基于单片机的超声波测距系统硬件设计.docx
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基于单片机的超声波测距系统硬件设计
安徽工业大学工商学院
毕业设计（论文）说明书
专业测控技术与仪器
班级仪1041
姓名程福安
学号101844006
指导教师程竹明
二○一四年六月五日
摘要
基于单片机超声波测距的汽车倒车测距系统是在充分理解了超声波测距原理的基础上提出来的。
系统工作时，超声波传感器发出了脉冲信号，经障碍物反射后由超声波接收装置接受并送至单片机处理，可实现倒车时障碍物距离的实时监测并通过蜂鸣器报警提示驾驶员注意安全。
本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于AT89C51单片机为主控制器的超声波测距系统。
该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及蜂鸣器报警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距系统的硬件组成、检测原理和方法。
关键字：
超声波测距；51单片机；倒车；报警
Abstract
Microcontroller-basedUltrasonicRangingcarreversingrangingsystemisproposedtofullyunderstandthebasisoftheprincipleofultrasonicdistancemeasurement.Whenthesystemwork,theultrasonicsensorsendsapulsesignalafterreflectionobstaclesacceptedandreceivedbytheultrasonicdevicetotheMCUprocessing,enablingreal-timemonitoringofobstacleswhenreversingdistanceandthroughthebuzzeralarmdriversafety.
Thispaperspreadreflectionprinciplebasedonsoundwavesintheair,astheultrasonictransducerinterfacecomponents,introducesthemaincontrollerbasedonAT89C51ultrasonicrangingsystem.Thedesignconsistsofanultrasonictransmittermodule,signalreceivingmodule,single-chipprocessingmodule,adigitaldisplayandbuzzeralarmdisplaycomponentmodules,thepaperdetailstherangefinderhardwarecomponents,detectionprinciplesandmethods.
Keywords:
UltrasonicRanging;51Single-ChipMicrocomputer;reversing;alarm
1绪论
倒车测距系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以蜂鸣器报警告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。
超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。
倒车测距系统的市场已经开始由进口高档汽车向中低档汽车发展。
技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。
由此可见，超声波汽车倒车测距系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。
超声波倒车测距系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车测距系统大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。
1.1倒车测距的意义
随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。
虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的都存在一个后视盲区。
倒车测距是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了使用死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
倒车测距在生活中明显的变得越来越重要。
1.2倒车测距的发展过程
历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。
声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。
经过几个世纪，科学家们对此反复研究，最终发现了超声波的原理。
超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。
超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用[10]。
这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。
此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。
因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。
然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。
由于超声波在传播过程中，声压会随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阀值的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到测距的准确度。
另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，存在惯性、滞后等现象，以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，均导致回波信号被展宽，也使测量产生较大的误差，影响了测距的分辨率。
其他如温度，风速等也会对测量造成一定的影响。
计量学在制造业中越来越重要。
直接在机器上测量尤其能推动制造业的发展。
目前为止大部分还是采用视觉的或触觉的测量方法。
但是墙的厚度就不能用这些来测量，因此德国人把超声系统结合到机器设计出了测距方法。
随着超声波的发展，早在2000年时英国人就设计出了可观察、识别并测距的超声波集成系统[1]。
近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。
超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣，直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声波探测定位系统的精度和反应速度。
近年来，童峰、杨益春、程晓亮等先后在该方面做了大量研究。
童峰等提出最小均方自适应时延估计（LMSTDE）的算法。
该算法消去了实际换能器与理想换能器的频率特性差，消除了信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响，使整个系统保持平坦的频率响应，且输出均方误差最小。
但该算法计算量太大，特别在自适应滤波器的阶数较高时，计算量会明显增加。
杨益春等针对传统相关计算法在信号的采样频率很低时计算得出的相关函数分辨率低这一不足，提出了基于修正的线性调频变换和相关峰细化原理的精确时延估计快速算法，精确计算相关函数的峰，使得低采样信号的时延估计精度得以提高，并且不受采样率的限制。
程晓畅等针对常规相关峰插值方法在多倍插值的情况下，计算复杂、时延估计精度差等缺陷,结合超声回波信号的窄带通特性和相关峰细化原理,提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法,并分析了计算复杂度；并且还针对超声波换能器的带宽特性和单脉冲回波特性，对M序列参数设计方法进行分析。
他们借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，提出了基于FFT的伪随机码包络相关快速时延估计的算法，将信号解调与匹配相关融合，减少了计算量。
这三种算法均属于互相关函数算法，与传统互相关函数算法相比，它们均在提高时延估计精度的同时，避免了计算量的大幅增加。
卜英勇等根据回波信号的传输特征，利用小波分析法对回波信号进行运算处理，提出了基于小波包络原理的峰值监测方法。
小波分析法是一种针对信号的时间-尺度（时间-频率）进行分析的方法，可以获得平滑、有效的回波包络曲线,进而利用峰值检测法确定回波前沿的到达时刻，具有高分辨率的优点。
赵海鸣等提出通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，在一定程度上消除了由于回波信号强弱变化而造成的测量时间的误差，从而提高测量精度，使在空气中近距离测量的精度可达到厘米级[2]。
陈先中等基于能量重心校正法和最小二乘法的原理，提出了一种改进型椭圆中心超声回波寻峰的算法，即通过曲线拟合搜索回波信号能量集中点——椭圆中心点，进而找到回波信号的峰值点。
与包络线法和三次多项式法相比，此算法相对误差稳定在0.2%，适用于高精度工业测量[3]。
目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。
随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。
如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。
机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。
超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。
超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。
它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：
距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。
利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。
本课题的研究是非常有实用和有商业价值的[4]。
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，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、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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。
超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息[5]。
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[8]；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。
目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。
但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。
因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽[6]。
近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。
针对此点，程晓畅借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，率先提出通过选用伪随机二进制序列作为超声发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法。
兼顾测距范围和精度，提出通过采用40kHz与20kHz两种超声波同时测距的双频超声测距方法[7]。
脉冲压缩技术与双频超声测距技术在超声测距中的应用，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求。
经过多年的发展，倒车测距设计以及使用发生了质的变化。
经过这几年的发展，倒车系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车这三种。
第一代：
倒车时通过喇叭提醒。
只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。
第二代：
采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。
这是倒车雷达系统的真正开始。
倒车时，如果车后1.8m～1.5m处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。
蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。
但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。
第三代：
数码波段显示具体距离或者距离范围。
这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。
如果是物体，在1.8m开始显示；如果是人，在0.9m左右的距离开始显示。
这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜色来区别：
绿色代表安全距离，表示障碍物距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有0.6m~0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到0.6m，必须停止倒车。
第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。
第四代：
液晶屏动态显示。
这一代有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。
不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。
不过LED显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。
第五代：
魔幻镜倒车测距。
结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2m以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。
魔幻镜倒车可以把后视镜、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，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车系统。
因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。
而且颜色款式样可以按照个人需求和车内装饰选配。
第六代：
专为高档轿车配置的。
第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：
外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看视频。
1.3本设计的主要内容
本文以AT89C51单片机为核心，采用40kHz压电超声传感器的超声测距仪。
具有电路简单，集成度高，体积小，功耗低；测量精度及灵敏度高，测量距离广（0cm到6.5m）;并且价格低廉，开发周期短，调试方便等优点，适合测距的广泛应用。
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，通过调用相关软件计算出相应的距离，并在数码管上显示出来。
2超声波测距系统方案设计
2.1系统总体设计思路
超声波测距适用于高精度中长距离测量。
因为超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。
目前比较普遍的测距的原理：
通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距报警装置等。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。
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要求。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距系统能达到毫米级的测量精度。
目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一。
而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。
以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。
尤其值得一提的是，出8位CPU外，还具备一个很强的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。
所以，8051是双CPU的单片机。
位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处[14]。
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C51单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。
利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收采用锁相环CX2016A对放大后的信号进行频率监视和控制。
一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。
可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；AT89C51还控制显示电路，用动态扫描法实现LED数字显示。
由单片机AT89C51编程产生40KHZ的方波，由P1.0口输出，再经放大电路，驱动超声波探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，送至单片机。
单片机利用声波传播的速度和发射脉冲到接收到反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。
该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路、LED数码管显示和声光报警装置组成。
传感器输入与发射接收电路相连，接收电路输出端与单片机相连，单片机的输出端与显示报警电路输出端相连。
其时序图如下所示
图2.1超声波发射接收时序图
2.2系统方案设计
超声波测距系统结构如图2.2所示。
它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、温度传感器、键盘、LED显示电路、报警电路及电源电路组成。
系统主要功能包括：
1）超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；
2）检测空气温度用于距离计算的补偿；
3）LED显示器显示距离、温度；
4）键盘接收用户命令并处理；
5）当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位；
6）当测出的距离小于1m时，报警电路工作，蜂鸣器响。
图2.2超声波测距系统结构图
2.3超声波测距原理
超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为v，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差Δt,就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：
（2-1）
这就是时间差测距法[2]。
由于超声波也是一种声波，其声速C与空气温度有关，一般来说，温度每升高1℃声速增加0.6m/s。
表2.1不同温度时的声速
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
声速（m/s）
313
319
325
332
338
344
349
在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速C是基本不变的，计算时取C为340m/s。
如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件基本不变的情况下用软件的算法加以校正，为了减少电路的复杂性提高电路的稳定性。
采用编写软件改进算法的方法加以校正。
如果环境温度变化显著，则必须考虑温度补偿问题。
空气中声速与温度的关系可以表示成：
C=331.4+0.6t（m/s）（2-2）
声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。
3系统硬件设计
3.189C51单片机主控系统电路设计
3.1.189C51单片机介绍
单片机由单块集成电路芯片构成，内部包括含有计算机的基本功能部件：
CPU、存储器和I/O接口单路等。
因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备结合，便可成为一个单片机控制系统。
图3.1AT89C51单片机的结构
单片机基本介绍[14]
.8位CPU;
.4KB程序存储器（ROM）;
.128字节的数据存储器（RAM）;
.32条I/O口线；
.111条指令，大部分为单字节指令；
.21专用寄存器；
.2个可编程定时/计数器；
.5个中断源，2个优先级；
.1个全双工串行通信口；
.外部数据存储器寻址空间为64KB;
.外部程序存储器寻址空间为64KB;
.逻辑操作位寻址功能；
.多种封装形式；
.单一的+5V供电。
图3.2单片机的引脚图
1.存储器
在单片机内部，ROM和RAM存储器是分开的。
通常，ROM存储器容量较大，RAM存储器容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。
（1）ROM
ROM（REDAONLYMEMORY,只读存储器）一般为4K字节，用于存放应用程序，故又称程序存储器。
由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研究成功，其硬件和应用程序均已定型。
为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中。
根据片内ROM的结构，单片机又可分为无ROM型、ROM型和EPROM（erasableprogrammablereadonlymemory，可擦除可编程只读存储器）型三类。
近年来，又出现了EEPROM（electricallyerasableprogrammableonlymemory，电可擦除可编程只读存储器）和Flash型ROM存储器。
（2）RAM
通常，单片机内RAM（randomaccessmemory，随机存储器）容量为128字节，RAM主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器作用。
2.中央处理器（CPU）
中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理图来加以介绍分析是根本不可能的。
下面简单概述下几个主要部分的工作原理。
（1）运算器
运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行的。
算术逻辑单元ALU
运累加器A
算通用寄存器R0
器暂存器TMP
状态寄存器PSW
累加器A（Accumulator）是一个具有输入输出功能的移位寄存器，由8个触发器组成。
TR（
升级会员 