基于超声波测距的智能小车设计文档格式.docx
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目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。
此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占据重要地位。
国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。
对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。
目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。
随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。
进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。
随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。
超声仪研制呈现一派繁荣景象。
利用超声波制作汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况,防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。
硬件电路部分，单片机对外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等,大大简化了外围电路的设计难度。
同时更重要的是该设计方案大大节省了设计成本,并且由于是采用软件编程技术,所以其移植性能好,在设计电路时可以将其它更多的功能设计进去。
第一章绪论
随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，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的汽车测距报警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测量方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车测距报警系统中，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，当车辆前进或后退时，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，并利用数码管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。
1.1课题研究背景
近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。
随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。
超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。
超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。
正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。
一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。
本设计采用40kHz超声波发射模块。
1.2课题研究意义
由于超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同
环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
因此，超声波在特殊环境下有较广泛的测距应用。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，所以为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。
这样超声波测距在移动机器人的研究上就有着深远的意义。
同时基于超声波测距系统具有以上的种种优点，在汽车前进、倒车防撞测距的研制方面也得到了广泛的应用。
第二章超声波测距原理
2.1超声波传感器介绍
超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而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。
超声波测距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。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。
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。
电声型主要有：
1压电传感器；
2磁致伸缩传感器；
3静电传感器。
流体动力型中包括有气体与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，例如在超声波检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称作探头，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，是超声波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波传感器。
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，便会发出超声波。
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。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。
金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。
2.2超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等；
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。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2.3压电式超声波发生器原理
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。
超声波发生器内部结构如图2.1所示，它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振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，
当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
图2.1压电式超声波传感器结构图
2.4超声波测距的基本原理
谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。
利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。
换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；
反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能（机械能）转换为电能。
最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。
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面的距离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2.2所示：
图2.2超声波的测距原理
（2-1）
（2-2）
式中:
L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
（2-3）
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（2-2）、（2-3）代入（2-1）中得：
（2-4）
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（2-4）变为:
（2-5）
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.
第三章方案论证及选择
3.1设计的任务要求
设计一个超声波测距报警系统，利用红外遥控来小车的运行状态。
主要的任务要求如下：
（1）能够实现超声波测距，并在数码管上予以显示实际距离。
（2）通过遥控器能够对小车的前进、后退、左转、右转等运动状态加以控制。
（3）采集系统采集距离信息,并根据不同的距离信息发出不同频率的声音。
3.2系统初步设计及可行性论证
根据设计要求，本文设计了一个基于超声波测距的红外遥控小车，设计框图如下：
图3.1系统框图
论证1：
本系统的设计是否合理
参考结构一：
采用分离式结构，超声波数据采集和控制分开。
超声波测距、数码管显示和报警为一个独立的系统；
红外遥控接收和电机驱动为一个独立的系统。
参考结构二：
采用整体式结构，超声波数据采集和控制在一起。
超声波测距、数码管显示、报警、红外遥控接收和电机驱动是一个系统。
本系统超声波数据采集和控制既可分开也可融合到一个系统里面，超声波数
据采集系统主要是采集距离信息，并根据不同的信息发出不同频率的声音；
控制系统主要负责控制小车。
通过红外遥控器向控制器发送控制命令以达到手动控制小车的目的。
采用这种控制器+数据采集独立式的结构，其优点是很明显的，具体表现为：
分工明确，可以使各部分各司其责，工作效率高,设计方便，可移植性好。
本设计采用该独立式结构方案可行。
3.3微处理器的选择
方案一：
使用51单片机。
51单片机是初学者首选的，具有指令多，编程易等优点。
典型代表为AT89S51、AT89S52，由美国ATMEL公司生产，后授权给中国台湾某公司生产和销售。
方案二：
使用AVRATMEGA系列单片机。
ATMEGA系列是美国ATMEL公司生产的AVR8位单片机中的高端产品，由于市场和技术原因，市场占有率挺高，采用精简指令集系统。
具有功耗低、处理速度快、性价比高等优点，但是其价格昂贵，目前市场上不易买到。
方案三：
使用MPS430，凌阳61单片机等16位单片机或者ARM系列单片机。
由于本系统控制功能简单，没有必要为了提高性能而增加成本和开发难度。
经过综合考虑，本题目采用第一套方案，选取IO口个数和ROM大小适合本系统的AT89S52单片机。
3.4显示方式的选择
采用LCD1602液晶屏显示
LCD1602能够显示两行字符或数字，每行8个，可视面积较小。
采用LCD12864液晶屏显示
LCD12864能够显示4行汉字，每行显示8个汉字或16个字符。
可视面积大，但是价格昂贵，程序设计较为麻烦。
采用NOKIA5110LCD液晶屏显示
NOKIA5110LCD具有84*48点阵图形显示能力，可同时显示4行，每行7个的12*12汉字，或者显示6行，每行14个的6*8ASCII码字符。
显示信息量一般，且不带字库，显示信息量过大时，需占用单片机大量ROM或RAM空间。
电路设计
和程序设计都较为复杂。
方案四：
采用四位数码管显示
数码管只能够显示数据，不能够显示汉字，不过数码管显示直接数据，易懂，而且程序设计比较简单。
综合考虑：
本系统采用数码显示，方便直接，性价比高，功耗低。
采用四位共阳极数码管，动态扫描。
位选采用三极管电流驱动和开关的选择。
3.5小车电机驱动电路的选择
采用三极管组成的分立式H桥电路。
每个电机都采用有四个三极管组成的H桥电路，三极管价格低廉，电路原理易懂。
实际使用的时候，用分立元件制作H桥式是很麻烦的。
采用集成电路L298NH桥电路。
L298N是专用的驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输出电流大，功率大，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机等特别是器输入端可以与单片机之间相连，从而很方便地受单片机控制，可以之间驱动两个直流电机，并可以实现电机的正反转。
本系统采用集成电路L298N,通过单片机输出逻辑电平就可以控制小车电机的运动状态。
3.6遥控器的选择
红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
采用自制矩阵遥控器
采用矩阵键盘、主控器和光电二极管设计一个遥控器，电路设计较为复杂，而且还得编程。
采用有2262和2272组成的四路遥控器
市场有销售的四路这样的遥控器，不过价格较为昂贵。
采用目前最为流行软包9012电视机遥控器
这种电视机遥控器，组成简单，应用方便，在主电路中用一个接收头，接受信号。
通过单片机进行数据的处理，实现解码，予以控制。
本系统采用采用9012电视机遥控器，方便简单，而且市场上较多，价格便宜。
第四章硬件电路的设计
硬件系统主要有超声波数据采集模块、红外遥控接收模块、小车驱动模块、距离显示模块、报警模块和主控器组成。
系统硬件部分的整体框图4.1如下所示：
4.1系统硬件部分的整体框图
4.1控制器
本设计经过第三章的论证，选用了ATMEl公司生产的AT89S52单片机，AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89S52提供了高性价比的解决方案。
AT89S52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对I/O寄存器
进行编程。
具体步骤如下：
（1）根据实际电路的要求，选择要使用哪些I/O端口，用EQU伪指令定义其相应的寄存器；
（2）初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；
（3）根据外围电路功能，确定I/O端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。
对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为I/O的复位缺省值为输入；
（4）用作输入的I/O管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；
（5）最后对I/O端口进行输出（写数据输出寄存器）和输入（读端口）编程，完成对外围电路的相应功能。
图4.2AT89S52单片机芯片
XTAL1：
接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
它采用外部振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2：
在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。
当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
RST：
AT89S52的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89S52便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
具体的硬件原理图如图4.3：
图4.3最小系统硬件原理图
4.2超声波测距模块
本系统采用深圳市捷深科技生产URF04模块，本模块性能稳定，测度距离精确。
能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。
模块高精度，盲区（2cm）超近。
该模块的主要技术参数：
（1）使用电压：
DC5V
（2）静态电流：
小于2mA
（3）电平输出：
高5V
（4）电平输出：
底0V
（5）感应角度：
不大于15度
（6）探测距离：
2cm-500cm
该模块的外形图如下：
图4.4超声波测距模块的外形图
板上接线方式如表4.1，
表4.1接线图
Pin
名称
注释
1
VCC
供电5V
2
Trig
控制端
3
echo
接收端
4
out
空脚，请悬空
5
GND
地
该超声波模块的工作原理：
（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
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