【正文】 ................ 28 超聲波發(fā)送、接收中斷程序 ........................................................................... 29 顯示程序、報(bào)警程序 ....................................................................................... 30 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 32 致 謝 .......................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 34 附錄 A 程序清單 ................................................................................................... 35 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 1 緒論 選題背景 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，城市汽車數(shù)量迅速增加。人們將汽車作為其日常的生活工具，這也帶來(lái)了 不少的安全隱患。由于駕駛員無(wú)法看見(jiàn)車后的障礙物，倒車時(shí)很容易刮傷汽車，甚至發(fā)生事故。目前用于輔助司機(jī)倒車的裝置主要有：語(yǔ)音告警裝置、后視系統(tǒng)以及倒車?yán)走_(dá) 等。這種裝置價(jià)格便宜，使用方便，其缺點(diǎn)是只能對(duì)車后的行人起告警作用，對(duì)于其他障礙物則不起作用，所以其應(yīng)用范圍有限。由于這類裝置的價(jià)位較高，目前還沒(méi)有普遍推廣使用。雖然每輛車都有后視鏡，但不可避免的都存在一個(gè)后視盲區(qū)。倒車?yán)走_(dá)的發(fā)明是迫在眉睫的，是必不可少的設(shè)備。經(jīng)過(guò)分析總結(jié)，按其工作方式分主要有超聲波、紅外、激光和毫米波等方法。下面簡(jiǎn)要分析一下幾種方式的特點(diǎn)： 超聲波方式：超聲波是頻率大于 20kHz 的聲波，具有方向性強(qiáng)、能量衰減緩慢、在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，用于測(cè)距計(jì) 算方法簡(jiǎn)單，常用于非接觸式距離測(cè)量，其傳感器種類較多 ,由于超聲波指向性強(qiáng)，在傳輸過(guò)程中能量損耗緩慢，反射能力強(qiáng)，經(jīng)常被用于距離的測(cè)量。 紅外線方式：紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，是肉眼看不見(jiàn)的光，有顯著的熱效應(yīng)和較強(qiáng)的穿透云霧的能力。紅外線透視和夜視是分別利用了紅外線的不同性質(zhì) 。 激光方式：激光具有 高定向性 ， 能以定向的光束 無(wú) 發(fā)散地直線向前傳播 ； 單色性好 ， 它可以達(dá)到的亮度比太陽(yáng)光還高幾百億倍 ； 相干性好 ， 激光的頻率、振動(dòng)方向、相位高度一致 。但它在對(duì)氣候的適應(yīng)能力方面具有局限性，因?yàn)榧す鉁y(cè)距方式受惡劣天氣、汽車激烈震動(dòng)、發(fā)射鏡表面磨損、污染等因素影響，則探測(cè)距離減少二分之一至三分之一，降低了實(shí)用精度，所以在汽車倒車?yán)走_(dá)領(lǐng)域激光測(cè)距方式?jīng)]有得到很好發(fā)展。 毫米波電子系統(tǒng)具有如下特性 ： 小天線孔徑具有較高的天線增益 ； 高跟蹤精度和制導(dǎo)精度 ； 不易受電子干擾 ；不受被測(cè)物體表面形狀、顏色等的影響；對(duì)大氣紊流、氣渦等具有適應(yīng)性，并且毫米波雷達(dá)的天線也不會(huì)因?yàn)榛覊m等污染而產(chǎn)生較大的誤差； 低角跟蹤時(shí)多徑效應(yīng)和地雜波干擾小 ； 多目標(biāo)鑒別性能好 ； 雷達(dá)分辨率高 ； 大氣衰減 “ 諧振點(diǎn) ” 可作保密傳輸。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 汽車?yán)走_(dá)按照其測(cè)距的方向可分為倒車?yán)走_(dá)和前置雷達(dá)。它是在汽車以較低速度倒車行駛時(shí)，周期內(nèi)不停檢測(cè)車后障礙物到車的距離，當(dāng)達(dá)到一定危險(xiǎn)距離時(shí)即時(shí)給予司機(jī)以聲與光的形式的警告。 目前，很多汽車生產(chǎn)商已經(jīng)開(kāi)始在生產(chǎn)的汽車中加入超聲波倒車?yán)走_(dá)。目前我國(guó)的整車制造廠和汽車電子電器廠幾乎沒(méi)有涉及到汽車電器網(wǎng)絡(luò) 化設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，選擇一個(gè)合理的總線實(shí)現(xiàn)汽車電器的網(wǎng)絡(luò)化非常必要 [3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為三個(gè)主要部分：測(cè)距部分、控制部分和顯示報(bào)警部分。 整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)“回波測(cè)距”的原理設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 顯示報(bào)警部分 控 制 系 統(tǒng) 發(fā)射模塊 接收模塊 語(yǔ)音播報(bào) 數(shù)據(jù)顯示 測(cè)距部分 控制部分 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距工作原理： 超聲波測(cè)距正是利用超聲波的 直線傳播 特點(diǎn)，通過(guò)超聲波換能器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，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 的距離 (s)，即： s=ct/2 —— 公式中 c 代表超聲波波速 [4]。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。 圖 即為超聲波測(cè)距的具體流程圖。 超聲波的基本特性如下所述： （ 1）波長(zhǎng)與輻射 波的傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來(lái)表示。在這種比較低的傳播速度下，波長(zhǎng)很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。超聲波設(shè)備的外表面尺寸易于獲得精確的輻射。由于金屬、木材 、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎 100％ 的超聲波，此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。同時(shí)，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測(cè)到表面振動(dòng)幅度很大的物體。 C=+（ m/s）式中 ,t=溫度（ ℃ ）也就是說(shuō)，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。 如圖 所示，溫度越高，聲音傳播速度越快。如圖 所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，波的傳播圖 溫度與聲速的關(guān) 系 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 距離也就越短。對(duì)于各種方法都各自的優(yōu)缺點(diǎn)，這前面也介紹了，而本系統(tǒng)采用超聲波進(jìn)行測(cè)距，不過(guò)超聲波測(cè)距也有幾種方案： 方案一：取輸入脈沖的平 均值電壓 在超聲波探測(cè)電路中，發(fā)射模塊不斷連續(xù)發(fā)射頻率為 40KHz 的超聲波，同時(shí)接收模塊將遇到障礙物反射回來(lái)的超聲波轉(zhuǎn)換成脈沖的平均值電壓，該電壓與距離成正比，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換得到電壓的數(shù)字信號(hào)量，再用查表法得出距離值。這種方案需要不斷發(fā)射超聲波，從而增加系統(tǒng)的功耗，并且需要用到一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換。并且要事先測(cè)量出不同電壓值對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離 ，制成表格，供程序查表，這也一定程度限制了測(cè)量的精度。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)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 —— 這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 方案一是基于反射回來(lái)的超聲波強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成脈沖的平均值電壓，其抗脈沖干擾能力強(qiáng)，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)要增加 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，增加了成本。且其測(cè)量誤差主要取決于計(jì)時(shí)器的精度，基于成本、實(shí)現(xiàn)難度、精度等因素的考慮，本系統(tǒng)選擇方案二。 目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。流體動(dòng)力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。壓電式傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。壓電材 料分為晶體和壓電陶瓷兩類。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器 [5]。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0 交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振類工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。反之，如果兩級(jí)間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。發(fā)射超聲波時(shí)，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(shí)，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。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。 超聲波傳感器的頻率特性 這里以本設(shè)計(jì)選用的超聲波傳感器 TCT4016 型探頭（如圖 ）為特例加以說(shuō)明。30% 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) TCT4016R/T 聲壓能級(jí)及靈敏度如圖 : 圖 TCT4016R/T 聲壓能級(jí)及靈敏度 由圖 可以看出 40khz 處為超聲波傳感器的中心頻率，在此中心頻率處，超聲波傳感器所產(chǎn)生的機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō) 40khz 處所產(chǎn)生的聲壓能級(jí)最高。其頻率特性曲線如圖 所示。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)基于超聲波反射原理利用單片機(jī)控制器產(chǎn)生 40Khz 的方波信號(hào)，通過(guò)發(fā)送模塊對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，發(fā)射 40K超聲波。為了減少不同環(huán)境下，系統(tǒng)都能達(dá)到測(cè)量精度的要求，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而本系統(tǒng)采用數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度取樣，用算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心元件，它負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作，記錄超聲LED 顯示 模塊 溫度測(cè)量 模塊 電源 供電 模塊 實(shí)時(shí)播報(bào) 模塊 單 片 機(jī) 控 制 器 鍵盤(pán) 輸入 接收 模塊 發(fā)送 模塊 超聲波 障 礙 物 圖 系統(tǒng)總體框圖 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 波發(fā)送 到遇障礙物后反射回來(lái)的時(shí)間差，并將這個(gè)時(shí)間差轉(zhuǎn)化為距離，然后通過(guò) LED 顯示模塊把距離顯示出來(lái)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且 價(jià)廉的方案。 GND：接地。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí) ，被定義為高阻輸入。 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0 (R X D )10P 3 .1 (T X D )11P 3 .2 (IN T 0 )12P 3 .3 (IN T 1 )13P 3 .4 (T 0 )14P 3 .5 (T 1 )15P 3 .6 (W R )16P 3 .7 (R D )17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .0 /(A 8 )21P 2 .1 /(A 9 )22P 2 .2 /(A 1 0 )23P 2 .3 /(A 1 1 )24P 2 .4 /(A 1 2 )25P 2 .5 /(A 1 3 )26P 2 .6 /(A 1 4 )27P 2 .7 /(A 1 5 )28P S E N29A L E /P R O G30E A /V P P31P 0 .7 /(A D 7 )32P 0 .6 /(A D 6 )33P 0 .5 /(A D 5 )34P 0 .4 /(A