基于单片机的超声波倒车雷达的实现设计Word格式文档下载.docx

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传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。

信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。

比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。

利用单片机控制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，并且测量精度较高。

超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、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。

因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。

对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。

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。

1.2国内应用现状

近年来，由于在工业机器人的进行测距、跟踪导航上的应用和车间机械加工中的需求，设计一款智能测距装置已经非常的重要。

而超声波测距法具有以下优势：

（1）超声波有定向性较好、传输衰减小、能量集中、有较强的反射能力等优势。

（2）和光学方法相比，超声波的传播速度较小，对于较近的目标可以直接测量。

（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。

随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。

但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。

超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，目前对超声波的精度要求越来越大。

超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。

未来超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展。

1.3超声波测距系统介绍

基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。

超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。

其系统框图如图1-1所示。

图1-1基于单片机的超声波测距系统框图

这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。

利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。

许多超声波测距系统都采用这种设计方法。

1.4　本课题的研究内容和目标

本次设计了一款基于单片机的超声波测距系统，系统以单片机作为微处理器，单片机的体积小，结构简单，非常适合用在测控系统中。

在软件程序的设计上，为了使程序更加的灵活，我们采用C51语言，这样可以大大的简化程序的编写时间。

在结合市场上已经存在的

不少的超声波测距装置，本系统结构紧凑性好、成本低，可靠性好，能有效准确的测量出障碍物和传感器之间的距离，具有一定的市场价值。

本次设计的主要目标是通过超声波传感器具有近距离测速功能，实现了当传感器靠近障碍物后进行报警的功能。

报警的距离可以通过按键进行控制。

测量距离可以通过LED数码管显示器进行显示。

2系统方案设计

2.1系统设计要求

本次设计的超声波测距仪预警系统由三个部分组成，分别为测距部分、控制系统部分和报警显示部分。

本系统的主要功能是：

当系统上点后，当超声波传感器距离障碍物的距离逐渐减小到小于设定的报警距离值的时候的时候，系统会发出报警提示，同时在LED显示器上显示倒车距离。

2.2系统构建

这里我们主要介绍系统的硬件部分，在硬件设计上我们采用模块化的设计思想。

主要分成三个主要的模块：

测距系统模块、控制系统模块和报警显示模块。

倒车防撞系统根据“回波测距”的原理设计的，整体框图如图2-1所示。

图2-1超声波测距系统结构原理图

各模块具体功能如下：

（1）测距系统模块：

针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。

（2）控制系统模块：

本系统以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。

（3）显示报警系统模块：

显示最小距离及报警以提醒使用人员。

2.3系统方案设计

2.3.1测距系统方案设计

目前汽车倒车测距仪预警系统测距技术主要有激光、毫米波测距仪、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息判断前方车辆和本车间的相对距离，并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施。

由于题目要求，本系统的测距模块采用的是超声波测距，其他测距方法不做过多说明。

所谓超声波，是指人耳听不见的声波。

正常人的听觉可以听到16-20千赫兹（KHZ）的声波，低于16千赫兹的声波称为亚声波，我们把超过20千赫兹的声波叫做超声波。

超声波在空气中的传播速度约为340m/s。

超声波具有能量消耗慢，传播距离远，并且超声波回检的速度快，计算方便。

并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此智能的测距系统主要是通过超声波来实现的。

综上所述，超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度，因此本次设计的汽车倒车防撞装置是通过超声波进行测距来实现的。

本次设计使用了超声波传感器，它是通过超声波的一些特性而研制的一款传感器。

超声波是一种机械波,振动频率高于声波通过改变芯片可以在电压的激励下振动,它有一个高频率、波长、衍射现象,特别是定向好,可以成为射线和定向传输等。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多用作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前需要了解它的性能。

超声波传感器的主要特性如下：

（1）工作频率。

压电晶片的共振频率就是工作频率。

当晶片的共振频率和加到它两端的交流电压的频率相等时，灵敏度最高，输出的能量最大。

（2）工作温度。

由于其高居里温度压电材料一般比较,尤其是当诊断用超声波探头功率小,所以温度较低,你可以工作在很长一段时间没有失败。

医疗使用的超声波探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。

主要取决于压电晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；

反之，灵敏度低。

使用在室外的超声波传感器应该具有很好的密封性，防止雨水和灰尘的进入。

在金属盒体的顶部内侧固定压电陶瓷。

在盒体的开口端固定底座，使用树脂对盒体进行覆盖。

图2-2为超声波探头的结构图。

图2-2超声波探头的结构图

其原理为：

在超声波发射器两端输入40KHZ脉冲串，在超声波内部振子中通过脉冲信号，产生机械波，通过介质传播到需要测量的面，经过被侧面返回到接受器进行接收，接受到的信号是毫伏级的正弦波信号，通过超声波从发送接受所用的时间，即往返时间。

通过往返时间乘以传播速度，就可以计算出传播距离。

实际的距离为传播距离的一半，其表达公式可由式（1.1）表示：

L=CT/2（1.1）

图2-3超声波测距的原理图

（1.1）式中，L为需要测量得距离，C超声波的传播速度，T接受的往返的时间。

假设单片机微处理器的周期为t，则T=Nt，则测量得距离可式（1.2）表示：

L=CT/2=CNt/2（1.2）

因为超声波指向性强，所以超声波对障碍物面的入射角对超声波电子倒车测距仪的灵敏度影响较大。

理想的情况是让超声波垂直于入射面，可最大限度地接收反射回波以避免可能使超声波电子倒车测距仪失灵的情况出现。

超声波测距原理图如图2-3所示。

2.3.2控制系统方案设计

在控制系统的方案选择上，由于整个系统的设计涉及到数据处理，控制实时性等问题，选用单片机作为微处理器，功耗低、电路设计简单、程序编写可以选择单片机C51程序，大大的增加了系统的灵活性，减小了系统的开发周期。

单片机内部有看门狗定时器，可以在程序跑飞的情况下自动的复位；

通过快速的指令周期可以实时的采集到数据。

所以微控制器选用Atmel公司的AT89S52单片机的控制系统。

图2-4单片机控制系统

2.3.3显示报警系统方案设计

显示器应用极为广泛，是一种输出设备，综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源，本设计使用四个DPY_7-SEG_DP共阴二极管显示器，由于倒车时距离障碍物的距离本来就比较近，大概在3米以内，所以一个四位的LED显示器就可以达到要求。

报警装置采用的是有源蜂鸣器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员。

2.3.4系统探测范围及传感器布点的确定

超声波传感器发射超声波有一定的角度范围，超声波传感器的测量角度如图2-5所示。

超声波传感器是否灵敏，和以下因素有关：

1．从物理学中的反射原理知：

超声波的反射规律遵循反射定律于入射角等于反射脚，因此，反射波是否能被接收器接收到与反射面的角度有关。

2．不同大小的反射面积会影响反射波的强度。

3．超声波在传播过程中会产生衰减，所以同样的角度，同一个反射面，距离越远衰减程度越大。

根据以面得原理可知，在下列环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况：

1．铁丝网、绳索这类细小的物体。

2．崎岖不平的路面。

3．易吸收声波之物质，如棉质。

4．传感器的表面上有着异物。

5．障碍物为锐角反射体，锥状物体。

为了满足系统的测量的要求，如要超声波可以测量的最大距离为6M，本次设计的超声波测量范围为0-3M。

对于超声波传感器这样在室外工作的物体，为了有效的减少各种干扰。

我们要选择灵敏度高的，可靠性好的超声波传感器。

在本次设计中我们选用UCM-R40KI、UCM-T40KI（R表示接收传感器，T表示发射传感器），最大探测距离为10m，发射扩散角为60度。

2.4本章小结

在本章中主要介绍了系统的设计要求，根据设计要就设计了相应的硬件结构框图。

之后又介绍的超声波传感器的工作原理和本次所选用的传感器的型号。

确定了系统的最终的设计方案。

3硬件部分设计

本章主要讲述了超声波测距系统硬件电路的设计，把系统的整个硬件系统分成各个单元的模块电路设计。

包括系统的主控制器单片机模块，超声波接收电路模块，超声波发射电路模块，显示电路模块，报警电路模块，还有键盘控制模块等等。

3.1系统硬件设计思想

其硬件结构图如图3-1所示。

图3-1系统硬件结构图

超声波发送40KHz脉冲信号通过单片机的的P1.5口送出，发出脉冲串，再把信号经过放大和整形经过超声波驱动电路，驱动超声波发射头，使发射传感器接收高电压。

驱动内部的压电晶片震动，经过换能器后发射电路发出40kHz的脉冲超声波。

发射的超声波遇到障碍物后会发生反射，经过反射的超声波返回到超声波的接受传感器上。

发射回来的超声波也是经过放大滤波整形后输入单片机的INT0端产生中断。

计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲群时刻到接收回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。

3.2AT89S52单片机

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在线可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3.3超声波测距的系统及其组成

本系统由单片机AT89S52控制，包括单片机控制系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图6所示。

硬件电路的设计主要包括单片机最小系统及、超声波接受电路、超声波发射电路。

显示电路等几部分组成。

采用AT89S52单片机最为系统的微处理器。

系统的晶振频率为12MHz，这样可以获得较稳定时钟频率，使测量误差减小。

用单片机的P1.5端口输出40KHz的方波给超声波换能器，用单片机的P1.6端口检测超声波接收电路返回的接收信号。

用4个为共阳的LED数码管进行显示。

单片机的P0口为段码输出口，单片机的P2.0、P2.1、P2.1口控制数码管的位选,用三极管8550进行数码管的驱动。

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P1.6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P1.6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。

3.3.1超声波测距单片机系统

超声波测距单片机系统主要由：

AT89S52单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。

由K1，K2，K3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3-2。

图3-2超声波测距单片机系统

3.3.2超声波发射、接收电路

超声波发射如图3-3，接收电路如图3-4。

超声波发射电路由电阻R29、三极管BG4、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BG5、BG6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C4、D1、D4及BG9组成。

40kHz的方波由AT89S52单片机的P1.5输出，经BG4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P1.6脚。

图3-3超声波测距发射单元

该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S52的P1.5发出。

方波的周期为1/40ms，即25µ

s，半周期为12.5µ

s。

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1µ

s，所以只能产生半周期为12µ

s或13µ

s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3-4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3-所示。

接收到的信号加到BG5、BG6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。

3.3.3数码管的显示电路

本系统采用四位一体LED数码管显示所测距离值，如图10。

数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P0口，位码输出端口分别为单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口,数码管位驱运用PNP三极管8550三极管驱动。

同时使用电阻进行限流。

图3-5显示单元

3.3.4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，而系统中单片机的工作电压为+5V,为保证系统统计的可靠正常工作，并且方面系统的供电方式我们选择电脑的USB口进行供电，这样可以为调试系统方便，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。

在电路板上还安装了一个供电的开关，可以通过开关来打开和关闭电源，系统供电电路如图3-6所示。

图3-6供电单元电路图

3.3.5报警输出电路

报警电路的主要的作用是当检测到的距离小于我们所设定的最小的报警距离的时候，系统要发出报警的声音，来提示我们。

本次设计的报警电路是通过单片机控制蜂鸣器进行报警的。

单片机的P3.7口通过一个限流电阻控制三极管8550的基极，三极管的发射机接+5V的电压，集电极接蜂鸣器的一端，蜂鸣器的另一端接地。

因为本次使用的三极管是PNP型的管子，所以当单片机的P3.7口为低电平的时候三极管导通，蜂鸣器经行报警，当单片机的P3.7口为高电平的时候三极管不到通，蜂鸣器不报警。

报警输出电路如图3-7。

图3-7报警输出电路

3.4本章小结

本章主要介绍了超声波测距系统的硬件电路的设计，把系统的整体的硬件电路分成各个模块的电路设计。

主要对其中的单片机最小系统，超声波接收电路，超声波发射电路，显示电路以及电源电路进行了详细的设计。

4软件部分设计

4.1主体程序设计

超声波倒车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P1.6脚的电平判断程序。

当检测到P1.6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，计时器每计一个数的时间就是1μs，当超声波测距子程序检测到接收成功标志位后，会