数字超声波倒车测距仪设计.docx

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数字超声波倒车测距仪设计

数字超声波倒车测距仪设计

摘要

为了帮助汽车驾驶员实现安全倒车的目的，根据超声波测距的工作原理，采用51单片机系统及超传感器为硬件核心，声波采用单片机C语言编写程序，设计出一套具有实时超声波速度修正及可多方位进行检测扫描的超声波测距系统。

实现汽车在倒车过程中一旦接近有障碍物时，立刻自动报警并显示出汽车尾部到障碍物距离的功能。

关键词：

数字超声波；测距仪；倒车

Abstract

Inordertohelpthecardriverachievethepurposeofsafereversing,accordingtotheworkingprincipleofultrasonicranging,51single-chipsystemandsupersensorareusedasthehardwarecore,andthesoundwaveisprogrammedbythesingle-chipClanguage,andasetofreal-timeultrasonicspeedcorrectionanddesigncanbedesigned.Ultrasonicrangingsystemfordetectingscanninginazimuth.Whenthecarisapproachinganobstacleduringthereversingprocess,itimmediatelyalarmsanddisplaysthefunctionoftherearendofthecartotheobstacle.

Keywords:

digitalultrasonic;rangefinder;reversing

第一章引言

近年来,随着人们生活水平的提高、市场的繁荣，私家车、运输车及各种车辆与日俱增，汽车也就成为各地经济发展的中枢纽带，逐渐走入每个家庭。

在享受汽车给人们带来便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。

许多驾驶员在倒车时经常出现汽车被撞伤、划伤或撞人事件。

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。

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHz称为超声波，低于20Hz的称为次声波。

常用的超声波频率为几十KHz~几十MHz。

由于超声波指向性强，因而常于距离的测量。

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达到工业实用的要求，因此在移动机器人，汽车安全，海洋测量等上得到了广泛的应用。

本设计提供一种液晶显示测距装置，该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。

采用超声波传感器分时工作于发射和接收，利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。

为了解决类似的安全问题，基于超声波测距的原理,利用单片机技术设计了一种可以实现实时声速修正及多方位检测的测距仪,帮助车主准确了解汽车尾部周围的阻碍情况，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,解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高驾驶的安全性。

通常，倒车雷达可以通过不同的测距方式能很好的解决停车时因视线不清而造成倒车不便，主要采用的是超声波测距技术,挂倒档时接通倒车雷达的电源,利用换能器（超声波传感器）的压电特性，间断以频率40KHz的电压激发压电片,该压电片随即由电能转换成机械能（40KHz超声波）并发射出去，当发射出去的声波接触物体时,

根据声波的反射性原理，会反射回微弱声波信号给超声波传感器，换能器即将所接收的微弱声波振动信号转化成为电信号，经信号放大处理后,传送至微处理器，微处理器就可计算车与该物体之距离，并显示出来，再由微处理器判断决定是否对构成危险的目标按不同程度进行警示提醒[1]。

在近几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展：

第一代：

倒车时通过喇叭提醒。

“倒车请注意”第二代：

采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。

倒车时，如果车后1.8米～1.5米处有障碍物,蜂鸣器就会开始工作。

蜂鸣声越急,表示车辆离障碍物越近。

第三代：

数码波段显示具体距离或者距离范围。

第四代:

液晶荧屏动态显示。

第五代:

魔幻镜倒车雷达。

第六代：

整合影音系统。

是专门为高档轿车生产的。

整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。

1.1课题研究背景

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。

信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器相当于人的感官。

比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。

利用单片机控制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，并且测量精度较高。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的机械波，具有强度大，方向性好等特点。

超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：

液位、井深、管道长度、物体厚度等场合，测量精度为1cm。

测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定地显示测量结果，并且能解决一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷等问题。

因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。

对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。

1.2课题研究的意义

由于超声波在空气中波速较慢，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，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达到工业实用的要求。

因此超声测距广泛应用于倒车雷达、物体识别等方面，特别是应用于空气测距。

超声波测距利用声波反射原理，避免传感器直接与介质接触，是一种传统而实用的非接触测量方法。

与红外、激光及无线电测距相比，它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性。

在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响和指向性强的优点，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低。

但由于超声波传播时难于精确捕捉，温度对声速影响等原因，使超声测距的精度受到很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用。

第二章超声波测距仪系统总体设计

2.1超声波传感器简介

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。

常用的超声波频率为几十KHZ——几十MHZ。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：

横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。

在工业中应用主要采用纵向振荡。

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。

在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。

在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器[2]。

在进行程序编写之前，首先要做的工作是数字超声波倒车测距仪本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。

数字超声波倒车测距仪的基本功能就是对汽车尾部到静止物体的距离进行运算，并根据所测距离数值判断是否能够顺利完成车辆的倒车，并作出相应应。

数字超声波倒车测距超声波倒车测距仪俗称倒车雷达又称泊车辅助系统，一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于汽车车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经过控制器进行数据处理，判断障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

有的超声波传感器既作发送，也能作接收。

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。

小功率超声探头多作探测作用。

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。

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是不同的，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，特别是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产生失效。

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。

主要取决于制作工艺。

灵敏度高，发射功率就可降低，分辨率高，检测距离远。

目前，超声波传感器大致可以分为两类：

一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。

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。

在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。

压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，且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，这时即为超声波接收器。

2.2超声波传感器的检测方式

1、穿透式超声波传感器的检测方式

当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。

这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用100mm×100mm的方形板。

它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。

2、限定距离式超声波传感器的检测方式

当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。

若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。

若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。

若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。

3、限定范围式超声波传感器的检测方式

在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。

另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。

4、回归反射式超声波传感器的检测方式

回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。

若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。

另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。

超声波传感器是靠发射超声波信号，利用物体界面上超声发射来检测障碍物。

超声波在空气中传播并遇到其他媒介时，由于两种媒介的声阻抗不同而产生反射，因此可以根据分析检测到的反射波来获取障碍信息。

超声波发射器向某一方向发射超声波，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立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为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=340t/2。

为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：

v=331.4+0.61T式中，T为实际温度（℃），v的单位为m/s。

超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。

位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。

还有部分超声波传感器

采用对射式的检测模式。

一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。

位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关信号。

2.3超声波传感器系统的构成

超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图2-1所示。

发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。

除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。

控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。

对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。

另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。

超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为12～24V±10%，再经传感器内部稳压电路变为稳压电压供电传感器工作。

超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。

可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。

为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路。

2.4超声波测距仪的基本工作原理

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，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。

测距议的分辨率取决于对超声波传感器的选择。

超声波传感器是以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；而频率高分辩率也高，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。

超声测距是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾等恶劣的环境下都有一定的适应能力，因而超声测距可适合应用于汽车倒车提醒的场合中。

超声波是指频率高于20khz的机械波。

图2-2是超声波测距的基本原理图[4]，本测距仪的工作原理是通过温度的监测计算得到超声波在空气中的传播速度C，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间T，根据发射到接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

测距的公式表示为：

S=（C×T）÷2；式中S为测量的距离长度（单位为m）；C为超声波在空气中的传播速度（单位为m/s）；T为测量距离超声波传播的时间长度（单位为s）[3]。

本设计具有以下两大特色：

（1）超声波发射头采用以转动方式进行发射信号，以锅形天线来搜集返回的信号，以此方法实现了多方位的检测，避免检测汽车尾部环境时留下盲区。

（2）设计中采用数字式温度传感器实现对超声波测距系统的温度测量，对声速进行补偿修正，从而大大地提高了测量的准确度。

第三章超声波仪硬件设计与实现

单片微机超声波汽车倒车仪的硬件主要有4大部分，即超声波发射电路、超声波接收电路、单片机、距离数显与指示报警等。

图3-1为单片微机超声波汽车倒车仪系统原理图[5]-[6]。

功能键按下使MCU（微处理机控制器，俗称单片机）激发一个触发脉冲，发射电路工作应发射75kHz频率的方波，从而激励传感器产生超声波。

触发脉冲的宽度决定75kHz方波的个数。

接收电路接收到回波信号，经放大、检波、整形成为宽度小于触发脉冲的正脉冲。

MCU收到此脉冲（上升沿触发），则停止计数，计数器内的数值（再乘以机器周期1s）即为被测时间的2倍。

由S=（C×T÷2即可算得距离。

3.1超声波发射电路

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器分为两类:

一类是用电气方式产生超声波，包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；一类是用机械方式产生超声波，包括加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功能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型超声波发生器。

超声波发射电路原理图如图3-2所示。

发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志【7】。

3.2超声波检测接收电路

超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。

超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz毫伏级的电压信号,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断INT0。

一方面传感器输出信号微弱,同时根据反射条件不同信号大小变化较大,需要放大倍数大约为100到5000倍,另一方面传感器输出阻抗较大,这就需要高输入阻抗的多级放大电路,

这就会引入两个问题:

高输入阻抗容易接收干扰信号,同时多级放大电路容易自激振荡。

参考各种资料最后选用了SONY公司的专用集成前置放大器CX20106达到了比较好的效果。

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图3-3）。

实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

3.3LCD显示电路

LCD显示器是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向特性实现显示信息的。

液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低,显示内容丰富等特点在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。

液晶显示器按其功能可以分为三类:

笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。

前两种可以显示数字、字符和符号等。

而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形,达到图文并茂的效果。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。

它是由若干个5*7或者是5*11等点阵符位组成的,每个点阵字符位都可以显示一个字符。

点阵字符位之间,有一定点阵间隔,这样就起到了字符间距和行距的作用。

LCD显示内容包括倒车距离和车外温度两部分,分两行显示:

第一行显示倒车距离,第二行显示车外温度。

图5液晶显示屏与单片机接口电路

3.4语音报警电路

当倒车距离大于3m时，语音提示为“倒车安全”；当倒车距离在2－3m之间时,语音提示为“倒车”；当倒车距离在1－2m之间时,语音提示为“倒车小心”；当倒车距离在0.5－1m之间时,语音提示为“倒车危险”；当倒车距离小于0.5m时，语音提示为“非常危险,紧急停车”。

声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成，由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。

3.5超声波传感器

从图2.4-1超声波的发射电路上看还有一个超声波传感器。

它具有把电信号转化为机械信号，同时又能把机械信号转化为电信号的功能。

在设计中选择了压电式超声波发声器。

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中，它有两个压电晶片和一个共振板。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

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。

本文所采用的超声波传感器是T/R-40-16（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16表示其外径尺寸，以毫米计）。

3.6时钟电路

计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。

单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。

为了保证各部件间的同步工作。

单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。

要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。

因此选择了内部时钟方式。

利用蕊片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图1所示，外接晶振时，C1和C2值通常选择为30PF左右。

C1，C2对频率有微调作用。

晶体的频率范围可在1.2～12MHZ之间选择。

在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。

可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。

3.7复位电路

复位是单片机的初始化操作。

单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

因而，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来