【文章內(nèi)容簡介】 圖 2 超聲波測距原理圖 其原理為 : 在超聲波發(fā)射器兩端輸入 40KHZ 脈沖串 , 脈沖信號經(jīng)過超聲波內(nèi)部振子 , 振蕩產(chǎn)生機械波 , 并通過空氣介質(zhì)傳播到被測面 , 由被測面反射到超聲波接收器接收 , 在超聲波接收 器兩端 , 信號是毫伏級的正弦波信號 , 超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間 , 即為往返時間。 超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法 ,其中常用脈沖回波法測距。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 ,其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波 , 超聲波在空氣中傳播至障礙物 , 經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖 , 測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間 , 再乘以超聲波在空氣中的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 , 即： L=c t/2 (31) 式中 ： L為超聲傳感器與被測障礙物之間的距離 ； v為超聲波在介質(zhì) (空氣 )中的傳輸速率 ； t為超聲波從發(fā)射到接收的時間。 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 10 超聲波在空氣中的傳播速度為 : 00c c T T?? , (32) 式 中 ： T為絕對溫度數(shù)值 , 0 ? , 0 m s? 。 若要求測距誤差小于 ，已知聲速 v=344m/s(20℃時 )。顯然，直接用秒表測時間是不現(xiàn)實的。因此，實現(xiàn)超聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。 對超聲波傳播時間的測量可以歸結(jié)到對超聲波回波前沿的檢測。目前使用的方法有信號過零檢測，包絡檢測和脈沖檢測等方法。本文主要用的是脈沖檢測法它是一種對有回波信號經(jīng)檢測電路產(chǎn)生的脈沖進行檢測的方法。這種方法實現(xiàn)起來較包絡檢測方便，電路實現(xiàn)簡單，精度也較高。實現(xiàn)的方法是當回波信號經(jīng)放大處理后，進入比較器，調(diào)整好合適的閡值在比較器的輸出端就會產(chǎn)生 40kHz 的方波。利用 中斷的方法便可以檢測出這些脈沖，便于測量出發(fā)射到接收到脈沖的時間。 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 （ 31） ，可知測距的誤差是由超聲波的 溫度誤差、 傳播速度誤差 和 測量距離傳播的時間誤差引起的。 溫度誤差 由于超聲波也是一種聲波。其聲速 C與溫度有關(guān)。表 1列出了幾種不同溫度下的聲速 溫度 (℃ ) － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 表 1聲速與溫度關(guān)系 這是超聲波的溫度效應特性，超聲波的傳播速度“ C” 可以用如下公式表示 ： C＝ ＋ （ m/s） （ 33） 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 11 式中 ： t溫度（℃）。 因此為了使測得的距離相對精確 ，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 時間誤差 當要求測距誤差小于 1mm時，假設已知超聲波速度 C=344m/s (20℃ 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差 s△ t() ≈ 即 。 在超聲波的傳播 速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm的誤差。使用的 12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 89C51定時器能保證時間誤差在 1mm的測量范圍內(nèi)。 對于超聲波測距精度要求達到 1MM時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例 如 當溫度 0℃ 時超聲波速度是 332m/s, 30℃ 時是 350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為 18m/s。若超聲波在 30℃ 的環(huán)境下以 0℃ 的聲速測量 100M距離所引起的測量誤差將達到 5M， 測量 1M誤差將達到 5MM。 超聲波遇到障礙物后，一部分會反來，那么，通過計算發(fā)射出超聲波到接收到回波之間的時差，還有音速，就能算出障礙物的距離。 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 12 4 硬件電路 設計 系統(tǒng)硬件電路主要包括：單片機最小系統(tǒng)，溫度檢測模塊，超聲波發(fā)送模塊，超聲波接收模塊， 液晶距離顯示模塊，發(fā)光二極管蜂鳴器告警模塊?，F(xiàn)一一敘述如下： 單片機最小系統(tǒng)設計 AT89S52 是 一種低功耗、高性能的 8 位微控制器，具有 8K 字節(jié) Flash E2PROM，256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 支持2 種軟件可選擇節(jié)電模式：空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作；掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止 [10]。其為 Atmel 公司的一款經(jīng)典產(chǎn)品，目前仍然被廣泛使用。 AT89S52 單片機為 40 引腳雙列直插芯片 ,有四個 I/O 口 P0,P1,P2,P3, MCS51 單片機共有 4 個 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3） ，每一條 I/O 線都能獨立地作輸出或輸入。 單片機的最小系統(tǒng)如下圖所示 ,18引腳和 19 引腳接時鐘電路 ,XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端 ,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入 ,XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端 ,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出 .第 9 引腳為復位輸入端 ,接上電容 ,電阻及開關(guān)后夠上電復位電路 ,20 引腳為接地端 ,40 引腳為電源端 . 如圖 3 所示 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 13 圖 3 最小系統(tǒng) 溫度 模塊 補償模塊 設計 由于超聲波的傳播速度 V 受到空氣中的溫度、濕度、壓 強等因素的影響，其中溫度的影響最為突出，溫度每升高 1℃，速度增加約 。因此在測量精度要求很高的場合，應通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正，以提高測量精度，減小誤差。 目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在檢測溫度時，都采用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量，經(jīng)信號放大電路放大到適當?shù)姆秶儆?A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來完成。這種電路結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)試繁雜，精度易受元器件參數(shù)的影響。為此，利用一線性數(shù)字溫度計即集成溫度傳感器 DS18B20 和單片機，構(gòu)成一個高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的 熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度值，并且可根據(jù)實際要求，通過簡單的編程，實現(xiàn) 9～ 12 位的 A/D轉(zhuǎn)換。因而，使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，同時可靠性更高。溫度測量范圍從 55～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 檢測誤差不超過 ℃ ，而在整個溫度測量范圍內(nèi)具有 177。2℃ 的測量精度 。本設計溫度測量選用 DALLAS 公司的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電電源范圍為 至 無需備用電源。它通過輸出 9 位（二進制）數(shù)字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過 DS18B20 的數(shù)據(jù)總線直接輸入 CPU,無需 A/D 轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令，溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入 DS18B20。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器除了具有相當?shù)臏y量范圍和精度外，還具有溫度測量精度和不受外界干擾等的優(yōu)點。 其電路連接如圖淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 14 4 溫度測量電路 所示。 它是數(shù)字式溫度傳感器，具有測量精度高，電路連接簡單特點，此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，使用 與 DS18B20 的 I/O口連接加一個上拉電阻 ,Vcc 接電源 ,Vss 接地 。 圖 4 DS18B20溫度采集 超聲波發(fā)送電路設計 超聲波發(fā)射部分需要用單片機產(chǎn)生一個頻率為 40kHz 左右的方波來帶動發(fā)射頭的壓電晶片來起振，從而發(fā)射出超聲波。 圖 5 超聲波換能器 圖 6 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 如圖 7為超聲波發(fā)射部分的電路： 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 15 圖 7 超聲波發(fā)射電路 由于單片機端口輸出功率不夠， 所以經(jīng)單片機產(chǎn)生的 40 kHz 方波脈沖信號 T分成兩路，一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波 換能器的一個電極；另一路經(jīng)兩級反相器后送到超聲波換能器的另一個電極 。再加上兩個上拉電阻 TR1 和 TR2，可有效提高 74LS04 的帶負載能力。 超聲波接收電路設計 超聲波接收部分的任務是接收到返回的超聲波信號并對其進行濾波、放大、整形。由于用分立元件搭建超聲波接收電路的效果很差，而且電路元件的參數(shù)不容易用常用元件達到，故超聲波接收電路采用了 索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20216，得到一個負脈沖送給單片機的 (INT0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。CX20216 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8 所示： 圖 8 CX20216 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 16 CX20l06A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外接收芯片，也適用于超聲波接收。其采用單列 8 腳直插式，小型封裝 ， +5V供電， 使用方便，功能強大。 超聲波接收電路如圖 9 所示。 圖 9 超聲波接收電路 超聲波接收電路 工作過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端 7 腳。當接收到與 CX20216 濾波器中心頻率 38kHz相符的回波信號時，其輸出端 7 腳就輸出低電平 。將此低電平信號輸出給單片機的外部中斷 0，即可產(chǎn)生一個中斷信號。 距離顯示電路 距離顯示電路采用 LCD1602 液晶顯示，它具有既能顯示數(shù)字又有能顯示符的特點 ,而且顯示數(shù)據(jù)多，字跡清晰。 液晶顯示原理圖如圖 10 所示： 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 17 告警提示電路 倒車雷達采用 LED 和蜂鳴器組成告警提示電路。當偵測到的汽車距障礙物的距離在安全范圍內(nèi)時綠色發(fā)光二級管點亮，蜂鳴器不發(fā)聲；偵測到汽車距障礙物的距離小于某一定值時，紅色發(fā)光二極管點亮，蜂鳴器發(fā)出提示音。 告警提示電路圖如下圖所示。當向 LED 和蜂鳴器連接的 I/O 口送一高電平 LED 即 被點亮或蜂鳴器發(fā)聲 。 圖 11 告警提示電路 圖 10 超聲波接收電路圖 淮北師范大學 2021 屆學士畢業(yè)論文 論文正文 18 5 系統(tǒng)軟件設計 該超聲波倒車雷達 采用 AT89C51單片機 作為主控芯片 ，該 單片機和其開發(fā)應用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達能力強、表達方式靈活、可進行結(jié)構(gòu)化設計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點。 系統(tǒng)軟件包括以下幾個部分： 系統(tǒng)初始化部分、溫度檢測部分、 距離顯示和 告警提示部分等。 軟件流程圖如圖 12： 否 是 否 是 圖 12 軟件流程圖 開始 單片機及各模塊初始化化 溫度檢測