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1、- I -摘摘 要要随着社会经济的发展和交通运输业的不断兴旺，汽车的数量在不断的增加。交通拥挤状况也日益严重，撞车事件也经常发生，造成了很多不可避免的人声伤亡和经济损失，面对这种情况，设计一种响应快、可靠性高并且比较经济的汽车防撞预警系统显得非常的重要。超声波测距法是一种最常见的距离测量方法。本文介绍的就是利用超声波测距法设计一种倒车防撞报警系统。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 AT89S51 单片机结合于一体，设计出一种基于 AT89S51 单片机得倒车防撞系统。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
2、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。关键字：单片机，超声波测距，LED 显示，倒车雷达，第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 课题设计的目的和意义课题设计的目的和意义随着汽车的普及，越来越多的家庭拥有了汽车。交通拥挤状况也随之出现，撞车事件也是经常发生，人们在享受汽车带来的乐趣和方便
3、的同时，更加注重的是汽车的安全性，许多“追尾”事故都与车距有着密切的关系。为了解决这个安全问题，设计一种汽车测距防撞报警系统势在必行。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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，应用在汽车停车的前后左右防撞的近距离测量，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，
4、并利用 LED 显示出来，当到达一定距离时，系统能发出报警声，进而提醒驾驶人员，起到安全的左右。通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。该设计可广泛应用在生活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在 LED 数码管上。1.21.2 国内应用现状国内应用现状近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。与同类测距方法相比，超声波测距法具有以下优势：（1）相对于声波，超声波有
5、定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。（2）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，目前对超声波的精度要求越来越大。超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间，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。未来超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展。第二章第二章 总体方案总体方案2.12.1 本设计的研究方法本设计的研究方法本设计选用 TCT40-16T/R 超声波传感器。了解超声波测距的原理的，只有
6、对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，从而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED显示电路。2.22.2 系统整体方案的设计系统整体方案的设计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。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农业生产等自动化的使用要求。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方
7、面因素，本文采用 AT89S51 单片机作为控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。2.32.3 系统整体方案的论证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出传播距离。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；一种是发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
8、；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。2.42.4 超声测距原理超声测距原理2.4.12.4.1 超声波概述超声波概述超声波是一种频率超过 20的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同KHz样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求，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。超声波测量在国
9、防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。2.4.22.4.2 超声波传感器介绍超声波传感器介绍超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。流体动力型包括有气体和液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声波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波传感器称为探头，而工业中采用的流体动力型传感器
10、称为“哨”或“笛”。压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、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件，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。其具有下列的特性：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，只要对这种材料加以交变电场，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。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即
11、可发射声脉冲，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。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆向压电效应来工作的。超声波发生器内部结构如图 2-1 所示，它有两个压电晶片和一个锥形振子，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，并带动锥形振子振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当锥形振子接收到超声波时，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。图 2-1 压电式超声波传感器结构图一般常用的超声波传感器有两种：专用型和
12、兼用型。专用型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是一体的传感器，既可以发送超声波，又可以接收超声波。本设计选用的超声波传感器是专用型，其型号为 TCT40-16T 和 TCT40-16R，其中 40 表示传感器工作的中心频率为 40KHz,16 表示传感器的外径为 16mm，T 和 R 分别表示发射器和接收器。2.4.32.4.3 超声波测距的原理超声波测距的原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 ，根据计时器记录的时间
13、，发vt射点距障碍物的距离，如图 2.2 所示 H图 2-2 超声波测距原理图 2-2 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表示，由图可得：L(1)cosLH (2)HMarctan将式(2)带入式(1)得：(3)HMLHarctancos在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：(4)vtL 2式中： 为超声波的传播速度， 为传播时间，即为超声波从发射到接收的vt时间。将式(4)带入式(3)可得：(5)HMvtHarctancos5 . 0当被测距离 H 远远大于 M 时，式(5)变为：(6)vtH5 . 0这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射
14、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2。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 40左右的超声波在KHz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。第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。单
15、片机主控芯片使用 51 系列 AT89S51 单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。图 3-1：系统设计框图硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。单片机采用 AT89S51，系统晶振采用 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 P2.7 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，P3.5 端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单
16、实用的 3 位共阳 LED 数码管，段码输出端口为单片机的 P2 口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3 口,数码管位驱运用 PNP 三极管 S9012 三极管驱动。3.13.1 AT89S51AT89S51 单片机单片机AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。单单片片机机控控制制系系统统 （A AT T8 89 9S S5 51 1）超超声声波波接接 收收模模块块超超声声波波发发 射射模模块块供供电电单单元元显显示示模模块块。3.23.2 超声波测距的系统及其组成超声波测距的系统及其组成本系统由单片机 AT89S51 控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图 3-1 所示。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三
