基于超声波测距仪汽车防撞系统设计资料Word下载.docx

基于超声波测距仪汽车防撞系统设计资料Word下载.docx

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1.1总体方案设计

本设计包括硬件和软件设计两个部分。

模块划分为数据采集、按键控制、

四位数码管显示、报警等子模块。

电路结构可划分为：

超声波传感器、蜂鸣器、

1

单片机控制电路。

就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所

以此系统也是单片机应用系统的一种应用。

单片机应用系统也是有硬件和软件

组成。

硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，

软件是各种工作程序的总称。

单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件

设计、软件设计等几个阶段。

系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元,当

测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。

然后控制蜂鸣器报警。

系统总体的设计方框图如图1所示。

电源

超声波传感器模块按键控制

STC89C52

4位数码管显

主

示模块

控

蜂鸣器报

制

器

警模块

模

块

图1系统方框图

2硬件电路设计

2.1主控制模块

主控制最小系统电路如图2所示。

2

图2最小系统

硬件电路总设计见图3，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：

STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用

电路。

其中D1为电源工作指示灯。

电路中用到3个按键，一个是设定键,一

个加键，一个减键。

图3总设计电路图

3

2.2电源设计

电源部分的设计采用USB供电。

2.3超声波测试模块

超声波模块采用现成的ＨＣ－ＳＲ０４超声波模块，该模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。

模块包括超声

波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：

采用IO

口TRIG触发测距，

给至少10us的高电平信号;

模块自动发送8个40khz

的方波，自动检测是

否有信号返回；

有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续

的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离

=（高电平时间*声速

（340M/S））/2。

实物如下图4。

其中VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四支线。

图4超声波模块实物图

超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：

IO口触发，给Trig口至少10us的高电平，启动测量；

模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；

有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/2，单位为m。

程序中测试功能主要由两个函数完成。

实现中采用定时器0进行定时测量，8分频，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：

ms）：

T=（定时器0溢出次数*（0XFF-0XCE））/1000其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。

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2.3.1超声波的特性

声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。

当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限（根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹）时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。

人的听觉范围如图

5所示。

图5人的听觉范围

超声波的特性有：

（1）束射特性

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。

即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。

（2）吸收特性

声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。

对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。

对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。

（3）超声波的能量传递特性

超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声

波具有强大得多的功率。

为什么有这么强大的功率呢?

因为当声波进入某一介

质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率

—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。

频率愈高速度愈大。

物资分子

由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速

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度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。

超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；

换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。

（4）超声波的声压特性

当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。

由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。

2.3.2超声波换能器

完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。

超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。

小功率超声探头多用作探测方面。

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。

由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个

探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。

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，特别时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。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高。

人类能听到的声音频率范围为：

20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频

率范围的声音，即20Hz以下频率的声音称为低频声波，20kHz以上频率的声音称为超声波。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。

为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。

另外，超声波在空气中的传播速度较慢，为340m／s，这就使得超声波传感器使用变得非常简便。

我们选用压电式超声波传感器。

它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷，是利用压电材料的压电效应来进行工作的。

逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；

而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器大体可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声

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波，一类是用机械方式产生超声波。

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。

目前较为常用的是

压电式超声波发生器。

图6超声波传感器结构

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，将机械能转换为电信号，这时它就成

为超声波接收器了。

如图6所示。

2.4超声波传感器原理

市面上常见的超声波传感器多为开放型，其内部结构如图7所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。

该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器。

谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。

另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。

利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可以将压电陶瓷

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用作超声波传感器。

图7超声波内部结构

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。

超声波的基本特性如下所述：

1．波长

波的传播速度是用频率乘以波长来表示。

电磁波的传播速度是3×

108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s（20℃时）。

在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。

正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。

2．反射

要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反射。

由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100％的超声波，因此我们可以很容易地