【正文】 用于不同的場(chǎng)合。它的探頭部分由晶片、楔塊、外拉接頭等組成如圖 1 所示，是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的重要部分。其工作原理簡(jiǎn)單的說(shuō)就是當(dāng)兩電極外加的信號(hào)頻率和壓電晶片的固有頻率相同時(shí)，兩塊壓電晶片就產(chǎn)生共振，通過(guò)帶動(dòng)共振盤的振動(dòng)，就得到了測(cè)距所需的超聲波。 超聲波測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的實(shí)現(xiàn) [2]是根據(jù)其特有的性能分為脈沖回波法、頻差法和共振法。這里根據(jù)本課題的實(shí)際情況來(lái)考慮將使用脈沖回波法[3]，它利用的就是超聲波的反射特性。超聲波通過(guò)介質(zhì)沿直線傳播到障礙物的表面，在被測(cè)面發(fā)生反射與折射作用后，其中被反射的部分中有一小部分可以被超聲波的接收器接收，經(jīng)過(guò)聲/電轉(zhuǎn)換，就完成了把不可測(cè)量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的過(guò)程。期間，從發(fā)射端發(fā)射信號(hào)到接收端接收信號(hào)的時(shí)間即為往返時(shí)間 t。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)參數(shù)選擇如圖 2 所示超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由超聲波傳感器、超聲波發(fā)射及接受電路、放大、整形電路、單片機(jī)控制電路、LCD 顯示、報(bào)警系統(tǒng)等組成。而超聲波傳感器中則是以探頭的選擇為主，超聲波傳感器的探頭一般有收發(fā)一體式與收發(fā)分體式，鑒于要測(cè)的表面不一定都是光滑平整的，所以反射時(shí)有一定的角度，固可以選擇電子市場(chǎng)上較常見(jiàn)的收發(fā)分體式，其一般頻率選 40KHz。表 1 收發(fā)傳感器特性參數(shù)表型號(hào) SZWS4012M SZWR401OP結(jié)構(gòu) 開放式 開放式使用方式 發(fā)射 接收中心頻率 40177。1KHz聲壓 115dBmin（0dB=） 70dBmin（0dB=1V/μbar）指向性 75176。容量 2500177。25%pF最低使用溫度 40℃ 40℃最高使用溫度 85℃ 85℃最小探測(cè)距離 最大探測(cè)距離 4m 4m分辨率 9mm 9mm最大輸入電壓 20Vpp 連續(xù)信號(hào) 20Vpp 連續(xù)信號(hào)為了能夠引起探頭中壓電晶片的共振，發(fā)射電路頻率宜選擇傳感器的固有頻率 40KHz，這樣才有可能使其工作于諧振頻率從而達(dá)到最優(yōu)的特性。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件部分包括單片機(jī)控制電路，超聲波收、發(fā)電路，信號(hào)整形、放大電路，LCD顯示電路，蜂鳴報(bào)警電路，復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路等的設(shè)計(jì)。 AT89C52 芯片介紹AT89C52 單片機(jī) [4]是應(yīng)用于超聲波測(cè)距系統(tǒng)中常用的芯片之一。包括以下幾個(gè)部件：（1）兼容 MCS51 指令系統(tǒng)；（2）一個(gè) 8 位 CPU；（3）一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；（4）8k Flash ROM；（5）128*8 位內(nèi)部 RAM； （6）32 條雙向 I/O 口；（7）3 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷；（8）8 個(gè)中斷源；（9）2 個(gè)讀寫中斷口線，3 級(jí)加密位；（10）一個(gè)可編程串行通道。圖 3 AT89C52 芯片圖AT89C52 單片機(jī)的輸入輸出端口在編程上是根據(jù)應(yīng)用電路的具體要求和功能對(duì)其進(jìn)行編程的，其具體步驟有以下四點(diǎn)。 發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì) 發(fā)射電路是由脈沖發(fā)射電路與脈沖產(chǎn)生電路組成的。其中 U1A 反相器是讓輸入到傳感器兩端的電壓置反以便得到足夠的壓差來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)射超聲波，電路圖如圖 4 所示。超聲波測(cè)距系統(tǒng)的一個(gè)主要因素傳播時(shí)間是由接收電路設(shè)計(jì)的好壞決定的。其中檢波電路是用于接收反射回來(lái)的回波，接著由濾波放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，而整形部分則是把接收到的信號(hào)整理成 C52 單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)并向單片機(jī)提出中斷計(jì)時(shí)的指示。鑒于此接收電路可以設(shè)計(jì)兩個(gè)以上的濾波放大模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大。它是利用液晶材料的光電效應(yīng)，即對(duì)其施加電場(chǎng)，其分子排列就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)液晶整體的光學(xué)折射特點(diǎn)產(chǎn)生影響，通過(guò)造成人們視覺(jué)的變化來(lái)達(dá)到顯示所需數(shù)字的目的。電路圖如圖 6 所示，LM016L 液晶顯示共 16 個(gè)管腳，在編程時(shí)只用到其中主要的幾個(gè)管腳，分別是：使能信號(hào) E；讀寫選擇端 R/W；數(shù)據(jù)命令端 RS。這里當(dāng) R/W 中加高平電壓時(shí)是進(jìn)行讀操作，而加低平電壓時(shí)是進(jìn)行寫操作。圖 6 顯示電路圖表 2 操作時(shí)序表RS R/W 操作說(shuō)明0 0 寫入指令碼 D0~D70 1 讀取輸出的 D0~D7 狀態(tài)字1 0 寫入數(shù)據(jù) D0~D71 1 從 D0~D7 讀取數(shù)據(jù)注：開始時(shí)初始化時(shí) E 為 0，然后置 E 為 1，再進(jìn)行清零。 報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的報(bào)警電路如圖 7 所示其中由 NPN 管、電阻和蜂鳴器組成。聲音報(bào)警器使用 BUZZER，它自帶著一種報(bào)警音，可以給駕駛員直接的提示。單片機(jī)復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位及系統(tǒng)復(fù)位。圖 8 上電復(fù)位電路圖至于該測(cè)距系統(tǒng)為什么需要一個(gè)復(fù)位電路，是因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，可能會(huì)由于一些程序上的運(yùn)行出錯(cuò)或操作上的錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)死循環(huán)跳不出來(lái)，從而使裝置不能再正常工作。固系統(tǒng)的復(fù)位電路是十分重要的要保證其精確、可靠的工作。 時(shí)鐘電路 每塊核心單片機(jī)都必須帶有一個(gè)時(shí)鐘電路，它是用來(lái)給單片機(jī)內(nèi)部提供正常工作的一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。這里選用的是以內(nèi)部振蕩方式得到時(shí)鐘信號(hào)的電路。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)主要是增進(jìn)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)以及在數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用，這里在倒車系統(tǒng)中裝配了四路測(cè)距通道，分別把傳感器安裝在車尾的左、左中、右中、右四個(gè)方位，這樣能夠比較精確的測(cè)得車尾與障礙物的實(shí)際距離。整個(gè)軟件系統(tǒng)在編程方面采用匯編語(yǔ)言及 C 語(yǔ)言，這里利用了匯編語(yǔ)言具有較高的效率及易精細(xì)計(jì)算時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)與 C 語(yǔ)言在計(jì)算方面的簡(jiǎn)便。其主要包含有主程序、溫度采集程序及顯示報(bào)警程序。顯示報(bào)警電路是用來(lái)產(chǎn)生能給駕駛員直觀提示的電路。它是一個(gè)單片機(jī)程序的主體，統(tǒng)領(lǐng)著單片機(jī)整個(gè)程序的有效運(yùn)行，在這個(gè)過(guò)程中主程序可以不斷的調(diào)用子程序與中斷服務(wù)程序，既一個(gè)初始化、調(diào)用、等待響應(yīng)的過(guò)程。接著通過(guò) 端口發(fā)送頻率大約為 40kHz 的方波來(lái)作為超聲波的脈沖信號(hào)，與此同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T0 進(jìn)行計(jì)時(shí)。中斷入口定時(shí)器 0 初始化定時(shí)器 1 清零送出高電平延時(shí)子程序電平拉低啟動(dòng)定時(shí)器 1返回圖 11 超聲波發(fā)送子程序流程圖 DS18B20 溫度采集程序溫度采集在軟件方面的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，其流程圖如圖 12 所示。 LCD 顯示程序LCD 顯示塊的運(yùn)行程序流程圖如圖 13 所示，包括 LCD 的初始化、檢查忙碌狀態(tài)、寫指令與數(shù)據(jù)函數(shù)、接著就是 LCD 的顯示操作了。初始化LCD 忙狀態(tài)檢測(cè)寫指令函數(shù)寫數(shù)據(jù)函數(shù)LCD 顯示返回圖 13 LCD 顯示程序流程圖在編寫這塊程序的時(shí)候，是將通過(guò)計(jì)算所得的各個(gè)距離結(jié)果保存到一個(gè)數(shù)組中，接著讀取需要的數(shù)據(jù)傳送到 LCD 顯示屏中呈現(xiàn)給駕駛員，以便駕駛員能直觀的對(duì)倒車情形進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。首先從單片機(jī)中讀取進(jìn)數(shù)據(jù)，接著進(jìn)行補(bǔ)碼與原碼的轉(zhuǎn)化，最后就是把數(shù)據(jù)寫入顯示數(shù)組 num[ ]中。開始讀取速度值計(jì)算時(shí)間值計(jì)算距離值返回圖 15 距離計(jì)算流程圖 蜂鳴報(bào)警程序倒車系統(tǒng)中的報(bào)警是根據(jù)測(cè)得的實(shí)際距離與設(shè)定警戒值之間的比較，在警戒值內(nèi)的距離將激發(fā)報(bào)警程序，其流程圖如圖 16 所示，程序中主要包括報(bào)警與延時(shí)兩個(gè)部分。首先是要在 Proteus 上繪制出準(zhǔn)備作為仿真實(shí)驗(yàn)的電路原理圖其如圖 17 所示。C，通過(guò)調(diào)節(jié) DS18B20 模型的溫度可以測(cè)試顯示溫度是否正確，從圖中可以看出顯示的溫度就是 DS18B20的預(yù)設(shè)溫度值。由于是頻率比較高的信號(hào)（40KHz） ，所以不能通過(guò)二極管來(lái)觀察到，所以在仿真的時(shí)候 一直顯示的是低電平狀態(tài)，這時(shí)必須用示波器來(lái)查看，如圖：圖 17 Proteus 仿真原理圖圖 18 仿真結(jié)果圖 從圖 18 的仿真結(jié)果圖可以看出， 口輸出了信號(hào)，由于軟件是間隔 60ms 發(fā)送一次 40KHz 的信號(hào)，所以可以看到這樣的尖脈沖信號(hào)產(chǎn)生。5 系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn) 溫度對(duì)超聲波聲速的影響每一種聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)其速度都與溫度有關(guān) [6]，超聲波也不例外。表 3 溫度與聲速的關(guān)系溫度(℃) －30 －20 －10 0 10 20 30 100聲速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386在一般狀況下，如果實(shí)際的溫度變化不是很大，那么可以認(rèn)為聲速是一個(gè)基本上不變的值，用于計(jì)算時(shí)取為 346 m/s。其中空氣中聲速與溫度的關(guān)系如下： T????聲速確定完，接著只要配合以超聲波于空氣中的往返時(shí)間，根據(jù)公式： s/(.)t?即可得障礙物與車尾的距離。圖 19 超聲波測(cè)距原理為了進(jìn)一步的改善倒車系統(tǒng)的測(cè)量精度，于是將增加反射角引起的距離誤差 [7]，如圖根據(jù)公式 2s=lh?可得更為準(zhǔn)確的距離值。（1）在超聲波發(fā)射的波形方面，設(shè)計(jì)采用的是方波，由于方波是一種高次諧波占量比較大的電壓波形，它將影響精確的鑒相，同時(shí)會(huì)增加發(fā)射波與接收的回波的諧波失真。（2）大多數(shù)的硬件設(shè)備在如今的生活中都免不了受到一些外界的干擾，更不用說(shuō)汽車這種完成暴露于外界交通工具?，F(xiàn)在比較常見(jiàn)的硬件抗干擾措施有隔離技術(shù)、接地的抗干擾處理以及元件的合理布局 [8]。同樣在此系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)方面也要考慮到受干擾的程度及使用什么方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在最大程度上減少整個(gè)系統(tǒng)的最后測(cè)量誤差。針對(duì)這種情況可以在超聲波接收回路中增加一個(gè)增益調(diào)節(jié)電路與一個(gè)自動(dòng)增益反饋控制環(huán)節(jié) [9]。6 結(jié)論系統(tǒng)是以單片機(jī) AT89C52 為核心芯片，輔助以硬件電路與軟件編程實(shí)現(xiàn)的一個(gè)可以用于對(duì)精度要求不是很高的汽車上。說(shuō)實(shí)話對(duì)于那些稍微高檔點(diǎn)的汽車，現(xiàn)在使用的倒車系統(tǒng)都是配備了整合影音的系統(tǒng)，不僅能夠報(bào)距，而且可以全方位的顯示汽車周圍的環(huán)境，不過(guò)這種倒車系統(tǒng)一般都具有昂貴的身價(jià)。結(jié)束語(yǔ)：通過(guò)此次汽車倒車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅鞏固了本科期間所學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)也加強(qiáng)了把理論知識(shí)付諸于解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)單從題目上看雖然感覺(jué)不是特別難，但是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程其實(shí)是相當(dāng)復(fù)雜的，不用說(shuō)這次設(shè)計(jì)當(dāng)中用到了很多從未學(xué)過(guò)的知識(shí)需要自己上網(wǎng)查資料，就那對(duì)某塊的設(shè)計(jì)方案的抉擇已經(jīng)夠讓人頭疼的了，還有各種芯片的特點(diǎn)，各種設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)及適用條件。雖然設(shè)計(jì)的內(nèi)容在很多方面都存在改進(jìn)的地方，但伴隨著自己在專業(yè)知識(shí)方面的不斷鞏固加強(qiáng)，在不久的將來(lái)或許會(huì)得以解決，即使那時(shí)候可能不會(huì)在為設(shè)計(jì)的完善工作做實(shí)際性的修改。致謝：此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，首先要感謝陳老師，因?yàn)樽鲞@個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候由于考研等各方面的原因時(shí)間本來(lái)就不是很多，所以很多時(shí)候在提交一些前期材料的時(shí)候總是有所推遲，給老師的總體工作進(jìn)度造成了不可避免的影響，但就這樣老師也還是在設(shè)計(jì)中對(duì)詢問(wèn)的問(wèn)題給予了悉心的指導(dǎo)。除了他們外，當(dāng)然還有很多的老師和同學(xué)對(duì)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)做出了或直接或間接的幫助，在這里無(wú)法一一列舉，不過(guò)還是表示衷心的感謝！參考文獻(xiàn)：[1] 徐國(guó)華．超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2022，(12) ：67．[2] 肖質(zhì)紅．超聲波測(cè)距儀在汽車安全系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．浙江萬(wàn)里學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，(5)：4346．[3] 趙珂．時(shí)差法超聲測(cè)距儀的研制[J]．測(cè)控技術(shù)，2022 ，24(4)：7779．[4] 李群芳，張士軍．單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2022．[5] 趙亮．用單片機(jī)控制