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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要
倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。本設(shè)計(jì)利用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)、超聲波傳感器測距實(shí)現(xiàn)超聲波倒車?yán)走_(dá)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 測距 超聲波 倒車?yán)走_(dá)
Abstract
Back-draft radar is the safety and assistant devices when parking or reversing a vehicle, it can tell drivers circs about the around barrier with voice or a more intuitive display, release the surrounded visit puzzle from drivers when parking, reversing and start vehicles, and to help drivers clean off dead ends and the limitation of vision blur, improve the security of driving. It is used that single-chip tehnology ultrasonicranging and sensor technology in the system. . Using Single Chip AT89C51 of ATMEL and Ultrasonic Sensor measure distance to achieve Ultrasonic Back-draft Radar.
Key Words：MCU measuring distance ultrasonic sensor back-draft radar
II
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 課題研究的背景及意義
隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和道路交通狀況的不斷改善，我國汽車保有量不斷增加。但隨著汽車數(shù)量的不斷增加，一系列后續(xù)問題也隨之產(chǎn)生。尤其是交通安全問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于車后盲區(qū)所導(dǎo)致的事故在中國約占30%，因此增強(qiáng)汽車的后視能力是十分必要的。據(jù)調(diào)差了解，絕大部分駕駛員都希望有一雙能夠發(fā)現(xiàn)汽車尾部障礙物的“后視眼”以增強(qiáng)倒車時(shí)的安全性，基于以上原因，汽車倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。
倒車?yán)走_(dá)全稱叫做“倒車防撞雷達(dá)”，也可以叫做“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全的輔助裝置。能以聲音或顯示告知駕駛員車后的情況，解決了駕駛員倒車或啟動汽車時(shí)前后左右探視引起的麻煩，并幫助駕駛員解決由視覺誤差引起的缺陷，提高駕駛安全性。倒車?yán)走_(dá)的原理與普通雷達(dá)一樣，是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開發(fā)的。通過感應(yīng)裝置發(fā)出超聲波來判斷前方是否有障礙物，以及障礙物的距離、大小、形狀等信息。只不過由于倒車?yán)走_(dá)的體積大小和實(shí)用性的限制，目前其主要功能僅為判斷障礙物與車的距離，并作出提示。司機(jī)在倒車時(shí)，倒車?yán)走_(dá)也啟動，在控制器的控制下，由車尾保險(xiǎn)杠的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號。傳感器接收到回波信號后，通過控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物的位置。再由顯示設(shè)備顯示并由報(bào)警裝置發(fā)出警示。從而使司機(jī)倒車時(shí)不至于撞到障礙物。
1.2 國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展情況
經(jīng)過多年發(fā)展，倒車輔助系統(tǒng)已經(jīng)過六代技術(shù)改良。無論是結(jié)構(gòu)外觀還是技術(shù)性能都有了長足的進(jìn)步。
“倒車請注意”！想必不少人還記得這種聲音，這就是倒車?yán)走_(dá)的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有小部分商用車還在使用。只要司機(jī)掛上倒檔，它就會響起，提醒周圍的人注意。從某種意義上說，它對司機(jī)并沒有直接的幫助，不是真正的倒車?yán)走_(dá)。
第二代“轟鳴器”這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。倒車時(shí)，如果車后1.8米~1.5米處有障礙物，轟鳴器就會開始工作。轟鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。
在第二代基礎(chǔ)之上，人們又研究出了數(shù)碼波段顯示的倒車輔助系統(tǒng)?？梢燥@示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在1.8米開始顯示；如果是人，在0.9米左右的距離開始顯示。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由三種顏色來區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物離車體距離有0.8米以上；黃色代表警告距離，表示離障礙物的距離只有0.6~0.8米；紅色代表危險(xiǎn)距離，表示離障礙物只有不到0.6米的距離，你必須停止倒車。
第四代產(chǎn)品又有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，特別是熒屏顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離。
第五代產(chǎn)品結(jié)合了前四代的優(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)確地測知2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)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)了語音功能，是目前市面上最先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。
第六代產(chǎn)品就是無線倒車?yán)走_(dá)，全新無線液晶倒車?yán)走_(dá)，融無線連接、 倒車?yán)走_(dá)、彩色液晶顯示、BP警示音、于一體。由于普通倒車?yán)走_(dá)安裝時(shí)，從車后雷達(dá)主機(jī)到車前儀表臺上顯示器要布一條線，這樣要拆裝車內(nèi)的裝飾板、膠條等，非常不方便?，F(xiàn)在最新推出的第六代無線液晶倒車?yán)走_(dá)，一舉解決此問題，車后主機(jī)和顯示器之間無線連接，方便快捷。更可在大巴、卡車等車身長的車上使用，使安裝更容易。
第2章 主要元器件介紹
2.1單片機(jī)AT89C51
2.1.1AT89C51的功能描述
AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案.
VCC:供電電壓
GND:接地
P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。
P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。
P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。
P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。
RST：復(fù)位輸入
ALE/PROG: 當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。
/PSEN: 外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。
/EA/VPP: 當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。
XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。
AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于8K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎?2V電壓編程，而且擦鞋時(shí)間僅需10毫秒。工作電壓范圍2.7V-6V，全靜態(tài)工作。工作頻率在0Hz-24MHz之間。AT89C51提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠地硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。P0口是三態(tài)雙向口，統(tǒng)稱數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯ν獠看鎯ζ鞯淖x、寫操作。
2.1.2AT89C51的主要特性
·與MCS-51 兼容
·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器
·壽命：1000寫/擦循環(huán)
·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年
·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz
·三級程序存儲器鎖定
·128×8位內(nèi)部RAM
·32可編程I/O線
·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
·5個(gè)中斷源
·可編程串行通道
·低功耗的閑置和掉電模式
·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路
2.2超聲波傳感器
2.2.1什么是超聲波
人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz-20KHz范圍內(nèi)，而超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHz，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。常用的超聲波傳感器可以分為二大類,一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,如壓電式、磁致伸縮式超聲波發(fā)生器；二是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波,有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。
2.2.2超聲波傳感器特性
超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接受換能器，既能發(fā)射超聲波又能接收發(fā)射出去的超聲波回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲波換能器的種類很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲波換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式。
超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電解質(zhì)（晶體、陶瓷、高分子聚合物等）在其適應(yīng)的方向施加作用力時(shí)，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，在電解質(zhì)的某相對兩表面會出現(xiàn)與外力成反比的符號相反的束縛電荷，這種由外力作用是電解質(zhì)帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反的，若在電解質(zhì)加上一個(gè)電場，在此電場作用下，電解質(zhì)內(nèi)部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生與外加電場強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。壓電材料是雅典換能器的研制、應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導(dǎo)體、壓電高分子聚合物和復(fù)合壓電材料。其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實(shí)心，均勻和一體的壓電功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。其優(yōu)點(diǎn)如下：
1. 所有原材料廉價(jià)且易得
2. 具有非水溶性，遇潮不易損壞
3. 壓電性能優(yōu)越
4. 品種繁多、性能各異，可滿足不同的設(shè)計(jì)要求
5. 機(jī)械強(qiáng)度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸
6. 采用不同的形狀和不同的電極化軸，可以得到所需的各種振動模式
7. 制作工藝簡單，生產(chǎn)周期較短，價(jià)格適中
超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性：
圖2-1聲壓能級
圖2-2靈敏度
圖2-1和圖2-2是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。其中，40KHz處為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在40KHz處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在40KHz處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在40KHz兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率40KHz的交流電壓來激勵(lì)。
另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在40KHz處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在40KHz處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R也有很大關(guān)系，如果R很大，頻率特性是尖銳共振的，并目在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并目最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度?？紤]到實(shí)際工程測量要求,可以選用超聲波的頻率f = 40kHz ,波長λ = 0. 85cm。
2. 指向特性：
實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表而上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球波(子波)，這些子波沒有一指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果(衍射)，卻有一指向性。如圖2-3是超聲波的指向特性圖。
圖2-3指向性
超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是0度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40到80度，課題要求發(fā)射傳感器的指向角為60度。
2.2.3壓電式超聲波傳感器
壓電式超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。
如圖2-4，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)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(shí)，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。
圖2-4
反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了，如圖2-5.
圖2-5
2.2.4超聲波傳感器的應(yīng)用
超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽聲的用途更加廣泛，是基于以下凡個(gè)原因：
1.具有方向性，超聲波的頻率越高，則方向性越強(qiáng)。
2.在無損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)中方向性是一個(gè)重要的考慮因素。
3.超聲波的頻率越高，則波長越越短，波長可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探傷、微小厚度測量、高精度測距中，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。
4.超聲是不可聽聲，這樣就避免產(chǎn)生噪聲，因而超聲具有綠色特性。當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHz及40-45KHz。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，分離式反射型可用于接近開關(guān)、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。
第3章 倒車?yán)走_(dá)原理
3.1超聲波測距原理
本設(shè)計(jì)利用超聲波測距儀測得的距離作為倒車依據(jù)。超聲波產(chǎn)生分為有源和無源兩種方式，本設(shè)計(jì)里用的有源測距。
測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。
超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time?of?flight），也可以稱為回波探測法，如圖所示。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)開始計(jì)時(shí)，超聲波在介質(zhì)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(jì)時(shí)。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，可分為液介式、氣介式和固介式三種。根據(jù)所用探頭的工作方式，又可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式。而倒車?yán)走_(dá)一般是裝在車尾，超聲波在空氣中傳播，超聲波在空氣中(20℃)的傳播速度為340m/s(實(shí)際速度為344m/s這里取整數(shù))，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)。公式如3-1：
（3-1）
由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。
限制倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的最大可測距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。聲波的速度c與溫度T有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著,則必須考慮溫度。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，表3-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是所謂的時(shí)間差測距法。
表3-1聲速c與溫度的關(guān)系
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接受的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與以上方式是一樣的。測距的公示為：L=C*T
式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時(shí)間差（T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半）。
3.2總體設(shè)計(jì)方案
該倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于AT89C51的超聲信號檢測的。因此初步計(jì)劃是在室內(nèi)小范圍的測距，限定在2.5米左右量程。單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的40KHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至顯示電路進(jìn)行顯示，并進(jìn)行聲光報(bào)警。
其發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈(有時(shí)裝在探頭內(nèi))，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、隔度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動發(fā)出超聲。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν恢Оl(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。但是，每一支實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個(gè)極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這個(gè)極限值。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測近表而缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。
發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由兩級放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)(AT89C51)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。
在測距計(jì)數(shù)電路中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供20個(gè)左右的脈沖信號，單片機(jī)計(jì)數(shù)器立即計(jì)數(shù)。當(dāng)發(fā)射信號一定時(shí)間以后，若單片機(jī)收到外中斷1的信號則即使成功，若沒有收到信號就重新發(fā)射信號一次，直到收到脈沖信號，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。
雙向超聲波測距儀的系統(tǒng)主要有以下部分組成：LCD顯示模塊、AT89C51控制芯片、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、電源模塊五大部分組成。另外包括語音報(bào)警電路。
圖3-1
如圖3-1該設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：能進(jìn)行雙向測距，實(shí)時(shí)性好，精度高，功耗低。
采用AT89C51的優(yōu)點(diǎn)是：指令簡單容易控制。
第4章 單元電路說明
4.1超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路原理如大圖所示，發(fā)射電路主要由反相器CD4069和超聲波發(fā)射換能器T組成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40KHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R10，R11一方面可以提高反向器輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。
壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈 沖信號，其頻率等于壓電晶片固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時(shí)他就是一個(gè)超聲波發(fā)射器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片做振動。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接受換能器。
4.2超聲波接收電路
集成塊是一款紅外線檢波接受的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率為38KHz與測距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如大圖。實(shí)驗(yàn)證明在接收超聲波時(shí)（無信號時(shí)輸出高電平），具有很好的靈敏度和抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C24的大小可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。當(dāng)超聲波接探頭R感應(yīng)到超聲波回波的時(shí)候，輸出就會從高電平變?yōu)榈碗娖剑a(chǎn)生一個(gè)下降沿觸發(fā)信號，完成信號的采集。
4.3電源電路
穩(wěn)壓電源的輸出電壓U0 （或電壓可調(diào)節(jié)范圍U0MIN—U0MAX）和最大輸出電流I0是它的特性指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)決定了該電源的適應(yīng)范圍，同時(shí)也決定了穩(wěn)壓器的特性指標(biāo)以及如何選擇變壓器、整流管和濾波電容。而輸出電壓阻、紋波電壓、溫度系數(shù)是穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)，它決定了穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓系數(shù)、輸出阻抗、溫度系數(shù)和濾波電容的選擇。
因?yàn)橄到y(tǒng)是由單片機(jī)直接控制處理，其穩(wěn)定的電壓對單片機(jī)來說是十分重要的，如大圖穩(wěn)壓電源，使系統(tǒng)能正常工作。為了改善波紋特性，在穩(wěn)壓電源的輸入端加電容C2，在其輸出端加電容C4、C5，目的是為了改善負(fù)載的瞬間響應(yīng)，防止自激振蕩和減少高頻噪聲。
三腳穩(wěn)壓塊的選擇：該裝置中穩(wěn)壓塊選用LM7805集成穩(wěn)壓塊。LM7805主要技術(shù)參數(shù)：輸出電壓3V-35V；最大輸出電流1.5A。LM7805系列穩(wěn)壓塊封裝：1端為輸入端，2端為公共端，3端為輸出端。注意事項(xiàng)：引腳不能接錯(cuò)，公共端不能懸空；為防止過熱應(yīng)加裝散熱片，其內(nèi)部原理如圖
圖4-1三腳穩(wěn)壓電源內(nèi)部電路
4.4語音播報(bào)及外圍電路
語音播報(bào)包含手動錄音電路、語音放大電路、APR9600外圍元件。電路圖見大圖。
4.5報(bào)警電路
報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器，一個(gè)PNP型三極管構(gòu)成，當(dāng)單片機(jī)的P24腳為低電平時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。原理如圖4-2.
圖4-2
4.6單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)
在51系列單片機(jī)中，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，RST引腳上保持至少兩個(gè)周期的高電平輸入信號，復(fù)位過程即可完成。未響應(yīng)這一不定期過程，CPU發(fā)出內(nèi)部復(fù)位信號。內(nèi)部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn)RST為高電平的第二個(gè)周期開始的，并且此后每個(gè)周期都重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到RST變?yōu)榈碗娖綖橹埂ａ槍?fù)位電路對時(shí)間的需要，所以對復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般來講，VCC電源的上升時(shí)間不超過1MS，片內(nèi)振動啟動時(shí)間在10MS以內(nèi)。這種情況下把RST引腳通過10μF電容接到VCC并同時(shí)經(jīng)過10K電阻和地相連，就可獲得上述自動復(fù)位的結(jié)果。其具體的復(fù)位電路如圖4-3.
圖4-3
接通電源后，Vcc便對電容通過的電阻進(jìn)行充電。RST腳的電壓等于Vcc與電容兩端電壓之差。在充電過程中，隨著電容電壓逐步趨于Vcc，RST引腳上的電壓最終將接近于0。此過程之長短取決于電阻和電容值的大小。10μF的電容足可使RST腳上的電壓在振蕩器啟動后尚有兩個(gè)周期以上的時(shí)間保持高于施密特觸發(fā)器的低門檻電平，從而使整個(gè)復(fù)位過程得以完成。
第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
超聲波倒車?yán)走_(dá)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程序、顯示程序、語音播報(bào)子程序、數(shù)據(jù)處理程序等。由于本系統(tǒng)工作在兩種模式下，所以程序有兩個(gè)分支，倒車模式和測距模式。在倒車模式下，先對所測的距離與極限值比較，當(dāng)大于極限值時(shí)系統(tǒng)不發(fā)出警告。小于極限值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。
5.1系統(tǒng)程序總框圖
圖5-1
5.2主要編程設(shè)計(jì)
主程序首先使系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P1和P0清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接觸發(fā)，需要延時(shí)0.1MS后，才打開外中斷接收返回的信號。設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)聲速為344M/S
則有：d=（c*t）/2=172TO/10000cm
其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值，
用單片機(jī)控制產(chǎn)生40KHz方波，可用延時(shí)程序和循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)，先定義一個(gè)延時(shí)函數(shù)delay0，然后可用for語句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時(shí)改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。超聲波發(fā)射子程序如下：
Void delays （） {} //延時(shí)函數(shù)
Void transmit （）
{
For（a=0；a＜200；a++） //產(chǎn)生100個(gè)40KHz方波
{
P3.6=！3.6； 每循環(huán)一次，輸出引腳取反
delay（）
}
}
接收子程序如下：
void intersvro（void） interrupt 0 using 1
{
uchar DH,DL；
ulong COUNT；
ulong num；
EA=0;
TRO=O; //停止計(jì)數(shù)
DH=THO;
DL=TLO;
COUNT=THO*256+TL0;
num=（344*COUNT）/20000; //計(jì)算距離
TL0=0;
TR=1;
EA=1
顯示系統(tǒng)部分程序如下：
#define LCDCHAR P1
#define LCDSELECT P0
unsigned char code ucaLCDCode[]=
{0Xco,0xF9,0xA4，0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}；
unsigned char code uca LCDSELECT[]={0x04,0x08,0x10,0x20}
unsigned char uca LCDnum[4]
unsigned char*pucLcdnum(unsigned long ulNumber)
{
if(ulNumber＞9999)
ulNumber=9999;
if(ulNumber＜0)
ulNumber=0；
ucaLCDNum[0]=ulNumber/1000;
ucaLCDNum[1]=(ulNumber-1000*(long)ucaLCDNum[0])/100;
ucaLCDNum[2]=(ulNumber-1000*(long)ucaLCDNum[0]-100*(long)ucaLCDNum[1])/10;
ucaLCDNum[3]=(ulNumber-1000*(long)ucaLCDNum[0]-100*(long)ucaLCDNum[1]-10*(long)ucaLCDNum[2]);
return uca LCDnum;
}
報(bào)警程序部分編程如下：
void isd send(unsigned char isdx);
void isd stop();
void isd powerup();
void isd stopwrdn();
void isd play();
void isd setplay(unsigned char adl, unsigned char adh);
unsigned char chk isdov();
void broadcast(unsigned char adl, unsigned char adh);
{
unsigned char ovflog ;
while(1);
{
if(PR=0)
{
delayms(8)
LCD1=~LCD1
while(PR=0);
}
if(LCD=1);
{
if(AN=0)
{
isd powerup();
isd stopwrdn();
isd powerup();
LCD1=1;
delayms(500);
isd setplay(0x00,0x00);
do
{
isd play();
delay(20);
while(int=1);
{;
}
LCD=1;
isd stop();
if(ovflog=chk isdovf());
break;
while(AN=1)
{;
if(isd stop=0);
break;
if(AN=0);
delayms(20);
}
}
第6章 調(diào)試
超聲波系統(tǒng)的調(diào)試其中超聲波發(fā)射和接收采用超聲波換能器TCT40-10F1和TCT-10S1，中心頻率40KHz，安裝時(shí)應(yīng)保持換能器兩中心軸線平行并相距，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接受換能器并聯(lián)的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。
在硬件電路焊接好以后，羨慕側(cè)有無短路、斷線的線路。其次用萬用表檢測各導(dǎo)線間的連接性是否良好，最后安裝元器件。安裝好后，連接工作電源，在檢查相關(guān)芯片的電源引腳和接地電壓。對檢查出的線路問題，短線的添加焊錫連接，短路的用刀劃開，元件電壓不對的檢查焊點(diǎn)是否良好。按以上方法對硬件電路檢查，直到各線路連接良好，電壓正常為止。
硬件制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)射子程序，每次發(fā)射的脈沖寬度和兩次測量的時(shí)間間隔，以適應(yīng)不同的測量距離需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測距儀能測范圍一般為0.10-5.0米測距儀最大誤差不超過1.0cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。
調(diào)試結(jié)果：由于本系統(tǒng)硬件本身存在著誤差，所以在測量時(shí)用取平均值的方式進(jìn)行。故在測量時(shí)，每次測量距離次數(shù)四次，然后取平均值。具體結(jié)果如下表：
表6-1調(diào)試結(jié)果
第7章誤差分析
7.1環(huán)境對測量的影響
環(huán)境對測量的影響，包括空氣溫度變化引起的聲速變化、空氣成分變化、聲波傳播途中溫度梯度導(dǎo)致測溫不準(zhǔn)確等，由于這些因素對結(jié)果產(chǎn)生的影響比較小。開關(guān)門的可靠性是標(biāo)志超聲波測距儀可靠性的關(guān)鍵,即同步門控制。也就是說發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)必須同步。
7.2量化誤差
即參考頻率計(jì)數(shù)結(jié)果的誤差,由于選擇的單片機(jī)計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率為12MHz,所以有量化誤差為0.01米，符合測距要求范圍。所以超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有: 1.量程范圍;2.目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。超聲波頻率高對探測較小目標(biāo)有利,有效反射目標(biāo)應(yīng)大于至少10 個(gè)波長以上, 對于非垂直于發(fā)射波束的目標(biāo),大波束角的傳感器通?？梢垣@得更強(qiáng)的回波信號,而波束角越窄對于減小散射波的干擾越有利。
7.3觸發(fā)誤差
由于被測信號經(jīng)放大、整形,門控產(chǎn)生“開門脈沖”和“關(guān)門脈沖”中,噪聲信號、干擾信號的摻入,使觸發(fā)的時(shí)間可能提前或滯后,給測量結(jié)構(gòu)帶來了隨機(jī)誤差，該誤差與信號的觸發(fā)波形有很大關(guān)系。
7.4其他
本系統(tǒng)采用LM567來確認(rèn)接收信號，LM567在工作時(shí)對發(fā)射信號的接收需要有一定的延時(shí)，再在這段時(shí)間中鎖相環(huán)鎖定信號，由此產(chǎn)生的誤差由數(shù)據(jù)處理模塊中加入一個(gè)修正量來減小誤差。
超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角的影響；超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；影響測量誤差的因素很多，還有現(xiàn)場環(huán)境干擾、實(shí)際脈沖頻率等。
本設(shè)計(jì)預(yù)留有一個(gè)DS18B20的測溫端口，對于測距要求精度高的系統(tǒng)，可以使用此端口實(shí)現(xiàn)對溫度誤差的補(bǔ)償。
由上述誤差分析可知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式求出當(dāng)?shù)芈曀伲瑥亩軌颢@得較高的測量精度。而問題的關(guān)鍵在于，獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。為了便于對溫度信號的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用集成溫度傳感器，能夠在僅占用控制器一個(gè)I/0口的情況下工作（芯片可有數(shù)據(jù)線供電），極大的方便了使用者的調(diào)試使用。足以保證為超聲波測距設(shè)備提供足夠的精度范圍。
結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保證汽車安全的輔助系統(tǒng)。通過超聲波探頭發(fā)射及反射超聲波，使用高速單片機(jī)計(jì)算超聲波在測量車與障礙物之間的往返時(shí)間然后再計(jì)算出車與障礙物之間的距離，并加入了軟件補(bǔ)償，提高了距離計(jì)算精度。然后顯示在LCD顯示器上，當(dāng)在探測的范圍有障礙物時(shí)，蜂鳴器提示報(bào)警，距離越近蜂鳴器的報(bào)警聲也越大。實(shí)際證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距要求，且成本低、有良好的性價(jià)比。
現(xiàn)在我國汽車電子已經(jīng)進(jìn)入高速增長期，中國汽車產(chǎn)品的電子設(shè)備配備率一直處于國際水平之下，隨著近幾年對汽車安全性、舒適性和娛樂性的需求不斷增加，引發(fā)了整車裝備電子設(shè)備的一股熱潮。國內(nèi)汽車電子市場處于高速增長期，市場對于波動和風(fēng)險(xiǎn)有較強(qiáng)的抵御能力。除原有汽車電子產(chǎn)品處于增長期或成熟期，市場滲透率在不斷提高。新的汽車電子產(chǎn)品如夜視系統(tǒng)、泊車輔助系統(tǒng)、防撞預(yù)警系統(tǒng)也再不斷涌現(xiàn)，進(jìn)入市場導(dǎo)入期，開始裝備在豪華高端車輛上。相信不久的將來，隨著技術(shù)的成熟和成本的下降，這些新的技術(shù)也將普及，進(jìn)入高速增長期，成為推動汽車電子市場發(fā)展的主力軍。
致 謝
衷心感謝我的導(dǎo)師。本文工作從選題一直到撰寫的每一個(gè)階段都是在我的導(dǎo)師悉心指導(dǎo)下完成的。我們曾共同探討問題就各種出現(xiàn)的新情況提出自己的見解和積極的解決辦法他清晰敏捷的思路嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給我留下深刻的印象使我受益非淺。吳柏宇老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于模擬電子方面的知識，實(shí)驗(yàn)技能有了很大的提高。別且在大學(xué)生涯最后的一段時(shí)間中學(xué)到了許多新鮮的知識。并且通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程使我掌握了良好的學(xué)習(xí)方法，知識是固定的，可學(xué)習(xí)的方法會使我受益終生。在本文完成之際本人對我的導(dǎo)師表示深深的敬意和誠摯的感謝。
感謝院系領(lǐng)導(dǎo)和我的師長們耐心的指點(diǎn)和思想上給我的啟發(fā)以及電子系老師和同學(xué)的幫助。感謝網(wǎng)站提供有關(guān)資料和所有與我交流探討的同學(xué)和網(wǎng)友。另外，我還要特別感謝學(xué)長和學(xué)姐以及一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們對我的無私幫助和論文寫作的指導(dǎo)，使我得以順利完成論文。同時(shí)也得到了實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)老師幫助，在此我也衷心的感謝他。
最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝。
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