【文章內(nèi)容簡介】 L=ct/2 (1)式（1）中, L 為超聲傳感器與被測障礙物之間的距離, c 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。超聲波在空氣中的傳播速度為: 00cT??, 其中 T 為絕對溫度數(shù)值, ?, ?。在測量精度不是很高的情況下, 一般可以認(rèn)為 c 為常數(shù) 340m/s。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波又很難精確捕捉,致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素是使用超聲測距引起誤差的原因。 超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=ct/2，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表1聲速與溫度關(guān)系溫度(℃) －30 －20 －10 0 10 20 30 100聲速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386這是超聲波的溫度效應(yīng)特性，超聲波的傳播速度“C”可以用公式(2)表示：C＝＋（m/s）,式中t=溫度（℃）。因此要精確測量與某個物體之間的距離時，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?時間誤差 當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)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() ≈ 。 在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達(dá)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(zhǔn)的89C51單片機(jī)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(dá)到1MM時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)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(dá)到5M，測量1M誤差將達(dá)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。2．5 影響超聲波探測的因素圖2 超聲波差距示意圖在圖2中，用一個超聲波傳感器來發(fā)射超聲波，同時它又可以接收到回波。一般使用的超聲波頻率為40KHZ。根據(jù)以上原理，所算出的障礙物距離都是指障礙物到傳感器的距離。傳感器可檢查到的角度：傳感器發(fā)射超聲波有一定的角度范圍，圖3，圖4為常用傳感器的探測角度:圖3 水平探測角度圖4 垂直探測角度以上菱形區(qū)域是發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)，而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物能否被探測到，則與以下因素有關(guān)(見圖5示):1） 從物理方面的反射原理可知:超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角，因此，反射波是否能被傳感器捕捉，與反射面的角度有關(guān)。2） 反射面的大小不同，也會影響反射波的強(qiáng)度。3） 另外，障礙物會吸收掉一部分超聲波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和表面處理相關(guān)。疏松、多孔的表面較易吸收音波而導(dǎo)致反射效率較低，不易被偵測。4） 超聲波在空氣中傳輸時也會衰減，所以同一個反射面，同樣的角度，距離越遠(yuǎn)，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不易被測到。5） 以上幾點(diǎn)簡單的說，就是:角度、大小、表面材質(zhì)和距離。這些因素綜合起來，決定障礙物是否會被探測到。圖5 超聲波探測障礙物根據(jù)以上原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況！1）鐵絲網(wǎng)，繩索類細(xì)小物體。2）草地行車或崎嶇不平路面。3）棉質(zhì)或表面易吸收聲波之物質(zhì)。4）傳感器表面附著異物。5）同頻率(40 KHz)之超聲波雜音加金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車?yán)日龑鞲衅鼬Q叫時。6）障礙物為銳角反射體，錐狀物體。2．6 如何提醒車主 倒車?yán)走_(dá)在上圖所示偵測區(qū)內(nèi)檢測到有效障礙物時，LED及系統(tǒng)內(nèi)的蜂鳴器會根據(jù)障礙物的距離發(fā)出警告聲和不同的顯示方式。分為三段( 如表2) 這樣，用戶可以很清楚的判斷出障礙物的大概距離。表2倒車?yán)走_(dá)左中/ 右中傳感器提示方式:障礙距離 LED與蜂鳴器響應(yīng)方式A段 150~100CM 對應(yīng)方位的指示燈亮、蜂鳴器以相應(yīng)的頻率叫聲為提示B段 100~50CM 對應(yīng)方位的指示燈亮、蜂鳴器以不同頻率的叫聲提示C段 50CM以內(nèi) 對應(yīng)方位指示燈全亮，并伴有閃爍以警告用戶、蜂鳴器長鳴3 系統(tǒng)設(shè)計3．1 倒車?yán)走_(dá)的工作原理圖圖6 測距工作原理以單片機(jī)作為主控電路元件，以 12MHZ 晶振作為標(biāo)準(zhǔn)脈沖振蕩電路元件，通過軟件編程實現(xiàn) 40KHZ 方波的產(chǎn)生，經(jīng)過放大驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生諧振，發(fā)射超聲波信號，同時單片機(jī)開中斷并開始計時，超聲波信號遇到障礙物后反射回來被超聲波接收探頭接收，經(jīng)過整形濾波及放大驅(qū)動音頻譯碼器 LM567，鎖相后，該芯片 8 腳變?yōu)榈碗娖浇釉?INT1 上，關(guān)中斷，計時結(jié)束，根據(jù)超聲波測距原理：L=ct/2，調(diào)用測距子程序，計算距離。除了設(shè)計主測距電路外還需設(shè)計好電源部分、聲光報警部分，及其接口部分，以便很好的與上位機(jī)通訊，進(jìn)行實時控制。發(fā)送的脈沖選用40KHZ的方波，這是由探頭本身的中心頻率和其頻率特性決定的，如圖2所示：在40KHZ頻率時，超聲波探頭的輸出聲壓和靈敏度值最大。輸出超聲波的聲壓/dB 靈敏度/dB 圖 7 超聲波傳感器發(fā)射和接收頭的頻率特性RL=Ω距離30cm60 60 60708035 40 45輸入電壓 10Vrm距離 30cm1201101035 40 45頻率 K HZ 頻率 K HZ3．2 系統(tǒng)硬件電路原理圖C1 C31uC41u C5Q19013R15k R220R4390kR6390k R710kY140TY240RVCOUT 8GND7Ct6Rt5Ofil1Lfil2IN3 V+4 U2LM567R820kVC VC32 184 U1ALM358 56 7U1BLM358C1210uR110kR1210k R1310kR1410kVC VCVCVin1GND2+5V 3U4LM7805CT C8J1CON2S1SW SPSTEA/VP31X119X218RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P12 P123P134 P145 P156P167 P178P0 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P2 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD 11RXD 1080C51GND20VC40RESET9U38031AH123J2CON3RXDTXDS2SWPBR1020C620uVCR91kC1030pC130pY312MTXDRXD...圖 8 電路原理圖4 系統(tǒng)硬件電路介紹 圖 9 電路框圖4．1 AT89C51 單片機(jī)AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件AT89C51超聲波發(fā)送模塊超聲波接收模塊放大驅(qū)動電路比較LED 顯示模塊聲光報警模塊采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51是一種高效微控制器，AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖片見圖 5：圖 10 AT89C51 管腳圖1）主要特性：與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10 年全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級程序存儲器鎖定128*8 位內(nèi)部 RAM32 可編程 I/O 線兩個 16 位定時器/計數(shù)器5 個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2）管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。 P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻