畢業(yè)設計(論文)
基于單片機的車載防撞報警器
摘 要
超聲波的測距由于在使用的時候不受光照度、電磁場與色彩等因素影響，再加上超聲波傳感器的結構簡單，成本低廉，并且以聲速傳播，便于檢測與計算，在機器人的避障、汽車倒車、測量等許多方面都已有了非常廣泛的應用。
本文是基于STC89C51單片機為核心的車載防撞報警器的設計，分析了汽車倒車防撞系統(tǒng)的基本的設計原理。主要是利用了超聲波的特點與優(yōu)勢，還將超聲波的測距系統(tǒng)與STC89C51單片機結合于一體。該系統(tǒng)采用軟、硬件結合的方式，硬件部分主要是由單片機硬件接口電路與超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路與數(shù)碼管顯示電路、電源電路與報警電路組成的，軟件部分主要是由主程序和超聲波發(fā)射接收中斷程序、距離計算子程序和顯示報警子程序等部分組成的具有模塊化與多用化的特點。駕駛者只需要坐在汽車駕駛室就可以做到心里有數(shù)，極大地提高泊車和倒車的時候安全性與效率。
目 錄
1 緒論 1
1.1 項目背景 1
1.2 項目的主要任務 3
2 超聲波概述 4
2.1 超聲波基本理論 4
2.1.1 超聲波發(fā)展史 4
2.1.2 超聲波的本質 5
2.1.3 超聲波的應用 5
2.1.4 超聲波的衰減特性 7
3 超聲波測距方法與原理 9
3.1 超聲波測距方法 9
3.1.1 方法種類介紹和說明 9
3.2 超聲波測距原理與超聲波傳感器 10
3.2.1 超聲波測距原理 10
3.2.2 超聲波傳感器 11
4 系統(tǒng)電路設計 16
4.1 電路設計 16
4.1.1 發(fā)射與接收電路設計方案 16
4.1.2 顯示電路設計方案 17
4.1.3 報警電路設計方案 19
4.1.4 系統(tǒng)復位電路設計 20
4.2 電路調試及性能分析 22
4.2.1 元器件的焊接 22
4.2.2 電路調試與分析 22
5 系統(tǒng)硬件與軟件設計 23
5.1 硬件與軟件設計 23
5.1.1 硬件設計 23
5.1.2 軟件設計 25
6 系統(tǒng)誤差分析與改進 28
6.1 誤差產(chǎn)生原因分析 28
6.1.1 溫度對超聲波聲速的影響 28
6.1.2 回波檢測對于時間測量的影響 28
6.1.3 超聲傳感器所附加脈沖電壓對測量范圍與精度影響 29
6.2 針對誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進方案 29
7 結論 31
致 謝 32
參考文獻 33
附 錄一 系統(tǒng)原理圖 34
附 錄二 控制主板 35
附 錄三 電路圖 36
附 錄四 小車內(nèi)部整體圖 37
附 錄五 小車底座電源圖 38
附 錄六 模型圖 39
1緒論
1.1項目背景
現(xiàn)代社會的汽車工業(yè)飛速發(fā)展，擁有私家轎車的人越來越多，帶來的交通問題也日益嚴重。其中安全倒車是駕車技術水平不高或沒有安全意識的開車人士最為擔心的交通問題之一，如果稍不留神不僅會給自己或別人帶來財產(chǎn)損失，還會造成激烈的爭吵與糾紛，甚至也威脅到了駕駛員的生命安全。面對這樣的情況與問題，倒車防撞報警器就被人們設計出來， 依據(jù)聲源或以直觀的顯示提醒駕駛員周圍障礙物的分布情況，解決了駕駛員倒車和啟動轎車時前后左右探視所引起的問題，并幫助駕駛員掃除了視覺死角和視野模糊的不足，提高了倒車安全性。在過去年間，人們對汽車電子技術應用到汽車上的研究只是在被動安全性方面。如：安裝防撞保險杠，安裝安全氣囊系統(tǒng)等等。安裝防撞保險杠或許可以減輕碰撞對汽車的損害，但是卻難抵消被撞物的傷害，這樣給人們財產(chǎn)安全帶來威脅。安裝汽車安全氣囊還不一定有效全面地保護乘務員的安全。因此，對于汽車的主動安全性方面的社會需求越來越多，如果能在每場汽車事故的預防上能取得效果，那么在汽車安全領域又得到新發(fā)展、新突破。經(jīng)過多年的發(fā)展，倒車雷達系統(tǒng)歷經(jīng)了六代技術改進，無論從結構外觀設計上還是性價比上，這六代產(chǎn)品都具有各自的特點[1]。
第一代：倒車時通過人工智能聲吶提醒�，F(xiàn)在這樣的倒車雷達只有小部分卡車與泥頭車使用。司機只要掛倒車檔，人工智能聲吶就會響起，告知周圍的人注意。某種意義上說，這樣對司機毫無直接的幫助，這不是真正的倒車雷達系統(tǒng)，單純地告知路人小心。該類產(chǎn)品價格低廉，但基本是淘汰的產(chǎn)品。
第二代：使用蜂鳴器產(chǎn)生多種聲音來告知駕駛員。在倒車時，蜂鳴器會發(fā)出“嘀、嘀、嘀”的響聲，這便是倒車雷達真正的開始。如果倒車時車后一定距離內(nèi)存在障礙物，蜂鳴器馬上工作，蜂鳴聲音越急，代表車輛離障礙物越近。因為蜂鳴器沒有語音提示與距離顯示，即使司機知道存在障礙物，也不能確定障礙物到底離車體有多遠，所以對駕駛員幫助作用不大。
第三代：數(shù)碼波段顯示倒車系統(tǒng)。這代產(chǎn)品相對于前系帶比較，有顯示車后障礙物離車輛距離的能力。顯示車后障礙物與車輛兩者距離方式有兩種：一是數(shù)字顯示方式；這種方式通過使用LED顯示車輛與障礙物兩者距離；二是用顏色來區(qū)別：綠色表示安全距離，黃色表示警告距離，紅色表示危險距離。第三代的倒車雷達系統(tǒng)就比較先進了，但缺點為精確度較低、安裝設計單一。
第四代：液晶熒的屏動態(tài)顯示。這代倒車雷達系統(tǒng)有質的飛躍，可以看清車體與障礙物兩者實際距離與其圖像。這類倒車雷達不需掛倒車檔，一發(fā)動汽車，顯示器會顯現(xiàn)汽車圖案與車體附近障礙物的距離，顏色清晰，外表美觀，能直接地粘貼在儀表盤上，安裝也很便利。但這一代倒車雷達靈敏度較低，抗干擾能力較弱，產(chǎn)生誤報也頻繁。
第五代：魔幻鏡倒車雷達系統(tǒng)。綜合前四代產(chǎn)品優(yōu)點，使用最新的仿生超聲雷達技術，加之以高速電腦控制，能全天候準確地探測2米以內(nèi)附近的障礙物，以不同等級聲音告知和直觀顯示給駕駛員。這一代的倒車雷達可以把后視鏡、倒車雷達、免提電話、溫度顯示和車輛內(nèi)污染程度顯示等多項功能結合一起，并提供語音功能。因為這代倒車雷達系統(tǒng)功能較多，所需價錢也昂貴。
第六代：整合影音倒車雷達系統(tǒng)。這類倒車雷達系統(tǒng)專門為高檔車生產(chǎn)的。首先從它的外觀來說，比第五代倒車雷達更精致與典雅；從功能上來看，它不但具備第五代產(chǎn)品的功能，還結合了高檔轎車所需具備的影音系統(tǒng)，能在顯示器上觀看DVD影像，可相應的成本很高[1]。
目前，國內(nèi)市場上的倒車雷達產(chǎn)品主要由國外公司占據(jù)著。國內(nèi)一些公司雖然也推出了相應的倒車雷達產(chǎn)品，但在質量上、市場份額上都無法與國外廠商相比擬。一些核心元器件，國內(nèi)相同產(chǎn)品達不到國外水平或者無法生產(chǎn)。在倒車雷達系統(tǒng)等輔助倒車領域，美、德、日等許多發(fā)達國家技術位列簽名。因為他們已對汽車信息化技術研究領域上起步較早于其他國家，還對半導體、微電子領域也有很大的技術優(yōu)勢。所以這些國家智能化車載電子設備發(fā)展水平已經(jīng)有相當高的程度，許多尖端技術的車載電子設備都已相當普及。伴隨汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，倒車領域中，國外都已有停車入位導航系統(tǒng)。梅賽德斯車廠都已采用雷達探測技術設備幫助駕駛員又快又安全泊車。導航雷達探測器設備可以探測經(jīng)過路線停車空位，同時向駕駛員發(fā)出信號告知。這個時候，駕駛員能通過探測器設備顯示的位置尋找到停車空位。在這個停車過程中，駕駛者掛上倒檔后，導航系統(tǒng)自始至終感知汽車的位置與角度。如果駕駛員不倒車了，導航系統(tǒng)還可以自動算出另一最好泊車路線與角度。在日本這個國家，豐田汽車公司研制出的導航系統(tǒng)都已能實現(xiàn)準確地全自動泊車。每當導航系統(tǒng)鎖定一個合適泊車位置之后，如果駕駛員掛上倒檔，儀表盤上就會開始顯示由安裝在汽車背部的攝像頭傳送過來的車后圖像。與此同時，駕駛員只需面對導航系統(tǒng)選擇的提供車輛的泊車位置確認。然后，就松開方向盤與腳剎，保持合適的速度。從這里開始，停車過程由配備了的超聲波雷達系統(tǒng)與攝像頭的停車導航雷達系統(tǒng)全權負責了。如果駕駛員想要停止這個程序，駕駛員只要踩下剎車就行了。并且這款技術涉筆在社會中都已開始在高檔轎車上配備使用。
1.2
項目的主要任務
本文主要論述了超聲波的測距工作原理與方法。從小的應用方面來說，本課題的研究直接解決了司機倒車時的困擾，更能有效地降低倒車過程中發(fā)生的大小事故。但從更廣泛的應用來講，超聲波測距系統(tǒng)的研究在許多工業(yè)、交通運輸業(yè)、軍事等等方面有著更為廣泛顯著的應用；并且詳細介紹了超聲波傳感器的工作特性和系統(tǒng)發(fā)射和接收等多種電路同時還有單片機的硬件設計與軟件設計及其實現(xiàn)，突出以單片機為核心所設計的防撞報警器對于在汽車安全領域的突破與拓展有一定的作用。
2超聲波概述
2.1超聲波基本理論
2.1.1超聲波發(fā)展史
意大利科學家斯帕拉捷習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飛去，卻從不會撞到墻壁上。這個現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領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。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能準確地分辨障礙物。只有當耳朵被堵住時，蝙蝠就不能分辨障礙物。斯帕拉捷的實驗，揭開了蝙蝠飛行的秘密。后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了蝙蝠飛行奧秘。發(fā)現(xiàn)，它們依靠喉嚨發(fā)出讓人聽不見的“超聲波”，聲音沿直線傳播，碰到物體后就就好像光在鏡子上產(chǎn)生反射現(xiàn)象。它們的耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的自由飛翔，捕捉食物。
當然，以上的故事是個美麗的楔子。真正超聲波的研究和發(fā)展，與媒質中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關。自19世紀末到20世紀初，在物理學的歷史上人們發(fā)現(xiàn)了壓電效應與反壓電效應的現(xiàn)象過后，也解決了采用電子技術產(chǎn)生超聲波的問題，這便迅速翻開發(fā)展和創(chuàng)新超聲波的技術歷史篇章。1883年Galton首次制成超聲波氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，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等機械型超聲波換能器。在20世紀，電子學發(fā)展讓人們能使用某些材料的壓電效應與磁致伸縮效應制造出許多各種各樣的機電換能器。1917年，朗之萬(Paul Langevin)利用天然壓電石英制造出夾心式超聲換能器，成功地在水下探測潛艇使用。伴隨軍事及國民經(jīng)濟各部門里超聲應用的領域越來越廣，出現(xiàn)了高功率的超聲磁致伸縮換能器和多種不同用途的電動型、靜電型等多種換能器[2]。
人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學會利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測水中目標及其狀態(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年召開的第一次國際醫(yī)學超聲波學術會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學的發(fā)展奠定了基礎。醫(yī)學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掃描腦部結構，以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應用于腹部器官的探測。1956年第二屆國際超聲醫(yī)學學術會議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進入了實用成熟階段。如今，超聲波已廣泛應用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應用[4]。
2.1.2
超聲波的本質
聲波是聲音的類別之一，屬于機械波，是人們能感覺得到的縱波，頻率大小范圍為16Hz-20KHz。當聲波的頻率小于16Hz時就稱為次聲波，大于20KHz則叫做超聲波。其中超聲波是種波動形式，它能作為探測和負載信息的載體；超聲波也是種能量形式，如果其強度超過一定程度時，它能與傳播超聲波媒質的相互作用，去影響，甚至破壞后者的狀態(tài)，性質及結構（用作治療）。
超聲波的反射、折射、衍射、散射在媒質中等傳播規(guī)律，和可聽聲波的傳播規(guī)律沒有本質區(qū)別。但超聲波波長短，達到厘米，甚至達到毫米。與可聽聲波相對比，超聲波有多奇異特點：傳播特性─超聲波波長短，通常障礙物尺寸比超聲波的波長長好多倍，因此超聲波衍射本事極差，在均勻的介質里可以沿著直線傳播，它波長越短，這特性就越明顯。功率特性─聲音在空氣中直線傳播的時侯，讓空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。聲波功率表示聲波做功的快慢。在同條件下，頻率高，所擁有功率就大。因為頻率高，所以超聲波與平常聲波對比，超聲波的功率較高。空化作用─超聲波在液體中傳播的時侯，因為液體微粒的劇烈振動，所以在液體的內(nèi)部制造出小空洞。這些小空洞迅速脹大與閉合，使液體的微粒之間產(chǎn)生猛烈撞擊作用，進而產(chǎn)生幾千個至上萬個大氣壓壓強。微粒這種劇烈的相互作用，讓液體的溫度升高，有了很好的攪拌作用，讓兩種不相溶的液體之間（如水和油）發(fā)生變化，而且加速溶質的深度溶解，加快化學的反應。這種因為超聲波作用使液體里所引起各種效應稱為超聲波空化作用[5]。
2.1.3超聲波的應用
正因為超聲波在物理化學方面的獨特特性，因此，超聲波在許多方面都有廣泛的應用。歸結起來，超聲波主要應用在以下幾個方面：
(1) 在檢驗方面的應用
超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。
超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當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就分別發(fā)生反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。超聲波的測厚，是依據(jù)超聲波的脈沖反射原理進行厚度測量的，每當探頭的發(fā)射超聲波脈沖穿透被測物體到達材料分界面時侯，脈沖就反射回至探頭，通過準確測量超聲波在材料中傳播的時間來計算出被測材料的厚度。
超聲波的測距原理是采用了超聲波在空氣中的傳播速度為已知條件，測量的聲波在發(fā)射后碰到障礙物反射的回來的時間，用發(fā)射和接收的時間差確定出發(fā)射點至障礙物的實際測量距離。超聲波的測距主要應用在倒車提醒、工業(yè)現(xiàn)場等距離測量，雖然目前測距量程上能有百米，但測量精度只可以到厘米的數(shù)量級。
超聲成像是采用超聲波表現(xiàn)出不透明物的內(nèi)部形象技術，能從換能器的發(fā)射出超聲波到達聲透鏡聚焦到不透明的試樣中，能從試樣透射出的超聲波里有被照部位資料，經(jīng)過聲透鏡匯聚到壓電接收器，所得出電信號的放大器，使用掃描系統(tǒng)能夠把不透明的試樣形象顯現(xiàn)在熒光屏中。這樣的裝置叫做超聲顯微鏡。超聲成像電子技術能在醫(yī)療檢查方面獲得普遍的使用，如在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查和在材料科學中用來顯現(xiàn)合金中的不同組分區(qū)域與晶粒間界。聲全息術是使用超聲波干涉原理記錄與重現(xiàn)不透明物立體圖像聲成像電子技術，它們工作原理和光波全息術有相同之處，只是其記錄方式有各自的差異而已。
(2) 在超聲處理方面的應用
利用超聲的機械效應、溫熱效應、理化效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。
超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個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，焊接強度高、密封性好的優(yōu)點；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導電性好、無火花、接近冷態(tài)加工。針對所有的應用市場，超音波焊接其特有的優(yōu)點——快捷、高效、清潔和牢固，贏得了各行各業(yè)的認可，在汽車、家電、包裝、玩具業(yè)、電子等行業(yè)的應用也越來越廣泛。
超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。目前所用的超聲波清洗機中，空化作用和直進流作用應用得更多。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，對工件表面無損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場地和人工等諸多優(yōu)點。超聲波清洗方式超過一般的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復雜像一些表面凹凸不平、有盲孔的機械零部件，一些特別小而對請潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達到很理想的效果。
超聲波技術在醫(yī)療方面的獨特療效已得到醫(yī)學界的普遍認可，并越來越被臨床重視和采用。超聲波治療時將超聲波能量作用于人體病變部位，以達到治療疾患和促進機體康復的目的。超聲波機械作用能夠使組織軟化，增強滲透，提高代謝，促進身體血液的循環(huán)，提高神經(jīng)系統(tǒng)與其細胞的功能，為此擁有超聲波的獨特治療的作用。超聲溫熱效應可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結締組織為顯著，脂肪與血液為最少。超聲波治療以療效獨特，長期治療無毒副作用的安全特性見長，在肢體運動康復、心腦血管疾病治療方面有著獨特的優(yōu)勢，其體外無創(chuàng)的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運用。
(3) 在基礎研究方面的應用
超聲學是研究超聲的科學，它是聲學的一個重要分支。超聲學是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應，以及超聲在基礎研究和國民經(jīng)濟各部門的應用等內(nèi)容的聲學重要分支。機械運動為一種最簡單、最一般物質的運動，它較之其他的物質運動和物質的自身結構之間關系非常緊密。超聲振動本來就屬于種機械運動，因此，利用超聲學也是研究物質的結構的一個重要的途徑之一。早在20世紀40年代開始，人們從研究媒質里超聲波聲速及聲衰減會與頻率的變化的關系時侯，就不斷得出結果表現(xiàn)出它們和各種各樣的分子弛豫的過程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉換的熱弛豫，分子結構狀態(tài)變化的結構弛豫等過程）及微觀的諧振過程之間的緊密地關系，通過物質對超聲的吸收規(guī)律可探索物質的特性和結構，這些方面的研究構成了分子聲學這一聲學分支。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點陣熱振動的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能──聲子來研究原子間的相互作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點陣振動的相互關系及點陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導體中聲子與電子、聲子和超導結、聲子和光子相互作用等。因此，超聲與電磁輻射、粒子之間的轟擊一起并列為研究物質微觀的結構與微觀過程的三個常用手段。與其相關的一門新興的分支研究學科─量子聲學也逐步形成與完善豐富。超聲學是應用性與邊緣性較強的學科之一，從這一百多年來的它的發(fā)展過程能夠看出，超聲學伴隨著在國防、工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、醫(yī)學、基礎的研究等重大領域中應用不斷深入改善進而得到全面發(fā)展的。它從不間斷參閱電子學、超聲學的材料科學、光學、固體物理等其他的學科的重要內(nèi)容，而使自己內(nèi)容更加豐富。同時，超聲學的發(fā)展又為這些學科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超聲學仍是一門年輕的學科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲波應用的機理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學是在不斷地向前發(fā)展著[6]。
2.1.4超聲波的衰減特性
從理論上講，超聲波的衰減特性主要有三個方面：
(1) 由聲速的擴展引起衰減
在聲波傳播的過程中，伴隨傳播的距離增大，非平面的聲波的聲速不斷擴展及增大，因此單位的面積上里的聲壓伴隨距離的增大而減弱，這樣的衰減叫做擴散衰減。
(2) 由于散射引起的衰減特性
因為實際材料絕對不會是絕對的均勻的，如材料里外來雜質的金屬的第二相的析出、晶粒任意的取向等都導致整個的材料聲學的特性阻抗不均勻，進而造成超聲波散射。被散射的超聲波在介質中沿復雜的路徑繼續(xù)傳播下去，最后形成熱能，這樣的衰減叫做散射衰減[7]。
(3) 由于介質吸收而引起的衰減特性
超聲波在介質中直線傳播的時侯，由于介質粘滯性造成的質點之間的內(nèi)摩擦，進而造成部分聲能轉換為熱能。與此同時，因為介質熱傳導這個原因，介質里的稠密與稀疏部分兩者進行熱交換，從而造成聲能損耗，并且正因為分子弛豫現(xiàn)象形成的吸收，這些全是介質的吸收熱現(xiàn)象，這樣的衰減叫做吸收衰減。
擴散的衰減特性僅決定于波的幾何形狀不與傳播介質性質不相關。對于絕大多數(shù)的金屬和固體介質來說，通常我們所說的超聲波衰減，即 (衰減的系數(shù))象征的衰減僅僅含有散射的衰減魚吸收的衰減從不包括擴散德衰減。所以空氣介質的衰減的系數(shù)也都由兩部分組成，并由下公式表述為：
（2-1）
式中： 為熱傳導的系數(shù)， 為超聲波的頻率， 為動力粘滯的系數(shù)， 為超聲波傳播速度， 為定容比熱， 為定壓比熱， 為傳播介質的密度。
式(2-1)中首項是由于內(nèi)摩擦引起衰減的系數(shù)，第二項是由于熱傳導引起衰減的系數(shù)，因為后者比前者小，所以在忽略的熱傳導引起超聲波的衰減的情況下，衰減的系數(shù)可以由下公式表示：
（2-2）
把 代入式（2-2）可得：
（2-3）
由公式(2-3)可知道：當溫度一定的時侯， 、 、 都一定，衰減系數(shù)和頻率平方成正比關系；頻率越高，衰減系數(shù)會越大，傳播距離也會越短。
3
超聲波測距方法與原理
3.1 超聲波測距方法
3.1.1方法種類介紹和說明
目前，市場上利用超聲波測距原理制成的測距系統(tǒng)種類繁多，但是超聲波的測距方案總下來有下面幾種：
（1）相位的檢測法
相位的檢測法可分2種：一方法是用發(fā)射不同頻率超聲波來顯現(xiàn)的。先開始發(fā)射波長為的超聲波。檢測出回波相位為 。假設所用的波周期數(shù) ,則能求的目標物體的距離為：
(3-1)
同樣道理可以算出第二束波形測距的計算公式為：
(3-2)
其中： 為第二束波的相位角， 是波長， 是周期數(shù)。又由于 和 都為正數(shù),與此同時再一次進行時間補償算法，可準確求目標距離值。但是因為超聲波探頭是有固定頻率，假設改變頻率，系統(tǒng)衰減會大，需要兩套信號的檢測電路，實施難度加大，不適宜采用。
二方法是使用單一超聲波的探頭來進行相位的檢測法檢測，這種方法是待測距離在一個周期內(nèi)使用，若過選用40kHz超聲波為傳播介質，一個周期對應檢測距離為 ，因此，這種方法的準確度很高。
（2）幅值的檢測法
幅值德檢測法是開始發(fā)射固定頻率的超聲波，接著使用反射或對射法的檢測接收得到的超聲波脈沖的強度，從超聲波回波衰減理論，認真對回波脈沖強度的進行分析，從而求得目標距離。
（3）渡越時間法
渡越時間意思是開始從傳感器發(fā)射出超聲波開始計時，經(jīng)氣體的介質傳播，達到傳感器接收到回波時計時的停止。因為在一定的環(huán)境下，溫度不會變化，或變化較緩慢，可近似認為常數(shù)，這時聲速是保持不變的。所以能通過檢測渡越的時間，結合現(xiàn)場聲速，從而求得傳感器和目標之間的距離。
3.2超聲波測距原理與超聲波傳感器
3.2.1超聲波測距原理
超聲技術是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的通用技術之一。超聲技術是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超聲波遙控近距離遙控中的一種的實際方法，人們可以聽到的聲音的頻率估算為20Hz~20kHz，低于20Hz和高于20kHz的聲音，人耳一般都聽不到，人把高于20kHz聲波叫做超聲波。它屬于一種機械振動波，能夠在氣體與液體、固體中傳播，它在空氣中的傳播的速度是340m/s，與光波及電磁波相比較是極度緩慢的。超聲波擁有方向性，即傳播能量相對于其他波而言很集中，這一點和可聽見聲波相異。另外，超聲波在傳播途中若遇到不同的媒介，大部分能量會被反射。超聲波測距從原理上可有共振式與脈沖反射式兩種。因為應用要求十分限定，這里用脈沖反射式，即是利用超聲的反射的特性。超聲波測距的原理是經(jīng)過超聲波發(fā)射傳感器向某方向發(fā)射出超聲波，在發(fā)射的時刻同時開始計時間，超聲波在空氣傳播，途中要是遇到障礙物立即返回，當超聲波接收器收到反射波時就停止計時。平常溫度下超聲波在空氣中傳播速度是 C=340m/s，依據(jù)計時器記錄時間 t，就能計算到發(fā)射點距離障礙物距離(S)，即為S=C*t/2=C*t0，其中，t0 就是所謂渡越的時間。能夠看出主要的部分有[8]：
(1) 供應的電能脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；
(2) 使接收和發(fā)射的隔離開關的部分；
(3) 轉換的電能為聲能，并將聲能透射得到介質中的發(fā)射傳感器；
(4) 接收的反射聲能（回波）與轉換的聲能是電信號的接收傳感器；
(5) 接收放大器，能夠使微弱回聲放大到一定的幅度，且使回聲的激發(fā)記錄設備；
(6) 記錄/控制的設備，平常控制發(fā)射到傳感器里的電能，且控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波時間，還能存儲要求的數(shù)據(jù)，且將時間間隔轉成距離.
在超聲波測量的系統(tǒng)中，若頻率取得太低，外界雜音干擾的較多；若頻率取得太高，在傳播的過程中衰減得較大。所以在超聲波測量中，常使用 40KHz 的一種超聲波�，F(xiàn)在超聲波測量的距離一般是幾米至幾十米，是種適合室內(nèi)的測量方式。因為超聲波的發(fā)射與接收器件擁有固有頻率的特性，有很高抗干擾的性能。
距離測量的系統(tǒng)常用頻率的范圍為 25KHz～300KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射與接收的傳感器有時侯共用一個，或兩個分開使用。發(fā)射電路是由振蕩和功放兩部分組成的，能夠向傳感器輸出一個有一定的寬度的高壓脈沖串，并讓傳感器轉變成聲能發(fā)射出去；接收放大器用在放大的回聲信號方便記錄，與此同時，為使它有接收具有一定的頻帶的寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶的寬度；收/發(fā)隔離要使接收的裝置避開強大發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動或者關閉發(fā)射電路且記錄發(fā)射瞬時和接收瞬時，能將時差換算為距離讀數(shù)并且加以顯示或者記錄[8]。所謂的超聲波測距的原理屬于一種種時間差測距法，超聲波發(fā)射器向某方向發(fā)射出超聲波，在發(fā)射的時刻的同時計算傳播時間，超聲波在空氣中傳播，若是遇到障礙物會返回來，每當超聲波接收器收到反射波就立即停止計時[10]。超聲波在空氣中的傳播速度是340m/s,根據(jù)計時器記錄時間t，就能夠計算出發(fā)射點距離障礙物的距離（s),即為：s=340t/2.超聲波測距原理是采用超聲波在于空氣中傳播的速度為已知條件，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算發(fā)射點到障礙物的實際距離[9]。
3.2.2超聲波傳感器
超聲傳感器是把其他形式的能轉換為所需的超聲能或者把超聲能轉換為同頻率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩類，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。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。[8]
壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分[11]。
傳感器的主要的組成部分為壓電晶片。每當壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即是可發(fā)射聲脈沖，為逆壓電效應。每當超聲波作用于晶片時侯，由晶片受迫振動造成的形變可轉變成相應電信號，為正壓電效應。前者是用在超聲波發(fā)射，后者即是超聲波接收。超聲波傳感器一般是采用雙壓電陶瓷晶片制作成的。這一種超聲傳感器需要的是壓電材料較少，價格的低廉，并且非常適用的氣體與液體介質中[8]。在壓電的陶瓷上附有大小與方向不斷變化的交流電壓的時候，根據(jù)壓電效應的作用，會讓壓電陶瓷晶片形成機械變形，這樣的機械變形的大小與方向在一定的范圍內(nèi)是與和外加的電壓大小與方向形成正比關系的。意思就是說，每當在壓電陶瓷的晶片上附有頻率為f0的交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這樣的機械振動會推動空氣等媒介，即會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲的機械波作用，這樣將使其產(chǎn)生出機械變形，這種機械變形是和超聲機械波一樣的，機械變形會讓壓電陶瓷晶片產(chǎn)生的頻率和超聲機械波一樣的電信號壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，它有兩個壓電晶片和一個共振板，當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就稱為超聲波傳感器。
在壓電陶瓷晶片上有個固定諧振頻率，即中心頻率f0發(fā)射出超聲波時，附在其上的交變電壓頻率要和它固有的諧振頻率一樣。這樣的話，超聲傳感器會有較高靈敏度。當所用壓電材料保持不變的時侯，通過改變壓電陶瓷晶片里的幾何尺寸，會非常方便改變其固有的諧振頻率。我們利用這個特性便可制作成各種各樣的頻率的超聲傳感器。
超聲波傳感器內(nèi)部的結構是由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼和金屬網(wǎng)構成的，值得一提的是，壓電陶瓷晶片便是傳感器的核心，錐形輻射喇叭能使發(fā)射與接收超聲波的能量集中，并且使傳感器會有一定指向角，金屬殼可以防止外界力量對于壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞[12]。金屬網(wǎng)同樣是起保護作用的器件，同時不影響發(fā)射和接收超聲波。本次論文中使用的HY-SRF05超聲波傳感器可提供2cm-450cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理是采用I0口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高平電信號；模塊自動發(fā)送8個40Khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過I0口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試的距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2.
引腳功能
如下圖接線：
VCC供5V電源，
GND為地線，
TRIG觸發(fā)控制，信號輸入，
ECHO回響信號輸出
OUT開關量輸出（當報警模塊使用）
圖3-1 HY-SRF05引腳示意圖
電氣參數(shù)
HY-SRF05超聲波模塊工作電壓為直流電壓5伏特。電流15毫安。頻率為40赫茲。射程范圍為2cm~4.5cm。測量角度為15度。當高平電信號10us的TTL脈沖輸入，會產(chǎn)生回響信號。規(guī)格尺寸為45*20*15mm。詳見下表3-1。
表3-1電氣參數(shù)
電氣參數(shù) HY-SRF05超聲波模塊
工作電壓 DC5V
工作電流 15mA
工作頻率 40Hz
最遠射程 4.5m
最近射程 2cm
測量角度 15度
輸入觸發(fā)信號 10us的TTL脈沖
輸出回響信號 輸出TTL電平信號，與射程成比例
規(guī)格尺寸 45*20*15mm
超聲波時序圖
以下時序圖表明只需有一個10us以上脈沖觸發(fā)信號，此模塊的內(nèi)部將會自動發(fā)出8個40KHZ周期電平并且檢測回波。一旦檢測得到有回波的信號則輸出回響信號�；仨懶诺奶柕拿}沖寬度與所測的距離會是正比關系，由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。
公式：距離=高電平時間*聲速（340M/S）/2 (3-3)
注：此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的GND端先連接，否則會影響模塊的正常工作；測距時，被測物體的面積不少于0.5平方米且平面盡量要求平整，否則影響測量的結果。
圖3-2時序圖
4
系統(tǒng)電路設計
4.1電路設計
該超聲波測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、復位電路、顯示報警電路組成，下面主要通過各個模塊的各種方案比較，確定設計的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的STC89C51單片機。
4.1.1發(fā)射與接收電路設計方案
對于本系統(tǒng)的設計，其難點在于40KHz信號的產(chǎn)生。由于超聲波傳感器的中心工作頻率為40KHz，當偏離這個頻率時，其接收器的靈敏度將明顯降低，具體可以從超聲波傳器的特性曲線中得知。當發(fā)送40KHz的頻率時，接收到的信號最強，因此距離也就最大，而當偏離時，探測距離也將縮短，這一點是本設計總的設計思路。對于產(chǎn)生40KHz的驅動信號，方法有多種，可以選用電感、電容振蕩元件來完成驅動信號的發(fā)生器，但是其頻率穩(wěn)定性較差，不容易調準，因此制作成功的可能性相對較小。本設計中，選用了單片機作為信號的發(fā)生電路，由于采用了頻率穩(wěn)定性好的晶振作為系統(tǒng)的時鐘，因此有極高的穩(wěn)定性，由此產(chǎn)生的驅動信號也較為穩(wěn)定，當編制不同的程序時，可以得到不同的頻率輸出。
電路中以接收到的信號強度值作為障礙物的判斷依據(jù)，因此對起控點的選擇也是本設計制作成功非常關鍵性的一部分。由于反射回來的超聲波信號的強弱與環(huán)境因素有關，因此在調試時必須非常細心，注意收集在改變距離時，實際的直流控制電壓的大小，合理地選擇好電壓比較環(huán)節(jié)的起控點，從而達到距離小于設定值時的報警。
當小車開始測距時，單片機內(nèi)部開始執(zhí)行程序。P01端產(chǎn)生10us的TTL，STC89C51單片機內(nèi)部會循環(huán)產(chǎn)生8個40KHz脈沖信號，經(jīng)過內(nèi)部自動放大，并且會持續(xù)發(fā)射200us，在P32端接收的同時會輸出個回響信號。這個回響信號與檢測距離成一定的比例關系。由AT89C51單片機編程，執(zhí)行程序后P01口產(chǎn)生40KHz的脈沖信號，經(jīng)三極管放大后來驅動超聲波發(fā)射探頭，產(chǎn)生超聲波。接收頭的采用與發(fā)射頭匹配的，將會把超聲波調制脈沖轉變成交變電壓的信號。經(jīng)過運算放大器兩級放大后,電路內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.R8C3，電容C4的功能是決定其鎖定帶寬。則輸入信號放大25mv，輸出端P32由高電平越變成低電平，并作為中斷請求的信號，然后送到單片機處理[13]。
啟動的發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能便記錄超聲波的發(fā)射時間與受到反射波時間。每當收到一個超聲波反射波的時侯，接收電路的輸出端產(chǎn)生出一個負跳變，并在或端產(chǎn)生出一個中斷的請求信號，單片機響應這個外部中斷請求，自動執(zhí)行外部中斷的服務子程序，并讀取時間差與計算距離[14]。
圖4-1發(fā)射與接收電路
4.1.2顯示電路設計方案
顯示器是一個典型的輸出設備且實際應用廣泛，幾乎所有電子產(chǎn)品都會使用顯示器，各自的差別僅僅在于是顯示器結構類型相異而已。其中，最簡單的顯示器能夠使LED發(fā)光二極管，并給出一個簡單開關的信息，但復雜且較完整的顯示器應是CRT監(jiān)視器或屏幕里較大的LCD液晶屏。綜合一些實際要求和考慮單片機的接口資源，采用串行的方式顯示的LED驅動輸出設備。由于全程顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，用3個LED數(shù)碼管顯示距離的cm數(shù)值。
在單片機應用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅動方式；靜態(tài)顯示驅動和動態(tài)顯示驅動。所謂靜態(tài)顯示驅動，就是給要點亮的LED通過恒定的電流，即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口。單片機只需要把要顯示的字形段碼發(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)，在發(fā)送新的自行段碼。因此，使用這種方法單片機中的CPU開銷小，但這種驅動方法需要寄存器、編譯碼等硬件設備。當需要顯示的位數(shù)增加時，所需要的期間和連線也應該增加，成本也增加。而所謂動態(tài)顯示驅動就是給欲點亮的LED通以脈沖電流，即采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮，這是LED的亮度就是通斷的平均亮度�？紤]各種因素，本設計選用動態(tài)驅動顯示。本設計選用8155芯片作為單片機應用系統(tǒng)拓展的I/O口。PA口作為LED的字形輸出口，為提高顯示亮度，采用8路反相驅動器74LS244驅動；PC口作為LED的為選控制口，采用共陽極的LED顯示器，由于8端全亮時位控線的驅動電流較大，采用6路反應驅動器74LS06以提高驅動能力。
圖4-2 顯示電路
4.1.3
報警電路設計方案
系統(tǒng)報警電路由一個運算放大器、一個發(fā)光二極管和一個喇叭組成。R25的阻值為1K，R26的阻值為10K。對于二級運算放大，都采用F007芯片，兩級放大電路均是負反饋接法，即反相比例運算電路，而反相比例運算電路中，輸入信號從反相輸入端輸入，同相輸入端接地，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點。即u =u+，i =i+=0，而所謂“虛短”是由于理想集成運放Au0→∞。所以可以認為兩個輸入端之間的差模電壓近似為零，即Uid=u =+≈0，即u =u+,而u0具有一定值。由于兩個輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱為“虛短”。而“虛短”是由于理想集成運放的輸入電阻Rid→∞，故可以認為輸入端不取電流，即i =i+≈0，這樣輸入端相當于斷路，而不是斷開，成為“虛斷”。而電路中，反相輸入端與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況成為“需地”。所以iI=，iF==，因為i_=0，iI=if，則可得u0=uI，故可將信號進行放大。
圖4-3 報警電路
4.1.4
系統(tǒng)復位電路設計
在單片機日常工作時，除了系統(tǒng)正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為解決這個問題，也需要復位致使其重新啟動。所以，系統(tǒng)復位電路顯得尤為重要。
單片機復位全靠外部電路實現(xiàn)，每當在時鐘電路工作后時，一旦在單片夾中的RST引腳上表現(xiàn)出24個時鐘振蕩脈沖以上高電平，單片機就會實現(xiàn)初始化狀態(tài)的復位。為了保證并可靠復位，在設計復位電路時，RST須高電平。只要RST電平不變，單片機就循環(huán)復位。
單片機復位電路通常采用以下幾種方式：
（1）上電自動復位
在通電瞬間，由于R•C電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復位。
圖4-4 上電復位電路
（2）按鍵電平復位
通過使復位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的。
（3）在實際應用系統(tǒng)中，為了保證復位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機復位端和外圍電路復位端。這種特別適合于應用現(xiàn)場干擾大、電壓波動大的工作環(huán)境，并且，當系統(tǒng)由多個復位端時，能保證可靠地同步復位。
考慮本設計結構簡單，干擾小，故采用上電自動復位。
4.2
電路調試及性能分析
4.2.1元器件的焊接
焊接是制造電子產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)之一，如果沒有相應的工藝質量保證，任何一個設計精良的電子裝置都難以達到設計指標。
對焊點的基本要求：
（1）可靠的電氣連接，焊接是電子線路從物理上實現(xiàn)電氣連接的主要手段，錫焊連接不是靠壓力而是靠焊接過程形成的牢固連接的合金層到達電氣連接的目的。
（2）足夠的機械強度，焊接不僅起到電氣連接的作用，同時也是固定元器件，保證機械強度連接的手段。
（3）光潔整齊的外觀，良好焊點就會要求焊料的用量恰到好處，外表會有金屬的光澤，沒有粒尖，橋接等現(xiàn)象，同時不傷到導線的絕緣層和相鄰元器件。
4.2.2電路調試與分析
供電電路是否正常是系統(tǒng)能否正常工作的前提，因此首先對電源部分進行調試，接上電源，測得電源電壓輸出應該是5V。并且測得P01口的輸出信號頻率為38.46 KHz,接近40 KHz，滿足實際要求。超聲波測距儀制作與調試，其中，超聲波發(fā)射與接收采用Φ15超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）與TCT40-10S1（R接收），中心頻率是40kHz，安裝的時侯應保持兩換能器的中心軸線平行不變且相距4～8cm，其余的元件便無特殊要求。若是將超聲波的接收電路能用金屬殼屏蔽起來，便會提高其抗干擾能力。根據(jù)測量的范圍要求不同，可適當調整和接收換能器并接入的濾波電容C4大小，以便獲得更合適的接收靈敏度與抗干擾能力[15]。
5系統(tǒng)硬件與軟件設計
5.1硬件與軟件設計
5.1.1硬件設計
STC89C51是一個低電壓，高性能的CMOS8位單片機，片內(nèi)含4KB可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器與128B隨機存取數(shù)據(jù)的存儲器（RAM），器件采用由ATMEL公司高密與非易失性存儲的技術產(chǎn)生，能夠兼容標準的MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)還置有通用8位中央處理器與Flash存儲單元，內(nèi)置功能齊全的微型計算機STC89C51提供了高性價比的解決的方案，STC89C51是個低功耗高性能的單片機，有40個引腳和32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含有2個外中斷口，兩個16位可編程的定時計數(shù)器，兩個全雙工的串行通信口，STC89C51能夠照常規(guī)方法進行一定的編程，也能夠在線編程。它通用的微處理器與Flash存儲器結合在一起，特別是反復式擦寫的Flash存儲器可有效節(jié)省開發(fā)的成本[3]。
I/O的端口編程實際為根據(jù)應用電路的功能與對I/O的寄存器進行編程。具體的步驟如下：
（1）根據(jù)實際的電路要求，選擇采用哪些的I/O端口，且用EQU偽指令去定義自身所相對應的寄存器；
（2）初始化的端口數(shù)據(jù)輸出的寄存器，應該避免端口作為輸出的時侯，開始階段顯現(xiàn)不確定的狀態(tài)，影響到外圍的電路正常工作；
（3）根據(jù)外圍的電路功能，確定I/O端口id方向，初始化的端口數(shù)據(jù)方向寄存器。把用作輸入的端口可以不用考慮其方向的初始化，因為I/O復位缺省值是輸入；
（4）對于用作輸入的I/O管腳，如需上拉，再經(jīng)過輸入上拉讓其能寄存器為它內(nèi)部配置個上拉電阻；
（5）最后對I/O的端口進行輸出（寫數(shù)據(jù)輸出的寄存器）與輸入（讀端口）編程，完成對外圍的電路的相應功能[8]。
根據(jù)系統(tǒng)設計要求，各接口功能如下：
P1.0：產(chǎn)生輸出一個40KHz的脈沖信號。（用于后方的測距電路）
P1.1：產(chǎn)生輸出一個40KHz的脈沖信號。（用于右側的測距電路）
P1.2：產(chǎn)生輸出一個40KHz的脈沖信號。（用于左側的測距電路）
：產(chǎn)生中斷請求，接后方測距電路。
：產(chǎn)生中斷請求，接后方測距電路。
P1.3：接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。
P1.4：接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。
P0.0~P0.7：用于顯示輸出，接顯示器。
P2.7：接報警電路。
P2.0：接報警電路。
P2.1：接報警電路。
XTAL1：接入外部晶振的引腳。在單片機的內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端， 這一個放大器構成出片內(nèi)振蕩器。采用外部振蕩器的時侯，有些引腳應該接地。
XTAL2：接入外部晶振的引腳。在片內(nèi)接到振蕩器反相放大器輸出端與內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。當采用外部振蕩器的時侯，此引腳接外部振蕩的信號輸入。
RST：STC89C51復位信號的輸入引腳，高電位的工作，當要對芯片復位的時侯，只須將此引腳電位提至高電位，并且持續(xù)不變兩個機器的周期以上時間，STC89C51就能完成系統(tǒng)的復位各項工作，使內(nèi)部特殊的功能寄存器內(nèi)部都被設成已知狀態(tài)。
圖5-1 單片機硬件設計
5.1.2
軟件設計
主程序為單片機程序主體，整一個單片機端的系統(tǒng)的軟件功能的實現(xiàn)都在其中完成，在此過程里主程序調用子程序和中斷服務程序。程序第一步完成初始化過程，第二步是一個重復控制發(fā)射信號的過程，即調用發(fā)射子程序幾遍，并且次次發(fā)射的周期結束會判斷在發(fā)射的信號后延時等待過程中是否會發(fā)生； 中斷，即是否回波的產(chǎn)生判斷程序的流程。
圖5-2 單片機軟件主程序流程
圖5-3(a) 單片機軟件子程序流程圖
功能說明：TH0*256時間值+TLO中讀取出來的時間差數(shù)據(jù)并不能作為距離值直接顯示輸出，因為時間差值與實際的距離值之間轉換公式為Outcome=TH0*256+TL0; Outcome=(Outcome*1.7)/100。其中，V為聲音在常溫下的傳播速度，T為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時間，在這個部分中，信號處理包括計數(shù)值與距離值換算，二進制與十進制轉換。
圖5-3（b) 單片機軟件子程序流程圖
功能說明:顯示報警程序中,當小車距離障礙物大于5cm且小于40cm時，車上左右燈閃爍，會報警鳴聲處于警告區(qū)；當小車距離障礙物小于5cm時，車上左右燈顯示紅色并且會報警鳴聲比之前的大，處于危險區(qū)；當小車距離障礙物大于40cm時，車上左右燈綠色，處于安全區(qū)。
在系統(tǒng)硬件表現(xiàn)出的超聲波測距基本功能的同時，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)功能主要是系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理與應用。根據(jù)上節(jié)所述系統(tǒng)硬件設計和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要 實現(xiàn)以下功能：
一、信號控制
在系統(tǒng)的硬件中，已完成的發(fā)射電路、接收電路、檢測電路、顯示電路等設計。在系統(tǒng)軟件里，要完成出增益控制信號與門控信號、發(fā)射脈沖信號與峰值采集信號及遠近控制信號的時序及輸出。
二、數(shù)據(jù)存儲
為得到發(fā)射信號和接收回波兩者之間時間差，須讀出此刻計數(shù)器里的計數(shù)值，接著存儲在 RAM 中，并且每次的發(fā)射周期的開始，必須對計數(shù)器進行清零操作，以備后續(xù)的處理。
三、信號處理
RAM 里存儲的計數(shù)值不能作為距離值的直接地顯示輸出，計數(shù)值和實際距離值之間轉換
公式為：距離=高電平時間*聲速（340M/S）/2 (5-1)
四、數(shù)據(jù)傳輸與顯示
通過軟件的處理得到距離送顯示輸出，用三位 LED 顯示。因為采用單片機STC89C51并且考慮了系統(tǒng)的控制流程，所以整一個系統(tǒng)軟件都是 STC89C51系列單片機的匯編語言實現(xiàn)。由于距離值的得出和顯示是在中斷子程序里完成的，因此在初始化的發(fā)射程序后進入到中斷響應的等待過程。繼中斷響應后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過計數(shù)值和距離值換算子程序與二進制和十進制轉換子程序之后顯示輸出。整一個系統(tǒng)軟件的功能實現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務程序等主要的部分。
6系統(tǒng)誤差分析與改進
6.1誤差產(chǎn)生原因分析
6.1.1溫度對超聲波聲速的影響
空氣中傳播的超聲波是經(jīng)機械的振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體有反抗的壓縮與擴張的彈性模量，氣體的反抗壓縮變化力的作用，能夠實現(xiàn)超聲波在空氣中的傳播。因此，超聲波傳播的速度受到了氣體密度和溫度、氣體分子成份影響
即：
(6-1)
其中B是氣體的彈性模量，r是氣體的密度。C是氣體彈性模量，已知理想氣體的壓縮特性可得：B=g•r ，其中g定義為定壓熱容和定容熱容比值，空氣為1.40，P是氣體壓強。氣體的壓強為： (6-2)
其中，R是普適常量 8.314kg/mol，T是氣體溫度K(絕對溫度)，M是氣體分子量，空氣是28.8×10-3 kg/mol。所以
(6-3)
由公式6-3可知，超聲聲速和空氣溫度有著密切關系。例：當20℃時，T=293.15， CS=344.2 m/s；40℃時，T=313.15，CS=355.8 m/s；-20℃時,T＝253.15，CS=319.9 m/s；上面計算能夠看出，溫度對于超聲波在空氣中傳播的速度有一定的影響。當需要精確確定超聲波傳播速度的時候，要考慮一定的溫度影響。
6.1.2回波檢測對于時間測量的影響
超聲波是從超聲傳感器里發(fā)出的，在空氣中直線傳播，碰到被測物的反射后，再傳回超聲傳感器。整一個的過程，超聲波有很大程度的衰減。它的衰減遵循著指數(shù)規(guī)律。假設在距離超聲接收器x 處有一個被測物，空氣中傳播超聲波的波動方程描述為：
A=A(x)cos(ax+kt) (6-4)
其中A是超聲傳感器的接收振幅；A0 是超聲傳感器的初始振幅；α是衰減系數(shù)；x 是超聲波傳播的距離；w是角頻率；k 是波數(shù)。衰減系數(shù)α=b•f。其中b是空氣介質常數(shù)，f為超聲波的頻率�？梢缘贸觯暡ǖ念l率越高，其衰減就越快。與此同時超聲波的頻率過高就會產(chǎn)生很多的副瓣，造成近場區(qū)干涉。但是超聲波的頻率越高，指向性就會越強，這點對距離測量有利。因為超聲回波隨著距離的增加而變十分微弱，因此設計超聲接收電路的時候，記得要設計出較大放大倍數(shù)(萬倍級)與較好的濾波特性的放大電路，使得回波易檢測。
6.1.3超聲傳感器所附加脈沖電壓對測量范圍與精度影響
做成超聲波傳感器的材料分磁致伸縮材料與壓電材料兩種。超聲測距常用壓電材料傳感器，例如TR40 壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉換效率。每當壓電材料不受外力的時候，其應變S和外加的電場強度E 關系是：
S=d•E (6-5)
其中d 是應變電場常數(shù)。超聲傳感器外附加的脈沖電壓就會影響壓電材料的電場強度，進而影響其應變量與超聲轉換效率，從而影響超聲波的幅值。這會直接影響到超聲波的回波的幅值。所以，為了提高壓電轉換的效率，提高超聲測距精確度與范圍，應該盡可能提高超聲傳感器外附加脈沖電壓幅值[8]。
6.2針對誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進方案
在實際應用中，為了方便處理，超聲波常調制成具有一定間隔的調制脈沖波信號。測距的系統(tǒng)一般開始由超聲波發(fā)送到接收、時間的計測、微機控制與溫度測量5部分組成的。如何才能提高測量精確度是超聲測距的關鍵的技術。其提高測距精確度措施如下：
(1)合理地選擇出超聲波的工作頻率與脈寬及脈沖發(fā)射周期
據(jù)經(jīng)驗，超聲的測距工作的頻率選擇在f=40kHz 比較合適：發(fā)射的脈寬一般是應高于填充波周期10倍以上即：T>0.25s，考慮到換能器的通頻帶與抑制噪聲能力，選擇一個發(fā)射脈寬為1ms；脈沖發(fā)射的周期選擇要求是主要考慮到微機分析處理數(shù)據(jù)的速度，如果速度趕快，脈沖發(fā)射的周期選短些[7]。
(2) 在超聲波的接收回路里串入增益調節(jié)(AGC)和自動增益的負反饋控制環(huán)節(jié)
因為超聲接收波的幅值隨傳播的距離增大呈現(xiàn)出指數(shù)的規(guī)律衰減，所以使用(AGC)電路使其放大的倍數(shù)隨著測距的距離增大呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律增加的電路，使得接收器波形的幅值不隨著測量的距離變化而大幅度地變化，采用了電流負反饋控制環(huán)節(jié)易使接收的波形更加的穩(wěn)定。
（3）提高一定的計時精確度，減少一定的時間量化的誤差
例如用芯片計時器，它的計數(shù)的頻率越高，則時間量化的誤差引起的測距的誤差就會越小。如單片機內(nèi)有計時器計數(shù)的頻率僅僅有晶振頻率的十二分之一，每當晶振頻率是6MHz時，計數(shù)頻率是0.5MHz這時在空氣中測距的時間量化誤差是0.68mm；每當晶振頻率是12MHz時，計數(shù)頻率是1MHz，這時測距的時間量化誤差是0.34mm。若是采用外部的硬件計時電路，那么計數(shù)頻率直接引用了單片機晶振頻率，時間的量化誤差更小[7]。
(4)補償?shù)臏囟葘τ趥鞑サ穆曀儆绊?br />
超聲波在介質中傳播的速度和溫度及壓力等多因數(shù)有關的，其中溫度影響速度最突出，為此需對其有一定地補償。有些文獻說明，按下公式算出的聲速可達較高精確度：
在空氣中， m/s；
在海水中，C=1450+4.21t-0.037t•t+1,14(S-35)+0.175P m/s (6-6)
式中：t—溫度；S—水鹽度，按照千分比的計算；P—海水的靜壓力，單位是大氣壓。聲速可用聲速儀的測量，以用驗證理論的計算準確性。
7
結論
本文在分析了汽車業(yè)現(xiàn)狀的基礎上，提出了汽車防撞報警設計及其重要性。文中對超聲波測距的原理和實現(xiàn)進行了詳細論述，詳細介紹了STC89C51的內(nèi)部結構以及各管腳的功能。在此理論知識基礎上，本文利用STC89C51單片機對系統(tǒng)發(fā)射與接收、顯示報警及復位等硬件電路進行了設計，并對設計電路作了分析。通過掌握了系統(tǒng)的工作流程，設計了該系統(tǒng)的主程序、顯示子程序和蜂鳴報警程序。
文中對車載防撞報警系統(tǒng)的設計可應用在汽車倒車等多種場合，用于告知駕駛者在倒車的時候能準確的避開可能對倒車過程中有著的危害和障礙物與行人，有一定較強實用性，提高駕駛員的安全性。
但是，這個系統(tǒng)的測量距離有限定，只有在0-40cm距離的情況下可表現(xiàn)出明顯的線性關系。另外，每當測距的障礙物時斜面或者是其它的復雜界面也會影響測量的準確性，以上不足需要進一步改進，相信未來隨著科學的不斷完善發(fā)展，倒車防撞系統(tǒng)可完美的實現(xiàn)在駕駛工作中。
附 錄一 系統(tǒng)原理圖
附 錄二 控制主板
附 錄三 電路圖
附 錄四 小車內(nèi)部整體圖
附 錄五 小車底座電源圖
附 錄六 模型圖
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