【文章內(nèi)容簡介】 度； T為測量距離傳播的時間差 (T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半 )。 圖 1為原理圖 。 圖 1 超聲波測距原理 超聲波發(fā)生器 為了研究和利 用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制定了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、 磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前比較常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的 兩極外加脈沖信號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，如果兩電極間為外加壓電，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器。 定時器 控制 計時器 調(diào)制器 振蕩器 顯示器 接收檢驗 電聲換能器 聲電換能器 障 礙 物 4 超聲波 的簡介 超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵能夠聽到的范圍 .一般而言是指聲音超過20KHz 以上時 ,稱之為超聲波 .與光波不同 ,超聲波是一種彈性機械波 ,它可以在氣體、液體、固體中傳播。由于超聲波也是一種聲波，超聲波在媒質(zhì)中傳播的速度和媒質(zhì)的特性有關(guān)。理論上，在 13℃的海水里聲音的傳播速度為 15OOm/s。在鹽度水平為 35‰，深度為 0m 溫度為 0℃的環(huán)境下，聲波的速度為 。聲音在 25℃空氣中傳播速度的理論值為344m/s，這個速度在 0℃時降為 334m/s。聲波傳輸距離首先和大氣的吸收性有關(guān)，其次溫度、濕度、大氣壓也是其中的因素，而這些因素對大氣中聲波衰減的效果比較明顯。溫度是和其他常數(shù)一樣決定聲音速度的第二因素。它和溫度的關(guān)系可以用以下公式來表示 :C=+(米 /秒 )。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測得超聲波往返的時間，即 可求得距離，這就是超聲波測距系統(tǒng)的機理 。 超聲波測距 的 應(yīng)用 超聲波測距是單片機控制超聲波傳感器發(fā)射出超聲波束，遇到障礙后返回，然后接收它的回波，利用發(fā)、收過程中產(chǎn)生的時間差，就可以計算出前方物體離超聲波傳感器的實際距離。 設(shè)計為了能測量汽車不同位置障礙物距離，設(shè)計成多傳感器測距。經(jīng)分析可知：頻率為 400KHZ 左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，因此，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成 40KHZ 左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號，如圖 2 所示。 圖 2 超聲波通道工作時序 5 超聲波倒車雷達系統(tǒng)工作原理 倒車雷達只 需要在汽車倒車時工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認為汽車是靜止的，因此在系統(tǒng)中可以忽略多普勒效應(yīng)的影響。在許多測距方法中，脈沖測距法只需要測量超聲波在測量點與目標間的往返時間，實現(xiàn)簡單，因此本系統(tǒng)采用了 這 種方法。 超聲波倒車雷達 系統(tǒng)工作原理 如圖 3所示，駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后，系統(tǒng)自動啟動，超聲波發(fā)送 模塊 向后發(fā)射40kHz 的超聲波 信號 ，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進行放大和比較， 單片機AT89C2051 將此信號送入顯示模塊，同時觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當與障礙物距離小于 1m、 、 時，發(fā)出不同的報警聲， 提醒駕駛員停車。 圖 3 系統(tǒng)工作原理框圖 超聲波發(fā)送模塊 超聲波 接收 模塊 驅(qū)動電路 放大 比較 AT89C2051 倒車檔GCH 顯示模塊 語音電路 6 第二章 超聲波倒車雷達的芯片選擇 單片機控制芯片 AT89C2051 簡介： AT89C2051 是一個低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀 Flash 程序存儲器 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RMA） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 F拉屎存儲單元，功能強大的 AT89C2051 單片機可為您提供 許多高性價比 的場合。 AT89C2051 是一個功能強大的單片機，但它只有 20 個引腳， 15個雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，其中 P1是一個完整的 8 位雙向 I/O 口，兩個外中斷口，兩個 16位可編程定時計數(shù)器 ,兩個全雙向串行通信口，一個模擬比較放大器。同時 AT89C2051 的時鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有 RAM、定時 /計數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進入 繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi) RAM 將被凍結(jié)，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位 方可繼續(xù)運行。 AT89C2051 主要功 能特性見表 1，管腳圖 如 圖 4。 圖 4 AT89C2051 管腳圖 7 表 1 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 2k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） Flash ROM 5 個雙向 I/O 口 6個中斷源 兩個 16位可編程定時 /計數(shù)器 的寬工作電壓范圍 時鐘頻率 024MHz 128x8bit 內(nèi)部 RAM 兩個外部中斷源 兩個串行中斷 可直接驅(qū)動 LED 兩級加密位 低功耗睡眠功能 內(nèi)置一個模擬比較放大器 可編程 UARL 通道 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 8 第三章 超聲波倒車雷達硬件設(shè)計 超聲波倒車雷達的工作原理 倒車雷達只需要在汽車倒車時工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認為汽車是靜止的，因此在系統(tǒng)中可以忽略多普勒效應(yīng)的影響。在許多測距方法中，脈沖測距法只需要測量超聲波在測量點與目標間的往返時間，實現(xiàn)簡單，因此本系統(tǒng)采用了 這 種方法 。 如圖 3所示，駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后，系統(tǒng)自動啟動，超聲波發(fā)送 模塊 向后發(fā)射 40kHz 的超聲波 信號 ，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進行放大和比較， 單片機 AT89C2051 將此信號送入顯示模塊，同時觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當與障礙物距離 小于 1m、 、 時，發(fā)出不同的報警聲，提醒駕駛員停車。 圖 3 系統(tǒng)工作原理框圖 超聲波發(fā)射電 路 超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭（又稱 “ 超聲波換能器 ” ）選用 CSB40T，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生 40kHz 的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動 電流 在100mA 以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無須驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。 本設(shè)計采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，電路設(shè)計如圖 5所示。 40kHz 的超聲波是利用 555時基電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計算式為 f=((R 9+2R 10)C 5)。將 R 10設(shè)計為超聲波發(fā)送模塊 超聲波 接收 模塊 驅(qū)動電路 放大 比較 AT89C2051 倒車檔GCH 顯示模塊 語音電路 9 可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的 40kHz 固有頻率一致。為保證 555時基具 有足夠的驅(qū)動能力，宜采用 +12V 電源 。 CNT 為超聲波發(fā)射控制信號，由單片機進行控制。 圖 5 超聲波發(fā)送模塊電路 超聲 波接收電路 超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計采用 CSB40R，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收，必須進行波形變換。按照上面所討論的原理，單片機需要的只是第一個回波的時刻。接收電路的設(shè)計可采用專用接收電路，也可采用通用電路來實現(xiàn)，如圖 6所示。 超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減與距離成正比，即距離越近信號 越強，距離越遠信號越弱，通常在 1mV～ 1V之間。當然，不同接收探頭的輸出信號強度存在差異。由于輸入信號的范圍較大，對放大電路的增