【正文】 “超聲波 ”。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計， 15％的汽車碰撞事故是因倒車時汽車的后視能力不良造成的。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)護欄、標志牌和各種惡劣天氣的影響等，使得雷達對主目標的識別產(chǎn)生較高的誤報率。 汽車倒車雷達的發(fā)展趨勢 隨著科技的日新月異，人們對于車輛的功能及行車安全的期望日益增多。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 167。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。 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。 （ 2） 對設(shè)計的電路進行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 超聲波是頻率高于 20200 赫茲 的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的 聲能 。第三代的液晶熒屏顯示較以前有了一個質(zhì)的飛躍。以上的這些都是在畢業(yè)設(shè)計期間所學(xué)的知識的利用。 汽車雷達實物 ...........................................................................35 圖 51 汽車雷達實物 ....................................................................35 167。 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu) ...........................................................................29 167。 超聲波的接收電路設(shè)計 ...........................................................21 167。 測量盲區(qū) ............................................................................14 167。 超聲波的物理性質(zhì) ............................................................. 6 167。 本文在分析超聲波測距系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上 ， 指出了設(shè)計測距儀的思路和所需考慮的問題 ， 給出了實現(xiàn)超聲波測距方案的軟、硬件設(shè)計系統(tǒng)框圖。同時汽車駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車駕駛?cè)藛T的比例也逐年增加。為此，設(shè)計了以 AT89C51 單片機為核心利用超聲波 自動測距系統(tǒng) 提醒駕駛員在倒車時有效的避開可能對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)濟損失和人身安全問題，具有較強的實用性。 汽車倒車雷達的發(fā)展趨勢 ........................................................ 4 167。 HCSR04 超聲波測距模塊的簡介 ................................... 11 167。 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計 ...........................................................19 167。 蜂鳴器的驅(qū)動 ....................................................................27 167。 顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 ............................................................33 167。主要是通過超聲波系統(tǒng)與單片機來實現(xiàn)距離的測量，從而實現(xiàn)預(yù)先提示，減少倒車時的碰撞及事故。倒車雷達真正開始于轟鳴器，也就是第一代倒車雷達?，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。 利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且還有較高的測量精度。超聲波的發(fā)射與接收電路的功能是為了檢測到障礙物的距離；報警電路和數(shù)碼管顯示電路是為了更好的提示駕駛員注意，進而減少交通事故的產(chǎn)生。盡管每輛車都有后視鏡，但不可避免地都存在一個后視盲區(qū)，倒車雷達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。一般的超聲 波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。 超聲波測距儀雖然原理簡單，但是由于超聲波測距受到許多外界因素制約。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。 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，我國的汽車數(shù)量正逐年增加。 超聲波的簡介 科學(xué)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 (Hz)。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。 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。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如 圖 21 和 22 所示。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，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越 遠。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。 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，若 A 片的電場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。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。本文設(shè)計主要用于倒車雷達等方面的應(yīng)用 , 故選擇頻率高的傳感器。本文中選用的探頭是 40KHz 的收發(fā)分體式 HCSR04 超聲波測距模塊。 表 21 HCSR04 超聲波測距模塊的電氣參數(shù) 電氣參數(shù) HCSR04 超聲波模塊 工作電壓 DC 5 V 工作電流 15mA 工作頻率 40kHz 最遠射程 4m 最近射程 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號 輸出 TTL 電平信號，與射程 成比例 規(guī)格尺寸 45? 20? 15mm 圖 26 HCSR04 超聲波測距模塊的時序圖 以上時序圖表明你只需要提供一個 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 部將發(fā)出 8 個 40kHz 周期電平并檢測回波。其原理是利用超聲波的發(fā)射和接受 ,根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。 167。s(32 個 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射 信號后的接收信號。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。另外，從圖中 a 點以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。選用 HCSR04 超聲波測距模塊 ，其價格比較實惠，程序控制簡單具有較高的實用性。 超聲波自動測距系統(tǒng)原理框圖如圖 31 所 示?，F(xiàn)代社會中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國民經(jīng)濟、以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。 通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為 ： 單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。 超聲波發(fā) 射器的注意事項 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。 ，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為 2 a ，當(dāng) a 很小的時候，可直接按式 2/CVts?進行距離的計算；當(dāng)夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為： 2cos tcS ??? ? (31) 實際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為 45176。 L S 2U C M 4 02314111T L 0 8 2R2R3RpV C C V C CU0UiIfIi 圖 34 超聲波接收電路框圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 電路如圖 33 所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大 (一般數(shù)百兆歐姆以上 )，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗 (Input Impedance))； 同時，換能器 的輸出電壓很小 (數(shù)十毫伏 )，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓 (Input Offset Voltage)。 23RRUUAiouf ??? (35) 利用反相比例放大器可實現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡單，只需要調(diào)節(jié) 2R 和 3R 阻值即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。 167。顯示譯碼器的輸出級的電路結(jié)構(gòu)形式與所選用顯示器的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)相匹配，否則不僅不能正常工作，甚至?xí)?dǎo)致器件損壞。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。 LED 數(shù)碼管的顯示 本設(shè)計顯示部分采用三位共陰極數(shù)碼管顯示所測距離值。缺點是需要的硬件電路較多 (每一個數(shù)碼管都需要一個鎖存器 )，同時由于所有數(shù)碼管都處于被點亮狀態(tài)，所以需要的電流很大，當(dāng)數(shù)碼管的數(shù)量增多時，對電源的要求也就隨之增高。動態(tài)掃描顯示時刷新頻 率最好大于50HZ， 即沒顯示一輪的時間不超過 20ms，每個數(shù)碼管顯示時間不能太長也不能太短，時間太長會影響刷新率，導(dǎo)致總體顯示呈現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，時間太短發(fā)光二極管的電流導(dǎo)通時間也就短，會影響總體的顯示亮度。 167。 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu) 5361AS 三位共陰極數(shù)碼管的顯示模 塊 有 顯示子程序； HCSR04 超聲波測距模塊，分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序； 、按鍵處理以及各個子程序的調(diào)度管理等部分； C 語系統(tǒng)采用 AT89S52 的內(nèi)時鐘： 12MHz； ， C 語言相比匯編有許多的優(yōu)勢；編譯器使用 Keil ? Version2 進行程序編譯， Keil 功能強大使用方便。 //將 io 口設(shè)置為推挽輸出 P1M1 = 0。 Trig=0。 超聲波發(fā)射接收程序 由單片機 端口輸出 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個40kHz 周期電平并檢測回波。 //產(chǎn)生一個 20us 的脈沖，在 Trig 引腳 while(Echo==0)。 //開總中斷 while(TH1 30)。 //沒有回波則清零 test = !test。 外部中斷 0，用做判斷回波電平 INTO_() interrupt 0 //外部中斷是 0 號 { outeH =TH1。 //寫入定時器 0 初始值 TL0=0x77。 p2_0=1。p2_2=0。 temp_data=temp_d。break。p2_2=1。 p2_0=0。 //取出定時器的值 succeed_flag=1。 conversion(a)。 //關(guān)閉定時器 1 EX0=0。 //清測量成功標志 EX0=1?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。 //定時器 0，定時器 1， 16 位工作方式 TR0=1。 P0M0 = 0XFF。 初始化程序 0，定時器 1， 16 位工作方式。 因此，只要以 輸出高電平作為驅(qū)動信號。 報警電路設(shè)計 本設(shè)計采用蜂鳴器以及發(fā)光二極管作為報警器件。 本系統(tǒng)采 用 動 態(tài)顯示。數(shù)碼管有微功耗、體積小、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。每個數(shù)碼管可顯示 0～ 9 十個數(shù)字，數(shù)碼管（ 寸和 寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光的顏色不同略有差別，通常約為 2～ 每個發(fā)光二極管的點亮電流在 5～ 10mA。 液晶是一種介于晶體和液體之間的有機化合物，常溫下既有液體的流動性和連續(xù)性，又有晶體的某些光學(xué)特性。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 根據(jù)本設(shè)計系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小 (數(shù)十毫 伏 )，故分別取?? KR 12 ； ?? KR 2020 ； ?? KRp 1 ， 即放大電路將輸入信號放大 200 倍。 由電路的 基本知識 有如下公式。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法。 存在 4 個因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入