【文章內(nèi)容簡介】 個共振板。當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，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。2．3 超聲波測距原理在超聲波探測電路中, 發(fā)射端輸出一系列脈沖方波, 其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔, 被測物距越遠, 脈沖寬度越大, 輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲波測距的方法有多種, 如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高, 但檢測范圍有限可檢測到汽車倒車中, 其障礙物與汽車的距離；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法, 其測量原理圖如圖1所示。圖1 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=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)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?時間誤差 當要求測距誤差小于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。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，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，汽車喇叭正對傳感器鳴叫時。6）障礙物為銳角反射體，錐狀物體。2．6 如何提醒車主 倒車雷達在上圖所示偵測區(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倒車雷達左中/ 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 倒車雷達的工作原理圖圖6 測距工作原理以單片機作為主控電路元件，以 12MHZ 晶振作為標準脈沖振蕩電路元件，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通訊，進行實時控制。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。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 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)標準的 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 單片機為很多