【正文】 屬網(wǎng)構(gòu)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 外 殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。當(dāng)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。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。反之，如果兩級間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信 17 號。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。所以，只要對這種材料加 上 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。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。由于工作頻率與應(yīng)用 目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為 “ 哨 ”或“ 笛 ” 。電聲型主要有：壓電傳感器 ， 磁致伸縮傳感器 ， 靜電傳感器。 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲 波 能 量 或是把超聲 波 能 量轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能 量 的器件。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如液位、井深、管道長度等場合。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的 基于 超聲波測距 的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。 掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0( R X D )10P 3 .1( T X D )11P 3 .2( IN T 0)12P 3 .3( IN T 1)13P 3 .4( T 0)14P 3 .5( T 1)15P 3 .6( W R )16P 3 .7( R D )17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .0/ (A 8)21P 2 .1/ (A 9)22P 2 .2/ (A 10)23P 2 .3/ (A 11)24P 2 .4/ (A 12)25P 2 .5/ (A 13)26P 2 .6/ (A 14)27P 2 .7/ (A 15)28P S E N29A L E /P R O G30E A /V P P31P 0 .7/ (A D 7 )32P 0 .6/ (A D 6 )33P 0 .5/ (A D 5 )34P 0 .4/ (A D 4 )35P 0 .3/ (A D 3 )36P 0 .2/ (A D 2 )37P 0 .1/ (A D 1 )38P 0 .0/ (A D 0 )39V C C40A T 89C 51 圖 31 AT89C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)及引腳圖 5l 系列單片機(jī)提供以下功能： 4 KB 存儲器； 256 B RAM； 32 條 I/O 線； 2 個 16B 定時／計 數(shù)器； 5 個 2 級中斷源； 1 個全雙向的串行口以及時鐘電路。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash可編程、可擦除只讀存儲器 (E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。顯示電路采用實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼 A—G 接單片機(jī)的 —，位碼用 PNP 三極管 9012 驅(qū)動。單片機(jī)用 端口輸出超聲模塊所需的啟動信號，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出 40KHZ 的超聲波。單片機(jī)采用 AT89C51 或其兼容系列。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。實用的測距方法有兩種， 一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一發(fā) 種是 射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。若測得距離小于事先設(shè)定的數(shù)值，則發(fā)出聲音預(yù)警。接收部分就是有兩級放大電路，檢 波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成，其中包括雜波抑制電路。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接受的回波功率就比較大，對于接受電路的設(shè)計就相對簡單一些。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的 超聲頻率主要由壓電晶片的固定參數(shù)決定，頻帶較寬。 超生波 發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和 非調(diào)諧式。因 此初步計劃 是 在室內(nèi)小范圍的測試，限定在 米左右。在超聲波檢測中，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值 Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號放大器有輸入信號。由于發(fā)射 脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離稱為盲區(qū)，具體分析如下： 當(dāng)發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短的時間，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。 13 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也進(jìn)入接收部分。根據(jù)以上過計算可知，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 間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm 的誤差。 對于時間誤差主要由發(fā)送計時點和接收計時點準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計時點選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對發(fā)射信號和加收信號通過校正的方式來實現(xiàn)準(zhǔn)確計時。實際情況下，溫度每上升或者下降 1 ℃ , 聲 速將增加或者減少 ，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng) 嚴(yán)重的。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢? ? ? ?0C C 1 T 273 （ 29） 式中 C0=； T 為絕對溫度，單位 K。 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)時間的影響嚴(yán)重。 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 12 設(shè)測量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測物距離為 h，則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??? （ 27） 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 圖 22 倒車?yán)走_(dá) 原理框圖 影響精度的因素分析 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 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靠的。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信 號 。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。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為 v ，根據(jù)計時器記錄的時間 t ，發(fā)射點距障礙物的距離 H ，如圖 所示 TRM超 聲 波 發(fā) 射 探頭超 聲 波 接 收 探頭障 礙 物 圖 21 超聲波測距原理 圖 21 中 被測距離為 H，兩探頭中心距離的一半用 M 表示，超聲波單程所走過的距離用 L 表示，由圖可得： ?c o sLH ? (21) ? ?HMar ct an?? (22) 將式 （ 22） 帶入式 （ 21） 得 ： 11 ? ?? ?HMLH ar ct anco s? (23) 在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： vtL?2 (24) 式中： v 為超聲波的傳播速度， t 為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＳ捎诔暡ㄒ彩且环N聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表 1 列出了幾種不同溫度下的聲速。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展超聲波測距技術(shù)本身也在不斷的完善和發(fā)展 ，而基于 9 超聲波的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計也必將越來越精確。超聲波測量距離是一種有效的非接觸式測距方法，可廣泛應(yīng)用于各種需要測量距離或物位參數(shù)的場合。 本課題的研究內(nèi)容和目標(biāo) 本文設(shè)計的防撞裝置在結(jié)構(gòu)上采用微電腦技術(shù)和專用芯片設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單，小型化的特點，非常適合用于測控系統(tǒng)；在軟件設(shè)計上，突出模塊的靈活性，并且 C51語言簡潔，大大簡化了編寫程序的工作量。而它的 NAVI 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，使同產(chǎn)成為繼豐田之后又一個將 GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)引入國內(nèi)的廠家。在近日上市的由東風(fēng)汽車有限公司乘用車公司推出的全新一代 “ 藍(lán)鳥智尊 ” ，最引人注目的是它配備了倒車影像顯示和 NAVI 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這兩項配置在同級別的轎車上可謂絕無僅有，有效提升了藍(lán)鳥的檔次，直接將高級別汽車的智能化從 概念引入了應(yīng)用。汽車電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展還要求作為駕駛輔助系統(tǒng)子系統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)具有通信功能，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車總線上。隨著人們對汽車駕駛輔助系統(tǒng)易用性要求的提高，以及單片機(jī)價格不斷下降和汽車電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求，新型的倒車?yán)走_(dá)都是以單片機(jī)為核心的智能測距傳感系統(tǒng)。尤其是近兩年來，倒車?yán)走_(dá)成了商家的電子新愛，眾多生產(chǎn)防盜器的廠家紛紛涉足倒車?yán)走_(dá)，處在我國汽車電子行業(yè)環(huán)境的繁榮背景下倒車?yán)走_(dá)已漸漸形成一個較大的行業(yè)，而且已呈現(xiàn)出一派激烈競爭的態(tài)勢。未來兩三年內(nèi)這種新型剎車系統(tǒng)即可量產(chǎn)上 市，但價格昂貴，其過高的成本限制了它應(yīng)用的普遍性。 日本、美國和歐洲等國的大汽車公司都投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力，采用先進(jìn)的毫米波雷達(dá)、 CCD 攝像機(jī)、 GPS 和高檔微機(jī)等制成安全預(yù)警系統(tǒng)，使用在其所開發(fā)的高級汽車上。德國大眾公司已經(jīng)將超聲波測距技術(shù)應(yīng)用在倒車?yán)走_(dá)上，并且具有前視和后視功能，采用自舉升壓的方式驅(qū)動 8 路超聲波傳感器，目前國內(nèi)引進(jìn)車型對這一技術(shù)尚不能國產(chǎn)化，仍需要 引進(jìn)德國原廠成品安裝。此種裝置價格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝 時 必須卸下保險杠 ，而且只能探測動態(tài)物品，當(dāng)車在后退行進(jìn)時，可探測到物體，但車一旦停止后退行進(jìn)，則任何物體都不被認(rèn)可。在線路 上 套上一 個 環(huán)型的感應(yīng)圈 ， 該感應(yīng)圈放置 在 車 后 的 保險杠 內(nèi)側(cè)， 從 車外 完全看不出有此裝置 。但更糟糕的是，無論是紅外線發(fā)射器或接收器，只要任何一方讓一層薄薄的冰雪或泥塵覆蓋，系統(tǒng)就會失效。倒車 雷達(dá)的接收方式呵以分為有線式和無線式兩種，無線接收方式顯然更省事，不必 “走線 ”而拆裝車內(nèi)的原有裝飾，也不受車型、車長等因素的影響，其價格自然也略高些。以4 探頭液晶顯示屏的豪迪倒車?yán)走_(dá)為例，它最遠(yuǎn)可以探測到 1． 96m 外的障礙物，并可以顯示出是由哪個探頭探測到的，如果兩個探頭同時探測到障礙物，則會以離車最近的障礙物為準(zhǔn)，有些顯示器上還帶有 “車載免提功能 ”，其內(nèi)有揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，可以進(jìn)行錄音和放音。 超聲波測距儀的國內(nèi)外現(xiàn)狀 倒車?yán)走_(dá)在車掛倒擋時開始工作，由探頭、主機(jī)和顯示器三部分構(gòu)成，探頭可以根據(jù)需要安裝不同的數(shù)量，目前比較常見的是 4 探頭 (安裝于后保險杠上 )和 6 探頭 (2 前 4 后 )的；除一般的放置位置外，顯示器也可以替代原來的后視鏡并兼顧這兩種功能，它可以 7 顯示多種信息。該超聲波測距裝置在 的測量范圍內(nèi)，測量誤差小于 5cm. 倒車?yán)走_(dá)又稱泊車輔助系統(tǒng)， 是汽車泊車安全輔助裝置，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，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。中國海洋大學(xué)的曹玉華提出了采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒y量聲速，來提高超聲波測距精度 [ ]。文中的一些方法