超聲測(cè)距—汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)學(xué)位論文

1、太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)學(xué) 位 論 文超聲測(cè)距汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)作 者 姓 名： 學(xué) 科 專 業(yè)： 通信工程 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 教授 完 成 日 期： 太原工業(yè)學(xué)院taiyuan institute of tecv太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)35誠(chéng)信申明本人申明：本人所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）超聲測(cè)距汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)的所有材料是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立研究、寫(xiě)作、完成的成果，設(shè)計(jì)（論文）中所引用他人的無(wú)論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在設(shè)計(jì)（論文）中加以說(shuō)明；有關(guān)教師、同學(xué)和其他人員對(duì)我的設(shè)計(jì)（論文）的寫(xiě)作、修訂提出過(guò)并為我在設(shè)計(jì)（論文）中加以采納的意見(jiàn)、建議，均已在我的致謝

2、辭中加以說(shuō)明并深致謝意。本設(shè)計(jì)（論文）和資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。特此申明。本人簽名： 2013年06月09日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)（論文）題目： 超聲測(cè)距汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 系部： 電子工程系 專業(yè)： 通信工程 學(xué)號(hào)： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師（含職稱）： 專業(yè)負(fù)責(zé)人： 1設(shè)計(jì)（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的

3、方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。現(xiàn)階段聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無(wú)庸置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。主要任務(wù)：提高超聲波測(cè)距精度，減小測(cè)量盲區(qū)和擴(kuò)大應(yīng)用范

4、圍。目標(biāo)：通過(guò)超聲波的發(fā)送和接收的時(shí)間差側(cè)得距離，通過(guò)led顯示測(cè)得的距離。利用超聲波的指向性強(qiáng)、能量消耗慢、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)生活中很多場(chǎng)合如汽車倒車、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距的工作2設(shè)計(jì)（論文）的基本要求和內(nèi)容基本要求：1）進(jìn)行方案分析論證，原理綜述，方法擬定。2）進(jìn)行器件選擇，電路設(shè)計(jì)與制作工作并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào).內(nèi)容：了解超聲波測(cè)距儀的原理；根據(jù)超聲波測(cè)距儀原理設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路；對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法實(shí)現(xiàn)測(cè)距；編寫(xiě)主程序和中斷服務(wù)程序；以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離；總體分析設(shè)計(jì)方

5、案。3主要參考文獻(xiàn)1 張永瑞. 電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)m . 西安電子科技大學(xué)出版社, 1994.2 汪德彪. mcs - 51單片機(jī)原理及接口技術(shù)m . 電子工業(yè)出版社, 2007.3 徐英慧,等. arm 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于s3c2410 與linuxm . 北京航空航天大學(xué)出版社, 2007.4 孫瓊. 嵌入式l inux應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)詳解m . 人民郵電出版社, 2006.5 馬忠梅,李善平,等. arm&l inux嵌入式系統(tǒng)教程m . 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.6 王其民. l inux實(shí)務(wù)操作及程序應(yīng)用m . 中國(guó)青年出版社, 2001.7 張謙琳.超聲波檢測(cè)原理和方法

6、.北京：中國(guó)科技大學(xué)出版社，1993.108 九州.放大電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè).沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.59 樊昌元，丁義元. 高精度測(cè)距雷達(dá)研究.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2000.1010 蘇偉，鞏壁建.超聲波測(cè)距誤差分析.傳感器技術(shù)，2004.11 永學(xué)等.1-wire總線數(shù)字溫度傳感器ds18b20及應(yīng)用.電子產(chǎn)品世界，2003.1212 勝全.d18b20數(shù)字溫度計(jì)在微機(jī)溫度采集系統(tǒng)中的序編制. 南京：南京大學(xué)出版，1998. 313 m.toda.cylindrical pvdf film transmitter and receivers for air ultrasound.i

7、eee trans ultrasonic? ferroelect.，freq.contl，200214 e.maioneetal.transducerdesign for portable ultrasound enhanced transdermaldrug-delivery system.ieee trans.ultrasonic ferroelect.，freq.contr.，200215 hongjianghe jianyi liu.the design of ultrasonic distance measurement system based on s3c2410c.2008 i

8、nternational conference on intelligent computation technology and automation16 wkappes, b rockstroh, f walte. ultrasonic testing station for wheel-sets of passenger trains of the deutshe bahn ag.insight.2001,43(11):751 -75317 m.parrilia, j: j. anaya, c. fritsch. digital signal processing techniques

9、for high accuracy ultrasonic range measurementsj, ieee trans on instrumentation and measurement, aug. 2002:759-7634進(jìn)度安排設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起 止 日 期1超聲波測(cè)距的基本理論及測(cè)量方案3.43.242超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.254.203超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.215.154測(cè)距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與誤差分析5.166.85結(jié)論與展望6.96.20超聲波測(cè)距汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距，可用作汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音和更為直觀的led 顯示告知駕駛員汽車周圍

10、障礙物的情況，解除了駕駛員在泊車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的煩擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了泊車安全性。本設(shè)計(jì)硬件部分主要由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、數(shù)碼管顯示電路、電源電路和報(bào)警電路組成，軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)射接收子程序、距離計(jì)算子程序及顯示子程序等部分組成。本設(shè)計(jì)由at89c2051單片機(jī)控制時(shí)間計(jì)數(shù)，計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間，利用超聲波在空氣中的傳輸速度，從而得到實(shí)測(cè)距離。該設(shè)計(jì)的電路設(shè)計(jì)合理簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量誤差方面能夠達(dá)到簡(jiǎn)單工業(yè)實(shí)用的要求。關(guān)鍵詞：at89c

11、2051，超聲波，數(shù)碼管，汽車倒車car reversing radar design abstractthis design uses the ultrasonic ranging, can be used for car parking safety auxiliary devices, to sound and more ocular led display told the driver of the car around obstacles, lifting the driver in the parking and starting vehicles around when vis

12、iting caused the trouble, and help eliminate the vision blind angle and the driver of sight fuzzy defects, improve the safety car parking.the design of hardware mainly by single-chip microcomputer control circuit, ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, digital circuit, the pipe display ci

13、rcuit and alarm circuit composition, the software of mainly by the main program, ultrasound receiving interruption program, distance subroutines and display subroutines components. this design by single chip microcomputer at89c2051 control time count, the calculation to receive from launch ultrasoni

14、c round-trip time, use of ultrasonic transmission speed in the air, so as to get the distance. the design of the circuit design simple, reasonable stable and good performance, test speed, simple calculation, easy to do real-time control, and in the measurement error can achieve simple industrial pra

15、ctical requirement.key words: at89c2051 ，ultrasonic，digital tube，automobile reverse目 錄1.緒論11.1課題研究背景及目的11.2課題國(guó)內(nèi)外研究狀況11.3系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)與論證32.超聲波基本發(fā)展史及原理52.1超聲波發(fā)展簡(jiǎn)史52.2超聲波的應(yīng)用62.3超生波測(cè)距方法93.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)113.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖113.2硬件選型113.2.1超聲波探頭的中心頻率及主要參數(shù)113.2.2單片機(jī)的選擇133.2.3其他元器件的選擇144.硬件電路設(shè)計(jì)154.1單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)154.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)154

16、.3超聲波接收電路設(shè)計(jì)164.3.1cx2016a簡(jiǎn)介164.3.2超聲波接收電路164.4led顯示電路194.5報(bào)警電路設(shè)計(jì)205.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)225.1 程序完成的功能225.2 編程語(yǔ)言的選擇225.3 主要部分程序流程圖.235.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序的分析.23 5.4.1實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能.23 5.4.2實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速.25 5.4.3實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算.25 5.4.4 主函數(shù)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容.256.結(jié)論.29參考文獻(xiàn).31致謝.33附錄.34緒論1.1課題研究背景及目的隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，可以被人類很好掌握的測(cè)距方法還

17、為數(shù)不多，因此，超聲波測(cè)距就成為一個(gè)逐步蒸蒸日上而又有巨大潛力的技術(shù)手段及應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)未來(lái)做合理預(yù)測(cè)，超聲波測(cè)距儀將成為一種嶄新的極其實(shí)用的測(cè)距儀器，在很多領(lǐng)域都將有很大的發(fā)展空間，更加高定位高精度將成為其方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需要，如倒車?yán)走_(dá)，工地及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，聲納探測(cè)等方面都有其廣泛的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)，軍事，文化方面都有重要的應(yīng)用價(jià)值。毋庸置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將于自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀從具有單純判斷動(dòng)能，發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。隨著社會(huì)飛速發(fā)展，人們生活水平

18、的不斷提高，汽車愈來(lái)愈成為人們不可缺少的最常用的交通工具，交通安全問(wèn)題變的日益嚴(yán)重。而通過(guò)研究汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，可以達(dá)到很高的采集速率和精度。汽車倒車時(shí)可以檢測(cè)車輛后面的障礙物、并顯示其距離，至危險(xiǎn)區(qū)域后會(huì)自動(dòng)報(bào)警。本設(shè)計(jì)綜合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等知識(shí)，設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制的汽車倒車?yán)走_(dá)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車倒車的安全保障，這就是我設(shè)計(jì)的意義。1.2課題國(guó)內(nèi)外研究狀況我國(guó)倒車?yán)走_(dá)從2000年開(kāi)始起步，從最初只是法拉利、保時(shí)捷等高檔車的專屬配置，到今天成為許多經(jīng)濟(jì)型轎車的常用配置。歷經(jīng)十多年的探索發(fā)展，共計(jì)有六代的技術(shù)改良發(fā)生，根據(jù)其“性能價(jià)格”和“結(jié)構(gòu)外觀”，這幾代產(chǎn)品分別有以

19、下特點(diǎn)第一代：倒車時(shí)通過(guò)喇叭提醒。“倒車請(qǐng)注意、倒車請(qǐng)注意!”，想必不少人還記得這種聲音。現(xiàn)在第一代的倒車?yán)走_(dá)只有小部分大卡車、泥頭車在使用。只要司機(jī)掛上倒車檔，喇叭就會(huì)響起，提醒周圍的人注意。從某種意義上說(shuō)，這對(duì)司機(jī)并沒(méi)有直接的幫助，不是真正的倒車?yán)走_(dá)，只是在提示路人小心。該類產(chǎn)品價(jià)格便宜，但基本屬于淘汰產(chǎn)品。 第二代：采用蜂鳴器產(chǎn)生不同聲音來(lái)提示駕駛員。在倒車時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀、嘀”的響聲，這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開(kāi)始。倒車時(shí)在車后一定距離內(nèi)有障礙物，蜂鳴器就會(huì)開(kāi)始工作，蜂鳴聲音越急，表示車輛離障礙物越近。因?yàn)闆](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體有多

20、遠(yuǎn)，所以對(duì)駕駛員幫助不大。第三代：數(shù)碼波段顯示的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。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。顯示車后障礙物和車體之間距離的方式有兩種：一種是數(shù)字顯示方式，通過(guò)led顯示車體與障礙物間的距離；另一種是用顏色來(lái)區(qū)別：綠色代表安全距離，黃色代表警告距離，紅色代表危險(xiǎn)距離。這一代倒車?yán)走_(dá)已經(jīng)比較先進(jìn)了，缺點(diǎn)是精確度不高、安裝不美觀。第四代：液晶熒屏動(dòng)態(tài)顯示。這一代的倒車?yán)走_(dá)有一個(gè)質(zhì)的飛躍，可以看清車體與障礙物之間的實(shí)際距離和其圖像效果。此類倒車?yán)走_(dá)不用掛倒車檔，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(pán)上，安

21、裝很方便。但這一代的產(chǎn)品靈敏度不太高，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2米以內(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)功能整合在一起，并設(shè)計(jì)了語(yǔ)音功能。這一代倒車?yán)走_(dá)的功能較多，但成本也比較高。第六代：整合影音系統(tǒng)。這一代倒車?yán)走_(dá)是專門(mén)為高檔轎車生產(chǎn)的。從外觀上來(lái)看，它比第五代倒車?yán)走_(dá)更為精致典雅；從功能上來(lái)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

22、器上觀看dvd影像，但相應(yīng)的成本也更高。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品主要由國(guó)外公司占據(jù)著。國(guó)內(nèi)一些公司雖然也推出了相應(yīng)的倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品，但在質(zhì)量上、市場(chǎng)份額上都無(wú)法與國(guó)外廠商相比擬。一些核心元器件，國(guó)內(nèi)相同產(chǎn)品達(dá)不到國(guó)外水平或者無(wú)法生產(chǎn)。在倒車?yán)走_(dá)等輔助倒車研究領(lǐng)域，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的此項(xiàng)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他國(guó)家。汽車信息化技術(shù)研究在這些國(guó)家發(fā)展較早，更何況又在在微電子、半導(dǎo)體領(lǐng)域同樣具備很多優(yōu)勢(shì)。所以，車載電子設(shè)備在這些國(guó)家或地區(qū)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，已經(jīng)相當(dāng)程度的普及了高科技車載電子設(shè)備。汽車工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)輔助倒車領(lǐng)域產(chǎn)生立極大影響，很多國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)了停車入位導(dǎo)航設(shè)備。奔馳車廠

23、已經(jīng)在使用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)來(lái)輔助駕駛員更快捷更安全地停車入庫(kù)。經(jīng)過(guò)路線上的停車空位可以被導(dǎo)航雷達(dá)探測(cè)器準(zhǔn)確的探測(cè)出，同時(shí)向駕駛者發(fā)出signal。此時(shí)，探測(cè)器可以為駕駛者顯示出合理空位?？v觀完整停車過(guò)程，駕駛者換到倒檔后，導(dǎo)航裝置會(huì)從頭到尾地監(jiān)測(cè)汽車的角度和位置。倘若駕駛員暫停倒車，導(dǎo)航系統(tǒng)也可以重新計(jì)算出新的最佳停車角度與路線。在日本，斯巴魯公司研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)完全做到可以準(zhǔn)確地自動(dòng)停車。在導(dǎo)航系統(tǒng)確認(rèn)一個(gè)合理的停車位以后，只要駕駛者切換到倒檔，儀表盤(pán)就會(huì)開(kāi)始顯示汽車背部的攝像裝備傳送過(guò)來(lái)的汽車后面的圖像。這時(shí)，駕駛員只需要確認(rèn)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的停車位置。這以后，就能夠松開(kāi)剎車、方向盤(pán)，保持合理的

24、速度。由這里開(kāi)始，停車過(guò)程便由配備了超聲波雷達(dá)和攝像頭的停車導(dǎo)航系統(tǒng)完全控制。倘若駕駛者想要暫停停車程序，就只需踩下腳剎就可以實(shí)現(xiàn)中斷。并且現(xiàn)在某些高檔車上已經(jīng)開(kāi)始逐步安裝使用這款裝置。1.3系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)與論證由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本設(shè)計(jì)屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量汽車倒車時(shí)的安全距離，當(dāng)車輛與后方車輛的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，

25、并顯示車輛與后方車輛的距離，提醒駕駛員及時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車輛與后方車輛的碰撞等事故。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、51單片機(jī)控制系統(tǒng)、距離顯示等設(shè)備組成。 “利用超聲波的發(fā)射和接受” 是超聲波測(cè)距的原理，距離=超聲波傳播時(shí)間*超聲波速度?？杀粚?shí)際應(yīng)用的超聲測(cè)距方法一般有兩種：一種是發(fā)射波抵達(dá)物體后，然后被反射回來(lái)后再接收的反射波方式，常應(yīng)用于測(cè)距儀；另一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，一端接收的直接波方式。本設(shè)計(jì)采用第一種方法。超聲波傳感器的選擇決定了測(cè)距儀的分辨率。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，經(jīng)常使用的材質(zhì)是壓電陶瓷。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鞑r(shí)會(huì)有一定程度的

26、衰減，衰減的程度與頻率的高低是正相關(guān)關(guān)系；而頻率高分辨率也高，所以短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)該選擇頻率高的傳感器，但是長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)該使用低頻率的傳感器。2.超聲波基本發(fā)展史及原理2.1超聲波發(fā)展簡(jiǎn)史意大利科學(xué)家斯帕拉捷習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步。他常?？吹?，很多蝙蝠靈活的在空中飛來(lái)飛去，卻從不會(huì)撞到墻壁上。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？為了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列試驗(yàn)。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能準(zhǔn)確地分辨障礙物。只有當(dāng)耳朵被堵住時(shí)，蝙蝠就不能分辨障礙物。斯帕拉捷的實(shí)驗(yàn)，揭開(kāi)了蝙蝠飛行的秘密。后來(lái)人們繼續(xù)研究，終于弄清了蝙蝠“超聲定位”的原理

27、原來(lái)，蝙蝠通過(guò)喉部器官發(fā)出人聽(tīng)不見(jiàn)的“超聲波”，這種“波”沿著直線傳播，根據(jù)反射原理，同樣可以極快的反射過(guò)來(lái)。蝙蝠再用耳朵接收這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，完成滿足自身要求的各種活動(dòng)。當(dāng)然，以上的故事是個(gè)美麗的楔子。真正超聲波的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲波技術(shù)的歷史篇章。1883年galton首次制成超聲波氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過(guò)狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和夜哨

28、等機(jī)械型超聲波換能器。20世紀(jì)初，由于電子學(xué)的發(fā)展，人們可以應(yīng)用一些材料的“壓電效應(yīng)”和“磁致伸縮效應(yīng)”制造各種“機(jī)電換能器”。1917年，法國(guó)物理家朗之萬(wàn)利用天然壓電石英制作成功了“夾心式超聲換能器”，并成功地將其應(yīng)用于水下探測(cè)潛艇。伴隨著超聲應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事各部門(mén)中的不停發(fā)展，又出現(xiàn)更大、性能更好的超聲功率的磁致伸縮換能器，還出現(xiàn)了各種種類不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種“超聲換能器“。人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會(huì)利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來(lái)探測(cè)水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。40年代末期超聲波治療在歐美興起，直到1949年召開(kāi)的首屆國(guó)際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才第一

29、次出現(xiàn)了超聲治療方面的學(xué)術(shù)交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了較為系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲波技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)，以后到了60年代醫(yī)生們開(kāi)始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測(cè)。直到1956年第二次國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上才有更多有新見(jiàn)解的論文發(fā)表，超聲治療才真正進(jìn)入到實(shí)用成熟階段。材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用頻率非常高的壓電換能器也由最初的天然壓電晶體發(fā)展到價(jià)格低廉、性能優(yōu)越、機(jī)電耦合系數(shù)高的塑料壓電薄膜(pvdf)、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體以及人工壓電單晶等。產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波的頻率，也由幾十千赫上升到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由最初單純的縱波發(fā)展擴(kuò)大為扭轉(zhuǎn)波、橫

30、波、表面波、彎曲波等。例如頻率為幾十兆赫至上千兆赫的微型表面波都已成功地應(yīng)用于成像技術(shù)、電子通信和雷達(dá)等方面。如今，超聲波已廣泛應(yīng)用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。2.2超聲波的應(yīng)用由于超聲波在物理化學(xué)方面的獨(dú)特特性，所以超聲波在許多方面都有廣泛的應(yīng)用。歸結(jié)起來(lái)，超聲波主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：(1) 在檢驗(yàn)方面的應(yīng)用超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過(guò)不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢

31、查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波來(lái)，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷位置和大小。超聲波測(cè)厚，是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來(lái)進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)長(zhǎng)來(lái)確定被測(cè)材料的厚度。超聲測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射到接收的時(shí)間長(zhǎng)短計(jì)算出障礙物到發(fā)射點(diǎn)的距離長(zhǎng)短。超聲測(cè)距主要應(yīng)用場(chǎng)合有：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、建筑工地、倒車入庫(kù)等的距離長(zhǎng)短測(cè)量，雖然當(dāng)前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米數(shù)量

32、級(jí)，但是測(cè)量的精度卻僅能達(dá)到厘米。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)，把由換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)過(guò)聲透鏡聚焦到不透明的試樣上面，從試樣透射出的超聲波攜帶了被照射部位的信息（如對(duì)聲波的吸收、散射和反射的能力大小），經(jīng)聲透鏡匯集到壓電接收器上，然后將電信號(hào)輸入至放大器，應(yīng)用掃描系統(tǒng)可以把不透明試樣的形象顯示到熒光屏上。上面所描述的裝置叫做超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療檢查方面獲得非常廣泛的應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來(lái)對(duì)lsi進(jìn)行檢測(cè)，在材料科學(xué)中用于顯示合金中晶粒間界和不同組分的區(qū)域等信息?！奥暼⑿g(shù)”是應(yīng)用超聲波干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像聲成像技術(shù)，它的原理和光波的全息

33、術(shù)基本原理一樣，不同的地方是兩者的記錄手段不同。 (2) 在超聲處理方面的應(yīng)用利用超聲的機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、理化效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門(mén)獲得了廣泛應(yīng)用。 超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波焊接主要分超聲波塑料焊接和超聲波金屬焊接，超聲波塑料焊接具有焊接速度快，焊接強(qiáng)度高、密封性好的優(yōu)點(diǎn)；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點(diǎn)在于快速、節(jié)能、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無(wú)火花、接近冷態(tài)加工。針對(duì)所有的應(yīng)用市場(chǎng)，超音波焊接其

34、特有的優(yōu)點(diǎn)快捷、高效、清潔和牢固，贏得了各行各業(yè)的認(rèn)可，在汽車、家電、包裝、玩具業(yè)、電子等行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對(duì)液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。目前所用的超聲波清洗機(jī)中，空化作用和直進(jìn)流作用應(yīng)用得更多。超聲波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清潔度高，不須人手接觸清洗液，安全可靠，對(duì)工件表面無(wú)損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場(chǎng)地和人工等諸多優(yōu)點(diǎn)。超聲波清洗方式超過(guò)一般的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復(fù)雜像一些表面凹凸不平、有盲孔的機(jī)械零部件，一些特別小而對(duì)請(qǐng)潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機(jī)

35、械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達(dá)到很理想的效果。超聲波技術(shù)在醫(yī)療方面的獨(dú)特療效已得到醫(yī)學(xué)界的普遍認(rèn)可，并越來(lái)越被臨床重視和采用。超聲波治療時(shí)將超聲波能量作用于人體病變部位，以達(dá)到治療疾患和促進(jìn)機(jī)體康復(fù)的目的。超聲波的機(jī)械作用可軟化組織，增強(qiáng)滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨(dú)特的治療意義。超聲溫?zé)嵝?yīng)可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織為顯著，脂肪與血液為最少。超聲波治療以療效獨(dú)特，長(zhǎng)期治療無(wú)毒副作用的安全特性見(jiàn)長(zhǎng)，在肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)、心腦血管疾病治療方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其體外無(wú)創(chuàng)

36、的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運(yùn)用。(3) 在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用超聲學(xué)是研究超聲的科學(xué)，它是聲學(xué)的一個(gè)重要分支。超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單、也最普通的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，它和其他形式的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。超聲振動(dòng)本身就是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要途徑。20世紀(jì)40年代起，人們?cè)谘芯棵劫|(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時(shí)，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過(guò)程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉(zhuǎn)換的熱弛豫，分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)弛豫等過(guò)程）

37、及微觀諧振過(guò)程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關(guān)系，通過(guò)物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這些方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點(diǎn)陣熱振動(dòng)的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能聲子來(lái)研究原子間的相互作用、能量傳遞等問(wèn)題是十分有意義的。通過(guò)對(duì)甚高頻超聲聲速和衰減的測(cè)定，可以了解聲波與點(diǎn)陣振動(dòng)的相互關(guān)系及點(diǎn)陣振動(dòng)各模式之間的耦合情況，還可以用來(lái)研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過(guò)程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門(mén)新分支學(xué)科量子聲學(xué)也正

38、在形成。超聲學(xué)是一門(mén)應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從它一百多年來(lái)的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、超聲學(xué)材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時(shí)，超聲學(xué)的發(fā)展又為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超聲學(xué)仍是一門(mén)年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問(wèn)題，對(duì)許多超聲波應(yīng)用的機(jī)理還未徹底了解，況且實(shí)踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問(wèn)題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)是在不斷地向前發(fā)展著。2.3超生波測(cè)距方法超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同

39、時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)。在

40、使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。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)距儀的基本原理。如圖1所示。圖1 （2-1） （2-2）式中:l-兩探頭之間中心距離的一半。又知道超聲波傳播的距離為: (2-3)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(shí)間。將（22）、（23）代入（2-1）中得： (2-4)cos21harctgvth=l1其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度t=20度時(shí),v=344m/s)；

41、當(dāng)需要測(cè)量的距離h遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于l時(shí),則(24)變?yōu)? (2-5) vth2=所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離h。3.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)以at89c51單片機(jī)為核心，通過(guò)掃描按鍵的狀態(tài)，由聲波換能器tct40-16tr1發(fā)出40khz的超聲波方波信號(hào)，有定時(shí)器t0產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器t1，用來(lái)計(jì)數(shù)，也就是測(cè)算方波發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收換能器接收反射信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，由p1.7來(lái)接收超聲波反射信號(hào)，當(dāng)接收到該信號(hào)后，關(guān)閉計(jì)數(shù)器t1，記下此時(shí)的時(shí)間，轉(zhuǎn)入執(zhí)行計(jì)算距離子程序，由子程序計(jì)算距離，并啟動(dòng)led顯示

42、其數(shù)值，同時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)危險(xiǎn)距離時(shí)發(fā)出滴答滴答的響聲。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：圖2 系統(tǒng)框圖3.2硬件選型3.2.1超聲波探頭的中心頻率及主要參數(shù)一、主要參數(shù)（1）中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時(shí)，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測(cè)距越短，而分辨力越高。常見(jiàn)超聲波傳感器的中心頻率有30khz、40khz、75khz、200khz、400khz等。本設(shè)計(jì)采用40khz的探頭tct40-16tr1（2）靈敏度靈敏度的單位是分貝(db)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。（3）指向角指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，

43、指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。（4）工作溫度工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)至?xí)r靈敏度可降低6。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn)(),就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在溫度范圍內(nèi)可以長(zhǎng)期工作。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施。tct40-16t/r的性能指標(biāo)如下表所示：型號(hào)t40-16tt40-16r功能發(fā)射接收中心頻率40khz（2.5%誤差）40khz（2.5%）聲壓114dbmin靈敏度68dbmin電容2500pf（20%）2500pf（20%）最大電壓20v20v指向性

44、60¡（25%）60¡（25%）工作溫度零下20¡至70¡零下20¡至70¡表1 tct40-16t/r的指向特性如圖3所示：圖33.2.2單片機(jī)的選擇單片機(jī)是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。因此其性能將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇好的單片機(jī)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求以及總體設(shè)計(jì)思路對(duì)所選擇的單片機(jī)要求進(jìn)行進(jìn)一步的概括。本設(shè)計(jì)由于超聲波采用軟件驅(qū)動(dòng)，僅需要一個(gè)定時(shí)器，一個(gè)計(jì)數(shù)器，常用的51系列單片機(jī)滿足需要。因此，選用at89c51單片機(jī)。 51系列單片機(jī)中典型芯片(at89c31)采用

45、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to和t1，4個(gè)8 b的工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。5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kb存儲(chǔ)器；256 bram；32條工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?？臻e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)

46、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)該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖2-1所示。5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kb存儲(chǔ)器；256 bram；32條工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

47、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)。 3.2.3其他元器件的選擇顯示部分是采用七段四位數(shù)碼管，選用共陰極接法，cd4511控制段選碼，74ls138控制位選信號(hào)。發(fā)射部分超聲波探頭的選用tct40-16tr1，相應(yīng)的信號(hào)處理元件選用tc4069、74ls138。超聲波的接收信號(hào)選用cx20106芯片處理。單片機(jī)的外圍電路元件選用11.0592mhz的晶振，報(bào)警電路選用蜂鳴器。4.硬件電路設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)單片機(jī)外圍電路主要有鍵盤(pán)電路、電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、串口電路，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，鍵盤(pán)電路相當(dāng)于倒車擋，主要控制單片機(jī)執(zhí)行指令的狀態(tài)，時(shí)鐘電路、

48、電源電路、復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。由于本設(shè)計(jì)本生是為了做出汽車倒車防撞報(bào)警器的實(shí)體，并著重闡述汽車倒車防撞報(bào)警器的原理，因此，相當(dāng)于倒車檔的鍵盤(pán)電路不再做詳細(xì)的敘述。另外，為了更便于觀測(cè)本設(shè)計(jì)調(diào)試中的現(xiàn)象，用三個(gè)發(fā)光二級(jí)管來(lái)觀察調(diào)試結(jié)果，以本設(shè)計(jì)的程序來(lái)說(shuō)明，當(dāng)大于2m時(shí)是安全距離，綠燈亮，當(dāng)在1.5m到2m之間時(shí)，黃燈亮，當(dāng)在1m到1.5m之間時(shí)，危險(xiǎn)距離，開(kāi)繼電器，紅燈亮，啟動(dòng)報(bào)警電路。其外圍電路如圖4所示：圖4 單片機(jī)外圍電路4.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波換能器tct40-16rt發(fā)出超聲波需要40khz的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生40khz的方波主要有軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法。本設(shè)計(jì)采用軟

49、件產(chǎn)生，由定時(shí)器t0產(chǎn)生40khz的方波信號(hào)。由tc4069驅(qū)動(dòng)超聲波換能器。本具體電路如圖5所示。圖54.3超聲波接收電路設(shè)計(jì)4.3.1cx2016a簡(jiǎn)介cx2o106a是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號(hào)接收集成電路，廣泛應(yīng)用于視頻、音頻、空調(diào)、風(fēng)扇等各種遙控系統(tǒng)中作遙控信號(hào)接收電路。圖6為cx20106a內(nèi)部電路原理框圖及引腳圖。圖6 cx20106a的引腳圖圖7為cx20106a的典型應(yīng)用電路圖7各引腳介紹：1 腳：為紅外信號(hào)輸入端。該引腳和地之間連接光電二極管，輸入阻抗約40k。2 腳：為增益調(diào)節(jié)端。該引腳與地之間連接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

50、前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r1或減小c1,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c1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r1=4.7，c1=1f。3 腳：為檢測(cè)端。該引腳與地之間連接檢波電容，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 腳：接地端。5 腳：為帶通濾波器調(diào)整端。該引腳與電源間接入一個(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)，f042khz，若取r=220k，則芯片中心頻率f038

51、khz。6 腳：為積分端。該引腳與地之間接一個(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 腳：為信號(hào)輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。8 腳：為電源端。該引腳接電源正極，電壓為4.5v5v。4.3.2超聲波接收電路超聲波換能器接收到反射回來(lái)的超聲波信號(hào)后，會(huì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)比較弱，需要放大整形等一系列處理才能輸入單片機(jī)完成相應(yīng)的信息處理。本設(shè)計(jì)超聲波接收電路選用集成電路cx20106a，它可用來(lái)完成信號(hào)的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢測(cè)和波形整形等功能，

52、電路如圖3 所示。發(fā)射電路發(fā)出的脈沖信號(hào)，在碰到障礙物后，經(jīng)反射后的超聲波脈沖變成微弱的交流信號(hào)，接收電路接收后送到cx20106a 的1 腳，為信號(hào)的輸入端，經(jīng)過(guò)前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自動(dòng)增益控制功能，可以保證超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器具有較高的增益，而在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載，其帶通濾波器中心頻率可由芯片5 腳的外接電阻調(diào)節(jié)，取200 k，控制在38 khz。通過(guò)帶通濾波器濾波，峰值濾波，積分比較，最后經(jīng)整形電路輸出脈沖信號(hào)。cx20106a 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以滿足超聲波接收電路的要求。同時(shí)集成電路也可以

53、減少干擾。具體電路如圖8所示。圖84.4 led顯示電路顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使led 發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 crt監(jiān)視器或者屏幕較大的 lcd 液晶屏。綜合本課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的 led 驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。因?yàn)樾枰@示的距離在10m以內(nèi)，并且只需要精確到cm,故采用3個(gè)led數(shù)碼管顯示距離數(shù)值。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，led數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的led通以恒定的電流，即每一位led顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的i/o接口，單片機(jī)只需要把要顯示數(shù)字的段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可。如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中cpu開(kāi)銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的led通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的