǒng)部分程序如下： # P0 = 00 =0 if(9999) 999; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 if(0) ； =000; =()/100; =()/10; =(); 報(bào)警程序部分編程如下： ; ; ; ; ; ); R=0) ) R=0); ); N=0) ; ; ; ; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 00); ; 0); ); ; ; ; if(); N=1) ; if(); N=0); 0); 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 第 6 章 調(diào)試 超聲波系統(tǒng)的調(diào)試其中超聲波發(fā)射和接收采用超聲波換能器 心頻率 40裝時(shí)應(yīng)保持換能器兩中心軸線平行并相距，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接受換能器并聯(lián)的濾波電容 ，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 在硬件電路焊接好以后，羨慕側(cè)有無(wú)短路、斷線的線路。其次用萬(wàn)用表檢測(cè)各導(dǎo)線間的連接性是否良好，最后安裝元器件。安裝好后，連接工作電源，在檢查相關(guān)芯片的電源引腳和接地電壓。對(duì)檢查出的線路問(wèn)題，短線的添加焊錫連接，短路的用刀劃開(kāi)，元件電壓不對(duì)的檢查焊點(diǎn)是否良好。按以上方法對(duì)硬件電路檢查，直到各線路連接良好，電壓正常為止。 硬件制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)射子程序，每次發(fā)射的脈沖寬度和兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，以適應(yīng)不同的測(cè)量 距離需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)范圍一般為 測(cè)距儀最大誤差不超過(guò) 統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。 調(diào)試結(jié)果：由于本系統(tǒng)硬件本身存在著誤差，所以在測(cè)量時(shí)用取平均值的方式進(jìn)行。故在測(cè)量時(shí)，每次測(cè)量距離次數(shù)四次，然后取平均值。具體結(jié)果如下表： 表 6哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 第 7 章誤差分析 境對(duì)測(cè)量的影響 環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響 ，包括空氣溫度變化引起的聲速變化、空氣成分變化、聲波傳播途中溫度梯度導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)確等，由于這些因素對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響比較小。開(kāi)關(guān)門(mén)的可靠性是標(biāo)志超聲波測(cè)距儀可靠性的關(guān)鍵 ,即同步門(mén)控制。也就是說(shuō)發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)必須同步。 化誤差 即參考頻率計(jì)數(shù)結(jié)果的誤差 ,由于選擇的單片機(jī)計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率為12以有量化誤差為 合測(cè)距要求范圍。所以超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有 : 聲波頻率高對(duì)探測(cè)較小目標(biāo)有利 ,有效反射目標(biāo)應(yīng)大于至少 10 個(gè)波長(zhǎng)以上 , 對(duì)于非垂直于發(fā)射波束的目標(biāo) ,大波束角的傳感器通?？梢垣@得更強(qiáng)的回波信號(hào) ,而波束角越窄對(duì)于減小散射波的干擾越有利。 發(fā)誤差 由于被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大、整形 ,門(mén)控產(chǎn)生“開(kāi)門(mén)脈沖”和“關(guān)門(mén)脈沖”中 ,噪聲信號(hào)、干擾信號(hào)的摻入 ,使觸發(fā)的時(shí)間可能提前或滯后 ,給測(cè)量結(jié)構(gòu)帶來(lái)了隨機(jī)誤差，該誤差與信號(hào)的觸發(fā)波形有很大關(guān)系。 他 本系統(tǒng)采用 確認(rèn)接收信號(hào)， 工作時(shí)對(duì)發(fā)射信號(hào)的接收需要有一定的延時(shí)，再在這段時(shí)間中鎖相環(huán)鎖定信號(hào)，由此產(chǎn)生的誤差由數(shù)據(jù)處理模塊中加入一個(gè)修正量來(lái)減小誤差。 超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)；影響測(cè) 量誤差的因素很多，還有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、實(shí)際脈沖頻率等。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 本設(shè)計(jì)預(yù)留有一個(gè) 測(cè)溫端口，對(duì)于測(cè)距要求精度高的系統(tǒng)，可以使用此端口實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度誤差的補(bǔ)償。 由上述誤差分析可知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式求出當(dāng)?shù)芈?速，從而能夠獲得較高的測(cè)量精度。而問(wèn)題的關(guān)鍵在于，獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。為了便于對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用集成溫度傳感器，能夠在僅占用控制器一個(gè) I/0口的情況下工作（芯片可有數(shù)據(jù)線供電），極大的方便了使用者的調(diào)試使用。足以保證為超聲波測(cè)距設(shè)備提供足夠的精度范圍。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 結(jié)論 本文所設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保證汽車安全的輔助系統(tǒng)。通過(guò)超聲波探頭發(fā)射及反射超聲波，使