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1、河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 畢業(yè)論文 汽車倒車防撞系統(tǒng) 摘 要 汽車作為現(xiàn)代社會(huì)最主要的交通工具,數(shù)量越來(lái)越多,但是交通事故的發(fā)生頻率逐年增長(zhǎng)，其中因倒車發(fā)生的事故占很大的比例。隨著科技的發(fā)展，這類的問(wèn)題得到了解決，人類發(fā)明了智能交通系統(tǒng)，其中汽車智能倒車防撞技術(shù)關(guān)鍵在于智能實(shí)時(shí)的測(cè)出汽車與障礙物的距離。當(dāng)汽車與障礙物之間的距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)，防撞系統(tǒng)就自動(dòng)報(bào)警并采取制動(dòng)措施。為提高汽車運(yùn)行的安全性和降低碰撞發(fā)生的可能,本文講述一種主動(dòng)型汽車倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。 利用超聲波進(jìn)行無(wú)接觸的測(cè)距，系統(tǒng)主要包括超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，溫度測(cè)量電

2、路，數(shù)碼顯示電路以及報(bào)警電路。以超聲波傳感器為重點(diǎn)進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收，通過(guò)計(jì)算得出距離并通過(guò)LED顯示，在超出一定距離時(shí)，電鈴報(bào)警，駕駛員做出判斷。針對(duì)系統(tǒng)的功能，對(duì)控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)驗(yàn)證。滿足倒車安全的要求。 關(guān)鍵詞：超聲波，倒車，防撞，測(cè)距 目 錄 第一章 汽車防撞系統(tǒng)的研究前提 2 1.1汽車防撞系統(tǒng)的背景及現(xiàn)狀 2 1.1.1汽車防撞系統(tǒng)的背景 2 1.1.2研究的目的和意義 3 1.1.3防撞系統(tǒng)的現(xiàn)狀 4 第二章超聲波測(cè)距 5 2.1關(guān)于超聲波 5 2.1.1 超聲波的介紹 5 2.1.2 超聲波的特點(diǎn)

3、5 2.1.3超聲波的應(yīng)用 6 2.2 超聲波傳感器 6 2.3超聲波測(cè)距原理及提高性能的措施 7 2.3.1超聲波測(cè)距原理 7 2.3.2 提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)性能的若干措施 8 第三章 系統(tǒng)的組成 9 3.1硬件部分 9 3.2單片機(jī)的選擇 10 3.3溫度傳感器的選擇 11 3.4 超聲波傳感器的選擇 13 3.5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 14 第四章硬件電路設(shè)計(jì) 15 4.1 超聲波發(fā)射電路 15 4.2 超聲波接收電路 16 4.3 顯示電路與報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 17 4.3.1顯示電路的設(shè)計(jì) 17 4.3.2報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 17 4.4 電源設(shè)計(jì) 18 第

4、五章系統(tǒng)程序設(shè)定 19 5.1 程序完成的功能 19 5.2 主程序 19 5.3 溫度測(cè)量與測(cè)距子程序 22 5.4 距離顯示，判斷以及報(bào)警子程序 24 第六章 誤差分析與整改方案 26 6.1超聲波測(cè)距誤差分析 26 6.2針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案 28 結(jié)束語(yǔ) 30 致謝 31 參考文獻(xiàn) 33 第一章 汽車防撞系統(tǒng)的研究前提 1.1汽車防撞系統(tǒng)的背景及現(xiàn)狀 1.1.1汽車防撞系統(tǒng)的背景 國(guó)際上先進(jìn)國(guó)家自80年代末開(kāi)始研究汽車防撞系統(tǒng)。90年代初，美國(guó)、德國(guó)、日本相繼報(bào)道在民用汽車

5、上裝備防撞預(yù)警系統(tǒng)。我國(guó)在這一領(lǐng)域起步較晚，目前由于存在報(bào)警系統(tǒng)本身的可靠性或誤報(bào)警等問(wèn)題，尚未見(jiàn)到有批量化生產(chǎn)和裝備汽車的報(bào)道。防撞有微波、激光和超聲等多種方法。微波系統(tǒng)測(cè)距范圍較遠(yuǎn)，由于采用相控陣天線成像技術(shù)，已達(dá)到了實(shí)用化的程度，只是目前成本居高不下。國(guó)內(nèi)已有公司設(shè)計(jì)出激光汽車防撞系統(tǒng)樣品，但由于激光波束較窄、路障報(bào)告率偏低而暫時(shí)不能推廣。聲波的發(fā)射和接收是自然界中的普遍現(xiàn)象。頻率低于20KHz的聲波人耳可辨，進(jìn)行著各式各樣、錯(cuò)綜復(fù)雜的自然聲音傳遞，因背景復(fù)雜而不利做測(cè)試媒體使用。頻率高于20Hz的超聲波不僅波長(zhǎng)短、方向性好、能夠呈射線定向傳播，而且碰到界面就會(huì)有顯著反射。這些特性有利于

6、選用超聲波做媒體，測(cè)定物體的位置、距離甚至形狀等。 超聲波傳感器的特性： 1.在自身特性諧振點(diǎn)40KHz附近可獲得較高的靈敏度； 2.諧振帶寬、波束角可以通過(guò)制作工藝控制得很窄，有利于抗聲波干擾設(shè)計(jì)； 3.不受無(wú)線電頻譜資源限制，易于抗電磁干擾設(shè)計(jì)。另外，超聲系統(tǒng)成本低、性能穩(wěn)定可靠，應(yīng)用前景好。 1.1.2研究的目的和意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)交通死亡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。我國(guó)目前的交通安全相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家上個(gè)世紀(jì)70年代水平。我國(guó)的年死亡人數(shù)分別是美國(guó)的2.3倍

7、、日本的13.4倍、德國(guó)的18.4 倍。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。汽車已經(jīng)是一種非常成熟的工業(yè)制成品。尤其在機(jī)械方面幾乎沒(méi)有太多的潛力可挖，目前主要在電控方面豐富和加強(qiáng)，隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用，汽車上的電子控制單元越來(lái)越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動(dòng)懸架等等。在這種情況下，如果仍采用常規(guī)的布線方式，即電線一端與開(kāi)關(guān)相接，另一端與用電設(shè)備相通，將導(dǎo)致車上電線數(shù)目的急劇增加，使得電線的質(zhì)量占整車質(zhì)量的4％左右。另外，電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，但隨之增加

8、的復(fù)雜電路也降低了汽車的可靠性，增加了維修的難度。由于總線系統(tǒng)具有傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)，硬件連接方便等突出特點(diǎn)，非常適合用于汽車系統(tǒng)中，解決眾多測(cè)試與控制儀器之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的核心在于快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出汽車與障礙物之間的距離，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通知其它的汽車控制系統(tǒng)（如剎車系統(tǒng)）以達(dá)到防止碰撞的目的。實(shí)現(xiàn)距離非接觸檢測(cè)的方法很多。目前，非接觸式測(cè)距系統(tǒng)常采用超聲波、激光和雷達(dá)。但激光和雷達(dá)測(cè)距造價(jià)偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn)：超聲波方法作為非接觸檢測(cè)和識(shí)別的手段，已越來(lái)越引起人們的重視。在機(jī)器人避

9、障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化裝配及檢測(cè)、自動(dòng)測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)、超聲定位、汽車倒車、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。 1.1.3防撞系統(tǒng)的現(xiàn)狀[1] 國(guó)際上如德國(guó)、日本、美國(guó)等先進(jìn)的汽車生產(chǎn)國(guó)，在十年前已經(jīng)開(kāi)始了主動(dòng)防撞安全裝置的研究與開(kāi)發(fā)。戴姆勒克萊斯勒公司和沃爾沃公司在汽車防撞器方面走在世界前列。美國(guó)的《大眾機(jī)械師》雜志介紹了戴姆勒克萊斯勒公司汽車防撞器的研究情況。該防撞器結(jié)構(gòu)主要是兩個(gè)測(cè)距儀和一個(gè)影像系統(tǒng)，能夠測(cè)出安全距離，如果發(fā)現(xiàn)車前有障礙物，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)引發(fā)剎車裝置。這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是： (1) 能夠自動(dòng)測(cè)出前方障礙物的速度和距離； (2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)啟動(dòng)剎

10、車裝置，自動(dòng)關(guān)閉車的側(cè)窗、天窗，自動(dòng)調(diào)整座椅位置。當(dāng)乘客遭受撞擊時(shí)，最大限度受到氣囊的保護(hù)； (3) 能夠感知車的行駛狀態(tài)，如果傳感器感到車在左右搖擺，或者感到車內(nèi)的酒精濃度過(guò)高，它能夠自動(dòng)剎車或者自動(dòng)鎖死方向盤。 沃爾沃公司在轎車上加裝了夜視儀，夜視儀能夠顯示前燈照射距離以外的物體，顯示車的前照燈與車前障礙物的距離，提示司機(jī)剎車，但是沒(méi)有介紹沃爾沃公司的防撞器能不能自動(dòng)剎車，能不能自動(dòng)關(guān)閉天窗。戴姆勒克萊斯勒公司以及沃爾沃公司的防撞器也有一些缺點(diǎn)：不能防止誤操作，如你要超車，車的自動(dòng)防撞器測(cè)出兩車的間距小于安全距離，自動(dòng)防撞器會(huì)自動(dòng)通知汽車控制中心啟動(dòng)自動(dòng)剎車系統(tǒng)執(zhí)行減速操作。國(guó)內(nèi)汽車自

11、動(dòng)防撞技術(shù)方面的研究，主要在一些大型汽車企業(yè)和科研院所開(kāi)展，如：長(zhǎng)春一汽、上海大眾、東風(fēng)汽車、交通部科學(xué)研究所、武漢汽車研究所、清華大學(xué)汽車系、北京理工大學(xué)機(jī)械系等。但是，現(xiàn)在已有的產(chǎn)品的種類并不是很多。從技術(shù)先進(jìn)性角度來(lái)講與國(guó)外同類產(chǎn)品仍有一定距離。另外，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的汽車自動(dòng)防撞器車間距離檢測(cè)的精度和盲區(qū)控制以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈活性上仍然有很大的發(fā)掘潛力。超聲波測(cè)距方面目前計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上是最大的節(jié)約。過(guò)去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。高智能化檢測(cè)儀器只有能滿足檢測(cè)條件，使

12、用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基木情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求。我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，雖然有較大發(fā)展，但是在精度、盲區(qū)控制、體積重量方面與國(guó)外同類產(chǎn)品任然存在一定差距。 第二章 超聲波測(cè)距 2.1關(guān)于超聲波 2.1.1 超聲波的介紹 我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。人類耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為20～20000HZ。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000HZ或小于20HZ時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。因此，我們把頻

13、率高于20000HZ的聲波稱為“超聲波”。 2.1.2 超聲波的特點(diǎn) 超聲波通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其特點(diǎn)是超聲頻率高，波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的方向性。 超聲波具有以下的特點(diǎn)： (1) 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 (2）超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 (3) 超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 (4）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象 2.1.3超聲波的應(yīng)用 超聲波廣泛地應(yīng)用在多種技術(shù)中。超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大，一個(gè)是沿直線傳播。 (1) 工程學(xué)方面的應(yīng)用：水

14、下定位與通訊、地下資源勘查等 。 (2) 生物學(xué)方面的應(yīng)用：剪切大分子、生物工程及處理種子等 。 (3) 診斷學(xué)方面的應(yīng)用：A型、B型、M型、D型、雙功及彩超等 。 (4) 治療學(xué)方面的應(yīng)用：理療、治癌、外科、體外碎石、牙科等 。 2.2 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著

15、反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面[2]。以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。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。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。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(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。超聲探頭的核心

16、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。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。 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。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。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(gè)探頭反射、一個(gè)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。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。

17、超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：工作頻率工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用 超聲波傳感器功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。靈敏度主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。 超聲波傳感器由發(fā)送傳感器 ( 或稱波發(fā)送器 ) 、接收傳感器 ( 或稱波接收器 ) 、控制部，超聲波傳感器分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的

18、陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè)。而實(shí)際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙?duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。超聲波傳感器電源 ( 或稱信號(hào)源 ) 可用 DC12V 10 % 或 24V 10 % 。 2.3超聲波測(cè)距原理及提高性能的措施 2.3.1超聲波測(cè)距原理 在超聲波探測(cè)電路中, 發(fā)射端輸出一系列脈沖方波,

19、其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔, 被測(cè)物距越遠(yuǎn), 脈沖寬度越大, 輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲波測(cè)距的方法有多種, 如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高, 但檢測(cè)范圍有限不可運(yùn)用到汽車倒車中, 其障礙物與汽車的距離；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法[3], 其測(cè)量原理圖如下圖2-1所示。 圖2-1 超聲波測(cè)距原理圖 其原理為: 在超聲波發(fā)射器兩端輸入40KHZ 脈沖串, 脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)超聲波內(nèi)部振子, 振蕩產(chǎn)生機(jī)械波, 并通過(guò)空氣介質(zhì)傳播到被測(cè)面, 由被測(cè)面反射到超聲波接收器接收, 在超聲波接收器兩端,

20、信號(hào)是毫伏級(jí)的正弦波信號(hào), 超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間, 即為往返時(shí)間。 超聲測(cè)距有脈沖回波法、共振法和頻差法,其中常用脈沖回波法測(cè)距。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 ,其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波, 超聲波在空氣中傳播至障礙物, 經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖, 測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間, 再乘以超聲波在空氣中的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離, 即： L=ct/2 (2-1) 式（2-1）中, L為超聲傳感器與被測(cè)障礙物之間的距離, c為超聲波在介質(zhì)(空氣)中的傳輸速率, t為超聲波從發(fā)射

21、到接收的時(shí)間。超聲波在空氣中的傳播速度為: , 其中T為絕對(duì)溫度數(shù)值, ,。在測(cè)量精度不是很高的情況下, 一般可以認(rèn)為c為常數(shù)340m/s。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波又很難精確捕捉,致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測(cè)量。 2.3.2 提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)性能的若干措施 聲速校正要想通過(guò)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間確定距離，聲速C必須保持不變，實(shí)際上聲速受介質(zhì)、溫度、壓力等變化的影響。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要受到溫度的影響。在一定的介質(zhì)中，通常采用對(duì)溫度進(jìn)行修正的方法，可以測(cè)得比較準(zhǔn)確的距離。通過(guò)對(duì)溫度修正來(lái)校正聲速的方法，即用測(cè)溫元件測(cè)量實(shí)際

22、環(huán)境，根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系計(jì)算出測(cè)量時(shí)實(shí)際環(huán)境中的聲速。空氣中聲速C與溫度T的關(guān)系在常溫下可由下面近似公式C=(331.4+0.607T)m/s(4) 2、減小盲區(qū)措施：(1) 減小發(fā)射脈沖寬度發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個(gè)脈沖，可使余震(拖尾減少，此法常用于短距離測(cè)量距離。 采用自動(dòng)距離增益控制采用具有自動(dòng)增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處的回波信號(hào)的幅度增大，以提高測(cè)量的精度。(3) 信噪比問(wèn)題超聲波測(cè)距儀都有確定的量程

23、。量程主要決定于接收信號(hào)的幅值應(yīng)大于規(guī)定的闡值。這個(gè)閉值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對(duì)液介式超聲測(cè)距儀，工作頻率較高，可以避開(kāi)工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測(cè)距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時(shí)要求對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 第三章 系統(tǒng)的組成 3.1硬件部分 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、溫度補(bǔ)償電路，報(bào)警電路，超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路五部分。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得

24、較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，位碼用PNP9012三極管驅(qū)動(dòng)[4]，系統(tǒng)框架圖如圖3-1所示。 3-1 系統(tǒng)框架圖 3.2單片機(jī)的選擇 作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，單片機(jī)選用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)，AT89C51 是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器，片內(nèi)含4 KB 的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）和128 B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)和管腳兼容

25、，片內(nèi)置通用8 位CPU 和Flash 存儲(chǔ)單元，ATMEL的AT89C51 是一種高效微控制器。 主要特性有：與MCS-51 兼容，4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器。壽命：1000寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年，全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz ，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，1288位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路[5]。AT89C51引腳圖[6]如圖3-2所示。 AT89C51單片機(jī)有如下特點(diǎn)： （1）面向控制的八位CPU （2）一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，震蕩頻率為0-24MHz

26、 （3）片內(nèi)4KBFlash ROM程序寄存器 （4）128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （5）可尋址64KB的片外程序存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器控制電路 （6）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 （7）32可編程I/O線 （8）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 （9）5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) （10）一個(gè)全雙工的異步串行口 （11）21個(gè)特殊功能寄存器 （12）具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電保護(hù)方式 　 圖3-2 AT89C51引腳圖 3.3溫度傳感器的選擇 溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。在本

27、課題中溫度傳感器可以從熱電阻溫度傳感器或者數(shù)字型傳感器DS18B20中選擇。 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件。現(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測(cè)量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[8]： (1) 采用單總線的接口方式 與微處理器連接時(shí) 僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20

28、 的雙向通訊。 單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 (2) 測(cè)量溫度范圍寬，測(cè)量精度高 DS18B20 的測(cè)量范圍為 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ； 在 -10~+ 85C 范圍內(nèi)，精度為 0.5C 。 (3) 在使用中不需要任何外圍元件。 (4) 持多點(diǎn)組網(wǎng)功能 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的單線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。 (5) 供電方式靈活 DS18B20 可以通過(guò)內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)線上的時(shí)序滿足一定的要求時(shí)，可以不接外部電源，從而 使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更

29、趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。 (6) 測(cè)量參數(shù)可配置 DS18B20 的測(cè)量分辨率可通過(guò)程序設(shè)定 9~12 位。 (7) 負(fù)壓特性 電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 (8) 掉電保護(hù)功能 DS18B20 內(nèi)部含有 EEPROM ，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報(bào)警溫度的設(shè)定值。 DS18B20 具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)，因此在本次課題中選用 DS18B20數(shù)字溫度傳感器。 DS18B20的管腳排列如圖3-3所示:1腳GND為電源 地；2腳DQ為數(shù)字信號(hào)輸入／輸出端；3腳VDD

30、為外接供電電源輸入端。 圖3-3 DS18B20引腳圖 如何使用DS18B2O，必須根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。 DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)

31、形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。如圖3-4 是DS18B20溫度值格式表。 圖3-4 DS18B20溫度值格式表 這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度（例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H）。 3.4 超聲

32、波傳感器的選擇 本次課題中選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(lái)工作的，超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)），超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使

33、用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。在本課題中選用T/R-40-60超聲波收發(fā)傳感器。 在對(duì)超聲波回波檢測(cè)的過(guò)程中由于回波信號(hào)比較弱，因此需要用到增加高增益放大電路，這里選用CX20106A，集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片[9]，其引腳圖如3-5所示。 圖3-5 CX20106A引腳圖 3.5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊，電源模塊，顯示模塊，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，溫度補(bǔ)償模塊共六個(gè)模塊組成[10]。 主控芯片使用51系列ATC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)

34、常使用到的控制芯片。本設(shè)計(jì)在接受模塊采用了由索尼公司生產(chǎn)的CX2016A紅外接收芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波的接收。CX2016A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)通過(guò)改變部分參數(shù)來(lái)改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力，所以我們采用該芯片作為接收模塊主要組成部分。 發(fā)射電路主要采用差分放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)

35、反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端[11]。之所以采用該方案是因?yàn)橥ㄟ^(guò)差分放大電路可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度，進(jìn)而增加了發(fā)送距離，最終擴(kuò)大了設(shè)備的測(cè)量范圍。該系統(tǒng)核心由單片機(jī)控制，超聲波發(fā)射電路能在單片機(jī)的控制下發(fā)出超聲波，接收電路接收到信號(hào)之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，算出車尾與障礙物之間的距離，將處理結(jié)果送入LED 顯示電路進(jìn)行顯示，再按照要求由報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警?？紤]到測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)超聲波波速的影響，通過(guò)溫度補(bǔ)償法對(duì)溫度進(jìn)行校正。 第四章硬件電路設(shè)計(jì) 4.1 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-1所示。發(fā)射電路主要

36、由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R2、R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間[12]。發(fā)射電路如圖4-1所示。 圖4-1 超聲波發(fā)射電路 4.2 超聲波接收電路 超聲波在傳播的

37、傳播中不可避免地衰減，再經(jīng)過(guò)物體表面的吸收、散射后，反射回來(lái)的回波信號(hào)已經(jīng)極其微弱，要想測(cè)到回波，必須對(duì)其進(jìn)行濾波放大，放大調(diào)節(jié)后的信號(hào)作為輸入信號(hào)，變成直流電平。這里選用集成電路CX20106A來(lái)完成這一任務(wù)。 集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖4-2)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 CX201

38、06A內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。 當(dāng) CX20106A 接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。超聲波接收如圖4-2所示。 圖4-2 超聲波接收電路 4.3 顯示電路與報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 4.3.1顯示電路的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)中，最常用的顯示器有：發(fā)光二極管

39、，簡(jiǎn)稱LED(Light Emitting Diode)；液晶顯示器，簡(jiǎn)稱 LCD；熒光管顯示器，簡(jiǎn)稱VFD(Vacuum Fluorscents Display)。其中LED是一種極低功耗顯示器，廣泛應(yīng)用于測(cè)量產(chǎn)品中，由于本課題不需要復(fù)雜的顯示信息，所以選擇的是LED顯示模塊，，可以節(jié)約硬件資源，降低成本。顯示電路如下圖4-3所示。 圖4-3 顯示電路 4.3.2報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過(guò)89C51的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7

40、407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖中，P27接晶體管基極輸入端。當(dāng)P27輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當(dāng)P27輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。報(bào)警電路如圖4-4所示 圖4-4 報(bào)警電路 4.4 電源設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)是5V供電，電源電壓范圍從3.3~5V，在電路系統(tǒng)需要一個(gè)變壓芯片，我選擇7805芯片，引腳圖如下： 這是一個(gè)輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，R16為負(fù)載電阻。電路圖如4-5所示

41、 圖4-5 穩(wěn)壓電源 第五章系統(tǒng)程序設(shè)定 5.1 程序完成的功能 （1）超聲波的發(fā)射子程序（定時(shí)器0產(chǎn)生方波40khz） （2）回波信號(hào)檢測(cè)子程序（外部中斷0，中斷服務(wù)程序讀取TH0，TL0值） （3）測(cè)距子程序（根據(jù)公式計(jì)算） （4）距離的顯示 （5）對(duì)距離進(jìn)行判斷 （6）報(bào)警 5.2 主程序 主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這

42、也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,根據(jù)公式d=(C*T0)/2 （其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值），測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式顯示在LED上,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程[14]。主程序框圖如圖5-1所示： 圖5-1 主程序框圖 主程序： void main() { uchar i; Delay1(1000);

43、TMOD=0X90; TL0=0X00; TH0=0X00; TR0=1; ds_reset(); write_byte(0xcc); write_byte(0x44); read_temp(); work_temp(); tempereture(); //溫度值temper P1=0xff; for(i=10;i>0;i--) { P1=!P1; /*發(fā)送*//*25us去反一次，符合40khz的要求*/ nop(); no

44、p(); nop(); nop(); nop(); } do{} /*等待*/ while(tt1==1); TR1=0; EA=0; flag1=TH1; flag2=TL1; js(); /*計(jì)算距離*/ while(1) { if(s<=2) { bz=1;//打開(kāi)蜂鳴器 } else { bz=0;//

45、關(guān)閉蜂鳴器 } P1=0xff;P2=0xff; for(i=100;i>0;i--) { display(); /*反復(fù)顯示*/ } } } 5.3 溫度測(cè)量與測(cè)距子程序 超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關(guān)，為了正確測(cè)出超聲波的速度，就需要測(cè)量溫度，以便獲得準(zhǔn)確的超聲波速度。在電路中增設(shè)了溫度檢測(cè)模塊，采用DS18B20芯片進(jìn)行溫度檢測(cè)，將對(duì)外界檢測(cè)到的溫度返回單片機(jī)中，并通過(guò)溫度速率表查得最接近檢測(cè)到的溫度的速度值，代入距離計(jì)算公式，從而得到比

46、較精確的距離，提高了超聲波測(cè)距的精度。如圖5-2是溫度測(cè)量與測(cè)距流程圖。 圖5-2 測(cè)溫與測(cè)距流程圖 測(cè)距子程序： void js(void) { uchar a,b,c,d; uint num;; a=flag1/0x10; b=flag1%0x10; /*將flag1中的數(shù)分成高低存在a，b中*/ c=flag2/0x10; d=flag2%0x10; /*將flag2中的數(shù)分成高低存在在c，d中*/ num=a*4096+b*256+c*16+d; s=v*num/1000/2; /

47、/ s=34*num/100/2; /*s就是距離*/ } 5.4 距離顯示，判斷以及報(bào)警子程序 顯示模塊的功能是利用定時(shí)器將得到的最短距離在顯示屏上進(jìn)行顯示。測(cè)試距離數(shù)值通過(guò)串行口傳送到顯示模塊。通過(guò)調(diào)用距離計(jì)算子程序，設(shè)定安全距離為2m，設(shè)定蜂鳴器的工作方式，工作設(shè)為1，不工作設(shè)為0，若在安全距離之內(nèi)，蜂鳴器打開(kāi)報(bào)警，否則，蜂鳴器不工作。下圖5-3是距離顯示判斷以及報(bào)警流程圖 圖5-3 距離顯示，判斷以及報(bào)警流程圖 （1）距離顯示程序 void display() { uchar a,b,c,d; /*將數(shù)

48、S的各位分開(kāi)，分別顯示*/ a=s/1000; b=s%1000/100; c=s%1000%100/10; d=s%1000%100%10; P1=0X3f&(0xf0+a); /*將第一位顯示在第一位上*/ Delay1(5); P1=0X2f&(0xf0+b); /*將第二位顯示在第二位上*/ Delay1(5); P1=0X1f&(0xf0+c); /*將第三位顯示在第三位上*/ Delay1(5); P1=0X0f&(0xf0+d); /*將第四位顯示在最后一位上*/ Delay1(5);

49、 } (2) 距離判斷以及報(bào)警程序 js(); /*計(jì)算距離*/ while(1) { if(s<=2) { bz=1;//打開(kāi)蜂鳴器 } else { bz=0;//關(guān)閉蜂鳴器 } P1=0xff;P2=0xff; for(i=100;i>0;i--) { display(); /*反復(fù)顯示*/ } 第六章 誤差

50、分析與整改方案 6.1超聲波測(cè)距誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=ct/2，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的溫度誤差、傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的[15]。 (1) 溫度誤差 空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系: v＝331.5＋0.607t（m/s） 式中t=溫度（℃），因此要精確測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離時(shí)，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? (2) 時(shí)間誤差 當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s

51、 (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。 在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。 對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)

52、境下以0℃的聲速測(cè)量100M距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5M，測(cè)量1M誤差將達(dá)到5MM。 超聲波遇到障礙物后，一部分會(huì)反來(lái)，那么，通過(guò)計(jì)算發(fā)射出超聲波到接收到回波之間的時(shí)差，還有音速，就能算出障礙物的距離。 (3) 影響超聲波探測(cè)的因素 圖6-1 超聲波差距示意圖 在圖6-1中，用一個(gè)超聲波傳感器來(lái)發(fā)射超聲波，同時(shí)它又可以接收到回波。一般使用的超聲波頻率為40KHZ。根據(jù)以上原理，所算出的障礙物距離都是指障礙物到傳感器的距離。 傳感器可檢查到的角度：傳感器發(fā)射超聲波有一定的角度范圍，圖6-2，圖6-3,為常用傳感器的探測(cè)角度: 圖6-2 兩側(cè)探測(cè)角度 圖6-

53、3 垂直探測(cè)角度 以上菱形區(qū)域是發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)，而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物能否被探測(cè)到，則與以下因素有關(guān): （1）從物理方面的反射原理可知:超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角，因此，反射波是否能被傳感器捕捉，與反射面的角度有關(guān)。 （2）反射面的大小不同，也會(huì)影響反射波的強(qiáng)度。 （3）另外，障礙物會(huì)吸收掉一部分超聲波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和表面處理相關(guān)。疏松、多孔的表面較易吸收音波而導(dǎo)致反射效率較低，不易被偵測(cè)。 （4）超聲波在空氣中傳輸時(shí)也會(huì)衰減，所以同一個(gè)反射面，同樣的角度，距離越遠(yuǎn)，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不易被測(cè)到。 （5）

54、以上幾點(diǎn)簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是:角度、大小、表面材質(zhì)和距離。這些因素綜合起來(lái)，決定障礙物是否會(huì)被探測(cè)到。 圖6-4 超聲波探測(cè)障礙物 根據(jù)以上原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無(wú)法偵測(cè)及偵測(cè)不良之情況！ （1）鐵絲網(wǎng)，繩索類細(xì)小物體。 （2）草地行車或崎嶇不平路面。 ( 3）棉質(zhì)或表面易吸收聲波之物質(zhì)。 （4）傳感器表面附著異物。 （5）同頻率(40 KHz)之超聲波雜音加金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車?yán)日龑?duì)傳感器鳴叫時(shí)。 （6）障礙物為銳角反射體，錐狀物體 6.2針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案 在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常

55、調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。測(cè)距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計(jì)測(cè)、微機(jī)控制和溫度測(cè)量五個(gè)部分組成。如何提高測(cè)量精度是超聲測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測(cè)距精度的措施下： (1) 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期 據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲測(cè)距的工作頻率選擇f=40kHz 較為合適：發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的10倍以上即：T>0.25s，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，速度趕快，脈沖發(fā)射周期可選短些。 (2) 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié) 因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)

56、律衰減，所以采用(AGC)電路使放大倍數(shù)隨測(cè)距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測(cè)量距離的變化而大幅度的變化，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。 (3) 提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差 如采用芯片計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則時(shí)間量化誤差造成的測(cè)距誤差就越小。例如：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)置計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率為6MHz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為0.5MHz此時(shí)在空氣中的測(cè)距時(shí)間量化誤差為0.68mm；當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為1MHz，此時(shí)測(cè)距時(shí)間量化誤差為0.34mm。若采用外部硬件計(jì)時(shí)電路，則計(jì)數(shù)頻率可直接引用單片機(jī)的晶振頻率，時(shí)間量化誤差更

57、小。 (4)補(bǔ)償溫度對(duì)傳播聲速的影響 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。有文獻(xiàn)表明，按下式計(jì)算聲速可以達(dá)到較高的精度： 在空氣中，m/s； 在海水中，C=1450+4.21t-0.037tt+1,14(S-35)+0.175P m/s 式中：t—攝氏溫度；S—水鹽度，按千分比計(jì)算；P—海水靜壓力，單位為大氣壓。聲速可以用聲速儀測(cè)量，以驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。 (5) 補(bǔ)償系統(tǒng)電路的時(shí)間延遲 系統(tǒng)電路的時(shí)間延遲可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，通過(guò)測(cè)試兩個(gè)已知標(biāo)準(zhǔn)距離S1、S2所得到的時(shí)間t1、t2，可求出系統(tǒng)電路的延遲，(s1t2-s2t1)/

58、(s2-s1)。 通過(guò)對(duì)誤差的分析以及優(yōu)化研究，期望在未來(lái)的研究中能夠設(shè)計(jì)出更加完美的方案。 結(jié)束語(yǔ) 作為大學(xué)三年最后一次檢測(cè)，對(duì)于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我很慎重，從選題，分析、研究、設(shè)計(jì)，這幾個(gè)月中本次畢業(yè)設(shè)計(jì)有條不紊的進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)了一套比較完整的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)。在明確了系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能后，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，然后詳盡地闡述了系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)和完成各項(xiàng)功能相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)是通過(guò)51系列單片機(jī)（本課題選用AT89C51）控制各個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射與接收同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的溫度進(jìn)行測(cè)量并對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償和防撞報(bào)警,本課題以AT89C51為核心，靈活的運(yùn)用超聲波換能集成電

59、路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了對(duì)超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)要求。從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計(jì)，我查閱了大量的資料。對(duì)一些疑難的問(wèn)題，我得到了老師和同學(xué)的幫助。但是由于我們當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的限制，本系統(tǒng)在很多細(xì)節(jié)方面不能夠做到非常完善，只能做到在理論上理解，在實(shí)際上缺陷。 通過(guò)對(duì)這次課題的研究深入了解和設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)有了更深入的了解，特別是關(guān)于I/O接口。學(xué)到更多的是超聲波測(cè)距技術(shù)，超聲波測(cè)距系統(tǒng)由于不受光線、電磁波、粉塵等的影響，其精度能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)的工程測(cè)距精度等的優(yōu)點(diǎn)，在橋梁、隧道、涵洞等的距離檢測(cè)中占有一定的優(yōu)勢(shì)。本課題中用于汽

60、車倒車，利用超聲波測(cè)距系統(tǒng)，可以有效地提高車輛在保障和維護(hù)過(guò)程中的安全性和可靠性。本課題利用51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便。經(jīng)過(guò)仿真證實(shí)可以應(yīng)用到汽車倒車場(chǎng)合。 任何一個(gè)方案都經(jīng)過(guò)多次的驗(yàn)證與完善，沒(méi)有付出亦沒(méi)有回報(bào)，只有經(jīng)過(guò)不斷的推敲，研究才能夠獲得成功。 致謝 畢業(yè)論文暫告收尾，也意味著我的大學(xué)生活即將結(jié)束。回首既往，自己最寶貴的時(shí)光能于校園之中，能在這眾多學(xué)富五車，才華橫溢的老師們的熏陶下度過(guò)，實(shí)在榮幸。在這三年的時(shí)間里，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益匪淺。這除了自己努力之外，與各位老師，同學(xué)和朋友的關(guān)心，支持，鼓勵(lì)是分不開(kāi)的。 時(shí)至今日，我的論文

61、基本完成。從最初的茫然不知所措，到慢慢的進(jìn)入狀態(tài)，再到對(duì)思路逐漸的清晰，整個(gè)寫作過(guò)程難以用語(yǔ)言來(lái)表達(dá)。歷經(jīng)了2個(gè)月的奮戰(zhàn)，緊張而又充實(shí)的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于落下了帷幕?；叵脒@段日子的經(jīng)歷和感受，我感慨萬(wàn)千，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我擁有了無(wú)數(shù)難忘的回憶和收獲。 11月初，我的題目定了下來(lái)，是汽車倒車防撞系統(tǒng)。當(dāng)選題報(bào)告，開(kāi)題報(bào)告定下來(lái)的時(shí)候，我便立刻著手資料的收集工作中，面對(duì)書籍資料我不知如何下手。我虛心去請(qǐng)教已畢業(yè)的學(xué)長(zhǎng)和學(xué)姐，也積極與同學(xué)們溝通，在他們細(xì)心的指導(dǎo)下，終于使我對(duì)自己現(xiàn)在的工作方向和方法有了掌握。 在搜集資料的過(guò)程中，我每天給自己制定目標(biāo)。利用工作之外的時(shí)間我在學(xué)校圖書館搜

62、集資料，還在網(wǎng)上查找各類相關(guān)資料，將這些寶貴的資料全部記在筆記本上，盡量使我的資料完整、精確、數(shù)量多，這有利于論文的撰寫。然后我將收集到的資料仔細(xì)整理分類，及時(shí)與同學(xué)進(jìn)行溝通。 11月中旬，資料已經(jīng)查找完畢了，我開(kāi)始著手論文的寫作。在寫作過(guò)程中遇到困難我虛心請(qǐng)教，并和同學(xué)互相交流，請(qǐng)教專業(yè)課老師。在大家的幫助下，困難一個(gè)一個(gè)解決掉，論文也慢慢成型。 12月初，論文的文字?jǐn)⑹鲆呀?jīng)完成。然后開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)圖形的繪制工作。在設(shè)計(jì)初期，由于沒(méi)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，覺(jué)得無(wú)從下手，空有很多設(shè)計(jì)思想，卻不知道應(yīng)該選哪個(gè)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)師的指導(dǎo)，我的設(shè)計(jì)漸漸有了頭緒，通過(guò)查閱資料，逐漸確立系統(tǒng)方案。 當(dāng)我終于完成了所有打字

63、、繪圖、排版、校對(duì)的任務(wù)后整個(gè)人都很累，但同時(shí)看著電腦熒屏上的畢業(yè)設(shè)計(jì)稿件我的心里是甜的，我覺(jué)得這一切都值了。這次畢業(yè)論文的制作過(guò)程是我的一次再學(xué)習(xí)，再提高的過(guò)程。在論文中我充分地運(yùn)用了大學(xué)期間所學(xué)到的知識(shí)。 我不會(huì)忘記這難忘的2個(gè)月的時(shí)間。畢業(yè)論文的制作給了我難忘的回憶。在我查找資料的日子里，面對(duì)無(wú)數(shù)書本的羅列，最難忘的是每次找到資料時(shí)的激動(dòng)和興奮；為了論文我曾趕稿到深夜，但看著親手打出的一字一句，心里滿滿的只有喜悅毫無(wú)疲憊。這段旅程看似荊棘密布，實(shí)則蘊(yùn)藏著無(wú)盡的寶藏。我從資料的收集中，掌握了很多汽車倒車防撞系統(tǒng)的知識(shí)，讓我對(duì)我所學(xué)過(guò)的知識(shí)有所鞏固和提高，并且讓我對(duì)當(dāng)今汽車倒車系統(tǒng)的最新發(fā)

64、展技術(shù)有所了解。在整個(gè)過(guò)程中，我學(xué)到了新知識(shí)，增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)。在今后的日子里，我仍然要不斷地充實(shí)自己，爭(zhēng)取在所學(xué)領(lǐng)域有所作為。 腳踏實(shí)地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅(jiān)持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計(jì)中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對(duì)我實(shí)際能力的一次提升，也會(huì)對(duì)我未來(lái)的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。 一次畢業(yè)設(shè)計(jì)，更加促進(jìn)了同學(xué)之間的友誼，我們互相幫助，互相鼓勵(lì)。感謝這一路上給我?guī)椭乃麄儯诖髮W(xué)即將畫上句號(hào)的時(shí)候，又一次被他們感動(dòng)，青春校園的友誼也更加的珍貴。 在此更要感謝我的導(dǎo)師和專業(yè)老師，是你們的細(xì)心指導(dǎo)和關(guān)懷，使我能夠順利的完成畢業(yè)論文。在我的學(xué)業(yè)和論文的研究工作中

65、無(wú)不傾注著老師們辛勤的汗水和心血。老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、無(wú)私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 參考文獻(xiàn) [1] 吳妍.汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007. [2] 孫余凱，等. 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與技能實(shí)訓(xùn)教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006，（3）：55-83. [3] 王紅云.基于超聲波測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)控制與儀器儀表,2008,（3）:69-71. [4] 宋永東,

66、周美麗. 高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(15):137-139. [5] 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程———應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天出版社,2003，（8）：67-110. [6] 余錫存,曹國(guó)華.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安：西安科技大學(xué)出版社，2000.7，24（1）:20-100. [7]韓贊東.超聲定位技術(shù)在汽車安全預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù),2002,(8)：15-28. [8] 劉明. 電子線路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程[M]．天津：天津大學(xué)出版社，2008，（5）：121-198. [9] 陳永甫. 紅外探測(cè)與控制電路[M ]. 北京: 人民郵電出版社, 2004,31（5）：62-98. [10] HERRINGTION D R.U ltrasonic range finder uses few components [J].END,1999，(6):23-26. [11] 楊自棟.簡(jiǎn)易超聲波測(cè)距儀的軟硬件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2005,(4)：42-103. [12] 王紅云.基于