基于超声波测倒车雷达系统设计毕业设计.docx

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基于超声波测倒车雷达系统设计毕业设计

基于超声波测倒车雷达系统设计

摘要

本论文阐述的是基于超声波检测的倒车雷达的设计。

本课题利用超声波检测、单片机系统设计出一种汽车倒车雷达，并能将汽车与障碍物的距离用LED实时显示，同时对特定的距离进行声光报警。

本系统由两部分组成，硬件系统和软件系统。

硬件系统利用超声波发生电路驱动超声波发射探头发射超声波信号，再由超声波接收探头接收经障碍物反射回的超声波信号，并通过接收电路对信号进行调理，再将调理后的信号传入单片机系统，然后单片机系统将信号经过处理送显示，并且在规定的距离进行声光报警。

软件系统用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。

该系统通过联调后，实现了预期各种功能，符合设计要求。

关键词：

倒车雷达超声波传感器单片机LED显示

Abstract

Thispaperintroducesthedesignofcarreversingradarbasedontheultrasonictesting.ThetaskusesultrasonictestingandSingleChipMicyoco（SCM）syetemtodesignakindofcarreversingradar.ThedistancebetweencarandbarriercanbedisplayedonLEDrealtime,andatthesametime,thesoundanglightalarmingcanbegivenatappointeddistance.Thesyetemconsistoftwoparts:

hardwaresystemandsoftwaresystem.Inthehardwaresystem,ultrasonicsoundgeneratingcircuitdrivesemittingprobetosendoutultrasonicsignalandthereceivingprobereceivesultrasonicsignalthatisreflectedfrombarrier.ThereceivedelectricalsignlisconditionedbythereceivingcircuitandputintoSCMsystemafterconditioning,wherethesignalisprocessed,thendisplayed,andthesoundandlightalarmingwillbegivenattheappointeddistance.Assemblelanguageisusedinthesoftwaresystemandmodularizationdesignideaisadopted.Thissystemrealizesalldesiredfunctionsandcoincideswithdemandaftersystemdebugging.

Keywords:

ReversingradarUltrasonicsensorSingleChipMicyocoLEDdisplay

第一章绪言

随着社会的进步和生活的需求，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，从而提醒驾驶人员，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。

第二章总体方案

第一节模块构建

按照系统设计要求，超声波倒车测距仪由硬件和软件两部分组成，系统设计采用模块化思想。

系统硬件结构分为三个主要部分：

测距部分、控制部分和显示报警部分。

软件部分按不同功能模块分别进行编程，便于调试和移植。

整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图2.1所示。

图2.1倒车测距仪系统结构原理图

该设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的，因此单片机选择为AT89C51单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行声光报警。

第二节超声波测距的原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中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。

假设超声波在空气中的传播速度为

，根据计时器记录的时间

，发射点距障碍物的距离

，如图2.2所示:

图2.2超声波测距原理

图2.2中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用

表示，由图可得：

（1）

（2）

将式

（2）带入式

（1）得：

（3）

在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：

（4）

式中：

为超声波的传播速度，

为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。

将式（4）带入式（3）可得：

（5）

当被测距离H远远大于M时，式（5）变为：

（6）

这就是所谓的时间差测距法。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离[2]。

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。

经分析和大量实验表明，频率为40

左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。

第三节超声波传感器

一、超声波传感器的原理及结构

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。

流体动力性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”活“笛”。

压电式传感器属于超声传感器中电声型的一种。

探头有压电晶片、契块、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，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[5]。

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。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器内部结构如图2.4所示。

图2.3压电式超声波传感器结构图

它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，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，并带动共振板的振动，便产生超声波。

反之，如果两级间为外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。

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。

第三章系统硬件设计

第一节系统总体方案设计

本系统基于超声波反射原理利用单片机控制器产生40Khz的方波信号，通过发送模块对方波信号进行功率放大，驱动超声波探头，发射40K超声波。

超声波信号在空气中传播至障碍物后发生反射，反射回波经空气传播给超声波接收换能器并转换成电信号，经接收模块滤波、放大、整形后，输入到微控制器的外部中断口，产生中断，通过相应的公式计算出距离，然后将距离值通过LED显示出来。

为了减少不同环境下，系统都能达到测量精度的要求，需要对测量数据进行温度补偿，而本系统采用数字化温度传感器DS18B20进行温度取样，用算法对数据进行温度补偿。

如图3.1所示为系统总体框图。

图3.1系统总体框图

第二节AT89C51单片机简介

单片机是本系统的核心元件，它负责各个模块的协调工作，记录超声波发送到遇障碍物后反射回来的时间差，并将这个时间差转化为距离，然后通过LED显示模块把距离显示出来。

AT89C51是一种带4KB字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高