超声波测距应用

1、摘要分析了汽车倒车防撞系统的根本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的 问题， 较详细的介绍超声波测距系统以及根据该系统设计原理、方法和步骤，研制的 汽车倒车防撞报警器。这种报警器在汽车倒车过程中到达极限位置的时候，能自动检 测车尾障碍物的距离并发出声光警报，提醒司机刹车。本设计利用超声波传感器进行 信号的发射和接收，包括发射、接受以及报警电路三个局部。超声传感器的主要元件 是采用压电元件错钛化铅，具有很强的方向性，报警电路局部是利用声光报警器，将 信号传递之后，可实现声音报警，本设计利用国内生产假的通用元件，本钱低，性能 可靠。有利于推广。关键字：超声波，防撞，汽车倒车，报警器，传感器。目

2、录第1章绪论.31.1超声波检测技术开展综术 .31.2研究的目的及意义 .3第2章超声波测距.42.1超声波传感器的介绍.42.2超声波测距的原理及实现 .5第3章单片机的测距系统 .63.1单片机的选择.63.2超声波发射与接受电路设计 .73.3显示与报警单元方案设计 .173.3.1系统显示电路 .173.3.2系统才艮警电路 .183.4单片机复位电路 .193.5稳压电源.20第4章 系统的硬件及软件设计 .214.1单片机AT89C51介绍.214.2运算放大器 .244.3探头UCM介绍.254.4系统软件设计.254.5主程序.27第5章系统调试与优化.305.1发射器探头对

3、接收器探头的影响 .305.2补偿温度.30.5.3相关优化.31第6章参考文献.32第1章 绪论1.1超声波检测技术开展综述众所周知，关于超声波的研究起始于1876年，这是人类首次有效产生的高频声波， 这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损， 非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域的要应用，而用于汽车防装却是 近年的事情。这主要原因是传统的超声波传感器不能到达汽车行业的特殊要求。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的 生存手段，也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波，借助空气媒质传播由被 呆捕捉的猎物或障碍物反射回

4、来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性 质或障碍物位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比拟 容易检测，并且易于定位发射，方向性好，轻度好控制，因而人类采用仿真技能利用 超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非 接触式距离测量的方法。汽车倒车防撞测距报警器，是我国八五期间需重点开发的重大科研工程之一，也是汽车六大类汽车电子产品中的一种。以往的汽车倒车报警器可分为四大类，即嘀嘀声加闪光,音乐声加闪光，语言声加闪光和倒车至危险距离如015m时发出报警声的超声波 倒车报警器。本研究综合了第3、4类报警器各功能，并将第4类报警器加以改良

5、、发展,使其不仅可发出警告行人的语言声，而且还能在整个倒车过程中自动测量车尾与最近障碍物之间的距离，并用数字显示出来，在倒车至极限平安距离如016m时，会发出急 促的警告声，提醒驾驶员注意刹车。另外当蓄电池电压过低时，还会发出声光警告，提醒驾驶员及时充电，以保证仪器及汽车正常工作。1.2研究的目的及意义本产品一旦问世，可望成为驾驶员，特别是货及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效地减少或防止些后视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装厢车、圾车、食品车、载货汽 车、公共汽车等倒车交通事另外还特别适于夜间辅助倒车、倒车入库及进入停场停车 到位，甚至还能防止盗贼扒车。由于本仪器能多，本钱低廉，性能优良，目前处

6、于国内领先水又是国家八五重点开发工程，市场极其广阔，对高我国汽车电子工业水平 ，具有较大的实际意义。第2章超声波测距2.1超声波传感器的介绍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。电声型主要有：1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3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

7、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 装置的重要组成局部。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，锯酸 锂等，属于压电陶瓷的有错钛酸铅，钛酸彻等。其具有以下的特性：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，那么由于产生了应变就 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。传感器的主要组成局部是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲鼓励后产生振动， 即可发射声脉冲，是逆压电效应

8、。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。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。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

9、，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。图图2. 1压电式超声波传感器结构图压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，在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐

10、振频率一致。这样，超声传感器较高的灵敏度。当 所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就常方便的改变其固有谐振频 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 壳可防止外界力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 不影响与接收超声波。2.2超声波测距原理及实现超声波的指向性强，能量消耗缓慢，遇到障碍物后反射效率高，是测距的良好载体。测距时由安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波

11、的发射与接收，由定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在介质传 播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到反射波后立即停止计时。这样,定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s,所以发射点距障碍物之间的距离为：S=340 t/2=170 t(1)由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数，设计中时钟频率fosc取12MHz,设计数值N,那么压电晶片T机=12/fosc=1卬s,t=N T机=N X 10-6(s) S=170 X N X T机=170 X N/106

12、(m)或S=17X N/103(cm)(2)程序中按式(2)计算距离。 可以看出主要局部有： 供给电能的脉冲发生器(发射电路) ； 使接收和发射隔离的开关局部；(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；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。故在超声波测量中，常使用40KHz的

13、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局部组成，负责向传感器输出一个有一定宽度 的高压脉冲串，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/发隔离那么使接收装置避开强大的发射信号；记录 /控制局部启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时

14、，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。第3章单片机的测距系统.3.1单片机的选择单片机种类很多，根据本系统需要实现的功能，及够用、好用的原那么，本文选择功耗低、 性能高的A T89C51单片机。该单片机内含4 kB的可反复擦写的Flash只读程序存储 器和128B的随机存取数据存储器RAM。其具有40个引脚，32个外部双向输入输出I O端口，同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。 在编程方面,A T89C51既可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微 处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的F la sh存储器可有效地降低开发成

15、本。汽车倒车防撞报警系统结构3.2超声波发射与接受电路设计超声波发射与接收电路是整个系统的重要局部，因此确定一种好的设计方案关系 整个系统的精确性和平安可靠性。本文通过多种方案比拟，以到达最正确方案确定。设计方案一:信号返回发射接收电踏单片机控制器它启动振荡器，输出40KHz的高频信号，经整形及功放电路，加至发射换能器，发出40kHz的超声波。接收电路主要由回波放大接收及比拟控制电路组成，如图3.1所示。图3.1接收控制及接口电路初始，比拟器A1同相端已经通过调整Rr,使其电压略高于2.5V。因此A1应输出高 电平，但由于D1相位作用，A1输出低电平，即RS触发器的S =0, Q=1，亍=1,

16、 INT、=0。当P1.0发出启动信号，在A点形成正脉冲，经N1反相，耳=0, D1相位释放，X =1 , Q=0，函而=1正跳，T0计数器开始计数。脉冲过后，5=1 ,五=1,Q=0 ,=1。回波信号经放大滤波，送至比拟器AI的反相端，它是叠加在2.5V电压上的交变40kHz的信号。它的前沿使A1输出低电平。石=0，后=1 , Q=1，爪70 =0负跳，即获得负跳沿信号，CPU响应中断，T0计数停，计数值N1送存RAM。由于发射探头和接收探头都是平行放置且距离较近，发射探头发射超声波时，接收探头会引起强烈的感应信号， 因此必须将其隐去。 当P1.0输出启动信号，主控同步 脉冲加至比拟器A2时

17、，A2输出一个远大于2.5V的电压，经过D2降压后约为7.5V左 右，加至A1同相端，又C2的延退作用，A1同相端产生一定宽度和高度的方波，它的幅度和宽度均大于发射串扰信号，A1输出端即RS触发器的端仍为高电平，这样串扰由施密特振荡器和数字功放电路组成，由P1.0口发出的同步脉冲信号如图3.1。信号将被隐去。这段时间称为盲区，约2mso设计方案二：40KHz的超声波发送脉冲信号由单片机的P1.0口送出，发出一系列的脉冲群，每一个脉冲群的持续时间大约为0.5ms左右。信号经过三极管放大，再经过阻抗匹配电路即变压器变压器输入输出比为1: 10后，驱动超声波发射头，发射换能器两端就加上了高电压，内部

18、的压电晶片开始震动，经过压电换能器将发出40kHz的脉冲超声波。当超声波遇到障碍物时就会产生反射波，发射波返回到超声波传感器上，尽 管发射局部的脉冲电压比拟高，但是由回波引起的接受压电晶片产生的射频电压幅度 近距离有几毫伏，远距离还不到几毫伏，由于在较远距离的情况下，声的回波很弱， 因而转换为电信号的幅值也很小， 为此要求将信号放大6000倍左右。信号经过放大整形电路产生一个负脉冲信号，使单片机产生中断。在接收端第一级，要求其放大倍数为了C945这62倍左右，所以选择只三极管，到达了放大倍数。第二三级选用了一枚集成放大器NE5532,它集成了两个放大器，可到达预定放大倍数。 、rr、r 设计万

19、案二：1、 发射电路发射电路由555多谐振荡器和数字功率放大器组成。采用555多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节，并且电路设计简单占用面积小。如图4.2所示，由单片机.P1.口发出同步脉冲信号，该同步脉冲启动多谐振荡器，使其输出20KHz的高频电压信号，经过整形及功放电路加至超声波换能器探头，根据逆压电效应，产 生振动频率为20KHz的超声波。2、 接收电路接收电路主要由回波放大接收电路及比拟电路组成。如图3.3所示，首先调节可调电阻使比拟器A1同相端电位高于2.5V。由于D1输出低电平，而反相器N输出高电平，所以 有RS触发器的=0, =1,Q=1, =0当P1.0发出启动信号如图3.2中

20、的1所示经过微 分电路形成的同步脉冲信号通过反相器N的反相功能，=0, D1箝位释放=1, Q=0, =1正跳变，T0计数器开始记数，脉冲经过之后=1, Q=0, =1。回波信号经过放大滤波送至比较器A1的反相端，它是叠加在2.5V上的频率为20KHz的高频电压信号。如图3.2中的3所示，其前上升沿使A1输出低电平，=0, =1 , Q=1, =0(负跳变)即获得负跳沿信号，CPU响应中断请求，使T0计数器停止计数，记数值N送存RAM3、盲区干扰信号的消隐通常发射换能器和接收换能器都是平行放置且距离较近。当发射探头发射超声波时接收换能器接收到的第一个波是串扰直通波，也称泄漏波它是近源的波束旁瓣

21、或通过绕射由发射换能器直接到达接收换能器而造成的。因此，通常接收探头会引起强烈的感应信号。所以必须将其隐去，当P1.0输出启动信息，同步脉冲加至比拟器A2时，A2输出一远大于2.5V的电压，经D2降压后大约等于7.5V,加至A1同相端，由于C1延退作用，A1同相端将产生一定宽度和高度的方波，如图3.2中的(4)所示。它的宽度和幅度都大于发射串扰信号，A1输出端即RS触发器S端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去，这段时间称为盲 区，约2毫秒。- $- FLOWit同步信号同步信号(1)-(2) - N-同步脉冲信号同步脉冲信号13) -0-姗卜-同跋悟号同跋悟号U 2ms Y-(4) - - -

22、AJ同相端盲区消慰信号同相端盲区消慰信号r-SS-5) -爪冗爪冗 信号信号_. ._ _图3.2测距脉冲图图3.3超声波回波接收电路设计方案四：1、 发射电路发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由单片机P1.1口控制其是否工作。其电路图如图3.4所示。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传 感器。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉 冲变压器副边电压幅值。2、 接收电路接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设 计的好坏直接影响超声波在

23、空气中传播时间的测量。接收局部电路由检波电路、滤波 放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形 电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。 接收电路的主体是滤波放大电路。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。其电路如图3.5所示。图3.5中，R11、R12、C13、C14、R15和运算放大器AmplA组成了一级滤波放大电路；R21、R22、C23、C24、R25和运算放大器Amp1B组成了二级滤波放

24、大电路。图3.4发射局部电路图3.5一次和二次滤波放大电路发射接收电路中应考虑的各种问题：发射波形如图3.6,传感器的振荡波形要经过一段时间才能到达稳定状态，理论上信号的幅度时指数上升的，Q各周期后到达满幅度的95%, 1.5Q个周期后到达99%。为提高传感器的灵敏度，Q值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于Q个振荡周期，才能使发射幅度根本到达最大。考虑到测量“盲区，这里选 择脉宽为120 s,包含5个调制的44KHz的方波信号。暂态-息态一鼓励阶段-减幅振荡图3.6发射波形由文献3知，测距仪的发射波形如图3.6,在规定时刻将一持续时间为c的正弦 波加到传感器上，然后关闭

25、发射电路，翻开接收通道，接收来自障碍物的反射波。传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失，接收预 放大单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而到达最大 信噪比，以利检测单元的正确检测。如何到达信号的最正确接收关系整个系统的准确性和平安性，所以也应考虑到影响接收信号的各方面问题。在传感器接收到的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混 有杂波和干扰脉冲等环境噪声。室内环境中噪声主要集中在低频段，远离回波信号频 率，因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定，其功率谱宽度远大于接收

26、 机的通频带。我们可以近似的将其作为白噪声处理，根据已有知识，输入为信号 加白噪声的条件下，匹配滤波器的输出信噪比最大。匹配滤波器具有以下特点：(1)输出最大信噪比与信号波形无关(2)匹配滤波器对信号的幅度和时延具有适应性， 即对只有幅度和出现时间不同的信 号，它们的匹配滤波器是相同的。(3)匹配滤波器与相关接收和相关器具有等效性。实际上很难得到精确的匹配滤波器，由于单个射频脉冲的频谱是连续的，用普通的窄带滤波器就能把其主峰局部(w附近)滤波出来，适当的选择滤波器的通带宽度就能取得与匹配滤波器相差不多的效果。控制端 A1A0图3.7信号放大器原理图接收放大器的作用是放大有用信号， 并抑止其它噪

27、声与干扰， 从而到达最大的信噪 比， 以利于检测电路的正确检测。放大器组成框图如图3.7,采用三级放大电路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使输入信号功率最大。带通放大器选 择最正确时间带宽积，以到达匹配滤波的效果。模拟开关起收发隔离的作用。在测量近 距离时，模拟开关闭合，发射信号可以进入接收通道；测量远距离时，模拟开关断开，发射信号不可以进入接收通道。程控放大器分为2档，分别放大10倍和100倍，由控制端A1 , A0控制。综合以上四种方案比拟，最后确定超声波发射接收电路如图3.8所示。该电路简单实用，通过两极放大，增强接收信号，比拟适合本设计需要。测距 系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器

28、，他的工作电压是40kHZ的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHZ的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHZ的脉冲超声波，且持续发射200 s。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，原理和前方测距相同。图3.8基于AT89C51单片机的超声波测距系统发射接收电路由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0口产生40KHZ的脉冲信号，经三极 管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T ,产生超声波。接收头采用和发射头配对UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级

29、放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567 ,内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3,电容C4决定其锁定带宽。调解R8在发射的载频上，贝U LM567输入信 号大于25mv ,输出端8脚由高电平越变为低电平，作为中断请求信号， 送至单片机处理。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时， 接收电路输出端产 生一个负跳变， 在INTO或INT1端产生一个中断请求信号， 单片机响应外部中断请求， 执行外部中断效劳子程序，读取时间差，计算距离。发射电路电路图如图3.9所示:图3.9

30、系统发射电路9V的电源，R1=3.6K欧,R2=360欧,三极管T一个，鼓励换能器T40-16图3.10流程图当单片机AT89C51,通过P1.0这个I/O口,发送一系列的脉冲经过三极，从而使T40-16这个鼓励换能器发射出超声波。此电路由一个个。其流程图如图AT89C51单片机发射电路原理:管T进行放大3.10所示:接收电路如3.11所示:图3.12原理框图此系统为了全方位测距，故有左、右、中三个测距电路，其电路都相同。3.3显示与报警单元方案设计显示报警单元是经过超声波发射接收电路及单片机AT89C51处理后把信号转化为人为可以知觉的数字显示和报警响应，以进一步防止事故发生。显示报警电路由

31、显示和报警两局部电路组成，主要实现在出现紧急情况下的显示报警功能，以此提醒驾驶员。3.3.1系统显示电路显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差异仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的LED驱动输出设备。由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管表示距离的cm数值。在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器 常用两种驱动方式：静态显示驱动和动态显示驱

32、动。所谓静态显示驱动，就是给要点图3.11接收电路图其原理框图如下：怪收蹈rK阿波E10-1GX_芸大二尊器音黑谨四麻成&T豚5 I 单 片机亮的LED通以恒定的电流即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能 的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如 果要显示新的数据，再发送新的字形段码。因此，使用这种方法单片机中CPU开销小， 但这种驱动方法需要存放器、译码器等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，本钱也增加。而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个

33、显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。8155的P口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动PC口作为LED的位选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8段全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反相驱动器74LS06以提高驱动能力。图3.13系统显示电路3.3.2系统报警电路设计系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K,R26的阻值为10K。对于二级运算放大，都采用F007芯片.两级放大电路均是负反应接 法,即反相比

34、例运算电路.而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地.根据虚短和虚断的特点， 即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所谓虚短 是由于理想集成运放Au。-0。所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零， 即Uid=u_=u+0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短。而“虚断是由于理想集成运放的输入电阻Rid-/,故可以认为输入端不取电流，即i_=i+M.这样，输入端相当于断路，而又不是断开，称为“虚断。而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况称为“虚地。it!fU母母所以iI= S,iF=的，=

35、Rf，因为i_=0,iI=if,那么可得u0=-昼.uI故可将信号进行放大。F6图3.14系统报警电路 当单片机AT89C51通过P1.0, P1.1, P1.2三个I/O口，发射出超声波的信号，即输出 一个高电平给这三个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。那么信号经过三极管T1 , T2, T3进行放大。使电流到达T40-16的工作电流，从而发射出超 声波。当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信 号送给LM567的输入端，当LM567的输入端电流大于25mA时

36、，其8号输出引脚会 产生一个信号，使得单片机AT89C51产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机把计得的时间差进行运算，根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离，并把 运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。如果距离小于0.5m,那么单片机AT89C51便给P1.5口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。Fl.53.4单片机复位电路在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出 错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要

37、在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保 证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保 持高电平，那么单片机就循环复位。单片机复位电路通常采用以下几种方式：a、上电自动复位在通电瞬间，由于R2C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。切CC图3.15上电复位电路b、按键电平复位通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。c、系统复位在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这特别适合于应用现场干扰大、电 压波动大的工作环境，并且，当系

38、统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位 考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。3.5稳压电源大局部的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量， 而且对于我们 通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳 压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与 电子设备保持正常的工作。并且，我们目前绝大局部电子电路与电子设备都是使用线 性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电子电路及芯片工 作的。固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成，它的 稳压值为+5V,它属于CW7

39、8xx系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性也比拟好。由于固定式三端稳压电源(7805)的输出电流有1.5A，而本次设计电路电流在1A到2A之间，考虑到电 路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次设计电源电路需要采用扩流电路，如图3-17。Fl ICtsf图3-17第4章系统的硬件及软件设计4.1单片机AT89C51介绍AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kB的可反复擦写 的Flash只读程序存储器和128 B的随机存取数据存储器(RAM)，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MCS-

40、51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本钱。I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对I/O存放器进行编程。具体步骤如下：(1)根据实际电路的要求，选择要使用哪些I/O端口，用EQ

41、U伪指令定义其相应的存放器；(2)初始化端口的数据输出存放器，应防止端口作为输出时的开始阶段出现不确定状 态，影响外围电路正常工作；(3)根据外围电路功能，确定I/O端口的方向，初始化端口的数据方向存放器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为I/O的复位缺省值为输入；(4)用作输入的I/O管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能存放器为其内部配置上拉 电阻；(5)最后对I/O端口进行输出(写数据输出存放器)和输入(读端口)编程，完成对外围 电路的相应功能。INT0:产生中断请求，接前方测距电路。INT1:产生中断请求，接前方测距电路。P1.3:接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。P1.4

42、:接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。P0.0:用于显示输出，接显示器。P0.1:用于显示输出，接显示器。P0.2:用于显示输出，接显示器。P0.3:用于显示输出，接显示器。P0.4:用于显示输出，接显示器。P0.5:用于显示输出，接显示器。P0.6:用于显示输出，接显示器。P0.7:用于显示输出，接显示器。P2.7:接报警电路P2.0:接报警电路F=1 _O CZFM . 1 匚 Pl任 LPl .3 己 户S L：Ri S U i JBEZ R1 .7 LFIST 匚厂厂i L F3.1 A3WP-33尸3.4 F*3,B MaJB P3.740g4g34a93OMWTO1 13,08

43、13，14ST1 悴理勃1 TleNN伍20ND图4.1 AT89C51单片机芯片根据系统设计要求，各接口功能如下:P1.0:产生输出一个P1.1:产生输出一个P1.2:产生输出一个40KHZ的脉冲信号40KHZ的脉冲信号40KHZ的脉冲信号用于前方测距电路用于右侧测距电路用于左侧测距电路nnnnnnnnnnnnnnn=171 Al 1 )P N IO) Pa.1 (A9)-AN JO 70dB/V/ubar70dB/V/ubar外形尺寸争争16mm322.5mm争争16mm322.5mm温度范围20C +60 C20C +60 C相对湿度20 5C时达98%20 5 C时达98%使用考前须知

44、：两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动。不宜与腐蚀性物质接触。4.4系统软件设计汽车倒车防撞系统根据超声测距原理用AT89C51单片机开发设计。整个软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块 组成。根据系统的要求，系统软件应具有以下功能：(1)控制超声波发射、接收传感器的工作状态。传感器的工作状态因行驶方向的不同而不同，而且，探测距离时发射传感器还要依次轮流工作，这些功能需靠软件程序来实现。(2)根据汽车的行驶速度计算出倒车避撞的平安距离和报警距离。平安距离就是汽车自由停下所需的距离，这时需要的距离必然小于根据车速

45、确定的平安距离。比平安距离稍远些的是报警距离，设计的报警距离比平安距离长出1米。通过报警来减少不必要的停车。(3)测出超声波信号的往返时间，来计算出最近的障碍物与平台车的距离。 超声波从发 射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间 ，需要通过软件定时器来记录。 根据这个时间 才能计算出障碍物的距离。软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模 块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行 分析处理，根据处理结果断定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。当测得

46、距离小于预置距离时，声音报警程序被调用。主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模 式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序 送出一个超声波脉冲，为了防止超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms(这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因)后，才翻开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计一个数就是1 s，当主程序检测到接收成 功的标志位后，将计数器TO中的数(即超声波来回所用的时间)按式(3)计算，即可得被测 物体与测距仪之间的距离，设计时取20C时的声速为34

47、4 m/S那么有：d=(cxt)/2=172To/10000cm其中,To为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。4.5主程序主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完 成的，在此过程中主程序调用了子程序及中断效劳程序。程序首先完成初始化过程, 然后是一个重复的控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，而且每次发射周期 结束都会判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生了中断，即是否有回波产生来 判断程序得流程。流程图如图定用程序入口定用程序入口外部中断子程序外部中断子程序停止发射停止发射.-

48、4-f,_ !t_、图4.6主程序流程图、40kHz脉冲的产生与超声波发射在脉冲产生前先对定时/计数器T0进行初始化，在这里选择的是工作方式1定时器模式，所以TMOD应该设定为01H。接着用STEB TR0指令开启T0,在开启T0的同时开发发射超声波脉冲。测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。PUZEL : MOV 14H,#12H ;超声波发射持续200msHERE : CPLP1.0;输出40kHz方波NOPNOP升始升始定时器初始化定时器初始化发射捋声波发射捋声波1方臼呈方臼呈3YNOPDJZN 14H ,

49、HERERET前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，P1.0端口 输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T,发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。这里省略，只研究正对方向的障碍物。二、超声波的接收与处理超声波的接受是由外部中断口INT0是否有中断脉冲产生来判断的。定时子程序转回来的时候，要对中断进行初始化。选定的是INT0口，工作方式为脉冲方式。STEB EA;中断总允许STEBEX0 ; INT0中断允许STEBPX0 ;设置INT0

50、为高优先级中断STEB IT0;设置INT0为脉冲方式HERE : JMP$;等待中断接收头采用与发射头配对的UCM40R ,将超声波调制脉冲变为交变电压信号经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其定带宽。调节R8在发射的载频上， 贝ULM567输入信号大于25mV,输出端8脚高电平跃变为低电 平， 作为中断请求信号，送至单片机处理。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P

51、1接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断 优先级为先右后左局部源程序如下：RECEIVE: PUSH PSWPUSTACCCLRACCJNB P1.1,RIGHT;P1.1引脚为0,转至右测距电路中断效劳程序JNB P1.2 , LEFT;P1.2弓|脚为0,转至左测距电路中断效劳程序RETURN:SETB EX1;开夕卜部中断INT1POP PSWRET1三、数据读取和储存为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出T0计数器的计数值，然后储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理RECEIVE0 : PUSH PSWPUSHACCCLREX0 ;

52、关外部中断0MOV R7,TH0;读取时间值MOV R6,TL0?CL R CMOV A,R6SUBB A,#0BBH ;计算时间差MOV 31H,A ;存储结果MOVA,R7SUBB A,#3CHMOV30H,ASETBEX0 ;开外部中断0POPACCPOPPSWRETI四、计算超声波传播时间T0中读取出来的时间差数据并不能作为距离值直接显示输出，因为时间差值与实际的距离值之间转换公式为：S=0.5*V*T。其中，V为声音在常温下的传播速度，T为发射信号到接收之间经历的时间，在这个局部中，信号处理包括计数值与距离值换 算，二进制与十进制转换。第5章系统调试与优化超声波测距仪的制作和调试都比

53、拟简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线POPACC平行并相距48cm,其余元件无特殊要求。 假设能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来 那么可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电 容C的大小，以获得适宜的接收灵敏度和抗干扰能力。系统调试完后对测量误差和重复一致性进行屡次实验分析，不断优化系统使其到达实际使用的测量要求。5.1发射器探头对接收器探头的影响超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有局部波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送局部与接受局部的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在 从发射开始到虚假反射波结束的时间段里的信号。 这样,就有效的防止了干扰，但另一 方面也形成了20cm的“盲区。此“盲区很小，对本系统没有影响。5.2温度的补偿由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的速。在使用时，如果温度变化不大，那么可认为声速是根本不变的。如果测距精度要求很高，应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有对抗压缩和扩张的 弹性模量，气体对抗压缩