【正文】 礙物與汽車之間的距離。 國內(nèi)外超聲波測距系統(tǒng)的概況 ............................................... 4 167。 超聲波傳感器的選擇 ........................................................10 167。 單片機(jī)最小系統(tǒng) .......................................................................18 167。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) ...........................................................................27 167。 顯示程序 ............................................................................32 167。 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 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 本 設(shè)計(jì)的名稱 是 超聲波自動(dòng)測距系統(tǒng) 。 經(jīng)過幾年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)過了數(shù)代的技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性能價(jià)格上，這幾代產(chǎn)品都各有特點(diǎn)，目前使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)這 3 種。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)有超聲波測距系統(tǒng)的范圍比較低。 測距的公式 可以 表示為： L=C? T 式中 L 為測量的距離長度； C 為超聲波在空氣中的傳播速度； T 為測量距離傳播的時(shí)間 差 (T 為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半 )。其中 硬件電路包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)、超聲波的發(fā)射與接受、報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示。原來不是問題的倒車也逐漸變成了問題。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小，F(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)不僅測量范圍有限制，且測量精度有限。 超聲波測距系統(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。 167。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2章 超聲波測距原理與方法 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。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。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。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。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。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”。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。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)。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動(dòng)板 )接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有衰減 ,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(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器 , 而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。 圖 25 HCSR04 超聲波測距模塊實(shí)物 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 如圖 25 接線， VCC 供 5V 電源， GND 為地線， TRIG 觸發(fā)控制信號(hào)輸入， ECHO 回響信號(hào)輸出等四個(gè)接口端。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測法測距。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不 變的情況下通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 800181。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。由圖 28 可見，從 b 點(diǎn)以后，接收的信號(hào)低于閾值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度 。 ,通過 外部中斷啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序 ,這時(shí) T0 計(jì)數(shù)器停止記數(shù) , 再由軟件進(jìn)行提取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值換算成時(shí)間通過計(jì)算得出距離數(shù)并送 LED 顯示 ,系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)障礙物與車尾距離遠(yuǎn)近實(shí)時(shí)發(fā)出警示聲音。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求較高的設(shè)備中，單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其應(yīng)用使電子系統(tǒng)的智能化出現(xiàn)了意想不到的效果，常常無需對(duì)硬件資源做任何改動(dòng)，只需更新系統(tǒng)軟件就能使系統(tǒng)功能升級(jí)。編程由單片機(jī) 端口輸出以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測回波。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。 167。傳播媒質(zhì)的溫度、河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。電路的電壓放大倍數(shù) 如 35 公式所示。綜合課題的實(shí)際要求由數(shù)碼管，通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示，表示距離的數(shù)值。 在顯示譯碼器和顯示器的連接中，顯示譯碼器各個(gè)輸出端必須具有足夠的吸取電流的能力，以驅(qū)動(dòng)有關(guān)顯示 段發(fā)光。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。 表 31 數(shù)碼管段碼表 十進(jìn)制數(shù) 段碼（不帶點(diǎn)顯示） 段碼（帶點(diǎn)顯示） 0 0xeb 0xef 1 0x28 0x2c 2 0xb3 0xb7 3 0xba 0xbe 4 0x78 0x7c 5 0xda 0xde 6 0xdb 0xdf 7 0xa8 0xac 8 0xfb 0xff 9 0xfa 0xfe 167。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)碼管顯示無閃爍，亮度高，與單片機(jī)之間的連接比較簡單，例如上圖中使用串行轉(zhuǎn)并行芯片 74LS164N 作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，軟件控制比較容易。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。其中， 輸出一定頻率的信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào) 。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 第 4章 軟件設(shè)計(jì) 167。 P0M1 = 0。 test =0。 //打開總中斷 0 167。 //延時(shí) 20us Trig=0。 //啟動(dòng)定時(shí)器 1 EA=1。 //厘米 } if(succeed_flag==0) { distance_data=0。在中斷服務(wù)程序中，讀出計(jì)數(shù)值，并將高 8 位存儲(chǔ)到 outeH 低 8 位存儲(chǔ)到 outeL 。 timer0() interrupt 1 // 定時(shí)器 0 中斷是 1 號(hào) { TH0=0xfd。 case 0x01:P0=shi。p2_1=1。 bai_data=temp_data/100 。 } 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 } 167。flag++。p2_1=1。 //至成功測量的標(biāo)志 EX0=0。 baojing (a)。 //關(guān)閉外部中斷 if(succeed_flag==1) { distance_data=outeH。 //打開外部中斷 TH1=0。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。 //啟動(dòng)定時(shí)器 0 IT0=0。 P1M0 = 0XFF。外部 中斷 0，用做判斷回波河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 電平。如圖 37 所示。 能以聲音或 光 告知 駕駛員 周圍障礙物的情況，解除了駕駛員 倒車 時(shí)前后探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。由于 LED 靜態(tài)顯示需要占用較多的 I/O 口，且功耗較大，因此在大多數(shù)場合通常不采用靜態(tài)顯示，而采用動(dòng)態(tài)掃描的方法來控制 LED 數(shù)碼管的顯示。使用時(shí)，可將 P0 與 LCD 的數(shù)據(jù)線相連， ~ 口與 LCD 的控制線相連，如圖 36 所示。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。LED 數(shù)碼管要顯示 BCD 碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個(gè)專門的譯碼器，該譯碼器不但要完全成譯碼功能，還要有相當(dāng)?shù)尿?qū) 動(dòng)能力。液晶顯示器 件本身不發(fā)光，在黑暗中不能數(shù)字，它依靠在外界電場作用下產(chǎn)生的光電效應(yīng)，調(diào)制外界光線使液晶不同部位顯示出反差，從而顯示出字型。 167。 2RUUI ii ??? (32) 3RUUI f ?? ?? (33) 根據(jù) 下面 兩個(gè)放大器理想化的重要概念 ： 1. 集成 運(yùn)放兩 個(gè)輸入 端之 間的凈 輸入電 壓 U 通常 接近于 零， 即U= ?U = ?U ? 0，若把它理想化，則有 U=0，但不是短路，故常稱為虛短。 167。 測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面： 入射角 ? 的影響 。此方法測試距離太近 。 圖 33 超聲波發(fā)射電路框圖 167。其圖形如圖 32 所示 。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 域。系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和報(bào)警電路五部分組成 。因此， cb 為可測距范圍 ； b 點(diǎn)就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到的區(qū)域。因此，在一段較長時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平 Vm； 另一方面，接收探 頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。s(32 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過寬的脈沖寬度會(huì)增加測量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。 T XT 1T 2R X 圖 23 超聲波測距原理 超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速 c 與溫度有關(guān)。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì) 算得到距離。 （ 1） 采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給最少 10us 的高電平信呈。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振 子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。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。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。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。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。本 次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電 方 式 。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 超聲波傳感器的簡介 超聲波傳感器是利用超聲波的 特性 研制而成的傳感器。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。因此，我們把頻率高于 20200 赫茲的聲波稱為