【正文】 ： (21) (22)將式（22）帶入式（21）得： (23)在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： (24)式中：為超聲波的傳播速度，為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式（24）帶入式（23）可得： (25)當被測距離H遠遠大于M時，式（25）變?yōu)椋? (26)本設(shè)計由單片機負責計時，采用12MHZ的晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 超聲波測距在汽車上的運用以超聲波測距方式的汽車倒車倒車雷達是現(xiàn)在市場上倒車雷達的主流產(chǎn)品，甚至還配合以聲音或者更為直觀的數(shù)字形式動態(tài)顯示周圍障礙物的情況。其較早的產(chǎn)品是用蜂鳴器報警 ,蜂鳴聲越急 ,表示車輛離障礙物越近，后繼的產(chǎn)品可以顯示車后障礙物離車體的距離。汽車防撞雷達之所以能實現(xiàn)防撞報警功能。汽車倒車雷達的探頭主要安裝于前后保險杠上，根據(jù)汽車的不同價格和品牌，探頭有二、三、四、六、八、十、十二只不等。其中探頭能夠以最大水平120度垂直70度范圍輻射，上下左右搜尋目標。一般的汽車擋位桿掛入倒擋時，倒車雷達自動開始工作，超聲波這把無形尺子能夠測量到那些低于保險杠而司機從后窗難以看見的障礙物（如花壇、路肩、蹲在車后玩耍的小孩等），并顯示距離與報警。圖22 汽車倒車雷達示意圖（后4個探頭）本設(shè)計介紹的超聲測距系統(tǒng)共有2只超聲波換能器( 俗稱探頭) , 假設(shè)分別布置在汽車的后左、后右2個位置上。～, 當距離小于2米時發(fā)出一定的聲響, 起到提示和警戒的作用。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機對兩路超聲波信號進行循環(huán)采集，已達到上述效果。 超聲波傳感器的介紹 超聲波傳感器介紹超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，目前常用的超聲傳感器有電聲型與流體動力型兩大類。電聲型主要有：壓電傳感器、 磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。壓電傳感器是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如圖23）由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。其中，壓電晶片是傳感器的核心等組成。，當在壓電晶片上加有大小和方向不斷變化的交流電壓（或者脈沖）時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。同理當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波；反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。圖23壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。，用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器的特性超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以TR系列的超聲波傳感器的特性為例加以說明（1）頻率特性 a) b)圖24超聲波傳感器的頻率特性圖(a) 超聲波傳感器的聲壓能級 (b) 超聲波傳感器的靈敏度圖24是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。如圖（a）所示40KHz處為超聲波發(fā)射傳感器的中心頻率，在40KHz處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機械波最強，也就是說在40KHz處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高,而在40KHz兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。其頻率特性（b）所示, 可見40KHz處其靈敏度最高。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率40KHz的電壓（或者脈沖）來激勵。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40KHz（波長λ = ）處最尖銳，輸出電信號的振幅最大，即在40KHz處接收靈敏度最高。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R很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時靈敏度也隨之降低，并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。(2)指向特性實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩器，輻射出一個半球而波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是0度時電壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40度到80度，本設(shè)計要求傳感器的指向角為75度。圖25是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性及結(jié)構(gòu)。圖25超聲波傳感器指向特性超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個部分，探頭（超聲波換能器）選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40KHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流100mA以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無需驅(qū)動電路，但缺點是靈活性低。本設(shè)計采用第二種方法產(chǎn)生40KHZ的超聲波發(fā)射信號。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計的要求此系統(tǒng)設(shè)計必須滿足以下要求：1）基于單片機的汽車倒車雷達系統(tǒng)2）具有為單片機提供工作的電源及指示3）顯示障礙物離汽車的距離（10米內(nèi)）4）距離小于指定值時（小于2米），系統(tǒng)發(fā)出聲音預警信號 系統(tǒng)整體設(shè)計方案本設(shè)計的應(yīng)用背景是基于型號為AT89C51的單片機發(fā)出40KHz的超聲波信號，超聲波信號經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器的探頭發(fā)射，當遇到障礙物時則反射信號，超聲波接收器探頭將接收到的反射回來信號經(jīng)放大器放大和濾波，送入單片機并啟動機中斷程序，測得時間差，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。若測得距離小于事先設(shè)定的數(shù)值，則發(fā)出聲音預警。其系統(tǒng)原理圖如圖31所示：圖31系統(tǒng)原理圖 單片機系統(tǒng)介紹 AT89C51單片機介紹（1）AT89C51單片機簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51主要由微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、并行I/O口、串口、定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器（SFR）組成。其結(jié)構(gòu)圖如32所示：圖32 AT89C51結(jié)構(gòu)圖（2）主要特性1) 與MCS51 兼容 2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲器3）壽命：1000寫/擦循環(huán) 4）數(shù)據(jù)保留時間：10年5）全靜態(tài)工作：0Hz24MHz 6）三級程序存儲器鎖定7）1288位內(nèi)部RAM 8）32個編程I/O線9）兩個16位定時器/計數(shù)器 10）5個中斷源11）可編程串行通道 12）低功耗的閑置和掉電模式13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路（3）引腳及功能 圖33 AT89C51引腳排列AT89C51單片機為40腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其引腳排列順序及引腳符號如圖33所示。各引腳功能如下：1）電源及接地GND:電源接地端。Vcc:供電電壓即正常運行和編程校驗時為+5V電源(士10%)。2）時鐘及復位信號XTAL1:是片內(nèi)振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入端。當采用外部振蕩器為時鐘源時，此腳必須接地。XTAL2:是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。使用外部振蕩器時，可由此腳引入外部時鐘信號。RST:復位信號輸入端，高電平有效。若此輸入端保持2個機器周期（24個時鐘振蕩周期）以上的高電平，即可以將89C51完成復位操作。此外，RST引腳的第二功能是VPD，即備用電源的輸入端。當主電源Vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，單片機自動將+5v電源接入RST端，為RAM提供備用電源，以保證存儲在RAM中的信息不丟失，以使復電后能繼續(xù)正常運行。3）地址鎖存允許/編程信號端ALE/PROG:當89C51上電正常工作后，ALE管腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的六分之一。CPU訪問片外存儲器時，此信號作為鎖存地址總線的低8位地址的控制信號。因此ALE信號可以對外輸出時鐘或定時信號。ALE端的負載驅(qū)動能力為8個LS型TTL。4）程序存儲允許輸出信號端：在訪問片外存儲器時，此端定時輸出脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此管腳接EPROM的OE端，PSEN端有效，即允許讀出EPROM/ROM中的指令碼。當CPU訪問外部程序存儲器時，要產(chǎn)生兩次PSEN負脈沖信號，當CPU訪問內(nèi)部程序存儲器時，PSEN不跳變。此端驅(qū)動8個LS型TTL。5）外部程序存儲器地址通話輸入端/固化編程電壓輸入端/VPP:當EA端接高電平時，CPU只訪問片內(nèi)EPROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但在PC的值超過0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。當EA端接低電平時，則CPU只訪問外部EPROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。此管腳的第二功能Vpp是對89c51片內(nèi)EPROM固化編程時，作為施加較高編程電壓的輸入端。6）輸入/輸出端口I/O端口引腳：I/O端口P0～P3（地址為80H，90H，A0H，B0H），且P0～P3為四個8位特殊功能寄存器，分別為四個并行I/O端口的鎖存器。它們都有字節(jié)地址，每一個端口鎖存器還有位地址，所以每一條I/O線獨立地用做輸入或輸出時，數(shù)據(jù)可以鎖存；作輸入時，數(shù)據(jù)可以緩沖。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，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，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“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，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表31所示：引腳符號特殊功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）/INT0（外部中斷0）/INT1（外部中斷1T0（計時器0外部輸入）T1（計時器1外部輸入）/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）表31 P3口的特殊功能P3口同時也可以為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。單片機的復位電路是靠外部電路實現(xiàn)的，其主要目的就是在上電的瞬間提供一個與正常工作狀態(tài)下相反的電平。一般利用電容電壓不能突變的原理，將電容與電阻串聯(lián)，上電時刻，電容沒有充電，兩端電