畢業(yè)論文-基于AT89S51單片機的汽車倒車雷達防撞系統(tǒng)設計

摘 要 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和交通運輸業(yè)的不斷興旺，汽車的數(shù)量在不斷的增加。交通擁擠狀況日益嚴重，撞車事件也經(jīng)常發(fā)生，造成了很多的人身傷亡和經(jīng)濟損失。面對這種情況，設計一種響應快、可靠性高并且比較經(jīng)濟實用的汽車防撞預警系統(tǒng)顯得非常重要。超聲波測距法是一種最常見的距離測量方法。本文介紹的就是利用超聲波測距法設計一種倒車防撞報警系統(tǒng)。 本文的內(nèi)容是基于超聲波測距的倒車防撞系統(tǒng)的設計，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 片機結(jié)合于一體，設計出一種基于。本系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點。 論文概述了超聲波測距的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。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。通過多種設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個設計單元的原理進行了介紹。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。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。 to in by in of of to a is of is on on of a of of on of of of On of of to 第一 章 緒論 題產(chǎn)生的背景 隨著經(jīng)濟的發(fā)展與汽車科學技術(shù)的進步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化和駕駛員非職業(yè)化的趨勢。同時，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的產(chǎn)量和保有量都在急劇增加。但公路發(fā)展、交通管理卻相對落后，導致了交通事故與日劇增，城市里尤其突出。智能交通系統(tǒng) I T S(目前世界上交通運輸科學技術(shù)的前沿技術(shù)，它在充分發(fā)揮現(xiàn)有基礎(chǔ)設施的潛力，提高運輸效率，保障交通安全，緩解交通 堵 塞，改善城市環(huán)境等方面 有 卓越效能，已得到各國政 府的廣泛關(guān)注。中國政府也高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應用。 汽車防撞系統(tǒng)作為 的成功與否對整個系統(tǒng)有著很大的作用。從 理論 上說，汽車的安全可以分為兩個主要研究方向 ： 一是主動式安全技術(shù)，即防止事故的發(fā)生，該種方式是目前汽車安全研究的最終目的 ； 二是被動式安全技術(shù)，即事故發(fā)生后的乘員保護。目前汽車安全領(lǐng)域被動安全研究較多，主要從安全氣囊、 保證駕乘人員的安全。從經(jīng)濟性和安全性兩方面來說，這些被動安全措施是在事故發(fā)生時對車輛和人員進行保護，有很大的局限性，因而車輛 的主動安全研究尤為重要 。 汽車 倒車雷達 系統(tǒng)是一種可向司機預先發(fā)出視聽 報 警信號的探測裝置。它安裝在汽車上，能探測 到 接近車身的行人、車輛或周圍障礙物 ； 能向司機及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險的信號，促使司機采取應急措施來應付特殊險情，避免損失 。 內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 超聲波汽車倒車探測器，種類繁多，應用廣泛，目前在市場上呈現(xiàn)了一種各種檔次并存，高低搭配的局面。因為它實用性強，技術(shù)成熟，所以發(fā)展很快。從第一代經(jīng)過短短幾年時間便發(fā)展到第五代，從純電路模式到使用高速處理器；從單純轟鳴器報警到顯示器顯示，語音報警。另外安 裝使用更加方便，精度及穩(wěn)定性也有極大提高。在現(xiàn)實生活中的作用越來越大。 (1) 第 1代使用超聲波探頭、轟鳴器 倒車時，超聲波探頭發(fā)送，接收超聲波，車體與障礙物距離的改變使電路中電 壓或電流產(chǎn)生變化給轟鳴器不同的信號，如果車后 鳴器就會開始工作。轟鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。第一代探測器沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠，對司機幫助不大。 (2) 第 2代使用超聲波探頭、微處理器、數(shù)碼波段顯示器 倒車時，超聲波探頭發(fā)送，接收超聲波，處理器 進行處理，將處理后的信號送給距離顯示設備，可以顯示車后障礙物與車體的距離。如果是物體，在 果是人，在 這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由 3種顏色來區(qū)別距離：綠色代表安全距離，表示障礙物與車體的距離有 色代表警告距離，表示與障礙物的距離只有 色代表危險距離，表示與障礙物之間只有不到 須停止倒車。第二代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實用，能夠作到一目了然，但沒有聲響，警示效 果不好。 (3) 第 3代使用超聲波探頭、處理器、液晶熒屏顯示器 這一代產(chǎn)品較前兩代有了質(zhì)的飛躍，特別是熒屏顯示的使用表明開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒擋，只要發(fā)動汽車，超聲波探頭及處理器就開始工作，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離。動態(tài)顯示，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較低，抗干擾能力不強，所以誤報也較多。 (4) 第 4代使用超聲波探頭、處理器、魔幻鏡顯示器 結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新仿生超聲雷達技術(shù)，配以高速電腦控制 ，可全天候準確地測知 2以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車雷達把后視鏡、倒車雷達、免提電話結(jié)合起來，并設計了語音功能，是目前市面上比較先進的倒車雷達系統(tǒng)。因為其外形就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)倒視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配，不過造價較高。 (5) 第 5代使用超聲波探頭、后視攝像機、控制器、監(jiān)視器 超聲波信號接入顯示控制器，同時將視頻監(jiān)視子系統(tǒng)中的攝像探頭信號接入顯示控制器，通過安裝在汽車內(nèi)部的顯示控制器的自動切換電 路、字符疊加器、微處 理器，將顯示控制器的輸出再接入監(jiān)視器，這樣實現(xiàn)自動切換圖像、監(jiān)視、超聲波倒車測距、自動報警等功能。車載電視顯示車后景物圖像和車后障礙物距離。倒車探測器具有精確判斷距離的優(yōu)點，后視攝像對車后方的水溝、山崖、凸出的鋼筋、竹竿等倒車安全上的死角極為有效；后者圖像直觀真實，前者可獲得精確的距離，兩者精確結(jié)合非常實用。此系統(tǒng)技術(shù)非常復雜，也不是很成熟，普及率也不是很高。 雖然各代探測器各有特點，但是它們都有著此類產(chǎn)品固有的缺點。車用倒車探測器首先要解決的技術(shù)難題就是誤報。由于道路狀況十分復雜，以及 道路兩旁的靜態(tài)護欄、標志牌，還有各種惡劣天氣的影響等，使得探測器對目標的識別十分困難，誤報率很高。要想完全解決好誤報問題，還需要采取多傳感器的信息融合技術(shù)。實現(xiàn)信息綜合分析，利用數(shù)據(jù)間的冗余性和互補特性進行容錯處理，克服單一傳感器可靠性低、有效探測范圍小等缺點，有效地降低探測器的誤報機率。 生產(chǎn)超聲波傳感器的主要材料的價格一直居高不下，成為車用探測器推廣應用的瓶頸?？梢灶A見，隨著新材料、新工藝在探測器制作中的應用，使低價格、高性能的車用探測器的實現(xiàn)和普及成為可能。 超聲波的汽車倒車探測器的發(fā)展趨勢是 :使用的 處理器速度越來越快，系統(tǒng)反應時間越來越短；使用的傳感器技術(shù)越來越先進，系統(tǒng)穩(wěn)定性越來越高；使用的顯示報警技術(shù)更加先進，探測器顯示、報警方式會更加直觀，更加人性化。各種減小誤差電路的出現(xiàn)，會使系統(tǒng)準確性大大提高?？傊?，超聲波汽車倒車探測器用起來會更加方便，更加令人放心。 第二章 設計方案分析 距方式和提示方式比較 距方式 測距方式對系統(tǒng)測量精度及穩(wěn)定性都有較大影響。因此選擇一種合適的測距方式對系統(tǒng)性能提高有很大幫助。目前汽車倒車探測器使用的距離測量方式多種多樣，主要有激光測距、紅外 線測距、 們各有優(yōu)缺點，下面對它們各自的特點進行詳細分析和比較。 (1) 激光測距 激光測距裝置是一種光子雷達系統(tǒng)，它具有測量時間短、量程大、精度高等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應用。目前在汽車上應用較廣的激光測距系統(tǒng)可分為非成像式激光雷達和成像式激光雷達。非成像式激光雷達根據(jù)激光束傳播時間確定距離。它的工作原理是 :從高功率窄脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)發(fā)射物鏡聚焦成一定形狀的光束后，用掃描鏡左右掃描，向空間發(fā)射，照射在前方車輛或其他目標上，其反射光經(jīng)掃描鏡、接收物鏡及回輸光纖， 被導入到信號處理裝置內(nèi)的光電二極管，利用計數(shù)器計算激光二極管啟動脈沖與光電二極管的接收脈沖間的時間差，即可求得目標距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測器測定反射鏡的角度即可測出目標的方位。成像式激光雷達又可分為掃描成像激光雷達和非掃描成像激光雷達。掃描成像激光雷達把激光雷達同二維光學掃描鏡結(jié)合起來，利用掃描器控制激光的射出方向，通過對整個視場進行逐點掃描測量，即可獲得視場內(nèi)目標的三維信息。非掃描成像式激光雷達將光源發(fā)出的經(jīng)過強度調(diào)制的激光經(jīng)分束器系統(tǒng)分為多束光后沿不同方向射出，照射待測區(qū)域。由于非掃描成像激光雷 達測點數(shù)目大大減少，從而提高了系統(tǒng)三維成像速度。在汽車測距系統(tǒng)中，非成像式激光雷達更具有實用價值。同成像式激光雷達相比，具有造價低、速度快、穩(wěn)定性高等特點。但由于激光雷達測距儀器工作環(huán)境是處于高速運動的車體中，振動大，對其穩(wěn)定性、可靠性提出了較高的要求，其體積也受到了一定的限制，同時還要考慮省電、低價、對人眼安全等因素。目前，在汽車上，上述各種激光雷達測距儀均有應用，但成像式激光雷達還在進一步研究之中。 (2) 紅外線測距 紅外線的波長比可見光線長，是肉眼看不見的光，波長為 1000 m。有顯著的熱 效應和較強的穿透云霧的能力。同時，任何物體在任何時候都會發(fā)出紅外線。車載傳感器通過發(fā)射并接收前方物體反射回的紅外線，依據(jù)信號的強弱及波長的不同，同時分析時間差，可分析出前方物體的性質(zhì)及與汽車的距離。但其由于波長及大小很難準確分辯，因此紅外傳感器角度分辨率高，而距離分辨率低。由于紅外線人類肉眼感知不到，具有極強的隱蔽性，夜間同樣不妨礙測距儀的工作，故該種測距儀廣泛應用在軍用汽車上。但是 ,它比較容易受到光源和熱源影響。 (3) 像機 像機即 電荷 耦合器攝像機，它 是一種用來模擬人眼的光電探測器。它具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗小、噪聲低、動態(tài)范圍大、光計量準確等優(yōu)良特性，在汽車行業(yè)也得到了廣泛的應用。利用面陣 獲得被測視野的二維圖像，但無法確定與被測物體之間的距離。只使用一個 汽車上常用于倒車后視系統(tǒng)，輔助駕駛員獲得后視死角信息，以避免倒車撞物。為獲得目標三維信息，模擬人的雙目視覺原理，利用間隔固定的兩臺攝像機同時對同一景物成像，通過對這兩幅圖像進行計算機分析處理，即可確定視野中每個物體的三維坐標，這一系統(tǒng)稱為雙 目攝像系統(tǒng)。雙目攝像系統(tǒng)模仿人體視覺原理，測量精度高。但目前價格較高，同時由于受軟件和硬件的制約，成像速度較慢。隨著計算機軟硬件性能的提高，最終將得到廣泛應用。 (4) 超聲波測距 超聲波一般指頻率在 40有穿透性較強、衰減小、反射能力強等特點，超聲波測距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號處理裝置三部分組成。工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給測量邏輯電路提供一個短脈沖。超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來的反射波后，也向測量邏輯電路提供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的 信號依據(jù)時間差進行處理，自動計算出車與障礙物之間的距離。 通過對以上幾種測距方式的分析比較，可以看出超聲波測距方式在短距和低速測量方面比上述其它幾種技術(shù)更具優(yōu)越性。因此本設計采用超聲波測距方式。 警提示方式 預警提示方式好壞是設計的汽車倒車探測器是否實用的重要標志。目前主要有轟鳴器提示、數(shù)碼波段顯示、液晶熒屏顯示，魔幻鏡顯示，音響提示等單個或多種方式相結(jié)合的提示方式，下面對這幾種提示方式進行分析和比較。 (1) 轟鳴器提示 車體與障礙物距離的改變使電路中電壓或電流變化不同給蜂鳴器不同信號，轟鳴 聲越急，表示車輛離障礙物越近。此方式?jīng)]有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠，對司機幫助不大。 (2) 數(shù)碼波段顯示 數(shù)碼和波段組合在一起，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由 3種顏 色來區(qū)別：綠色代表安全距離，一般表示障礙物與車體的距離有 色代表警告距離，一般表示與障礙物的距離只有 色代表危險距離，一般表示與障礙物之間只有不到 種方式比較實用，一目了然，但沒有聲響，警示效果不好。 (3) 液晶熒屏顯示 動態(tài)顯示，色彩 清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強，所以誤報也較多。 (4) 魔幻鏡顯示，音響提示 其外形就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)倒視鏡的位置，顏色款式多樣。語音提示比較方便，避免駕駛員過度關(guān)注顯示器，分散注意力。但需要專業(yè)集成芯片，技術(shù)上較為復雜。此方案造價較高，比較適合高檔汽車，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配。 (5) 聲音數(shù)碼距離顯示指示燈 數(shù)碼管顯示距離，聲音、指示燈提示，比較實用，直觀，方便。 通過對預警提示方式的分析，綜合其特點，采用聲音、 課題的主要任務及內(nèi)容 本課題的設計采用超聲波檢測和 單片機 系統(tǒng)的汽車倒車雷達。該倒車障礙檢測系統(tǒng)所采用的 超聲波 傳感器 技術(shù)探測到附近的障礙 物，為駕駛員提供倒車警告和輔助泊車功能。其原理是利用超聲波探測倒車路徑上或附近存在的障礙物，并及時發(fā)出警告。所設計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告， 當 汽車 與障礙物 小于設定距離時， 發(fā)出報警 ， 提醒駕駛員 以不同的車速倒車或及時 停車 。 該設計技術(shù)指標： 1. 設置報警距離，按下設置鍵后就可以再按加減鍵修改報警距離并具有掉電保存功能。 2. 當超聲波探測的距離小于設定的距離時蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時紅色的發(fā)光二級管也提醒報警。 示距離誤差不超過 。 基于此任務，本課題中 選擇了超聲波傳感器發(fā)射探頭發(fā)射 40 并通過接收探頭接收被障礙物反射的超聲波信號，通過接收電路進行調(diào)理，得到一個低電平的電壓信號傳入單片機中。其內(nèi)容主要分為軟件和硬件兩部分。在遵循軟硬件相結(jié)合的原則下，先熟悉軟件環(huán)境，然后進行硬件電路設計，再根據(jù)設計的硬件進行軟件編程，進行模塊化設計，并對各模塊進行調(diào)試，再焊接電路板，最后軟硬件進行聯(lián)合調(diào)試和故障的排除。 課題的任務分析與實現(xiàn) 針對本課題基于超聲波檢測的倒車雷達的設計的任務，進行分析得到：通過單片機控制超聲波傳感器的發(fā)射驅(qū)動電路，驅(qū)動 超聲波換能器發(fā)射超聲波，并啟動單片機內(nèi)部計時器開始計時，當超聲波被接收探頭所接收后，單片機的定時器就停止計時，通過計算，把計算的距離值顯示在 中對設置的距離進行聲光報警。 要求達到的各項指標及實現(xiàn)方法如下： (1) 超聲波信號的產(chǎn)射與接收 實現(xiàn)：利用單片機控制超聲波傳感器發(fā)射 40障礙物反射后被傳感器接收。 (2) 測距的實現(xiàn)。 實現(xiàn)：利用單片機內(nèi)部定時器和中斷來實現(xiàn)。 (3) 對數(shù)據(jù)的處理，要求用 實現(xiàn)：利用軟件編程實現(xiàn)各項功能。 (4) 設定距離的聲光報警。 實現(xiàn)：利用軟件編程來實現(xiàn)各項功能。 論文的主要內(nèi)容安排 本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。模塊劃分為 數(shù)據(jù)采集、按鍵設置、四位數(shù)碼管 顯示、聲光 報警等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：超聲波傳感器 、蜂鳴器、單片機控制電路。 就此設計的核心模塊來說，單片機就是設計的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機應用系統(tǒng)的一種應用。單片機應用系統(tǒng)也是由硬件和軟件組成，硬件包括單片機、輸入 /輸出設備、以及外圍應用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機應用系統(tǒng)的設計過程包括總體設計、硬件設計、軟件設計等幾個階段。 本次設計的 內(nèi)容安排可以分為三部分： 第一部分是硬件設計，包括方案的設計、元器件的選擇等。具體的硬件電路包括超聲波傳感器工作電路，聲光報警電路，數(shù)碼管顯示電路，報警距離設定電路以及 實驗板上每一個硬件電路焊接完成后，每一部分單獨調(diào)試，在各個部分調(diào)試成功后，聯(lián)調(diào)整個硬件電路，最后做出分析，得出結(jié)論。 第二部分是軟件設計，軟件采用 件設計的思想主要是自頂向下，模塊化設計，各個子模塊逐一設計，分別再進行調(diào)試，最后的聯(lián)調(diào)整個程序，判斷是否達到預期的要求，做出結(jié)論。 第三部分在軟 硬件模塊調(diào)試都成功的前提下，進行硬、軟件聯(lián)調(diào)，這是整個設計的關(guān)鍵，也是設計的難點所在。 聲波測距的基本原理 聲波簡介 聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限 (根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取整數(shù)為 20000，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。人的聽覺范圍如圖 示。 圖 聲波的特性有： （ 1）束射特性 由于超聲波的波長較短，因此可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦， 而且遵守幾何光學上的所有定律。即 超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當射線透過一種物質(zhì)進入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。 （ 2）吸收特性 聲波在各種介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這是因為介質(zhì)要吸收掉它的部分能量。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強。對于頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為厲害，在液體中傳播時吸收就比較弱，在固體中傳播時吸收是最小的。 （ 3）超聲波的能量傳遞特性 超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的 應用，主要原因還在于超聲波具有強大得多的功率。為什么有這么強大的功率呢 ?因為當聲波進入某一介質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率 樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈高。物質(zhì)分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的 ,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 （ 4）超聲波的聲 壓特性 當聲波進入某物體時 ,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。 （ 5）測量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。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 。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。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。這時需要注意的是，由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的帶寬，加上放大器有阻塞問題 ，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為 盲區(qū) 。 超聲波傳感器介紹 完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為 超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu) 成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。 超聲波傳感器的主要性能指標包括： （ 1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （ 2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 （ 3）靈敏度。 主要取決于制造晶片本身，機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。 人類能聽到的聲音頻率范圍為： 2020為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 2020聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為 340m s，這就使得超聲波傳感器的應用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應來進行工 作的。逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。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。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際 上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率 時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當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。 市面上常見的超聲波傳感器多為開放型 ，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是由諧振器以及一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器。諧振器呈喇叭形，目的是能有 效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。 當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。 圖 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機械振 蕩，其頻率超過 20橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。 超聲波的基本特性如下所述： 1 波長 波的傳播速度是用頻率乘以波長來表示。電磁波的傳播速度是 3 108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為 344m/s (20時 )。在這種比較低的傳播速度下，波長很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進行測量時獲得很高的精確度。 2 反射 要探測某個物體是否存在，超聲波就能夠 在該物體上反射。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，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測到它們。同時，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測試環(huán)境是在空曠的場所，并且測試物體必須反射超聲波。 3 溫度效應 聲波傳播的速度“ c”可以用下列公式表示。 c=m/s) 式中， t=溫度 ( )也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室內(nèi)外溫差較大，對超聲波測距的精度影響很大，此時可用 18慮到本設計的測試環(huán)境是在室內(nèi)，而且超聲波主要是用于測距功能，對測量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應對系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。 4. 衰減 傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現(xiàn)象所導致的在球形表面上的擴散損失，也是因為介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖 聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的 傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器的有效距離。 圖 5聲壓特性 聲壓級 ( 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。 20中 ,“ P”為有效聲壓 ( “ 參考聲壓 (2 10圖 圖 聲波傳感器的聲壓圖 6靈敏度特性 靈敏度是表示聲音接收級的單位，使用下列公式予以表示。 靈敏度 = 20(中 ,“ E”為所產(chǎn)生的電壓 (“ P”為輸入聲壓 ( 超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測距范圍，如圖 圖中可以發(fā)現(xiàn) 40就是說 40 圖 超聲波傳感器靈敏度示意圖 7輻射特性 把超聲波傳感器安裝在臺面上。然后，測量角度與聲壓 (靈敏度 ) 之間的關(guān)系。為了準確地表達輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度 ) 級衰減 6 1/2表示。超聲波設備的外表 面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖 圖 聲波傳感器輻射特性示意圖 分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在 40 超聲波測距原理分析 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖 t 超聲波發(fā)射 障礙物 S H 超聲 波接收 圖 聲波的測距原理 （ 3 )( （ 3 式中 : 又知道超聲波傳播的距離為 : ( 3式中 :v 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 ; t 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間 . 將（ 3 2）、（ 3 3）代入（ 3得： c 21 ( 3其中 ,超聲波的傳播速度 例如在溫度 T=30 度時 ,V=349m/s);當需要測量的距離 時 ,則 (3 4)變?yōu)?: 1 ( 3所以 ,只要需要測量出超聲波傳播的時間 t,就可以得出測量的距離 H. 第三章 倒車雷達的硬件系統(tǒng)設計 汽車倒車雷達是由超聲波傳感器工作電路和單片機系統(tǒng)電路構(gòu)成的。單片機系統(tǒng)電路又包括顯示電路和報警電路等。汽車倒車雷達其核心就是一個超聲波傳感器。 在實際設計中，倒車過程中對 距離的測量，可通過超聲波發(fā)射裝置向車后方發(fā)送超聲波，再對經(jīng)障礙物反射回來的超聲波進行接收，在發(fā)送超聲波的同時，單片機的計時器開始計時，接收經(jīng)障礙物返回的超聲波時計時停止，從而計算出超聲波發(fā)送和被接收之間的時間，我們又知道超聲波在一定溫度下在空氣中傳播的速度，就能求出汽車與障礙物之間的距離。本設計采用壓電式超聲波換能器，壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器有兩個壓電晶片和一個共振板，當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板產(chǎn)生超聲波，這 時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，使機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時就成為超聲波接收換能器了。 圖 超聲波傳感器模塊 超聲波模塊采用現(xiàn)成的超聲波模塊，該模塊可提供 2非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎?發(fā)測距，給至少 10高電平信號 ;模塊自動發(fā)送 8 個 40方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，單片機系統(tǒng) 超聲波發(fā)送 聲光報警 超聲波接收 示 通過 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。測試距離 =(高電平時間 *聲速 (340M/S)/2。實物如圖 中 5V 電源， 地線， 發(fā)控制信號輸入， 響信號輸出等四支線。 超聲波探測模塊 0動測量；模塊自動發(fā)送 8個 40方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離 =（高電平時間 *340） / 2，單位為 m。程序中測試功能主要由兩個函數(shù)完成。 實現(xiàn)中采用定時器 0進行定時測量， 8分頻， 設值 0 500次時為 125算公式為（單位： T = （定時器 0溢出次數(shù) * （ 0 0 / 1000 其中定時器 0初值計算依據(jù)分頻不同而有差異。 圖 聲波模塊實物圖 傳感器內(nèi)部電路如圖 感器內(nèi)部電路 片機的選擇 單片機自從問世以來，它一直是工業(yè)檢測、控制應用的主角。市場上常用的單片機有 本松下公司的 中， 片機應用系統(tǒng)具有體積小，可靠性高，功能強，價格低等特點，很容易形成產(chǎn)品而更受青睞。 89 設計，由美國的 是一種低功耗高性能的具有 8器件是用高密度、非易丟失存儲技術(shù) 制造并且與國際工業(yè)標準 80 圖 9腳圖 從使用方便與簡化電路以及其性價比等角度來考慮， 89本系統(tǒng)采用 989以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上，比以往慣用的 8031便等優(yōu)點，而且完全兼容 89面介紹 89 40） ：電源 +5V； 20） ：接地； 32：雙向 I/可作低 8位地址和 8位數(shù)據(jù)總線使用，也可作普通 I/10多用途端口，既可作普通 I/可按每位定義的第二功能操作； 21既可作高 8位地址總線，也可作普通 I/1 準雙向通用 I/9） ：復位信號輸入端； 址鎖存信號輸出端； 外程序存儲器選擇線； 19） 和 18） ：外接石英晶體振蕩器。 主控制模塊 硬件電路 總 設計見圖 3， 圖 件電路總設 計圖 從以上的分析可知在本設計中要用到如下器件： 超聲波 傳感器、按鍵、 四位數(shù)碼管 、蜂鳴器等一些單片機外圍應用電路。其中 電路 中用到 3個按鍵， 一個是設定鍵 , 一個加鍵，一個減鍵 。 片機外圍電路的設計 由單片機硬件設計原理可知：（ 1）盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路；（ 2）留有余地，在設計硬件電路時，要考慮到將來修改、擴展的方便。 源設計 電源部分的設計采用 3節(jié) 5號干電池 電。 圖 源電路 2 單片機最小系統(tǒng) 單片機復位是使 從這個狀態(tài)開始工作，復位后 0000H，使單片機從第 個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。單片機復位的條件是：必須使 即 24個振蕩周期 )的高電平。本文中時鐘頻率 12個機器周期為 1s，則只需 2 復位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合 電容電壓不能突變 的性質(zhì)， 可以知道，當系統(tǒng)一上電， 且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的 當組合 該電路除具有上電復位功能外，若要復位，只需按 時電源R 、 2R 分壓，在 時鐘電路主要任務是提供一個工作頻率。單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是 內(nèi)部和外部兩種時鐘產(chǎn)生方式。本設計采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式。電路接法如圖 蕩頻率為 12與內(nèi)部反相器構(gòu)成自激震蕩器。其發(fā)出脈沖直接送入片內(nèi)定時控制部件。此外，電容對頻率有微調(diào)作用，因為外接晶振，電容選擇 30際應用時諧振器和電容盡可能安裝在單片機附近，減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。 圖 片機最小系統(tǒng) 光報警電路的設計 如圖 一個 2紅色發(fā)光二極管 接到單片機的 成聲 光 報警電路。 圖 聲光報警電路 示電路 本設計中采用 陽極 4封裝型顯示器顯示。 是由若干個發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫點亮?？刂撇煌慕M合的二極管導通就能顯示出各種字符。 共陽極顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，當公共陽極接高電平，某一字 段發(fā)光二極管的陰極接低電平時，相應字段被點亮。通常將控制發(fā)光二極管發(fā)光的8位字節(jié)數(shù)據(jù)編碼稱為 構(gòu)成多位 需要段選線外，還需要位選線，以確定段選碼對應的顯示位，位選線控制第幾個 示，段選線則控制顯示字形。 本設計采用一個 4 位 位選線和段選線的共同作用下，可以使顯示器顯示各自的字符，當然這些字符不是同時顯示的，但由于人眼存在視覺暫留，加上發(fā)光二極管的余輝效應，由于掃描的速度足夠快，每位顯示的間隔時間足夠短，就可以給人同時顯示的感覺，而不會有閃爍感。 第 4 章 倒車雷達的軟件系統(tǒng)設計 研制一臺智能儀器是一個復雜的過程，這一過程包括分析儀表的功能要求和擬定總體設計方案，確定硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法，研制邏輯電路和編制程序，以及儀表的調(diào)試和性能的測試等等。軟件的設計應遵循結(jié)構(gòu)化設計原則，在總體概況設計的基礎(chǔ)上進行具體的詳細設計，功能分解，模塊劃分，細化軟件層次，優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)，以達到模塊功能的獨立性，執(zhí)行的高效性?？傊O計的程序應該達到可讀性、可理解性、可維護性、有效性、可修改性。 車雷達的軟件設計方案 在單片機系統(tǒng)的程序的設計開發(fā)中，單片機就如同整個系統(tǒng)的交 通中樞，而程序就是組成交通中樞的條條大道，各個部分的模塊化的程序就是整個系統(tǒng)的組成成份。軟件編寫的好壞，語句運用的是否簡潔直接關(guān)系單片機的工作效率。在各個模塊化的程序中盡量用最少的語句做最多的事情，不讓語句出現(xiàn)歧義，這樣就可以使整個程序可以在系統(tǒng)