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基于超声波测距倒车雷达的设计

基于超声波测距倒车雷达的设计
基于超声波测距倒车雷达的设计

基于超声波测距技术的倒车雷达装置设计与研究

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摘要汽车倒车雷达是一种能够实时显示车后障碍状况的汽车倒车辅助装置。在现实生活中应用广泛。本文根据超声波在空气中可定向发射和反射的原理,以超声波换能器为接口部件,应用单片机技术设计了一套基于超声波测距的倒车雷达系统。

本文的内容是基于超声波测距的倒车防撞系统的设计,主要是利用超声波的特点和优势,将超声波测距系统和A T89C51单片机结合于一体,设计出一种基于A T89C51单片机的倒车防撞系统。本系统采用软硬结合的方法,具有模块化和多用化的特点。

论文概述了超声波检测的发展及基本原理,阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论,并且在介绍超声波测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较,得出了最佳设计方案,并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍,并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构,通过编程来实现系统功能。

关键词:超声波测距AT89C51 倒车雷达

Design and Research of Parking Sensors Based on Ultrasonic Ranging

Technology

Abstract The ultrasonic wave automobile back-draft detector is one kind auxiliary unit that can display the condition of the obstacle behind the vehicle in real time .It applies extremely widely in the real life. In this paper, according to the transmission reflection theory of wave in the air, Using supersonic transducer as interface unit and applying monolithic machine techniques to design a series of bus ultrasonic ranging system.

The paper is based on the ultrasonic distance reversing collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of modular and multi-use characteristics.

The paper outlines the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basic, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comparison,the best designed program drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function.

Keywords:Ultrasonic,Ranging,AT89C51,Parking sensors

目录

第一章绪论 (5)

1.1 课题的背景和意义 (5)

1.2 超声波测距仪的国内外现状 (6)

1.3 本课题的研究内容和目标 (8)

第二章课题设计原理与思路 (10)

2.1 超声波测距原理 (10)

2.2 影响精度的因素分析 (11)

2.2.1 发射接收时间对测量精度的影响分析 (11)

2.2.2 当地声速对测量精度的影响分析 (12)

2.3 测量盲区 (13)

2.4 系统整体设计方案和论证 (13)

2.4.1 系统整体方案的设计 (13)

2.4.2 系统整体方案的论证 (14)

第三章系统硬件设计 (15)

3.1 51系列单片机的功能 (15)

3.2 超声波发射电路 (15)

3.2.1 超声波传感器原理及结构 (16)

3.2.2 超声波传感器的特性 (17)

3.3 超声波检测接收电路 (20)

3.3.1 集成电路CX20106A (21)

3.3.2 超声波接收电路设计 (22)

3.4 稳压电源电路 (23)

3.5 预警电路 (24)

3.6 键盘控制电路 (25)

3.7 超声波测距显示电路 (25)

第四章系统软件的设计 (27)

4.1 超声波测距的算法设计 (27)

4.2 主程序设计及其流程图 (29)

4.3 超声波发送及接收中断程序 (31)

4.4 显示子程序和蜂鸣报警子程序 (32)

第五章系统的软硬件调试 (34)

结束语 (35)

致谢 (36)

参考文献 (37)

附录程序清单 (38)

第一章绪论

1.1 课题的背景和意义

一般认为,关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验,这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中,超声波仍然是一个鲜为人知的东西,由于当时电子技术发展缓慢,对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中,对超声波的研究逐渐受到重视。法国人LaIlgevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。

1929年,Sokoov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔2年,1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利,不过他并未做更多的工作。4年之后,1934年Sokoov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果,他用了各种方法做了实验,用来检测穿过试件的超声能量,其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Begemann在他的论著《ULTRASONIC》中,详细的论述了有关超声波的大量早期资料,该论著一直被认为是该领域的经典之作。

美国的Firestone和英国的Sproule首次介绍了脉冲回波探伤仪,使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中,这是最成功的一种,因为它有最广泛的通用性,其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外,还可与采用先进技术的自动系统联用,自第一种脉冲回波仪器问世以来,根据相同的原理,有无数种其他仪器得到了发展,并有许多改进和精化。目前,在超声无损检测中,脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。

HuaHong.wallg Yon阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波,基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系,用相位差法测量传感器之间的动态距离。文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。实验结果表明,该系统在15m的测距精度可达到lcm。

中国测试技术研究所的李茂山在《超声波测距原理及实践技术》中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件,测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原

理。文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素,给出了超声波测距的框图。作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。

浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统。作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计,硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89c2051单片机控制电路等。作者还分析了造成料位测量误差的几点原因,并给出了几种方法来减少测量误差。比如:在计数电路设计中,采用了“延迟接收,信号分离"的技术和相关计数法减小了计数误差,对于声速的测量误差,使用温度补偿法,在软件设计中采用了查表的方法,由单片机实现自动补偿校正。文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。

声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用,超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关,其中温度的影响最大,因此需要对其进行补偿。中国海洋大学的曹玉华提出了采用温度补偿的方法测量声速,来提高超声波测距精度[ ]。文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DSl8820测量环境温度,用以温度补偿以修正超声波速度,来减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在1.5m的测量范围内,测量误差小于5cm.

倒车雷达又称泊车辅助系统,是汽车泊车安全辅助装置,能以声音或者更为直观的显示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。

超声波倒车雷达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,现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理,驾驶者在倒车时,启动倒车雷达,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。

1.2 超声波测距仪的国内外现状

倒车雷达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顾这两种功能,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呵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“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。国外汽车倒车雷达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或泥尘覆盖,系统就会失效。最近在欧美出现的一种电磁感应倒车雷达。在线路上套上一个环型的感应圈,该感应圈放置在车后的保险杠内侧,从车外完全看不出有此装置。以感应车后是否有障碍物。此种装置价格中等,并且完全隐密,但可惜的是,安装时必须卸下保险杠,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摄像机、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。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,倒车雷达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。倒车雷达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,并采用不同间歇呜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像。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,使同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。

目前市场上的倒车雷达品牌可谓是种类繁多,有铁将军、北华三松、固地、博视、奇真、台湾俊邦、豪迪等几十种品牌,价格也是几百、上千元不等,有些厂家还根据车型的不同,设计专用的倒车雷达。

1.3 本课题的研究内容和目标

本文设计的防撞装置在结构上采用微电脑技术和专用芯片设计,具有结构简单,小型化的特点,非常适合用于测控系统;在软件设计上,突出模块的灵活性,并且C51语言简洁,大大简化了编写程序的工作量。比较现在市场已有的防撞器,该结构紧凑性好、成本低,可靠性好,通信能力强,能有效地避免汽车相撞事故的发生,具有一定的市场价值。超声波测量距离是一种有效的非接触式测距方法,可广泛应用于各种需要测量距离或物位参数的场合。特别是其具有高精度、无损、非接触等优点,超声波的应用变得越来越普及。随着科学技术的不断发展超声波测距技术本身也在不断的完善和发展,而基于

超声波的倒车雷达的设计也必将越来越精确。

第二章 课题设计原理与思路

2.1 超声波测距原理

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t,然后求出距离2/ct s =,式中的C 为超声波波速。由于超声波也是一种声波,其声速C 与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。

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v ,根据计时器记录的时间t ,发射点距障碍物的距离H ,如图2.2所示

超声波发射探

障碍物

图2-1 超声波测距原理

图2-1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L 表示,由图可得:

θcos L H = (2-1)

()H

M arctan =θ (2-2) 将式(2-2)带入式(2-1)得:

()[]H M L H a r c t a n c o s = (2-3)

在整个传播过程中,超声波所走过的距离为:

vt L =2 (2-4) 式中:v 为超声波的传播速度,t 为传播时间,即为超声波从发射到接收的时间。将式(2-4)

带入式(2-3)可得: ()[]H M vt H arctan cos 5.0= (2-5)

当被测距离H 远远大于M 时,式(2-5)变为:

vt H 5.0= (2-6)

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。

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40KHz 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。图2-2为倒车雷达的工作原理框图。

图2-2 倒车雷达原理框图

2.2 影响精度的因素分析

2.2.1 发射接收时间对测量精度的影响分析

采用TR40压电超声波传感器,脉冲发射由单片机控制,发射频率40KHz ,忽略脉冲电路硬件产生的延时,可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波,超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减,其衰减遵循指数规律。

设测量设备基准面距被测物距离为h ,则空气中传播的超声波波动方程为:

()()()-==k h t+kt e t+kt 20A A cos A cos ωωω (2-7)

由以上公式可知,超声波在传播过程中存在衰减,且超声波频率越高,衰减越快,但频率的增高有利于提高超声波的指向性。

经以上分析,超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大,收到的回波信号可能十分微弱,要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间,必须对收到的信号进行足够的放大,否则不正确的判断回波时间,会对超声波测量精度产生影响。

2.2.2 当地声速对测量精度的影响分析

当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响,即:

=s C (2-8)

由上式知,在空气中,当地声速只决定于气体的温度,因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下:

=0C C (2-9)

式中C 0=331.4m/s ;T 为绝对温度,单位K 。

式(2-9)一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下,温度每上升或者下降 1 ℃, 声速将增加或者减少0.607m/s ,这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定,为了能够提高计时点选择的准确性,本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外,当要求测距误差小于1mm 时,假定超声波速度C=344m/s(20℃室温),忽略声速的传播误差,则测距误差S △t<0.000 002 907s ,即 2.907ms 。根据以上过计算可知,在超声波的传播速度是准确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm 的误差。使用的12 MHz 晶体作时钟基准的AT89C51单片机定时器能方便的计数到1μs 的精度,因此系统采用AT89C51的定时器能保证时间误差在1mm 的测量范围内。

2.3 测量盲区

在以传感器脉冲反射方式工作的情况下,电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时,在短时间内放大器的放大倍数会降低,甚至没有放大作用,这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低,有时甚至不能发现障碍物,这时需要注意的。由于发射脉冲自身有一定的宽带,加上放大器有阻塞问题,在靠近发射脉冲一段时间范围内,所要求发现的缺陷往往不能被发现,这段距离称为盲区,具体分析如下:

当发射超声波时,发射信号虽然只维持一个极短的时间,但停止施加发射信号后,探头上还存在一定余振(由于机械惯性作用)。因此,在一段较长的时间内,加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定的幅值高度,可以达到限幅电路的限幅电平VM;另一方面,接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小,即使是离探头较近的表面反射回来的信号,也达不到限幅电路的限幅电平,当反射面离探头愈来愈远,接收和发射信号相隔时间愈来愈长,其幅值也愈来愈小。在超声波检测中,接收信号幅值需达到规定的阀值Vm,亦即接收信号的幅值必须大于这一阀值才能使接收信号放大器有输入信号。

2.4 系统整体设计方案和论证

由于超声波指向性强,能量萧寒缓慢,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,你用超声波测量距离,设计比较方便,计算原理也较简单,并且在测量精度方面也能达到倒车雷达设计的要求

2.4.1 系统整体方案的设计

该设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。因此初步计划是在室内小范围的测试,限定在2.5米左右。单片机(A T89C51)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,并进行报警。

超生波发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈(有时装在探头内),谐振频率由调谐电路的电感、电容决定,发射的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件,发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定,频带较宽。将一定频率的交流电压加到发射传感器的固有频率40KHz,使其工作在谐振频率,达到最

优的特性。发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一支发射传感器而言,电压越高,发射的超声功率就越大,这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大,对于接受电路的设计就相对简单一些。但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值,同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。

发射部件的点脉冲电压很高,但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏,要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是有两级放大电路,检波电路及锁相环构成,其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测,产生一个单片机(AT89C51)能够识别的中断信号作为回波到达的标志单片机发出启动信号,超声波模块经放大后通过超声波发射器输出;超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大,启动单片机中断程序,测得时间为t,再由软件进行判别、计算,得出距离数并送LED显示。若测得距离小于事先设定的数值,则发出声音预警。

2.4.2 系统整体方案的论证

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算传播距离。实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计;一发种是射波被物体反射回来后接收的反射波方式,适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。

测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器,常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减,衰减的程度与频率的高低成正比;而频率高分辨率也高,故短距离测量时应选择频率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器。

硬件电路的设计主要包括三端稳压电源电路、单片机及其辅助电路、超声波发射和超声波检测接收电路、显示电路四部分组成。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声模块所需的启动信号,超声波发射探头发出40KHZ的超声波。利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用实用的4位共阳LED数码管,段码A—G接单片机的P0.0—P0.6,位码用PNP三极管9012驱动。

第三章系统硬件设计

3.1 51系列单片机的功能

5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式,内部由CPU,4KB的ROM,256 B的RAM,2个16B的定时/计数器T0和T1,4个8B的I/O 端:P0,P1,P2,P3,一个全双工串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash 可编程、可擦除只读存储器(E~PROM),使其在实际中有着十分广泛的用途,在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图3-1所示。

图3-1 A T89C51单片机结构及引脚图

5l系列单片机提供以下功能:4 KB存储器;256 B RAM;32条I/O线;2个16B定时/计数器;5个2级中断源;1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式:CPU停止工作,而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式:保存RAM的内容,振荡器停振,禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源,即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的基于超声波测距的倒车雷达系统。

3.2 超声波发射电路

超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点,而经常用于距离的测

量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、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。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,因此在测控系统中得到了广泛应用。

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声波能量或是把超声波能量转变为同频率的其他形式的能量的器件。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:压电传感器,磁致伸缩传感器,静电传感器。流体动力型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”或“笛”。

3.2.1 超声波传感器原理及结构

压电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。压电材料具有一种特性,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,只要对这种材料加上交变电场,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。

传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受到发射电脉冲激励后会产生振动,即可发射超声脉冲,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3-2所示,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。

图3-2 超声波传感器的内部结构

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,金属外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。

3.2.2 超声波传感器的特性

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性,这里以课题中选用的传感器

SZW-S40-12M发射型超声波传感器的特性为例加以说明。

1.频率特性

40声压能级374043灵敏度

T/R40 -16A

T/R40 -18A

T/R40 -24A

a) b)

图3-3 超声波传感器的频率特性图

a )超声波传感器的声压能级

b )超声波传感器的灵敏度

图3-3是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中,40KHz 处为超声波发射传感器的中心频率,在40KHz 处,超声发射传感器所产生的超声机械波最强,也就是说在40KHz 处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz 两侧,声压能级迅速衰减。其频率特性如图3-4所示。因此,超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz 的交流电压来激励。

354045发射灵敏度

(dB )

图3-4 超声发射传感器频率特性

另外,超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在40KHz 处最尖锐,输出电信号的振幅最大,即在40KHz 处接收灵敏度最高。因此,超声波接收传感

器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R 也有很大关系,如果R 很大,频率特性是尖锐共振的,并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R 较小,频率特性变得光滑而且有较宽的带宽,同时灵敏度也随之降低,并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此,超声接收传感器应与输入阻抗的前置放大器配合使用,才能有较高的接收灵敏度。考虑到实际工程测量的要求,可以选用超声波频率f = 40KHz ,波长λ = 0.85cm 。

2. 指向特性

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片,可以把表面上每个点看成一个振荡器,辐射出一个半球而波(子波),这些子波没有指向性。但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果(衍射),却有指向性。超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成,其物理意义是0度时电压最大,角度逐渐增大时,声压减小。超声传感器的指向角一般为40度到80度,本设计要求传感器的指向角为75度。图2-8是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。 -10-30-100dB -1060

300dec 30

60

a )

b )

图3-5 超声波传感器指向特性a )及结构b )

超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分,探头(又称超声波换能器)选用压电式,可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40KHz 的超声波信号,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。这种方法的特点是充分利用软件,灵活性好,但需要设计一个驱动电流100mA 以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号,并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无需驱动电路,但缺点是灵活性低。本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。40KHz 的超声波是利用LC 震荡电路振荡产生的,其振荡频率计算公式如下:

(3-1)脉冲发射采用软件方式,利用AT89C51的P1.0口发射40 KHz的方波信号,经过74LS04放大后输出到超声波换能器,产生超声波。74LS04是一个高速CMOS六反相器,具有放大作用,具有对称的传输延迟和转换时间,而相对于LSTTL逻辑IC,它的功耗减小很多。对于HC类型,其工作电压为2~6 V,它具有高抗扰度,可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS逻辑输入等特点。本系统将40 KHz方波信号分成两路,分别由74LS04经两次和一次反向放大,从而构成推拉式反向放大。电路图如图3-6所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成,单片机P1.0端口输出40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端,可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联,用以提高驱动能力,上拉电阻R4、R5一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。

图3-6超声波发射电路

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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,压电晶片会发生共振,并带动共振板振动产生超声波,这时它就是一个超声波发生器;反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片振动,使机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志。

超声波测距仪硬件电路的设计

超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的:了解超声波测距仪的原理,掌握焊接方法,掌握电路串接方法,熟悉电路元件。 实验设备及器材:电烙铁,锡线,电路元件 实验步骤:1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序: #include unsigned char code dispbitcode[]={0x31,0x32,0x34,0x38,0x30,0x30, 0x30,0x30}; unsigned char code dispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x77,0x7c,0x 39}; unsigned char dispbuf[8]={10,10,10,10,10,10,0,0}; unsigned char dispcount; unsigned char getdata; unsigned int temp; unsigned int temp1;

unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; }

(完整word版)超声波倒车雷达开题报告

浙江理工大学本科毕业设计(论文)开题报告 倒车雷达预警

严团 (09自动化2班 B09330224) 1选题的背景与意义 随着科技的发展,人们对汽车安全与舒适性的要求越来越高。为了提高汽车的安全性,汽车生产过程中常给汽车装上倒车雷达,使得汽车的安全性大为提高。目前,国内外的高档汽车几乎都装有倒车雷达,并且倒车雷达的应用也正逐渐在汽车行业普及[1]。 1.1超声波倒车雷达定义 超声波倒车雷达也叫“倒车防撞雷达”,是汽车在停车或者倒车时的辅助设备,由超声波传感器(俗称探头)、电脑微处理器和显示设备等部分组成。能显示距离障碍物的距离或发出报警声,告知驾驶员周围障碍物的情况,提高驾驶的安全[4]。 1.2 国内外的研究现状 近十年内,国内外研究人员主要研究超声波回波信号的处理方法,新型超声波换能器、超声波发射脉冲选取等方面做了大量的研究,并针对超声波的干扰提出了各种解决方法,这些方法使得超声波的测量距离精度大大提高,对应的应用领域汽车倒车雷达也进行了各项改进,使得汽车的安全性能大幅提高。 目前汽车的倒车雷达的高端应用领域是自动泊车系统,倒车雷达结合倒车摄像系统,倒车时车后的视野直观的显示在汽车的仪表盘上,让倒车变得更容易[10]。 2 研究的基本内容与拟解决的主要问题 2.1 基本内容 本次毕业设计中主要完成的内容包括 1)超声波倒车雷达的原理分析与设计 超声波发射与接收的原理,超声波发射与接收的外围电路以及外围电路与单片机的接口处理。 2)超声波的发射与接收电路调试与装配 在确定正式电路之前必须对超声波的发射与接收系统进行调试,并不断的改进,找出误差的所在,确定最优方案,最后进行硬件装配。 3)距离测量与报警

超声波测距仪的设计说明

题目:超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 一、设计目的: 以51单片机为主控制器,利用超声波模块HC-SR04,设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。 通过该设计的制作,更为深入的了解51的工作原理,特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用;掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法,学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力,并学会仿真及软件调试的基本方法。 二、设计要求: 设计一个超声波测距仪。要求: 1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离; 2.所测距离大于2cm小于300cm,精度2mm。 三、设计器材: STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块 SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管(4) 按键(1) 电容(30PF2,10UF1) 排阻(10K),万用板,电烙铁,万用表,5V直流稳压电源,镊子,钳子,

导线及焊锡若干,电阻(200欧5)。 四、设计原理及设计方案: (一)超声波测距原理 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T,然后求出距离L。基本的测距公式为:L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速,常温下取为344m/s 声速确定后,只要测出超声波往返的时间,即可求得L。 根据本次设计所要求的测量距离的围及测量精度,我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了,硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路,软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时,只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。 当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值,此值就为此次测距的时间,再根据传播速度方可算出障碍物的距离。 (二)超声波测距模块HC-SR04简要介绍 HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述: 1. 主要技术参数: ①使用电压:DC5V ②静态电流:小于2mA ③电平输出:高5V

超声波测距的电路设计与单片机编程

[收稿日期]2003207208 [作者简介]李建法(1955— ),男,河南林州人,副教授,从事自动控制研究。超声波测距的电路设计与单片机编程 李建法,李立新,李勇,牛洹波 (安阳师范学院物理系,河南安阳455000) [摘 要]介绍了基于单片机处理的超声波测距系统的组成,工作原理和程序设计方法。本系统可用于需要测量距离参数的各种应用场合。 [关键词]超声波;单片机;测距电路 [中图分类号]TP36811 [文献标识码]A [文章编号]167125330(2003)0520047202 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。 超声波测距通常采用度越时间法,即利用s =vt/2计 算被测物体的距离。式中s 为收发头与被测物体之间的距离,v 为超声波在介质中的传播速度(v =331.4 1+T/273m/s ),t 为超声波的往返时间间隔。工作原理 为:发射头发出的超声波以速度v 在空气中传播,在到达 被测物体时被其表面反射返回,由接收头接收,其往返时间为t ,由s 算出被测物体的距离。T 为环境温度,在测量精度要求高的场合必须考虑此影响,但在一般情况下 ,可舍去此法,由软件进行调整补偿。 1 电路设计 电路框图如图1所示。 图1 整机电路框图 111超声波发送电路 超声波发送电路如图2所示。555电路产生40K H 的振荡信号,门电路产生低频调制脉冲,脉冲持续时间为 160μs 左右,脉冲间隔为30—40ms (视需要调整)。此脉冲信号一路作为振荡器的置位脉冲,另一路作为计时的起始脉冲。在置位期间,振荡器输出频率为40K H 的脉冲信号(约8个脉冲),由超声波发射头T 40—16发射出去。 图2 超声波发送电路 112超声波接收电路 图3 超声波收电路 超声波的接收电路如图3所示。它采用通用的FPS —4091红外接收组件,但是,需要将红外接收管PH302换为超声波接收头R40—16。因为在距离较远时,回波信号很弱,使用此接收组件,可以在有效的测距范围内保证接收到的信号其输出达到TT L 电平,避免了为达到几十万倍的放大量而采用多级运放组成的调试困难的高增益放大电路,十分便于制作,且电路无需调试。图中T 为进一步整 形放大,可增大测量距离,反相器为满足单片机需要不同极性的信号而加入。 2 软件设计 本系统的程序主要包括启、停脉冲检测,计时,盲区延 7 42003年 安阳师范学院学报

基于51单片机的超声波测距仪之倒车雷达作品设计毕业论文

基于51单片机的超声波测距仪之倒车雷达作品设计毕业论文

毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名:日期: 指导教师签名:日期: 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名:日期:

学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名:日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期:年月日 导师签名:日期:年月日

一款串口输出超声波测距模块使用范例

一款串口输出超声波测距模块使用范例 一、模块简介: 该串口输出超声波测距模块采用STC11F04E单片机作处理器,工作电源:DC5V,工作电流10mA。测量数据输出方式为TTL串口输出,数据格式为标准的ASCII码,数据由:空格位(起始位)+百+十位+个位。工作方式有两种:一是连续测量方式;二是查询测量方式。

测量范围:方式一:5cm~200cm(盲区5cm);方式二:25cm~350cm(盲区25cm)。 测量过程中,当接收不到障碍物反射的回波时,输出“C C C”,当测量低于下限值(在盲区内)时显示“- - -”。测量结果由模块上的输出端口输出,输出方式为串口(TTL电平)输出。测量结果可通过电脑进行显示。模块使用串口通讯可靠性更高,

同时可以通过电脑串口采集数据,编写通讯程序非常的 便捷。 波特率:1200 校验位:无 数据位:8 停止位:无 ASCII码数据格式:空格位(起始位)+百+十位+个位。 二、模块的使用设置 下图为模块的背面图片。图中标有A、B、C短接焊 盘是作为设置测量方式用;标有0-7的短路焊盘是设置 查询方式下的模块地址用。

方式1:设置为小盲区期测量。设置方法,标号为B 的焊盘即单片机的P3.5 脚与地断开,这时的测量范围为:5-200;这种方式下,测量盲区值小,适合长时间近距离测量用。 方式2: 设置为远距离测量,这种方式,盲区值相对较大,测量相对较远一些,设置方法:将标号为B的焊盘即单片机的P3.5 脚与地短接,这时的测量范围

为:25-350厘米。 方式3:连续方式测量。将标号为A的焊盘即单片机的P3.4 脚与地断开,这时模块测量方式是连续的进行 测量,测量间隔为1-2次/秒,每测量一次,就将测量结果通过串口送出。 方式4:查询方式测量。将标号为A的焊盘即单片机的P3.4 脚与地短接,这时的测量方式为查询方式测量,即通过控制设备向模块发出一个命令后,模块才测量一次。查询方式下,每向测距模块发送一次查询命令,模 块才进行测量一次,完成测量后即将测量结果通过串口 发送出来。设置成查询方式,模块可多块模块连接在一 起组网测量。 查询命令格式:AT+CL=1-255(1-255为模的的地址 编码,每个模块的地址编码由模块上单片机P1口与地短接的情况决定,各块模块的编码可独立,由使用者自己 设定,设定范围1-255,只在查询方式下有效),数据格式为16进制数据。 三、模块使用 为减小本超声波测距模块外形尺寸,该超声波测距 元件采用双面安装,全部元件安装在一块长6cm宽2.5cm 的PCB上。模块可用作应用系统的测距模块。因为它是 串口TTL电平输出的。可应用在倒车雷达、机器人避障、

汽车倒车系统中超声波测距模块的设计

收稿日期:2006-12-13 作者简介:彭翠云(1979-),女,湖北省荆门市人,硕士生,研究方向为汽车倒车辅助系统。 文章编号: 1004-2474(2008)02-0251-04汽车倒车系统中超声波测距模块的设计 彭翠云1,赵广耀2,戎海龙3 (1.安徽工程科技学院机械学院,安徽芜湖,241000;2.东北大学机械工程与自动化学院, 辽宁沈阳110004;3.东南大学自动化学院,江苏南京,210096) 摘 要:介绍了以Cy gnal 8051F 330单片机为控制器,用于汽车倒车的超声波测距模块的硬件电路和软件设 计方案,在抗干扰设计等方面该模块采用了软硬件综合处理措施,实现了较高的测距精度和较宽的测距范围。在满足倒车系统要求的基础上,体现了简单、经济、实效、实用的特点,文章给出了该模块的实际调试效果和误差分析结果。 关键词:超声波测距;带通滤波;单片机中图分类号:T P212 文献标识码:A The Design of Ultrasonic Distance -Measuring S ystem Used on Car -backing System PENG Cui -yun 1 ,ZHAO Guang -yao 2 ,R ONG Hai -long 3 (1.Dept .of M echanical Engineering ,An hui University of Technology and S cien ce ,Wu hu Anhui 241000,China ; 2.C ollege of M echanical E ngineering an d Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China ; 3.College of Automation ,S ou theastern University ,Nanjing 210096,China ) A bstract :A n per so nally desig ned ultr aso nic distance -measuring sy stem is intro duced and its hardw are circuits and softw are design me tho ds are giv en in this pape r ,which ba ses o n Cyg na l 8051F330sing le chip ,a nd is applied to ca rbacking sy stem .In the sy stem ,some impr ovement on bo th ha rdw are a nd softw are is adapted ,w hich makes the sy stem has better precisio n and wider measuring range .M o reove r ,besides its capability o f satisfy the requirement raised by car -backing sy stem ,the system ha s other characters such as briefness ,economy ,actual effect ,practicality e tc ..T he practical debugg ing results and err or a nalyzing results a re given at the end of this paper . Key words :ultrasonic distance -measuring ;bandpass -filtr ation ;sing le chip 超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点,通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测[1]。本文主要探讨倒车系统的超声波测距模块的设计与实现。超声测距模块作为汽车外部环境传感器,其用途是向决策系统实时提供汽车与障碍物的间距,以利于汽车蔽障。为克服以往超声波测距模块因采用超声波专用集成电路而造成的电路固定,应用不灵活,抗干扰和抗噪声能力差等不足,本超声波测距模块以Cy gnal 8051F330单片机为核心,并侧重发送模块和回波接收预处理模块的开发与实验研究,获得了较高的测距精度和较宽的测距范围,能满足倒车系统要求。该模块选用器件较廉价且易获取,体现出简单、经济、实效、实用的特点。 1 硬件设计 为使超声测距模块和决策系统之间的接口线最少,本设计采用模拟口方式而不采用串口、SM Bus 等方式。该方式即决策系统从超声波测距模块获得的距离信息为一模拟电压,该模拟电压正比于被测 距离。 为实现控制系统的简单化,本超声测距模块的中央处理器采用Cyg nal 8051F330单片机[2],该单片机较其他单片机(如F060等)外设规模小,仅有17个I /O 口,虽然功能上显得不够强劲,但其指令执行速度并未降低,加上其20引脚的精简封装,已广泛应用于所需功能较为简单的小规模控制电路中。对于倒车超声波测距系统可谓是合适的选择。 图1为超声测距模块的原理。单片机每隔一定时间间隔向超声波换能器发送一串频率为40kHz (超声波换能器的谐振频率)的激励脉冲,使超声波换能器向需要探测的方向发射出超声波,同时开始定时,一旦接收到返回的超声波信号即停止定时,获得超声波往返时间,由超声波脉冲在空气中传输的速度,便可计算出超声波换能器与目标物体间距离。 第30卷第2期压 电 与 声 光 Vo l .30No .22008年4月 PI EZO EL ECT ECT RICS &ACO U ST OO P T ICS Apr .2008

超声波测距电子电路设计详解

超声波测距电子电路设计详解 在自主行走机器人系统中,机器人要实现在未知和不确定环境下行走,必须实时采集环境信息,以实现避障和导航,这必须依靠能实现感知环境信息的传感器系统来实现。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到广泛应用。由于超声波测距方法设备简单、价格便宜、体积小、设计简单、易于做到实时控制,并且在测量距离、测量精度等方面能达到工业实用的要求,因此得到了广泛的应用。本文所介绍的机器人采用三方超声波测距系统,该系统可为机器人识别其运动的前方、左方和右方环境而提供关于运动距离的信息。 超声波测距原理 超声波发生器内部由两个压电片和一个共振板组成。当它的两极外加脉冲信号,且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,如果两极间未加外电压,当共振板接收到超声波时,就成为超声波接收器。超声波测距一般有两种方法:①取输出脉冲的平均电压值,该电压与距离成正比,测量电压即可测量距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,根据被测距离s=vt?2来得到测

量距离,由于超声波速度v与温度有关,所以如果温度变化比较大,应通过温度补偿的方法加以校正。 本测量系统采用第二种方法,由于测量精度要求不是特别高,所以可以认为温度基本不变。本系统以PIC16F877单片机为核心,通过软件编程实现其对外围电路的实时控制,并提供给外围电路所需的信号,包括频率振动信号、数据处理信号等,从而简化了外围电路,且移植性好。系统硬件电路方框图见图1。 图1 系统硬件电路方框图 由于本系统只需要清楚机器人前方、左方、右方是否有障碍物,并不需要知道障碍物与机器人的具体距离,因此不需要显示电路,只需要设定一距离阀值,使障碍物与机器人的距离达到某一值时,单片机控制机器人电机停转,这可通过软件编程实现。

基于超声波汽车倒车雷达预警系统设计

万方数据

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基于超声波汽车倒车雷达预警系统设计 作者:高月华, GAO Yuehua 作者单位:重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆,400042 刊名: 压电与声光 英文刊名:PIEZOELECTRICS & ACOUSTOOPTICS 年,卷(期):2011,33(3) 被引用次数:2次 参考文献(5条) 1.吴琼;封维忠;马文杰汽车倒车雷达系统的设计与实现[期刊论文]-现代电子技术 2009(09) 2.王红云基于超声波测距的倒车雷达系统设计[期刊论文]-国外电子元器件 2008(8) 3.王守华基于温度补偿的超声波倒车测距仪的研制[期刊论文]-今日电子 2009(9) 4.朱维杰;于湘珍基于超声波测距的自适应倒车雷达设计[期刊论文]-汽车电器 2009(4) 5.鲁思慧基于微控制器超声波技术的倒车障碍检测系统 2008(08) 本文读者也读过(7条) 1.孙会楠基于单片机的倒车雷达研究[期刊论文]-科技创新导报2011(15) 2.陈学永具有语音提示和数码距离显示的超声波倒车雷达设计[会议论文]-2007 3.常雨芳.黄文聪.Chang Yufang.Huang Wencong基于超声测距的可视倒车雷达预警系统设计[期刊论文]-软件导刊2010,09(12) 4.滕志军基于超声波检测的倒车雷达设计[期刊论文]-今日电子2006(9) 5.张海鹰.高艳丽.张树团.ZHANG Hai-ying.GAO Yan-li.ZHANG Shu-tuan高精度超声倒车雷达的设计[期刊论文]-电子设计工程2011,19(9) 6.周超.ZHOU Chao具有声光提示双功能的倒车防撞系统设计[期刊论文]-传感器与微系统2011,30(5) 7.滕志军.陈莉.张宇帅.Teng Zhijun.Chen Li.Zhang Yushuai一种语音同步提示的倒车雷达的设计[期刊论文]-电子科技2007(11) 引证文献(3条) 1.苏延霞.杨胜兵基于超声测距的智能泊车系统仿真设计[期刊论文]-湖北汽车工业学院学报 2011(4) 2.孙敏.卢浩.赵伟.蒋碧珠.李晶.曹毓涵超声防撞技术的专利状况分析[期刊论文]-电声技术 2012(z1) 3.莫品光.刘艳红基于超声波的倒车防撞报警系统设计[期刊论文]-传感器世界 2012(6) 本文链接:https://www.doczj.com/doc/2313056708.html,/Periodical_ydysg201103025.aspx

超声波测距技术综述

文献综述 题目超声波测距技术综述学生姓名 专业班级 学号 院(系)电气信息工程学院指导教师 完成时间2014 年06月01日

超声波测距技术综述 摘要 我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远等特点,同时它是一种非接触式的检测方式,不受光线、被测对象颜色等影响,因此经常被用于距离的测量。超声测距技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值,目前已应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。因此,深入研究超声波测距的理论和方法具有重要的实践意义。 关键词超声波超声波测距车辆导航物位测量

1 引言 1.1 超声波简介 一般认为,关于超声的研究最初起始于1876年F1Galton的气哨实验。当时Galton 在空气中产生的频率达300K Hz,这是人类首次有效产生的高频声。而科学技术的发展往往与一些偶然的历史事件相联系。对超声的研究起到极大推动作用的是,1912年豪华客轮Titanic号在首航中碰撞冰山后的沉没,这个当时震惊世界的悲剧促使科学家们提出用声学方法来预测冰山,在随后的第一次世界大战中,对超声的研究得以进一步的促进。 近些年来,随着超声技术研究的不断深入,我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点,超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。 而我国,关于超声波的大规模研究始于1956年。迄今,在超声的各个领域都开展了研究和应用,其中有少数项目已接近或达到了国际水平。 1.2 超声波测距简介 超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量,是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比,如电磁的或光学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辨力,因而其准确度也较其它方法为高。超声波测距仪,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和移动机器人的研制上,也可在潮湿高温,多尘等恶劣环境下工作。例如:液位、厚度、管道长度等场合。 超声波测距作为一种典型的非接触测量方法,在很多场合,诸如工业自动控制,建筑工程测量,机器人视觉识别,倒车防撞雷达,海洋测量,物体识别等方面得到广泛的应用。超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点。与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、

10米超声波测距仪设计实现

10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪,可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米,测量精度1cm,测量时与被测物体不接触,并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1.单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振,以获得较稳定的时钟频率,减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40Hz方波信号,利用外中断0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管,段码用74LS244驱动,位用PNP8550驱动。 2.超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3.超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片,可利用它做接收电路。 4.系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序:

开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化,设置T0为方式1,EA=1,P0,P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器,需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz,计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s,则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序:通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号,脉宽12us,同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波,一旦接收到返回的信号,立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求,方案的选择应力求实用性强,性价比高,使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波

简易超声波测距仪的设计

摘要 超声波具有指向性强,能量消耗缓慢,传播距离较远等优点,所以,在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中,超声波测距是目前应用最普遍的一种,它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性,以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点,并在分析了超声波测距的原理的基础上,指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题,给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计,由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理,实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案,最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。 经实验证明,这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好,经过系统扩展和升级,可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。 关键词AT89C51;超声波;测距

Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring,building construction site and some industrial scenes extensively. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. Key words AT89C51; Ultrasonic Wave; Measure Distance

超声波测距系统设计

摘要 随着科技的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,城市给排水系统也有较大发展,其状况不断改善。但是,由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素,城市给排水系统,特别是排水系统往往落后于城市建设。因此,经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰,因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理,人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统,保证机器人在箱涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此,设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。 介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。 关键词:AT89C2051; 超声波;测距 Abstract With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect. Key words:AT89C2051; Silent Wave;Measure Distance

基于单片机的超声波倒车雷达文献综述

综合文献调研及综述 课题:基于单片机的超声波倒车雷达综述 学院 专业 年级班别 学号 学生姓名 指导教师 2015年1 月13日

一、文献调研部分 1. 中文切题期刊论文8篇 [1]刘海峰.汽车倒车雷达系统全接触[J].汽车电器,2007,12:5-8. 摘要:简要介绍倒车雷达的组成和工作原理,回顾倒车雷达的发展历程,就时下主流新车的倒车雷达安装状况以及非原车倒车雷达的性能检测结果进行报道,对倒车雷达的选购安装和使用过程中的注意事项进行总结,最后展望倒车雷达系统的未来发展。 [2]陈烁华,冯桑.倒车辅助系统的技术发展[J].城市车辆,2009,10:36-38. 摘要:倒车辅助系统,又称泊车辅助系统或可视倒车雷达,能够给驾驶员倒车、泊车操作带来极大的方便,现已越来越多配置于汽车当中。本文详细地介绍倒车辅助系统的产生背景、发展历程以及现有主流产品的种种特点;并对其缺陷做出了初步探讨,提出了新的解决思路。 [3]段现星.超声波传感器在倒车雷达上的发展[J].家电检修技术,2009,12:1. 摘要:<正>倒车雷达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视频显示告知驾驶员周围障碍物的情况,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视野死角和视线模糊的缺陷,提高驾驶的安全性。 [4]刘鑫,朱靖玉.基于单片机的倒车雷达的设计[J].电子设计工程,2012,01:94-97. 摘要:为降低汽车倒车时的碰撞事故,提出了一种基于单片机的超声波测距倒车雷达的设计方案。该设计根据超声波测距原理,采用AT89S52单片机为控制核心,设计了超声波测距倒车雷达,并对测量距离误差进行了分析。测量距离为0.1~5.0 m,其精度经过校正后可达1 cm。该设计结构简单、工作可靠,有良好的测量精度和灵敏度。 [5]吴琼,封维忠,马文杰.汽车倒车雷达系统的设计与实现[J].现代电子技术,2009,09:191-194. 摘要:为避免汽车倒车过程中发生碰撞,设计一种基于单片机AT89C51的倒车雷达系统,介绍了超声波测距的基本原理,阐述了倒车雷达系统的结构组成、硬件电路设计以及软件设计,并在数据处理部分采用温度补偿消除温度对声速的影响,提高了测距精度。倒车距离采用LCD进行实时显示,并通过语音报警电路对不同距离段做出不同的语音提示。实验表明该倒车雷达系统在30~500 cm范围内可实现准确测距,具有可靠性较高、外围电路简单、实用性强等优点。 [6]高旭,朱军.基于AT89S52单片机的超声波倒车雷达系统的设计[J].电子技术,2010,01:60-61+56. 摘要:利用超声波测距原理,出于低成本、高精度的目的,提出了一种基于AT89S52的超声波倒车雷达系统的设计方案。硬件部分采用AT89S52单片机作为控制器,主要有超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、LCD显示电路和报警电路。本文在分析超声波测距原理的基础上,给出了实现超声波倒车雷达系统的软件设计流程图和硬件设计电路图。该系统测量精度为1cm,完全能够满足汽车倒车系统的设计要求。 [7]林勇.汽车倒车防撞雷达系统原理及优化的探讨[J].电脑知识与技术,2008,33:1498-1499. 摘要:文章概述了利用单片机控制的超声波测距应用于汽车倒车防撞雷达系统的基本原理,例如当汽车倒车时,启动单片机及外部传感器实现距离测量,单片机对超声波的发射与接收通过计时进行控制,当所测得的距离小于预设的安全距离时,启动声光报警,有效避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人。同时文章对该系统存在的弊端及其优化思路进行详细阐述。

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