【正文】 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回 。 超聲波測距 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)主要是以單片機(jī)為核心利用超聲波自動測距的系統(tǒng)。選用 HCSR04 超聲波測距模塊 ，其價(jià)格比較實(shí)惠，程序控制簡單具有較高的實(shí)用性。因此，其測量距離在 2m 之 內(nèi) ，可以選用 200181。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 167。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。另外，從圖中 a 點(diǎn)以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時(shí)間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下 ： V mV M放 大 器 輸 入 電 路A接 收 信 號 幅 值發(fā) 射 信 號 幅 值bca0發(fā) 射 后 時(shí) 間 圖 28 傳感器回波測距原理分析圖 如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振 (由于機(jī)械慣性作用 )。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。 測量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。s(8 個(gè)40KHz 方波脈沖 )發(fā)射脈沖寬度 ； 長距離 (2m 外 )發(fā)射 800181。s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射 信號后的接收信號。s(4 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )，200181。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25181。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。 167。 表 22 聲速與溫度的關(guān)系表 溫度（攝氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c 為 340m/s。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補(bǔ)償問題。這樣可以求出距離 ： S=C (T2T1)/2。其原理是利用超聲波的發(fā)射和接受 ,根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。 超聲波測距原理 超聲波測距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。公式： uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是距離 =高電平時(shí)間 ? 聲速（ 340M/S） /2；建議測量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。 表 21 HCSR04 超聲波測距模塊的電氣參數(shù) 電氣參數(shù) HCSR04 超聲波模塊 工作電壓 DC 5 V 工作電流 15mA 工作頻率 40kHz 最遠(yuǎn)射程 4m 最近射程 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號 輸出 TTL 電平信號，與射程 成比例 規(guī)格尺寸 45? 20? 15mm 圖 26 HCSR04 超聲波測距模塊的時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明你只需要提供一個(gè) 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測回波。測 試 距 離 =( 高電 平 時(shí) 間 ? 聲速(340M/S))/2。 （ 2） 模塊自動發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回 。 HCSR04 超聲波測距模塊的 簡介 HCSR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。本文中選用的探頭是 40KHz 的收發(fā)分體式 HCSR04 超聲波測距模塊。 在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。本文設(shè)計(jì)主要用于倒車?yán)走_(dá)等方面的應(yīng)用 , 故選擇頻率高的傳感器。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器 ,常用的材料是壓電陶瓷。 167。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率? o。 圖 23 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 23 所示，當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮 ，形成超聲波振動。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。所以，只要對這種材 料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。其具有下列的特性 :把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變 。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越 遠(yuǎn)。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。 它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 超聲波傳感 器分機(jī)械方式和電氣方式兩類本 。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如 圖 21 和 22 所示。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為 射線 而定向傳 播等特點(diǎn)。 167。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。 超聲 波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。 167。 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。 167。超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。當(dāng) 聲波 的振動頻率小于20Hz 或大于 20KHz 時(shí)，我們便聽不見了。 超聲波的簡介 科學(xué)家們將 每秒鐘 振動 的次數(shù)稱為聲音的 頻率 ，它的單位是 赫茲 (Hz)。為此，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心，利用超聲波 ，提醒駕駛員在倒車時(shí)有效的避開可能對倒車造成危害的障礙物和行人，從而有效避免由于倒車造成的汽車碰撞或擦傷的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。因此 ， 增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來的研究熱點(diǎn)。在公路、街道、停車場、車庫等擁擠、狹窄的地方倒車時(shí)，駕駛 員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會發(fā)生追尾事故。 課題研究 的意義 近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我國的汽車數(shù)量正逐年增加。如美國 Dephi 公司的汽車防撞系統(tǒng)就采用了激光雷達(dá)、微波雷達(dá)和機(jī)器視覺等多種傳感器的信息融合，實(shí)現(xiàn)了信息分析、綜合和平衡，利用數(shù)據(jù)間的冗余性和互補(bǔ)特性進(jìn)行容錯(cuò)處理，克服了單一傳感器可靠性低、有效探測范圍小等缺點(diǎn)，有效降低了雷達(dá)的誤報(bào)率。盡管某些雷達(dá)具有二維，甚至三維的目標(biāo)探測能力，但迄今為止，沒有河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 任何一個(gè)傳感器能保證在任何時(shí)刻提供完全可靠的信息。 車用雷達(dá)首先要解決的技術(shù)難題就是減少雷達(dá)的誤報(bào)。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。倒車輔助的發(fā)展從倒車警示喇叭開始，經(jīng)倒車?yán)走_(dá)蜂鳴器碰撞警示、數(shù)字波段顯示技術(shù)（利用雷達(dá)感測液晶顯示距離）等階段的發(fā)展，目前己成功研發(fā)液晶顯示屏幕技術(shù)（即顯示距離激活引擎時(shí)，顯示器會顯示輪廓外型并以動態(tài)方式顯示車輛與障礙物距離）。因此，近年來許多先進(jìn)安全系統(tǒng)及駕駛輔助系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來。 167。 超聲波測距儀雖然原理簡單，但是由于超聲波測距受到許多外界因素制約。由于微處理計(jì)時(shí)精度有限和硬件設(shè)計(jì)的束縛，現(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)的測量范圍比較低。 國內(nèi)外超聲波測距系統(tǒng)的概況 目前超聲波測距系統(tǒng)主要是采用微處理器為核心，使用微處理器內(nèi)部的計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，并結(jié)合溫度補(bǔ)償聲速等處理手段提高測距精度。由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。一般的超聲 波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。超聲波是指頻率在 20kHz 以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。 近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測量已成可能。盡管每輛車都有后視鏡，但不可避免地都存在一個(gè)后視盲區(qū)，倒車?yán)走_(dá)則可以在一定程度上幫助駕駛員掃除視角死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性，減少刮、擦事件。如越來越多的汽車使道路上有效的使用空間越來越小，新手也越來越多，由此引起的刮傷事件也越來越多，由此引起的糾紛也在不斷地增加。汽車已經(jīng)滲透于國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)以及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域之 中，成為人類生存必不可少的、最主要的交通工具，為人類生存和社會的發(fā)展與進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 1章 課題研究背景與意義 167。超聲波的發(fā)射與接收電路的功能是為了檢測到障礙物的距離；報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路是為了更好的提示駕駛員注意，進(jìn)而減少交通事故的產(chǎn)生。 在本次設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的部份是硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，所以本文對這兩個(gè) 部分 做了比較詳盡的介紹。 （ 3） 對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。 本設(shè)計(jì)要達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)： （ 1） 設(shè)計(jì)出超聲波測距儀的結(jié)構(gòu)電路。 利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且還有較高的測量精度。利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于 超聲波探傷 、測厚、測距、遙控和 超聲成像 技術(shù)。面對廣闊的市場空間以及日益苛刻的測量要求?，F(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)不僅測量范圍有限制，且測量精度有限。但由于超聲波傳播時(shí)間難于精確捕捉，溫度對聲速的影響等原因，使得超聲波測距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測距 系統(tǒng)在測量精度要求更高的場合下的應(yīng)用。緊接著的四代魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)和五代整合影音系統(tǒng)更是結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，在原有倒車?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)上增加了很多功能。第二代則是采用數(shù)碼波段顯示，可顯示后障礙物離車體距離的數(shù)碼波段顯示倒車?yán)走_(dá)。倒車?yán)走_(dá)真正開始于轟鳴器，也就是第一代倒車?yán)走_(dá)。它能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除駕駛員泊車、倒車和啟動車輛時(shí)因前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員克服視角死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。這不僅是對于本課題的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更是對于自己學(xué)習(xí)能力和動手能力的一次考驗(yàn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中要熟悉單片機(jī)芯片和超聲波測距系統(tǒng)的工作原理以及所使用單片機(jī)的各個(gè)管腳及其功能。主要是通過超聲波系統(tǒng)與單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)距離的測量，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)先提示，減少倒車時(shí)的碰撞及事故。 整機(jī)調(diào)試 ............................................................................36 167。 汽車?yán)?