【正文】 設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)主要是針對(duì)汽車倒車時(shí)無(wú)法目測(cè)到車尾與障礙物的距離而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。 超聲波測(cè)距由于其能夠 進(jìn)行非接觸測(cè)量和相對(duì)較高的測(cè)量精度，越來(lái)越被人們所重視。就目前形勢(shì)來(lái)看，汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展將帶動(dòng)倒車?yán)走_(dá)市場(chǎng)的繁榮。國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)主流市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始有進(jìn)口高檔汽車向中低檔汽車發(fā)展。技術(shù)上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設(shè)備趨于小型化、人性化、智能化等方向發(fā)展。由此可見(jiàn)，超聲波汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)將會(huì)在人類今后的生活中扮演越來(lái)越重的角色，為人類的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器等 部分組成，現(xiàn)在市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測(cè)距原理，駕駛者在倒車時(shí)，啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險(xiǎn)杠上的探頭發(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)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號(hào)，得到及時(shí)警示，從而使駕駛者倒車時(shí)做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。 設(shè)計(jì)的目的和意義 隨著汽車的迅速增加，停車難已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，狹小的停車場(chǎng)地常常令有車一族無(wú)所適從，稍不慎，則闖禍，煩事又煩人。雖然每輛車都有后視鏡，但不可避免的都存在一個(gè)后視盲區(qū)。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 知駕駛員駕駛車輛周圍障礙物的情況，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使用死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。倒車?yán)走_(dá)的發(fā)明是迫在眉睫的，是必不可少的設(shè)備。 目前國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)的研究現(xiàn)狀 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)以及使用發(fā)生了質(zhì)的變化。經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了六代技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性能價(jià)格上，這六代產(chǎn)品各有特點(diǎn)，使用較多的是數(shù)碼顯示、熒光顯示和魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)這三種 。 2 第一代：倒車時(shí)通過(guò)喇叭提醒?！暗管囌?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)在只有少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，從某種意義上來(lái)說(shuō)，它對(duì)駕駛員并沒(méi)有直接的幫助，不能算真正的倒車?yán)走_(dá)，基本屬于淘汰產(chǎn)品 。 第二代：采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開(kāi)始。倒車時(shí)，如果車后 ～ 處有障礙物，蜂鳴器就會(huì)開(kāi)始工作。蜂鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。但沒(méi)有語(yǔ)音提示，也沒(méi)有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn)，對(duì)駕駛員幫助不大。 第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離 范圍。這代產(chǎn)品比第二代進(jìn)步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在 開(kāi)始顯示；如果是人，在 左右的距離開(kāi)始顯示。這一代產(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 3 種顏色來(lái)區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物距離有 以上；黃色代表警告距離，表示障礙物距離只有 ~；紅色代表危險(xiǎn)距離，表示障礙物距離只有不到 ，必須停止倒車。 第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實(shí)用，但安裝在車內(nèi)影響美觀。 第四代：液晶屏動(dòng)態(tài)顯示。這一代有一個(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，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過(guò) LCD 顯示外觀雖精巧，靈敏度較高，但抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多?，F(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，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過(guò) LCD 顯示外觀雖精巧，靈敏度較高，但抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。 第五代：魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(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 2m 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)可以把后視鏡、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)。因?yàn)槠渫庑尉褪且粔K倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)后視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個(gè)人需求和車內(nèi)裝飾選配。 3 第六代：專為高檔轎車配置的。第六代產(chǎn)品在第五代的基礎(chǔ)上新增了很多功能：外觀上看，比第五代產(chǎn)品更為精致典雅；從 功能上看，它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看 DVD 影像。 主要研究問(wèn)題 （ 1） 超聲波測(cè)距范圍小于 350cm，距離顯示分辨率 1cm，測(cè)距誤差小于 5%； （ 2） 超聲波在傳播中距離的計(jì)算 ； （ 3）超聲波 的發(fā)射和接受能否順利完成，達(dá)到實(shí)時(shí)顯示倒車距離，倒車距離顯示的是測(cè)距值的最小值，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最小距離時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警。 4 第 2 章 倒車?yán)走_(dá) 總體設(shè)計(jì)方案 該設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景是基于 STC89C51 的超聲信號(hào)檢測(cè)的。因此初步計(jì)劃實(shí)在室內(nèi)小范圍的測(cè)試，限定在 米左右。單片機(jī)（ STC89C51）發(fā)出短暫的 40KHz 信號(hào)，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)此型號(hào)進(jìn)行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送到 LED 顯示電路顯示 ，進(jìn)行蜂鳴報(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)），諧振頻率有調(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、隔度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的固有頻率 40KHz，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)（ STC89C51）能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。 圖 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)總 設(shè)計(jì)方案 該系統(tǒng)又單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射和接受電路、顯示電路以及報(bào)警電路等幾部分組成。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分電路的工作。 單片機(jī)在超聲波信號(hào)發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)在 空氣中傳播，遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸入到單片機(jī)的外部中斷口產(chǎn)生中斷，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)。通超聲波發(fā)射 單 片 機(jī) LED數(shù)碼管顯示 鍵盤控制 超聲波接收 放大 比較 5 過(guò)單片機(jī)可得到超聲波信號(hào)的往返所需要的時(shí)間，即可求得車體與障礙物之間的距離。在達(dá)到技術(shù)要求的情況下產(chǎn)生報(bào)警。 超聲波測(cè)距 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的原理一般采用回波探測(cè)法，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)。 圖 ： 圖 測(cè) 距的原理 理論計(jì)算 如圖 為反射時(shí)間，是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖所示，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間 T 利用公式： 2TCS ?? 其中， S 為被測(cè)距離、 V 為空氣中聲速、 T 為回波時(shí)間， 21 TTT ?? 可以計(jì)算出路程，這種 方 法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過(guò)設(shè)置“時(shí)間門”來(lái)加以克服。這樣可以求出距離： ? ?2 21 TTCS ?? 555 時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生 40Hz 的超聲波信號(hào)。其振蕩頻率計(jì)算公式如下： ? ?? ?5109 2 CRRf ???? 超聲波測(cè)距的原理：即為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這T 2 T 1 6 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 R 所接收到。這樣只要計(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。距離的計(jì)算公式為 ： 22 tcsd ??? 其中， d 為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離， s 為聲波的來(lái)回的路程， c 為聲速， t 為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。 超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，遇到障礙物后反射效率高，是測(cè)距的良好載體。測(cè)距時(shí)有安裝在同一位置的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，有定時(shí)器計(jì)時(shí)。首先由發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波咋介質(zhì)傳播途中一旦遇到障礙物后就被反射回來(lái)，當(dāng)接收器收到發(fā)射波立即停止計(jì)時(shí)。這樣，定時(shí)器就記錄下了超聲波自發(fā)射點(diǎn)至障礙物之間往返傳播經(jīng)歷的時(shí)間 t 。由于常溫下超聲 波在空氣中的傳播數(shù)的約為 340m/s。 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 T0，利用定時(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)負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(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。 在使 用時(shí)，如果溫度變化不大，則可以認(rèn)為聲速是基本不變的。 本章小結(jié) 本章分析了超聲波測(cè)距的原理，以及理論的計(jì)算，對(duì)于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案做了詳細(xì)的介紹。 7 第 3 章 倒車?yán)走_(dá) 的硬件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì) 有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、鍵盤控制電路、單片機(jī)硬件接口電路及顯示報(bào)警電路組成，該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 STC89C51單片機(jī)，下面分步介紹各硬件部分的具體設(shè)計(jì)分析。 超聲波發(fā)射模塊 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(gè)部分， 超聲波 探頭（又稱“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(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入 至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流 100mA 以上的驅(qū)動(dòng)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(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，但缺點(diǎn)是靈活性低。本設(shè)計(jì)采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)。 40KHz 的超聲波是利用 LC 震蕩電路振蕩產(chǎn)生的，其振蕩頻率計(jì)算公式如下： 脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 STC89S51 的 口發(fā)射 40 kHz 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò) 74HC04 放大后輸出到超聲波換能器 ，產(chǎn)生超聲波。 74LS04 是一個(gè)高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于 LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。對(duì)于 HC 類型，其工作電壓為 2～ 6 V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入 LSTTL 邏輯信號(hào)和 CMOS 邏輯輸入等特點(diǎn)。本系統(tǒng)將 40 KHz方波信號(hào)分成兩路，分別由 74LS04 經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大。電路圖如圖 所示。發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一 個(gè)電極，另一路經(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，上拉電阻 R R9 一方面可以提高反向器 74LS04 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，縮短其自由振蕩的時(shí)間。 8 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，如果兩電極問(wèn)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。 U 4 A74 A L S 04 U 4 B74 A L S 04U 4 C74 A L S 04U 4 D74 A L S 04U 4 E74 A L S 04L S 1T X (F )R81KR91KV C CP 1 0 圖 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收模塊 超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì)采