【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 超聲波測(cè)距原理框圖 ，超聲波測(cè)距基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約6mm，頻率為40KHZ的超聲波信號(hào)。此信號(hào)被物體反射回來(lái)由接收頭接收，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號(hào)后產(chǎn)生mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)。 超聲波測(cè)距方法主要有三種：1） 相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限；2） 聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響；3） 渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其 渡越時(shí)間法測(cè)距原理原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離s。設(shè)s為測(cè)量距離，△t為往返時(shí)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(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。其中，△t就是所謂的渡越時(shí)間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)。 聲速與溫度關(guān)系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m/s）313319325323338344349386 由于我國(guó)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(cè)距范圍（車前4到5米）比較小，單片機(jī)以微秒計(jì)時(shí)，故溫度影響可以不予考慮?？梢钥闯鲋饕糠钟校?(1) 供應(yīng)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(guān)部分；(3) 轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；(4) 接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)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(shè)備；(6) 記錄/控制設(shè)備，通常控制發(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(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。 測(cè)距系統(tǒng)的主要參數(shù)（1）測(cè)距儀的工作頻率 由文獻(xiàn)知，空氣中超聲波的衰減系數(shù)為α=αaαs=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波的衰減對(duì)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(wú)法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)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(diǎn)考慮： 如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)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(duì)相同尺寸的換能器來(lái)說，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。 從傳感器設(shè)計(jì)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(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)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(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。（2） 聲速聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)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(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)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(jù)上式計(jì)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(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。本設(shè)計(jì)最終選定11us的發(fā)射脈沖寬度。（4） 測(cè)量盲區(qū)在測(cè)距時(shí), 傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波來(lái)作為測(cè)量的載體, 因此只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收, 設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為t , 則在t 時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無(wú)法捕捉。另外超聲波傳感器有一定的慣性, 即有一個(gè)從受迫振動(dòng)到平衡振動(dòng)再到阻尼振動(dòng)的過程, 故發(fā)送結(jié)束后還有一定的余振, 這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào), 這種電壓信號(hào)疊加到回波信號(hào)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(hào)工作。因此在余振未消失以前, 還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收。以上兩個(gè)原因造成了超聲波傳感器具有一定的測(cè)量范圍, 即存在所謂的盲區(qū)。本章小結(jié)本章主要對(duì)超聲波傳感器、超聲波測(cè)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(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)， 檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間△t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，通過公式s=c△t /2求出距離s。第四章 防撞預(yù)警系統(tǒng)的總體方案第四章 防撞預(yù)警系統(tǒng)的總體方案本設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行距離的測(cè)量和報(bào)警，設(shè)計(jì)中涉及到的內(nèi)容較多，主要是將單片機(jī)控制模塊、超聲波測(cè)距模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、4位數(shù)碼管顯示模塊這幾個(gè)模塊結(jié)合起來(lái)。而本設(shè)計(jì)的核心是超聲波測(cè)距模塊，其他相關(guān)模塊都是在測(cè)距的基礎(chǔ)上拓展起來(lái)的，測(cè)距模塊是利用超聲波傳感器，之后選擇合適單片機(jī)芯片，以下就是從相關(guān)方面來(lái)論述的。 設(shè)計(jì)方案（1）激光傳感器激光的優(yōu)點(diǎn)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(yuǎn)的距離。激光傳感器利用激光的方向性強(qiáng)和傳光性好的特點(diǎn)，它工作時(shí)先由激光傳感器對(duì)準(zhǔn)障礙物發(fā)射激光脈沖，經(jīng)障礙物反射后向各個(gè)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(hào)，從而記錄并處理光脈沖發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間即可測(cè)定距離，即用往返時(shí)間的一半乘以光速就能得到距離。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的距離遠(yuǎn)、速度快、測(cè)量精確度高、量程范圍大，但在車輛防碰撞領(lǐng)域，激光測(cè)距應(yīng)用仍有一定的局限性，事實(shí)上因?yàn)榧す鉁y(cè)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(cè)量的車輛和障礙本身表面粗糙，污染和車輛振動(dòng)等因素，使激光雷達(dá)的探測(cè)范圍精密度和準(zhǔn)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(cè)距傳感器紅外線測(cè)距傳感器利用的就是紅外線信號(hào)在遇到障礙物其距離的不同則其反射的強(qiáng)度也不同，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)從而對(duì)障礙物的距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行測(cè)量的。其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，使用安全，制作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)就是測(cè)量精度低，方向性也差，測(cè)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(dòng)頻率高于20 kHz的機(jī)械波。超聲波傳感器在工作的時(shí)候就是將電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉(zhuǎn)化的超聲波發(fā)射出去，當(dāng)接收超聲波時(shí)，超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn)化的電壓回送到單片機(jī)控制芯片。超聲波具有振動(dòng)頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小而且方向性好還能夠?yàn)榉瓷渚€定向傳播等優(yōu)點(diǎn)，而且超聲波傳感器的能量消耗緩慢有利于測(cè)距。在中、長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，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(jià)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(shè)計(jì)要求。根據(jù)對(duì)以上三種傳感器性能的比較，雖然能明顯看出來(lái)激光傳感器是比較理想的選擇，但是它的價(jià)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(cè)距時(shí)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較短的響應(yīng)時(shí)間，因此選用超聲波傳感器作為此設(shè)計(jì)方案的傳感器探頭。 超聲波時(shí)序圖該測(cè)距裝置是由超聲波模塊、單片機(jī)和數(shù)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(cè)距模塊，模塊的輸出輸入與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的輸出端口與顯示電路輸入端相連接。 超聲波時(shí)序圖，超聲波測(cè)距模塊發(fā)射端在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t,由此便可計(jì)算出距離。25 系統(tǒng)總方案本文論述的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)選用AT89C51 單片機(jī)作為控制器，其具體工作過程如下：系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距的方法對(duì)障礙物進(jìn)行測(cè)距，首先由超聲波發(fā)射電路發(fā)出信號(hào)， 刺激超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物后，立即產(chǎn)生反射波；然后超聲波接收探頭接收到超聲波，激勵(lì)超聲波接收電路向單片機(jī)傳輸信號(hào)。系統(tǒng)利用霍爾傳感器測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，通過內(nèi)部程序計(jì)算汽車的行進(jìn)速度。單片機(jī)控制器內(nèi)部程序?qū)⒃撈嚂r(shí)速下的距離計(jì)算出來(lái)，利用數(shù)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(jìn)行聲光報(bào)警；如果大于安全距離則只顯示距離，不報(bào)警。 汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)原理示意圖此方案選擇AT89C51單片機(jī)作為控制核心，所測(cè)得的距離數(shù)值由4位共陽(yáng)極數(shù)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(bào)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(gòu)成，報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器電路構(gòu)成。本設(shè)計(jì)中將收發(fā)超聲波的探頭分離這樣不會(huì)使收發(fā)信號(hào)混疊，從而能避免干擾，可以很好的提高系統(tǒng)的可靠性。結(jié)合各方面的因素考慮，依據(jù)設(shè)計(jì)的要求，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)資料，選擇了超聲波測(cè)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(cè)距離為7 m， cm，盲區(qū)為2 cm，而且發(fā)射擴(kuò)散角不大于15176。，更有利于測(cè)距的準(zhǔn)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(zhǔn)確地接收反射的回波。而由于測(cè)量的距離不同和發(fā)射擴(kuò)散角所引起的誤差以及超聲波信號(hào)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(yuǎn)，而且還要避免發(fā)射探頭對(duì)接收探頭在接收信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的干擾，所以二者又不能靠得太近。根據(jù)對(duì)相關(guān)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(jié)本章對(duì)測(cè)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(cè)距模塊，其他相關(guān)模塊都是在測(cè)距的基礎(chǔ)上拓展起來(lái)的，測(cè)距模塊是利用超聲波傳感器，此方案選擇AT89C51單片機(jī)作為控制核心，所測(cè)得的距離數(shù)值由4位共陽(yáng)極數(shù)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(bào)警聲提示。27第五章 防撞預(yù)警系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第五章 防撞預(yù)警系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇一般在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，能否完成設(shè)計(jì)任務(wù)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(jī)更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對(duì)單片機(jī)的選擇更是異常重要。如果選擇了一個(gè)合適的單片機(jī)不僅可以最大地簡(jiǎn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說更方便。目前，市面上的單片機(jī)的種類繁多，并且他們?cè)诠δ芊矫嬉彩歉髯杂懈髯缘奶攸c(diǎn)。在一般的情況下來(lái)講，在選擇單片機(jī)時(shí)要需要考慮的幾個(gè)方面有：（1）單片機(jī)最基本性能參數(shù)指標(biāo)。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲(chǔ)器的容量，I/O口的引腳數(shù)量等。（2）單片機(jī)的某些增強(qiáng)的功能。（3）單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。例如：對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說，最好選用的是Flash的存儲(chǔ)器。（4）單片機(jī)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(jī)對(duì)工作的溫度范圍的要求。例如：在進(jìn)行設(shè)計(jì)戶外的產(chǎn)品時(shí)，就必須要選用工業(yè)級(jí)的芯片，以達(dá)到溫度范圍的要求。（6）單片機(jī)的功耗。例如，如果信號(hào)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(gè)時(shí)候選用STC的單片機(jī)是最合適的。（7）單片機(jī)在市面上的銷售渠道是否暢通、其價(jià)格是否便宜。（8）單片機(jī)技術(shù)的支持網(wǎng)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(cè)，設(shè)計(jì)方案舉例，相關(guān)范例程序等。（9）單片機(jī)的保密性是否很好，單片機(jī)的抗干擾的性能如何等。51系列單片機(jī)它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源等方面與標(biāo)準(zhǔn)的52系列的單片機(jī)可以完全的兼容。51系列的單片機(jī)執(zhí)行速率快(最高時(shí)鐘頻率為90 MHz)，功耗低，在系統(tǒng)、在應(yīng)用可編程,不占用用戶的資源。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，選擇AT89C51單片機(jī)做為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)使用，它是由ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的CMOS 8位單片機(jī)。89C51單片機(jī)具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：4 k字節(jié)的閃存片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32個(gè)外部輸入和輸出口，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗電路，5個(gè)中斷源，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，片內(nèi)震蕩和時(shí)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(jī)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(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，在89C51單片機(jī)的芯片內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置了一個(gè)反相放大器，其中XTAL1端口就是片內(nèi)反相放大器的輸入端，XTAL2端則是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端 。單片機(jī)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(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進(jìn)行振蕩，從而就可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率上。時(shí)鐘信號(hào)電路如圖 。 晶振電路（3）復(fù)位RST（9腳）在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需要復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必