通信工程畢業(yè)設(shè)計-用超聲波實(shí)現(xiàn)智能小車中的探測系統(tǒng)設(shè)計-文庫吧

【正文】 .................................................................................................... 27 附錄 ..................................................................................................................................... 29 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 1 前言 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題 超聲波對 固體 、 液體 的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在 固體中，可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生 反射形成反射成回波，碰到活動 的 物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在 生活生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、國防 等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛 應(yīng)用在物 體位置（液位）監(jiān)測、機(jī)器人防撞、各種超聲波接近開關(guān)、 以及防盜報警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角 小，靈敏度 很 高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測到物體組織內(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， “ 悄無聲息 ” 地探測人們所需要的信號。 在以后 的 發(fā)展 中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏 度的超聲波傳感器。 選題 的 目的 和 意義 隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國汽車的擁有量在大幅增加，造成道路擁堵，交通事故頻發(fā)，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來了巨大的損失，安全駕駛成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。其中汽車防撞系統(tǒng) (CAS)的設(shè)計和需求顯得非常重要和迫切，針對這種情況，設(shè)計一種響應(yīng)快、可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行。 在生產(chǎn)生活中，很多場合如汽車倒車、機(jī)器人避障、工業(yè)測井、水庫液位測量等需要自動進(jìn)行非接觸測距。 超聲波是指頻率大于 20 kHz 的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械震蕩波，其具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢 、傳播距離相對較遠(yuǎn)等特點(diǎn) ，因此常被用于非接觸測距。由于超聲波對光線、色彩和電磁場不敏感，因此超聲波測距對環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，此外超聲波測量在實(shí)時、精度、價格也能得到很好的折衷。 因此，本題以單片機(jī) AT89C52 為核心，利用一對 40 kHz 壓電超聲傳感器設(shè)計一款體積較小、精度較高、價格低廉、具有溫度補(bǔ)償、實(shí)時語音報警以及液晶顯示距離的超聲波倒車防撞報警系統(tǒng)。 設(shè)計內(nèi) 容 設(shè)計內(nèi)容 分析 本課題采用 AT89C52 單片機(jī)和壓電超聲波傳感器以及相應(yīng)的外圍電路，通過單片機(jī)中的計數(shù)器和外部中斷信號調(diào)用 子程序測算障礙物距離從而進(jìn)一步控制智能小濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 車中的制動系統(tǒng)。最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)設(shè)計。在編寫程序時主要用到 c 語言。在小車倒車當(dāng)中如果遇到障礙物，當(dāng)距離障礙物一定距離時，單片機(jī)將控制直流電動機(jī)工作方式，以實(shí)現(xiàn)報警提示。 預(yù)期 設(shè)計 結(jié)果 利用 AT89C52 單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合超聲波測距原理，實(shí)現(xiàn)倒車防撞報警的功能，并且要實(shí)現(xiàn)在車內(nèi)能夠?qū)崟r的顯示距離障礙物的距離，提醒駕駛員在倒車時能有效地避開可能對倒車造成危害的障礙物和行人， 實(shí)時顯示距離 ,以及語音報警功能提示駕駛員 ， .測距范圍 在 10CM300CM， 最后 進(jìn)行系統(tǒng)硬件和軟硬件實(shí)現(xiàn)。 對于超聲波測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用 c 語言，能達(dá)到一定的精確度（可達(dá)到 1cm左右），能實(shí)時顯示后方障礙物距離，且價格低廉，報警效果好。 2 超聲波傳感器 超聲波傳感器原理和 特性 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩， 超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同形式，它取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下三種： 縱波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。 橫波波型：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方 向與超聲波垂直時，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。當(dāng)其中剪切力交替作用于固體介質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。 表面波波型：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于橫波的橫波合成，振動質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面 1/4波長深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快率減，實(shí)際上離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅已經(jīng)很微弱了。 在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警 器、自動門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位傳感器；反射型用于材料探傷、測厚傳感器等。 測試 原理 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 圖 超聲波探測設(shè)備中發(fā)射端與接收端位置示意圖 通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與 雷達(dá) 測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2。 把超聲波傳感器安裝在 適當(dāng) 的位置（如圖 ），對準(zhǔn)被測物方向發(fā)射超聲波，就可測量物體表面到 傳感器的距離。 超聲波 特性 （ 1） 空氣溫度的影響 聲波行程時間受氣溫的影響程 程 度為 %/K。也就是說 40℃ 時， 聲速相對于20℃ 時改變了 +%， 因此測量距離也會改變約 +%。但如果選用的超聲波傳感器中有溫度補(bǔ)償功能，這個 影響可忽略不計。一般來說溫度越高， 聲波中心頻率越低，因此 此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時，不僅在外部 進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。超聲波溫度特性如表 21 所示： 表 21 超聲波波速與溫度的關(guān)系 溫度（ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 （ 2）空氣濕度的影響 從干燥的空氣到飽和濕度的空氣中，聲速 至 多增加 2%。因此測量距離 最大 改變2%。實(shí)際中，空氣濕度變化不會如此大， 因此 此影響一般小于 1%。 （ 3）空氣壓力的影響 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 在一固定地點(diǎn)，正常情況下 氣壓波動為 177。5%，會造成聲速 變化 約 177。%。 （ 4）氣流的影響 當(dāng)風(fēng)速大于 50 千米 /時 ，聲波速度及方向 改變會大于 3%。在 使用中，只有靠近被測物表面的幾厘米的氣流 才 有可能大于 20km/h，且垂直于測量方向， 因此 對測量結(jié)果的影響可忽略。 （ 5）油霧的影響 只要防止油霧沉 在超聲換能器的 表面上，就可避免它的影響。 （ 6）超聲波的方向性 較 強(qiáng)，其傳 播 特性如圖 22 所示。 圖 22 傳感器的方向性 超聲波傳感器 好壞 的檢測 首先給超聲波傳感器發(fā)射端加上一個 40kHZ 的方波，并用示波器觀察波形頻率是否正常，如果正常，再將超聲波傳感器接收端對準(zhǔn)發(fā)射端，此時將示波器接到接收端，觀察接收端波形，接收端波形如果是 40kHZ的正弦波（幅度在 mV 級），移開發(fā)射端，波形 緊 隨 消失，則說明超聲波傳感器是好的。 超聲波傳感器檢測物體的方式 （ 1） 限定距離式超聲波傳感器的檢測方式 當(dāng)發(fā)送 超聲波束碰到被檢測物體時，僅檢測電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測物體的檢測面為平面時，則可檢測透明體。若被檢測物體相對傳感器的檢測 面為傾斜時，則有時不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀 ， 實(shí)際使用超聲波傳感器時一定要確認(rèn)是否能檢測到被測物體。 （ 2）限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式 在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時，則被檢測物體遮擋反射濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 板的正常反射波，若檢測到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測范圍也可以是由距離切換 開關(guān)設(shè)定的范圍。 （ 3） 穿透式超聲波傳感器的檢測方式 當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時 ， 檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測距離約 1m， 作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用 100mm100mm的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。 （ 4）回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式 回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā) 送器設(shè)置與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲 波傳感器。 這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 超聲波傳感器的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 由發(fā)送傳感器 (或稱超聲波發(fā)送器 )、接收傳感器 (或稱超聲波接收器 )、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子換能器組成 ， 換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超聲波能量并向空中幅射 。而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路 組成 ， 換能器接收超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動 ， 將其變換成電能量 ， 作為傳感器接收器的輸出 ， 從而對發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測 .而實(shí)際使用中 ， 用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子 .控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制 。 若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為 40kHz的壓電陶瓷片 (雙晶振子 )施加 40kHz高頻電壓 ， 則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短 ， 于是發(fā)送 40kHz 頻率的超聲波 ， 其超聲波以疏密形式傳播 (疏密程度可由控制電路調(diào)制 )， 其超聲波波形見圖 23所示 。 圖 23 超聲波傳感器發(fā)射端波形 根據(jù)超聲波傳感器等效電路與阻抗特性可知 ， 對發(fā)送傳感器而言 ， 工作于串聯(lián)諧振 ， 即諧振頻率 fr 處阻抗 Zr 最低 ， 故能供給最大功率 ， 能用較大振動傳感器 ； 而對接收傳感器而言 ， 工作于并聯(lián)諧振 ， 即諧振頻率 fr 處阻抗 Zr 最高 ， 難供大功率 ， 但濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 阻抗 Zr 高就能得到較大振幅信號 ， 所以 fr 處用作傳感器其靈敏度高。 智能小車撿測障礙 物 距離 糸統(tǒng)超聲換能器的工作方式為反射式 ， 即發(fā)送傳感器換能器發(fā)射 40kHz 頻率的超聲波 ， 遇到障礙后反射被接收傳感器的換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號 ， 其波形 見圖 23 所示 ， 傳播介質(zhì)為空氣。 圖 24 超聲波傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成圖 此 系統(tǒng)由單片機(jī) （ AT89C52） 控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T和一支超聲波接收換能器 TCT40－ 16R。超聲波信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進(jìn)行相關(guān)處理后，輸入單片機(jī)的 INT0腳產(chǎn)生中斷，計算中間經(jīng)歷的時間，同時再根據(jù)具體的溫度計算相應(yīng)的聲速，根據(jù)式 s=v*t/2就可得出相應(yīng)的距離用來顯示， 以實(shí)現(xiàn)對 報警電路 的控制。 3 AT89C52 單片機(jī)簡介 本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的，在介紹電路設(shè)計之前，我們先來了解一下單片機(jī)的工作原理，由于本課題采用 Atmel 公司的 AT89C52 單片機(jī)，故在本章將介紹 AT89C52 的特性。 單片機(jī)的基礎(chǔ)知識 所謂單片機(jī)， 就 是一種集成在 電路 芯片，是采用 超大規(guī)模集成電路 技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU隨機(jī)存儲器 RAM、 只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器 等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、 脈寬調(diào)制 電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器 等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的 計算機(jī)系統(tǒng) 。 電源電路 單片機(jī)外圍電路 AT89C52 發(fā) 射電路 接收電路 顯示電路 語音報警 電路 超聲波發(fā)射換能器 超聲波接受換能器 障礙物 控制 電路 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 中文 “單片機(jī) ”的稱呼由英文名稱 “Single Chip Microputer”直接翻譯而來。 雖然單片機(jī)只是一個芯片，但從組成和功能上看，它已具有了微型計算機(jī)系統(tǒng)的含義。單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 圖 31 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機(jī)又稱 單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成 到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。