超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯專家講座

西京學(xué)院

本科畢業(yè)設(shè)計（論文）超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第1頁超聲波倒車?yán)走_(dá)設(shè)計教學(xué)單位：工程技術(shù)系專業(yè)：電子技術(shù)信息工程學(xué)號：0811100149姓名：張佳易指導(dǎo)老師：周爭光年04月超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第2頁摘要

論文介紹了一個基于單片機(jī)超聲波汽車防撞測距報警系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合超聲波測距原理，來實現(xiàn)智能汽車防撞測距報警功效，并進(jìn)行了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。經(jīng)過各種發(fā)射接收電路設(shè)計方案比較，得出了最正確設(shè)計方案，并對系統(tǒng)各個單元原理進(jìn)行了介紹。對組成各系統(tǒng)電路芯片進(jìn)行了介紹，并闡述了它們工作原理。此系統(tǒng)含有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，使用方便等特點。介紹了系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，經(jīng)過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功效。關(guān)鍵詞：單片機(jī)超聲波測距超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第3頁目錄第一章緒論部分主要介紹了超聲波發(fā)展情況，以及當(dāng)前現(xiàn)實狀況和前景。第二章超聲波測距原理及構(gòu)想主要介紹了超聲波傳感器，超聲波測距原理及超聲測距系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)主要參數(shù)。第三章超聲波測距系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(包含發(fā)射接收電路設(shè)計、顯示電路設(shè)計、報警電路設(shè)計、時鐘電路設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計等)。并詳細(xì)介紹了最終確定各單元設(shè)計方案以及最終方案設(shè)計原理及詳細(xì)實現(xiàn)。第四章系統(tǒng)硬件軟件實現(xiàn)部分主要介紹了軟件實現(xiàn)。第五章給出系統(tǒng)誤差分析和系統(tǒng)改進(jìn)。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第4頁第1章緒論

1.1背景伴隨社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,交通運輸業(yè)日益興旺，汽車數(shù)量在大副攀升。交通擁擠情況也日趨嚴(yán)重，撞車事件頻頻發(fā)生，造成了不可防止人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，針對這種情況，設(shè)計一個響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行，超聲波測距法是最常見一個距離測距方法，應(yīng)用于汽車前后左右防撞近距離，低速情況，以及在汽車防撞報警系統(tǒng)中，超聲波作為一個特殊聲波，一樣含有聲波傳輸基本物理特征——折射，反射，干涉，衍射，散射。汽車防撞報警器將單片機(jī)實時控制及數(shù)據(jù)處理功效，與超聲波測距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，可檢測汽車運行中后方障礙物與汽車距離及汽車車速，經(jīng)過數(shù)顯裝置顯示距離，并由發(fā)聲電路依據(jù)距離遠(yuǎn)近情況發(fā)出警告聲。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第5頁

第2章超聲波測距原理及構(gòu)想

2.1超聲波傳感器介紹超聲傳感器是一個將其它形式能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率其它形式能器件。當(dāng)前慣用超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有：1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動力型中包含有氣體與液體兩種類型哨笛。因為工作頻率與應(yīng)用目標(biāo)不一樣，超聲傳感器結(jié)構(gòu)形式是各種多樣，而且名稱也有不一樣，傳感器主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引發(fā)形變可轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電信號，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波發(fā)射，后者即為超聲波接收。超聲波傳感器普通采取雙壓電陶瓷晶片制成。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第6頁壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖2.1所表示：圖2.1壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第7頁壓電陶瓷晶片有一個固定諧振頻率，即中心頻率f0。發(fā)射超聲波時，加在其上面交變電壓頻率要與它固有諧振頻率一致。這么，超聲傳感器才有較高靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片幾何尺寸，就可非常方便改變其固有諧振頻率。利用這一特征可制成各種頻率超聲傳感器。

超聲波傳感器內(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)組成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器關(guān)鍵，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定指向角，金屬殼可預(yù)防外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用，但不影響發(fā)射與接收超聲波。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第8頁2.1.1超聲波傳感器特征

超聲波傳感器基本特征有頻率特征和指向特征，這里以TCT40-16T/R發(fā)射型超聲波傳感器為例進(jìn)行說明。

一、頻率特征圖2.2超聲發(fā)射傳感器頻率特征超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第9頁圖2.2是超聲波發(fā)射傳感器頻率特征曲線。其中，f0＝40KHz為超聲發(fā)射傳感器中心頻率，在f0處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在f0處所產(chǎn)生超聲聲壓能級最高。而在f0兩側(cè)，聲壓能級快速衰減。所以，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非?？拷行念l率f0交流電壓來激勵。

另外，超聲波接收傳感器頻率特征與發(fā)射傳感器頻率特征類似。曲線在f0處曲線最尖銳，輸出電信號幅度最大，即在f0處接收靈敏度最高。所以，超聲波接收傳感器含有很好頻率選擇特征。超聲波接收傳感器頻率特征曲線和輸出端外接電阻R也有很大關(guān)系，假如R很大，頻率特征是尖銳共振，而且在這個共振頻率上靈敏度很高。假如R較小，頻率特征變得光滑而含有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。而且最大靈敏度向稍低頻率移動。所以，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第10頁二、指向特征

實際超聲波傳感器中壓電晶片是一個小圓片，能夠把表面上每個點看成一個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器空間某一點聲壓是這些子波迭加結(jié)果（衍射），卻有指向性。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第11頁2.2超聲波測距原理

超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。因為應(yīng)用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲反射特征。超聲波測距原理是經(jīng)過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳輸，途中碰到障礙物就馬上返回來，超聲波接收器收到反射波就停頓計時。常溫下超聲波在空氣中傳輸速度為C=340m/s，依據(jù)計時器統(tǒng)計時間t，就能夠計算出發(fā)射點距障礙物距離(S)，即：

S=C*t/2=C*t0（2-1）

其中，t0就是所謂渡越時間。

能夠看出主要部分有：

(1)供給電能脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；

(2)轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中發(fā)射傳感器；

(3)接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號接收傳感器；

(4)接收放大器，能夠使微弱回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)統(tǒng)計設(shè)備；

(5)統(tǒng)計/控制設(shè)備，通常控制發(fā)射到傳感器中電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到統(tǒng)計回波時間，存放所要求數(shù)據(jù)，并將時間間隔轉(zhuǎn)換成距離。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第12頁在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳輸過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz超聲波。當(dāng)前超聲波測量距離普通為幾米到幾十米，是一個適合室內(nèi)測量方式。因為超聲波發(fā)射與接收器件含有固有頻率特征，含有很高抗干擾性能。

距離測量系統(tǒng)慣用頻率范圍為25KHz～300KHz脈沖壓力波，發(fā)射和接收傳感器有時共用一個，或者兩個是分開使用。發(fā)射電路普通由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個有一定寬度高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號方便統(tǒng)計，同時為了使它能接收含有一定頻帶寬度短脈沖信號，接收放大器要有足夠頻帶寬度；置避開強(qiáng)大統(tǒng)計/控制部分開啟或關(guān)閉發(fā)射電路并統(tǒng)計發(fā)射瞬時及接收瞬時，并將時差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或統(tǒng)計。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第13頁2.3系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.3所表示：

電子市場上常見超聲探頭是收發(fā)分體式，普通頻率為40KHz。假如需要更高頻率超聲探頭，比如幾百赫茲或者幾兆赫茲頻率，就需要到專業(yè)經(jīng)營超聲產(chǎn)品廠商去購置或者定制。鑒于有限條件，擬選取探頭是40KHz超聲傳感器，有一支接收傳感器TCT40-16R和一支發(fā)射傳感器TCT40-16T。

圖2.3超聲波測距硬件電路圖超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第14頁電路頻率選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器固有頻率40KHz，這么才能使其工作在諧振頻率，抵達(dá)最優(yōu)特征。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射超聲功率就越大，這么能夠在接收傳感器上接收回波功率就比較大，對于接收電路設(shè)計就相對簡單一些。不過，每一支實際發(fā)射傳感器有其工作電壓極限值，即當(dāng)工作電壓超出了這個極限值之后，會對傳感器內(nèi)部電路造成不可回復(fù)損害。所以，工作電壓不能超出這個極限值。同時，發(fā)射電路中阻尼電阻決定了電路阻尼情況。通常采取改變阻尼電阻方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺點時或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時應(yīng)予采取。

發(fā)射部分點脈沖電壓很高，不過由障礙物回波引發(fā)壓電晶片產(chǎn)生射頻電壓不過幾十毫伏，要對這么小信號進(jìn)行處理就必須放大到一定幅度。接收部分就是由二級放大電路，檢波電路及門限判別電路組成，其中包含雜波抑制電路。最終抵達(dá)對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機(jī)能夠識別中止信號作為回波抵達(dá)標(biāo)志。不過因為超聲傳感器固有特征，即盲區(qū)存在，對于回波接收和處理造成了相當(dāng)程度影響。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第15頁2.4系統(tǒng)主要參數(shù)

2.4.1測距儀工作頻率

由文件知，空氣中超聲波衰減系數(shù)為α=αaαs=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，普通在40KHz左右。太高頻率超聲波在空氣中是無法傳輸開去。傳感器工作頻率是測距系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器尺寸。工作頻率確實定主要基于以下幾點考慮：(1)假如測距能力要求很大，聲波傳輸損失就相對增加，因為介質(zhì)對聲波吸收與聲波頻率平方成正比，為減小聲波傳輸損失，就必須降低工作頻率。(2)工作頻率越高，對相同尺寸換能器來說，傳感器方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”輕易辨識清楚，所以從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提升。(3)從傳感器設(shè)計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難?？偠灾?，因為本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在40KHz。這么傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提升了信噪比；即使傳輸損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第16頁2.4.2聲速

聲速準(zhǔn)確程度線性決定了測距系統(tǒng)測量精度。傳輸介質(zhì)中聲波傳輸速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力改變而改變。聲速隨溫度改變公式為V=331.4＋0.607T(mm/ms)(2-2)式中，T是溫度。因為該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫度能夠看作定值。在常溫下，聲音在空氣中傳輸速度可依據(jù)上式計算出為340mm/ms。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第17頁2.4.3發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號發(fā)射能量相關(guān)。依據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，能夠提升測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。不過依據(jù)實際經(jīng)驗，過寬脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回涉及比較電路都造成一定困難。本設(shè)計最終選定11us發(fā)射脈沖寬度。2.4.4測量盲區(qū)

在以傳感器脈沖反射方式工作情況下，電壓很高發(fā)射電脈沖在激勵傳感器同時也進(jìn)入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不一樣檢測儀阻塞程度不一樣。依據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)缺點回波高度對缺點進(jìn)行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)覺障礙物，這是需要注意。因為發(fā)射聲脈沖本身有一定寬度，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)覺缺點往往不能被發(fā)覺，這段距離，稱為盲區(qū)。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第18頁

第三章超聲波測距系統(tǒng)方案設(shè)計該汽車測距報警系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報警電路組成，下面主要經(jīng)過各個模塊各種方案比較，確定設(shè)計最終方案。該系統(tǒng)關(guān)鍵部分采取性能很好AT89S52單片機(jī)。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第19頁3.1發(fā)射與接收電路設(shè)計方案

由AT89S52單片機(jī)編程，執(zhí)行程序后P1.0口產(chǎn)生40KHZ脈沖信號，超聲波發(fā)射探頭TCT40-16T產(chǎn)生超聲波。接收頭采取和發(fā)射頭配正確TCT40-16R將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺腿隒X6A中進(jìn)行處理。CX6A是帶有信號放大器，寬頻帶濾波器，檢波器。整形及滯后比較器多功效芯片。當(dāng)高電平越變?yōu)榈碗娖?，作為中止請求信號，送至單片機(jī)處理。在開啟發(fā)射電路同時開啟單片機(jī)內(nèi)部定時器T0，利用定時器計數(shù)功效統(tǒng)計超聲波發(fā)射時間和收到反射波時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在INTO或INT1端產(chǎn)生一個中止請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中止請求，執(zhí)行外部中止服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。發(fā)射電路電路圖如圖3.2所表示圖3.2發(fā)射電路發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機(jī)AT89S52,經(jīng)過P1.0這個I/O口,發(fā)送一系列脈沖,經(jīng)過74HC04從而使TCT40-16T這個激勵換能器發(fā)射出超聲波。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第20頁接收電路如3.3所表示電路簡單實用，接收到信號引入運算放大器，經(jīng)過運算放大器兩級放大，增強(qiáng)接收信號，到達(dá)本電路適合要求強(qiáng)度，比較適合本設(shè)計需要。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第21頁3.2顯示報警單元方案設(shè)計顯示報警單元是經(jīng)過超聲波發(fā)射接收電路及單片機(jī)AT89S52處理后把信號轉(zhuǎn)化為人為能夠知覺數(shù)字顯示和報警響應(yīng)，以讓人們能夠直觀覺察到測量情況，深入防止事故發(fā)生。顯示報警電路由顯示和報警兩部分電路組成，主要實現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下顯示報警功效，以此提醒駕駛員。3.2.1系統(tǒng)顯示電路設(shè)計顯示器是一個經(jīng)典輸出設(shè)備，綜合課題實際要求以及考慮單片機(jī)接口資源，采取串行方式顯示LED驅(qū)動輸出設(shè)備。因為全程顯示距離范圍在4米之內(nèi)，用3個LED數(shù)碼管表示距離cm數(shù)值。因為本設(shè)計中顯示位數(shù)較少，選擇靜態(tài)顯示驅(qū)動，采取共陽顯示接法。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第22頁顯示驅(qū)動，顯示電路如圖3.4所表示：圖3.4系統(tǒng)顯示電路超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第23頁3.2.2系統(tǒng)報警電路設(shè)計圖3.6：系統(tǒng)報警電路超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第24頁系統(tǒng)報警電路由一個三極管、一個電阻和一個喇叭組成。經(jīng)電阻采集信號，采取s8550三極管放大。報警電路如圖3.6所表示。當(dāng)單片機(jī)AT89S52發(fā)射出超聲波信號，即輸出一個高電平給這個I/O口，大約5V電壓，同時單片機(jī)計數(shù)器T0開始計時。則信號經(jīng)過三極管S8550放大。使電流到達(dá)發(fā)射端工作電流，從而發(fā)射出超聲波。當(dāng)發(fā)射出去超聲波碰到障礙物時會被反射回來，這時接收器便會將反射回來超聲波接收，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過運算放大器兩極放大，將信號送給CX6A輸入端，其7號輸出引腳會產(chǎn)生一個信號，使得單片機(jī)AT89S52產(chǎn)生一個中止。這么，計數(shù)器便停頓計數(shù)。單片機(jī)把計得時間差進(jìn)行運算，依據(jù)公式來計算車與障礙物距離，并把運算結(jié)果以十進(jìn)制方式送到七段LED顯示電路去顯示。假如距離小于0.3m，則單片機(jī)AT89S52便給P3.7口一個信號，使得報警電路工作，實現(xiàn)報警。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第25頁3.3單片機(jī)復(fù)位電路

(1)單片機(jī)AT89S52作為主控芯片，控制整個電路運行。單片機(jī)外圍需要一個復(fù)位電路，復(fù)位電路功效是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定延時才撤消復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引發(fā)抖動而影響復(fù)位。該設(shè)計采取含有電阻復(fù)位電路，復(fù)位電路能夠有效處理電源毛刺和電源遲緩下降（電池電壓不足）等引發(fā)問題，在電源電壓瞬間下降時能夠使電容快速放電，一定寬度電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。復(fù)位電路設(shè)計圖如圖3.7所表示：圖3.7復(fù)位電路超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第26頁（2）AT89S52RST引腳為復(fù)位引腳，只要在RST引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平，即可實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位通常有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方法。本設(shè)計采取是按鍵復(fù)位，當(dāng)按下按鍵后，電容被短路，RST引腳就處于高電平，就能夠到達(dá)復(fù)位目標(biāo)。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第27頁3.4時鐘電路

時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要時鐘信號，單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜同時時序電路，為了確保同時工作方式實現(xiàn)，電路應(yīng)在惟一時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進(jìn)行工作。該時鐘電路由兩個電容和一個晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器輸入端，這個放大器組成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳X2，在芯片外部經(jīng)過這兩個引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，組成一個穩(wěn)定自激振蕩器。時鐘電路如圖3.8所表示：圖3.8時鐘電路電路中C9和C10普通取30PF左右，而晶體振蕩器頻率范圍通常是1.2～12MHz，而電路中采取12MHz，晶體振蕩器頻率越高，振蕩頻率就越高。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第28頁3.5溫度賠償電路溫度賠償電路主要是為了賠償電路因溫度問題而產(chǎn)生誤差。要知道超聲波在空氣中傳輸需要一定時間，而在相同距離下，這個時間與溫度有一定影響。當(dāng)溫度不一樣時，測量時間不一樣。為了更加好地計算，需要對傳輸速度給予修正，到達(dá)使測量結(jié)果更準(zhǔn)確目標(biāo)。在這里我們利用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，從而進(jìn)行修正。3.5.1單線數(shù)字溫度計DS1820介紹DS1820數(shù)字溫度計提供9位（二進(jìn)制）溫度讀數(shù)，指示器件溫度。信息經(jīng)過單線接口送入DS1820或從DS1820送出，所以從主機(jī)CPU到DS1820僅需一條線（和地線）。DS1820電源能夠由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因為每一個DS1820在出廠時已經(jīng)給定了唯一序號，所以任意多個DS1820能夠存放在同一條單線總線上。這允許在許多不一樣地方放置溫度敏感器件。DS1820測量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5℃，可在ls(經(jīng)典值1內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第29頁3.5.2溫度計算Ds18b20用12值存貯溫值度，最高位為符號位，下列圖為18b20溫度存放方式，負(fù)溫度S=l，正溫度S=O。如：0550H為+85℃，0191H為+25.0625℃，F(xiàn)C90H為-55℃3.5.3DS1820工作過程及時序DS1820工作過程中協(xié)議以下：初始化：RoM操作命令：存放器操作命令：處理數(shù)據(jù)。1．初始化單總線上全部處理均從初始化開始。2．ROM操作品令總線主機(jī)檢測到DS1820存在，便能夠發(fā)出ROM操作命令之一，這些命令如指令代碼ReadROM(讀ROM)[33H]MatchROM(匹配ROM)[55H]SkipROM(跳過ROM][CCH]SearchROM(搜索ROM)[FOH]Alarmsearch(告警搜索)[ECH]超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第30頁3．存放器操作命令指令代碼WriteScratchpad(寫暫存存放器)[4EH]ReadScratchpad(讀暫存存放器)[BEH]CopyScratchpad(復(fù)制暫存存放器)[48H]ConvertTemperature(湓度變換)[44H]RecallEPROM(重新調(diào)出)[B8H]ReadPowersupply(讀電源)[B4H]4．時序主機(jī)使用時間隙(timeslots)來讀寫DS1820數(shù)據(jù)位和寫命令字位(1)初始化時序見圖2.25—2。主機(jī)總線to時刻發(fā)送一復(fù)位脈沖（最短為480us低電平信號），接著在tl時刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)，DS1820在檢測到總線上升沿之后，等候15-60us，接著DS1820在t2時刻發(fā)出存在脈沖“氐電平，連續(xù)60-240us)，如圖中虛線所表示。以下子程序在MCS51仿真機(jī)上經(jīng)過，其晶振為12M.。初始化子程序：超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第31頁圖2.25-2初始化時序超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第32頁(2)寫時間隙當(dāng)主機(jī)總線to時刻從高拉至低電平時，就產(chǎn)生寫時間隙，從t0時刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫位送到總線上，DS1820在t。后15-60us間對總線采樣。若低電平，寫入位是0;若高電平，寫入位是1。連續(xù)寫2位間間隙應(yīng)大于lus(3)讀時間隙主機(jī)總線t0時刻從高拉至低電平時，總線只須保持低電平17ts。之后在tl時刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時間隙，讀時間隙在tl時刻后t2時刻前有效。tz距t0為15us，也就是說，tz時刻前主機(jī)必須完成讀位，并在to后60尸s-120fzs內(nèi)釋放總線。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第33頁3.5.4DS18b20接線電路以下列圖所表示為DS18B20溫度賠償電路，該電路主要即為溫度檢測。檢測到溫度后將信號傳遞給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換后，在計算時進(jìn)行賠償。圖3-7DS18b20接線電路超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第34頁3.674HC04N芯片介紹74HC04是六反相器,既一個集成塊上有六個反相器.輸入為高電平,輸出就為低電平,輸入低電平,輸出就為高電平.74HC04要比74LS04驅(qū)動電流大.圖4.274HC04N外觀超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第35頁3.7探頭介紹壓電陶瓷超聲波換能器（超聲波傳感器）體積小，靈敏度高、性能可靠、價格低廉，是遙控、遙測、報警等電子裝置最理想電子器件、用此換能器組成超聲波遙控開關(guān)，可使家電產(chǎn)品、電子玩具加速更新?lián)Q代，提升市場競爭能力。表4.2傳感器特征參數(shù)型號TCT40--16TTCT40--16R結(jié)構(gòu)開放式開放式發(fā)射距離8—10米8—10米使用方式發(fā)射接收諧振頻率40KHZ±1KHZ40KHZ±1KHZ頻帶寬2KHZ±0.5KHZ2KHZ±0.5KHZ靈敏度≥—70dB/V/ubar≥—70dB/V/ubar外形尺寸∮16mm×22.5mm∮16mm×22.5mm溫度范圍—20℃~+60℃—20℃~+60℃相對濕度20±5℃時達(dá)98%20±5℃時達(dá)98%超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第36頁

第4章系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距基本功效之后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)功效主要是針對系統(tǒng)功效實現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。依據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計和所完成功效，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功效：一、信號控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、檢測電路、顯示電路、門限檢測設(shè)計。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號、門控信號、發(fā)射脈沖信號、遠(yuǎn)近控制信號時序及輸出。二、數(shù)據(jù)存放為了得到發(fā)射信號與接收回波間時間差，要讀出此刻計數(shù)器計數(shù)值，然后存放在RAM中，而且每次發(fā)射周期開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。三、信號處理RAM中存放計數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因為計數(shù)值與實際距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：S=0.5*V*T＝0.5*V*(Tr*N)其中，T為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷時間，Tr為方波信號作為計數(shù)脈沖時計數(shù)器時間分辨率，N為計數(shù)器值。在這個部分中，信號處理包含計數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第37頁四、數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到距離送顯示輸出，用三位LED表示。因為采取了單片機(jī)AT89S52并考慮整個系統(tǒng)控制流程。因為距離值得出及顯示是在中止子程序中完成，所以在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中止響應(yīng)等候。在中止響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。整個系統(tǒng)軟件功效實現(xiàn)能夠分為主程序、中止服務(wù)程序幾個主要部分。中止程序流程圖如圖4.5所表示，主程序流程圖如圖4.6所表示。圖4.5中止程序流程圖圖4.6主程序流程圖超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第38頁第5章系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn)

前面幾章介紹了超聲測距系統(tǒng)設(shè)計，本章將介紹利用超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因及系統(tǒng)改進(jìn)。本文從引發(fā)超聲測距誤差原因入手，分析了溫度對超聲波聲速影響，回波檢測對時間測量影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出以AT89S52單片機(jī)為關(guān)鍵，采取40KHz壓電超聲波傳感器，應(yīng)用于汽車防撞測距報警裝置。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第39頁5.1.1溫度對超聲波聲速影響

空氣中傳輸超聲波是由機(jī)械振動產(chǎn)生縱波，因為氣體含有反抗壓縮和擴(kuò)張彈性模量，氣體反抗壓縮改變力作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳輸。所以，超聲波傳輸速度受氣體密度、溫度及氣體分子成份影響即：（5-1）其中R為普適常量8.314Kg/mol，T為氣體溫度K（絕對溫度），M為氣體分子量，r為氣體密度。由公式5-1可知，超聲聲速與空氣溫度有親密關(guān)系。比如：20℃時，T=293.15，CS=344.2m/s；40℃時，T=313.15，CS=355.8m/s；-20℃時,T＝253.15，CS=319.9m/s；從上面計算能夠看出，溫度對超聲波在空氣中傳輸速度有顯著影響。當(dāng)需要準(zhǔn)確確定超聲波傳輸速度時，必須考慮溫度影響。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第40頁5.1.2回波檢測對時間測量影響

超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳輸，碰到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個過程，超聲波會有很大衰減。其衰減遵照指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器處有被測物，則空氣中傳輸超聲波波動方程描述為：A=A(x)cos(ax+kt)（5-2）其中A為超聲傳感器接收振幅；A0為超聲傳感器初始振幅；α為衰減系數(shù)；x為超聲波傳輸距離；w角頻率；k為波數(shù)。衰減系數(shù)α=b·f。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時超聲波頻率過高會產(chǎn)生較多副瓣，引發(fā)近場區(qū)干涉。不過，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點有利于距離測量。因為超聲回波隨距離增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計超聲接收電路時，要設(shè)計較大放大倍數(shù)和很好濾波特征放大電路，使回波易于檢測。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第41頁5.1.3超聲傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度影響

制作超聲傳感器材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測距慣用壓電材料傳感器，比如TCT40壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓幅值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時，其應(yīng)變S與外加電場強(qiáng)度E關(guān)系為：S=d·E（5-3）其中d為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲傳感器外加脈沖電壓影響壓電材料電場強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會直接影響超聲波回波幅值。所以，為提升壓電轉(zhuǎn)換效率，提升超聲測距精度和范圍，應(yīng)盡可能提升超聲傳感器外加脈沖電壓幅值。超聲波倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)答辯第42頁5.2針對誤差產(chǎn)生原因系統(tǒng)改進(jìn)方案

在實際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成含有一定間隔調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)普通由超聲波發(fā)送、接收、時間計測、微機(jī)控制和溫度測量五個部分組成。怎樣提升測量精度是超聲測距關(guān)鍵技術(shù)。其提升測