【文章內容簡介】 超聲波測距原理框圖 ，超聲波測距基本原理：經發(fā)射器發(fā)射出長約6mm，頻率為40KHZ的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產生mV級的微弱電壓信號。 超聲波測距方法主要有三種：1） 相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限；2） 聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；3） 渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都容易實現，其 渡越時間法測距原理原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經氣體介質傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離s。設s為測量距離，△t為往返時間差，超聲波的傳播速度為c，則有s=c△t/2。綜合以上分析，本設計將采用渡越時間法。其中，△t就是所謂的渡越時間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關。 聲速與溫度關系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m/s）313319325323338344349386 由于我國大部分地區(qū)四季溫差不超過40（10到30）攝氏度，且本系統(tǒng)測距范圍（車前4到5米）比較小，單片機以微秒計時，故溫度影響可以不予考慮。可以看出主要部分有： (1) 供應電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；(2) 使接收和發(fā)射隔離的開關部分；(3) 轉換電能為聲能，且將聲能透射到介質中的發(fā)射傳感器；(4) 接收反射聲能（回波）和轉換聲能為電信號的接收傳感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設備；(6) 記錄/控制設備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時間，存儲所要求的數據，并將時間間隔轉換成距離。 測距系統(tǒng)的主要參數（1）測距儀的工作頻率 由文獻知，空氣中超聲波的衰減系數為α=αaαs=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右。太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術參數，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮： 如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。 工作頻率越高，對相同尺寸的換能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復雜表面越準，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。 從傳感器設計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比。雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。（2） 聲速聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質中聲波的傳播速度隨溫度，雜質含量，和介質壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為c=＋(m/s) 式中，T 是溫度。由于該測距系統(tǒng)用于室內測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據上式計算出為 340 m/s。（3）發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關。根據資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據實際的經驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。本設計最終選定11us的發(fā)射脈沖寬度。（4） 測量盲區(qū)在測距時, 傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波來作為測量的載體, 因此只有待發(fā)送結束后才能啟動接收, 設發(fā)送波束的時間為t , 則在t 時間內從物體反射回的信號就無法捕捉。另外超聲波傳感器有一定的慣性, 即有一個從受迫振動到平衡振動再到阻尼振動的過程, 故發(fā)送結束后還有一定的余振, 這種余振經換能器同樣產生電壓信號, 這種電壓信號疊加到回波信號上, 使電路鑒別不出真正的回波, 從而擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號工作。因此在余振未消失以前, 還不能啟動系統(tǒng)進行回波接收。以上兩個原因造成了超聲波傳感器具有一定的測量范圍, 即存在所謂的盲區(qū)。本章小結本章主要對超聲波傳感器、超聲波測距原理介紹，f0＝40KHz 為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 f0處，超聲發(fā)射傳感器所產生的超聲機械波最強， 檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經氣體介質傳播到接收傳感器的時間△t，這個時間就是渡越時間，通過公式s=c△t /2求出距離s。第四章 防撞預警系統(tǒng)的總體方案第四章 防撞預警系統(tǒng)的總體方案本設計主要是進行距離的測量和報警，設計中涉及到的內容較多，主要是將單片機控制模塊、超聲波測距模塊、蜂鳴器報警模塊、4位數碼管顯示模塊這幾個模塊結合起來。而本設計的核心是超聲波測距模塊，其他相關模塊都是在測距的基礎上拓展起來的，測距模塊是利用超聲波傳感器，之后選擇合適單片機芯片，以下就是從相關方面來論述的。 設計方案（1）激光傳感器激光的優(yōu)點是具有高單色特性、高方向特性和相干性好特性等等，因此，激光發(fā)射出的光束近似直線性，幾乎不蔓延，具有較集中的波能集中，能傳輸較遠的距離。激光傳感器利用激光的方向性強和傳光性好的特點，它工作時先由激光傳感器對準障礙物發(fā)射激光脈沖，經障礙物反射后向各個方向散射，部分散射光返回到接受傳感器，能接受其微弱的光信號，從而記錄并處理光脈沖發(fā)射到返回所經歷的時間即可測定距離，即用往返時間的一半乘以光速就能得到距離。其優(yōu)點是測量的距離遠、速度快、測量精確度高、量程范圍大，但在車輛防碰撞領域，激光測距應用仍有一定的局限性，事實上因為激光測距是容易受天氣狀況的影響，激光發(fā)射和接收反射鏡的清潔度，被測量的車輛和障礙本身表面粗糙，污染和車輛振動等因素，使激光雷達的探測范圍精密度和準確度，很難保證，而且制作的難度大成本也比較高。（2）紅外線測距傳感器紅外線測距傳感器利用的就是紅外線信號在遇到障礙物其距離的不同則其反射的強度也不同，根據這個特點從而對障礙物的距離的遠近進行測量的。其優(yōu)點是成本低廉，使用安全，制作簡單，缺點就是測量精度低，方向性也差，測量距離近。 （3）超聲波傳感器超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動頻率高于20 kHz的機械波。超聲波傳感器在工作的時候就是將電壓和超聲波之間的互相轉換，當超聲波傳感器發(fā)射超聲波時，發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉化的超聲波發(fā)射出去，當接收超聲波時，超聲波接收探頭將超聲波轉化的電壓回送到單片機控制芯片。超聲波具有振動頻率高、波長短、繞射現象小而且方向性好還能夠為反射線定向傳播等優(yōu)點，而且超聲波傳感器的能量消耗緩慢有利于測距。在中、長距離測量時，超聲波傳感器的精度和方向性都要大大優(yōu)于紅外線傳感器，但價格也稍貴。從安全性，成本、方向性等方面綜合考慮，超聲波傳感器更適合設計要求。根據對以上三種傳感器性能的比較，雖然能明顯看出來激光傳感器是比較理想的選擇，但是它的價格卻比較高，而且安全度不夠高。而且汽車在行駛的過程中超聲波傳感器測距時應具有較強的抗干擾能力和較短的響應時間，因此選用超聲波傳感器作為此設計方案的傳感器探頭。 超聲波時序圖該測距裝置是由超聲波模塊、單片機和數碼管顯示電路組成，傳感器輸入端與發(fā)射接收電路組成超聲波測距模塊，模塊的輸出輸入與單片機相連接，單片機的輸出端口與顯示電路輸入端相連接。 超聲波時序圖，超聲波測距模塊發(fā)射端在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一負跳到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t,由此便可計算出距離。25 系統(tǒng)總方案本文論述的汽車防撞報警系統(tǒng)選用AT89C51 單片機作為控制器，其具體工作過程如下：系統(tǒng)采用超聲波測距的方法對障礙物進行測距，首先由超聲波發(fā)射電路發(fā)出信號， 刺激超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波，當超聲波遇到障礙物后，立即產生反射波；然后超聲波接收探頭接收到超聲波，激勵超聲波接收電路向單片機傳輸信號。系統(tǒng)利用霍爾傳感器測量車輪的轉速，通過內部程序計算汽車的行進速度。單片機控制器內部程序將該汽車時速下的距離計算出來，利用數碼管組顯示給用戶， 另外還將此距離和安全距離相比較，如果小于安全距離則利用警示燈或蜂鳴器進行聲光報警；如果大于安全距離則只顯示距離，不報警。 汽車防撞報警系統(tǒng)原理示意圖此方案選擇AT89C51單片機作為控制核心，所測得的距離數值由4位共陽極數碼管顯示，與障礙物之間的不同距離利用蜂鳴器頻率的不同報警聲提示，將超聲波發(fā)送出去，超聲波接收電路由CX20106芯片和超聲波接收探頭組成的電路構成，報警系統(tǒng)由蜂鳴器電路構成。本設計中將收發(fā)超聲波的探頭分離這樣不會使收發(fā)信號混疊，從而能避免干擾，可以很好的提高系統(tǒng)的可靠性。結合各方面的因素考慮，依據設計的要求，查閱相關數據資料，選擇了超聲波測距傳感器TR4016（其中T表示超聲波發(fā)射探頭，R表示超聲波接收探頭）。超聲波模塊的最大探測距離為7 m， cm，盲區(qū)為2 cm，而且發(fā)射擴散角不大于15176。，更有利于測距的準確性。而且，此模塊的工作頻率范圍為39 kHz～41 kHz左右，完全能在40 kHz工作頻率工作。由于超聲波的發(fā)射和接收是分開發(fā)送和接收的，所以發(fā)射探頭和接收探頭必須在同一條水平行直線上，這樣才能準確地接收反射的回波。而由于測量的距離不同和發(fā)射擴散角所引起的誤差以及超聲波信號在空氣中傳播的過程中的超聲波衰減問題，發(fā)射探頭和接收探頭距離不可以太遠，而且還要避免發(fā)射探頭對接收探頭在接收信號時產生的干擾，所以二者又不能靠得太近。根據對相關資料查閱，將兩探頭之間的距離定在5 cm～8 cm最為合適。本章小結本章對測距傳感器的比較，選擇適合于汽車防撞的超聲波傳感器，核心是超聲波測距模塊，其他相關模塊都是在測距的基礎上拓展起來的，測距模塊是利用超聲波傳感器，此方案選擇AT89C51單片機作為控制核心，所測得的距離數值由4位共陽極數碼管顯示，與障礙物之間的不同距離利用蜂鳴器頻率的不同報警聲提示。27第五章 防撞預警系統(tǒng)硬件電路設計第五章 防撞預警系統(tǒng)硬件電路設計 單片機系統(tǒng)設計 單片機的選擇一般在系統(tǒng)的設計當中，能否完成設計任務最重要的就在于系統(tǒng)的核心器件是否選擇合適，而單片機更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇更是異常重要。如果選擇了一個合適的單片機不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。目前，市面上的單片機的種類繁多，并且他們在功能方面也是各自有各自的特點。在一般的情況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有：（1）單片機最基本性能參數指標。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量，I/O口的引腳數量等。（2）單片機的某些增強的功能。（3）單片機的存儲介質。例如：對于程序存儲器來說，最好選用的是Flash的存儲器。（4）單片機的封裝形式。封裝的形式多種多樣，例如：雙列直插封裝、PLCC封裝及表面貼附等。（5）單片機對工作的溫度范圍的要求。例如：在進行設計戶外的產品時，就必須要選用工業(yè)級的芯片，以達到溫度范圍的要求。（6）單片機的功耗。例如，如果信號線取電只能提供幾mA的電流，所以為了能滿足低功耗的要求這個時候選用STC的單片機是最合適的。（7）單片機在市面上的銷售渠道是否暢通、其價格是否便宜。（8）單片機技術的支持網站如何，賣家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶手冊，設計方案舉例，相關范例程序等。（9）單片機的保密性是否很好，單片機的抗干擾的性能如何等。51系列單片機它在指令系統(tǒng)、硬件結構和片內資源等方面與標準的52系列的單片機可以完全的兼容。51系列的單片機執(zhí)行速率快(最高時鐘頻率為90 MHz)，功耗低，在系統(tǒng)、在應用可編程,不占用用戶的資源。根據本系統(tǒng)設計的實際要求，選擇AT89C51單片機做為本設計的單片機使用，它是由ATMEL公司生產的高性能、低功耗的CMOS 8位單片機。89C51單片機具有以下幾個性能特點：4 k字節(jié)的閃存片內程序存儲器，128字節(jié)的數據存儲器，32個外部輸入和輸出口，2個全雙工串行通信口，看門狗電路，5個中斷源，2個16位可編程定時計數器，片內震蕩和時鐘電路且全靜態(tài)工作并由低功耗的閑置和掉電模式。: P89C51芯片引腳 單片機引腳功能（1）電源引腳Vcc（40腳）：正電源的引腳，工作電壓是5 V。GND（20腳）：接地端。晶振電路的引腳XTAL1和XTAL2為了產生時鐘信號，在89C51單片機的芯片內部已經設置了一個反相放大器，其中XTAL1端口就是片內反相放大器的輸入端，XTAL2端則是片內振蕩器反相放大器的輸出端 。單片機使用的工作方式是自激振蕩的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進行振蕩，從而就可以產生時鐘信號。它結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率。單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率上。時鐘信號電路如圖 。 晶振電路（3）復位RST（9腳）在單片機應用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要復位鍵重新啟動。所以，系統(tǒng)的復位電路必