【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 C= + （）0CcT式中，C O為零度時(shí)的聲速323m/s。只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T C，就可以精確計(jì)算出從發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。距離的精確獲得，關(guān)鍵在于超聲波的傳播時(shí)間的測(cè)量。由于傳感器接收到的回波幅度很小，需要進(jìn)行放大。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)取決于傳感器的固定頻率，其近10 / 37似為帶通濾波器，電子帶通濾波器用于消除傳感器通帶以外的電子噪聲，其理想的帶寬應(yīng)等于傳感器的帶寬，但實(shí)際上取略大一些。包絡(luò)檢測(cè)提取希望的信號(hào)，經(jīng)閥值比較器得到的初始信號(hào)和回波信號(hào)上升沿，在經(jīng)過(guò)脈寬轉(zhuǎn)換電路變成時(shí)間的脈寬信號(hào)，送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，由計(jì)算機(jī)CPU來(lái)讀取。11 / 373 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)汽車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)是指在汽車(chē)行駛過(guò)程中防止汽車(chē)發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報(bào)警裝置。它能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)可能與汽車(chē)發(fā)生碰撞的障礙物體，并且同時(shí)檢測(cè)汽車(chē)與障礙物之間的距離，到達(dá)極限距離時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)以避免碰撞的發(fā)生。根據(jù)題目要求，汽車(chē)防撞報(bào)警器的功能主要有兩個(gè)：判斷汽車(chē)與障礙物之間的距離和當(dāng)汽車(chē)與障礙物之間的距離到達(dá)臨界距離時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 設(shè)計(jì)總體思路概況汽車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計(jì)時(shí)器計(jì)出超聲波從發(fā)射到接收到遇到障礙物后反射聲波的時(shí)間通過(guò)公式計(jì)算出汽車(chē)與障礙物之間的距離。 方案對(duì)比　目前，超聲波信號(hào)采集系統(tǒng)主要有以下幾種方案：?。?）由一對(duì)超聲波傳感器和一些電子元器件組成的，這種系統(tǒng)功能單一，只用來(lái)探測(cè)物體存在與否，不能滿(mǎn)足障礙物判別系統(tǒng)的要求?！。?）由單片機(jī)控制超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、方便，實(shí)現(xiàn)起來(lái)容易。（3）用計(jì)算機(jī)或可編程控制器（PLC）通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡控制多個(gè)傳感器的方式，這種方式多用于工業(yè)生產(chǎn)中。因此，本設(shè)計(jì)采取單片機(jī)控制超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)。 系統(tǒng)的特點(diǎn)　本系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：?。?）采用 AT89C51 來(lái)控制超聲波傳感器　可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；控制程序可變，具有很好的柔性；編程簡(jiǎn)單，使用方便?！。?）系統(tǒng)小型化　12 / 37本系統(tǒng)是一個(gè)小型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。在其電路設(shè)計(jì)中，盡量考慮使用新型及功能較強(qiáng)的集成電路，盡量簡(jiǎn)化電路?！。?）低功耗，高可靠性。 系統(tǒng)工作過(guò)程　系統(tǒng)檢測(cè)距離的原理是通過(guò)單片機(jī)發(fā)出40kHz的方波串后，檢測(cè)接收端是否接收遇障礙物反射的回波，同時(shí)利用單片機(jī)計(jì)算出收到回波所用的時(shí)間t和確定超聲波所處溫度下空氣傳播的速度，障礙物到汽車(chē)尾部距離為vt/2，根據(jù)測(cè)出來(lái)的相應(yīng)距離，通過(guò)CPU 計(jì)算后判斷作出報(bào)警響應(yīng)等相應(yīng)的控制。為了能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地測(cè)出障礙物到汽車(chē)的距離，盡量減少誤差，采取算法為：兩對(duì)超聲波收發(fā)傳感器分別安裝在車(chē)頭， ，A，B分別代表兩對(duì)超聲波收發(fā)器，AB=，假設(shè) F代表障礙物，聲波的傳播速度為v，B 到 F所用時(shí)間為 t1，A到F 所用時(shí)間為t 2，由于聲波傳播是來(lái)回反射的，則BF=vt 1/2， AF=vt2/2，也就是只要把時(shí)間 t1與t 2確定下來(lái)就可以計(jì)算出BF 與AF，然后利用海倫公式，設(shè) L=（AF+BF+AB）／2 （） 有 （）????SLAFBLAF???這就可以求出 ABC的面積為 S，EF=2S／AB，其中EF就是汽車(chē)頭到障礙?物的距離 [9]。FB圖 測(cè)距算法 系統(tǒng)方框圖汽車(chē)防撞控制系統(tǒng)方框圖如圖 所示。該系統(tǒng)全部由單片機(jī) AT89C51 控制，超聲波發(fā)射電路能在單片機(jī)的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號(hào)之E A13 / 37后送人單片機(jī)進(jìn)行處理。算出車(chē)與障礙物之間的距離，將處理結(jié)果送入顯示電路進(jìn)行顯示，再按照技術(shù)指標(biāo)的要求由聲光報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。超聲波接收超聲波發(fā)射溫度傳感器單 片 機(jī) 控 制顯示距離報(bào)警器圖 超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)圖14 / 374 硬件電路設(shè)計(jì)此系統(tǒng)是在單片機(jī)的控制下，利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量汽車(chē)在倒車(chē)過(guò)程中與障礙物之間的距離。當(dāng)汽車(chē)與障礙物的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出蜂鳴聲并顯示車(chē)輛與障礙物之間的距離，提醒駕駛員及時(shí)采取減速或剎車(chē)等措施，以防發(fā)生事故。整個(gè)系統(tǒng)的硬件由發(fā)送部分、接收處理部分、溫度檢測(cè)部分、顯示及聲光報(bào)警部分組成。 超聲波傳感器的發(fā)射電路超聲波發(fā)射器包括兩個(gè)部分：超聲波產(chǎn)生電路部分和超聲波發(fā)射控制電路部分。超聲波探頭采用TCT40。 40KHz的超聲波信號(hào)，此時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。通過(guò)輸出引腳輸入，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波，此方法充分利用了軟件控制，靈活性好。圖 超聲波發(fā)射裝置設(shè)計(jì)圖超聲波的發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和發(fā)射換能器構(gòu)成。AT89C51 單片機(jī) 口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)分成 2 路，一路經(jīng)反向器后加到 TCT4016 的一個(gè)電極，另一路通過(guò)兩級(jí)反向器后加到 TCT40 的另一個(gè)電極，采用這種方式將 發(fā)出的方波信號(hào)加到 TCT40 的兩端上，這樣能夠增強(qiáng)超聲波的15 / 37發(fā)射強(qiáng)度。在加載反波信號(hào)時(shí)使用兩個(gè) 74LS04 并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。而電阻 R1R12 可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短了震蕩時(shí)間，還可以提高換能器輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力。 超聲波傳感器的接收電路超聲波接收器包括接收∕發(fā)射探頭、信號(hào)放大電路和波形變換電路三個(gè)部分。超聲波探頭采用RCT40。按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。接收裝置的設(shè)計(jì)可用CX20226A來(lái)完成。在空氣中傳播超聲波的其能量的衰減與距離是成正比的，距離越小、衰減越少，距離越大、衰減越多，通常都在1V 之內(nèi)。 12345678圖 超聲波接收電路圖。超聲波的接收采用CX20226A集成電路模塊實(shí)現(xiàn)。CX20226由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。其中，電平自動(dòng)控制電路ABLC可以保證在輸入弱信號(hào)時(shí)，前置放大器有較高增益，而在輸入強(qiáng)信號(hào)時(shí)，前置放大器不會(huì)過(guò)載，使得CX20226在一定遙控距離（約10m）內(nèi)工作可靠。本設(shè)計(jì)中，CX20226芯片的5腳連接了一個(gè)外接電阻R21，該電阻可以調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率。R21的阻值越大，濾波器的中心頻率就越低，變化范圍在30～60kHz之間。CX20226對(duì)接收到的信號(hào)具有放大、濾波的作用。當(dāng) 接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)由放大器，調(diào)整信號(hào)的頻率，然后濾波消除干擾信號(hào)，最后再經(jīng)過(guò)整形，由16 / 37CX20226的7腳輸出。當(dāng)接收到的聲波信號(hào)與CX20226的中心頻率相符時(shí)，它的7腳就會(huì)低電平輸出，而7腳接到INT0引腳上，這樣就會(huì)中斷。若頻率和CX20226的中心頻率不同時(shí)，即可調(diào)節(jié)R21，使濾波器的中心頻率與超聲波測(cè)距的頻率相符。CX20226有8個(gè)引腳管腳1是超聲波信號(hào)輸入端；管腳 2的電阻和電容決定接收換能器的總增益，通過(guò)增大或者減小電阻電容，確定放大倍數(shù)。管腳3與GND之間連接的電容起到檢波作用；管腳5上的連接一個(gè)電阻，這個(gè)電阻用來(lái)設(shè)置濾波器的中心頻率；管腳6與GND之間接入一個(gè)電容，該電容確定探測(cè)距離；管腳7是集電極開(kāi)路輸出端：管腳8接電源正極。 溫度補(bǔ)償電路為了方便對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集和處理，我用了 DALASS 公司的 DS18B20集成溫度傳感器對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。DS18B20 采用了 1WIRE總線技術(shù)，能夠只占單片機(jī)一個(gè) I/O 接口的情況下進(jìn)行工作，方便了使用者對(duì)其的調(diào)試使用，而且它在零下十?dāng)z氏度到八十五攝氏度的工作環(huán)境下能夠保持177。 的精度，足以為超聲波測(cè)距裝置提供精度范圍。圖 所示為溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)圖。兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)用于控制測(cè)量的開(kāi)始與結(jié)束之間的切換。DS18B20 硬件性能穩(wěn)定，接口簡(jiǎn)單，只需一根接口線就能連接起來(lái)。DS18B20 溫度傳感器里面有兩個(gè)晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨外界溫度的變化基本上沒(méi)有影響，所以低溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的信號(hào)是固定頻率的，這樣便把它產(chǎn)生信號(hào)發(fā)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振和低溫度系數(shù)晶振正好相反，它在溫度變化很大的時(shí)候，它的振蕩頻率隨著溫度發(fā)生很大的變化，所以計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入信號(hào)我們使用高溫度系數(shù)的信號(hào)輸入。由于計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的值減少到 0 時(shí)，溫度寄存器的數(shù)值就加 1，計(jì)數(shù)器 1 的數(shù)值就回重新裝入，計(jì)數(shù)器 1 在重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣一直循環(huán)，一直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止對(duì)溫度寄存器數(shù)值的累加，這時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。17 / 37圖 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)圖 顯示電路顯示電路中顯示測(cè)量距離我使用的是4位共陽(yáng)的LED數(shù)碼管，它簡(jiǎn)單實(shí)用并且價(jià)格便宜。段碼使用74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，位選使用四個(gè)PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，顯。圖 顯示電路設(shè)計(jì)圖18 / 37 報(bào)警電路報(bào)警電路采用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子發(fā)聲器，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今生活中，尤其在計(jì)算機(jī)、報(bào)警器、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、電子玩具、汽車(chē)電子設(shè)備、電話(huà)機(jī)等電子設(shè)備制造中作為發(fā)聲的器件而廣泛應(yīng)用。它分為兩種類(lèi)型，一種是壓電式蜂鳴器，另一種是電磁式蜂鳴器。壓電式蜂鳴器主要由壓電蜂鳴片、多諧振蕩器、共鳴箱阻及抗匹配器還有外殼等部分組成。壓電蜂鳴片是由鈮鎂酸鉛或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制造而成。把在陶瓷片的表面鍍上金屬電極，經(jīng)過(guò)極化處理和老化處理之后，再與不銹鋼鋼片粘貼在一起就制成了壓電蜂鳴片。而多諧振蕩器由集成電路或者晶體管構(gòu)造而成。當(dāng)電極兩端接通電源以后,多諧振蕩器開(kāi)始振動(dòng),輸出音頻信號(hào)，然后阻抗匹配器便能推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)出聲音。電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、磁鐵、振動(dòng)膜片、電磁線圈和外殼等部分組成。在兩極接通電源之后，振蕩器能夠產(chǎn)生的音頻信號(hào)，信號(hào)通過(guò)電磁線圈，便會(huì)使電磁線圈生成磁場(chǎng)。這樣振動(dòng)膜片便會(huì)在磁鐵和電磁線圈的作用下，周期性反復(fù)的振動(dòng)從而發(fā)出聲音。本設(shè)計(jì)采用壓電式蜂鳴器，電路設(shè)計(jì)如圖 所示。當(dāng)車(chē)輛與障礙物之間的距離小于報(bào)警閾值時(shí)， 口輸出低電平，三極管 Q5 導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，實(shí)現(xiàn)近距離報(bào)警功能。圖 報(bào)警裝置設(shè)計(jì)圖19 / 375 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)超聲波傳感器安裝在汽車(chē)的尾部，其接收和發(fā)射傳感器距離較近，之間容易有較強(qiáng)的干擾信號(hào)。為防止誤測(cè)現(xiàn)象，在軟件上采用延遲接收技術(shù)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)初始化，首先完成對(duì)溫度的采集，確定該溫度下的超聲波速度，若控制鍵被按下，發(fā)出聲光報(bào)警，告知周?chē)藛T該車(chē)正在進(jìn)行倒車(chē)，同時(shí)發(fā)出發(fā)射超聲波的指令，同時(shí)T 0計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，收到反射波后 T0停止計(jì)數(shù)，以此計(jì)算出發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間間隔；最后通過(guò)數(shù)值處理程序計(jì)算出被測(cè)的距離，送顯示器顯示。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、測(cè)距子程序、測(cè)溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 超聲波測(cè)距子程序 返回測(cè)量距離 A A 是否小于安全距離 顯示距離 a 聲光報(bào)警YN圖 主程序流程圖20 / 37總 結(jié)本文從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響，回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲波傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出以 AT89C51 單片機(jī)為核心，采用 40KHz 壓電超聲波傳感器，應(yīng)用于汽車(chē)防撞測(cè)距的報(bào)警裝置。超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過(guò)采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。基于單片機(jī)的超聲波的測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了：電路分析、數(shù)字、模擬電路和單片機(jī)、EDA、傳感器、C 語(yǔ)言等方面的知識(shí)，另外還有選材購(gòu)買(mǎi)、動(dòng)手制作等方面。所以具有很高的參考價(jià)值，同時(shí)，該設(shè)計(jì)的方案也是來(lái)源于生活中廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。單片機(jī)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以前構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)需用用很多的數(shù)字模擬器件或者電路單元來(lái)構(gòu)建，系統(tǒng)可靠性差、缺乏靈活性、維護(hù)不便、成本高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化等諸多缺點(diǎn)。單片