【文章內(nèi)容簡介】 C= + （）0CcT式中，C O為零度時的聲速323m/s。只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差T以及現(xiàn)場環(huán)境溫度T C，就可以精確計算出從發(fā)射點到障礙物之間的距離。距離的精確獲得，關鍵在于超聲波的傳播時間的測量。由于傳感器接收到的回波幅度很小，需要進行放大。系統(tǒng)的頻率響應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，其理想的帶寬應等于傳感器的帶寬，但實際上取略大一些。包絡檢測提取希望的信號，經(jīng)閥值比較器得到的初始信號和回波信號上升沿，在經(jīng)過脈寬轉換電路變成時間的脈寬信號，送計數(shù)器計數(shù)，由計算機CPU來讀取。11 / 373 系統(tǒng)方案設計汽車防撞預警系統(tǒng)是指在汽車行駛過程中防止汽車發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報警裝置。它能自動發(fā)現(xiàn)可能與汽車發(fā)生碰撞的障礙物體，并且同時檢測汽車與障礙物之間的距離，到達極限距離時發(fā)出報警信號以避免碰撞的發(fā)生。根據(jù)題目要求，汽車防撞報警器的功能主要有兩個：判斷汽車與障礙物之間的距離和當汽車與障礙物之間的距離到達臨界距離時發(fā)出報警信號。 設計總體思路概況汽車防撞預警系統(tǒng)的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計時器計出超聲波從發(fā)射到接收到遇到障礙物后反射聲波的時間通過公式計算出汽車與障礙物之間的距離。 方案對比　目前，超聲波信號采集系統(tǒng)主要有以下幾種方案：?。?）由一對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，只用來探測物體存在與否，不能滿足障礙物判別系統(tǒng)的要求?！。?）由單片機控制超聲波傳感器的測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)簡單、方便，實現(xiàn)起來容易。（3）用計算機或可編程控制器（PLC）通過數(shù)據(jù)采集卡控制多個傳感器的方式，這種方式多用于工業(yè)生產(chǎn)中。因此，本設計采取單片機控制超聲波傳感器的測距系統(tǒng)。 系統(tǒng)的特點　本系統(tǒng)有如下特點：?。?）采用 AT89C51 來控制超聲波傳感器　可靠性高，抗干擾能力強；控制程序可變，具有很好的柔性；編程簡單，使用方便?！。?）系統(tǒng)小型化　12 / 37本系統(tǒng)是一個小型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。在其電路設計中，盡量考慮使用新型及功能較強的集成電路，盡量簡化電路?！。?）低功耗，高可靠性。 系統(tǒng)工作過程　系統(tǒng)檢測距離的原理是通過單片機發(fā)出40kHz的方波串后，檢測接收端是否接收遇障礙物反射的回波，同時利用單片機計算出收到回波所用的時間t和確定超聲波所處溫度下空氣傳播的速度，障礙物到汽車尾部距離為vt/2，根據(jù)測出來的相應距離，通過CPU 計算后判斷作出報警響應等相應的控制。為了能夠實現(xiàn)準確地測出障礙物到汽車的距離，盡量減少誤差，采取算法為：兩對超聲波收發(fā)傳感器分別安裝在車頭， ，A，B分別代表兩對超聲波收發(fā)器，AB=，假設 F代表障礙物，聲波的傳播速度為v，B 到 F所用時間為 t1，A到F 所用時間為t 2，由于聲波傳播是來回反射的，則BF=vt 1/2， AF=vt2/2，也就是只要把時間 t1與t 2確定下來就可以計算出BF 與AF，然后利用海倫公式，設 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就是汽車頭到障礙?物的距離 [9]。FB圖 測距算法 系統(tǒng)方框圖汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖如圖 所示。該系統(tǒng)全部由單片機 AT89C51 控制，超聲波發(fā)射電路能在單片機的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號之E A13 / 37后送人單片機進行處理。算出車與障礙物之間的距離，將處理結果送入顯示電路進行顯示，再按照技術指標的要求由聲光報警電路進行報警。超聲波接收超聲波發(fā)射溫度傳感器單 片 機 控 制顯示距離報警器圖 超聲波測距報警系統(tǒng)圖14 / 374 硬件電路設計此系統(tǒng)是在單片機的控制下，利用超聲波測距原理，測量汽車在倒車過程中與障礙物之間的距離。當汽車與障礙物的距離小于安全距離時，發(fā)出蜂鳴聲并顯示車輛與障礙物之間的距離，提醒駕駛員及時采取減速或剎車等措施，以防發(fā)生事故。整個系統(tǒng)的硬件由發(fā)送部分、接收處理部分、溫度檢測部分、顯示及聲光報警部分組成。 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，此時定時器開始計時。通過輸出引腳輸入，經(jīng)驅動后推動發(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)射裝置設計圖超聲波的發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和發(fā)射換能器構成。AT89C51 單片機 口輸出的 40kHz 的方波信號分成 2 路，一路經(jīng)反向器后加到 TCT4016 的一個電極，另一路通過兩級反向器后加到 TCT40 的另一個電極，采用這種方式將 發(fā)出的方波信號加到 TCT40 的兩端上，這樣能夠增強超聲波的15 / 37發(fā)射強度。在加載反波信號時使用兩個 74LS04 并聯(lián)，可以提高驅動能力。而電阻 R1R12 可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短了震蕩時間，還可以提高換能器輸出高電平的驅動能力。 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、信號放大電路和波形變換電路三個部分。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回波的時刻。接收裝置的設計可用CX20226A來完成。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成。其中，電平自動控制電路ABLC可以保證在輸入弱信號時，前置放大器有較高增益，而在輸入強信號時，前置放大器不會過載，使得CX20226在一定遙控距離（約10m）內(nèi)工作可靠。本設計中，CX20226芯片的5腳連接了一個外接電阻R21，該電阻可以調節(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對接收到的信號具有放大、濾波的作用。當 接收到的超聲波信號經(jīng)由放大器，調整信號的頻率，然后濾波消除干擾信號，最后再經(jīng)過整形，由16 / 37CX20226的7腳輸出。當接收到的聲波信號與CX20226的中心頻率相符時，它的7腳就會低電平輸出，而7腳接到INT0引腳上，這樣就會中斷。若頻率和CX20226的中心頻率不同時，即可調節(jié)R21，使濾波器的中心頻率與超聲波測距的頻率相符。CX20226有8個引腳管腳1是超聲波信號輸入端；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上的連接一個電阻，這個電阻用來設置濾波器的中心頻率；管腳6與GND之間接入一個電容，該電容確定探測距離；管腳7是集電極開路輸出端：管腳8接電源正極。 溫度補償電路為了方便對溫度信號進行采集和處理，我用了 DALASS 公司的 DS18B20集成溫度傳感器對超聲波的傳播速度進行溫度補償。DS18B20 采用了 1WIRE總線技術，能夠只占單片機一個 I/O 接口的情況下進行工作，方便了使用者對其的調試使用，而且它在零下十攝氏度到八十五攝氏度的工作環(huán)境下能夠保持177。 的精度，足以為超聲波測距裝置提供精度范圍。圖 所示為溫度補償設計圖。兩個按鍵開關用于控制測量的開始與結束之間的切換。DS18B20 硬件性能穩(wěn)定，接口簡單，只需一根接口線就能連接起來。DS18B20 溫度傳感器里面有兩個晶振，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有影響，所以低溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的信號是固定頻率的，這樣便把它產(chǎn)生信號發(fā)送給計數(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候，它的振蕩頻率隨著溫度發(fā)生很大的變化，所以計數(shù)器 2 的脈沖輸入信號我們使用高溫度系數(shù)的信號輸入。由于計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 1 的值減少到 0 時，溫度寄存器的數(shù)值就加 1，計數(shù)器 1 的數(shù)值就回重新裝入，計數(shù)器 1 在重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，這樣一直循環(huán)，一直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止對溫度寄存器數(shù)值的累加，這時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。17 / 37圖 溫度補償電路設計圖 顯示電路顯示電路中顯示測量距離我使用的是4位共陽的LED數(shù)碼管，它簡單實用并且價格便宜。段碼使用74LS245芯片驅動，位選使用四個PNP三極管來驅動，顯。圖 顯示電路設計圖18 / 37 報警電路報警電路采用蜂鳴器實現(xiàn)。蜂鳴器是一種一體化結構的電子發(fā)聲器，廣泛應用于當今生活中，尤其在計算機、報警器、復印機、打印機、電子玩具、汽車電子設備、電話機等電子設備制造中作為發(fā)聲的器件而廣泛應用。它分為兩種類型，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造而成。當電極兩端接通電源以后,多諧振蕩器開始振動,輸出音頻信號，然后阻抗匹配器便能推動壓電蜂鳴片發(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，信號通過電磁線圈，便會使電磁線圈生成磁場。這樣振動膜片便會在磁鐵和電磁線圈的作用下，周期性反復的振動從而發(fā)出聲音。本設計采用壓電式蜂鳴器，電路設計如圖 所示。當車輛與障礙物之間的距離小于報警閾值時， 口輸出低電平，三極管 Q5 導通，蜂鳴器發(fā)出報警聲，實現(xiàn)近距離報警功能。圖 報警裝置設計圖19 / 375 系統(tǒng)軟件設計超聲波傳感器安裝在汽車的尾部，其接收和發(fā)射傳感器距離較近，之間容易有較強的干擾信號。為防止誤測現(xiàn)象，在軟件上采用延遲接收技術，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)初始化，首先完成對溫度的采集，確定該溫度下的超聲波速度，若控制鍵被按下，發(fā)出聲光報警，告知周圍人員該車正在進行倒車，同時發(fā)出發(fā)射超聲波的指令，同時T 0計數(shù)器進行計數(shù)，收到反射波后 T0停止計數(shù)，以此計算出發(fā)射和接收超聲波的時間間隔；最后通過數(shù)值處理程序計算出被測的距離，送顯示器顯示。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，由主程序、測距子程序、測溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。 開始 系統(tǒng)初始化 超聲波測距子程序 返回測量距離 A A 是否小于安全距離 顯示距離 a 聲光報警YN圖 主程序流程圖20 / 37總 結本文從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響，回波檢測對時間測量的影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影響。在此基礎上，開發(fā)出以 AT89C51 單片機為核心，采用 40KHz 壓電超聲波傳感器，應用于汽車防撞測距的報警裝置。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構建的系統(tǒng)往往可靠性差，調試困難，可擴展性差，所以基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進行測距補償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。基于單片機的超聲波的測距系統(tǒng)的設計包含了：電路分析、數(shù)字、模擬電路和單片機、EDA、傳感器、C 語言等方面的知識，另外還有選材購買、動手制作等方面。所以具有很高的參考價值，同時，該設計的方案也是來源于生活中廣泛的應用領域，有很強的應用價值。單片機的應用改變了傳統(tǒng)的設計思路，以前構建一個系統(tǒng)需用用很多的數(shù)字模擬器件或者電路單元來構建，系統(tǒng)可靠性差、缺乏靈活性、維護不便、成本高、無法實現(xiàn)智能化等諸多缺點。單片