【正文】 *******本科畢業(yè)設計（論文） 1 1引言 課題背景 隨著經(jīng)濟的發(fā)展與汽車科學技術的進步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化和駕駛員非職業(yè)化的趨勢。同時，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的產(chǎn)量和保有量都在急劇增加。但公路發(fā)展、交通管理卻相對落后，導致了交通事故與日劇增，城市里尤其突出。智能交通系統(tǒng) ITS是目前世界上交通運輸科學技術的前沿技 術，它在充分發(fā)揮現(xiàn)有基礎設施的潛力，提高運輸效率，保障交通安全，緩解交通賭塞，改善城市環(huán)境等方面的卓越效能，已得到各國政府的廣泛關注。中國政府也高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應用。汽車防撞系統(tǒng)作為ITS 發(fā)展的一個基礎，它的成功與否對整個系統(tǒng)有著很大的作用。從傳統(tǒng)上說，汽車的安全可以分為兩個主要研究方向 :一是主動式安全技術，即防止事故的發(fā)生，該種方式是目前汽車安全研究的最終目的 。二是被動式安全技術，即事故發(fā)生后的乘員保護。目前汽車安全領域被動安全研究較多，主要從安全氣囊、 ABS(防抱死系統(tǒng) )和懸架等方面 著手，以保證駕乘人員的安全。從經(jīng)濟性和安全性兩方面來說，這些被動安全措施是在事故發(fā)生時刻對車輛和人員進行保護，有很大的局限性，因而車輛的主動安全研究尤為重要，引出了本文研究的 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 。這個系統(tǒng)是一種可向司機預先發(fā)出視聽語音信號的探測裝置。它安裝在汽車上，能探測企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物 。能向司機及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險的信號，促使司機采取應急措施來應付特殊險情，避免損失。 課題設計的意義 隨著 現(xiàn)代社會工業(yè)化程的發(fā)展，汽車這一交通工具正為越來越多的人所用，但是隨之而 來的問題也顯而易見，那就是隨著車輛的增多，交通事故的頻繁發(fā)生，由此導致的人員傷亡和財產(chǎn)損失數(shù)目驚人。 對于公路交通事故的分析表明， 80%以上的車禍事由于駕駛員反應不及所引起的，超過 65%的車輛相撞屬于追尾相撞，其余則屬于側(cè)面相撞。奔馳汽車公司對各類交通事故的研究表明：若駕駛員能夠提早 1S 意識到有事故危險并采取相應的正確措施，則絕大多數(shù)的交通事故都可以避免。 因此，大力研究開發(fā)如汽車防撞裝置等主動式汽車輔助安全裝置，減少駕駛員的負擔和判斷錯誤，對于提高交通安全將起到重要的作用。顯然，此類產(chǎn)品的超聲波汽車防撞報警器設計 2 研究開發(fā)具有極大 的實現(xiàn)意義和廣闊的應用前景。 超聲波測距在汽車上應用的介紹 超聲波 倒車 測距儀 (俗稱電子眼 )是汽車倒車防撞安全輔助裝置 ,能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。其大多數(shù)產(chǎn)品探測范圍在 ～ m,有的產(chǎn)品能達到 ～ m,并有距離顯示、聲響報警、區(qū)域警示和方位指示 ,有些產(chǎn)品還具備開機自檢功能。目前市場上還出現(xiàn)了具有語音報警功能的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品存在的主要問題 是測量盲區(qū)大 ,報警滯后 ,未考慮汽車制動時的慣性因素 ,使駕駛者制動滯后 ,抗干擾能力不強 ,誤報也較多。汽車防撞雷達之所以能實現(xiàn)防撞報警功能 , 主要有超聲波這把無形尺子 , 它測量最近障礙物的距離 , 并告訴給車主。其實超聲測距原理簡單 : 它發(fā)射超聲波并接收反射回波 , 通過單片機計數(shù)器獲得兩者時間差 t, 利用公式 S=Ct /2 計算距離 , 其中 S為汽車與障礙物之間的距離 , C 為聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 本文介紹的超聲測距系統(tǒng)共有 2只超聲波換能器 ( 俗稱探頭 ) , 分別布置在汽車的后左、后右 2個位置上。能檢 測前進和倒車方向障礙物距離 , 通過后視鏡內(nèi)置的顯示單元顯示距離和方位 , 發(fā)出一定的聲響 , 起到提示和警戒的作用。系統(tǒng)采用一片 STC89C52 單片機對兩路超聲波信號進行循環(huán)采集。 超聲波是指頻率高于 20KHz 的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，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，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換 ，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（ time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為 /秒，由單片機負責計時，單片機使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 由于超聲波指向性強， 能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可 *******本科畢業(yè)設計（論文） 3 以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本設計屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)觸發(fā)單元。 利用超聲波測距的工作，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法： （ 1）相位檢測法，相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限； （ 2）聲波幅值檢測法，聲波幅值 檢測法易受反射波的影響； （ 3）渡越時間檢測法，渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。 本設計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。 超聲波汽車防撞報警器設計 4 2 課題的方案設計與論證 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)總體框圖 見圖 21 所示 ,構(gòu)成超聲測距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路。采取收發(fā)分離方式有兩個好處：一是收發(fā)信號不會混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 圖 21 超聲波汽車防撞原理框圖 根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，選擇了西安立宇電子科技有限 公司的超聲波測距傳感器 TCT40－ 16T/R（ T 表示發(fā)射傳感器， R表示接收傳感器），最大探測距離為 6m，發(fā)射擴散角為 60 度。 超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當它的兩電極加脈沖信號 (觸發(fā)脈沖 ) , 若其頻率等于晶片的固有頻率時 ,壓電晶片就會發(fā)生共振 ,并帶動共振板振動 ,從而產(chǎn)生超聲波。相反 , 電極間未加電壓 ,則當共振板接收到回波信號時 ,將壓迫兩壓電晶片振動 ,從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號 ,此時的傳感器就成了超聲波接收器。 超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中 傳播時會有相當?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，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。 超聲波傳感器用來分析共振頻率附近的超聲波換能器的特性 :換能器的器械能用 Qm 。電能用 Qe 表示。 Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的Q 值。設換能器在空載 ( Z1 = 0) 和有載 ( Z1 = R1) 時的 Q 值分別為 Qm0 、 Qm ,則有 超聲波發(fā)射器 放大電路 超聲波接收器 放大電路 檢波電路 定時器 單片機 控制 顯示器 報警系統(tǒng) *******本科畢業(yè)設計（論文） 5 0010010 1 RWCRWLQ m ?? )( 1 100110 01 RRWCRR WLQ m ???? 0000 RWCQe ? )( 1000 RRWCQe ?? 超聲波換能器的工作效率為 011RR R??? 相臨兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)，以使前后金屬蓋板與同一極性的電極相連，否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會導致結(jié)構(gòu)不必要的增大，兩芯片之間，芯片與金屬蓋板間通常以薄黃銅片（厚度小于），作為焊接電極引線用；芯片，電極銅片用強力膠膠合，在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸與圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)彈性橡膠減振器，使之與外殼固定 ，起聲阻匹配作用。在電 —— 聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對應圓錐狀諧振子的振動模式設置的幾個開口，使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。 目前市面上出售的超聲波傳感器種類有通用型，拓寬型，寬帶域型，防水型和高頻型等這幾類。雖然通用型超聲波傳感器有頻率帶寬較窄的缺點，但是卻可以換來高靈敏度，抗噪聲干擾強的優(yōu)點。超聲波基本應用電路主要分為三類： （ 1）直射型，主要用于遙控及報警電路 （ 2）分離反射型，主要用于測距，料位測量等電路 （ 3）反射型，主要用于材料的探傷，測厚電路。 鑒于成本的考慮，選用了 普通的 T/R40 系列的超聲波發(fā)射 /接收傳感器。T/R40 系列超聲波傳感器典型的工作頻率為（ 3941） KHZ，其具體參數(shù)見表 21和表 22。 表 21 外形尺寸（ T/R4— XX中的“ XX”表示傳感器的外徑尺寸） 型號 A(mm) B(mm) C(mm) D（ mm） T/R4012 T/R4016 T/R4018A 超聲波汽車防撞報警器設計 6 表 22 電氣參數(shù) 型號 聲平電壓 接收靈敏度 工作頻率（ KHZ） 帶寬（ KHZ） 電容（ pF） 在 40KHZ 時 發(fā)送 接收 T/R4012 112db 最小值67db （ 3941） KHZ 最小5/100db 最小5/75db （ 24752525） % T/R4016 115db 最小值64db （ 3941） KHZ 最小6/103db 最小6/71db （ 23752425） % T/R4018A 115db 最小值64db （ 3941） KHZ 最小6/103db 最小6/71db （ 23752425） % A 115db 最小值64db （ 3941） KHZ 最小6/100db 最小6/71db （ 23752425） % 由于是測距系統(tǒng)是采用超聲波發(fā)射和接收分離反射型結(jié)構(gòu)，所以發(fā)射頭和接收頭應該在同一平行直線上。 出于距離和發(fā)射夾角所引起的誤差以及超聲波信號在傳播過程中衰減問題的考慮，發(fā)射和接收探頭距離不可以太遠，而又為了避免發(fā)射頭對接收頭接收信號產(chǎn)生的干擾，二者也不能間隔太近。經(jīng)過參考前人的經(jīng)驗以及調(diào)試時的實際情 況，應保持超聲波發(fā)射頭和接收頭中心軸線平行并相距48cm 即可。 設計方案的論證 超聲波探測技術主要用于中程測距、結(jié)構(gòu)探傷、智能控制等領域，超聲波換能器是其核心部件，換能器按其工作介質(zhì)可分為氣相、液相和固相換能器；按其發(fā)射波束寬度可分為寬波束和窄波束換能器；按其工作頻率又可分為 38KHz、40KHz 等不同等級。本設計選用氣相、窄波束、 40KHz 的超聲波換能器。 *******本科畢業(yè)設計（論文） 7 當利用超聲波探測器測距時常用兩種方法 —— 強度法和反射時間法，強度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測量被測物的距離，被測物越遠其反射信號越弱，根據(jù)反射信號的強弱就可以知道被測物的遠近，但在使用這種方法時由于換能器之間的直接耦合信號很難消除，在放大器增益較高時這一直接耦合信號就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效，由于直接耦合信號的影響強度法測距只適合較短距離的且精度要求不高的場合