【正文】 QT R I G D I SC V o l t G N D T H R單 片 機 輸入C 31 0 0 μ FSR 11 2 K425C 20 . 0 1μ F1673R p4 . 7 k1 0 0R 2T 4 0 超 聲 波 發(fā)射 器C 11 0 29 vN E 5 5 5圖 42 超聲波發(fā)射電路原理圖用 555 定時器接成的多諧振蕩器來驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器。 555 定時器外接電阻和電容構(gòu)成的多諧振蕩電路。振蕩頻率 f 主要取決于電阻 R1(包括電位器的阻值)，R2 和電容 C1，當 R1，R2 和 C1 固定時，改變電位器的阻值就可改變振蕩頻率，振蕩幅度由電源電壓來決定。頻 率 為 ： f =（ R1+2R2） C1 （41）（1） 但是輸出的矩形波是不對稱的，占空比為：q=(R1+R2) /(R1+2R2) （2） 這里采用獨立的 9V 電源對二極管驅(qū)動電路供電，以增強超聲波發(fā)射的能量和測量精度。 超聲波接收部分電路的功能是將連續(xù)變化的信號放大，濾掉高頻干擾和噪聲，把連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號，量化后進入信號采集系統(tǒng)。超聲波接收電路原理如圖 43 所示，當 R4016 感應到超聲波時，信號經(jīng)過 VT2， VT1 兩級放大后再經(jīng)整形濾波，最后由 VT3 放大輸出，若有收到 40kHz 超聲波回波，輸出低電平到單片機，若無接收 40kHz 超聲波的回波，輸出高電平到單片機。 22 / 31 O U TI N L E D 21 KD 3I N 4 0 0 4+ 1 2 V13R 41 0 KR 31 0 0 KR 53 . 9 K1 0 0 μ FR 1 61 0 KV T 39 0 1 4V T 19 0 1 3V T 29 0 1 4C 71 0 3R 81 KC 41 0 4D 1I N 4 1 4 8D 2I N 4 1 4 8R 63 . 9 KR 2R 7R 11 M輸 出 到 單 片 機7 8 0 9R 4 0 1 6C 1 1 0 0 0 μ F2C 5 1 0 4圖 43 超聲波接收電路原理圖 單片機控制部分40kHZ 的發(fā)射頻率由單片機的 提供給軟件進行處理，回波經(jīng)過 AT89C51對接收到的信急進行處理后，被測的距離在 LED 上顯示，顯示的數(shù)據(jù)由 P0 口和P2 口分別控制數(shù)碼管的段和位實現(xiàn) LED 的顯示，顯示部分采用動態(tài)掃描顯示。兩位 LED 可表示 ~ 的距離，滿足顯示精度；若該距離小于預置的汽車低速安全剎車范圍(如： lm 或 )，報警電路發(fā)出適當?shù)木嫣崾疽?，? 口的蜂鳴器輸出控制報警電路的工作。 P B 0 P B 1 P B 2 P B 38 1 5 5 P A 0 P A 1 P A 2單 片 機7407111共 陰 級 L E D顯 示1 0 0 Ω * 47 5 4 5 * 2+ 5 V圖 44 LED 數(shù)碼顯示電路 系統(tǒng)軟件設計汽車防撞系統(tǒng)根據(jù)超聲測距原理用 AT89C51 單片機開發(fā)設計。整個軟件采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等 23 / 31模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件應具有以下功能：(1)控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài)。(2)根據(jù)汽車的行駛速度計算出避撞的安全距離和報警距離。(3)測出超聲波信號的往返時間，來計算出最近的障礙物與汽車的距離。超聲波從發(fā)射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時間，需要通過軟件定時器來記錄。根據(jù)這個時間才能計算出障礙物的距離。系統(tǒng)主程序流程如圖 44 所示。軟件設計的主要思路是將預置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等功能編成獨立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當按下控制鍵后，在一定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個模塊，調(diào)用預置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量的結(jié)果進行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報警程序。當測得距離小于預置距離時，聲音報警程序被調(diào)用。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0 工作模式為16 位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P2 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約 (這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz 的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1s，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 中的數(shù)(即超聲波來回所用的時間)按式（42）計算，即可得被測物體0T與測距儀之間的距離，設計時取 20℃時的聲速為 344m/s 則有：d=(cxt)/2=172To/10000cm （42）其中，To 為計數(shù)器 的計算值。測出距離后結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式送0T往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。 24 / 31開始系統(tǒng)初始化等待反射超聲波計算距離圖 44 系統(tǒng)主程序流程圖 系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用 T/R40的超聲波換能器(T 發(fā)射)和 (R 接收) ，中心頻率為 40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。系統(tǒng)調(diào)試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。（1）發(fā)射器探頭對接收器探頭的影響超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔是由控制器內(nèi)部的定時器完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串擾問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到“虛假反射波”結(jié)束的時間段里的信號。（2）溫度的補償由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關，表 41 列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確 25 / 31定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。表 41 聲速與溫度關系表溫度/176。C 30 20 10 0 10 20 30 100聲速/m/s 313 319 325 323 338 334 349 386綜上所述可得到如下結(jié)論：根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 ，測距儀最大誤差不超過 1cm。雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用 AT89C51 單片機可以簡化設計，便于操作和直觀讀數(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)實際測試證明，可以滿足大多數(shù)場合的測距要求。總結(jié)本設計應用超聲波測距系統(tǒng)設計汽車防撞系統(tǒng)。對超聲波發(fā)射電路、機電能 26 / 31量轉(zhuǎn)換效率、超聲波接收電路、超聲波測距系統(tǒng)，進行了研究。并進行了相關的軟件和硬件設計，最終利用超聲波測距系統(tǒng)設計完成汽車防撞系統(tǒng)。 致謝本論文工作是在孫慧蓮教授悉心指導下完成的。孫老師淵博的知識、深遠的學術(shù)前瞻性、嚴謹求實的治學作風、精益求精的工作態(tài)度、寬厚洞達的處世風格，都給我留下了終身難忘的印象。常常親聆孫老師的教誨，不僅使我增長了學問和 27 / 31見識，而且領會了為人處事的道理。 參考文獻[1] [J]．聲學技術(shù)，2022，21(11)：5062．[2] —科學、技術(shù)與藝術(shù)(中國科學院研究生院演講錄，第一輯)[M].北京：科學出版社，2022：103124. 28 / 31[3] [J].廈門大學學報(自然科學版)， 2022，40(2)：303310.[4] [J].傳感器技術(shù)，(1)：13.[5] W. 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