【正文】 顯示子程序和蜂鳴報警子程序 ............................................................................................... 32 第五章 系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試 ........................................................................................................... 34 結(jié)束語 ............................................................................................................................................ 35 致 謝 ............................................................................................................................................ 36 參考文獻 ........................................................................................................................................ 37 附錄 程序清單 ............................................................................................................................... 38 5 第一章 緒 論 課題的背景和意義 一般認為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于 1876 年 F． Galton 的氣哨實驗，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。對于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。本系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點。本文根據(jù) 超 聲波在空氣中可定向發(fā)射和反射的原理，以超聲波換能器為接口部件，應(yīng)用單片機技術(shù)設(shè)計了一套基于超聲波測距的 倒車 雷達系統(tǒng)。 I 基于 超聲波測距技術(shù)的倒車雷達裝置 設(shè)計 與 研究 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱： 摘要 汽車倒車雷達是一種能夠?qū)崟r顯示車后障礙狀況的汽車倒車輔助裝置。在現(xiàn)實生活中應(yīng)用廣泛。 本文的內(nèi)容是基于超聲波測距的倒車防撞系統(tǒng)的設(shè)計，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和 AT89C51 單片機結(jié)合于一體，設(shè) 計出一種基于 AT89C51 單片機的倒車防撞系統(tǒng)。 論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。通過多種發(fā)射接收電路設(shè)計方案比較，得出了最佳設(shè)計方案，并對系統(tǒng)各個設(shè)計單元的原理進行了介紹。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知的東西，由于當時電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。 法國人 LaIlgevin 使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。 1929 年， Sokoov 首先提出用超聲波探查金屬物內(nèi)部缺陷的建 議 。 4 年之后 ， 1934年 Sokoov首 次發(fā)表了關(guān)于在液體槽子里用穿透法作實物試驗的結(jié)果，他用了各種方法做了實驗，用來檢測穿過試件的超聲能量，其中之一是用簡單的光學方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋。 美國的 Firestone 和英國的 Sproule 首次 介紹了脈沖回波探傷儀，使超聲波檢測技術(shù)發(fā)展到了更重要的階段。這種方法除可用于手工檢測外，還可與采用先進技術(shù)的自動系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問世以來，根據(jù)相同的原理，有無數(shù)種其他儀器得到了發(fā)展，并有許多改進和精化。 Yon 闡 述了其所研究的一種調(diào)幅連續(xù)超聲波大范圍動態(tài)測距系統(tǒng)。文中給出了設(shè)計原理、硬件實施和測量結(jié)果。 中國測試技術(shù)研究所的 李茂山在《超聲波測距原理及實踐技術(shù)》 中闡述了用超聲波在空氣里傳播速度為已知條件，測量超聲波行進于待測距離所耗費時間的超聲波測距 原 6 理。作者還進行了超聲波測距誤差源分析以及超聲波測距儀的檢驗。作者介紹了超聲波料位測量的原理以及超聲波料位測量儀的軟硬件設(shè)計，硬件設(shè)計主要分為超聲波信號的產(chǎn)生發(fā)射電路、信號接收處理電路、 AT89c2051 單片機控制電路等。比如：在計數(shù)電路設(shè)計中，采用了 “延遲接收，信號分離 的技術(shù)和相關(guān)計數(shù)法減小了計數(shù)誤 差，對于聲速的測量誤差，使用溫度補償法，在軟件設(shè)計中采用了查表的方法，由單片機實現(xiàn)自動補償校正。 聲速的測量在超聲波測距中對提高超聲波精度有重要的作用，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。文中溫度檢測部分采用了 美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器DSl8820 測量環(huán)境溫度，用以溫度補償以 修正超聲波速度，來減小溫度變化對距離測量精度的影響。 超聲波倒車雷達系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器等部分組成，現(xiàn)在市場上的倒車雷達大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制下，由裝置于車 尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。例如障礙物相對 于車的距離、角度和車內(nèi)外溫度等 (視雷達檔次而定 )。倒車雷達的提示方法也可以分為數(shù)碼顯示、聲音提示和語音提示等，以博視雷達為例，其背光可通過三色變換來警告緊危急程度，聲音提示則會通過急促程度的不同告訴駕駛員及時停車．有些雷達還特別為喜歡安靜的駕駛員設(shè)置了靜音開關(guān)。國外汽車倒車雷達預(yù)警系統(tǒng)早期大多采用紅外線的發(fā)射與接收原理，不屬于雷達產(chǎn)品， 最大的缺點是紅外線波易受干擾，整個系統(tǒng)的警示音常呈現(xiàn)不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)，另外對深黑色粗糙表面物體的反應(yīng)也較差。最近在歐美出現(xiàn)的一種電磁感應(yīng)倒車雷達 。 以感應(yīng)車后 是否有障礙物 。換言之，如有任何物品貼在后保險杠，當車一旦停下再啟動后，此裝置并不會告知駕駛者后方有物品貼在保險杠，此車不能再后退等。因此，實用性也相當有限。據(jù)海外媒體報道，戴姆勒 克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車使用的電子剎車系統(tǒng)，它與其他剎車系統(tǒng)的區(qū)別在于，其在卡車車頭設(shè)有雷達感應(yīng)器，感應(yīng)器在車前觀察四周環(huán)境，并將所有收集的信息交由一控制器加上處理，形成一虛擬景象，再借助演算法的輔助來判斷所發(fā)生狀況是否需要利用剎車。隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，近兩三年我國開始進入私家車時代，交通事故發(fā)生的頻率也在增加，為提高汽車運行的安全性，倒車雷達預(yù)警系統(tǒng)不僅深受駕駛員的青睞，也逐漸成為汽車電子產(chǎn)業(yè)中 8 新的增長點。倒車雷達系統(tǒng)經(jīng)歷了三個階段，六代的技術(shù)改良，從早期的倒車防撞儀，只能測試車后有限范圍的障礙物 ，并發(fā)出警報，發(fā)展到根據(jù)距離遠近程度分段報警，前兩個階段的倒車雷達一般采用專用集成電路，功能較簡單。要求倒車雷達連續(xù)測距并顯示障礙物距離，并采用不同間歇嗚叫頻率的聲音報警提示距離，讓駕駛員全神貫注地注視場景。如最為先進的倒車雷達系統(tǒng)為 “智能可視倒車雷達系統(tǒng) ”， 它在車尾部撞上針孔攝像頭，倒車時可以在DVD 顯示屏上顯示車后的廣角真實圖像。 在駕駛者掛入倒擋時，中控臺上的液晶顯示屏會自動切換畫面，將車尾攝像頭拍下的環(huán)境狀況展示在駕駛者眼前，最大程度地方便泊車，這項功能在夜間尤其具有價值。 目前市場上的倒車雷達品牌可謂是種類繁多，有鐵將軍、北華三松、固地、博視、奇真、臺灣俊邦、豪迪等幾十種品牌，價格也是幾百、上千元不等，有些廠家還根據(jù)車型的不同，設(shè)計專用的倒車雷達 。比較現(xiàn)在市場已有的防撞器，該結(jié)構(gòu)緊湊性好、成本低，可靠性好，通信能力強，能有效 地避免汽車相撞事故的發(fā)生，具有一定的市場價值。特別是其具有高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及 。 10 第二章 課題設(shè)計原理與思路 超聲波測距原理 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t,然后求出距離 2/cts? ， 式中的 C 為超聲波波速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計時。將式 （ 24）帶入式 （ 23） 可得： ? ?? ?HMvtH a r c ta nc o ? (25) 當被測距離 H 遠遠大于 M 時，式 （ 25） 變?yōu)椋? vtH ? (26) 這就是所謂的時間差測距法。 由于是利用超聲波測距，要測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達到預(yù)定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。 圖 22 為倒車雷達的工作原理框圖。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。超聲波在大 氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： ?s RTC M? （ 28） 由上式知，在空氣中，當?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準確的當?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。 式 （ 29） 一般能為聲速的換算提供較為準確的結(jié)果。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當?shù)芈曀?。此外，當要求測距誤差小于 1mm 時，假定超聲波速度 C=344m/s(20℃ 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差 ，則 測距誤差 S△ t 002 907s，即 。使用的12 MHz 晶體作時鐘基準的 AT89C51 單片機定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 AT89C51 的定時器能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價 會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障 礙物，這時需要注意的。因此，在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定的幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平 VM；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的 限幅電平，當反射面離探頭愈來愈遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。 系統(tǒng)整體設(shè)計方案和論證 由于超聲波指向性強，能量蕭寒緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，你用超聲波測量距離，設(shè)計比較方便，計算原理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到倒車雷達設(shè)計的要求 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計 該設(shè)計的應(yīng)用背景是基于 AT89C51 的超聲信號檢測的。單片機 （ AT89C51） 發(fā)出短暫的 40KHz 信號，反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此型號進行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計算結(jié)果送到 LED 顯示電路顯示， 并 進行 報警。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時裝在探頭內(nèi)），諧振頻率 由 調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射的超聲脈沖頻帶較窄。將一定頻率 的交流電壓加到發(fā)射傳感器的固有頻率 40KHz，使其工作在諧振頻率，達到最 14 優(yōu)的特性。但是每一支實際的發(fā)生傳感器有其工作電壓的極限值，同時發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。 發(fā)射部件的點脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。最終達到對回波進行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機（ AT89C51）能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志 單片機發(fā)出啟動信號，超聲波模塊經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波 測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算 傳播距離。此次設(shè)計采用反射波方式。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。 硬件電路的設(shè)計主要包括三端穩(wěn)壓電源電路 、 單片機及其輔助電路、超聲波發(fā)射和超聲波檢 測接收電路 、 顯示電路 四 部分組成。采用 12MHz高精度的晶振，以獲