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1、超声波自动测距系统设计摘 要近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。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。据相关调查统计，15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。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。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以AT89C51单片机为核心利用超声波自动测距系统提醒驾驶员在倒车时有效的避开可能对倒车造成危害的障碍物
2、和行人，从而有效避免由于倒车造成的汽车碰撞或擦伤的经济损失和人身安全问题，具有较强的实用性。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。超声波的波长比一般声波要短，能透过不透明物质。本文在分析超声波测距系统原理的基础上，指出了设计测距仪的思路和所需考虑的问题，给出了实现超声波测距方案的软、硬件设计系统框图。关键词：超声波，测距，倒车雷达，AT98C51单片机DESINGOFAN AUTOMATIC RANGING SYSTEM BASEDONULTRASONICABSTRACTIn recent years, with the development o
3、f automobile industry and the improvement of peoples living standard, the number of cars is increasing year by year. At the same time, drivers without driving license are increasing. When reversing in the road, streets, parking, garage where is crowded and narrow, driver should be circumspect to avo
4、id rear-end collision. According to related statistics, 15% of motor vehicle collisions are cause by the poor of motor vehicles rear view capability. Therefore, car reversing radar system become a hot research topic in recent years. Accurate measurement between the obstacle and the car can avoid obs
5、tacles. Therefore, the design that AT89C51 microcontroller is the core of the ultrasonic ranging system can remind the driver to avoid obstacles and pedestrians. This method can reduce the economic losses and improve the personal safety. Ultrasound is the sound waves which frequencies above 20,000 H
6、z. It has good direction, strong penetrating ability and the ability to obtain more focused acoustic energy. Ultrasonic wavelength is shorter than the average acoustic. And it can penetrate opaque material. Based on the analysis of the principle of ultrasonic ranging system, we points out the range
7、finder design ideas and issues to be considered. we gives the realization of software and hardware design block diagram of ultrasonic ranging scheme.KEY WORDS：Ultrasonic， Ranging， Reversing radar，AT98C51 MCU / 目录前言1第1章 课题研究背景与意义31.1 课题研究的背景31.2 国外超声波测距系统的概况41.3 汽车倒车雷达的发展趋势41.4 课题研究的意义5第2章 超声波测距原理与方法
8、62.1 超声波的简介62.1.1 超声波的物理性质62.1.2 超声波对声场产生的作用62.2 超声波传感器的简介72.2.1 超声波传感器的结构82.2.2 超声波传感器的选择102.2.3 HC-SR04超声波测距模块的简介112.2.4 超声波测距原理132.2.5 发射脉冲宽度142.2.6 测量盲区142.3 本章小结16第3章 超声波测距系统的总体设计173.1 超声波测距系统的整体设计方案173.2 单片机应用系统概述173.3 单片机最小系统183.4 超声波的发射电路设计193.4.1 发射电路输出波形分析193.4.2 超声波发射器的注意事项203.5 超声波的接收电路设
9、计213.6 显示电路设计233.6.1 数码管的简介233.6.2 LED数码管的显示253.7 报警电路设计273.7.1 蜂鸣器的驱动273.7.2 发光二极管的驱动273.8 本章小结28第4章 软件设计294.1 系统程序结构294.1.1 初始化程序294.1.2 超声波发射接收程序304.1.3 外部中断子程序324.1.4 显示程序324.1.5 显示数据转换程序334.1.6 显示数据转换程序334.2 本章小结34第5章 安装与调试355.1 汽车雷达实物35图5-1汽车雷达实物355.2 汽车雷达的调试355.2.1 软件调试355.2.2 整机调试365.3 记录并分析
10、实验结果36结论38参考文献39致41附录42前言本设计的名称是超声波自动测距系统。主要是通过超声波系统与单片机来实现距离的测量，从而实现预先提示，减少倒车时的碰撞与事故。我做的是汽车用倒车雷达的设计，主要是使用单片机语言编程实现超声波测距系统与单片机之间的串行通信与显示汽车与障碍物之间的距离。在整个设计过程中要熟悉单片机芯片和超声波测距系统的工作原理以与所使用单片机的各个管脚与其功能。以上的这些都是在毕业设计期间所学的知识的利用。这不仅是对于本课题的设计与实现更是对于自己学习能力和动手能力的一次考验。倒车雷达（Car Reversing System）全称“倒车防撞雷达”，又称“泊车辅助装置
11、”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。它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，解除驾驶员泊车、倒车和启动车辆时因前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员克服视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。倒车雷达真正开始于轰鸣器，也就是第一代倒车雷达。我想很多人都不会忘记“倒车请注意！”这句话，因为现在多数普通车还在使用它。第二代则是采用数码波段显示，可显示后障碍物离车体距离的数码波段显示倒车雷达。第三代的液晶荧屏
12、显示较以前有了一个质的飞跃。紧接着的四代魔幻镜倒车雷达和五代整合影音系统更是结合了前几代产品的优点，在原有倒车雷达的基础上增加了很多功能。目前超声波测距系统主要是采用微处理器为核心，使用微处理器部的计时器计时，并结合温度补偿声速等处理手段提高测距精度。但由于超声波传播时间难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。由于微处理计时精度有限和硬件设计的束缚，现有超声波测距系统的围比较低。现有超声波测距系统不仅测量围有限制，且测量精度有限。超声波测距仪虽然原理简单，但是由于超声波测距受到许多外界因素制约，包括所测的超
13、声波传播时间和超声波在介质中的传播速度与环境温度等等，如何选择合适的方法提高精度是技术开发的重要瓶颈，国外的学者在提高超声波测距精度方面做了大量的研究。面对广阔的市场空间以与日益苛刻的测量要求。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。本系统采用时间差测距法。利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式可以表示为：L=CT式中
14、L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。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，并且还有较高的测量精度。因此，将超声波自动测距系统应用于实现无接触测距的倒车雷达系统具有很强的实用性。本设计要达到的主要技术指标：（1） 设计出超声波测距仪的结构电路。（2） 对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。（3） 对设计的电路进行分析。（4） 以数字的形式显示测量距离。在本次设计中，最关键的部份是硬件电路和软件设计，所以本文对这两个部分做了比较详尽的介绍。其
15、中硬件电路包括单片机的最小系统、超声波的发射与接受、报警电路和数码管显示。超声波的发射与接收电路的功能是为了检测到障碍物的距离；报警电路和数码管显示电路是为了更好的提示驾驶员注意，进而减少交通事故的产生。软件部份本文采用C语言编程，使用单片机的中断和计时功能，可以方便的实所设想的功能。第1章 课题研究背景与意义1.1 课题研究的背景自从1886年2月9日卡尔本茨发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近122年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以与人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。当今，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，它给人们带来方便快捷的同时，也出现了许多问题。如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引起的刮伤事件也越来越多，由此引起的纠纷也在不断地增加。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以在一定程度上帮助驾驶员扫除视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性，减少刮、擦事件。因此，提出了基于超声波测距的汽车用倒车雷达的设计。近年来
