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1、数字超声波倒车测距仪设计摘要为了帮助汽车驾驶员实现安全倒车的目的，根据超声波测距的工作原理，采用51单片机系统及超传感器为硬件核心，声波采用单片机C语言编写程序，设计出一套具有实时超声波速度修正及可多方位进行检测扫描的超声波测距系统。实现汽车在倒车过程中一旦接近有障碍物时，立刻自动报警并显示出汽车尾部到障碍物距离的功能。关键词：数字超声波；测距仪；倒车AbstractIn order to help the car driver achieve the purpose of safe reversing, according to the working principle of ultras
2、onic ranging, 51 single-chip system and super sensor are used as the hardware core, and the sound wave is programmed by the single-chip C language, and a set of real-time ultrasonic speed correction and design can be designed. Ultrasonic ranging system for detecting scanning in azimuth. When the car
3、 is approaching an obstacle during the reversing process, it immediately alarms and displays the function of the rear end of the car to the obstacle.Key words: digital ultrasonic; range finder; reversing目录第一章引言21.1课题研究背景31.2 课题研究的意义3第二章 超声波测距仪系统总体设计42.1 超声波传感器简介42.2 超声波传感器的检测方式52.3 超声波传感器系统的构成72.4 超
4、声波测距仪的基本工作原理7第三章 超声波仪硬件设计与实现83.1 超声波发射电路93.2 超声波检测接收电路103.3LCD显示电路103.4语音报警电路113.5超声波传感器113.6 时钟电路123.7 复位电路133.8 放大电路及参数设定133.9 电压比较电路及参数设计13第四章 超声波测距仪软件设计与实现144.1 软件功能分析及算法特点144.2 主程序流程图154.3 超声波接收发射软件设计164.4 超声波发生子程序和接收子程序16第五章电路调试与误差分析17第六章 结论与展望19参考文献19第一章引言 近年来, 随着人们生活水平的提高、市场的繁荣，私家车、运输车及各种车辆与
5、日俱增，汽车也就成为各地经济发展的中枢纽带，逐渐走入每个家庭。在享受汽车给人们带来便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。许多驾驶员在倒车时经常出现汽车被撞伤、划伤或撞人事件。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。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
6、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。 为了解决类似的安全问题，基于超声波测距的原理, 利用单片机技术设计了一种可以实现实时声速修正及多方位检测的测距仪, 帮助车主准确了解汽车尾部周围的阻碍情况，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、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。通常，倒车雷
7、达可以通过不同的测距方式能很好的解决停车时因视线不清而造成倒车不便，主要采用的是超声波测距技术, 挂倒档时接通倒车雷达的电源, 利用换能器(超声波传感器)的压电特性，间断以频率40KHz的电压激发压电片,该压电片随即由电能转换成机械能(40KHz超声波)并发射出去，当发射出去的声波接触物体时, 根据声波的反射性原理，会反射回微弱声波信号给超声波传感器，换能器即将所接收的微弱声波振动信号转化成为电信号，经信号放大处理后, 传送至微处理器，微处理器就可计算车与该物体之距离，并显示出来，再由微处理器判断决定是否对构成危险的目标按不同程度进行警示提醒1。在近几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，
8、倒车雷达经过了大致六代的发展：第一代：倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意”第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。倒车时，如果车后1.8米1.5米处有障碍物, 蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急, 表示车辆离障碍物越近。第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。第四代: 液晶荧屏动态显示。第五代: 魔幻镜倒车雷达。第六代：整合影音系统。是专门为高档轿车生产的。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。 1.1课题研究背景 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器相当于人的感官。比如温
9、度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。超声波是指振动频率大于20KHz 以上的机械波，具有强度大，方向性好等特点。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度、物体厚度等场合，测量精度为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，并且能解决一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷等问题。因此研究超声波测距系统的原理
10、有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。1.2 课题研究的意义由于超声波在空气中波速较慢，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，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，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。因此超声测距广泛应用于倒车雷达、物体识别等方面，特别是应用于空气测距。 超声波测距利用声波反射原理，避免传感器直接与介质接触，是一种传统而实用的 非接触测量方法。与红外、激光及无线电测距相比，它具有结构简单、可靠性能高、价 格便
11、宜、安装维护方便等优异特性。在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响和指向性强的优点，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低。但由于超声波传播 时难于精确捕捉，温度对声速影响等原因，使超声测距的精度受到很大的影响，限制了 超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用。 第二章 超声波测距仪系统总体设计 2.1 超声波传感器简介 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。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
12、超声波频率为几十KHZ几十MHZ。 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。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其
13、频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。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2。 在进行程序编写之前，首先要做的工作是数字超声波倒车测距仪本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。 数字超声波倒车测距仪的基本功能就是对汽车尾部到静止物体的距离进行运算，并根据所测距离数值判断是否能够顺利完成车辆的倒车，并作出相应应。数字超声波倒车测距 超声波倒车测距仪俗称倒车雷达又称泊车辅助系统，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
14、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，由装置于汽车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过控制器进行数据处理，判断障碍物的位置，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。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。 超
15、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，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，特别是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。主要取决于制作工艺。灵敏度高，发射功率就可降低，分辨率高， 检测距离远。目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是 用机械方式产生的超声波。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。在工程中，目前
