【正文】 ()式中：為超聲波傳播的速度，為傳播的時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。將式（）帶入式（）可得： ()當(dāng)被測(cè)的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí)，式（）變?yōu)椋? ()以上就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所需的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到了二倍的聲源與障礙物之間的距離。由于是利用超聲波來(lái)測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率與合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠回波功率的必要條件，必須得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界的干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)研究表明，頻率為40左右的超聲波在空氣中傳播的效果為最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成了具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。圖22為倒車(chē)?yán)走_(dá)的基本工作原理框圖。 超聲波接收 單片機(jī)控制器超聲波發(fā)送LED顯示掃描驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警 圖22 倒車(chē)?yán)走_(dá)基本原理框圖 影響精度的因素分析 本節(jié)主要分析影響超聲波測(cè)距精度的幾個(gè)重要因素：發(fā)射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 、當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)測(cè)量精度的影響分析、影響超聲波探測(cè)的其他因素。 發(fā)射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 采用HCSR04超聲波傳感器，脈沖的發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率為40KHz ，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行的。對(duì)于接收到的回波，超聲波在以空氣為介質(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)物的距離為h，則在空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程為： （）由以上公式可知，超聲波在空氣傳播過(guò)程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減就越快，但只有頻率的增高才有利于提高超聲波的指向性。聲波與速度的關(guān)系，如表23所示。表23 聲波與速度的關(guān)系溫度℃速度m/s溫度℃速度m/s溫度℃速度m/s01734352118352193433632037433421385223935562340724346418254293372643102744358112845122934946133047143403148153249361163350通過(guò)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播的過(guò)程中衰減很大，收到的回波信號(hào)可能會(huì)十分微弱，要想判斷所捕獲到的第一個(gè)回波來(lái)確定準(zhǔn)確的接受時(shí)間，就必須對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，否則不正確所判斷的回波時(shí)間，會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響。 當(dāng)?shù)芈曀賹?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)間的影響要嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度以及氣體分子成分的影響，即： （）由上式可知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦蝗Q于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的氣溫可以有效的提高超聲波測(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。工程上的常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢? （）式中C0=；T為絕對(duì)溫度，單位K。 式（2。9）一般能為聲速的計(jì)算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降 1 ℃, ，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是非常嚴(yán)重的。因此提高超聲波測(cè)量精度的決定因素就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀?。?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)的準(zhǔn)確性確定，為了能夠有效的提高計(jì)時(shí)點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，在這里提出了對(duì)發(fā)射信號(hào)和加收信號(hào)通過(guò)校正的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。此外，當(dāng)要求測(cè)距的誤差小于1mm時(shí)，假定超聲波速度為C=344m/s(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差，則測(cè)距誤差S△t 002 907s。根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間的差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距的誤差小于1mm。使用的12 MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的STC89C52單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用STC89C52的定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。圖24 超聲波差距示意圖在圖24中，雖然只用了一個(gè)超聲波傳感器來(lái)發(fā)射超聲波，但同時(shí)它又可以接收到回波。一般情況下使用的超聲波頻率為40KHZ。根據(jù)以上原理，所算出的障礙物的距離都是指障礙物到傳感器的距離。傳感器可檢查到的角度：傳感器發(fā)射超聲波是有一定的角度范圍，如圖24所示，圖26為常用傳感器的探測(cè)角度:圖25 超聲波水平探測(cè)角度圖26 超聲波垂直探測(cè)角度以上所示的1菱形區(qū)域是發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)域，而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物是否能被探測(cè)到，則與以下因素有關(guān)(見(jiàn)圖27示): （1）從物理方面的反射原理可知:超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角，因此，反射波是否能被傳感器捕捉，一定與反射面的角度有關(guān)。 （2）其反射面的大小不同，也會(huì)影響反射波的強(qiáng)度。 （3）另外，障礙物會(huì)吸收掉一部分的超聲波，反射回去的只是其中的一部分，而吸收了多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和表面平滑程度相關(guān)。疏松、多孔的表面會(huì)很容易吸收音波而導(dǎo)致反射效率較低，使之不易被偵測(cè)。 （4）超聲波在空氣中的傳輸時(shí)也會(huì)衰減，所以同一個(gè)反射面，同樣的角度，距離越遠(yuǎn)，發(fā)射和反射的超聲波衰減就越大，就越不易被測(cè)到。 （5）以上幾點(diǎn)總結(jié)來(lái)說(shuō)，就是:角度、大小、表面材質(zhì)和距離。這些因素綜合起來(lái)，決定障礙物是否會(huì)被探測(cè)到。圖27 超聲波探測(cè)障礙物根據(jù)以上原理及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，在下列環(huán)境下，易造成超聲波無(wú)法偵測(cè)及偵測(cè)不良的情況！（a）鐵絲網(wǎng)，繩索類(lèi)的細(xì)小物體。（b）草地行車(chē)或崎嶇不平的路面。（c）棉質(zhì)的表面易吸收聲波一類(lèi)的物質(zhì)。（d）傳感器表面附著異物。（e）同頻率(40 KHz)的超聲波雜音加金屬聲，高壓氣體的排放聲，有汽車(chē)?yán)日龑?duì)傳感器鳴叫時(shí)。（f）障礙物為銳角反射體，錐狀物體等。顯示器應(yīng)用極為廣泛，是一種輸出設(shè)備，綜合課題的實(shí)際要求、成本以及考慮單片機(jī)的接口資源，本設(shè)計(jì)使用LCD1602作為顯示器，由于倒車(chē)時(shí)距離障礙物的距離本來(lái)就比較近，大概在3米以?xún)?nèi)，所以一個(gè)雙行的帶背光LED顯示器就可以達(dá)到要求。報(bào)警裝置在這里采用的是有源蜂嗚器，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報(bào)警，以提示駕駛員。 通行串口采用通用串行9孔插頭，利用標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 其與單片機(jī)連接電路圖如下：圖28 MAX232電路與單片機(jī)通信電路 MAX232芯片是美信公司專(zhuān)門(mén)為電腦的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v單電源供電。　　其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：供電、電荷泵電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。：本章主要講的是課題設(shè)計(jì)的原理與思路，其中包括超聲波測(cè)距原理以及其測(cè)量精度的主要影響因素、顯示報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、附加模塊通信串口的設(shè)計(jì)方案。第三章 系統(tǒng)硬件電路介紹 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)汽車(chē)防撞報(bào)警電路系統(tǒng)由單片機(jī)及外圍電路、超聲波發(fā)射部分、超聲波接收部分、數(shù)據(jù)顯示部分構(gòu)成，加報(bào)警電路以此構(gòu)成倒車(chē)?yán)走_(dá)。系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖31所示。障礙物超聲波接收器顯示器單片機(jī)報(bào)警電路超聲波發(fā)射器圖31 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍的可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能的COMOS8微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，且與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。這種單片機(jī)共有40個(gè)引腳，其中32個(gè)是外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外部中斷口，2個(gè)16位可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口， STC89C52可以按照常規(guī)的方法進(jìn)行編程，也可以進(jìn)行在線(xiàn)編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可以有效地降低開(kāi)發(fā)的成本。 STC89C52引腳具體介紹① 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線(xiàn)② 外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端③ 控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。④ 可編程輸入/輸出引腳（32根）STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、PPP3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線(xiàn)，～P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線(xiàn)，～ P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線(xiàn)，～ P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線(xiàn)，～ STC89C52主要功能如表31所示表31 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫(xiě)Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率024MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線(xiàn)3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 時(shí)鐘電路STC89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖3—2(a) 所示，在RXD和TXD引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。～12MHz之間選擇，電容值在5～30pF之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。外部方式的時(shí)鐘電路如圖3—2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。（a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 （b）外部方式時(shí)鐘電路圖32 時(shí)鐘電路本設(shè)計(jì)采用外部方式時(shí)鐘電路，以方便手動(dòng)復(fù)位。 最小系統(tǒng)為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V177。5%，即 ～。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)， 穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，微機(jī)電路開(kāi)始正常工作。 圖33 復(fù)位電路晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低 的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它會(huì)組成并聯(lián)諧振電路 。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就波振蕩電路，由于晶振等效為電感頻率范圍很窄所以即使其它參數(shù)元件很大，這個(gè)震蕩器的頻率也不會(huì)有很大變化。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱(chēng)的諧振頻率。 一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。 圖34 晶振電路 超聲波測(cè)距電路超聲波測(cè)距模塊HCSR04可提供2cm400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟硪约肮ぷ鞑襟E：(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)。(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2。超聲波測(cè)距模塊HCSR04實(shí)物如圖35所示