1、辽宁石油化工大学继续教育学院论文I基于单片机的超声波倒车防撞系统的设计摘 要近年来，我国的汽车数量正逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为 1m5 m，因此大都用
2、于汽车倒车雷达等近距离测距中。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 单片机的超声波测距器。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。超声波接收电路使用 SONY 公司的 CX20106A 红外检测专用芯片，该芯片常用于 38kHz 的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对 40kHz 超声波检波的硬件电路，距器使用数码管显示目标物的距离。关键词：超声波 测距 AT89C51 倒车辽宁石油化工大学继续教育学院论文I
3、IDESIGN OF ULTRASONIC VEHICLE REVERING SYSTEM WITHULTRASONIC BASEDON MCUABSTRACTIn recent years, Chinas number of cars is increasing every year. Highways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end car
4、eless accidents can occur.So after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurem
5、ent of logic circuits to provide a short pulse. Finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by
6、 a larger weather can not be precise range; In addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic
7、range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 1 5 m, based on AT89C51 ultrasonic range-finder. Receiving circuit using the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38KHz, the text of the chip through the carefu
8、l analysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, The use of digital rangefinder display the distance between objects. KEY WORDS : intelligence, infrared sensor, auto-guiding, voice- control, combined processing辽宁石油化工大学继续
9、教育学院论文III目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 设计的意义和要求 .11.2 目前国内倒车雷达的发展现状 .12 总体设计方案 .32.1 超声波测距 .32.1.1 超声波测距原理 .32.1.2 测量与控制方法 .42.1.3 理论计算 .42.1.4 影响精度的因素分析 .51 温度误差 .52 时间误差 .62.1.5 提高精度的方案及系统设计 .62.1.6 测量盲区 .72.2 超声波传感器 .82.2.1 超声波传感器原理及结构 .82.2.2 超声波传感器的特性 .92.2.3 超声波传感器的应用 .113 硬件设计 .133.1 超声波发射电
10、路 .133.2 超声波检测接收电路 .143.3 超声波显示及控制部分电路 .153.3.1 AT89C51 单片机的原理及工作特点 .153.3.2 单片机实现测距原理 .163.3.3 稳压电源电路 .163.3.4 显示电路原理 .173.3.5 温度测量电路 .203.3.6 键盘控制电路 .204 软件设计 .214.1 软件设计的要求 .224.2 超声波测距的算法设计 .224.3 主程序 .234.4 超声波发送及接收中断程序 .254.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序 .275 系统的软硬件调试 .27结 论 .29参考文献 .30谢 辞 .30附录 1 超声波倒车雷达系统的
11、原理图 .31附录 2 程序清单 .33辽宁石油化工大学继续教育学院论文11 绪论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。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。国内倒车雷达主流市场已经开始有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
12、汽车倒车雷达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。1.1 设计的意义和要求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，
13、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。倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。1.2 目前国内倒车雷达的发展现状经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。经过这几年的发展，倒车雷达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雷达这三种。辽宁石油
14、化工大学继续教育学院论文2第一代：倒车时通过喇叭提醒 。 “倒车请注意”！想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有少部分商用车还在使用。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 1.8m1.5m 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
15、。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 0.6m0.8m；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
16、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 LCD 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：魔幻镜倒车雷达。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。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、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雷达系统。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。而且颜色款式多样，可以按照个人
17、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辽宁石油化工大学继续教育学院论文3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 DVD影像。2 总体设计方案超声波发射单片机LED 数码管显示键盘控制超声波接收放大 比 较图 2-1 倒车雷达系统总框图该设计的应用背景是基于 AT89C51 的超声信号检测的。因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在 2.5 米左右。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
18、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，本进行声光报警。其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） ，谐振频率有调谐电路的电感、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、隔度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
19、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。2.1 超声波测距2.1.1 超声波测距原理辽宁石油化工大学继续教育学院论文4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
20、求出距离 S=Ct/2，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。图 2-2 即为超声波测距的具体流程图。定时器显 示器振荡器调制器接收检测器电声换能器计时器控制电声换能器图 2-2 系统总体设计流程图2.1.2 测量与控制方法声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中
21、传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择就以自动选择功能来实现2.1.3 理论计算辽宁石油化工大学继续教育学院论文5T 2T 1图 2-3 测距的原理如图 2-3 所示为反射时间，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式：2CS其中，S 为被测距离、V 为空气中声速、T 为回波时间，21T可以计算出路程，这
22、种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离： 21TCS555 时基电路振荡产生 40Hz 的超声波信号。其振荡频率计算公式如下： 5109243.Rf2.1.4 影响精度的因素分析根据超声波测距公式L=ct/2，可知测距的误差是由超声波的温度误差、和测量的时间误差所引起的。1 温度误差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辽宁石油化工大学继续教育学院论文6温度() 30 20 10 0 10 20 30 100声速(米秒) 313 319 325 323 338 344 349 386表1声速与温度关
23、系这是超声波的温度效应特性，超声波的传播速度“C”可以用公式(2)表示：C331.50.607t（m/s）,式中t=温度（）。因此要精确测量与某个物体之间的距离时，则应通过温度补偿的方法加以校正。2 时间误差 当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s/t(0.001/344) 0.000002907s 即2.907ms。 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12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用AT
24、89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。 对于超声波测距精度要求达到1MM时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100M距离所引起的测量误差将达到5M，测量1M误差将达到5MM。超声波遇到障碍物后，一部分会反来，那么，通过计算发射出超声波到接收到回波之间的时差，还有音速，就能算出障碍物的距离。超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。由此可见，测量精度与温度有着直接
25、的关系，本文采用 DS18B20 温度传感器，对外界温度进行测量，并在软件中实现温度补偿。2.1.5 提高精度的方案及系统设计(1) 温度校正的方法提高测距精度 由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 (2-3) 求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文7为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 总线专利技术，能够仅在占用
26、控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电） ，极大的方便了使用者的调试使用，而且其在10 85的工作环境下可以保持0.5%的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。 通过 DS18B20 芯片获得的数据信号经由 1-WIRE 总线传至 MCU，由软件进行声速换算。为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 单片机实现超声波测距的各项功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持 48MHz 的前提下能够实现 1个时钟机械周期的运行速度。由于能够使用高频率的晶振，因此相
27、对于普通单片机来说可以有效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。(2) 标杆校正的方法提高测距精度 在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。标杆校正的示意图如图 2-4 所示。TR基平面（标杆）超声波测距装置 被测物图 2-4 标杆校正的示意图超声波测距装置首先测量距离已知为 h 的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离 h 根据公式(2-3) 求出当地声速。通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。因此，只用为测距设备设定“标定”和“测量”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。2.1.6 测量盲区
