论文 - 图文(5)

华北水利水电大学毕业设计

(μbar)。超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围，如图2.5所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图，从图中可以发现40KHz时传感器的声压级最高，也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高。

图2.5 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6dB的角度被称为半衰减角度，用θ1/2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2.6所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。

图2.6 超声波传感器辐射特性示意图

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分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度。

2.6 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V与温度有关。在使用时，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2.7所示：

t

超声波发射 障碍物 S H θ

超声波接收 图2.7 超声波的测距原理

H?Scos?

（3-1）

??arctg(（3-2）

式中:L---两探头之间中心距离的一半.

L)H

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又知道超声波传播的距离为:

2S?vt

( 3-3)

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（3-1）中得：

1LH?vtcos[arctg]2H ( 3-4)

其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度

时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(3—4)变为:

1H?vt2 ( 3-5)

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.

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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。倒车雷达的系统框图如图3.1所示。

超声波发送 单片机系统 LED显示 超声波接收 声光报警

图3.1倒车雷达系统框图

3.1 超声波传感器模块

超声波模块采用现成的ＨＣ－ＳＲ０４超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模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 IO 口 Trig 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，

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通过 IO 口 Echo 输出一个高电平，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3.2。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，Trig 触发控制信号输入，Echo 回响信号输出等四支线。

超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：IO口触发，给Trig口至少10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平，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*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，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：ms）：

T = （定时器0溢出次数 * （0XFF - 0XCE））/ 1000 其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。

图3.2超声波模块实物图 第 22 页 共 66 页

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