【正文】 的時候就能夠發(fā)出聲音。當聲波的振動頻率不在這個范圍時的聲音人類是聽不見的。由于超聲波具有方 向性好，抗干擾能力強，穿透能力強等優(yōu)點。 實際測試發(fā)現(xiàn) ,相同振幅下 , 振動頻率和物體振動的能量是成正 比的 ,當超聲波傳 播時 ,聲波振動頻率很高 ,物體的震動能量也很大。除此之外應用 超聲波還可以做很多方便現(xiàn)實生活的實用工具，本文介紹的汽車防撞裝置也是應用超聲波的原理制成的。聲波指的是物體在機械振動下，物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置進行的往返運動狀態(tài)。超聲波就使頻率很高的聲波。 雖然人類的耳朵聽不見超聲波，但是不少動物卻擁有此項能力。好多人們疑問為什么蝙蝠能夠在完全黑暗的情況 下還能夠分析在哪能夠捕食和避開障礙物。蝙蝠通過自己的嗓子發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)出之后四面八方的發(fā)射 出去， 當超聲波遇到障礙物之后發(fā)生反射， 這種反射回來的超聲波進入到蝙蝠的耳朵中， 蝙蝠聽到超聲波后，就能自己判斷出障礙物或者獵物的位置。 國內(nèi)的超聲波研究照比其它國家起步較晚，人們在發(fā)現(xiàn)正壓電效應和逆壓電效應之 后，超聲波才逐漸應用于電子行業(yè)、清洗機械器件、軍事、塑料焊接、金屬焊接、醫(yī)學 等等領域。由于每個人的組織結(jié)構(gòu)都是不同的所以他們對于超聲波的吸收能力也不同。 第二章 總體設計方案 汽車防撞預警系統(tǒng)是指在汽車行駛過程中防止汽車發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報 警裝置。根據(jù)題目要求，汽車防撞 報警器的功能主要有兩個：判斷汽車與障礙物之間的距離和當汽車與障礙物之間 的距離 到達臨界距離時發(fā)出報警信號。在實 際生活中常用的測距方法主要有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端設置發(fā)射裝置， 一端設置接收裝置，利用公式 S = vt 得出測量的距離。 汽車防撞系統(tǒng)硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電 路和超聲波檢測 接收電路及顯示電路三部分。為了獲得較穩(wěn)定時鐘頻率 而采用了高精度的晶振，這樣極大的減小測量距離的誤差。 顯示電路裝置用了結(jié)構(gòu)簡單價格便宜的 4 位 LED 數(shù)碼管來顯示距離。 AT89C51 單片機 引腳輸出 40k 赫茲的間斷方波信號分成 2 路，一路信號經(jīng) 過一個反向器后到達 TCT40 一 個引腳，另一路通過兩個反向器后到 TCT40 的另一個引腳，用這種形式將 發(fā)出的 單片機 端口發(fā)出的間斷方波信號加到 TCT40 的兩端上，用這種推換形式將間斷的 方波信號連接到超聲波傳感器的兩個引腳上，這樣能夠增強超聲波的發(fā)射強度。 而電阻 R R9 增大超聲波傳感器的阻尼效果，縮短了震蕩時間，使超聲波傳感器輸出高電平的能力大 大增加。 CX20206 是一款紅外線檢波接收的芯片，它常用于現(xiàn)實 生活中， 而且價格便宜。 并且 CX20206 芯片的內(nèi)部設置比較好，由于設計中芯片的 f5 角連接了一個外接電阻， 此電阻使他濾波器的中心頻率能夠調(diào)節(jié)，當 R15 的阻值越大濾波器的中心頻率就越低， 變化范圍在 30～ 60 kHz 之間。 超聲波測距預警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子 程序和數(shù)碼顯示子程序等。 全局中斷打開并給顯示端口清 0。我采用了 12 MHz 的晶振，計數(shù) 器每次計數(shù)間隔是 1μs，當主 程序接收到成功的信號后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)計算，即得出與障礙物之間的距離，測 出距離后將結(jié)果送往 LED 顯示，這就是超聲波測距的過程。外圍元件很少，所以調(diào)試 不太難。電路設計中除了 集成電路，對其它電子元件也沒專業(yè)要求。 2． 2 超聲波測距原理 基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計 8 超聲波測距是通過檢測超聲波發(fā)射后 遇到障礙物所反射回來的回波，如圖21 所示 。 S 為汽車與障礙物之間的距離 ,C 為超聲波在空氣中的傳播速度。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 圖 21 超聲波傳播圖 利用超聲波的測距的原理圖如框圖 22 所示，單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，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，用鎖相環(huán) 電路進行檢波處理后，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)。 超聲傳感器指的是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號或?qū)⑼饨绲穆暡ㄐ? 號轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換器件。超聲波就 是 頻率很高的聲波。這些優(yōu)點使超聲波換能 器的研究勢在必行 。兩種方式產(chǎn)生的超聲波功率、頻率和聲波的特性都不相同，因此 不同的用途采用不同的方式產(chǎn)生超聲波。 壓電式超聲波傳感器裝置是根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換原理制成的，它又稱超聲波探頭或者超聲 波換能器。壓電式超聲波換能器的原理是依靠壓電晶體的諧振來進行工作的 。這種超聲換能器需要的壓電材料很少并且價格 便宜，并且很適用于氣體介質(zhì)中。逆壓電效應用于超聲波的發(fā)射。正壓電效應應 用于超聲波的接收。 超聲波換能器的工作原理是把 40kHz 的間斷方波信號分成 2 路，一路經(jīng)一級反向器后 到達 TCT40 一個電極，另一路通過兩級反向器后到 TCT40 的另一個電極，用這種形式將 發(fā)出的方波信號加到 TCT40 的兩端上，然后產(chǎn)生諧振后經(jīng)輻射器將振動信號向四面 八法傳播出去。 2． 4 控制系統(tǒng)方框圖 超聲波防撞控制系統(tǒng)圖如框圖 23 所示。超聲波在遇到障礙物之后 反射射回來再由接收電路接收反射聲波信號送入單片機進行分析，計算出汽車與障礙物 之間的距離，將處理后的結(jié)果送入顯示電路經(jīng)過數(shù)碼顯示管顯示出距離，如果距離達到 安全的極限距離著由報警電路通過蜂鳴器發(fā)車報警，提示司機躲避障礙物。超 聲波探頭采用 TCT40。通過輸出引腳輸 入，經(jīng)驅(qū)動后推動發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波，此方法充分利用了軟件控制，靈活性好。 1 2U 4 :A7 4 L S 0 43 4U 4 :B7 4 L S 0 45 6U 4 :C7 4 L S 0 411 10U 4 :E7 4 L S 0 413 12U 4 :D7 4 L S 0 4TT CT 4 0 1 6R81kR91kV C C 圖 24 超聲波發(fā)射裝置設計圖 超聲波的發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和發(fā)射換能器構(gòu)成。在加載反波信號時使用兩個 74LS04 并聯(lián)，可以提高驅(qū)動能力。 2． 6 超聲波接收裝置的設計 基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計 11 超聲波接收器包括接收∕發(fā)射探頭、信號放大電路和波形變換電路三個部分。 按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個回波的時刻。在空氣中傳播超聲波的其能量的衰減與距離是成正比的，距離越小、 衰減越少，距離越大、衰減 越多，通常都在 1V 之內(nèi)。超聲波的接收采用CX20206A 集 成電路模塊，根據(jù)電路圖可以看出，集成芯片 CX20206 在接收裝置電路中的作用很大。由于紅外線波的頻率為 38 kHz，與測距使用的超聲波頻率接近。 CX20206 對收到的信號進行放大、濾波的作用。 當接收到的聲波信號與 CX20206 的中心頻率相符時，它的 7 腳就會低電平輸出，而 7 腳接 到 INT0 引腳上，這樣就會中斷。 2． 7 顯示電路的設計 顯示電路中顯示測量距離使用的是 4 位共陰的 LED 數(shù)碼管，它簡單實用并且價格便 宜。 R 1 32kR 1 22kR 1 12kR 1 02kQ19 0 1 2 Q29 0 1 2Q39 0 1 2Q49 0 1 2V C CVCC 圖 26 顯示電路設計圖 報警裝置的設計 報警部分采用一個蜂鳴器進行報警， LED 發(fā)光，利用單片機控制輸出一個一定頻率的信號。然后基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計 13 將放大之后的信號連接到蜂鳴器上，報警部分裝置的設計圖如圖 27 所示。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子發(fā)聲器，它分為兩種類型，一種是壓電式蜂鳴器另一種是電磁式蜂鳴器。壓電蜂鳴片是由鈮鎂酸鉛或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制造而成。當電極兩端接通電源以 后 ,多諧振蕩器開始振動 ,輸出音頻信號，然后阻抗匹配器便能推動壓電蜂鳴片發(fā) 出聲 音。在兩 極接通電源之后，振蕩器能夠產(chǎn)生的音頻信號，信號通過電磁線圈，便會使電磁線圈生 成磁場。 基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計 14 第三章 硬件的設計和制作 硬件電路的設計主要包括三部分：單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波的發(fā)射和檢測接 收電路。還采用了 12MHz 高精度的晶振，以減小測量 誤的差。 3． 1 芯片的功能 AT89C51 的功能特點 AT89C51 單片機主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出接口等組成。程序存儲器具有存儲功能， 使應用程序在開發(fā)調(diào)試后永久性的存儲在程序存儲器中。 LED 顯示是共陰極接法的動態(tài)循環(huán)顯 示 .接收電 路接收超聲波遇到物體后反射回來的回波信號。該單片機采用的制造技術(shù)是 ATMEL 高密度非易失存儲器制造成的，它能夠與達到工 業(yè)標準的輸出管腳和 MCS51 指令集相兼容。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 1 基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計 15 圖 31 AT89C51 控制器 AT89C51 有兩種可用軟件來選擇的省電方式：空閑工作方式和掉電工作方式。當處于掉電方式時保存了 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停止震蕩，禁止芯片其它功能直到下一次硬件復位才 能使用。充分的利用了單 片機的片內(nèi)資源，使我們可以在較少使用外圍電路的情況下完成超聲波測距。如圖 32 所示， CX20206 芯片的接口圖。管腳 3 與 GND 之間連接的電容起到檢波作用；管腳 5 上的連 接一個電阻，這個電阻用來設置濾波器的 中心頻率；管腳 6 與 GND 之間接入一個電容，該電容確定探測距離；管腳 7 是集電極開路 輸出端：管腳 8 接電源正極。 本次設計中采用的是八段式的數(shù)碼管。數(shù)碼管里都是由 LED 發(fā)光二極管發(fā)光單片機 控制 LED 的滅亮顯示出不同的形狀從而顯示出數(shù)字，八段式的數(shù)碼管與七段式的主要區(qū) 別就在于八段式的數(shù)碼管中有八個發(fā)光二極管，而七段式的數(shù)碼管中有七個發(fā)光二極 管，兩種之間只差一個點。原理圖如圖 33 共陽極型和共陰極 型原理圖所示。共陰極型則是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陰極都接在一起并且接到地線上，連接好之后把其中任何哪個發(fā)光二極管的陽極接到電源上，它就會發(fā)光。一個二極管是一位，八個管子即 a,b,c,d,e,f,g 還有 dp， 拼成個 8 字列在一起就構(gòu)成了一個 8 位的數(shù)碼顯示管。在數(shù)碼管顯示數(shù)字是，一 個二極管對應一條直線， a 對應的基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計 17 是首位， dp 對應最后位。通過這個例子可以看的出 來共陰極數(shù)碼顯示管和共陽極數(shù)碼顯示管的編碼各個位是相反的。對于當今社會汽車擁擠的這一現(xiàn)狀，此項研究對于防止交通事故 的發(fā)生具有預防作用。 硬件電路設計和 PCB 板的制作 超聲波測距預警系統(tǒng)硬件部分由超聲波的接收電路、顯示電路 、超聲波的發(fā)射電路 和單片機的外圍電路等各部分組成。利用中斷口 INT0 檢測超聲波接收電路接收到的返回信 號，當單片機 INT0 引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r超聲波就已經(jīng)返回。顯示電路采用結(jié)構(gòu)簡單的 4 位 LED 數(shù)碼管把測量的距離顯示出來，位碼用 4 個 PNP 三極 管來驅(qū)動。并且單片機內(nèi) 有 4K 的 ROM，方便于編程。超聲波預警系統(tǒng)電路的設計圖如附錄一汽車預警系統(tǒng)原理圖所示。 表 35 元器件清單