【文章內(nèi)容簡介】 的媒王治國：基于超聲波原理的停車輔助系統(tǒng) 4 質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會反射。利用超聲檢測往往比較迅速，方便，易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)使用的要求，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。 超聲波測量在國防、航空航天、電力、石化、機(jī)械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大特點是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳 播，了解被測物體內(nèi)部情況。超聲檢測設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點，有利于工程實際使用。 超聲波傳感器介紹 超聲波傳感器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。目前常用的超聲波傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要包括壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動力型包括有氣體和液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(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)慣上都把超聲波傳感器稱為探頭，而工 業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。 壓電傳感器屬于超聲波傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(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、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超 聲振動。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)壓電晶片受發(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)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，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。在壓電陶瓷上加上有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(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 f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會產(chǎn)生超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(chǎn)生機(jī)王治國：基于超聲波原理的停車輔助系統(tǒng) 5 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。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應(yīng)來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示，它有兩個壓電晶片和一個錐形振子，當(dāng)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，并帶動錐形振子振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)錐形振子接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。 圖 壓電式傳感器原理圖 Fig. Schematic of piezoelectric sensors 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時，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，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。利用這一特性可制作成各種頻率的超聲波傳感器。 一般常用的超聲波傳感器有兩種：專用型和兼用型。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。本設(shè)計選用的超聲波傳感器是專用型，其型號為 TCT4016T 和 TCT4016R，其中 40 表示傳感器工作的中心頻率為 40KHz,16 表示傳感器的外徑為 16mm， T和 R 分別表示發(fā)射器和接收器。 超聲波測距的原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時 開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計時。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為 v ，根據(jù)計時器記錄的時間 t ，發(fā)射點距障礙物的距離 H ，如圖 所示 王治國：基于超聲波原理的停車輔助系統(tǒng) 6 圖 超聲波測距原理 Fig. Ultrasonic ranging principle 圖 中 被測距離為 H，兩探頭中心距離的一半用 M 表示，超聲波單程所走過的距離用 L 表示，由圖可得： ?cosLH? (1) ? ?HMarc tan?? (2) 將式 (2)帶入式 (1)得： ? ?? ?HMLH a rc ta nc o s? (3) 在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： vtL?2 (4) 式中： v 為超聲波的傳播速度， t 為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式 (4)帶入式 (3)可得： ? ?? ?HMvtH a rc t a nc o ? (5) 當(dāng)被測距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M 時，式 (5)變?yōu)椋? vtH ? (6) 這就是所謂的時間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 [2]。 由于是利用超聲波測距，要測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率 ，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。 王治國：基于超聲波原理的停車輔助系統(tǒng) 7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 按照系統(tǒng)設(shè)計的功能的要求，初步確定設(shè)計系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。 單片機(jī)主控芯片使用 51 系列 AT89S51 單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機(jī)課程設(shè)計中經(jīng)常使用 到的控制芯片。 發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。 接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調(diào)試工作小較小。 單 片 機(jī) 控 制 系 統(tǒng)（ A T 8 9 S 5 1 ）超 聲 波 接收 模 塊超 聲 波 發(fā)射 模 塊供 電 單 元顯 示 模 塊 圖 系統(tǒng)整體框圖 Fig. Overall block diagram of the system 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路、報警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機(jī)采用 AT89S51，系統(tǒng)晶振采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號， 端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 3 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的 P2 口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 、 口 ,數(shù)碼管位驅(qū)運用 PNP 三極管 S9012 三極管驅(qū)動。 AT89S51 單片機(jī) AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器 ,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容 標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8位微處理器于單片芯片中， ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價位 AT89S51 單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 王治國：基于超聲波原理的停車輔助系統(tǒng) 8 主要性能參數(shù)： 與 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 － 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式： 0Hz－ 33MHz 三級程序加密鎖 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個可編程 I／ O 口線 2 個 16 位定時／計數(shù)器 6 個中斷源 全雙工串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP 字節(jié)或頁寫模式） 除此以外 AT89S51 還提供一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 本系統(tǒng)由單片機(jī) AT89S51 控制，包括單片機(jī)系統(tǒng)、發(fā)射電路與接收放大電路和顯示電路幾部分組成，如圖 31 所示。硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機(jī)采用