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超声波测距系统设计
目录
摘要1
前言1
第1章绪论2
1.1课题的研究现状2
1.1.1国外汽车倒车预警系统的现状2
1.1.2国内汽车倒车预警系统的现状3
1.2课题的研究意义4
1.3超声波测距的目的4
第2章超声波测距系统的原理及设计方案4
2.1.超声波测距原理4
2.1.1超声波发生器4
2.1.2压电式超声波发生器原理5
2.1.3超声波测距原理5
2.2基本概念理论基础6
2.2.1超声波传感器6
2.2.2AT89C51单片机6
2.2.2DS18B20简介8
第3章超声波测距系统的硬件设计9
3.1系统硬件部分9
3.2超声波发射电路10
3.3超声波接收电路10
3.4温度检测电路11
3.5数据无线收发模块11
3.6复位电路12
3.7超声波测距报警控制芯片4Y213
3.8显示器原理（LCD）及晶振电路14
第4章超声波测距系统的软件设计16
4.1下位机程序设计16
4.2上位机主程序设计17
第5章总结与展望17
5.1总结18
致谢18
参考文献：
19
Abstract20
超声波测距系统设计
王艳
南京信息工程大学职业技术学院系，南京210044
摘要：
本设计从实验研究分析的角度，分析了超声波测距系统的基本设计原理以及目前国内外此类测距系统存在的问题。
较详细的介绍超声波测距系统以及根据该系统设计，研制一种用于汽车倒车避撞的超声波无线距离测量系统。
系统由下位机与上位机两部分组成,下位机主要由超声波发射电路、超声波接收电路、无线收发模块及单片机组成,上位机由单片机、无线收发模块、显示电路等组成,下位机与上位机之间通过无线收发模块传输信息。
文中分析了超声波测距电路的设计方法,叙述了采用无线通信技术实现数据远程传输的设计思路。
该系统测量距离方便、灵活、稳定。
关键词:
无线通信;单片机;超声波;距离测量;温度补偿
前言
随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。
这一设计就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。
常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
由于超声波指向性强,因而常用于距离的测量。
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,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。
本设计提供一种液晶显示测距装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。
采用超声波传感器分时工作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。
距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。
尽管测距有多种方式,比如,激光测距,微波测距,红外线测距和超声波测距等。
但是,超声波测距不失为一种简单可行的方法。
虽然超声波测距电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。
但是,有的电路复杂,技术难度大,有的调试困难,有的元件不易购买。
本文介绍的电路,成本低廉,性能可靠,所用元件易购,并且利用测距原理,结合单片机的数据处理,使测量精度提高,电路实现容易,无须调试,工作稳定可靠。
超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。
超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。
它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的介面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。
与传统超声技术完全不同，新的超声技术具有以下特点：
在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。
近二、三十年，特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。
在无损探伤，测温，测距，流量测量，液体成分测量，岩体检测等方面，新的超声检测仪表不断出现，应用领域也不断扩大。
本文正是基于这一应用背景。
第1章绪论
1.1课题的研究现状
1.1.1国外汽车倒车预警系统的现状
倒车预警系统在车挂倒挡时开始工作，由探头、主机和显示器三部分构成，探头可以根据需要安装不同的数量，目前比较常见的是4探头（安装于后保险杠上）和6探头（2前4后）的；除一般的放置位置外，显示器也可以替代原来的后视镜并兼这两种功能，它可以显示多种信息。
例如障碍物相对于车的距离、角度和车内外温度等（视雷达档次而定），以4探头液晶显示屏的豪迪倒车雷达为例，它最远可以探测到1.96m外的障碍物，并可以显示出是由哪个探头探测到的，如果两个探头同时探测到障碍物，则会以离车最近的障碍物为准，有些显示器上还带有“车载免提功能”，其内有扬声器和麦克风，可以进行录音和放音。
倒车雷达的提示方法也可以分为数码显示、声音提示和语音提示等，以博视雷达为例，其背光可通过三色变换来警告紧危急程度，声音提示则会通过急促程度的不同告诉驾驶员及时停车，有些雷达还特别为喜欢安静的驾驶员设置了静音开关。
倒车雷达的接收方式可以分为有线式和无线式两种，无线接收方式显然更省事，不必因“走线”而拆装车内的原有装饰，也不受车型、车长等因素的影响，其价格自然也略高些。
国外汽车倒车预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，不属于雷达（无线电波）的产品，最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。
但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪和泥尘覆盖，系统就会失效。
最近在欧美出现的一种电磁感应倒车预警系统。
在一线路套上一环型的感应圈（此线圈贴在后保险杠的内侧，车外表完全看不出有此装置），以感应车后物体的有无。
此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装困难（必须卸下保险杠贴在内测），而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。
换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停下再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。
德国大众公司已经将超声波测距技术应用在倒车雷达上，并且具有前视和后视功能，采用自举升压的方式驱动8路超声波传感器，目前国内引进车型对这一技术尚不能国产化，仍需要引进德国原厂成品安装。
因此，实用性也相当有限。
日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄象机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。
据海外媒体报道，戴姆勒-克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车（尤指卡车）使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由一控制器加上处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判断所发生状况是否需要利用刹车。
未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，其过高的成本限制了它应用的普遍性。
在底特律国际车展上，通用公司的Precept概念车装了Donnelly公司生产的以摄象机为基础的后视镜系统。
该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图象在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。
摄象机也可在倒车时使用，当车后近处有消火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓。
1.1.2国内汽车倒车预警系统的现状
随着我国汽车产业的高速发展，近两三年我国开始进入私家车时代，交通事故发生的频率也在增加，为提高汽车运行的安全性，倒车预警系统不仅深受驾驶员的青睐，也逐渐成为汽车电子产业中新的增长点。
尤其是近两年来，倒车雷达成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达，处在我国汽车电子行业环境的繁荣背景下倒车雷达已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派激烈竞争的态势。
倒车预警系统经历了三个阶段，六代的技术改良，从早期的倒车防撞仪，只能测试车后有限范围的障碍物，并发出警报，发展到根据距离远近程度分段报警，前两个阶段的倒车雷达一般采用专用集成电路，功能较简单。
随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。
要求倒车雷达连续测距并显示障碍物距离，并采用不同间歇鸣叫频率的声音报警提示距离，让驾驶员全神贯注地注视场景。
汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的倒车雷达具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上。
如最为先进的倒车雷达系统为“智能可视倒车雷达系统”，它在车尾部撞上针孔摄像头，倒车时可以在DVD显示屏上显示车后的广角真实图象。
在近日上市的由东风汽车有限公司乘用车公司推出的全新一代“蓝鸟智尊”，最引人注目的是它配备了倒车影像显示和NAVI卫星导航系统，这两项配置在同级别的轿车上可谓绝无仅有，有效提升了蓝鸟的档次，直接将高级别汽车的智能化从“概念”引入了“应用”。
在驾驶者挂入倒挡时，中控台上的液晶显示屏会自动切换画面，将车尾摄像头拍下的环境状况展示在驾驶者眼前，最大程度地方便泊车，这项功能在夜间尤其具有价值。
而它的NAVI卫星导航系统，使日产成为继丰田之后又一个将GPS导航定位系统引入国内的厂家。
1.2课题的研究意义
随着经济的发展,人们的生活水平越来越高。
当今,对许多人来说,汽车进入家庭已不再是奢望,但随之而来的事情就是如何保证汽车使用过程中的安全问题,特别是如何防止汽车与其他物体碰撞的事情发生。
据初步调查统计,l5%的汽车事故是由汽车倒车"后视"不良造成的。
因此,增强汽车的后视能力,对于提高行车安全,减轻司机的劳动强度和心理压力,是十分重要的。
如果车辆能适时检测与周围障碍物的距离并给出警告信息,使司机及早采取行动,可避免车辆相撞事故的发生。
随着科学技术的发展,用超声波进行无接触测量得到了广泛的应用。
超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播,它具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小,反射能力较强,在恶劣工作环境下具有一定的适应能力等优点。
因此可用于液位测量、车辆自动导航等领域。
本文介绍一种基于无线数据传输方式的超声波车辆倒车避撞预警系统。
1.3超声波测距的目的
设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。
在移动车辆中应用的超声波传感器,是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波）,通过接收自身发射的超声波反射信号,根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度,计算传播距离,从而得到障碍物到车辆的距离。
要求测量范围在0.10-3.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
第2章超声波测距系统的原理及设计方案
2.1.超声波测距原理
2.1.1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。
2.1.2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超声波转化结构图
2.1.3超声波测距原理
发射的超声波遇到障碍物时就会发生反射,反射波可由接收器接收,这样只要测出超声波从发送点到反射回来的时间间隔Δt,然后根据公式（2.1.1）即可求出超生波从发射处到障碍物之间的距离。
S=CΔt/2（2.1.1）
式中:
S-超生波发射处与障碍物间的距离
C-超声波在介质中的传播速度
由于超声波是一种声波,其声速C受环境温度的影响,关系如式（2.1.2）,因此使用超生波测量距离时应该采用温度补偿的方法对式
（1）中的声速值加以校正。
C=331.4+0.61×T（2.1.2）
式中:
T-环境温度
2.2基本概念理论基础
2.2.1超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，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成回波，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，我们使用前必须预先了解它的性能。
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。
医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
2.2.2AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
一．主要特性：
·与MCS-51兼容·全静态工作：
0Hz-24Hz
·4K字节可编程闪烁存储器·三级程序存储器锁定
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器
·5个中断源·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路
二．AT89C51引脚说明（如图）
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
图2.2单片机引脚
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.2.2DS18B20简介
Dsl8B20是美国DALLS公司生产的一线数字温度传感器。
它的测温范围从一55℃到+l25℃。
分辨率为0.0625℃，在一to℃到十85℃范围内其测温准确度为士0.5℃。
它体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结。
它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根I/0口线。
其供电电源可来源于单片机Fo口数据线，.而无需额外电源。
每片DS18B20都有全球惟一的识别号。
因而特别适合于构成多路多点温度测量系统。
DS18B20有3个管脚，GND为地，DQ为数据输入输出端，该脚为漏极开路输出。
常态下呈高电平。
VDD不用时应接地。
利用单片机AT89c51与Ds18B20构成最小测温系统在该最小测温系统中，温度值存在单片机的内存中，需要时可以读出。
AT89c51的RD用来与DSI8B20通信，接10k的土拉电阻以增加该1/0的驱动能力，只需一片AT89c51就可实现Dsl8B20的温度读取。
简化了硬件电路，提高了系统的可靠性.而且还大大地降低了系统的硬件成本。
在AT89c51初始化后对DS18B20发出转换温度值命令后，等待750ms（DS18B20最长转换时间），从RD口读出温度值，对读的温度值做相应的数据处理，然后实时将计算出来的某温度下超声波在介质中的速度值通过串口提供给AT89c51单片机。
第3章超声波测距系统的硬件设计
3.1系统硬件部分
如图3.1,硬件电路主要由单片机、超声波传感器、温度测量电路、无线收发模块等组成。
系统中单片机均采用ATMEL公司的AT89C51作为核心控制芯片,它与MCS-51的指令和引脚兼容,并且具有ISP在线编程功能,便于系统的设计和调试。
超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件,其性能优劣直接影响到测距准确度和可靠性。
通常超声波传感器有两类:
一类是发射电路和接收电路互相独立的分体式超声波传感器,此类传感器测距有效范围比较大,但不具备防尘、防水性能。
另一类是同时具有发射与接收功能的收发一体式超声波传感器,此类超声波测距有效范围比较小,但防尘、防水性能好。
该系统选择分体式超声波传感器。
考虑到超声波具有指向性,本系统在汽车尾部左、右两个部位各安装一个超声波传感器,适当调整安装位置,可准确测量汽车后部障碍物。
如图3.1所示,下位机的P1.1、P1.2引脚分别用于控制两路超声波发射,INT0,INT1分别用于两路超声波信号检测,P1.3用于温度检测,串口RXD、TXD分别连接无线收发模块A的输入、输出端。
同样,上位机串口RXD、TXD分别连接无线收发模块B的输入、输出端,当接收到下位机发送的测量数据时,下位机进行处理,然后显示测量结果,当车辆离障碍物的距离超过安全警戒线时发出报警信号。
实际安装时,该系统的下位机部分安装在汽车的尾部,上位机部分安装于驾驶室内。
图3.1系统硬件框图
3.2超声波发射电路
超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波振头）和超声波发生器两部分组成,电路如图3.2所示。
图3.2超声波发射电路
系统中,超声波换能器的型号为CSB40T,它将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动并发射出去。
40KHz的超声波信号是利用NE555时基电路振荡产生的,振荡频率f≈1.44/（（R22+2×R23）×C21）,通过R23调节信号频率,使之与换能器的40KHz固有频率一致。
工作时,下位机通过P1.1口定时向超声波发生电路发出控制信号,超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲,经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。
3.3超声波接收电路
超声波接收电路采用了集成电路CX20106A,CX20106A是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路,它由前置放大、自动偏压控制、振幅放大、峰值检波和整形电路组成。
该集成电路红外发射的频率38KHZ,超声波换能器的固有频率是40KHz,适当设
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