【正文】 .................33 167。 汽車?yán)走_實物 ...........................................................................35 圖 51 汽車?yán)走_實物 ....................................................................35 167。 軟件調(diào)試 ............................................................................35 167。 記錄并分析實 驗結(jié)果 ...............................................................36 結(jié) 論 ......................................................................................................38 參考文獻 ..................................................................................................39 致 謝 ......................................................................................................41 附 錄 ......................................................................................................42 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前 言 本 設(shè)計的名稱 是 超聲波自動測距系統(tǒng) 。我做的是汽車用倒車?yán)走_的設(shè)計，主要是使用單片機語言編程實現(xiàn)超聲波測距系統(tǒng)與單片機之間的串行通信及顯示汽車與障礙物之間的距離。以上的這些都是在畢業(yè)設(shè)計期間所學(xué)的知識的利用。 倒車?yán)走_（ Car Reversing System）全稱“倒車防撞雷達”，又稱“泊車輔助裝置”，它是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置。 經(jīng)過幾年的發(fā)展，倒車?yán)走_系統(tǒng)已經(jīng)過了數(shù)代的技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性能價格上，這幾代產(chǎn)品都各有特點，目前使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車?yán)走_這 3 種。我想很多人都不會忘記 “倒車請注意！”這句話，因為現(xiàn)在多數(shù)普通車還在使用它。第三代的液晶熒屏顯示較以前有了一個質(zhì)的飛躍。 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)部的計時器計時，并結(jié)合溫度補償聲速等處理手段提高測距精度。由于微處理計時精度有限和硬件設(shè)計的束縛，現(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)的范圍比較低。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，包河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 括所測的超聲波傳播時間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及環(huán)境溫度等等，如何選擇合適的方法提高精度是技術(shù)開發(fā)的重要瓶頸，國內(nèi)外的學(xué)者在提高超聲波測距精度方面做了大量的研究。 超聲波是頻率高于 20200 赫茲 的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的 聲能 。本系統(tǒng)采用 時間差 測距法。 測距的公式 可以 表示為： L=C? T 式中 L 為測量的距離長度； C 為超聲波在空氣中的傳播速度； T 為測量距離傳播的時間 差 (T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半 )。因此，將超聲波自動測距系統(tǒng)應(yīng)用于 實現(xiàn)無接觸測距的倒車?yán)走_系統(tǒng) 具有很強的實用性。 （ 2） 對設(shè)計的電路進行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 （ 4） 以數(shù)字的形式顯示測量距離。其中 硬件電路包括單片機的最小系統(tǒng)、超聲波的發(fā)射與接受、報警電路和數(shù)碼管顯示。軟件部份本文采用 C 語言編程，使用單片機的中斷和計時功能，可以方便的實所設(shè)想的功能。 課題研究 的 背景 自從 1886 年 2 月 9 日卡爾?本茨發(fā)明了人類第一輛汽車，至今世界汽車工業(yè)經(jīng)過了近 122 年的發(fā)展，當(dāng)代汽車已經(jīng)非常成熟和普遍了。當(dāng)今，汽車已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分，它給人們帶來方便快捷的同時，也出現(xiàn)了許多問題。原來不是問題的倒車也逐漸變成了問題。因此，提出 了基于超聲波測距的汽車用倒車?yán)走_的設(shè)計。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小?利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的指標(biāo)要求。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 167。但由于超聲波傳播時間難于精確捕捉，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?，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。因此，如何選擇合適的方法提高精度是技術(shù)開發(fā)的重要瓶頸，國內(nèi)外學(xué)者在提高超聲波測距精度方面做了大量的研究。 汽車倒車?yán)走_的發(fā)展趨勢 隨著科技的日新月異，人們對于車輛的功能及行車安全的期望日益增多。其中倒車輔助 系統(tǒng)是駕駛輔助系統(tǒng)中最先受到囑目的技術(shù)發(fā)展，目前己成為高階新車的標(biāo)準(zhǔn)駕駛輔助配備之一。 超聲波測距系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用可能還會更全面，例如將來可以在汽車的四個角上分別安裝上該系統(tǒng)，這樣可以降低司機師傅在拐彎的時候擦傷車子，而且可以在汽車前面也安裝該系統(tǒng)，可以減少因霧天或是能見度較低的時 候汽車撞車事故。隨著測距儀的技術(shù)進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。由于車輛在道路中行駛狀況十分復(fù)雜，并線、移線、轉(zhuǎn)彎、上下坡及道路兩旁的靜態(tài)護欄、標(biāo)志牌和各種惡劣天氣的影響等，使得雷達對主目標(biāo)的識別產(chǎn)生較高的誤報率。要想 完全解決這種誤報問題，還需采取多傳感器之間的信息融合技術(shù)。 167。同時汽車駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車駕駛?cè)藛T的比例也逐年增加。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計， 15％的汽車碰撞事故是因倒車時汽車的后視能力不良造成的。安全避免障礙物的前提是快速、準(zhǔn)確地測量障礙物與汽車之間的距離。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2章 超聲波測距原理與方法 167。我們?nèi)祟?耳朵 能聽到的聲波頻率為 20Hz～ 20200Hz。因此，我們把頻率高于 20200 赫茲的聲波稱為 “超聲波 ”。超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離。 超聲波的物理性質(zhì) 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用 當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的變化，從而產(chǎn)生一系列 力學(xué) 的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的超聲效應(yīng) 。超聲波引起質(zhì)點的運動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大，有時足以達到破壞介質(zhì)的程度。 如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的 振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 超聲波傳感器的簡介 超聲波傳感器是利用超聲波的 特性 研制而成的傳感器。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 21 超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 22 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 167。本 次設(shè)計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電 方 式 。它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩電極間外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。電聲型主要有壓電傳感器 、 磁致伸縮傳感器 、 靜電傳感器。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”。探頭由壓電晶片、楔塊、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)換的一種傳感器河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。屬于晶體的如石英，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。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)。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。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) 生機械變形，這種機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。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖 雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， 0C 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗 ,并聯(lián)電阻 Cm 和 Lm 為機械共振回路的電容和電感， mR 為損耗串聯(lián)電阻。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。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，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動板 )接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。接收超聲波時，超聲波的振動集中于振 子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。 超聲波傳感器的選擇 測距系統(tǒng)的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。由于超聲波在空氣中傳播時會有衰減 ,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。 超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收 發(fā)分體式雙探頭等。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。 167。 （ 1） 采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給最少 10us 的高電平信呈。 （ 3） 有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間 就 是超 聲 波 從 發(fā) 射到 返 回 的 時 間 。 圖 25 HCSR04 超聲波測距模塊實物 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 如圖 25 接線， VCC 供 5V 電源， GND 為地線， TRIG 觸發(fā)控制信號輸入， ECHO 回響信號輸出等四個接口端。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計 算得到距離。 167。本設(shè)計采用往返時間檢測法測距。如圖 23 所示為反射時間法測距原理圖 ， 利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射 回波的時間來測量距離 ,對于距離較短和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數(shù) ,我們通過測量回波時間 T 利用公式 S=C (T/2)其中 ， S 為被測距離、 V 為空氣中聲速、T 為回波時間 (T=T2T1)， T1 為超聲波發(fā)出的時刻 ， T2 為超聲波返回的時刻 ，可以計算出路程 ， 這種方法不受聲波強度的影響。 T XT 1T 2R X 圖 23 超聲波測距原理 超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速 c 與溫度有關(guān)?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可 以表示為： )/(????? (21) 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 式中， T 為環(huán)境攝氏溫度℃。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不 變的情況下通過軟件改進算法的方法來加以校正。 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精