汽车倒车超声波测距仪设计.docx
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汽车倒车超声波测距仪设计
郑州大学毕业设计（论文）
题目：
汽车倒车超声波测距仪设计
指导教师：
陈享成职称：
副教授
学生姓名：
王永敖学号：
010312200130
专业：
电子工程
院（系）：
物理工程学院
完成时间：
2013年5月
2013年5月19日
摘要
本论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AT89S51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89S51单片机得倒车防撞系统。
本系统采用软硬结合的方法，具有模块化和多用化的特点。
论文概述了超声波检测的发展及基本原理，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。
通过多种发射接收电路设计方案比较，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。
关键词：
超声波、AT89S51单片机、模块化、多用化
Abstract
Thepaperisbasedontheultrasonicdistancereversingcollisionavoidancesystemdesign,mainlyusingultrasoundfeaturesandadvantages,ultrasoundrangingsystemandtheintegrationwiththeintegrationAT89S51monolithicintegratedcircuit,AT89S51monolithicintegratedcircuitbasedonthedesignofareversecollisionavoidancewarningsystems.Thesystemusedsoftwareandhardwareintegratedapproachofmodularandmulti-usecharacteristics.
Thepaperoutlinesthedevelopmentandthebasicprinciplesofultrasoundtestsontheprinciplesandcharacteristicsofultrasoundsensors.Someofthemainparametersforthesystemwerediscussed,andintroducingultrasonicrangingsystemfunctionsbasic,theoverallcompositionofthesystem.Throughmultiplelaunchreceptioncircuitdesigncomparison,thebestdesignedprogrammedrawn,andvarioussystemdesignmodulesprinciplesintroduced.Onthecompositionofthesystemcircuitchipintroducedandelaboratedtheprinciplesoftheirwork.Papersintroducedsystemsoftwarearchitecture,throughprogrammingtoachievesystemfunction.
Keywords:
ultrasound、AT89S51、modular、multi-purpose
绪论
随着汽车的普及，越来越多的家庭拥有了汽车。
交通拥挤状况也随之出现，撞车事件也是经常发生，人们在享受汽车带来的乐趣和方便的同时，更加注重的是汽车的安全性，许多“追尾”事故都与车距有着密切的关系。
为了解决这个安全问题，设计一种汽车测距防撞报警系统势在必行。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。
所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，应用在汽车停车的前后左右防撞的近距离测量，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性—折射，反射，干涉，衍射，散射。
超声波测距是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用LED显示出来，当到达一定距离时，系统能发出报警声，进而提醒驾驶人员，起到安全的左右。
通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。
该设计可广泛应用在生活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在LED数码管上。
第1章总体方案
1.1本设计的研究方法
本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。
了解超声波测距的原理的，只有对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。
根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。
对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，从而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。
具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED显示电路。
1.2系统整体方案的设计
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。
超声波发生器可以分为两大类：
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、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。
目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。
根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。
下图1-1为系统整体设计电路图简图：
图1-1系统整体原理图
1.3系统整体方案的论证
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。
超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。
1.4超声测距原理
1.4.1超声波概述
超声波是一种频率超过20的机械波。
超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射。
超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。
利用超声检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：
液位、井深、管道长度等场合。
超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。
超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。
超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。
1.4.2超声波传感器介绍
超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。
电声型主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。
流体动力型包括有气体和液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称为探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。
压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英、铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。
其具有下列的特性：
把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。
因此，用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片。
当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。
前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加上有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会产生超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆向压电效应来工作的。
超声波发生器内部结构如图1-2所示，它有两个压电晶片和一个锥形振子，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，并带动锥形振子振动，便产生超声波。
反之，如果两极间未外加电压，当锥形振子接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。
图1-2压电式超声波传感器结构图
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。
发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样，超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制作成各种频率的超声波传感器。
一般常用的超声波传感器有两种：
专用型和兼用型。
专用型是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器是一体的传感器，既可以发送超声波，又可以接收超声波。
本设计选用的超声波传感器是专用型，其型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器工作的中心频率为40KHz,16表示传感器的外径为16mm，T和R分别表示发射器和接收器。
第2章系统硬件设计
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。
单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。
接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。
图2-1：
系统设计框图
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。
单片机采用AT89S51，系统晶振采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
下图2-2为系统硬件设计原理图：
图2-2系统硬件设计原理图
2.1超声波测距的系统及其组成
本系统由单片机AT89S51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图2-1所示。
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。
单片机采用AT89S51。
采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.5输入一个低电平脉冲。
单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.5由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。
单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
2.1.1超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：
AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。
由K1，K2组成测距系统的按键电路。
用于设定超声波测距报警值。
如图2-3。
图2-3：
超声波测距单片机系统
2.1.2超声波发射、接受电路
超声波发射如图2-4，接收电路如图2-5。
超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。
接收电路由BG2、BG3组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D5、D6及BG4组成。
40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。
发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。
由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。
图2-4：
超声波测距发送单元
该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。
方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。
每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。
由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。
本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
图2-5：
超声波测距接收单元
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。
接收电路如图2-5所示。
接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。
每级放大器的放大倍数为70倍。
放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。
这里使用的是IN4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。
该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。
2.1.3显示电路
本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值，如图2-6。
数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
图2-6：
数码管显示单元
2.1.4供电电路
本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。
6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经滤波电容C1滤波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。
如图2-7所示:
图2-7：
供电单元电路图
2.1.5报警输出电路
为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。
方式一：
报警信号由单片机P3.1端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管BG9、继电器JDQ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。
方式二：
报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。
报警输出电路如图2-8所示:
图2-8：
报警输出电路
第3章系统软件设计
3.1主程序设计
超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。
超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。
主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。
置位总中断允许位EA。
进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位ec=1时，测量一次，程序设计中，超声波测距频度是4-5次/秒。
测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。
当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。
超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5-2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.5脚的电平判断程序。
当检测到P3.5脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。
由于采用单片机采用的是12MHz的晶振，计时器每计一个数就是1μs，当超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式
（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。
设计时取15℃时的波速为340m/s则有：
d=（c×t）/2=172×T0/100（cm）
（2）
其中，T0为计数器T0的计算值。
测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
3.2超声波测距子程序及其流程图
voidwdzh（）
{
TR0=0;
TH1=0x00;
TL1=0x00;
csbint=1;
sx=0;
delay（1700）;
csbfs（）;
csbout=1;
TR1=1;
i=yzsj;
while（i--）
{
}
i=0;
while（csbint）//判断接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if（i>=3300）
csbint=0;
}
TR1=0;
s=TH1;
s=s*256+TL1;
TR0=1;
csbint=1;
jsz=s*csbc;//计算测量结果
jsz=jsz/2;
}
产生超声波的子程序：
为了方便程序移置及准确产生超声波信号，本测距的超声波产生程序是用汇编语言编写的进退声波产生程序。
产生的超声波个数为
UCSBFSSEGMENTCODE
RSEGUCSBFS
PUBLICCSBFS
CSBFS:
movR6,#8h;超声波发射的完整波形个数：
共计四个
here:
cplp2.7;输出40kHz方波
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
djnzR6,here
RET
END
流程图：
3.3超声波测距流程图
第4章系统调试与误差分析
4.1调试步骤
将写好程序的AT89S51机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。
如果一直显示“---”，则需将下限值增大。
本测距板1s测量4-5次，超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。
试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s，该值为15℃时的超声波值。
4.2误差分析
虽然在最前端有0.8cm的空白距离，但是雷达在50cm（50.8cm）时显示的是51cm，在45cm（45.8cm）不到处却显示45cm。
因此本雷达存在误差。
4.3性能分析
从测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到500cm到700cm左右，而我所能实现的最大距离只有664cm左右，测量结果受环境温度影响。
分析原因如下：
1.超声波发射部份由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，以提高超声波的发射功率，从面提高测量距离。
这种方式，加大的超声波了送头的余振时间，造成超声波测距盲区值较大（本系统盲区值为40cm）。
2.本测距板没有设计温度补偿对测量结果进行修正。
但在硬件的PCB上预留的位置。
4.4误差总分析
超声波测距由于其再使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之其结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。
在原理上将，超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法。
其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声波传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在已知超声波声速的前提下，可计算被测物的距离H，即：
H=vt/2。
由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。
这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。
（1）温度对超声波波速的影响
空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。
因此超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。
其中温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响，当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。
（2）超声波回波声强影响
超声波回波声强与被测物得
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