超声波测距防撞仪 毕业设计.docx

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超声波测距防撞仪毕业设计

第一章绪论

1.1课题概述

1.1.1超声波测距防撞仪的研究背景

随着现代社会工业化进程的发展，汽车的生产技术在不断进步，价格持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车，公路交通呈现行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。

同时，随着汽车工业的快速发展，汽车的产量和个人持有量持续增加，但由于公路发展缓慢及公路管理相对落后，导致交通事故与日俱增，城市夜晚尤其突出，已引起社会和交通部门的高度重视。

倒车事故的原因很多，最重要的原因是存在侧镜死角，汽车司机不能完全掌握的信息，由驾驶员视觉距离后有错误，如果天气不好，然后视力模糊，更容易碰撞尤其是非职业司机更容易碰到障碍物，路障，水龙头等，如果人经过，后果更是灾难性的。

为了解决停车问题，政府不断改善道路交通管理，公司还推出了自己的商务车高科技产品设计为停车场“汽车倒车测距防撞仪”应运而生。

该产品的问世大大减少因意外造成的交通事故，解决了司机的后顾之忧。

1.1.2超声波测距防撞仪的研究意义

随着汽车的不断增加，交通事故的发生率也在不断增长，对于公路交通事故的研究分析表明，80%的交通事故是由于驾驶员的反应不及时造成的，65%的车辆相撞是由于追尾相撞，其余的属于侧面相撞。

交通部门的研究表明，如果驾驶员能早1秒意识到事故危险并做出相应的紧急处理，那么大多交通事故就能避免发生。

传统上，在两个方向的汽车安全研究：

第一个方向是主动安全技术，即，以防止交通意外，这是汽车安全研究的最终目标，而第二个方向是一种被动安全技术，顾名思义是事故发生后的紧急处理，以保障安全的成员。

目前主要的被动安全技术的研究，包括增加安全气囊，防抱死刹车系统，和悬臂保险杠，等等，这些从安全驾驶的成员在一定程度上保护措施，但在经济和安全方面，这些措施正在推动在交通意外发生的对工人的保护，有一定的局限性，而交通事故造成的生命和财产损失，所以主动安全技术仍然是非常必要的，防碰撞超声波测距装置的出现就是主动安全技术的研究成果。

超声波测距装置，又称“泊车辅助装置”，俗称“电子眼”之称，是一个微控制器控制的停车辅助装置，微控制器，实时控制和数据处理功能快速，超声波测距技术，传感器技术通过LED显示，声音和更直观的图像显示告知驾驶员周围障碍物，并通过不同的声音，告诉司机车辆和障碍物之间的距离，消除死角，司机对车辆的障碍，视力模糊，对停车车辆的司机造成困扰地方进行提醒，提高停车和启动的安全。

1.2汽车倒车测距防撞仪的研究现状

1.2.1国内外测距技术的发展现状

距离的测量和传输是整个倒车测距防撞仪的核心，准确和高效的距离数据是倒车防撞系统的基础，这有助于提高行车的安全性和可靠性。

不同的测量方法会造成测量精度的差异，这将导致测量出现偏差，截止到目前，运用在汽车上的测距方法有毫米波雷达长距离测距、超声波短距离测距、激光测距、摄像系统测距、伪码测距等，这几种测量方法的测量精度不同，有各自的特点，但都能实现距离的测量和传输。

（1）毫米波雷达远距离测距

是1毫米至10毫米波，分辨率高，抗干扰能力强，多普勒频移大，测测高速，高灵敏度的波长。

CCD检测的毫米波雷达应用的流量，根据风险直观地改变信号音，颜色和位置度，并在显示屏上，高度智能化，交通管理指挥控制室里观察车辆，大大提高了驾驶安全性。

到目前为止，对于脉冲多普勒雷达，双频雷达和调频连续波雷达的主要工具。

毫米波雷达的应用范围，注意电磁干扰，相邻的雷达或电子设备会产生电磁干扰会减少距离的精度，因此毫米波雷达主要是用于避免碰撞。

（2）超声波短距离测距

超声波的波长比一般的声波短，具有较好的方向性，且反射特性好，超声波测距就是利用反射的原理，在汽车倒车时配合单片机进行测距，驾驶员不用回头就能从显示屏上知道车辆距离障碍物的距离。

超声波测距一般用在短距离的测量上，最佳距离为4-5米，不仅能够定点和连续测距，而且能够方便的提供遥测和遥控需要的信号。

（3）激光测距

激光测距是以激光器作为光源进行测距，由于激光的单色性好、方向性强，测距具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域都有应用。

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：

脉冲法和相位法。

根据激光器的工作方式分为连续激光器和脉冲激光器，也可分为一维、二维、三维激光器。

到目前为止，在汽车上应用较广的是非成像式激光雷达和成像式激光雷达，成像式激光雷达分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达两种，非成像式雷达根据激光传播的时间确定距离。

扫描成像激光雷达将二维光学扫描镜和激光测距结合起来，激光的射出方向由扫描器进行控制，通过对整个视场进行逐点扫描，即可获得视场内整个目标的三维测量值。

在非扫描成像激光雷达中，分束器系统将光源发出的经过强度调制的激光分为多束光后，沿不同的方向射出，照射待测区域，因为测点数目的减少，所以系统的三维成像速度得到大大的提高。

（4）摄像系统测距

光电探测器CCD摄像机主要用来模拟人眼，具有重量轻、尺寸小、噪声小、耗电低、光计量准确、动态范围大等优点，其线扫描输出的光电信号有利于后续信号的处理，在汽车等行业领域有广泛的应用。

（5）伪码测距

伪随机码具有“随机性”、“预先确定性”、“自相关性”的特点，测距伪码是有几个较短的伪码子序列组成的复合码，通过测定电波在空中的传播时间，从而得到距离测量值，在测距、通信、导航和雷达等领域应用广泛。

1.2.2国内外倒车测距仪的发展现状

在美国和其他发达国家，在更先进的实验测试的微处理器，先进的雷达，具有先进的算法和汽车制造工业的转型高速信号处理IC芯片应用程序，提高运算速度的超级计算机，工程师可以设计，可以吸收更多的冲击能量体和框架，一个室内空间布局更加合理，同时更合理的​​武力安全气囊和安全带。

这些被动安全技术可以大大降低后的生命和财产损失的交通事故，减少车辆每百万人死亡，但进一步减少交通意外，我们必须加强积极的技术，如汽车倒车测距仪的研究。

通常汽车倒车测距仪主要包括测距感应器、主处理器、显示设备等组成。

感应器首先发射超声波，在接到反射回的超声波后，由主处理器根据时间差计算距离，然后把距离传送给显示设备进行显示。

最早出现的是倒车喇叭提醒，“倒车请注意”相信很多人都记得，这就是倒车测距仪的第一代产品，只要驾驶员一挂上倒档就会想起，从某种意义上来说它对驾驶员没有帮助，不是真正意义上的倒车测距仪，属于淘汰类产品。

轰鸣器的出现时倒车测距仪的真正开始，当车距离障碍物有1.5~1.8米时轰鸣器开始工作，发出警告声音，轰鸣声越急，表示距离障碍物越近，没有语音提示，也没有距离显示，驾驶员无法知道距离障碍物具体有多远，所以对驾驶员的帮助不大。

随后出现了能显示距离的倒车测距仪，此类产品有两种显示方式：

数码显示和波段显示。

数码显示，顾名思义就是能显示准确的数字。

波段显示有三种颜色来区别:

绿色表示安全距离，距障碍物的距离在0.8,米以上；黄色表示警告距离，距障碍物的距离在0.6~0.8米；红色表示危险距离，距障碍物的距离在0.6米以内，此时要停车。

此类产品对于人和物有不同的距离要求，如果是物，在1.8米处开始显示，如果是人，在0.9米处显示，比较实用，但安装在车内不太美观。

液晶荧屏的出现彻底改变了汽车倒车测距仪的现状，是一个质的飞跃，此时开始出现动态显示系统，只要一发动汽车，荧屏上就会出现车辆自身图案以及车辆距离周围障碍物的距离。

动态显示，外观小巧，色彩清晰漂亮，能直接黏贴在仪表盘上，安装很方便，但它的灵敏度较高，抗干扰能力较差，所以误报较多。

现在市面上卖的最多的是魔幻镜倒车测距仪，它结合了前几种产品的优点，把后视镜、倒车测距、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音提示功能，同时采用最新的仿生超生雷达技术，配以高速电脑的控制，可全天候准确的测知2米以内的障碍物，并以不同的声音提示和直观的数字图像显示提醒驾驶员。

因其外形就是一块倒车镜，所以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置，而且颜色款式多样，可以根据个人的要求而选择，不过价格稍高。

最先进的是无线倒车测距仪，它集无线连接、倒车测距、彩色液晶显示、BP警示音于一体，全天候设计，可以适应不同的环境，不过由于价格比较高，目前在高档轿车上应用比较多。

1.3论文内容及论文构成

在工业生产中，应用非接触场合的测量越来越多，超声波测距系统得到长足的发展，应用越来越广泛，成为非接触测量的基础。

本论文设计的汽车倒车测距防撞仪由超声波测距、单片机主控制、显示和声光报警等部分组成，当数据经过单片机处理后，能显示距离，并可以通过间歇不断的“滴滴”声提醒驾驶员，而且能够实现连续测距。

第一章为绪论，包括超声波倒车测距防撞仪的研究背景和研究意义，及其相关技术在国内外的研究现状。

第二章为超声波，包括超声波简介、超声波发生器、超声波测距的原理和超声波的工作方式。

第三章为方案设计和论证，首先提出系统的总体设计要求，其次根据设计要求画出原理图，最后进行方案的论证。

第四章为系统硬件电路设计，首先掌握硬件电路的设计思想，其次设计系统的主体电路，包括单片机主控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路和声光报警电路，最后是电源电路。

第五章为系统软件电路设计，采用模块化思想，分为主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、显示报警子程序等部分。

第六章为调试，包括硬件调试和软件调试。

第七章为性能分析，对可能引起误差的因素进行分析并改进。

最后依次是总结，致谢，参考文献，附录一，附录二，附录三。

第二章超声波测距

超声波测距技术有很多优点：

它不仅能够定点和连续测量，而且能够方便地提供遥测和遥控所需的信号。

与目前的激光测距技术相比，超声波测距方法简单而且价格较低。

特别是超声波测距技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。

所以在测量要求比较特殊，一般测距技术无法采用时，超声波测距技术往往能用。

2.1超声波简介

超声波是指频率高于20KHz的声波，它因其频率下限大约等于人耳的听觉上限而得名，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透性很强，尤其是在阳光不透明的固体中，可以穿透几十米的深度，碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动的物体能产生多普勒效应。

通常以纵波的方式在弹性介质内传播，在一定的距离内沿直线传播，具有良好的束射性，能量消耗缓慢，易于获得较集中的声能，在介质中传播的距离较远。

超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。

超声波有两个主要应用：

一是用超声波使物体或物性变化的功率应用，称超声功率，例如在液体中发生足够大的能量，产生空化作用，能用于清洗、乳化；二是用超声波得到若干信息，获得通信应用，称检测超声波用超声波在介质中的脉冲反射对物体间的距离进行测量称超声测距。

超声波测距是一门成熟的高新技术，它的最大优点是检测安全、可靠及精度高，而且它可以巡回在运行状态进行检测。

2.2超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，习惯上称为超声波换能器或者超声探头。

当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能；当处于接收状态时，又能很灵敏地探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能。

超声波探头主要有其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片组成，也是其核心，既可反射超声波，也可以接收超声波。

按结构可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）、兰姆波探头（兰姆波）、表面波探头（表面波）等。

超声波探头的性能取决于构成晶片的材料、晶片的大小等方面。

其主要性能指标为：

（1）工作频率即压电晶片的共振频率，当晶片的共振频率与加到它两端的交流电压的频率相等时，输出地能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度由于诊断用超声波探头使用功率较小，而且压电材料的居里点一般比较高，因此工作温度也较低，可以保持不失效的长时间工作。

（3）灵敏度主要取决于制造晶片本身，机电耦合系数大，灵敏度越高；反之，灵敏度低。

T/R-40-XX系列超声波传感器是采用压电效应工作的传感器，通常称换能器，适用于以空气作为传播介质的遥控发射、接收电路中适用，在实际生活中比较常用，分为发射和接收两种，发射器型号为T-40-XX，接收器型号为R-40-XX。

T/R-40-XX的外形尺寸及符号如图2-1所示。

、波头，即可要有其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片组成，这志

图2-1T/R-40-XX外形、尺寸及电路符号

表2-1为四种型号的T/R-40-XX的尺寸，使用时可以根据具体情况选用。

表2-1T/R-40-XX外形尺寸

型号

A（mm）

B（mm）

C（mm）

D（mm）

T/R-40-12

12.7

9.5

6.2

8.5

T/R-40-16

16.2

12.2

9.2

10.0

T/R-40-18A

18.0

14.2

10.8

11.8

T/R-40-24A

23.8

14.6

10.2

11.8

表2-2为四种型号的T/R-40-XX的电气参数。

表2-2T/R-40-XX电气参数

型号

升压电平

接收灵敏度

工作频率（kHz）

带宽（kHz）

电容（pF）

在40kHz时

发送

接收

T/R-40-12

>112dB

最小值为-67dB

（40±1）kHz

最小5/100dB

最小5/-75dB

（2500±25）%

T/R-40-16

>115dB

最小值为-67dB

（40±1）kHz

最小6/103dB

最小6/-71dB

（2500±25）%

T/R-40-18A

>115dB

最小值为-67dB

（40±1）kHz

最小6/103dB

最小6/-71dB

（2500±25）%

T/R-40-24A

>115dB

最小值为-67dB

（40±1）kHz

最小6/100dB

最小6/-71dB

（2500±25）%

2.3超声波发生器

超声波发生器通常称超声波发生源或者超声波电源，作用是把我们的市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，主要分为自激式和他激式两类，也可以分为电气方式产生超声波和机械方式产生超声波两大类，电气方式包括磁致伸缩型、电动型和压电型等，机械方式包括气流旋笛、液哨和加尔统笛等。

因为各种超声波发生器所产生的超声波的声波特性、功率和频率不同，所以用途也不同，截止到目前，压电式超声波发生器是较为常用的超声波发生器。

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。

如图2-2超声波发生器内部结构所示，它有一个共振板和两个压电晶片，当它的两极外加脉冲信号，且频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板震动，便产生超声波，反之，两极间未加外电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，接收超声波。

图2-2超声波发生器内部结构图

2.4超声波测距的基本原理

2.4.1超声波测距概述

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测量量程能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米级。

超声波测距采用最现代化的信号处理技术，高性能声波传感器的运用可以获得可靠而精确的测量结果。

2.4.2超声波测距原理

单片机控制超声波传感器向某一方向发射出超声波束，同时在发射时刻由计时器开始计时，超声波束在空气中传播，遇到障碍后返回，超声波接收器收到反射波束后，计时器立即停止计时，此时单片机根据两次计时的时间差和超声波在空气中的传播速度就可以计算出障碍物距离超声波传感器的实际距离。

由此可见超声波测距原理与雷达原理是一样的

测距的公式为：

L=C×T/2（公式2-1）

式中L为测量距离的长度，C为超声波在空气中的传播速度340m/s，T为两次计时的时间差。

超声波测距原理如图2-3所示。

图2-3超声波测距原理图

2.5超声波测距的工作方式

2.5.1相位检测法

相位检测法是测量返回波和发射波之间相差多少个相位来计算距离，包括过零法、相关分析法、快速检测法等，检测精度高，但检测范围有限，且电路复杂，在信号采集、信号变换、和控制等方面有重要意义。

2.5.2声波幅值检测法

声波幅值检测法是测量回波幅度的大小来计算距离，电路简单，成本低，但易受反射波的影响，测量精度低。

2.5.3渡越时间检测法

渡越时间检测法是检测从超声波发生器发出超声波束开始，经气体介质传播到接收回波之间的时间，这个时间就是渡越时间。

工作方式简单、直观，电路简单易懂，测量距离和精度都不错，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。

本文的设计就是应用的渡越时间检测法。

在倒车的过程中超声波发生器发出超声波束，经过空气的传播和障碍物的反射，超声波发生器接收超声波束的反射信号，通过发射和接收超声波束的时间差及超声波的传播速度来计算距障碍物的距离。

第三章方案设计与论证

3.1系统的总体设计

3.1.1系统的总体设计要求

在汽车挂倒档后，单片机控制超声波发生器发出超声波束，经过空气的传播后碰上障碍物反射回来，超声波发生器接收到反射回波后，单片机根据发射和接收两次计时计算时间差，同时结合超声波在空气中的传播速度计算出距障碍物的距离，经过数码管显示，提醒驾驶员不要碰上障碍物。

设计的电路做成产品后能正常工作，精度在允许的范围内，满足驾驶员的实际需求，同时成本在消费者的接受范围内，以免价格过高导致产品无人问津。

3.1.2系统的总体原理框图

图3-1系统的总原理体框图

3.2系统设计方案的论证

本设计实现汽车倒车测距并通过语言功能提醒驾驶员注意安全，为了实现这些功能，需要多方面结合，主要是超声波发射和接收、距离计算、显示报警等方面的结合。

从设计全局来看，整个系统最核心的部分就是距离的测量，其他几个方面都是围绕距离测量进行展开，距离测量的核心部分是超声波测距传感器，选择合适的传感器经过单片机的处理才能保证需要的精度。

超声波传感器一般要在频率为40kHz时有最大的震荡，超声波才具有更大的能量，能传的更远。

要输出40kHz的脉冲有两种方法，一种是通过单片机输出PWM脉冲信号，另一种是通过外部震荡电路来实现。

本设计中我采用AT89C51单片机，通过外部电路来输出40kHz的超声波电脉冲。

由555定时电路来产生超声波脉冲，首先由单片机产生高低电平信号来控制555定时电路是否工作，反射回波由超声探头接收，发送给单片机，通过单片机进行数据处理，送给数码管显示。

如图3-1总体原理框图所示，测距系统由超声波发射和接收子系统组成，控制部分以AT89C51为核心，显示报警部分包括语音系统和显示系统。

当驾驶员挂倒档时，系统自动启动，超声波发射超声波束，计时器开始计时，经障碍物反射后，由超声波接收器接收反射回波，计时器停止计时，单片机根据两次计时时间差和传播速度计算距障碍物的距离，并经过显示报警系统提醒驾驶员注意倒车安全。

第四章系统硬件电路设计

4.1系统硬件电路的设计思想

本设计的汽车倒车测距防撞仪系统主要由超声波发生器、超声波换能器、超声波接收器、单片机控制器、LED显示器、电源电路等组成。

单片机采用MCS-51系列的AT89C51，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。

单片机P1.0口输出超声波发生器需要的方波脉冲，利用外部中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单的4位共阳极LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用NPN三极管驱动。

首先超声波发生器产生40kHz的调制脉冲，经超声波换能器转换成超声波在空气中传播，在经过障碍物的反射后返回，经超声波换能器转换成电信号送给超声波接收器，再由单片机根据时间差计算距障碍物的距离，将数字送给数码管显示。

4.2单片机控制电路

自从1974年美国仙童公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8后，单片机持续不断发展，各半导体器件厂商也纷纷推出了自己的单片机开发产品系列，并提供了良好的开发环境。

目前单片机正朝着高性能和多品种的方向发展，尤其是8位单片机已成为当前单片机的主流。

51系统单片机能面向控制，能针对的解决从简单到复杂的各类控制任务，以获得最佳的性能价格比，抗干扰能力强，适应温度范围宽，能在各种恶劣的环境下可靠工作，而且体积小、功耗低、控制功能强、易于产品化，能方便的组成各种职能化得控制设备和仪器，并做到机电仪一体化。

故可以广泛应用于国民经济的各个领域，对各行业的技术改造和产品的更新换代起到了重要的推动作用。

在整个系统的设计过程中，选择合适的系统核心部件是能否完成整个系统设计任务的关键，从而作为核心的单片机的选择成为整个控制系统核心的重中之重。

其中单片机在整个控制系统中之所以如此重要，是因为具有三个重要作用：

一是控制超声波发射超声波束，二是负责处理电路发出和接收的信号，三是时间转化成距离的数据处理。

总而言之，AT89C51具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便、安装简易等特点，且考虑对单片机的熟练掌握程度，我选择AT89C51作为整个系统的控制核心。

AT89C51提供以下标准功能：

4KB的片内ROM,128KB的片内RAM，32个I/O口线，2条电源线，6条控制线，2个16位定时器/计数器，五级中断（2个外部中断，2个定时器溢出中断和一个串行口中断），低功耗的掉电和闲置模式，片内振荡器和复位电路。

综上所述，单片机主控制器的正常工作是保证设计成功和正常测距的关键条件，是整个系统的基础。

单片机最小系统的设计虽然简单但关键重要，12MHz高精度的晶振用来获得较稳定的时钟频率，减小测量误差，做电路板时晶振和电容C6、C7离AT89C51越近越好，否则产生的方波不标准，在上下跳沿处会有震荡产生，推荐C6=C7=30uF。

推荐C8=1uF，R4=1k，R5=51k。

单片机最小系统电路如图4-1所示。

图4-1单片机最小系统

4.3超声波发射电路

超声波发射电路包括超声波发射器和超声波换能器两部分，首先由超声波发生器发射超声波电脉冲，然后由超声波换能器将电脉冲转换成机械波向空气中传播。

超声波发射电路有两种方法产生超声波：

软件发生法和硬件发生法。

软件发生法是利用软件产生40kHz的电脉冲，然后通过输出引脚经驱动器推动超声波换能器产生超声波，充分利用软件，灵活性好，但需设计一个驱动电流在100mA以上的驱动电路；硬件发生法是指通过超声波通用发生电路或专用发生电路产生40kHz的超声波电脉冲，并直接驱动超声波换能器产生超声波，缺乏灵活性，但无需驱动电路。

本设计采用软件发生法产生超声波，利用CB555时基电路产生40kHz的超声波电脉冲。

CB555的介绍

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐震荡器。

由于使用灵活、方便，在波形产生与变换、测量与控制等许多领域广泛应用。

图4.2是国产双极型定时器CB555的电路结构图。

它由比较器C1和C2、SR锁存器和集电极开路的放电三极管Td三部分组成。

它具有适用面广、成本低、易使用、驱动电流大、一定的电流负载能力。

CB555的电气原理图和电气符号如图4-2所示。

图4-2CB555定时器电气原理图和电气符号

CB555各个引脚功能：

1脚：

外接电源负端或接地，一般接地。

2脚：

/TL低触发端。