【正文】 超聲波自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目　錄 前　言 1第1章 課題研究背景與意義 3167。 課題研究的背景 3167。 國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)距系統(tǒng)的概況 4167。 汽車倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢(shì) 4167。 課題研究的意義 5第2章 超聲波測(cè)距原理與方法 6167。 超聲波的簡(jiǎn)介 6167。 超聲波的物理性質(zhì) 6167。 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用 6167。 超聲波傳感器的簡(jiǎn)介 7167。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 8167。 超聲波傳感器的選擇 10167。 HCSR04超聲波測(cè)距模塊的簡(jiǎn)介 11167。 超聲波測(cè)距原理 13167。 發(fā)射脈沖寬度 14167。 測(cè)量盲區(qū) 14167。 本章小結(jié) 16第3章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 17167。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 17167。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 17167。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 18167。 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì) 19167。 發(fā)射電路輸出波形分析 19167。 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng) 20167。 超聲波的接收電路設(shè)計(jì) 21167。 顯示電路設(shè)計(jì) 23167。 數(shù)碼管的簡(jiǎn)介 23167。 LED數(shù)碼管的顯示 25167。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 27167。 蜂鳴器的驅(qū)動(dòng) 27167。 發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng) 27167。 本章小結(jié) 28第4章 軟件設(shè)計(jì) 29167。 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu) 29167。 初始化程序 29167。 超聲波發(fā)射接收程序 30167。 外部中斷子程序 32167。 顯示程序 32167。 顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 33167。 顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 33167。 本章小結(jié) 34第5章 安裝與調(diào)試 35167。 汽車?yán)走_(dá)實(shí)物 35圖51汽車?yán)走_(dá)實(shí)物 35167。 汽車?yán)走_(dá)的調(diào)試 35167。 軟件調(diào)試 35167。 整機(jī)調(diào)試 36167。 記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 36結(jié)　論 38參考文獻(xiàn) 39致　謝 41附　錄 42第1章 課題研究背景與意義167。 課題研究的背景自從1886年2月9日卡爾?本茨發(fā)明了人類第一輛汽車，至今世界汽車工業(yè)經(jīng)過了近122年的發(fā)展，當(dāng)代汽車已經(jīng)非常成熟和普遍了。汽車已經(jīng)滲透于國(guó)防建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域之中，成為人類生存必不可少的、最主要的交通工具，為人類生存和社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用。當(dāng)今，汽車已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分，它給人們帶來方便快捷的同時(shí)，也出現(xiàn)了許多問題。如越來越多的汽車使道路上有效的使用空間越來越小，新手也越來越多，由此引起的刮傷事件也越來越多，由此引起的糾紛也在不斷地增加。原來不是問題的倒車也逐漸變成了問題。盡管每輛車都有后視鏡，但不可避免地都存在一個(gè)后視盲區(qū)，倒車?yán)走_(dá)則可以在一定程度上幫助駕駛員掃除視角死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性，減少刮、擦事件。因此，提出了基于超聲波測(cè)距的汽車用倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)。近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求。由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。167。 國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)距系統(tǒng)的概況目前超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要是采用微處理器為核心，使用微處理器內(nèi)部的計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，并結(jié)合溫度補(bǔ)償聲速等處理手段提高測(cè)距精度。但由于超聲波傳播時(shí)間難于精確捕捉，溫度對(duì)聲速的影響等原因，使得超聲波測(cè)距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量精度要求更高的場(chǎng)合下的應(yīng)用。由于微處理計(jì)時(shí)精度有限和硬件設(shè)計(jì)的束縛，現(xiàn)有超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量范圍比較低?，F(xiàn)有超聲波測(cè)距系統(tǒng)不僅測(cè)量范圍有限制，且測(cè)量精度有限。 超聲波測(cè)距儀雖然原理簡(jiǎn)單，但是由于超聲波測(cè)距受到許多外界因素制約。因此，如何選擇合適的方法提高精度是技術(shù)開發(fā)的重要瓶頸，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高超聲波測(cè)距精度方面做了大量的研究。167。 汽車倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢(shì)隨著科技的日新月異，人們對(duì)于車輛的功能及行車安全的期望日益增多。因此，近年來許多先進(jìn)安全系統(tǒng)及駕駛輔助系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來。其中倒車輔助系統(tǒng)是駕駛輔助系統(tǒng)中最先受到囑目的技術(shù)發(fā)展，目前己成為高階新車的標(biāo)準(zhǔn)駕駛輔助配備之一。倒車輔助的發(fā)展從倒車警示喇叭開始，經(jīng)倒車?yán)走_(dá)蜂鳴器碰撞警示、數(shù)字波段顯示技術(shù)（利用雷達(dá)感測(cè)液晶顯示距離）等階段的發(fā)展，目前己成功研發(fā)液晶顯示屏幕技術(shù)（即顯示距離激活引擎時(shí)，顯示器會(huì)顯示輪廓外型并以動(dòng)態(tài)方式顯示車輛與障礙物距離）。超聲波測(cè)距系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用可能還會(huì)更全面，例如將來可以在汽車的四個(gè)角上分別安裝上該系統(tǒng)，這樣可以降低司機(jī)師傅在拐彎的時(shí)候擦傷車子，而且可以在汽車前面也安裝該系統(tǒng)，可以減少因霧天或是能見度較低的時(shí)候汽車撞車事故。無庸置疑，未來的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。車用雷達(dá)首先要解決的技術(shù)難題就是減少雷達(dá)的誤報(bào)。由于車輛在道路中行駛狀況十分復(fù)雜，并線、移線、轉(zhuǎn)彎、上下坡及道路兩旁的靜態(tài)護(hù)欄、標(biāo)志牌和各種惡劣天氣的影響等，使得雷達(dá)對(duì)主目標(biāo)的識(shí)別產(chǎn)生較高的誤報(bào)率。盡管某些雷達(dá)具有二維，甚至三維的目標(biāo)探測(cè)能力，但迄今為止，沒有任何一個(gè)傳感器能保證在任何時(shí)刻提供完全可靠的信息。要想完全解決這種誤報(bào)問題，還需采取多傳感器之間的信息融合技術(shù)。如美國(guó) Dephi 公司的汽車防撞系統(tǒng)就采用了激光雷達(dá)、微波雷達(dá)和機(jī)器視覺等多種傳感器的信息融合，實(shí)現(xiàn)了信息分析、綜合和平衡，利用數(shù)據(jù)間的冗余性和互補(bǔ)特性進(jìn)行容錯(cuò)處理，克服了單一傳感器可靠性低、有效探測(cè)范圍小等缺點(diǎn)，有效降低了雷達(dá)的誤報(bào)率。167。 課題研究的意義近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我國(guó)的汽車數(shù)量正逐年增加。同時(shí)汽車駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車駕駛?cè)藛T的比例也逐年增加。在公路、街道、停車場(chǎng)、車庫等擁擠、狹窄的地方倒車時(shí)，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會(huì)發(fā)生追尾事故。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，15％的汽車碰撞事故是因倒車時(shí)汽車的后視能力不良造成的。因此，增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測(cè)障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來的研究熱點(diǎn)。安全避免障礙物的前提是快速、準(zhǔn)確地測(cè)量障礙物與汽車之間的距離。為此，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心，利用超聲波，提醒駕駛員在倒車時(shí)有效的避開可能對(duì)倒車造成危害的障礙物和行人，從而有效避免由于倒車造成的汽車碰撞或擦傷的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。第2章 超聲波測(cè)距原理與方法167。 超聲波的簡(jiǎn)介科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20Hz～20000Hz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率小于20Hz或大于20KHz時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。167。 超聲波的物理性質(zhì)當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。167。 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的超聲效應(yīng)。超聲波傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大，有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為空化。如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。167。 超聲波傳感器的簡(jiǎn)介超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面?？傮w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(jī)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(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。他們所產(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(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，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器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖21和22所示。 圖 21超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 22超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 167。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類本。本次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電方式。它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間外加電壓，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)，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。它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。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。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(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。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，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)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(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性:把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變。相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)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。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 圖23雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖23所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時(shí)，若A片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。圖24雙壓電晶片的等效電路圖雙壓電晶片的等效電路如圖24所示，為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗,并聯(lián)電阻Cm和Lm為機(jī)械共振回路的電容和電感，為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率?o。發(fā)射超聲波時(shí)，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(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，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，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲