【文章內(nèi)容簡介】 原理框圖。 圖 22 倒車?yán)走_(dá)基本原理框圖 影響精度的因素分析 本節(jié)主要分析影響超聲波測距精度的幾個重要因素：發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 、當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析、影響超聲波探測的其他因素。 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用 HCSR04 超聲波傳感器，脈沖的發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率為40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可行的。對于接收到的回波，超聲波在以空氣為介質(zhì)的傳播 過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 超聲波接收 單片機(jī) 控制器 超聲波發(fā)送 LED 顯示 掃描驅(qū)動 聲光報警 設(shè)測量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測物的距離為 h，則在空氣中傳播的超聲波波動方程為： ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s??? （ ） 由以上公式可知，超聲波在空氣傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減就越快，但只有頻率的增高才有利于提高超聲波的指向性。 聲波與速度的關(guān)系，如表 23 所示。 表 23 聲波與速度的關(guān)系 溫度℃ 速度 m/s 溫度℃ 速度 m/s 溫度℃ 速度 m/s 0 17 34 352 1 18 35 2 19 343 36 3 20 37 4 334 21 38 5 22 39 355 6 23 40 7 24 346 41 8 25 42 9 337 26 43 10 27 44 358 11 28 45 12 29 349 46 13 30 47 14 340 31 48 15 32 49 361 16 33 50 通過以上分析，超聲波回波的幅值在傳播的過程中衰減很大，收到的回波信號可能會十分微弱，要想判斷所捕獲到的第一個回波來確定準(zhǔn)確的接受時間，就必須對收到的信號進(jìn)行足夠的放大，否則不正確所判斷的回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生一定的影響。 當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時間的影響要嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度以及氣體分子成分的影響，即： ?s RTC M? （ ） 由上式可知，在空氣中 ，當(dāng)?shù)芈曀僦蝗Q于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)禺?dāng)時的氣溫可以有效的提高超聲波測距時的測量精度。工程上的常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢? ? ? ?0C C 1 T 27 3 （ ） 式中 C0=； T 為絕對溫度，單位 K。 式（ 2。 9）一般能為聲速的計算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降 1 ℃ , 聲速將與之對應(yīng)的增加或者減少 ，這個影響對于較高精度的測量是非常嚴(yán)重的。因此提高超聲波測量精度的決定因素就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀佟?對于時間誤差主要由發(fā)送計時點(diǎn)和接收計時點(diǎn)的準(zhǔn)確性確定，為了能夠有效的提高計時點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，在這里提出了對發(fā)射信號和加收信號通過校正的方式來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計時。此外，當(dāng)要求測距的誤差小于 1mm 時，假定超聲波速度為 C=344m/s(20℃室溫 )，忽略聲速的傳播誤差，則測距誤差 S△ t 002 907s，即 。根據(jù)以上參數(shù)計算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間的差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距的誤差小于 1mm。使用的 12 MHz 晶體作時鐘基準(zhǔn)的STC89C52 單片 機(jī)定時器能方便的計數(shù)到 1μ s 的精度，因此系統(tǒng)采用 STC89C52的定時器能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。 圖 24 超聲波差距示意圖 在圖 24中，雖然只用了一個超聲波傳感器來發(fā)射超聲波，但同時它又可以接收到回波。一般情況下使用的超聲波頻率為 40KHZ。根據(jù)以上原理，所算出的障礙物的距離都是指障礙物到傳感器的距離。 傳感器可檢查到的角度： 傳感器發(fā)射超聲波是有一定的角度范圍，如圖 24所示，圖 26為常用傳感器的探測角度 : 圖 25 超聲波水平探測角度 圖 26 超聲波垂直探測角度 以上所示的 1菱形區(qū)域是發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)域，而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物是否能被探測到，則與以下因素有關(guān) (見圖 27示 ): （ 1）從物理方面的反射原理可知 :超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角，因此，反射波是否能被傳感器捕捉，一定與反射面的角度有關(guān)。 （ 2）其反射面的大小不同，也會影響反射波的強(qiáng)度。 （ 3）另外，障礙物會吸收掉一部分的超聲波，反射回去的只是其中的一部分，而吸收了多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和表面平滑程度相關(guān)。疏松、多孔的表面會很容易吸收音波而導(dǎo)致反射效率較低， 使之不易被偵測。 （ 4）超聲波在空氣中的傳輸時也會衰減，所以同一個反射面，同樣的角度，距離越遠(yuǎn)，發(fā)射和反射的超聲波衰減就越大，就越不易被測到。 （ 5）以上幾點(diǎn)總結(jié)來說，就是 :角度、大小、表面材質(zhì)和距離。這些因素綜合起來，決定障礙物是否會被探測到。 圖 27 超聲波探測障礙物 根據(jù)以上原理及實(shí)踐經(jīng)驗可知，在下列環(huán)境下，易造成超聲波無法偵測及偵測不良的情況！ （ a）鐵絲網(wǎng)，繩索類的細(xì)小物體。 （ b）草地行車或崎嶇不平的路面。 （ c）棉質(zhì)的表面易吸收聲波一類的物質(zhì)。 （ d）傳感器表面附著異物。 （ e）同頻 率 (40 KHz)的超聲波雜音加金屬聲，高壓氣體的排放聲，有汽車?yán)日龑鞲衅鼬Q叫時。 （ f）障礙物為銳角反射體，錐狀物體等。 顯示器應(yīng)用極為廣泛，是一種輸出設(shè)備，綜合課題的實(shí)際要求、成本以及考慮單片機(jī)的接口資源，本設(shè)計使用 LCD1602 作為顯示器，由于倒車時距離障礙物的距離本來就比較近，大概在 3 米以內(nèi)，所以一個雙行的帶背光 LED 顯示器就可以達(dá)到要求。 報警裝置在這里采用的是有源蜂嗚器，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報警，以提示駕駛員。 通行串口采用通用串 行 9孔插頭，利用 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 為驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 其與單片機(jī)連接電路圖如下： 圖 28 MAX232 電路與單片機(jī)通信電路 MAX232芯片是美信公司專門為電腦的 RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路 ,使用 +5v 單電源供電。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：供電、電荷泵電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。 ： 本章主要講的是課題設(shè)計的原理與思路，其中包括超聲波測距原理以及其測量精度的主要影響因素、顯示報警系統(tǒng)的設(shè)計方案、附加模塊通信串口的設(shè)計方案。 第三章 系統(tǒng)硬 件電路介紹 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 汽車防撞報警電路 系統(tǒng)由單片機(jī)及外圍電路、超聲波發(fā)射部分、超聲波接收部分、數(shù)據(jù)顯示部分構(gòu)成，加報警電路以此構(gòu)成倒車?yán)走_(dá)。系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)總體框架設(shè)計 STC89C52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍的可編程可檫除只讀存儲器（ FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能的 COMOS8 微處理器，俗稱單片 機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，且與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 這種 單片機(jī)共有 40個引腳，其中 32 個是外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外部中斷口， 2 個 16 位可編程的定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， STC89C52 可以按照常規(guī)的方法進(jìn)行編程，也可以進(jìn)行在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可以有效地降低開發(fā)的成本。 STC89C52引腳具體介紹 ① 主電源引腳（ 2根） VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V電源 GND(Pin20)：接地線 超聲波接收器 顯示器 單片機(jī) 報警電路 超聲波發(fā)射器 障礙物 ② 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 ③ 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號 PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號 EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 ④ 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） STC89C52 單片機(jī)有 4組 8位的可編程 I/O口，分別位 P0、 P P P3 口，每個口有 8位（ 8 根引腳），共 32根。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ STC89C52主 要功能如表 31所示 表 31 STC89C52 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 024MHz 2個串行中斷 可編程 UART 串行通道 2個外部中斷源 共 6 個中斷源 2個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 時鐘電路 STC89C52 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 RXD 和TXD 分別是此放 大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時鐘電路如圖 3— 2(a) 所示，在 RXD 和 TXD 引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在 ～ 12MHz 之間選擇，電容值在 5～30pF 之間選擇，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用。 外部方式的時鐘電路如圖 3— 2（ b）所示， RXD 接地， TXD接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻 ，產(chǎn)生一個兩相時鐘 P1和 P2，供單片機(jī)使用。 示， RXD 接地， TXD 接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。 RXD 接地， TXD 接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。 （ a）內(nèi)部方式時鐘電路 （ b）外部方式時鐘電路 圖 32 時鐘電路 本設(shè)計采用 外部方式時鐘電路，以方便手動復(fù)位。 最小系統(tǒng) 為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為 5V177。5%，即 ～ 。由于微機(jī)電路是時序 數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當(dāng) VCC 超過 低于 以及晶體振蕩器 穩(wěn)定工作時，復(fù)位信號才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。 圖 33 復(fù)位電路 晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低 的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相 當(dāng)?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它會組成并聯(lián)諧振電路 。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就波振蕩電路，由于晶振等效為電感頻率范圍很窄所以即使其它參數(shù)元件很大，這個震蕩器的頻率也不會有很大變化。 晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。 一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容 串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請注意一般 IC 的引腳都 有 等 效 輸 入 電 容 ， 這 個 不 能 忽 略 。