51单片机实现超声波测距报警系统.docx
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51单片机实现超声波测距报警系统
1引言0
研究的目的和意义1
国内外发展的状况以及存在的问题1
现有的倒车雷达存在的问题2
本文研究的主要内容2
2超声波原理介绍3
超声波的基本理论3
超声波的传播速度4
超声波的物理性质6
超声波对声场产生的作用9
超声波測距系统原理10
规格参数12
主要功能12
基本参数12
3系统硬件设计14
单片机系统16
超英波发射接收模块17
报警电路设计18
3.4复位电路19
4系统软件程序22
5计算超声波传播时间22
6结论22
参考文献:
22
致谢25
基于单片机倒车防撞报警系统设计
张杭
南京信息工程大学滨江学院,南京210044
摘要:
对于汽车倒车防撞问题,提出了将超声波测距仪和单片机结合于一体的方案,并给出了一种基于AT89C51单片机的倒车防撞报警系统的设计,对系统中控制部分、发射部分、接收部分、显示部分和报警部分出现的问题进行处理。
本文采用一种简单易行的测距原理建立了防撞报警系统,具体分析了倒车防撞系统的设计原理及各部分元件的设计方案,充分描述了超声波测距的原理及应用,并介绍了我国在超声波测距的发展现状,不过还有一些无法避免的测量误差,还需日益俱进的科学发展加以解决。
关键词:
AT89C51:
超声测距;倒车防撞
1引言
研究的目的和意义
随着社会经济的发展交通运输业飞速发展,汽车的数量在大副攀升。
交通拥挤状况也日趋严重,撞车事件屡屡发生,造成了不可避免的人身伤亡和经济损失。
针对这种情况,设计一种响应快,可靠性高且较为经济实用的汽车防撞报警系统势在必行。
超声波测距法是最常见的一种距离测距方法,应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离和低速状况,并且在汽车倒车防撞报警系统中,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——折射,反射,干涉,衍射,散射。
超声波测距即是利用其反射特性,当车辆后退时,超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置,并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员,起到安全的作用。
国内外现状
国内外发展的状况以及存在的问题
汽车倒车防撞测距报警器是国家安全技术发展期间重点开发的
科研项目之一。
以往的汽车倒车测距一般有四种:
1嘀嘀声加闪光、
2音乐声加闪光、3语音声加闪光、4倒车到危险距离时发出警报声的超声波倒车报警器。
由于很多研究都采用的是特殊难购且稀有的专用元件,使其难以推广。
而本设计采用国内生产的通用元件,成本较低廉,并且使其在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离,在倒车到极限距离时会发出急促的警告声,提醒驾驶员注意刹车,避免事故的发生。
现有的倒车雷达存在的问题
最大有效探测距离的问题:
通过调查得知大多数驾驶员的习惯会使行人只有不到1s的时间脱离危险。
这样一来,报警在减速时就很紧张,明显会感到预警时间不足,引起不必要的事故发生。
本文研究的主要内容
本论文概述了超声波检测的发展及工作原理,阐述了超声波传感器的原理、特点、分类;对于报警系统的一些主要参数进行了讨论和研究,以及在超声波测距系统功能的基础上,提出了报警系统的总体结构;并且设计了系统发射、接收电路,并仔细介绍了系统各设计单元的原理及它们的工作原理。
2超声波原理介绍
超声波的基本理论
超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。
该技术在国民经济中,对提高产品质量,保障生产安全和设备安全运作,降低生产成本,提高生产效率特别具有潜在能力。
因此,我国对超声波的研究特别活跃。
超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。
按超声波振动辐射大小不同大致可以分为:
用超声波使物体或物性变化的功率应用,称之为功率超声;用超声波获取信息,称为检测超声。
超声波是听觉阈值之外的振动,其频率范围在104——10,2Hz,其中通常的频率大约在10」——3x106之间。
超声波在超声场(被超声波充满的范围)传播时,如果超声波的波长与超声场相比,超声场很大,超声波就像处在一种无限的介质中,超声波自由地向外扩散;反之,如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近,则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。
超声波的传播速度
超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波:
横波——质点振动方向垂直于传播方向的波;纵波质点振动方向与传播方向一致的波;表面波——质点振动介于纵波和横波之间,沿表面传播的波。
横波只能在固体中传播,纵波能在固体液体中和气体中传播,表面波随深度的增加其衰减很快。
为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。
超声波的频率越高,越与光波某些特性相似。
超声波与气其他声波一样,其传播速度与介质密度和弹性特性有关。
超声波在气体和液体中,其传播速度C也二(丄)
PBa
式中P介质的密度;
绝对压缩系数。
可以推导出超声波在空气种传播速度6=331.4+0.61x7'。
(T为环境温度)。
超声波在固体中的传播速度分两种情况:
(1)纵波在固体介质中的传播速度与介质的形状有关。
C(l=(-)1(细棒)
P
―卜J卡(薄板)
0(1-")
C厂卜「空一岁丄(匕即(无限介质)
。
(1+“)(1-2“)p
式中E——杨氏模具;
“泊松系数;
K——体积弹性模具;
G——剪片弹性模。
(2)横波声速公式为
C=|p=(—)2(无限介质)
q0x2(1+〃)p
在固体中,“介于0——5之间,因此一般可视为横波
声速为纵波的一半。
超声波的物理性质
当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时,一部分被反射;另一部分透射过界面,在相邻的介质内部继续传播;这样的两种情况称之为超声波的反射和折射,如图1所示:
(1)超声波的反射和折射
入射波
反射波
介质]
折射波
当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时,一部分超声波被反射;另一部分透射过界面,在相邻介质内部
继续传播;这样的两种情况称之为超声波的反射和折射,如图所示。
声波的反射系数和透射系数可以分别由如下两
式求得:
图1声波反射
COS0p2c2
空IcOSQ
R_cosaQC]cos/?
p?
c2
cosap|C|
P\c\
曲0+竺
PlCl
式中:
40分别为声波的入射角和反射角;
P\C\>P1C1分别为两介质的特征阻抗,其中C|,C2为反射
波和折射波的速度。
反射角、折射角与声速仃心满足折射定律关系式:
sina_cl
=——O
sinPc2
当超声波垂直入射界面时,即a=0=O,则:
]_P匹22
r=—t=—°心]+竺]+沁
p\c\p\c\
如果Sina>it,入射波完全被反射,在相邻两个介质中没有折
■
射波。
如果超声波斜入射到两个固体介质面或两粘滞弹性介质面时,一
列斜入射的纵波不仅产生反射纵波和折射纵波,而且还产生反射横波
和折射横波。
(2)超声波的衰减
超声波在一种介质中传播,其声压和声强按指数函数规律衰减。
在平面波的情况下,距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下:
-Ax
超声波对声场产生的作用
(1)机械作用
超声波传播过程中,会引起介质质点交替的压缩与伸张,构成了压力的变化,这种压力的变化将引起机械效应。
超声波引起质点的运动,虽然位移和速度不大,但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。
有时足以达到破坏介质的程度。
(2)空化作用
在流体动力学扌旨出,存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动,当声压达到一定的值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。
(3)热学作用
如果超声波作用于介质时被介质所吸收,实际上也就是有能量吸收,同时,由于超声波的振动,使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量,这种能量使介质温度升高。
超声波测距系统原理
在超声探测电路中,发射端得到输出脉冲为一系列方波,其宽度为发射超声的时间间隔,被测物距离越大,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法:
①取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,故被测距离为S=1/2vto本测量电路采用第二种方案。
由于超声波的声速与温度有关,如果温度变化不大,则可认为声速基本不变。
如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为米/秒,由单片机负责计时,单片机使用晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
如图2,超声波测距的算法设计:
超声波在空气中传播速度为每秒钟340米(15°C时)。
X2是声波返回的时刻,X1是声波发声的时刻,X2-X1得出的是一个时间差的绝对值,假定X2-X1=,则有340mX=o由于在这的时间里,超声波发出到遇到返射物返回的距离如下:
图2测距原理
超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。
设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t,超声波在空气中的传播速度为c,则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出:
超声波测距器的系统框图如下图所示:
基本原理:
经发射器发射出长约6mm,频率为40KHZ的超声波信号。
此信号被物体反射回来由接收头接收,接收头实质上是一种压电效应的换能器。
它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。
规格参数
主要功能
k距离测量;
2、温度测量;
3、光亮度测量;
基本参数
(1)工作电压:
~。
特别说明,绝对不允许超过
(2)功耗电流:
最小1mA,最大20mA
(3)谐振频率:
40KHz:
(4)探测距离范围:
4毫米〜4米。
误差:
4%;
(5)(特别说明,探测最近距离为4mm,最远距离为4米,数据连续输出,不需要任何设置。
)
(6)测量温度范围:
0°C至+100°C;精度:
1°C
(刀测量光照度范围:
能测量出明亮和黒暗;
(8)数据输出方式:
iic和uart(57600bps)两种方式,用户任选;其中UART方式,是以7个字节为一组,以0x55开头的3个数据是距离数值;以0x66开头的2个数据是温度数据;以0x77开头的2个数据是光照度数据。
0x55\0x66\0x77是为区分3个数据而增加的数据头;
(9)时间限制:
支持如下2种探测方式;1、持续探测;2、受控间歇探测;
(10)距离数据格式:
以毫米为最小数据单位,双字节16进制传输,前高后低;
(11)温度数据格式:
以摄氏度为最小数据单位,单字节16进制传输;光照数据格式:
单字节16进制传输;光线暗时数值大,光线亮时数值小;
(12)工作温度范围:
0°C至+100°C
(13)存放温度:
-40°C至+120°C
CI4)外形尺寸:
48mm*39mm*22mm(H)
(15)固定孔尺寸3*O3mm间距:
10mm
发射部分的电脉冲电压很高,但是由障碍物回波因其的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏,要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。
接收部分就由三级放大电路,检波电路及门限判别电路构成的,其中包括杂波抑制电路。
最终达到对回波进行放大检测,产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
但是由于超声传感器固有特性,即盲区的存在,对于回波的接收和处理造成了相当程