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摘 要 随着社会经济的发展和交通运输业的不断兴旺,汽车的数量在不断的增加。交通拥挤状况日益严重,撞车事件也经常发生,造成了很多的人身伤亡和经济损失。面对这种情况,设计一种响应快、可靠性高并且比较经济实用的汽车防撞预警系统显得非常重要。超声波测距法是一种最常见的距离测量方法。本文介绍的就是利用超声波测距法设计一种倒车防撞报警系统。 本文的内容是基于超声波测距的倒车防撞系统的设计,主要是利用超声波的特点和优势,将超声波测距系统和 片机结合于一体,设计出一种基于。本系统采用软硬件结合的方法,具有模块化和多用化的特点。 论文概述了超声波测距的发展及基本原理,阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论,并且在介绍超声波测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构成。通过多种设计方案比较,得出了最佳设计方案,并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍,并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构,通过编程来实现系统功能。 to in by in of of to a is of is on on of a of of on of of of On of of to 第一 章 绪论 题产生的背景 随着经济的发展与汽车科学技术的进步,公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。同时,随着汽车工业的飞速发展,汽车的产量和保有量都在急剧增加。但公路发展、交通管理却相对落后,导致了交通事故与日剧增,城市里尤其突出。智能交通系统 I T S(目前世界上交通运输科学技术的前沿技术,它在充分发挥现有基础设施的潜力,提高运输效率,保障交通安全,缓解交通 堵 塞,改善城市环境等方面 有 卓越效能,已得到各国政 府的广泛关注。中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。 汽车防撞系统作为 的成功与否对整个系统有着很大的作用。从 理论 上说,汽车的安全可以分为两个主要研究方向 : 一是主动式安全技术,即防止事故的发生,该种方式是目前汽车安全研究的最终目的 ; 二是被动式安全技术,即事故发生后的乘员保护。目前汽车安全领域被动安全研究较多,主要从安全气囊、 保证驾乘人员的安全。从经济性和安全性两方面来说,这些被动安全措施是在事故发生时对车辆和人员进行保护,有很大的局限性,因而车辆 的主动安全研究尤为重要 。 汽车 倒车雷达 系统是一种可向司机预先发出视听 报 警信号的探测装置。它安装在汽车上,能探测 到 接近车身的行人、车辆或周围障碍物 ; 能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号,促使司机采取应急措施来应付特殊险情,避免损失 。 内外发展现状 超声波汽车倒车探测器,种类繁多,应用广泛,目前在市场上呈现了一种各种档次并存,高低搭配的局面。因为它实用性强,技术成熟,所以发展很快。从第一代经过短短几年时间便发展到第五代,从纯电路模式到使用高速处理器;从单纯轰鸣器报警到显示器显示,语音报警。另外安 装使用更加方便,精度及稳定性也有极大提高。在现实生活中的作用越来越大。 (1) 第 1代使用超声波探头、轰鸣器 倒车时,超声波探头发送,接收超声波,车体与障碍物距离的改变使电路中电 压或电流产生变化给轰鸣器不同的信号,如果车后 鸣器就会开始工作。轰鸣声越急,表示车辆离障碍物越近。第一代探测器没有语音提示,也没有距离显示,虽然司机知道有障碍物,但不能确定障碍物离车有多远,对司机帮助不大。 (2) 第 2代使用超声波探头、微处理器、数码波段显示器 倒车时,超声波探头发送,接收超声波,处理器 进行处理,将处理后的信号送给距离显示设备,可以显示车后障碍物与车体的距离。如果是物体,在 果是人,在 这一代产品有两种显示方式,数码显示产品显示距离数字,而波段显示产品由 3种颜色来区别距离:绿色代表安全距离,表示障碍物与车体的距离有 色代表警告距离,表示与障碍物的距离只有 色代表危险距离,表示与障碍物之间只有不到 须停止倒车。第二代产品把数码和波段组合在一起,比较实用,能够作到一目了然,但没有声响,警示效 果不好。 (3) 第 3代使用超声波探头、处理器、液晶荧屏显示器 这一代产品较前两代有了质的飞跃,特别是荧屏显示的使用表明开始出现动态显示系统。不用挂倒挡,只要发动汽车,超声波探头及处理器就开始工作,显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。动态显示,色彩清晰漂亮,外表美观,可以直接粘贴在仪表盘上,安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧,但灵敏度较低,抗干扰能力不强,所以误报也较多。 (4) 第 4代使用超声波探头、处理器、魔幻镜显示器 结合了前几代产品的优点,采用了最新仿生超声雷达技术,配以高速电脑控制 ,可全天候准确地测知 2以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话结合起来,并设计了语音功能,是目前市面上比较先进的倒车雷达系统。因为其外形就是一块倒车镜,所以可以不占用车内空间,直接安装在车内倒视镜的位置。而且颜色款式多样,可以按照个人需求和车内装饰选配,不过造价较高。 (5) 第 5代使用超声波探头、后视摄像机、控制器、监视器 超声波信号接入显示控制器,同时将视频监视子系统中的摄像探头信号接入显示控制器,通过安装在汽车内部的显示控制器的自动切换电 路、字符叠加器、微处 理器,将显示控制器的输出再接入监视器,这样实现自动切换图像、监视、超声波倒车测距、自动报警等功能。车载电视显示车后景物图像和车后障碍物距离。倒车探测器具有精确判断距离的优点,后视摄像对车后方的水沟、山崖、凸出的钢筋、竹竿等倒车安全上的死角极为有效;后者图像直观真实,前者可获得精确的距离,两者精确结合非常实用。此系统技术非常复杂,也不是很成熟,普及率也不是很高。 虽然各代探测器各有特点,但是它们都有着此类产品固有的缺点。车用倒车探测器首先要解决的技术难题就是误报。由于道路状况十分复杂,以及 道路两旁的静态护栏、标志牌,还有各种恶劣天气的影响等,使得探测器对目标的识别十分困难,误报率很高。要想完全解决好误报问题,还需要采取多传感器的信息融合技术。实现信息综合分析,利用数据间的冗余性和互补特性进行容错处理,克服单一传感器可靠性低、有效探测范围小等缺点,有效地降低探测器的误报机率。 生产超声波传感器的主要材料的价格一直居高不下,成为车用探测器推广应用的瓶颈。可以预见,随着新材料、新工艺在探测器制作中的应用,使低价格、高性能的车用探测器的实现和普及成为可能。 超声波的汽车倒车探测器的发展趋势是 :使用的 处理器速度越来越快,系统反应时间越来越短;使用的传感器技术越来越先进,系统稳定性越来越高;使用的显示报警技术更加先进,探测器显示、报警方式会更加直观,更加人性化。各种减小误差电路的出现,会使系统准确性大大提高。总之,超声波汽车倒车探测器用起来会更加方便,更加令人放心。 第二章 设计方案分析 距方式和提示方式比较 距方式 测距方式对系统测量精度及稳定性都有较大影响。因此选择一种合适的测距方式对系统性能提高有很大帮助。目前汽车倒车探测器使用的距离测量方式多种多样,主要有激光测距、红外 线测距、 们各有优缺点,下面对它们各自的特点进行详细分析和比较。 (1) 激光测距 激光测距装置是一种光子雷达系统,它具有测量时间短、量程大、精度高等优点,在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是 :从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后,用扫描镜左右扫描,向空间发射,照射在前方车辆或其他目标上,其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤, 被导入到信号处理装置内的光电二极管,利用计数器计算激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差,即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来,利用扫描器控制激光的射出方向,通过对整个视场进行逐点扫描测量,即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出,照射待测区域。由于非扫描成像激光雷 达测点数目大大减少,从而提高了系统三维成像速度。在汽车测距系统中,非成像式激光雷达更具有实用价值。同成像式激光雷达相比,具有造价低、速度快、稳定性高等特点。但由于激光雷达测距仪器工作环境是处于高速运动的车体中,振动大,对其稳定性、可靠性提出了较高的要求,其体积也受到了一定的限制,同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素。目前,在汽车上,上述各种激光雷达测距仪均有应用,但成像式激光雷达还在进一步研究之中。 (2) 红外线测距 红外线的波长比可见光线长,是肉眼看不见的光,波长为 1000 m。有显著的热 效应和较强的穿透云雾的能力。同时,任何物体在任何时候都会发出红外线。车载传感器通过发射并接收前方物体反射回的红外线,依据信号的强弱及波长的不同,同时分析时间差,可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。但其由于波长及大小很难准确分辩,因此红外传感器角度分辨率高,而距离分辨率低。由于红外线人类肉眼感知不到,具有极强的隐蔽性,夜间同样不妨碍测距仪的工作,故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。但是 ,它比较容易受到光源和热源影响。 (3) 像机 像机即 电荷 耦合器摄像机,它 是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性,在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵 获得被测视野的二维图像,但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个 汽车上常用于倒车后视系统,辅助驾驶员获得后视死角信息,以避免倒车撞物。为获得目标三维信息,模拟人的双目视觉原理,利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像,通过对这两幅图像进行计算机分析处理,即可确定视野中每个物体的三维坐标,这一系统称为双 目摄像系统。双目摄像系统模仿人体视觉原理,测量精度高。但目前价格较高,同时由于受软件和硬件的制约,成像速度较慢。随着计算机软硬件性能的提高,最终将得到广泛应用。 (4) 超声波测距 超声波一般指频率在 40有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点,超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时,超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲,并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后,也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的 信号依据时间差进行处理,自动计算出车与障碍物之间的距离。 通过对以上几种测距方式的分析比较,可以看出超声波测距方式在短距和低速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。因此本设计采用超声波测距方式。 警提示方式 预警提示方式好坏是设计的汽车倒车探测器是否实用的重要标志。目前主要有轰鸣器提示、数码波段显示、液晶荧屏显示,魔幻镜显示,音响提示等单个或多种方式相结合的提示方式,下面对这几种提示方式进行分析和比较。 (1) 轰鸣器提示 车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流变化不同给蜂鸣器不同信号,轰鸣 声越急,表示车辆离障碍物越近。此方式没有语音提示,也没有距离显示,虽然司机知道有障碍物,但不能确定障碍物离车有多远,对司机帮助不大。 (2) 数码波段显示 数码和波段组合在一起,数码显示产品显示距离数字,而波段显示产品由 3种颜 色来区别:绿色代表安全距离,一般表示障碍物与车体的距离有 色代表警告距离,一般表示与障碍物的距离只有 色代表危险距离,一般表示与障碍物之间只有不到 种方式比较实用,一目了然,但没有声响,警示效果不好。 (3) 液晶荧屏显示 动态显示,色彩 清晰漂亮,外表美观,可以直接粘贴在仪表盘上,安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧,但灵敏度较高,抗干扰能力不强,所以误报也较多。 (4) 魔幻镜显示,音响提示 其外形就是一块倒车镜,所以可以不占用车内空间,直接安装在车内倒视镜的位置,颜色款式多样。语音提示比较方便,避免驾驶员过度关注显示器,分散注意力。但需要专业集成芯片,技术上较为复杂。此方案造价较高,比较适合高档汽车,可以按照个人需求和车内装饰选配。 (5) 声音数码距离显示指示灯 数码管显示距离,声音、指示灯提示,比较实用,直观,方便。 通过对预警提示方式的分析,综合其特点,采用声音、 课题的主要任务及内容 本课题的设计采用超声波检测和 单片机 系统的汽车倒车雷达。该倒车障碍检测系统所采用的 超声波 传感器 技术探测到附近的障碍 物,为驾驶员提供倒车警告和辅助泊车功能。其原理是利用超声波探测倒车路径上或附近存在的障碍物,并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告, 当 汽车 与障碍物 小于设定距离时, 发出报警 , 提醒驾驶员 以不同的车速倒车或及时 停车 。 该设计技术指标: 1. 设置报警距离,按下设置键后就可以再按加减键修改报警距离并具有掉电保存功能。 2. 当超声波探测的距离小于设定的距离时蜂鸣器发出报警声,同时红色的发光二级管也提醒报警。 示距离误差不超过 。 基于此任务,本课题中 选择了超声波传感器发射探头发射 40 并通过接收探头接收被障碍物反射的超声波信号,通过接收电路进行调理,得到一个低电平的电压信号传入单片机中。其内容主要分为软件和硬件两部分。在遵循软硬件相结合的原则下,先熟悉软件环境,然后进行硬件电路设计,再根据设计的硬件进行软件编程,进行模块化设计,并对各模块进行调试,再焊接电路板,最后软硬件进行联合调试和故障的排除。 课题的任务分析与实现 针对本课题基于超声波检测的倒车雷达的设计的任务,进行分析得到:通过单片机控制超声波传感器的发射驱动电路,驱动 超声波换能器发射超声波,并启动单片机内部计时器开始计时,当超声波被接收探头所接收后,单片机的定时器就停止计时,通过计算,把计算的距离值显示在 中对设置的距离进行声光报警。 要求达到的各项指标及实现方法如下: (1) 超声波信号的产射与接收 实现:利用单片机控制超声波传感器发射 40障碍物反射后被传感器接收。 (2) 测距的实现。 实现:利用单片机内部定时器和中断来实现。 (3) 对数据的处理,要求用 实现:利用软件编程实现各项功能。 (4) 设定距离的声光报警。 实现:利用软件编程来实现各项功能。 论文的主要内容安排 本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为 数据采集、按键设置、四位数码管 显示、声光 报警等子模块。电路结构可划分为:超声波传感器 、蜂鸣器、单片机控制电路。 就此设计的核心模块来说,单片机就是设计的中心单元,所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是由硬件和软件组成,硬件包括单片机、输入 /输出设备、以及外围应用电路等组成的系统,软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的设计过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。 本次设计的 内容安排可以分为三部分: 第一部分是硬件设计,包括方案的设计、元器件的选择等。具体的硬件电路包括超声波传感器工作电路,声光报警电路,数码管显示电路,报警距离设定电路以及 实验板上每一个硬件电路焊接完成后,每一部分单独调试,在各个部分调试成功后,联调整个硬件电路,最后做出分析,得出结论。 第二部分是软件设计,软件采用 件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,各个子模块逐一设计,分别再进行调试,最后的联调整个程序,判断是否达到预期的要求,做出结论。 第三部分在软 硬件模块调试都成功的前提下,进行硬、软件联调,这是整个设计的关键,也是设计的难点所在。 声波测距的基本原理 声波简介 声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限 (根据大量实验数据统计,取整数为 20000,人们就会觉察不出周围声的存在,因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉范围如图 示。 图 声波的特性有: ( 1)束射特性 由于超声波的波长较短,因此可以和光线一样,能够反射、折射,也能聚焦, 而且遵守几何光学上的所有定律。即 超声波射线从一种物质表面反射时,入射角等于反射角,当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象,也就是要改变它的传播方向,两种物质的密度差别愈大,则折射率也愈大。 ( 2)吸收特性 声波在各种介质中传播时,随着传播距离的增加,其强度会逐渐减弱,这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质,声波的频率越高,介质吸收就越强。对于频率一定的声波,在气体中传播时吸收尤为厉害,在液体中传播时吸收就比较弱,在固体中传播时吸收是最小的。 ( 3)超声波的能量传递特性 超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的 应用,主要原因还在于超声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢 ?因为当声波进入某一介质中时,由于声波的作用使物质中的分子也随之振动,振动的频率和声波频率 样,分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈高。物质分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外,主要是由分子的振动速度的平方决定的 ,所以如果声波的频率愈高,也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多,所以它可以使物质分子获得很大的能量;换句话来说,超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。 ( 4)超声波的声 压特性 当声波进入某物体时 ,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用,将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。 ( 5)测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下,电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时,在短时间内放大器的放大倍数会降低,甚至没有放大作用,这种现象称为 阻塞 。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低,有时甚至不能发现障碍物。这时需要注意的是,由于发射声脉冲自身有一定的带宽,加上放大器有阻塞问题 ,在靠近发射脉冲一段时间范围内,所要求发现的缺陷往往不能被发现,这段距离,称为 盲区 。 超声波传感器介绍 完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为 超声换能器,或者超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测方面。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构 成晶片的材料可以有许多种。由于晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能都是不同的,我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。 超声波传感器的主要性能指标包括: ( 1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。 ( 2)工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高,特别是诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。 ( 3)灵敏度。 主要取决于制造晶片本身,机电耦合系数大,灵敏度高。 人类能听到的声音频率范围为: 2020为可听声波,超出此频率范围的声音,即 2020声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。为此,利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。另外,超声波在空气中的传播速度较慢,为 340m s,这就使得超声波传感器的应用变得非常简便。我们选用压电式超声波传感器。它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷,是利用压电材料的压电效应来进行工 作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头。 为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。总体上讲,超声波发生器大体可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际 上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率 时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。 市面上常见的超声波传感器多为开放型 ,其内部结构如图 一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器。谐振器呈喇叭形,目的是能有 效地辐射由于振动而产生的超声波,并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。 当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生一个电荷。利用这一原理,当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器,所谓叫双压电晶片元件,施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。相反,当向双压电晶片元件施加超声振动时,就会产生一个电信号。基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 图 超声波是一种在弹性介质中传播的机械振 荡,其频率超过 20横向振荡和纵向振荡两种,超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。它有折射和反射现象,且在传播过程中有衰减。 超声波的基本特性如下所述: 1 波长 波的传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是 3 108m/s,而声波在空气中的传播速度很慢,约为 344m/s (20时 )。在这种比较低的传播速度下,波长很短,这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性,才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。 2 反射 要探测某个物体是否存在,超声波就能够 在该物体上反射。由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎 100的超声波,因此我们可以很容易地发现这些物体。由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波,因此很难利用超声波探测到它们。同时,由于不规则反射,通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体,这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所,并且测试物体必须反射超声波。 3 温度效应 声波传播的速度“ c”可以用下列公式表示。 c=m/s) 式中, t=温度 ( )也就是说,声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。因此,要精确的测量与某个物体之间的距离时,始终检查周围温度是十分必要的,尤其冬季室内外温差较大,对超声波测距的精度影响很大,此时可用 18虑到本设计的测试环境是在室内,而且超声波主要是用于测距功能,对测量精度要求不高,所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。 4. 衰减 传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱,这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失,也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。如图 声波的频率越高,衰减率就越高,超声波的 传播距离也就越短,由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器的有效距离。 图 5声压特性 声压级 ( 是表示音量的单位,利用下列公式予以表示。 20中 ,“ P”为有效声压 ( “ 参考声压 (2 10图 图 声波传感器的声压图 6灵敏度特性 灵敏度是表示声音接收级的单位,使用下列公式予以表示。 灵敏度 = 20(中 ,“ E”为所产生的电压 (“ P”为输入声压 ( 超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围,如图 图中可以发现 40就是说 40 图 超声波传感器灵敏度示意图 7辐射特性 把超声波传感器安装在台面上。然后,测量角度与声压 (灵敏度 ) 之间的关系。为了准确地表达辐射,与前部相对比,声压 (灵敏度 ) 级衰减 6 1/2表示。超声波设备的外表 面尺寸较小易于获得精确的辐射角度。如图 图 声波传感器辐射特性示意图 分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在 40 超声波测距原理分析 超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s,根据计时器记录的时间 t,就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s),即: s=340t/2 由于超声波也是一种声波,其声速 使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图 t 超声波发射 障碍物 S H 超声 波接收 图 声波的测距原理 ( 3 )( ( 3 式中 : 又知道超声波传播的距离为 : ( 3式中 :v 超声波在介质中的传播速度 ; t 超声波从发射到接收所需要的时间 . 将( 3 2)、( 3 3)代入( 3得: c 21 ( 3其中 ,超声波的传播速度 例如在温度 T=30 度时 ,V=349m/s);当需要测量的距离 时 ,则 (3 4)变为 : 1 ( 3所以 ,只要需要测量出超声波传播的时间 t,就可以得出测量的距离 H. 第三章 倒车雷达的硬件系统设计 汽车倒车雷达是由超声波传感器工作电路和单片机系统电路构成的。单片机系统电路又包括显示电路和报警电路等。汽车倒车雷达其核心就是一个超声波传感器。 在实际设计中,倒车过程中对 距离的测量,可通过超声波发射装置向车后方发送超声波,再对经障碍物反射回来的超声波进行接收,在发送超声波的同时,单片机的计时器开始计时,接收经障碍物返回的超声波时计时停止,从而计算出超声波发送和被接收之间的时间,我们又知道超声波在一定温度下在空气中传播的速度,就能求出汽车与障碍物之间的距离。本设计采用压电式超声波换能器,压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器有两个压电晶片和一个共振板,当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板产生超声波,这 时它就是一个超声波发生器;反之,如果两电极间没有外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,使机械能转换为电信号,这时就成为超声波接收换能器了。 图 超声波传感器模块 超声波模块采用现成的超声波模块,该模块可提供 2非接触式距离感测功能,测距精度可达高到 3块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理:采用 发测距,给至少 10高电平信号 ;模块自动发送 8 个 40方波,自动检测是否有信号返回;有信号返回,单片机系统 超声波发送 声光报警 超声波接收 示 通过 出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离 =(高电平时间 *声速 (340M/S)/2。实物如图 中 5V 电源, 地线, 发控制信号输入, 响信号输出等四支线。 超声波探测模块 0动测量;模块自动发送 8个 40方波,自动检测是否有信号返回;有信号返回,通过 电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间,测试距离 =(高电平时间 *340) / 2,单位为 m。程序中测试功能主要由两个函数完成。 实现中采用定时器 0进行定时测量, 8分频, 设值 0 500次时为 125算公式为(单位: T = (定时器 0溢出次数 * ( 0 0 / 1000 其中定时器 0初值计算依据分频不同而有差异。 图 声波模块实物图 传感器内部电路如图 感器内部电路 片机的选择 单片机自从问世以来,它一直是工业检测、控制应用的主角。市场上常用的单片机有 本松下公司的 中, 片机应用系统具有体积小,可靠性高,功能强,价格低等特点,很容易形成产品而更受青睐。 89 设计,由美国的 是一种低功耗高性能的具有 8器件是用高密度、非易丢失存储技术 制造并且与国际工业标准 80 图 9脚图 从使用方便与简化电路以及其性价比等角度来考虑, 89本系统采用 989以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上,比以往惯用的 8031便等优点,而且完全兼容 89面介绍 89 40) :电源 +5V; 20) :接地; 32:双向 I/可作低 8位地址和 8位数据总线使用,也可作普通 I/10多用途端口,既可作普通 I/可按每位定义的第二功能操作; 21既可作高 8位地址总线,也可作普通 I/1 准双向通用 I/9) :复位信号输入端; 址锁存信号输出端; 外程序存储器选择线; 19) 和 18) :外接石英晶体振荡器。 主控制模块 硬件电路 总 设计见图 3, 图 件电路总设 计图 从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件: 超声波 传感器、按键、 四位数码管 、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。其中 电路 中用到 3个按键, 一个是设定键 , 一个加键,一个减键 。 片机外围电路的设计 由单片机硬件设计原理可知:( 1)尽可能采用功能强的芯片,以简化电路;( 2)留有余地,在设计硬件电路时,要考虑到将来修改、扩展的方便。 源设计 电源部分的设计采用 3节 5号干电池 电。 图 源电路 2 单片机最小系统 单片机复位是使 从这个状态开始工作,复位后 0000H,使单片机从第 个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时,还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是:必须使 即 24个振荡周期 )的高电平。本文中时钟频率 12个机器周期为 1s,则只需 2 复位电路由电容串联电阻构成,由图并结合 电容电压不能突变 的性质, 可以知道,当系统一上电, 且,这个高电平持续的时间由电路的 当组合 该电路除具有上电复位功能外,若要复位,只需按 时电源R 、 2R 分压,在 时钟电路主要任务是提供一个工作频率。单片机内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器,此放大器的输入和输出端分别是 内部和外部两种时钟产生方式。本设计采用内部时钟产生方式。电路接法如图 荡频率为 12与内部反相器构成自激震荡器。其发出脉冲直接送入片内定时控制部件。此外,电容对频率有微调作用,因为外接晶振,电容选择 30际应用时谐振器和电容尽可能安装在单片机附近,减少寄生电容,保证振荡器稳定可靠的工作。 图 片机最小系统 光报警电路的设计 如图 一个 2红色发光二极管 接到单片机的 成声 光 报警电路。 图 声光报警电路 示电路 本设计中采用 阳极 4封装型显示器显示。 是由若干个发光二极管组成,当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画点亮。控制不同的组合的二极管导通就能显示出各种字符。 共阳极显示器的发光二极管的阳极连接在一起,当公共阳极接高电平,某一字 段发光二极管的阴极接低电平时,相应字段被点亮。通常将控制发光二极管发光的8位字节数据编码称为 构成多位 需要段选线外,还需要位选线,以确定段选码对应的显示位,位选线控制第几个 示,段选线则控制显示字形。 本设计采用一个 4 位 位选线和段选线的共同作用下,可以使显示器显示各自的字符,当然这些字符不是同时显示的,但由于人眼存在视觉暂留,加上发光二极管的余辉效应,由于扫描的速度足够快,每位显示的间隔时间足够短,就可以给人同时显示的感觉,而不会有闪烁感。 第 4 章 倒车雷达的软件系统设计 研制一台智能仪器是一个复杂的过程,这一过程包括分析仪表的功能要求和拟定总体设计方案,确定硬件结构和软件算法,研制逻辑电路和编制程序,以及仪表的调试和性能的测试等等。软件的设计应遵循结构化设计原则,在总体概况设计的基础上进行具体的详细设计,功能分解,模块划分,细化软件层次,优化软件结构,以达到模块功能的独立性,执行的高效性。总之,设计的程序应该达到可读性、可理解性、可维护性、有效性、可修改性。 车雷达的软件设计方案 在单片机系统的程序的设计开发中,单片机就如同整个系统的交 通中枢,而程序就是组成交通中枢的条条大道,各个部分的模块化的程序就是整个系统的组成成份。软件编写的好坏,语句运用的是否简洁直接关系单片机的工作效率。在各个模块化的程序中尽量用最少的语句做最多的事情,不让语句出现歧义,这样就可以使整个程序可以在系统

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