【正文】 ........................................................................................................................ ……… ..29 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… ...31 致謝 ……………………………………………………………………… ………………… ...33 附錄 .................................................................................................................................... … ..34 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 緒論 課題研究背景及目的 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。 對未來做合理預(yù)測 ，超聲波測距儀 將成 為一種 嶄新 的 極其實(shí)用 的 測距儀器 ，在 很多領(lǐng)域都將有很大的發(fā)展空間， 更加高定位高精度 將成為其 方向發(fā)展，以滿足日 益發(fā)展的社會需要，如倒車?yán)走_(dá)，工地及工業(yè)現(xiàn)場，聲納探測等方面都有其廣泛的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)，軍事，文化方面都有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀從具有單純判斷動(dòng)能，發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。 隨著社會飛速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，汽車愈來愈成為人們不可缺少的最常用的交通工具，交通安全問題變的日益嚴(yán)重。汽車倒車時(shí)可以檢測車輛后面的障礙物、并顯示其距離，至危險(xiǎn)區(qū)域后會自動(dòng)報(bào)警。 我國倒車?yán)走_(dá)從 2020 年開始起步，從最初只是 法拉利 、 保時(shí)捷 等高檔車的專屬配置 ， 到今天 成為許多 經(jīng)濟(jì)型轎車 的 常用配置 。 “倒車請注意、倒車請注意 !”，想必不少人還記得這種聲音。只超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 2 要司機(jī)掛上倒車檔，喇叭就會響起，提醒周圍的人注意。該類產(chǎn)品價(jià)格便宜，但基本屬于淘汰產(chǎn)品。在倒車時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀、嘀”的響聲，這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。因?yàn)闆]有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車體有多遠(yuǎn)，所以對駕駛員幫助不大。這代產(chǎn)品比第二代進(jìn)步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。這一代倒車?yán)走_(dá)已經(jīng)比較先進(jìn)了，缺點(diǎn)是精確度不高、安裝不美觀。這一代的倒車?yán)走_(dá)有一個(gè)質(zhì)的飛躍，可以看清車體與障礙物之間的實(shí)際距離和其圖像效果。但這一代的產(chǎn)品靈敏度不太高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測知 2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。這一代倒車?yán)走_(dá)的功能較多，但成本也比較高。這一代倒車?yán)走_(dá)是專門為高檔轎車生產(chǎn)的。 目前，國內(nèi)市場上的倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品主要由國外公司占據(jù)著。一些核心 元器件，國內(nèi)相同產(chǎn)品達(dá)不到國外水平或者無法生產(chǎn) 。 汽車信息化技術(shù) 研究 在這些國家發(fā)展較早 ， 更何況又在 在 微電子 、半導(dǎo)體 領(lǐng)域 同樣具備很多 優(yōu)勢。 汽車工業(yè)的 快速發(fā)展對 輔助倒車領(lǐng)域 產(chǎn)生立極大影響 ， 很多國家 已經(jīng)出現(xiàn)了停車入位導(dǎo)航 設(shè)備 。 經(jīng)過路線上的停車空位 可以被 導(dǎo)航雷達(dá)探測器 準(zhǔn)確 的探測出 ， 同時(shí) 向駕駛者發(fā)出 signal。 縱觀完整停車過程 ，駕駛 者 換到倒檔后，導(dǎo)航 裝置 會 從頭到尾 地監(jiān)測汽車的 角度 和 位置 。在日本， 斯巴魯 公司研 發(fā) 的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng) 完全做到可以準(zhǔn)確地 自動(dòng)停車。 這 時(shí)，駕駛 員 只需 要 確認(rèn) 導(dǎo)航系統(tǒng) 提供 的 停 車位置。 由 這里開始，停車過程便由配備了超聲波雷達(dá)和攝像頭的停車導(dǎo)航系統(tǒng) 完全控制 。 并且現(xiàn)在某些高檔車上已經(jīng)開始逐步安裝使用這款裝置。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，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。 利用超聲波測距原理，測量汽車倒車時(shí)的安全距離，當(dāng)車輛與后方車輛的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示車輛與后方車輛的距離，提醒駕駛員及時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車輛與后方車輛的碰撞等事故。 “ 利用超聲波的發(fā)射和接受 ” 是 超聲波測距的原理， 距離 =超聲波傳播時(shí)間超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 4 *超聲波速度 。 本 設(shè)計(jì)采用 第一種方法 。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器， 經(jīng)常使用 的 材質(zhì) 是壓電陶瓷。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 意大利科學(xué)家斯帕拉捷習(xí) 慣晚飯后到附近的街道上散步。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？為了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列試驗(yàn)。只有當(dāng)耳朵被堵住時(shí)，蝙蝠就不能分辨障礙物。后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了 蝙蝠“超聲定位”的原 理 —— 原來，蝙蝠 通過喉部器官 發(fā)出人聽不見的“超聲波”，這種 “波” 沿著直線傳播，根據(jù)反射原理，同樣可以極快的反射過來 。 當(dāng)然，以上的故事是個(gè)美麗的楔子。自 19世紀(jì)末到 20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲波技術(shù)的歷史篇章。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和夜哨等機(jī)械型超聲波換能器。 1917年，法國物理 家朗之萬 利 用天然壓電石英制 作 成 功 了 “ 夾心式超聲換能器 ” ，并成功地 將其 應(yīng)用于水下探測潛艇。 人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。醫(yī)學(xué)上最早利超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 6 用超聲波是在 1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲波技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)，以后到了 60年代醫(yī)生們開始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測。 材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用 頻率非常高 的壓電換能器也由 最初的 天然壓電晶體發(fā)展到 價(jià)格低廉、性能 優(yōu)越、機(jī)電耦合系數(shù)高 的 塑料壓電薄膜 (PVDF)、 壓電陶瓷、 壓電半導(dǎo)體以及人工壓電單晶 等。產(chǎn)生和接收的波型也由 最初 單純的縱波 發(fā)展擴(kuò)大 為 扭轉(zhuǎn)波、 橫波、 表面波 、彎曲波 等。 如今，超聲波已廣泛應(yīng)用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。歸結(jié)起來，超聲波主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面： (1) 在檢驗(yàn)方面的應(yīng)用 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)。超聲波測厚，是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料 分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時(shí) 長 來確定被測材料的厚度。超聲 測距主要應(yīng)用 場合有： 工業(yè)現(xiàn)場 、 建筑工地、 倒車 入庫 等的距離 長短 測量，雖然 當(dāng) 前的測距量程上能達(dá)到百米 數(shù)量級 ，但 是 測量的精度 卻僅太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 能達(dá)到厘米 。 上面所描述的 裝置 叫做 超聲顯微鏡。 “ 聲全息術(shù) ” 是應(yīng)用超聲波干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像聲成像技術(shù)，它的 原理 和 光波的全息術(shù)基本 原理一樣 ， 不同的地方是兩者的記錄手段不同 。 超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。針對所有的應(yīng)用市場，超音波焊接其特有的優(yōu)點(diǎn)—— 快捷、高效、清潔和牢固，贏得了各行各業(yè)的認(rèn)可，在汽車、家電、包裝、玩具業(yè)、電子等行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。目前所用的超聲波清洗機(jī)中，空化作用和直進(jìn)流作用應(yīng)用得更多。超聲波清洗方式超過一般的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復(fù)雜像一些表面凹凸不平、有盲孔的機(jī)械零部件，一些特別小而對請潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機(jī)械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達(dá)到很理想的效果。超聲波治療時(shí)將超聲波能量作用于人體病變部位，以達(dá)到治療疾患和促進(jìn)機(jī)體康復(fù)的目的。超聲溫?zé)嵝?yīng)可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強(qiáng)酶活力。超聲波治療以療效獨(dú)特，長期治療無毒副作用的安全特性見長，在肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)、心腦血管疾病治療方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，其體外無創(chuàng)的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運(yùn)用。超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超 聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國民經(jīng)濟(jì)各部門的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。超聲振動(dòng)本身就是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要途徑。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點(diǎn)陣熱振動(dòng)的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能──聲子來研究原子間的相互作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程的三大重要手段。超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。同時(shí)，超聲學(xué)的發(fā)展又太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 s，即： s=340t/2。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。聲速確定后， 只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。如圖 1所示。 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 (23) 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度； t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。 ] cos[ 2 1 H arctg vt H ? L vt H 2 ? 1 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，通過掃描按鍵的狀態(tài)，由 聲波換能器TCT4016TR1 發(fā)出 40KHz 的超聲波方波信號，有定時(shí)器 T0 產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T1，用來計(jì)數(shù)，也就是測算方波發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示： 圖 2 系統(tǒng)框圖 超聲波探頭的中心頻率 及主要參數(shù) 一、主要參數(shù) （ 1）中心頻率 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。中心頻率最高，測距越短，而分辨力越高。本設(shè)計(jì)采用 40KHZ的探頭 TCT4016TR1 （ 2）靈敏度 超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 12 靈敏度的單位是分貝 (dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。一般為幾 度至幾十度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)至 +290C? 時(shí)靈敏度可降低 6％。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在 20 70CC? ? ? ?溫度范圍內(nèi)可以長期工作。 TCT4016T/R的性能指標(biāo)如下表所示： 型號 T4016T T4016R 功能 發(fā)射 接收 中心頻率 40khz（ %誤差） 40khz（ %） 聲壓 114dBmin 靈敏度 68dBmin 電容 2500pf（ 20%） 2500pf（ 20%） 最大電壓 20v 20v 指向性 60?（ 25%） 60?（ 25%） 工作溫度 零下 20?至 70? 零下 20?至 70? 表 1 TCT4016T/R 的指向特性如圖 3所示： 圖 3 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。選擇好的單片機(jī)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。本設(shè)計(jì)由于超聲波采用軟件驅(qū)動(dòng)，僅需要一個(gè)定時(shí)器，一個(gè)計(jì)數(shù)器，常用的 51系列單片機(jī)滿足需要。 51系列單片機(jī)中典型芯片 (AT89C31)采用 40引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由 CPU， 4kB 的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 個(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 TO 和 T1， 4個(gè) 8 b 的工／ O 端 I： IP0， P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。 5l 系列單片機(jī)提供以下功能： 4 kB 存儲器； 256 BRAM； 32 條工／ O 線； 2個(gè) 16b 定時(shí)／計(jì)數(shù)器； 5 個(gè) 2 級中斷源； 1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。 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。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)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng) 該系列單片機(jī)引 腳與封裝如圖 21 所示。 空閑方式： CPU 停止工作，而讓