【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 及 4045KHz。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。 透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型， 分離式 反射型可用于接近開關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以 及測(cè)厚等。 超聲波測(cè)距原理 目前，利用超聲波測(cè)距的方法有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、渡越時(shí)間檢測(cè)法三種。相位檢測(cè)的精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)易受反射波的影響；渡越時(shí)間檢測(cè)工作方式簡(jiǎn)單、直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，其原理是檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波到經(jīng)氣體介質(zhì)傳播后接收傳感器接收超聲波的時(shí)間差，即渡越時(shí)間 t。（如圖 22， 23 所示）。 圖 22 超聲波測(cè)距原理 基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì) 圖 23發(fā)射接收波形 超聲波具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)、檢測(cè)迅速、方便、計(jì)算單、易于做到實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn) [4]，經(jīng)常用于 距離的測(cè)量。超聲波脈沖反射式測(cè)距原理是通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳播時(shí)，途中碰到障礙物就立即返射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波脈沖反射式測(cè)距原理 [5]公式 如 （ ） ： 2/cts? （ ） 其中： s 為發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離； t 為計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差； c 為超聲波在空氣中的傳播速度。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于 距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。 限制倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。 超聲波的傳播速度 c 并不是固定不變的，傳播速度受空氣密度、溫度和氣體分子成分的影響，關(guān)系式為（ ）： KTcMRTc 27310 ??? ?（ ） 式中γ —— 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為 。 R—— 氣體普適常數(shù)，為 。 T—— 氣體勢(shì)力學(xué)溫度，與攝氏溫度的關(guān)系是 T=273K+t。 M—— 氣體相對(duì)分子質(zhì)量，空氣為 103kg/mol。 c0—— 0℃時(shí)的聲波速度，為 。 基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì) 由上式可見，超聲波在空氣中傳播時(shí)，受溫度影響最大，由表達(dá)式可計(jì)算出波速與溫度的關(guān)系。溫度越高，傳播速度越快，而且不同溫度下傳播速度差別非常大，例如 0℃時(shí)的速度為 332m/s， 30℃時(shí)的速度為 350m/s，相差 18m/s。因此，需要較高的測(cè)量精度時(shí)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償是最有效的措施。 因此，需要通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，我們學(xué)過(guò) 51 單片機(jī)，對(duì)它的功能及其應(yīng)用也比較熟知。 51 系列單片機(jī)采用 40 引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由 CPU， 4kB 的ROM， 256 B 的 RAM， 2 個(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 TO 和 T1， 4 個(gè) 8 b 的 I／ O 端I： IP0， P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器 (E~PROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 5l 系列單片機(jī)提供以下功能： 4 kB 存儲(chǔ)器； 256 BRAM； 32 條 I／ O 線； 2個(gè) 16b 定時(shí)／計(jì)數(shù)器； 5 個(gè) 2 級(jí)中斷源； 1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。 空閑方式： CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。 5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 。 顯示報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 顯示器應(yīng)用極為廣泛，是一種輸出設(shè)備，一般常用的包括數(shù)碼管顯示 和 LCD液晶顯示。數(shù)碼 管顯示內(nèi)容單一，液晶則比較豐富；數(shù)碼管一般就是一個(gè) 7 段的8 字，當(dāng)然多的有 16 段的中間米字型的，液晶可以顯示各種內(nèi)容。數(shù)碼管是自基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì) 發(fā)光的，液晶是靠背光環(huán)境的。數(shù)碼管是 LED 發(fā)光的效果，液晶是分子偏轉(zhuǎn)引起的暗影效果，數(shù)碼管比液晶耗電。 報(bào)警裝置一般有源蜂鳴器，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報(bào)警，以提示駕駛員；語(yǔ)音報(bào)警，給予駕駛員語(yǔ)音提示；聲光報(bào)警，給予駕駛員以聲音提示，并且發(fā)光來(lái)提示駕駛員。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 要完成整個(gè)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要單片機(jī)控制核心，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，溫度補(bǔ)償電路 ，報(bào)警電路以及顯示電路這幾個(gè)模塊（圖 24）。 圖 24系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 該倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于 AT89C51 的超聲信號(hào)檢測(cè)的。單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的 40KHz 信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LCD 顯示電路進(jìn)行顯示，當(dāng)距離小于安全距離時(shí)，并進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警。 C51 單 片 機(jī) 發(fā)射電路 發(fā)射傳感器 蜂鳴器報(bào)警 測(cè)溫電路 LCD 顯示電路 接收電路 接收傳感器 障礙物 基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì) 3 倒車?yán)走_(dá)系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本 章講述倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和主要元器件的介紹。 倒車?yán)走_(dá)，又稱泊車輔助系統(tǒng)，或稱倒車電腦警示系統(tǒng)。它是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成。它能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和啟動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，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。 包括測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) (超聲波發(fā)送接收及測(cè)溫系統(tǒng) )、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射模 塊、超聲波接收模塊及溫度補(bǔ)償模塊構(gòu)成；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要 采用 AT89C51，用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 端口 控制發(fā)射和停止 輸出超聲波換能器所需的 40KHz 的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。 顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要對(duì)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、蜂鳴器和 LCD 顯示電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。以下就各模塊的電路圖、功能及設(shè)計(jì)思路作詳細(xì)說(shuō)明。 超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì) （ 1） 超聲測(cè)距、激光測(cè)距、紅外測(cè)距、微波測(cè)距等非接觸式測(cè)距方法被廣泛用于探測(cè)、汽車、運(yùn)動(dòng)機(jī)器人等方面。超 聲測(cè)距就是利用壓電效應(yīng)將電脈沖與機(jī)械諧振產(chǎn)生的的超聲波互相轉(zhuǎn)化而構(gòu)成的的發(fā)射與接收裝置，也稱為超聲波換能器或超聲波探頭，它包括發(fā)送探頭和接收探頭兩部分。通過(guò)發(fā)射探頭將 40kHz的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械諧振而產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，而接收探頭則是將超聲波引起的機(jī)械諧振在轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)。 （ 2） 下圖所示為這里的所采用的已有超聲波發(fā)射與接收模塊的內(nèi)部電路示意圖，單片機(jī)只要通過(guò) 引腳發(fā)出的 40kHz 脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路送至發(fā)射模塊的輸入端即可引發(fā)出超聲波，用 引腳獲取模塊輸出的超聲波返回脈沖信 號(hào)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)下降沿到來(lái)時(shí)，單片機(jī)當(dāng)即響應(yīng)中斷。 基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì) 圖 31超聲波發(fā)射電路 溫度補(bǔ)償電路 溫度補(bǔ)償電路采用美國(guó)達(dá)拉斯 (Dallas)公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20 作為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同。 DS18B20[12]可直接將基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì) 被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。以供單片機(jī)處理，它還具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即 “ 一線器件 ” ，其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）采用單總線的接口方式與微處理器連接時(shí) 僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 （ 2）測(cè)量溫度范圍寬，測(cè)量精度高 DS18B20 的測(cè)量范圍為 55℃ ~+125℃ ；在10~+85176。C 范圍內(nèi)，精度為 177。176。C。 （ 3）在使用中不需要任何外圍元件。 （