【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，具有自動(dòng)探測(cè)前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車的功能，是未來(lái)高級(jí)小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國(guó)和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力開(kāi)發(fā)在高級(jí)汽車上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS、和高檔微機(jī)等。 超聲波測(cè)距的原理及誤差分析 .1超聲波測(cè)距的原理 超聲波測(cè)距原理：超聲波發(fā)射器在MCU控制下由B1向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物立即返回來(lái)，測(cè)距系統(tǒng)在B2接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即：S=340t/2，聲速確定后，要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離，這就是超聲波測(cè)距的基本原理。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。 　　測(cè)距的公式表示為：L=CT 　　式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。 　　超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。 　　由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。 超聲波測(cè)距誤差分析根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=CT，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 　　1）時(shí)間誤差 　　當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，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(cè)距誤差s△t() ≈ 。 　　在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。 　　2）超聲波傳播速度誤差 　　超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。 　　已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下： 　　式中： r —?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值， 　　R —?dú)怏w普適常量，mol1K1， 　　M—?dú)怏w分子量，103kgmol1， 　　T —絕對(duì)溫度，273K+T℃。 　　近似公式為：C=C0+T℃ 　　式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s； 　　T為實(shí)際溫度(℃)。 　　對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，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(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)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(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差tr，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形及放大，以保證測(cè)量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、放大電路、比較震蕩電路、單片機(jī)電路、鍵盤輸入電路、電源電路、復(fù)位電路、顯示電路、溫度測(cè)量電路及溫度補(bǔ)償電路等幾部分模塊組成。超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖31所超聲波接收電路放大電路超聲波發(fā)射電路放大電路比較電路震蕩電路單片機(jī)AT89C51鍵盤輸入復(fù)位電路溫度傳感器DS18B20電源電路4位LED顯示器R40超聲波傳感器T40超聲波傳感器單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用比較電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，用溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。用復(fù)位電路重置系統(tǒng)后可進(jìn)行下一次測(cè)試。 單片機(jī)功能AT89C52 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)．片內(nèi)含8K byTES的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256 byTES 。的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU ）和FLASH由存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。 主要性能參數(shù)：與Mcs51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。8字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲(chǔ)器1000 次擦寫周期全靜態(tài)操作：0HZ24MHZ三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器256X8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/0口線3個(gè)16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器8個(gè)中斷源可編程串行UART通功耗空閑和掉電模式低8字節(jié)FLASH閃速存儲(chǔ)器，256字竹內(nèi)部RAM , 32個(gè)I/O口線，3個(gè)16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89c52可降至OHz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時(shí)／計(jì)數(shù)器．串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位. AT89C52管腳說(shuō)明Vcc:電源電壓GND:地P0：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向1/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)．每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL 邏輯門電路，對(duì)端口P0 寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部 上拉電阻。在FLASH由編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字 節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口：PI 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，Pl的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流IIL與AT89C51不同之處是， （）和輸入（) , 參見(jiàn)表1 FLASH編程和程序校驗(yàn)期間，Pl接收低8位地址。表1 的第二功能 口：P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯電路。對(duì)端口P2寫“l(fā)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（llt ）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOvx@DPTR 指令）時(shí)，P2送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、如執(zhí)行MOVX@RI指令）時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。FLASH編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。 P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL) . P3口除了作為一般的I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口〕 TXD（串行輸出口〕 INTO（外中斷0〕 INTO（外中斷l(xiāng)) TO （定時(shí)／計(jì)數(shù)器0 ) Tl （定時(shí)／計(jì)數(shù)器l ) WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000HFFFFH ) , EA端必須保持低電平(接地）．需注怠的是：如果加密位LBI被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。 如EA端為高電平（接Vcc端）, CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP ，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP 。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端．XTAL1：振蕩器反相放大器的輸出端。 DS18B20溫度傳感器簡(jiǎn)介溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場(chǎng)上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導(dǎo)體熱敏電阻等。以半導(dǎo)體熱敏電阻為探測(cè)元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛，這是因?yàn)樵谠试S工作條件范圍內(nèi)，半導(dǎo)體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點(diǎn)，而且制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。半導(dǎo)體熱敏電阻按溫度特性熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而增加）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而下降）。本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)Dallas 半導(dǎo)體公司的不銹鋼封裝的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20是采用專門設(shè)計(jì)的不銹鋼外殼，具有很小的蓄熱量，采用導(dǎo)熱性高的密封膠，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。DS18B20支持“一線總線”接口（1Wire），測(cè)量溫度范圍為 55176。C～+125176。C，在10～+85176。C范圍內(nèi),精度為177。176。C。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20采用3腳PR35封裝；DS18B20數(shù)字化溫度傳感器的主要性能如下：1) 適用電壓為3V～5V；2) 9～12位分辨率可調(diào)，℃、℃、℃、℃；3) TO9SOIC及CSP封裝可選；4) 測(cè)溫范圍：55℃～125℃；5) 精度：10℃～85℃范圍內(nèi)177?！妫?) 無(wú)需外部元件，獨(dú)特的一線接口，電源和信號(hào)復(fù)合在一起；7) 每個(gè)芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，零功耗等待。 TR40超聲波傳感器簡(jiǎn)介 超聲波傳感器的基本介紹超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。 超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為2325KHZ及4045KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R4016，T/R4012等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開(kāi)關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開(kāi)關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。 LM7805端穩(wěn)壓集成電路 LM7805介紹用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用 LM7805的特點(diǎn)1）最大輸出電流1A2）輸出電壓為5V，6V，8V，9V，10V，12V，15V，18V，24V3）熱過(guò)載保護(hù)5）短路保護(hù)6）輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù) LM7805的實(shí)際應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來(lái)，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以