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1、1基于嵌入式超声波汽车倒车测距系统的研究研究报告作 者：陶争 杨阳 武如梦 梁孟孟 纪涛 王先先指导老师：陈珍萍 副教授安徽理工大学摘要随着科技的发展，我国工业水平也得到突飞猛进的发展，传统的利用激光、红外线等测量介质的测距系统由于易受外界影响、成本高等原因已不能适应现代工业发展的要求。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。本系统采用以增强型51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同时移植嵌入式系统使本系统智能化。我们也采用了ZigBee无线网络通信技术，利用其近距离、低复杂度、低功耗、低成本，可以嵌入各种设备等优点实现远距离通信。利用超声回波
2、法测距是超声检测技术的一个重要应用。它原理简单、实现方便，而且不需要与被测物直接接触，在恶劣作业环境下有一定的适应能力。本研究也提出了用复杂可编程程序控制，提高技术改进超声波测距模块电路的设计，并且运用嵌入式系统技术实现了位移信息的远程监控， 有效地提升了系统性能。整个电路采用模块化设计，由主程序、超声波发送子程序、超声波接收子程序、测温子程序、距离计算子程序、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
3、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。关键字：超声波测距；单片机；COS-II ；无线通信；ZigBee目录1 作品设计、发明的目的和基本思路 .11.1 作品设计、发明的背景 .11.2 作品设计、发明目的 .11.3 作品设计、发明思路 .22 系统优势分析及创新点 .32.1 系统创新点 .32.2 系统优势分析 .33 本系统的推广前景及市场分析 .44 系统基本组成 .55 硬件设计部分 .65.1 嵌入式系统 .65.2 超声波测距电路设计 .75.2.1 超声波发送电路 .75.2.2 超声波接收电路 .75.3 温度
4、采集电路 .85.4 无线通信 .96 软件设计 .116.1 uCOS-II 的移植 .116.2 应用功能的实现 .126.3 子程序设计 .136.3.1 超声波发送、接收子程序 .136.3.2 测温子程序 .146.3.3 距离计算子程序 .156.3.4 显示子程序和按键扫描子程序 .157 总结 .17参考文献 .1801 作品设计、发明的目的和基本思路1.1 作品设计、发明的背景随着经济的发展，人们的生活水平越来越高。当今，汽车已经普遍进入家庭，但随之而来的问题是如何保证汽车在行驶过程中的安全，特别是如何防止汽车与其它物体的碰撞。据调查统计，15%的汽车事故是由汽车倒车后视不良
5、造成的。因此，增强汽车的后视能力，对于提高行车安全是非常重要的。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，使司机及时采取行动，可避免车辆相撞事故的发生。在一些测距场合中，一些常用的测量介质如激光、红外线等易受环境光照度和光线色彩的影响，而且测量精度不高，系统检测不易维护，价格也比较昂贵。超声波是机械波，具有不受光线影响，不受电磁干扰，成本低等特点，能够定点和连续测量物位，在有灰尘、烟雾、有腐蚀等恶劣环境下具有较好的适应能力，广泛应用于物位测量、机械手控制、倒车雷达、机器人避障以及一些其他工业场合等。同时，嵌入式系统在我们的周围扮演着日益普遍的重要角色。基于嵌入式系统其功耗低、性能高、
6、成本低、可扩展性强等优势十分广泛的被应用于控制领域。1.2 作品设计、发明目的随着我国经济的快速发展，交通运输车辆不断增多，由此产生的交通问题越来越受到人们的关注。其中倒车事故发生的频率非常高，已引起社会和交通部门的高度重视，倒车事故的发生是由多种原因造成的，但最重要的原因还是因为驾驶者目测距离有误差。为了帮助驾驶员对路面障碍进行检测，减少碰撞事故的发生，本系统主要解决汽车与障碍物之间安全距离的问题，如果汽车和障碍物之间超过了安全距离，就发出报警并显示与障碍物之间的距离，驾驶员根据这个距离来采取制动措施。目前，我国汽车行业使用的大多是汽车倒车雷达，我们研究的本系统是在汽车雷达的基础上移植嵌入式
7、系统，以 51 单片机为控制中心，系统简单容易实现，同时，利用了新兴的无线网络通信技术 ZigBee，数据传输安全可靠，成本也比较低，功耗小，能准确的测量出障碍物与汽车之间的距离，使驾驶员能应第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术作品竞赛参赛作品1时采取相应的措施。1.3 作品设计、发明思路本系统是以增强型 51 单片机作为系统核心，利用超声波传感器发出超声波信号，超声波碰到障碍物后反射回来，传感器收到回波，单片机通过对发射波和回波的查询，或利用发射波与回波触发中断，来开关定时器测出发射波和接收到回波的时间差 t，从而测出定点离障碍物的距离 ，v 为超声波测速。2/ts由于超声波指向性强，能量消
8、耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。并且超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。同时，本系统中移植嵌入式系统 uCOS-II，通过对系统软件和硬件的设计，使系统智能化，该系
9、统不仅单单应用与测试距离，而且把距离的具体数值显示在液晶屏上以及远程通信。22 系统优势分析及创新点2.1 系统创新点没有采用常用的非接触式测量介质，而是采用对环境的抗干扰能力强，测距范围广，测量精度较高，成本低的超声波, 超 声 波 具 有 传 播 特 性 ： 超 声 波的 波 长 很 短 ， 通 常 的 障 碍 物 的 尺 寸 要 比 超 声 波 的 波 长 大 好 多 倍 ， 因 此 超 声 波的 衍 射 本 领 很 差 ， 它 在 均 匀 介 质 中 能 够 定 向 直 线 传 播 ， 超 声 波 的 波 长 越 短 ，该 特 性 就 越 显 著 。 还 有 就 是 功 率 特 性 ，
10、 当 声 音 在 空 气 中 传 播 时 ， 推 动 空 气中 的 微 粒 往 复 振 动 而 对 微 粒 做 功 。以增强型 51 单片机为系统的控制中心，增强了信号处理方面的性能，可 对所 采 集 信 号 进 行 实 时 有 效 的 算 法 处 理 并 提 高 了 数 据 传 送 能 力 。本 系 统 中 移 植 了 嵌入式系统，嵌入式系统是一个控制程序存储在 ROM 中的嵌入式处理器控制板。该嵌入式系统是由单个程序实现整个控制逻辑。使用嵌入式系统便于液晶显示及远程通信，增加了传统测距仪器的测量精度。采用 ZigBee 无线通信技术，该无线网络技术是一种新兴的短距离，低功耗的无线通信技术，
11、它主要用于近距离无线连接，数据传输安全可靠。2.2 系统优势分析波速慢，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高。超声波对色彩、光照度、电磁场不敏感，适应范围广泛，并且超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，在一些恶劣的环境下具有独特的优点。提高计时精度，减少时间量化误差。时间采集芯片的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。移植了嵌入式系统 uCOS-II，使程序简单便于控制，增加测量精度。采用新兴的 ZigBee 无线通信技术，
12、 ZigBee 既支持星形结构网络，也支持对等拓扑的网格网络，该技术低功耗，数据传输安全可靠，可用于多种设备。33 本系统的推广前景及市场分析通常的倒车装置主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接受到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。感应器装在后保险杠上，以角 45 度辐射，检测目标，能探索到那些低于保险杠而驾驶员从后窗又难以看见的障碍物并报警，显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少危险距离。本系统利用超声波传感器测量汽车倒车过程中与危险物的距离，使测量尽可能的精确。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
