【正文】 “超聲波 ”。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)， 15％的汽車(chē)碰撞事故是因倒車(chē)時(shí)汽車(chē)的后視能力不良造成的。由于車(chē)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。 汽車(chē)倒車(chē)?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(chē)輛的功能及行車(chē)安全的期望日益增多。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 167。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)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。 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(lèi)第一輛汽車(chē)，至今世界汽車(chē)工業(yè)經(jīng)過(guò)了近 122 年的發(fā)展，當(dāng)代汽車(chē)已經(jīng)非常成熟和普遍了。 （ 2） 對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)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(qiáng)，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(gè)質(zhì)的飛躍。以上的這些都是在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間所學(xué)的知識(shí)的利用。 汽車(chē)?yán)走_(dá)實(shí)物 ...........................................................................35 圖 51 汽車(chē)?yán)走_(dá)實(shí)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(jì) ...........................................................21 167。 測(cè)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(cè)距系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上 ， 指出了設(shè)計(jì)測(cè)距儀的思路和所需考慮的問(wèn)題 ， 給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距方案的軟、硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖。同時(shí)汽車(chē)駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車(chē)駕駛?cè)藛T的比例也逐年增加。為此，設(shè)計(jì)了以 AT89C51 單片機(jī)為核心利用超聲波 自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng) 提醒駕駛員在倒車(chē)時(shí)有效的避開(kāi)可能對(duì)倒車(chē)造成危害的障礙物和行人，從而有效避免由于倒車(chē)造成的汽車(chē)碰撞或擦傷的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。 汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢(shì) ........................................................ 4 167。 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊的簡(jiǎn)介 ................................... 11 167。 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì) ...........................................................19 167。 蜂鳴器的驅(qū)動(dòng) ....................................................................27 167。 顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 ............................................................33 167。主要是通過(guò)超聲波系統(tǒng)與單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)先提示，減少倒車(chē)時(shí)的碰撞及事故。倒車(chē)?yán)走_(dá)真正開(kāi)始于轟鳴器，也就是第一代倒車(chē)?yán)走_(dá)?，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。 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且還有較高的測(cè)量精度。超聲波的發(fā)射與接收電路的功能是為了檢測(cè)到障礙物的距離；報(bào)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(jìn)而減少交通事故的產(chǎn)生。盡管每輛車(chē)都有后視鏡，但不可避免地都存在一個(gè)后視盲區(qū)，倒車(chē)?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。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。 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。無(wú)庸置疑，未來(lái)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。 課題研究 的意義 近年來(lái)，隨著汽車(chē)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(chē)數(shù)量正逐年增加。 超聲波的簡(jiǎn)介 科學(xué)家們將 每秒鐘 振動(dòng) 的次數(shù)稱(chēng)為聲音的 頻率 ，它的單位是 赫茲 (Hz)。這樣的兩種情況稱(chēng)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(jì)（論文） 7 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(guò)程稱(chēng)為空化。 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)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(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越 遠(yuǎn)。 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(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，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(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)。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(jì)主要用于倒車(chē)?yán)走_(dá)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(cè)距模塊。 表 21 HCSR04 超聲波測(cè)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(yuǎn)射程 4m 最近射程 2cm 測(cè)量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號(hào) 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號(hào) 輸出 TTL 電平信號(hào)，與射程 成比例 規(guī)格尺寸 45? 20? 15mm 圖 26 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊的時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明你只需要提供一個(gè) 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測(cè)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(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。 167。s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射 信號(hào)后的接收信號(hào)。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。另外，從圖中 a 點(diǎn)以后，接收信號(hào)才比發(fā)射信號(hào)大，但還將與發(fā)射信號(hào)相迭加，難以分辨。選用 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊 ，其價(jià)格比較實(shí)惠，程序控制簡(jiǎn)單具有較高的實(shí)用性。 超聲波自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)原理框圖如圖 31 所 示?，F(xiàn)代社會(huì)中嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在，早已被應(yīng)用在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。 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(xiàng) 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(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 ，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(shí)候，可直接按式 2/CVts?進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： 2cos tcS ??? ? (31) 實(shí)際的調(diào)試過(guò)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?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測(cè)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(jì)（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(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)交直流輸入信號(hào)的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié) 2R 和 3R 阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。 167。顯示譯碼器的輸出級(jí)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(shí)，相應(yīng)字段就不亮。 LED 數(shù)碼管的顯示 本設(shè)計(jì)顯示部分采用三位共陰極數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值。缺點(diǎn)是需要的硬件電路較多 (每一個(gè)數(shù)碼管都需要一個(gè)鎖存器 )，同時(shí)由于所有數(shù)碼管都處于被點(diǎn)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(shí)，對(duì)電源的要求也就隨之增高。動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)刷新頻 率最好大于50HZ， 即沒(méi)顯示一輪的時(shí)間不超過(guò) 20ms，每個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)間不能太長(zhǎng)也不能太短，時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)影響刷新率，導(dǎo)致總體顯示呈現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，時(shí)間太短發(fā)光二極管的電流導(dǎo)通時(shí)間也就短，會(huì)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(cè)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(gè)子程序的調(diào)度管理等部分； C 語(yǔ)系統(tǒng)采用 AT89S52 的內(nèi)時(shí)鐘： 12MHz； ， C 語(yǔ)言相比匯編有許多的優(yōu)勢(shì)；編譯器使用 Keil ? Version2 進(jìn)行程序編譯， Keil 功能強(qiáng)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(jī) 端口輸出 10uS 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(cè)回波。 //產(chǎn)生一個(gè) 20us 的脈沖，在 Trig 引腳 while(Echo==0)。 //開(kāi)總中斷 while(TH1 30)。 //沒(méi)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(hào) { outeH =TH1。 //寫(xiě)入定時(shí)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(shí)器的值 succeed_flag=1。 conversion(a)。 //關(guān)閉定時(shí)器 1 EX0=0。 //清測(cè)量成功標(biāo)志 EX0=1?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。 //定時(shí)器 0，定時(shí)器 1， 16 位工作方式 TR0=1。 P0M0 = 0XFF。 初始化程序 0，定時(shí)器 1， 16 位工作方式。 因此，只要以 輸出高電平作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器以及發(fā)光二極管作為報(bào)警器件。 本系統(tǒng)采 用 動(dòng) 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(diǎn)。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)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(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。每個(gè)數(shù)碼管可顯示 0～ 9 十個(gè)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(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在 5～ 10mA。 液晶是一種介于晶體和液體之間的有機(jī)化合物，常溫下既有液體的流動(dòng)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(jì)（論文） 23 根據(jù)本設(shè)計(jì)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(hào)放大 200 倍。 由電路的 基本知識(shí) 有如下公式。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。 存在 4 個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入