畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (2).doc

超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) i 基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 近年來(lái)，我國(guó)的汽車數(shù)量正逐年增加。在公路、街道、停車場(chǎng)、車庫(kù)等擁 擠、狹窄的地方倒車時(shí)，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會(huì)發(fā)生追 尾事故。因此。增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測(cè)障礙物的倒車?yán)走_(dá)便 成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。為此，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心，利用超聲波實(shí)現(xiàn)無(wú) 接觸測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖， 給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。最后由信號(hào)處理裝置對(duì)接收的信號(hào)依據(jù)時(shí)間 差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出車與障礙物之間的距離。目前，國(guó)內(nèi)外一般的超聲波 測(cè)距儀，其理想的測(cè)量距離為 1m5 m，因此大都用于汽車倒車?yán)走_(dá)等近距離 測(cè)距中。本文根據(jù)聲波在空氣中傳播反射原理，以超聲波換能器為接口部件， 介紹了基于 at89c51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距器。該設(shè)計(jì)由超聲波發(fā)射模塊、信號(hào) 接收模塊、單片機(jī)處理模塊、數(shù)碼顯示以及聲光告警顯示模塊等部分組成，文 中詳細(xì)介紹了測(cè)距器的硬件組成、檢測(cè)原理、方法以及軟件結(jié)構(gòu)。超聲波接收 電路使用 sony 公司的 cx20106a 紅外檢測(cè)專用芯片，該芯片常用于 38khz 的檢 波電路，文中通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部電路的仔細(xì)分析，設(shè)計(jì)出能夠成功對(duì) 40khz 超聲 波檢波的硬件電路，距器使用數(shù)碼管顯示目標(biāo)物的距離。 關(guān)鍵詞：超聲波 測(cè)距 at89c51 倒車 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ii design of ultrasonic vehicle revering system with ultrasonic basedon mcu abstract in recent years, chinas number of cars is increasing every year. highways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur.so after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. ultrasonic ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range; in addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus ultrasonic ranging way so that only apply to a shorter distance. at present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 1 5 m, based on at89c51 ultrasonic range-finder. receiving circuit using the sony company dedicated cx20106a infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38khz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40khz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, the use of digital rangefinder display the distance between objects. key words at89c51 silent wave;measure distance reversing 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 目目 錄錄 摘 要i abstract.ii 1 緒論1 1.1 設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀1 1.2 設(shè)計(jì)的意義2 1.3 目前國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀.2 2 總體設(shè)計(jì)方案3 2.1 超聲波測(cè)距4 2.1.1 超聲波測(cè)距原理4 2.1.2、測(cè)量與控制方法5 2.1.3、理論計(jì)算5 2.1.4 影響精度的因素分析.6 2.1.5 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì).7 2.1.6 測(cè)量盲區(qū)8 2.2 超聲波傳感器9 2.2.1 超聲波傳感器原理及結(jié)構(gòu).9 2.2.2 超聲波傳感器的特性11 2.2.3 超聲波傳感器的應(yīng)用.13 3 硬件設(shè)計(jì).14 3.1 超聲波發(fā)射電路.14 3.2 超聲波檢測(cè)接收電路15 3.2.1 集成電路 cx20106a15 3.2.2 超聲波接收電路17 3.3 超聲波顯示及控制部分電路18 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.3.1 at89c51 單片機(jī)的原理及工作特點(diǎn)18 3.3.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理19 3.3.3 壓電陶瓷超聲波傳感器 (tcf40-18tr1)19 3.3.4 穩(wěn)壓電源電路.20 3.3.5 顯示電路原理.21 3.3.6 溫度測(cè)量電路.23 3.3.7 鍵盤控制電路.23 4 軟件設(shè)計(jì)23 4.1 軟件設(shè)計(jì)的要求.25 4.2 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì).25 4.3 主程序26 4.4 超聲波發(fā)送及接收中斷程序28 4.5 顯示子程序和蜂鳴報(bào)警子程序.30 5 系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試30 結(jié)束語(yǔ)31 致 謝32 參考文獻(xiàn)33 附錄 1 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)34 附錄 2 程序清單.35 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 1 緒論 倒車?yán)走_(dá)又稱泊車輔助系統(tǒng)，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更 為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動(dòng)車輛時(shí) 前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷， 提高了安全性。 超聲波測(cè)距由于其能夠進(jìn)行非接觸測(cè)量和相對(duì)較高的測(cè)量精度，越來(lái)越被 人們所重視。就目前形勢(shì)來(lái)看，汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展將帶動(dòng)倒車?yán)走_(dá)市場(chǎng)的繁 榮。國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)主流市場(chǎng)已經(jīng)開始有進(jìn)口高檔汽車向中低檔汽車發(fā)展。技術(shù) 上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設(shè)備趨于小型化、人性化、智 能化等方向發(fā)展。由此可見(jiàn)，超聲波汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)將會(huì)在人類今后的生活 中扮演越來(lái)越重的角色，為人類的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭） 、控制器和顯示器等 部分組成，現(xiàn)在市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測(cè)距原理，駕駛者在倒車時(shí)， 啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險(xiǎn)杠上的探頭發(fā)送超聲波， 遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號(hào)，得到及時(shí)警示，從 而使駕駛者倒車時(shí)做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。 1.2 設(shè)計(jì)的意義和要求 隨著汽車的迅速增加，停車難已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，狹小的停車場(chǎng)地常常令 有車一族無(wú)所適從，稍不慎，則闖禍，煩事又煩人。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)是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔 助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員駕駛車輛周圍障礙物的情況， 解除了駕駛員泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕 駛員掃除了使用死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。倒車?yán)走_(dá)的發(fā)明 是迫在眉睫的，是必不可少的設(shè)備。 1.1 目前國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)以及使用發(fā)生了質(zhì)的變化。經(jīng)過(guò)這幾年的 發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了六代技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性 能價(jià)格上，這六代產(chǎn)品都各有特點(diǎn)，使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻 鏡倒車?yán)走_(dá)這三種。 第一代：倒車時(shí)通過(guò)喇叭提醒 。 “倒車請(qǐng)注意”！想必不少人還記得這種 聲音，這就是倒車?yán)走_(dá)的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有少部分商用車還在使用。只要 司機(jī)掛上倒檔，它就會(huì)響起，提醒周圍的人注意，從某種意義上來(lái)說(shuō)，它對(duì)駕 駛員并沒(méi)有直接的幫助，不能算真正的倒車?yán)走_(dá)，基本屬于淘汰產(chǎn)品。 第二代：采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。 倒車時(shí)，如果車后 1.8m1.5m 處有障礙物，蜂鳴器就會(huì)開始工作。蜂鳴聲越急， 表示車輛離障礙物越近。但沒(méi)有語(yǔ)音提示，也沒(méi)有距離顯示，雖然司機(jī)知道有 障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn)，對(duì)駕駛員幫助不大。 第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離范圍。這代產(chǎn)品比第二代進(jìn)步很 多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在 1.8m 開始顯示；如果 是人，在 0.9m 左右的距離開始顯示。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(lái)區(qū)別：綠色代表安全距離，表 示障礙物距離有 0.8m 以上；黃色代表警告距離，表示障礙物距離只有 0.6m0.8m；紅色代表危險(xiǎn)距離，表示障礙物距離只有不到 0.6m，必須停止倒 車。 第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實(shí)用，但安裝在車內(nèi)影響美觀。 第四代：液晶屏動(dòng)態(tài)顯示。這一代有一個(gè)質(zhì)的飛躍，特別是熒屏顯示開始 出現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動(dòng)汽車，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)汽車圖案 以及車輛周圍障礙物的距離，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(guò) lcd 顯示外觀雖精巧，靈敏度較高，但抗干擾能力不 強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。 第五代：魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用了最新仿生超 聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測(cè)知 2m 以內(nèi)的障礙物，并 以不同等級(jí)的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)可以把后視 鏡、倒車?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項(xiàng)功能整合在一 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 起，并設(shè)計(jì)了語(yǔ)音功能，是目前市面上最先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。因?yàn)槠渫庑尉?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)后視鏡的位置。而 且顏色款式多樣，可以按照個(gè)人需求和車內(nèi)裝飾選配。 第六代：專為高檔轎車配置的。第六代產(chǎn)品在第五代的基礎(chǔ)上新增了很多 功能：外觀上看，比第五代產(chǎn)品更為精致典雅；從功能上看，它除了具備第五 代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上 觀看 dvd 影像。 2 總體設(shè)計(jì)方案 超聲波 發(fā)射 單 片 機(jī) led 數(shù) 碼管顯 示 鍵盤控制 超聲波 接收 放大比較 圖 2-1 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)總框圖 該設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景是基于 at89c51 的超聲信號(hào)檢測(cè)的。因此初步計(jì)劃實(shí)在 室內(nèi)小范圍的測(cè)試，限定在 2.5 米左右。單片機(jī)（at89c51）發(fā)出短暫的 40khz 信號(hào)，反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此型 號(hào)進(jìn)行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送到 led 顯示電路顯示，本進(jìn)行聲光報(bào) 警1。 其發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有 時(shí)裝在探頭內(nèi)） ，諧振頻率有調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射的超聲脈沖頻帶 較窄。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的 固定參數(shù)決定，頻帶較寬。將一定頻率、隔度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的固 有頻率 40khz，使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說(shuō) 是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越 大，這樣能夠在接受傳感器上接受的回波功率就比較大，對(duì)于接受電路的設(shè)計(jì) 就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但是每一支實(shí)際的發(fā)生傳感器有其工作電壓的極限值，同時(shí) 發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法 來(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 發(fā)射部件的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的 射頻電壓不過(guò)幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。 接收部分就是有兩級(jí)放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成，其中包括雜波抑制電 路。最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)（at89c51）能夠識(shí)別的 中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。 2.1 超聲波測(cè)距 2.1.1 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而 測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t,然后求出距離 s=ct/2，式中的 c 為超聲波波速。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與溫度有關(guān)，表 1 列出了幾種不同溫度下 的聲速。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。如果測(cè) 距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。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。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。圖 2-2 即為 超聲波測(cè)距的具體流程圖。 定時(shí)器 顯示器 振蕩器調(diào)制器 接收檢測(cè)器 電聲換能器 計(jì)時(shí)器 控制 電聲換能器 圖 2-2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖 2.1.2、測(cè)量與控制方法 聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物 體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已 知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到 目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來(lái)。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。 由于此超聲波測(cè)距儀可以實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)距，所以需進(jìn)行測(cè)距選擇，而這個(gè)測(cè) 距選擇就以自動(dòng)選擇功能來(lái)實(shí)現(xiàn). 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 2.1.3、理論計(jì)算 t 2 t 1 圖 2-3 測(cè)距的原理 如圖 2-3 所示為反射時(shí)間，是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波 的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖所示，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn) 為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間 t 利用公式： 2 t cs 其中，s 為被測(cè)距離、v 為空氣中聲速、t 為回波時(shí)間， 21 ttt 可以計(jì)算出路程，這種 方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響 也可以通過(guò)設(shè)置“時(shí)間門”來(lái)加以克服。這樣可以求出距離： 2 21 ttc s 555 時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生 40hz 的超聲波信號(hào)。其振蕩頻率計(jì)算公式如下： 5109 2 43 . 1 crr f 2.1.4 影響精度的因素分析 (1) 發(fā)射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 采用 tr40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40khz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時(shí)，可知由軟件生成的起始時(shí)間對(duì)于一般要求的 精度是可靠的。對(duì)于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過(guò)程中會(huì)有很大 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測(cè)物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程為： （2-1） k ht +ktet +kt 2 0 aacosacos 由以上公式可知，超聲波在傳播過(guò)程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰 減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過(guò)程中衰減很大，收到的回波信號(hào) 可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個(gè)回波確定準(zhǔn)確的接受時(shí)間，必須對(duì)收 到的信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時(shí)間，會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量精度 產(chǎn)生影響。 (2) 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)測(cè)量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)間的影響嚴(yán)重。超 聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： （2-2） s rt c m 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng) 地氣溫可以有效的提高超聲波測(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng) 地聲速的公式如下： （2-3） 0 cc1 t 273 式中 c0=331.4m/s ；t 為絕對(duì)溫度，單位 k。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際情況下，溫度每上 升或者下降 1, 聲速將增加或者減少 0.607m /s ，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的 測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測(cè)量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)?聲速。 對(duì)于時(shí)間誤差主要由發(fā)送計(jì)時(shí)點(diǎn)和接收計(jì)時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確性確定，為了能夠提 高計(jì)時(shí)點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對(duì)發(fā)射信號(hào)和加收信號(hào)通過(guò)校正的方式來(lái) 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。此外，當(dāng)要求測(cè)距誤差小于 1mm 時(shí)，假定超聲波速度 c=344m/s(20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。則測(cè)距誤差 st0.000 002 907s， 即 2.907ms。根據(jù)以上過(guò)計(jì)算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè) 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 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 12 mhz 晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的 at89c51 單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù) 到 1s 的精度，因此系統(tǒng)采用 at89c51 的定一時(shí)器能保證時(shí)間誤差在 1mm 的 測(cè)量范圍內(nèi)。 超聲波的傳播速度主要受空氣密度所的影響，空氣的密度越高則超聲波的 傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。由此可見(jiàn)，測(cè)量精 度與溫度有著直接的關(guān)系，本文采用 ds18b20 溫度傳感器，對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè) 量，并在軟件中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 2.1.5 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì) (1) 溫度校正的方法提高測(cè)距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式 (2-3) 求出 當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測(cè)量精度。而問(wèn)題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的 方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。 為了便于對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用 dalass 公司生產(chǎn)的 ds18b20 集成溫度傳感器。 ds18b20 采用了 dalass 公司的 1-wire 總 線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個(gè) i/o 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線 供電） ，極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在10 85的工作環(huán) 境下可以保持0.5%的使用精度，在這個(gè)空間內(nèi)足以保證為超聲波測(cè)距設(shè)備提 供足夠的精度范圍。 通過(guò) ds18b20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由 1-wire 總線傳至 mcu，由軟件 進(jìn)行聲速換算。為了更好的實(shí)現(xiàn)換算過(guò)程同時(shí)兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用 宏晶公司的最新推出的 stc12c5410 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的各項(xiàng)功能。 stc12c5410 采用了低成本、低功耗、強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)，并且在最高支持 48mhz 的前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個(gè)時(shí)鐘機(jī)械周期的運(yùn)行速度。由于能夠使用高頻率的晶振， 因此相對(duì)于普通單片機(jī)來(lái)說(shuō)可以有效的減少由計(jì)時(shí)問(wèn)題帶來(lái)的量化誤差，能夠 滿足較高精度超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)要求。 (2) 標(biāo)桿校正的方法提高測(cè)距精度 在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時(shí)，如果 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 仍舊要求較高的測(cè)量精度，我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距精度 的校正。標(biāo)桿校正的示意圖如圖 2-4 所示。 t r 基平面（標(biāo)桿）超聲波測(cè)距裝置被測(cè)物 圖 2-4 標(biāo)桿校正的示意圖 超聲波測(cè)距裝置首先測(cè)量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的 時(shí)間，而后由測(cè)得的時(shí)間和距離 h 根據(jù)公式(2-3) 求出當(dāng)?shù)芈曀?。通過(guò)這樣的 方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測(cè)量溫度所帶來(lái)的麻煩。 因此，只用為測(cè)距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測(cè)量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校 正所能實(shí)現(xiàn)的高精度測(cè)距功能。 2.1.6 測(cè)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(lì)傳 感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚 至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測(cè)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(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn) 障礙物，這時(shí)需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有 阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)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)，具體分析如下： 當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短的時(shí)間，但停止施加發(fā)射 信號(hào)后，探頭上還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用） 。因此，在一段較長(zhǎng)的時(shí) 間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定的幅值高度，可以達(dá) 到限幅電路的限幅電平 vm；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻 遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電 路的限幅電平，當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)， 其幅值也愈來(lái)愈小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值 vm， 亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號(hào)放大器有輸入信號(hào)。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 2.2 超聲波傳感器 2.2.1 超聲波傳感器原理及結(jié)構(gòu) 超聲波由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用 于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè) 距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如液位、井深、 管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往北比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到 實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在測(cè)控系統(tǒng)的研 制上得到了廣泛應(yīng)用。 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能 轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。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。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(dòng)力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與 應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例 如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體 動(dòng)力型傳感器稱為“哨”活“笛” 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、接 頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是 超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶 體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。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)。所以，只要 對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此， 用這種材料可以制成超聲傳感器。 傳感器的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(lì)后產(chǎn)生 振動(dòng)，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(shí)，晶片受迫振 動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射， 后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。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。 在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外 加電壓的大小和方向成正比的。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。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械 變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻 率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 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 2-5 所示，它有兩個(gè)壓電晶片的一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩級(jí)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)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振， 并帶動(dòng)共振板的振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩級(jí)間為外加電壓，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)化為電信號(hào)，這時(shí)它 就成為超聲波傳感器。 壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。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。這樣，超聲傳感器才 有較高的靈敏度。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。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感 器。 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。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不 影響發(fā)射與接收超聲波。 壓電晶片 電極 圖 2-5 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 2.2.2 超聲波傳感器的特性 共振板 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的傳 感器 szw-s40-12m 發(fā)射型超聲波傳感器的特性為例加以說(shuō)明。 （1） 頻率特性 圖 2-6 超聲波傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度 圖 2-6 是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度。其中，40khz 處為超聲 波發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40khz 處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波 最強(qiáng)，也就是說(shuō)在 40khz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在 40khz 兩側(cè)， 聲壓能級(jí)迅速衰減。其頻率特性如圖 2-7 所示。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定 要使用非常接近中心頻率 40khz 的交流電壓來(lái)激勵(lì)。 圖 2-7 超聲發(fā)射傳感器頻率特性 另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 40khz 處曲線最尖銳，輸出電信號(hào)的振幅最大，即在 40khz 處接收靈敏度最高。 因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 性曲線和輸出端外接電阻 r 也有很大關(guān)系，如果 r 很大，頻率特性是尖銳共振 的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果 r 較小，頻率特性變得光滑而且 有較寬的帶寬，同時(shí)靈敏度以隨之降低。并且最大靈敏的向稍低的頻率移動(dòng)。 因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能有較高的接 收靈敏度?？紤]到實(shí)際工程測(cè)量的要求，可以選用超聲波頻率 f = 40khz，波長(zhǎng) = 0.85cm。 （2） 指向特性 實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看 成一個(gè)振蕩器，輻射出一個(gè)半球而波（子波） ，這些子波沒(méi)有指向性。但離開超 聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射） ，卻有指向性。超 聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0 度時(shí)電壓最大， 角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為 40 度到 80 度，本設(shè) 計(jì)要求傳感器的指向角為 75 度。圖 2-8 是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性 及結(jié)構(gòu)。 圖 2-8 超聲波傳感器指向特性及結(jié)構(gòu) 2.2.3 超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng) 用之一，以醫(yī)學(xué)為例子說(shuō)明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主 要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的 優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。 因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī) 學(xué)原理，其中有代表性的一種所謂的 a 型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn) 生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè) 界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。 過(guò)去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的 出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上， “悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技 術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。 遙控開關(guān)超聲波遙控開關(guān)可控制家用電器及照明燈。采用小型超聲波傳感 器（12-16),工作頻率在 40khz,遙控距離約 10 米.遙控器的發(fā)送，這是由 555 時(shí)基電路組成的振蕩器,調(diào)整 10k 電位器，使振蕩頻率為 40khz，傳感器 接在腳接下按鈕時(shí)，發(fā)送出超聲波，接收電路。電源由 220v 經(jīng)電容降壓、 整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得 12v 工作電壓。由于是非隔離電源，要整個(gè)電路用塑 料外殼封裝，以防觸電（在調(diào)試時(shí)也應(yīng)注意） 。信號(hào)由超聲波接收器接收，經(jīng) q1、q2 放大（l、c 諧振槽路調(diào)諧在 40khz） 。放大后的信號(hào)去觸發(fā)由 q3、q4 組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，q5 及 led 作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。由于雙 穩(wěn)態(tài)在開機(jī)時(shí)有隨機(jī)性，故加一清零按鈕。q5 輸出的觸發(fā)信號(hào)使雙向可控硅導(dǎo) 通，負(fù)載接通。要負(fù)載斷路，則要按一次發(fā)送鈕。 液位指示及控制器由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從 液面反射回來(lái)的信號(hào)大小與液位有關(guān)，液面位置越高，信號(hào)越大；液面越低則 信號(hào)就小。接收到的信號(hào)經(jīng) bg1、bg2 放大，經(jīng) d1、d2 整流成直流電壓。當(dāng) 4.7k 上的電壓超過(guò) bg3 的導(dǎo)通電壓時(shí)，有電流流過(guò) bg3，電流表有指示， 電流大小與液面有關(guān)。當(dāng)液位低于設(shè)置值時(shí)，比較器輸出為低電平。bg 不導(dǎo) 通，若液位升到規(guī)定位置，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平。bg 導(dǎo)通，j 吸合，可通 過(guò)電磁閥將輸液開關(guān)關(guān)閉，以達(dá)到控制的目的（高位控制） 。 3 硬件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、溫度補(bǔ)償電 路、聲報(bào)警電路、鍵盤控制電路、單片機(jī)硬件接口電路及顯示報(bào)警電路組成， 該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 at89c51 單片機(jī)，下面分步介紹各硬件部分 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 的具體設(shè)計(jì)分析。 3.1 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個(gè)部分，充實(shí)吧 探頭（又稱“超聲波換能器” ）選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn) 生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生 40khz 的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng) 器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件， 靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流 100ma 以上的驅(qū)動(dòng)電路。第二種方法是利 用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn) 生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，但缺點(diǎn)是靈活性低。本設(shè)計(jì)采用 第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)。40khz 的超聲波是利用 lc 震蕩電路振蕩產(chǎn) 生的，其振蕩頻率計(jì)算公式如下： 脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 at89s51 的 p1.0 口發(fā)射 40 khz 的方波信號(hào)， 經(jīng)過(guò) 74hc04 放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。74ls04 是一個(gè)高速 cmos 六反相器，具有放大作用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于 lsttl 邏輯 ic，它的功耗減少很多。對(duì)于 hc 類型，其工作電壓為 26 v，它 具有高抗擾度，可以兼容直接輸入 lsttl 邏輯信號(hào)和 cmos 邏輯輸入等特點(diǎn)。 本系統(tǒng)將 40 khz 方波信號(hào)分成兩路，分別由 74ls04 經(jīng)兩次和一次反向放大， 從而構(gòu)成推拉式反向放大。電路圖如圖 3-1 所示。發(fā)射電路主要由反向器 74ls04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) p1.0 端口輸出 40khz 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。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可 以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力， 上拉電阻 r8、r9 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，縮短其自由振蕩的時(shí)間。 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， 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 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。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 用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 u 4a 74a l s04 u 4b 74a l s04 u 4c 74a l s04 u 4d 74a l s04 u 4e 74a l s04 l s1 t x(f) r8 1k r9 1k v cc p10 圖 3-1 超聲波發(fā)射電路 3.2 超聲波檢測(cè)接收電路 3.2.1 集成電路 cx20106a 集成電路 cx20106a 是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視紅外遙控器。 常用的載波頻率 38khz 與測(cè)距的 40khz 較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。 適當(dāng)?shù)母淖?c3 的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。 cx20106a(國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品型號(hào)為 d20106a)是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙 控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電 器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。這種 ic 性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信 號(hào)接收器 ic 相同或相似，故可用來(lái)代換多種型號(hào)的遙控信號(hào)接收集成電路。 cx20106a 可用來(lái)完成遙控信號(hào)，cx20106a 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外解調(diào) 集成電路，采用 8 腳單列直插式塑料超小型封裝，+5v 供電，內(nèi)部含可前置放 大、自動(dòng)偏置、限幅放大、通帶攄波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出 等電路。其主要功能是從 38khz 紅外載波信號(hào)中，將編碼信號(hào)解調(diào)出來(lái)，并加 以放大和整形，然后再送到微處理器(cpu)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)遙控操作功能，其 具體引腳圖如圖 3-2 所示。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 圖 3-2 集成電路 cx20106a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 cx20106a 的引腳注釋： （1）l 腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40k。 （2）2 腳：該腳與 gnd 之間連接 rc 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的 一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增 大電阻 r 或減小 c，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù) 增大。但 c 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦 選用參數(shù)為 r=4.7，c=3.3f。 （3）3 腳：該腳與 gnd 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間 相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸 出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 3.3f。 （4）4 腳：接地端。 （5）5 腳：該腳與電源端 vcc 接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心 頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 r=200k 時(shí)，fn42khz， 若取 r=220k，則中心頻率 f038khz。 （6）6 腳： 該腳與 gnd 之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pf，如果該 電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 （7）7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須 接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22k，沒(méi)有接收信號(hào)時(shí)該 端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。 （8）8 腳： 電源正極，4.5v5v。 3.2.2 超聲波接收電路 超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部 分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì) 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 采用與發(fā)射端同型號(hào)的壓電式超聲波傳感器，否則將因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接 收效果，甚至無(wú)法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須 經(jīng)放大電路進(jìn)行放大。 超聲波接收部分采用集成芯片 cx20106a，這是一款紅外線檢波接收的專 用芯片。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?？梢岳盟鳛槌暡z測(cè)電路。 （1） 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超聲波在空氣中直線傳輸 時(shí)，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，故反射回來(lái)的超聲波信號(hào)的幅值會(huì)有 很大的變化。為了不使放大器的輸出信號(hào)過(guò)強(qiáng)而產(chǎn)生失真，集成塊內(nèi)部有自動(dòng) 電平限制電路，對(duì)前置放大器的增益進(jìn)行自動(dòng)限制。通過(guò)反饋將放大器設(shè)定于 適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進(jìn)行自動(dòng)控制。 （2） 限度放大器：當(dāng)信號(hào)太強(qiáng)時(shí)為了防止放大器過(guò)載，限制高電平振幅， 同時(shí)也可消除寄生調(diào)幅干擾。 （3） 寬頻帶濾波器：其頻率范圍為 30hz60hz，其中心頻率可調(diào)。 （4） 檢測(cè)器：將返回的超聲波的包絡(luò)解調(diào)回來(lái)。 （5） 積分濾波器與整形電路：檢測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)積分濾波器送到整形 電路，輸出較好的矩形波。- 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)。cx20106a 的外部接線圖如圖 3-3 所示： in 1 c1 2 c2 3 g nd 4 f0 5 c3 6 o ut 7 v cc 8 r17 cx20106a l s3 rx(s) c9 473 r144.7k + c17 10uf/50v + c10 10uf/50v r15 200k r16 200k c6330pf v cc c1 104 p32 超聲波接收電路 圖 3-3 超聲波檢測(cè)接收電路圖 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 3.3 超聲波顯示及控制部分電路 3.3.1 at89c51 單片機(jī)的原理及工作特點(diǎn) 5l 系列單片機(jī)中典型芯片(at89c51)采用 40 引腳雙列直插封裝(dip)形式， 內(nèi)部由 cpu，4kb 的 rom，256 b 的 ram，2 個(gè) 16b 的定時(shí)計(jì)數(shù)器 t0 和 t1，4 個(gè) 8 b 的 i/o 端 i：ip0，p1，p2，p3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特 別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 flash 可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(eprom)，使其在 實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中 更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 3-4 所示。 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0(rx d ) 10 p3.1(tx d ) 11 p3.2(int 0) 12 p3.3(int 1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p3.6(wr) 16 p3.7(rd ) 17 x ta l 2 18 x ta l 1 19 g nd 20 p2.0/(a8) 21 p2.1/(a9) 22 p2.2/(a10) 23 p2.3/(a11) 24 p2.4/(a12) 25 p2.5/(a13) 26 p2.6/(a14) 27 p2.7/(a15) 28 pse n 29 a le /pro g 30 e a/v pp 31 p0.7/(ad 7) 32 p0.6/(ad 6) 33 p0.5/(ad 5) 34 p0.4/(ad 4) 35 p0.3/(ad 3) 36 p0.2/(ad 2) 37 p0.1/(ad 1) 38 p0.0/(ad 0) 39 v cc 40a t89c51 圖 3-4 at89c51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)及引腳圖 5l 系列單片機(jī)提供以下功能：4 kb 存儲(chǔ)器；256 bram；32 條 i/o 線；2 個(gè) 16b 定時(shí)計(jì)數(shù)器；5 個(gè) 2 級(jí)中斷源；1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。 空閑方式：cpu 停止工作，而讓 ram、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系 統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 ram 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直 到下一次硬件復(fù)位。 5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用 他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 3.3.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的 回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 sct/2，式中的 c 為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反 射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器 對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范 圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的 設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 c 與溫度有關(guān) 3.3.3 壓電陶瓷超聲波傳感器 (tcf40-18tr1) 圖 3-5 壓電陶瓷超聲傳感器 (1) 適用范圍 家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝置；超聲測(cè)距及汽車倒車防撞裝 置；液面探測(cè)；超聲波近接開關(guān)及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。 (2) 命名方法 tcf4018tr1 tc壓電陶瓷超聲傳感器；f類別；t通用性；f防水性；40中心 頻率 khz ；18外徑 （mm） ；tr使用方式；t發(fā)射；r接受；tr 收發(fā)兼用 ；1產(chǎn)品序列號(hào)：1、2、3 (3) 產(chǎn)品