【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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 )。 圖 1為原理圖 。 圖 1 超聲波測(cè)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(jì)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(jī)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(dòng)型等；機(jī)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(shí)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(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的 兩極外加脈沖信號(hào)頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì) 發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間為外加壓電，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器。 定時(shí)器 控制 計(jì)時(shí)器 調(diào)制器 振蕩器 顯示器 接收檢驗(yàn) 電聲換能器 聲電換能器 障 礙 物 4 超聲波 的簡(jiǎn)介 超聲波簡(jiǎn)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(shí) ,稱之為超聲波 .與光波不同 ,超聲波是一種彈性機(jī)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(gè)速度在 0℃時(shí)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(duì)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(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(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)距系統(tǒng)的機(jī)理 。 超聲波測(cè)距 的 應(yīng)用 超聲波測(cè)距是單片機(jī)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(shí)間差，就可以計(jì)算出前方物體離超聲波傳感器的實(shí)際距離。 設(shè)計(jì)為了能測(cè)量汽車不同位置障礙物距離，設(shè)計(jì)成多傳感器測(cè)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(hào)，如圖 2 所示。 圖 2 超聲波通道工作時(shí)序 5 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作原理 倒車?yán)走_(dá)只 需要在汽車倒車時(shí)工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時(shí)汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認(rèn)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(cè)距方法中，脈沖測(cè)距法只需要測(cè)量超聲波在測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，因此本系統(tǒng)采用了 這 種方法。 超聲波倒車?yán)走_(dá) 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(dòng)啟動(dòng)，超聲波發(fā)送 模塊 向后發(fā)射40kHz 的超聲波 信號(hào) ，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進(jìn)行放大和比較， 單片機(jī)AT89C2051 將此信號(hào)送入顯示模塊，同時(shí)觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當(dāng)與障礙物距離小于 1m、 、 時(shí)，發(fā)出不同的報(bào)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(dòng)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?yán)走_(dá)的芯片選擇 單片機(jī)控制芯片 AT89C2051 簡(jiǎn)介： AT89C2051 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀 Flash 程序存儲(chǔ)器 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RMA） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C2051 單片機(jī)可為您提供 許多高性價(jià)比 的場(chǎng)合。 AT89C2051 是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，但它只有 20 個(gè)引腳， 15個(gè)雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，其中 P1是一個(gè)完整的 8 位雙向 I/O 口，兩個(gè)外中斷口，兩個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,兩個(gè)全雙向串行通信口，一個(gè)模擬比較放大器。同時(shí) AT89C2051 的時(shí)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(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入 繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi) RAM 將被凍結(jié)，時(shí)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(yùn)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(gè)雙向 I/O 口 6個(gè)中斷源 兩個(gè) 16位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 的寬工作電壓范圍 時(shí)鐘頻率 024MHz 128x8bit 內(nèi)部 RAM 兩個(gè)外部中斷源 兩個(gè)串行中斷 可直接驅(qū)動(dòng) LED 兩級(jí)加密位 低功耗睡眠功能 內(nèi)置一個(gè)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?yán)走_(dá)硬件設(shè)計(jì) 超聲波倒車?yán)走_(dá)的工作原理 倒車?yán)走_(dá)只需要在汽車倒車時(shí)工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時(shí)汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認(rèn)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(cè)距方法中，脈沖測(cè)距法只需要測(cè)量超聲波在測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(dòng)啟動(dòng)，超聲波發(fā)送 模塊 向后發(fā)射 40kHz 的超聲波 信號(hào) ，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進(jìn)行放大和比較， 單片機(jī) AT89C2051 將此信號(hào)送入顯示模塊，同時(shí)觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當(dāng)與障礙物距離 小于 1m、 、 時(shí)，發(fā)出不同的報(bào)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(gè)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(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng) 電流 在100mA 以上的驅(qū)動(dòng)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(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無須驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。 本設(shè)計(jì)采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，電路設(shè)計(jì)如圖 5所示。 40kHz 的超聲波是利用 555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計(jì)算式為 f=((R 9+2R 10)C 5)。將 R 10設(shè)計(jì)為超聲波發(fā)送模塊 超聲波 接收 模塊 驅(qū)動(dòng)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(hào)頻率，使之與換能器的 40kHz 固有頻率一致。為保證 555時(shí)基具 有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，宜采用 +12V 電源 。 CNT 為超聲波發(fā)射控制信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)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(hào)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(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì)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(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號(hào)不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。按照上面所討論的原理，單片機(jī)需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。接收電路的設(shè)計(jì)可采用專用接收電路，也可采用通用電路來實(shí)現(xiàn)，如圖 6所示。 超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減與距離成正比，即距離越近信號(hào) 越強(qiáng)，距離越遠(yuǎn)信號(hào)越弱，通常在 1mV～ 1V之間。當(dāng)然，不同接收探頭的輸出信號(hào)強(qiáng)度存在差異。由于輸入信號(hào)的范圍較大，對(duì)放大電路的增