【文章內容簡介】 ，其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，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時，加在其 上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內部結構由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可以防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 超聲 波傳感器的特性 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性： （ 1）頻率特性 如圖 是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中， f0＝ 40KHz 為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 f0 處，超聲發(fā)射傳感器所產生的超聲機械波最強，也就是說在 f0 處所產生的超聲聲壓能級最高。而在 f0 兩側，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率f0 的交流電壓來激勵。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 f0 處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在f0 處接收靈敏度最高。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 3 59 51 0 01 0 51 1 01 1 54 04 5f ( K H z )發(fā) 射 靈 敏 度 （ d B ） 圖 22 超聲發(fā)射傳感器頻率特性 因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。 (2) 指向特性 實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小 圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結果（衍射），卻有指向性。 超聲波的測距原理及實現(xiàn) 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（ time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播 速度為 340 米 /秒，由單片機負責洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 計時，單片機使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。本設計屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)觸發(fā)單元。 利用超聲波測距的工作，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而 達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法： （ 1）相位檢測法，相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限； （ 2）聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響； （ 3）渡越時間檢測法，渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。其原理圖如圖 23。 圖 23 超聲波測距原理 本設計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超 聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關，表 21 列出了幾種不同溫度下的聲速。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 表 21 超聲波速度與溫度關系表 由于我國大部分地區(qū)四季溫差不超過 40（ 10 到 30）攝氏度 ，且本系統(tǒng)測距范圍（車后 4 到 5 米）比較小，單片機以微秒計時，故溫度影響可以不予考慮。溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)總體結構 本章講述倒車雷達系統(tǒng)的各個模塊的設計和主要元器件的介紹。包括測距系統(tǒng)設計 (超聲波發(fā)送接收系統(tǒng) )、單片機控制系統(tǒng)設計和顯示報警系統(tǒng)設計。其中，測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊構成；控制系統(tǒng)設計主要對 STC89C52 單片機系統(tǒng)進行設計；顯示報警系統(tǒng)設計要對數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)轉換、蜂鳴器和動態(tài)態(tài)顯示電路進行設計。以下就各模塊的電路圖、功能及設計思路作詳細說明。 系統(tǒng)設計要求 按照系統(tǒng)所需功能，系統(tǒng)硬件結構可以劃分為三大主要模塊：測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及顯示和語音報警系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的主要功能是：當車掛入倒檔后，超聲波發(fā)射電路開始連續(xù)不斷的發(fā)出超聲波，遇到障礙物后反射，超聲波接收電路接收，控制電路通過相應的計算，可以計算出相應的距離，并送至顯示電路進行顯示。如果所測距離小于預先設置好的報警距離，那么，報警電路則會發(fā)出一定的聲音進行報警提醒駕駛者。 系統(tǒng)總體結構框圖 超 聲 波 發(fā)送 模 塊超 聲 波 接收 模 塊障礙物S T C 8 9 C5 2單 片 機數(shù) 碼 管 顯示 模 塊報 警 模 塊 圖 31 系統(tǒng)總體結構 框圖 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 其中測距系統(tǒng)有超聲波發(fā)射、接收子系統(tǒng)構成；控制部分以 STC89C52單片機為核心，其 口輸出 10us 的觸發(fā)信號 制超聲波發(fā)射電路產生40KHz 的超聲波，利用外部中斷監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號；顯示報警部分由顯示系統(tǒng)及語音系統(tǒng)構成，其中顯示系統(tǒng)采用簡單實用的 4位共陽 8 段數(shù)碼管。 單片機控制系統(tǒng) 單片機的選擇 一般在系統(tǒng)的設計當中，能否完成設計任務最重要的就在于系統(tǒng)的核心器件是否選擇合適，而單片機更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇更是異常重要。如果選擇了一個合適的單 片機不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。目前，市面上的單片機的種類繁多，并且他們在功能方面也是各自有各自的特點。在一般的情況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有： （ 1）單片機最基本性能參數(shù)指標。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量， I/O 口的引腳數(shù)量等。 （ 2）單片機的某些增強的功能。 （ 3）單片機的存儲介質。例如：對于程序存儲器來說，最好選用的是Flash 的存儲器。 （ 4）單片機的封裝形式。封裝的形式多種多樣，例如：雙列直插封裝、PLCC 封裝及表面貼附等。 （ 5）單片機對工作的溫度范圍的要求。例如：在進行設計戶外的產品時，就必須要選用工業(yè)級的芯片，以達到溫度范圍的要求。 （ 6）單片機的功耗。例如，如果信號線取電只能提供幾 mA 的電流，所以為了能滿足低功耗的要求這個時候選用 STC 的單片機是最合適的。 （ 7）單片機在市面上的銷售渠道是否暢通、其價格是否便宜。 （ 8）單片機技術的支持網(wǎng)站如何，賣家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶手冊，設計方案舉例，相關范例程序等。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 （ 9）單片機的保密性是否很好，單片機的抗干擾的性能如何等。 綜合考慮以 上因素，選擇 STC89C52 作為本系統(tǒng)的控制部件。 STC89C52 單片機簡介 是一 種帶 8K 字 節(jié) 閃爍 可 編 程 可擦 除 只 讀存 儲 器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理器，該器件采用 ATMEL 搞密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 單片機 (STC89C52)外觀 如圖 32： 圖 32 STC89C52 外觀 單片機 (STC89C52)引腳功能圖如圖 33 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 15 圖 33 STC89C52 引腳圖 2． STC89C52 引腳具體介紹如下： ① 主電源引腳（ 2 根） VCC(Pin40)：電源輸入，接 ＋ 5V 電源 GND(Pin20)：接地線 ② 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1(Pin19)和 XTAL2(Pin20) 為了產生時鐘信號，在 STC89C52 單片機的芯片內部已經(jīng)設置了一個反相放大器，其中 XTAL1 端口就是片內反相放大器的輸入端， XTAL2端則是片內振蕩器反相放大器的輸出端 。單片機使用的工作方式是自激振蕩的方式， XTAL1 和 XTAL2 外接的是 的石英晶振，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進行振蕩，從而就可以產生時鐘信號。它結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率。單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率上。時鐘信號電路如圖 34 所示。 圖 34 晶振電路 ③ 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期的高電平將使單片機復位。復位電路如圖 35： 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 16 圖 35 復位電路 ALE/PRO