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单片机障碍物
安徽职业技术学院
毕业论文
题目：
单片机障碍物
姓名：
李亚彬
学院：
安徽专业技术学院
专业：
应用电子技术
班级：
电子921
学号：
2009221115
指导教师：
胡继胜
2012年4月19日
摘要
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,故超声波经常用于距离的测量,当然也可以检测障碍物的存在与否,存在何种位置.本文叙述的单片机障碍物是以超声波测距来实现的检测障碍物,是解决超声波测距系统在某种场合下使用,使用时精确度会有所不同。
通常它的错误比较大且时常不能符合应用的需要。
在本文中，在特殊场合可用于非接触测量距离的新超声波测距系统，采用单芯片、超声波测距技术和传感器技术设计。
距离和温度测量数据通过液晶显示屏显示，由单芯片机控制的发射和接收超声波，根据时间差定位的方法来测量距离
关键词:
无线通信;单片机;超声波;距离测量;温度补偿
目录
2012年2月20日
第一章绪论1
1.1我国汽车倒车系统现状1
1.2存在的问题1
1.3可行性研究:
2
1.4课题的研究意义2
1.5超声波测距的目的2
第二章超声波检测障碍物的原理及设计方案1
2.1超声波检测障碍物原理1
2.1.1超声波发生器1
2.1.2超声波选型:
1
2.1.3压电式超声波发生器原理2
2.1.4超声波测距原理3
2.2基本概念理论基础3
2.2.1超声波传感器3
第三章超声波检测障碍物的设计1
3.1整体设计1
3.2超声波检测障碍物的发射电路2
3.2.1超声波发射电路的基本工作原理.2
3.2.2超声波接收电路2
第四章总结与展望1
感谢1
参考文献1
第一章绪论
1.1我国汽车倒车系统现状
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。
1.2存在的问题
超声波测距系统在一个场合下使用时精确度会有所不同。
通常它的错误比较大且时常不能符合应用的需要。
1.3可行性研究:
超声波测距采用一种非接触式检测方法来检测在黑暗、灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣环境中的对象，具有一定的适应性，它结构简单、体积小，可提供可靠的信号处理等等。
因此，在目标识别、车辆自动导航、液位测量、机械手控制方面它具有广泛的应用
1.4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。
1.5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。
第二章超声波检测障碍物的原理及设计方案
2.1.超声波检测障碍物原理
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超声波选型:
一般市场销售的超声波传感器有专有型和兼用型两种;专用型就是发送器用作发送超声波,接收器用作接收超声波;兼用型就是发送器和接收器为一体的传感器,即可发送超声波,又可接收超声波.
因为超声波在空气中传播时衰减很大,衰减的程度与频率成正比,但谐振频率越高则分辨率也会越高,则检测局变短,所以短距离测量时一般选频率高的传感器（100kHz以上）,长距离测距只能选频率低的传感器.
现以专用的在空气中传播的成对配套使用的超声发射器与接收器为例来介绍:
通常发生传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率;通过实验我们发现,发送传感器的串联谐振频率与接收传感器的并联谐振频率几乎一致.
因此超声波传感器在实际应用时,都是在谐振频率附近使用.超声波接收头必须采用与发射头对应的型号,关键是谐振频率要一致,否则将因无法产生共振而影响接收效果,甚至无法接收..另外,超声波传感器具有高阻特性,驱动电流小,要求驱动电压较高,是电压驱动型传感器.
通常使用的发射器和接收器是以中心频率（或谐振频率）和直径为参数来划分.本系统选用的型号TCT40-16T和TCT40-16R,其中40表示传感器的中心频率为40kHz,16表示传感器的外形直径16mm,在发射头和接受头上,我们会看到T和R字样,就是分别对应发射器和接收器.
TCT40-16T发射头一般来讲工作电压可以到100V左右;所发射的超声波采用固定的中心频率（或谐振频率）为40kHz的波形驱动,且占空比要求50%;两个引脚没有正负（因为是交流驱动发射），真要分个正负的话就把有接外壳的那个脚接到应用电路的地（这样输出信号是对地的）。
这种传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点上，接收器的接收灵敏度最高，而在中心频率两侧则迅速衰减。
测试超声波传感器的幅度特性
保证发射头驱动信号波形幅度（10V）恒定的条件下，改变驱动信号的频率在30kHz~50kHz范围内变化，测试接收头得到的接收信号的幅度变化。
结论：
超声波传感器工作于中心频率40kHz。
测试超声波传感器传输特性
保证发射头驱动信号频率为中心频率（40kHz），且恒定的条件下，改变驱动信号的峰峰值在2~12V范围内变化，测试接收头得到的接收信号的幅度变化。
结论：
超声波传感器是电压驱动型传感器，输入驱动信号电压越大，接收信号幅度越强。
2.1.3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
2.1.4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。
第三章超声波检测障碍物的设计
3.1整体设计
本系统主要由超声波发射电路、接收电路、控制电路及电源部分组成。
如图2所示。
图3.1超声波测距仪的整体设计框图
超声波测距仪控制单元包括中央控制处理单元、键盘控制、显示、输出报警及执行单元五部分构成。
具体工作原理简述如下：
1.中央控制处理单元：
本单元选用了功能强大的ATMEGA16L微处理器，为了对超声波传感器进行灵活控制，我们将控制单元部分独立出来设计成控制单板形式。
可以根据设定的工作模式，控制产生40KHz方波，根据驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，与此同时，单片机开始计时。
接收端将收到的微弱回波信号检出，送选频放大电路放大，经输出比较产生脉冲输出送单片机中断系统，单片机收到中断信号后停止计时，并通过计算得到距离值送入显示或作为报警和执行单元动作的依据。
2.键盘和显示部分。
我们采用独立式键盘控制的输入系统，由PA口接字符显示液晶TC1602A-21T实现控制显示和所测结果显示。
3.输出报警。
本系统采用蜂鸣器报警系统，若应用于汽车倒车系统中，可软件控制模拟产生倒车雷达提示音，规律离障碍物越近，则报警声音频率越快。
4.执行单元。
本系统采用简单的继电器控制电路，来模拟实际的执行机构的控制过程。
3.2超声波检测障碍物的发射电路
3.2.1超声波发射电路的基本工作原理
超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波发射组成。
如图3所示：
图3.2：
超声波检测障碍物发射电路系统框图
其中振荡电路产生超声波传感器工作需要的40KHz频率信号。
由于超声波振子也有约2000PF的电容，有充放电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声波。
即使用方波进行驱动，由于振子的谐振作用，也有基波的正弦进行发送驱动。
本系统的振荡电路是利用555产生幅度和占空比可调的40KHz方波信号。
如图4所示：
图3.3：
超声波发射电路原理图
555工作于无稳态工作模式：
电路初次通电时，由于电容C1两端电压不能突变，555的2脚为低电平，555时基电路置为即3脚输出高电平，内部放电晶体管截止，7脚被悬空，此时正电源VDD通过电阻R1、R2向电容C1充电，即C1两端电压不断升高，约经时间t1,C1两端电压即阔值端（6脚）电平升至2∕3VDD时，555时基电路翻转复位，3脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，7脚也为低电平，此时电容C1储存电荷将通过R2向7脚放电，使C1两端电压即555的触发端2脚电平不断下降，约经t2时间，电压降至1/3VDD时，555时基电路又翻转置位，3脚又输出高电平，7脚再次被悬空，正电源又通过R1，R2向C1充电，如此周而复始，电容C1不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，3脚将交替输出高电平和低电平。
输出电波可近似矩形波。
555时基振荡电路输出振荡信号的频率为：
f=1/T≈1.44/（R1+2R2）C1
输出脉冲占空比：
D=（R1+R2）/（R1+2R2）
本系统的驱动电路采用CMOS六反相器CD4049构成，为了增大驱动电流，我们采用桥式驱动方式的电路构成；由于传感器具有电容免载特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而CD4069单门的输出电流（负载能力）是一定的。
两个并联输出电流加倍，驱动能力为之提高。
3.2.2超声波接收电路
超声波接收电路的基本工作原理
图3.4：
超声波发射电路调试环境示意图
超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。
由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须由LM358构成的选频放大电路进行放大。
正弦波信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。
本系统选用LM311构成了具有滞回特性的比较器，对选频放大后的正弦波信号进行变换，实现A/D变换，输出矩形波脉冲，以满足输入单片机处理的要求。
本电路在波形变换过程中有较强的抗干扰能力，可以有效的防止输入信号有噪声侵入。
通过合理调节电位器VR2，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。
CD4049主要起缓冲、隔离的作用，减小LM311输出端上拉电阻对后续电路的影响。
以便后续可靠地触发单片机中断。
超声波接收电路图如图6：
图3.5：
超声波接收电路原理图
第四章总结与展望
结论:
超声波测距的原理和单芯片技术测距系统的使用功能具有快速，方便，容易做到实时控制的优点，使系统的测量精度达到实用要求。
该倒车报警系统即可用有线控制也可实现无线接收具有很强的实用价值。
但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。
利用超声波传感器进行测距，其中主要的就是要保证在电路设计上一定要满足电路工作的可靠性、稳定性。
经实际测试该装置完全达到了设计指标要求，具有测距精确、告警及时、灵敏度高等优点；实际应用时装置效果良好，有效地避免了意外事故的发生，具有很高的应用价值。
由于超声波的传播速度慢，传输延时较大，影响了系统告警的反应速度，因此只限于低速行驶的车辆用，若要应用于高速车辆中，则需要进行改进。
超声波传感器应用前景展望：
随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。
在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。
传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，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，如声纳的发展趋势基本为：
研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。
随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。
感谢
感谢安徽职业技术学院为我提供了一个良好的学习环境，感谢学院的领导和老师们三年的指导！
你们无微不至的关怀、精心的培养使我到了很多的知识，终生受益！
参考文献
【1】何希才编著.新型电子电路应用实例.科学出版社.2005
【2】何希才编著.传感器及其应用电路[M].电子工业出版社.2001
【3】眭玲编著电子技术基础模拟篇安徽科学技术出版社。
2009年
【4】盛春明作者深圳职业技术学院电子制作
【5】樊昌元，丁义元.高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报，2000.10
【6】周晗晓，袁慧梅.单片机系统的印制板设计与抗干扰技术.电子工艺技术，2004.6
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