【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 7 為 f0 才能產(chǎn)生最強(qiáng)的機(jī)械波能量 。 同理 ，超聲波接收傳感器的頻率特性 也要在特定頻率是才能最好的接收到超聲波 。 超聲波接收 和發(fā)射 傳感器 對(duì)頻率很敏感， 所以在頻率選擇上就必須把頻率設(shè)定在最佳狀態(tài)這樣才能最好的接收和發(fā)送超聲波 。 在電路設(shè)計(jì) 時(shí) ，要注意超聲接收傳感器的電路連接，尤其是電路中器件參數(shù)的選擇 。在接收頭上 會(huì)外接一個(gè)電阻 R，這個(gè)電阻的大小決定輸入到控制器中的交流電壓 頻率特性 。 當(dāng) R大時(shí)，頻率特性尖銳但靈敏度高；當(dāng) R小時(shí)，頻率特性平滑但靈敏度低。 我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，這個(gè)地方應(yīng)折中考慮，使超聲波的接收效果達(dá)到最好。 圖 超聲波 頻率特性 指向特性 在日常生活中 人耳可感受的聲音是無(wú)指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴(kuò)散周圍均能聽到聲音。 但對(duì)于超聲波而言 由于超聲波 具有很高的 頻率，所以方向性（ 方向性即 束射性） 就相對(duì)要強(qiáng) 。 實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片， 發(fā)出的超 聲波在各種媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于媒質(zhì) 要吸收掉它的一部分能量，所以 隨著傳播路程的增加，聲波的強(qiáng)度會(huì) 隨之 減弱。 超聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果， 具 有 很強(qiáng)的 指向性。 本次設(shè)計(jì)的汽車倒車?yán)走_(dá)主要就是要測(cè)出汽車與障礙物的距離，障礙物這一目標(biāo)是非常明確的，所以我們用的聲波需要很強(qiáng)的指向性， 超聲波 是最好的選擇。 超聲 波傳感器應(yīng)用 超聲波傳感器主要是產(chǎn)生超聲波和接收超聲波信號(hào) ，主要有兩種類型，即專用型和兼用型，專用型是把發(fā)射器和接收器制作在一起的。超聲波的檢測(cè)也主要有兩種方式，發(fā)射靈敏度（ db） 8 即反射式和直射式 。反射式是將發(fā) 送的超聲波通過(guò)被測(cè)物體反射后由探頭接收，發(fā)射頭和接收頭位于被測(cè)物同一測(cè)；直射式是將發(fā)射頭與接收頭分別置于被測(cè)物體的兩側(cè) [8]。如圖 。 圖 反射式與直射式超聲波檢測(cè) 此次設(shè)計(jì)中 超聲波的檢測(cè)方式用的是用的反射式， 讓 壓電式 超聲 波傳感器 在交流電的作用下產(chǎn)生同頻率的超聲波，發(fā)射出去時(shí)微處理器開始計(jì)時(shí)，遇到障礙物時(shí)因其具有很強(qiáng)的反射行，會(huì)反射回超聲波，當(dāng)接收探頭收到超聲波信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給微處理器，此時(shí)停止計(jì)時(shí)， 從而測(cè)出發(fā)射超聲波 和接收到回波的時(shí)間差 t。根據(jù)超聲波常溫時(shí)在空氣中傳播的速度 C=340m/s 就可測(cè)得發(fā)射器與障礙物的距離 L=C*t/2。超聲波測(cè)距示意圖如圖 ： 圖 超聲波測(cè)距示意圖 3 各硬件組成單元方案設(shè)計(jì) 發(fā)射和接收 單元方案設(shè)計(jì) 該超聲波測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路L 障礙物 超聲波發(fā)射器 超聲波接收器 接 收 發(fā) 送 被測(cè)物體 RX TX TX RX 發(fā)送 接收 9 組成 ， 通過(guò)各個(gè)單元模塊單獨(dú)作用通過(guò)單片機(jī)的整合 構(gòu)成 整個(gè)單片機(jī)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。 通過(guò)各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。 該系統(tǒng)的核心部分采用 綜合 性能較好的 AT89S51 單片機(jī)。 采用壓電式 超聲換能器 T4016作為信號(hào)的發(fā)送和接收 ，具體收發(fā)電路如圖附錄一所示。 該電路為 了 符合 本設(shè)計(jì)需要和實(shí)驗(yàn)室資源，采用了兩級(jí)信號(hào)放大，增強(qiáng)了接收信號(hào)， 簡(jiǎn)單實(shí)用 。 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)在 當(dāng)汽車的檔位啟動(dòng) 被啟動(dòng) ， 微處理器 利用定時(shí)器的功能 從開始發(fā)送超聲波時(shí)開始定時(shí)，在收到反射的超聲波時(shí)結(jié)束定時(shí)，從而 記錄 下 超聲波 在空氣中傳播的 時(shí)間。 經(jīng)計(jì)算距離中斷程序算出汽車與障礙物的距離，如果距離太近了，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警示聲音，從而提醒駕駛員安全駕駛。 主要模塊 設(shè)計(jì) ● 發(fā)射電路 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。 由單片機(jī) 口控制其 脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生 40KHz 脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。 因?yàn)?脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍 所以 應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。 發(fā)射電路由 電壓為 9V 的直流電源提供電能，此外還有阻值分別為 360 歐的電阻 各一個(gè)， NPN 型三極管和激勵(lì)換能器 T4016 也是各一個(gè) 。 發(fā)射電路 工作 原理： 用單片機(jī) AT89S51 編寫一個(gè)產(chǎn)生40KHz 方波的程序，通過(guò) 這個(gè) I/O 送到發(fā)射電路， 經(jīng)過(guò)三極管放大 ,驅(qū)動(dòng) T4016振動(dòng) 發(fā)射出超聲波。 其 原理框圖如圖 。 圖 框 圖 ● 接收電路 接收電路的主要任務(wù)是 接收 經(jīng)過(guò)障礙物 返回的超聲波 并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì) 是 影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量 的關(guān)鍵因素 。 在超聲波接收器的設(shè)計(jì)上本次設(shè)計(jì)采用 T4016 作為超聲波的接收芯片。 接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路 識(shí)別 回波以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠 識(shí)別 的信號(hào)并向單片機(jī) 發(fā)出 中斷 信號(hào)停止計(jì)時(shí) 。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，所以接收電路設(shè)置了濾AT89c51單片機(jī) 口發(fā)出脈沖 通過(guò)放大器放大 勵(lì)磁換能器 T4016 發(fā)射超聲波 10 波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 接收電路如框圖 。 圖 原理框圖 發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的問題 [9] ● 超聲波是通過(guò)壓電晶體的振動(dòng)產(chǎn)生的，但晶體的振動(dòng)需要一段時(shí)間的過(guò)度才能穩(wěn)定，其發(fā)射波形如圖 ，在不穩(wěn)定期雖能產(chǎn)生超聲波，但靈敏度不高，為了提高靈敏度，我們應(yīng)該在穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)生超聲波，本次設(shè)計(jì)選擇脈寬為 120μ s 來(lái)消除測(cè)量“盲區(qū)”， 即波形出于暫態(tài)的區(qū)域， 其中包含 5 個(gè)調(diào)制的 44KHz 的方波信號(hào)。 圖 發(fā)射波形 ● 由于超聲波傳感器發(fā)出的是 以 聲波 形式在空氣中傳播 所以在傳播的過(guò)程中就必然會(huì) 損失掉部分能量 ， 傳感器功能的實(shí)現(xiàn) 主要取決于發(fā)射信號(hào) 傳輸過(guò)程中的損耗 的因素， 就比如說(shuō)聲波在空氣中損失、反射時(shí)的損失、環(huán)境噪聲等。 由于接收的超聲波信號(hào)很弱 ，所以在信 號(hào)放大和濾波方面尤其重要。 ● 信號(hào) 接收狀態(tài)是否良好 關(guān)系到整 個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性，所以 必須 考慮 對(duì) 接收信號(hào) 有影響 的 各 種 因素，如超聲波在空氣介質(zhì)中傳輸時(shí)回波等其他波的干擾，接收到激勵(lì)階段 減幅震蕩 暫態(tài) 穩(wěn)態(tài) 接 收 器 R40— 16 AT89c51單片機(jī) 超聲波 通過(guò)放大器放大 11 的超聲波產(chǎn)生的電信號(hào)是否足夠大。 為了解決這些問題，在電路中需要安裝一個(gè)濾波器，它主要起兩方面的作用，一是使輸出的有用信號(hào)成分最強(qiáng)，二是使輸出噪聲成分盡可能的減小。 但是任意的濾波器都行，必須選一個(gè)與之相匹配的 。 接收 電路中需要一個(gè) 放大器 ，其 作用是放大 經(jīng)障礙物反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，并且抑止干擾信號(hào)。 運(yùn)算放大器的工作原理如圖 。 運(yùn)算放大器的 主要技術(shù)參數(shù) : （ a） 開環(huán)差模電壓增益 Au0： Au0 是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下 ,并工作在線性區(qū)時(shí)的差模電壓增益 .用分貝表示則是 Au0 可達(dá)140db 以上。 （ b） 輸入失調(diào)電壓及其溫漂：失調(diào)電壓的大小主要反映了差分輸入元件的失配；輸入失調(diào)電壓是隨溫度 ,電源電壓或時(shí)間而變化的 ,通常將輸入失調(diào)電壓對(duì)溫度的平均變化率稱為輸入電壓溫度漂移。 （ c） 輸入失調(diào)電流及其溫漂：在常溫下，輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器的兩個(gè)輸入端的基極靜態(tài) 電流之差稱為輸入失調(diào)電流 II0。輸入失調(diào)電流溫度漂移是指輸入失調(diào)電壓隨溫度變化的平均變化率。一般以 mA/0C 為單位。高質(zhì)量的為每度幾個(gè)皮安。 （ d） 輸入偏置電流 IIB： IIB 是指常溫下輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，即 IIB=（ IB1+IB2） /2 （ ） IIB 的大小反映了放大器的輸入電阻和輸入失調(diào)電流的大小， IIB 越小，運(yùn)算放大器的輸入電阻越高，輸入失調(diào)電流越小。 （ e） 差模輸入電阻 Rid： Rid 是指運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的動(dòng)態(tài)電阻，一般為幾兆。 （ f） 輸出電阻 R0：運(yùn)算放 大器在開環(huán)工作時(shí)，在輸出端對(duì)地之間看進(jìn)去的等效電阻即為輸出電阻。 R0 大小放映了運(yùn)算放大器的負(fù)載能力。 （ g） 共模抑制比 KcmR KcmR=Aud/Auc （ ） 用 dB 表示，即為 20lg(Aud/Auc). （ h） 最大差模輸入電壓 UidM： UidM 是指運(yùn)算放大器同相端和反相端之間所能加的最大電壓。 （ i） 最大共模輸入電壓 UicM： UicM 是指運(yùn)算放大器在線性工作范圍內(nèi)能承受的最大共模輸入電壓。 12 圖 信號(hào)放大器原理圖 顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì) 當(dāng)超聲波接收器接收到返回的超聲波時(shí)將信號(hào)傳送給單片機(jī) AT89s51， 經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出汽車與障礙物得距離， 通過(guò)數(shù)碼管 顯示出來(lái)，如果具體曉得一定范圍 蜂鳴器 就會(huì)發(fā)出聲音， 以被駕駛員直接識(shí)別 ， 從而 避免 安全 事故發(fā)生。顯示報(bào)警 單元主要 由顯示 電路 和報(bào)警電路組成。 系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 的 顯示距離范圍 為 8米，用四聯(lián)共陽(yáng)極數(shù)碼管 LED 進(jìn)行顯示 ， 即汽車與障礙物距離在 0到 8米內(nèi)都能通過(guò)數(shù)碼管 準(zhǔn)確清晰的為駕駛員反映障礙物到保險(xiǎn)杠的距離。從而使駕駛員能夠?qū)⑵囃？吭谙鄳?yīng)的位置，顯示電路 圖見附錄一所示。 系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)三極管、一個(gè)上拉電阻和一個(gè)蜂鳴器組成如圖 附錄一所示 。當(dāng) T4016發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來(lái)， 通過(guò) 接收器 R4016 接收 ，并將其 轉(zhuǎn)換成 相應(yīng)的 電信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大 后 ，將信號(hào)送給單片機(jī) AT89S51產(chǎn)生一個(gè)中斷。這樣，計(jì)數(shù)器便停止計(jì)數(shù)。單片機(jī) 計(jì)算相應(yīng)的 時(shí)間差，根據(jù) S=340*t/2這個(gè)公式來(lái)計(jì)算車與障礙物的距離，并把運(yùn)算結(jié)果以十進(jìn)制的方式送到七段 LED 顯示電路去顯示， 如果距離小于 ，則單片機(jī) AT89S51 便給 一個(gè)信號(hào)，使得報(bào)警電路工作，實(shí)現(xiàn) 顯示報(bào)警功能 [7]。 單片機(jī)復(fù)位電路 當(dāng)給單片機(jī)上電那一瞬間，電壓有在幾微秒內(nèi)（有的是幾毫秒內(nèi)）不是直接跳變到5V的而是一個(gè)直線上升的階段，這時(shí)候，單片機(jī)不能正常工作，需要復(fù)位電路給它延時(shí)以等到電壓穩(wěn)定。 單片機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，復(fù)位中央處理器 CPU 和內(nèi)部其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 前 置放 大 信號(hào) 帶通放大 模擬開關(guān) 程控放大 輸出 控制端 A1 A0 13 MCS51 單片機(jī) 有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，高電平有效