【正文】 1 緒論 論文背景隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟損失，針對這種情況，設計一種響應快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴凵?，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當車輛后退時，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置及時通知駕駛人員，起到安全的作用。 設計要求及主要功能介紹本次設計的汽車倒車防撞系統(tǒng)，它是以STC89C52作為主控制器，用超聲波模塊對距離進行距離測試，并將信號發(fā)給主控制器。用L298芯片驅動直流電機，執(zhí)行主控制器命令，控制小車的前進、減速、停止。LED和蜂鳴器報告檢測出汽車后方有障礙物。2 超聲波模塊的工作原理 超聲波我們知道，當物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20，000HZ。當聲波的振動頻率大于20000HZ或小于20HZ時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000HZ的聲波稱為“超聲波”。超聲波廣泛地應用在多種技術中。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。由于超聲波也是一種聲波，超聲波在媒質中傳播的速度和媒質的特性有關。聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動。超聲和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。超聲波具有以下的特點：（1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。 （2） 超聲波可傳遞很強的能量。 （3） 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 （4） 超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象 超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：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。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構，它有兩個壓電晶片和一個共振板。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，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 超聲波測距原理在超聲波探測電路中, 發(fā)射端輸出一系列脈沖方波, 其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔, 被測物距越遠, 脈沖寬度越大, 輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲波測距的方法有多種, 如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高, 但檢測范圍有限可檢測到汽車倒車中, 其障礙物與汽車的距離；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文硬件設計采用超聲波往返時間檢測法, 其測量原理圖如圖1所示。 超聲波測距原理圖其原理為: 在超聲波發(fā)射器兩端輸入40KHZ 脈沖串, 脈沖信號經(jīng)過超聲波內部振子, 振蕩產(chǎn)生機械波, 并通過空氣介質傳播到被測面, 由被測面反射到超聲波接收器接收, 在超聲波接收器兩端, 信號是毫伏級的正弦波信號, 超聲波經(jīng)氣體介質的傳播到接收器的時間, 即為往返時間。超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法,其中常用脈沖回波法測距。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 ,其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波, 超聲波在空氣中傳播至障礙物, 經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖, 測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間, 再乘以超聲波在空氣中的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離, 即： L=ct/2 (1)式（1）中, L為超聲傳感器與被測障礙物之間的距離, c為超聲波在介質(空氣)中的傳輸速率, t為超聲波從發(fā)射到接收的時間。超聲波在空氣中的傳播速度為: , 其中T為絕對溫度數(shù)值, ,。在測量精度不是很高的情況下, 一般可以認為c為常數(shù)340m/s。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波又很難精確捕捉,致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素是使用超聲測距引起誤差的原因。 超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=ct/2，可知測距的誤差是由超聲波的溫度誤差、傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。溫度誤差由于超聲波也是一種聲波。其聲速C與溫度有關。表1列出了幾種不同溫度下的聲速這是超聲波的溫度效應特性，超聲波的傳播速度“C”可以用公式(2)表示：C＝＋（m/s）,式中t=溫度（℃）。因此要精確測量與某個物體之間的距離時，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。時間誤差 當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t() ≈ 。 在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。 對于超聲波測距精度要求達到1MM時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100M距離所引起的測量誤差將達到5M，測量1M誤差將達到5MM。超聲波遇到障礙物后，一部分會反來，那么，通過計算發(fā)射出超聲波到接收到回波之間的時差，還有音速，就能算出障礙物的距離。 影響超聲波探測的因素 超聲波差距示意圖在圖2中，用一個超聲波傳感器來發(fā)射超聲波，同時它又可以接收到回波。一般使用的超聲波頻率為40KHZ。根據(jù)以上原理，所算出的障礙物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)射超聲波有一定的角度范圍，圖3，圖4為常用傳感器的探測角度: 水平探測角度 垂直探測角度以上菱形區(qū)域是發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)，而覆蓋區(qū)內的障礙物能否被探測到，則與以下因素有關(見圖5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，與反射面的角度有關。（2） 反射面的大小不同，也會影響反射波的強度。（3） 另外，障礙物會吸收掉一部分超聲波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，則與障礙物的材質和表面處理相關。疏松、多孔的表面較易吸收音波而導致反射效率較低，不易被偵測。（4） 超聲波在空氣中傳輸時也會衰減，所以同一個反射面，同樣的角度，距離越遠，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不易被測到。（5） 以上幾點簡單的說，就是:角度、大小、表面材質和距離。這些因素綜合起來，決定障礙物是否會被探測到。 超聲波探測障礙物根據(jù)以上原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況?。?）鐵絲網(wǎng)，繩索類細小物體。（2）草地行車或崎嶇不平路面。（3）棉質或表面易吸收聲波之物質。（4）傳感器表面附著異物。（5）同頻率(40 KHz)之超聲波雜音加金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車喇叭正對傳感器鳴叫時。（6）障礙物為銳角反射體，錐狀物體。3 系統(tǒng)硬件電路介紹 主控芯片的介紹STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。這種單片機有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口， STC89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本單片機總控制電路如下圖4—1：時鐘電路STC89C52內部有一個用于構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。時鐘可以由內部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內部方式的時鐘電路如圖4—2(a) 所示，在RXD和TXD引腳上外接定時元件，內部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時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，電容值的大小可對頻率起微調的作用。外部方式的時鐘電路如圖4—2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號。片內時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘P1和P2，供單片機使用。示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號。片內時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘P1和P2，供單片機使用。RXD接地，TXD接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號。片內時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘P1和P2，供單片機使用。（a）內部方式時鐘電路 （b）外部方式時鐘電路 時鐘電路STC89C52具體介紹如下：① 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電