【正文】 動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)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(huì)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)械波相同的電信號(hào)。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)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(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，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(duì)這種材料加上交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。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(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是超聲波檢測(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)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(chǎng)，例如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)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(cè)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。RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20 (A8) 21(A9) 22(A10) 23(A11) 24(A12) 25(A13) 26(A14) 27(A15) 28PSEN 29ALE/PROG 30EA/VPP 31(AD7) 32(AD6) 33(AD5) 34(AD4) 35(AD3) 36(AD2) 37(AD1) 38(AD0) 39VCC 40AT89C51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(chǔ)器；256 B RAM；32 條 I/O 線；2 個(gè) 16B 定時(shí)／計(jì)數(shù)器；5 個(gè) 2 級(jí)中斷源；1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)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(chǔ)器(E~PROM)，使其在實(shí)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(shí)用的 4 位共陽(yáng) 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(dòng)。單片機(jī)用 端口輸出超聲模塊所需的啟動(dòng)信號(hào)，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(shí)會(huì)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(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一發(fā)種是射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。若測(cè)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(jí)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(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。發(fā)射電壓從理論上說(shuō)是越高越好，因?yàn)閷?duì)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(duì)于接受電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)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(jì)劃是在室內(nèi)小范圍的測(cè)試，限定在 米左右。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值 Vm，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號(hào)放大器有輸入信號(hào)。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有阻塞問(wèn)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(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短的時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)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(cè)儀阻塞程度不一樣。 測(cè)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(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。根據(jù)以上過(guò)計(jì)算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于 1mm 的誤差。對(duì)于時(shí)間誤差主要由發(fā)送計(jì)時(shí)點(diǎn)和接收計(jì)時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計(jì)時(shí)點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對(duì)發(fā)射信號(hào)和加收信號(hào)通過(guò)校正的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。實(shí)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(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)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? （29 ）???0C1T273式中 C0=；T 為絕對(duì)溫度，單位 K。 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)測(cè)量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)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(dòng)聲光報(bào)警設(shè)測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測(cè)物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程為： （27）????????kt+et+20AcosAcos?由以上公式可知，超聲波在傳播過(guò)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(shí)間對(duì)測(cè)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(shí)，可知由軟件生成的起始時(shí)間對(duì)于一般要求的精度是可靠的。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理KHz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(hào)。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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 ，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 ，發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 ，如vt H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(cè)距原理圖 21 中被測(cè)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(guò)的距離用 表示，由圖可得：L (21)?cosL? (22)??Hartn?將式（22 ）帶入式（21 ）得： (23)????MLarctos?在整個(gè)傳播過(guò)程中，超聲波所走過(guò)的距離為： (24)vtL?2式中： 為超聲波的傳播速度， 為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＳ捎诔暡ㄒ彩且?/cts?種聲波，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(cè)距技術(shù)本身也在不斷的完善和發(fā)展，而基于超聲波的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)也必將越來(lái)越精確。超聲波測(cè)量距離是一種有效的非接觸式測(cè)距方法，可廣泛應(yīng)用于各種需要測(cè)量距離或物位參數(shù)的場(chǎng)合。 本課題的研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)本文設(shè)計(jì)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(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型化的特點(diǎn)，非常適合用于測(cè)控系統(tǒng)；在軟件設(shè)計(jì)上，突出模塊的靈活性，并且 C51 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，大大簡(jiǎn)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(gè)將 GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)引入國(guó)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(xiàng)配置在同級(jí)別的轎車上可謂絕無(wú)僅有，有效提升了藍(lán)鳥的檔次，直接將高級(jí)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(duì)汽車駕駛輔助系統(tǒng)易用性要求的提高，以及單片機(jī)價(jià)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(cè)距傳感系統(tǒng)。尤其是近兩年來(lái)，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(guó)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(gè)較大的行業(yè)，而且已呈現(xiàn)出一派激烈競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。未來(lái)兩三年內(nèi)這種新型剎車系統(tǒng)即可量產(chǎn)上市，但價(jià)格昂貴，其過(guò)高的成本限制了它應(yīng)用的普遍性。日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)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(jí)汽車上。德國(guó)大眾公司已經(jīng)將超聲波測(cè)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(dòng) 8 路超聲波傳感器，目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)車型對(duì)這一技術(shù)尚不能國(guó)產(chǎn)化，仍需要引進(jìn)德國(guó)原廠成品安裝。此種裝置價(jià)格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝時(shí)必須卸下保險(xiǎn)杠，而且只能探測(cè)動(dòng)態(tài)物品，當(dāng)車在后退行進(jìn)時(shí)，可探測(cè)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(gè)環(huán)型的感應(yīng)圈，該感應(yīng)圈放置在車后的保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)，從車外完全看不出有此裝置。但更糟糕的是，無(wú)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(huì)失效。倒車?yán)走_(dá)的接收方式呵以分為有線式和無(wú)線式兩種，無(wú)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(zhǎng)等因素的影響，其價(jià)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(cè)到 1．96m 外的障礙物，并可以顯示出是由哪個(gè)探頭探測(cè)到的，如果兩個(gè)探頭同時(shí)探測(cè)到障礙物，則會(huì)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(cè)距儀的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀倒車?yán)走_(dá)在車掛倒擋時(shí)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(xiǎn)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(lái)的后視鏡并兼顧這兩種功能，它可以顯示多種信息。該超聲波測(cè)距裝置在 的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)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(dòng)車輛時(shí)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(guó)海洋大學(xué)的曹玉華提出了采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒y(cè)量聲速，來(lái)提高超聲波測(cè)距精度 [ ]。文中的一些方法對(duì)于設(shè)計(jì)超聲波測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有一定的參考價(jià)值。作者還分析了造成料位測(cè)量誤差的幾點(diǎn)原因，并給出了幾種方法來(lái)減少測(cè)量誤差。浙江師范大學(xué)的李鳴華、余水寶利用單片機(jī)開發(fā)了一種超聲波料位測(cè)量系統(tǒng)。文中分析了聲波的傳輸特性和影響聲速的因素，給出了超聲波測(cè)距的框圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在 15m 的測(cè)距精度可達(dá)到 lcm。該系統(tǒng)的測(cè)距原理是利用超聲波傳感器發(fā)射和接收調(diào)幅連續(xù)超聲波，基于接收信號(hào)于發(fā)射信號(hào)之間的相位差和兩傳感器之間的正比關(guān)系，用相位差法測(cè)量傳感器之間的動(dòng)態(tài)距離。目前，在超聲無(wú)損檢測(cè)中，脈沖回波系統(tǒng)仍是使用最為廣泛的一種。在各種系統(tǒng)中，這是最成功的一種，因?yàn)樗凶顝V泛的通用性，其檢測(cè)結(jié)果也最容易解釋。德國(guó)人 Begemann 在他的論著 《ULTRASONIC》中，詳細(xì)的論述了有關(guān)超聲波的大量早期資料，該論著一直被認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作。相隔 2 年，1931 年Mulhauser 獲準(zhǔn)一項(xiàng)關(guān)于超聲檢測(cè)方法的德國(guó)專利，不過(guò)他并未做更多的工作。他提出的這種方法可以用來(lái)檢測(cè)水中是否存在潛艇并進(jìn)行水下通信。在第一次世界大戰(zhàn)中，對(duì)超聲波的研究逐漸受到重視。關(guān)鍵詞：超聲波 測(cè)距 AT89C51 倒車?yán)走_(dá)Design and Research of Parking Sensors Based on Ultrasonic Ranging Technology Abstract The ultrasonic wave automobile backdraft detector is one kind auxiliary unit that can display the condition of the obstacle behind the vehicle in real time .It applies extremely widely in the real life. In this paper, according to the transmission reflection theory of wave in the air, Us