《超聲波測距倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)》5300字（論文）

超聲波測距倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)如今，隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，汽車工業(yè)以非常驚人的速度高速發(fā)展，汽車也從最初的奢侈品走到了平民百姓家中，有的家庭擁有好幾輛汽車也司空見慣。汽車給人們提供了便捷的同時(shí)也隨之產(chǎn)生了很多安全隱患問題，在這一系列交通問題中，因?yàn)榈管囋斐傻氖鹿收紦?jù)很大一部分。隨著汽車數(shù)量的增加和土地利用率的飽和，尤其是在城市地區(qū)，在道路上駕駛的車輛四周距離可以說是越來越有限，停車位也越來越狹窄，駕駛員在倒車時(shí)稍有不慎就會(huì)造成一系列損失和麻煩，甚至受到生命威脅。針對(duì)這種情況，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)一種倒車防撞報(bào)警器可以極大程度上提高倒車的安全性。本設(shè)計(jì)采用了STC89C52單片機(jī)、超聲波檢測器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)作。從STC89C52開始，超聲波測距儀用于測量到被測物體的距離，處理器用于處理警報(bào)值，進(jìn)行比較和調(diào)整，當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)低于警報(bào)值時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲響。目錄1緒論11.1項(xiàng)目研究的背景和意義11.2國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀12倒車?yán)走_(dá)的分類32.1按感應(yīng)種類分類 32.2按顯示種類分類 33總體設(shè)計(jì)方案43.1設(shè)計(jì)方案44硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)54.1主控制模塊54.2電源設(shè)計(jì)74.3超聲波測試模塊74.3.1超聲波的特性84.3.2超聲波換能器94.4超聲波傳感器原理104.5測距分析…134.6時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)154.7復(fù)位電路的設(shè)計(jì)154.8聲音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)164.9顯示模塊165軟件設(shè)計(jì)175.1主程序工作流程圖17結(jié)論18參考文獻(xiàn)20第頁1緒論1.1項(xiàng)目研究的背景和意義由于超聲波本身的特殊性，使得超聲波測距擁有很多其他檢測技術(shù)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，超聲波測距可以做到不接觸檢測物體達(dá)到測距目的，這就使得其比其他器具更加衛(wèi)生環(huán)保，對(duì)一些高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境受到的影響也更小。可以直接用于水、酒、糖、飲料等液體的液位差、直觀液位、高低料位的定位。超聲波檢測相對(duì)快速、方便、易于計(jì)算、實(shí)時(shí)控制，在機(jī)器人領(lǐng)域，測距系統(tǒng)是不可缺少的。同樣的，超聲波檢測也可以運(yùn)用到倒車?yán)走_(dá)上，汽車數(shù)量越來越多，土地越來越少，道路、街道、停車位空間越來越狹窄，倒車難成為大眾一大難題，一項(xiàng)實(shí)用的倒車?yán)走_(dá)將會(huì)給駕駛員帶來莫大的幫助。1.2國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀倒車?yán)走_(dá)經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，大體上分為五個(gè)階段，其中技術(shù)不斷進(jìn)步和完善，下面分別對(duì)其進(jìn)行簡要的概括和分析。初代倒車語音提醒，想必大家一定聽到過“倒車請(qǐng)注意”這樣的提醒聲音，這就是倒車?yán)走_(dá)最初的樣子。其實(shí)這種語音提醒只是被動(dòng)的提醒路人注意倒車，局限性很大，現(xiàn)在只有極少數(shù)貨車還在使用，隨著科技的不斷發(fā)展，已經(jīng)基本上被淘汰。二代倒車報(bào)警器，這是真正邁入倒車?yán)走_(dá)的時(shí)代。當(dāng)車輛接近障礙物時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)，以通知駕駛員。但是這種裝置還比較粗糙，對(duì)于距離的把控沒有那么精確。三代數(shù)碼波段提示。相較于二代，三代對(duì)距離的把控更加精細(xì)，它可以將汽車與障礙物的實(shí)際距離達(dá)到一定數(shù)值通過顯示屏直觀的顯示出來，從而駕駛?cè)司湍軐?duì)車輛有更好的操控。但是三代也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，由于其體積比較大，安裝在車輛內(nèi)部就顯得不那么美觀。四代液晶顯示屏動(dòng)態(tài)顯示。這一代產(chǎn)品消除了三代不美觀的缺點(diǎn)，安裝在汽車內(nèi)部，可以對(duì)車輛四周展現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的距離信息，靈敏度高且外觀精巧，美中不足的是它容易受到外界干擾，在信號(hào)不好的地區(qū)可能就掉了鏈子。第五代魔鏡倒車?yán)走_(dá)。該倒車?yán)走_(dá)結(jié)合了上述優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，技術(shù)更加完善和成熟，并使用了高科技仿生雷達(dá)和高速計(jì)算機(jī)控制，并且加裝了天氣、溫度、藍(lán)牙、DVD等一系列實(shí)用功能，不管任何環(huán)境下都能較精確的提供距離信息。同時(shí)其本身就是鏡子造型，可以根據(jù)車主的不同需求改變顏色和形狀等。倒車?yán)走_(dá)已經(jīng)發(fā)展成為汽車不可或缺的一部分，對(duì)一些駕駛技術(shù)不高的車主幫助極大，對(duì)一些交通事故的避免也起到重要的作用。2 倒車?yán)走_(dá)的分類2.1根據(jù)感應(yīng)種類的不同?根據(jù)感應(yīng)種類不同，倒車?yán)走_(dá)的放置方式也不一樣，大體分為三種形式。第一種粘貼式，即通過膠層將雷達(dá)黏在特定的位置。第二種鉆孔式，就是在汽車指定位置鉆孔后將感應(yīng)器嵌入。最后是懸掛式，這種安裝方式在貨車上居多。這三種倒車?yán)走_(dá)雖然安裝方式不同，分別使用與不同車型。但是，它們也有共同點(diǎn)，就是不管是哪種形式的倒車?yán)走_(dá)，它的感應(yīng)器都要安裝在特定的位置即車輛的后保險(xiǎn)杠上。2.2根據(jù)顯示種類的不同顯示裝置的不同又可以將倒車?yán)走_(dá)分為數(shù)碼式、色帶式、蜂鳴式三種。數(shù)字類型是通過顯示屏上的數(shù)字形式直接通知駕駛員車輛與障礙物之間的距離。色帶類型是將各種距離值將轉(zhuǎn)換為顏色并顯示給駕駛員。安全的距離用綠色表示，警告用醒目的黃色表示，紅色是危險(xiǎn)距離。蜂鳴式比較簡單，當(dāng)車輛離物體較近時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)聲警告駕駛?cè)恕?總體設(shè)計(jì)方案3.1設(shè)計(jì)方案超聲波測距和倒車?yán)走_(dá)由單片機(jī)、HC-SR04超聲波傳感器、數(shù)字管、蜂鳴器和按鈕組成。測量范圍為5cm-4m，當(dāng)測量距離小于設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。該設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩個(gè)部分。其中電路配置分為單片機(jī)電路、傳感器電路和報(bào)警器電路。系統(tǒng)有很多模塊，有信息模塊、顯示模塊和控制模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造過程分為三個(gè)階段：總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)使用了STC系列中最常用的STC89C52微控制器。4硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)4.1主控制模塊4.2電源設(shè)計(jì)由三節(jié)AA電池供電，并且還保留了USB電源端口。4.3超聲波測試模塊超聲波模塊運(yùn)用的是HC-SRO4，測量范圍2cm-400cm，可以精確到到3mm。工作原理如下：當(dāng)檢測到物體接近時(shí)，開始測量之前，將自動(dòng)觸發(fā)IO端口以為三角端口供電。該模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送八個(gè)40KHz方波。這時(shí)候接收器會(huì)識(shí)別信號(hào)的返回情況。接收到信號(hào)后高電平輸出IO端口，高電平持續(xù)時(shí)間是指從超聲輸出到接收以實(shí)現(xiàn)距離測量的處理時(shí)間。該模塊的物理圖如圖4所示。4.3.1超聲波的特性聲音實(shí)質(zhì)上是一種波，人類的聽覺范圍大概在20Hz——20000Hz之間，如圖5。超過兩萬赫茲的聲波被稱為“超聲波”。圖5人的聽覺范圍超聲波的特性：（1）束射性超聲波和光類似，所以光學(xué)的一些原理超聲波也有。當(dāng)超聲波進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射等現(xiàn)象，折射率取決于密度。（2）吸附性你會(huì)發(fā)現(xiàn)在日常生活中，聲音的大小會(huì)隨著距離的遠(yuǎn)近所變化，超聲波也是如此。當(dāng)介質(zhì)一定時(shí)，頻率越高，傳遞越困難。（3）能量傳送特性超聲波被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，而且比普通的聲波威力更高。我們知道振動(dòng)發(fā)生時(shí)會(huì)隨之產(chǎn)生能量，當(dāng)高頻率的超聲波作用于物體時(shí)會(huì)隨之產(chǎn)生巨大的能量。（4）聲壓特性聲波作用于物體時(shí)會(huì)改變物體的密度穩(wěn)定性隨之產(chǎn)生壓力變化，這叫聲壓效應(yīng)。超聲波引發(fā)的聲壓效應(yīng)非常強(qiáng)大。以液體為例，當(dāng)超聲波作用于液體時(shí)，產(chǎn)生巨大的壓力變化，液體分子承受不住如此大的拉力，會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。在雜質(zhì)較多的液體中這種反應(yīng)會(huì)更加強(qiáng)烈。液體分子斷裂會(huì)造成液體空腔，空腔持續(xù)時(shí)間不長，在重新閉合的瞬間會(huì)產(chǎn)生龐大的大氣壓力，液體在如此巨大的能量下會(huì)迅速升溫，如果此時(shí)液體中懸浮有固體介質(zhì)，其會(huì)在龐大的壓力下瞬間消失。這種現(xiàn)象稱為氣蝕現(xiàn)象，超聲清洗機(jī)就是根據(jù)這種原理制造的。4.3.2超聲波換能器超聲波換能器，可以將不能被人類感知到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚碾娦盘?hào)。它有一個(gè)類似探頭的裝置，該裝置的主要組成部分就是壓電晶片，也是其最核心的部分。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，超聲波探頭根據(jù)各自屬性不同可以分為不同類型，有對(duì)角探頭、線性探頭、撞擊探頭等?；拘阅苤笜?biāo)：（1）靈敏度。其由其內(nèi)部晶片的機(jī)電耦合系數(shù)來衡量，即壓電振子對(duì)能量的轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率越高，探頭就越靈敏。（2）工作頻率。超聲波傳感器的整體性能與壓電芯片頻率有直接關(guān)系。如果前者和后者的頻率相同，則將發(fā)生共振，此時(shí)工作頻率將達(dá)到最大。（3）工作溫度。壓電材料的壓電效應(yīng)會(huì)隨著溫度達(dá)到某一特定值的時(shí)候而消失，這個(gè)特定的溫度值成為居里點(diǎn)。不同材質(zhì)的壓電晶片的居里點(diǎn)也不同。大部分壓電材料的居里溫度都比較高，因此，對(duì)于低功率超聲波探測頭，它的工作溫度就沒那么高，一般的壓電材料就可以支撐器械長期無故障運(yùn)行。但是對(duì)于一些醫(yī)用超聲探頭，它的使用功率很大，溫度就非常高，一般的壓電材料就無法支撐其運(yùn)行，需要特殊的材料才行，并且還要配備一臺(tái)專門的冷卻設(shè)備為其降溫，因此，醫(yī)用超聲探頭造價(jià)也是十分昂貴。根據(jù)發(fā)電方法，超聲波發(fā)生器大致可分為電磁發(fā)電設(shè)備和機(jī)械發(fā)電設(shè)備。電磁發(fā)電設(shè)備有磁致伸縮式、壓電式和電動(dòng)式；機(jī)械方式有高爾頓汽笛、液體汽笛和氣流汽笛。不同類型的設(shè)備會(huì)發(fā)出不同的超聲波，被用在不同情境，壓電超聲波發(fā)生器是最常用也是最實(shí)用的一種。對(duì)于此設(shè)計(jì)，我們選擇了一種壓電超聲傳感器。壓電超聲波傳感器利用的是共振效應(yīng)，如圖，兩端可通電。兩電極通電時(shí)，當(dāng)和壓電晶片固有頻率一樣時(shí)，則壓電片驅(qū)動(dòng)并諧振。當(dāng)能量傳遞到諧振器板上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超聲波；兩級(jí)沒有通電時(shí)，檢測到超聲波返回時(shí)，諧振器先振動(dòng)然后傳遞到晶片，機(jī)械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，形成接收器。4.4超聲波傳感器特性我們通?？吹降拇蠖鄶?shù)超聲波傳感器都是開放式的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7。復(fù)合振動(dòng)器的底部固定連接。振動(dòng)器由一個(gè)諧振器和兩個(gè)電子芯片組件組成。特性：（1）波長。由波的傳播速度公式可知，在速度一定的情況下，波長和頻率有直接關(guān)系。與電磁波相比，聲波的傳播速度可以說很慢了，超聲波又有很高的頻率，那么它的波長就比較短，波長越短分辨率越高，由此超聲波測量精度就較高。（2）反射。金屬、木頭等密度大，表面均勻，所以它們能夠很容易的被超聲波作用后檢測識(shí)別到。但是像布料、棉花等密度小而且表面粗糙不均勻，超聲波作用時(shí)不能充分反射，會(huì)被吸附很多能量，檢測就比較困難，誤差極大。（3）溫度。傳播效果還與外部環(huán)境的溫度有很大關(guān)系，溫度越高，傳播阻力越大。本設(shè)計(jì)測試環(huán)境在室內(nèi)溫度恒定，這里不再考慮溫度，如果做更進(jìn)一步完善，可以加裝溫度補(bǔ)償裝置。（4）聲壓。聲壓級(jí)=靈敏度+20log(dB)。圖8是三種常見傳感器的聲壓圖。圖8超聲波傳感器的聲壓圖（5）衰減。超聲波傳播時(shí)其能量是變化著的，具體就是隨著傳播距離而遞減。圖9是超聲波傳播距離和衰減性在不同頻率下的變化情況。（6）輻射。從圖中可以看出在40kHz時(shí)達(dá)到峰值。圖10超聲波傳感器輻射特性示意（7）靈敏度。靈敏度與頻率有很大關(guān)系，當(dāng)超聲波頻率為40kHz時(shí)，傳感器的靈敏度達(dá)到最高，此時(shí)測量范圍最大。4.5測距分析超聲波測距最常見的測量方法就是回波檢測法。具體流程如下：最先超聲波發(fā)出裝置發(fā)出一束超聲波，開始計(jì)時(shí)。如果在超聲波傳播途中碰到障礙物，會(huì)反射形成超聲回波，超聲回波到達(dá)接收器的同時(shí)，計(jì)時(shí)裝置結(jié)束計(jì)時(shí)?？梢愿鶕?jù)速度時(shí)間公式，計(jì)算出與障礙物之間的距離S。由于本設(shè)計(jì)的測試環(huán)境為室內(nèi)，要求的測量精度也不高，就不再考慮由于溫度變化引起的誤差。如果對(duì)精度要求比較苛刻，則可以通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒p小誤差。4.6時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)基于帶有振蕩器的反相放大器的原理。振動(dòng)材料通常是石英和陶瓷。放大器通常具有輸入端子和輸出端子，但當(dāng)用作時(shí)鐘組件時(shí)，可以通過去掉輸出端來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槊總€(gè)放大器有六個(gè)狀態(tài)周期，每個(gè)狀態(tài)周期分為兩個(gè)振動(dòng)周期，總共12個(gè)振動(dòng)周期，基于此可以設(shè)計(jì)出時(shí)鐘電路如圖13所示。這里，XTAL1是輸入端子，XTAL2是輸出端子。4.7復(fù)位電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用自動(dòng)復(fù)位電路。。4.8聲音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)警報(bào)電路由三極管、電阻和揚(yáng)聲器構(gòu)成，BB1蜂鳴器Q58550VCCGND+R2KP134.9顯示模塊顯示模塊采用數(shù)碼管顯示，電路如圖16。5軟件設(shè)計(jì)5.1主程序工作流程圖經(jīng)過上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)的分析總結(jié)出該系統(tǒng)的主程序工作流程圖，如圖17。＜√√系統(tǒng)初始化＜√√系統(tǒng)初始化結(jié)束報(bào)警距離比較距離再次比較開始報(bào)警再次檢測結(jié)束＞×YN超聲波探測程序流程圖如圖18：圖18超聲波探測程序流程圖結(jié)論汽車對(duì)于人們有很多方便的地方，但也有很多問題：道路越來越難走，停車位越來越擁擠等等，這就使得眾多車主在倒車泊車時(shí)頭痛連連，一不留神就造成事故或傷亡。為了解決這一問題，倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠以直觀的方式讓駕駛?cè)肆私獾杰囃獾奈矬w狀況，極大地提高了駕駛的方便性和安全性。本次設(shè)計(jì)的是一種基于單片機(jī)超聲波倒車測距裝置，在開始設(shè)計(jì)之前，我們查閱了大量的與倒車?yán)走_(dá)、超聲波、傳感器和單片機(jī)等有關(guān)的資料和信息，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，設(shè)計(jì)并測試了這款超聲波測距倒車?yán)走_(dá)，從中收獲了很多，也對(duì)倒車?yán)走_(dá)有了更深刻的認(rèn)識(shí)。該設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)STC89C52的超聲波傳感器測距裝置，它可以通過不接觸的方式將發(fā)出的超聲波與接觸物之間的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，從而測量出與障礙物的距離。該報(bào)警裝置最大的特點(diǎn)就是操作簡單、易于理解、靈敏度高，雖然該系統(tǒng)本身還有很多不足之處，但是對(duì)于大部分中高端汽車來說，它的實(shí)用價(jià)值還是很大的。相信隨著科技的不斷發(fā)展，未來將會(huì)有更加完善和實(shí)用的倒車輔助系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[1]湯傳國.基于超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)研究[D].陜西：長安大學(xué)，2015.[2]牟鵬飛.基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)和HUD應(yīng)用的研究[D].遼寧：東北大學(xué)，2016.[3]吳瓊.汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究[D].江蘇：南京林業(yè)大學(xué)，2009.[4]吳妍.汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)研究[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2007.[5]