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1、基于单片机倒车防撞报警系统设计XXX（XX 学院物理系， XX 253023）摘摘 要要 论文的内容是基于 AT89C51 单片机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 AT89C51 单片机结合于一体，设计出一种基于 AT89C51 单片机的倒车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特 点。本文采用一种简单易行的测距原理建立了防撞报警系统,具体分析了倒车防撞系统的设 计原理及各部分元件的设计方案，充分描述了超声波测距的原理及应用，并介绍了我国在 超声波测距的发展现状，不过还有一些无法避免的测量误差，还需日益俱进的科学发展加 以解决。
2、关键词关键词 AT89C51；超声测距；倒车防撞1 引言1.1 研究的目的和意义汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。汽车电子技术是汽车技术与电子技术想结合的产物。随着交通运输向高密度发展，电子控制技术又进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航等方面。电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全、舒适和方便。应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。近年来汽车的自动调速系统，主
3、动式汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用1。在过去 2030 年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全
4、性领域有较大的突破2。1.2 国内外现状基于 AT89C51 单片机倒车防撞报警系统由单片机内部系统，外部测距系统，报警系统等组成，其中外部测距系统设计是该设计的主要环节。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。超声波是一种震动频率高于声波的机械波，它具有频率高，波长短，绕线现象小，特别是方向性好，能够成为射线定向传播等特点3。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够达到工业实时要求，因此在移动
5、机器人的研制上也得到了广泛的应用。1.3 本文研究的主要内容论文概述了超声波检测的发展及工作原理，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，并且在超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体结构。设计了系统发射、接收电路，并对系统各设计单元的原理进行了介绍。并阐述了它们的工作原理。论文最后介绍了系统的软件结构，通过编程实现系统功能。2 超声波测距原理2.1 超声波传感器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。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型4。电声型主要有：1.压电传感器；2.磁致伸缩传感器；3
6、.静电传感器。流体动力型中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”。压电传感器属于超声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。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
7、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5。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6。图 2-1 压
8、电式超声波传感器结构图压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，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共振板，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7。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
9、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。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，金属壳可以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。2.2 超声波检测概述超声波是一种频率超过 20kHz 的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同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
10、分能量会反射8。利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，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。超声波在介质（固体、液体、气体）中传播时，利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在金属，非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验；在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底底层等；在人体中则可以协助临床诊断疾病（如肝脓肿、肿瘤、胆结石等）和
11、探测胎儿等。利用超声连续波的共振性质，可以测量高压容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性，可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动体时，利用多普勒效应，可以测量流速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，以进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换9。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。除此之外、声发射、声成像技术（包括声全息成像技术）的发展更大大丰富了超声检测的内容。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、
12、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。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围10。2.3 超声波测距的原理及实现超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种11。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一
13、方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：S=C*t/2=C*t0，其中，t0 就是所谓的渡越时间12。可以看出主要部分有：(1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路） ；(2) 使接收和发射隔离的开关部分；(3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；(4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；
14、 (6) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离.在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。13故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为 25KHz300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的
15、高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录14。2.4 超声波测距系统超声波测距系统结构如图 2-2 所示。图 2-2 超声波测距系统结构图电子市场常见的超声探头是收发分体式，一般频率为 40KHz。如果需要更高频率的 超声探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件，拟选用的探头是 40
16、KHz 的超声传感器，有一支接收传感器 SZW-R40-10P 和一支发射传感器 SZW-S40-12M，其特性参数如表 2-1 所示15。发射电路通常有调谐式和非调谐式16。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，发射出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够有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率 40KHz，这样才能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，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的时机就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害17。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决
