超声波倒车雷达毕业设计-说明

1、超声波倒车雷达摘要随着社会经济的发展和交通运输业的不断繁荣，汽车的数量也在不断增加。交通拥堵越来越严重，车祸时有发生，造成大量不可避免的人员伤亡和经济损失。面对这种情况，设计一种响应速度快、可靠性高、经济性好的汽车防撞预警系统就显得非常重要。超声波测距是最常用的测距方法之一。介绍了一种采用超声波测距法的倒车防撞报警系统的设计。本文旨在设计一种基于超声波测距的倒车防撞系统。主要利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统与STC89C52单片机相结合，设计了一种基于STC89C52单片机的倒车防撞系统。该系统采用软硬件结合的方法，具有模块化和通用性的特点。本文概述了超声波检测的发展和基本原理，阐述了

2、超声波传感器的原理和特点。讨论了系统的一些主要参数，在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体结构。通过对发射和接收电路各种设计方案的比较，得出最佳设计方案，并介绍了系统各设计单元的原理。介绍了组成各系统电路的芯片，阐述了它们的工作原理。本文介绍了该系统的软件结构，并通过编程实现了系统功能。关键词:倒车防撞；超声波；测距；STC89C52，报警目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000528 1 引言1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000529 1.1 课题背景1 HYPERLINK l _Re

3、fHeading_Toc296000530 1.2 国应用现状1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000531 1.3 本课题研究的意义2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000532 1.4 本课题的研究方法2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000533 2 超声波测距原理2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000534 2.1 超声波检测概述2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000535 2.2 超声波传感器介绍3 HYPERLINK l _Ref

4、Heading_Toc296000536 2.3 超声波测距的原理5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000537 2.4 系统主框图与各模块电路6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000538 2.4.1 发射框图和电路图6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000539 2.4.2 接收框图和电路图7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000540 2.4.3 显示框图和电路图8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000541 2.4.4 单片机复位电路9

5、HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000542 2.4.5 时钟电路10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000543 2.4.6 超声波测距电路10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000544 3 芯片的介绍11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000545 3.1 系统主控芯片的介绍11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000546 3.2 CX20106A12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000547 4 系统软件设计

6、14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000549 4.1主程序15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000552 5 系统调试与误差分析19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000553 5.1 系统的调试19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000554 5.2 系统测量数据与误差分析19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000555 5.2.1 测量数据19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000556 5.2.2 误差分

7、析19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000557 5.2.3 针对误差产生原因的系统改进方案21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000558 6 系统设计与制作的问题与特点22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000559 6.1 多次反射问题22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000560 6.2 超声波传感器的盲区22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000561 6.3 可测障碍物的极限参数22 HYPERLINK l _RefHeading

8、_Toc296000562 6.4 测量距离与信号强度的关系22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000563 结论23 HYPERLINK l _RefHeading_Toc296000564 参考文献241导言1.1主题背景随着汽车的普及，越来越多的家庭拥有汽车。交通拥堵也出现了，撞车也经常发生。人们在享受汽车带来的乐趣和便利的同时，更加关注汽车的安全性。很多“追尾”事故都与车距密切相关。为了解决这一安全问题，设计一种汽车测距防撞报警系统势在必行。超声波因其指向性强、耗能慢、在介质中距离远等特点，常被用于测距，如测距仪、物位计等，都可以通过超声波来实现。超声波检

9、测往往快速、方便、计算简单。所以超声波测距法是一种非常简单常用的方法，应用于汽车停车时前后左右防撞的短距离测量。与汽车倒车防撞报警系统相比，超声波作为一种特殊的声波，具有声波传播的基本物理特性折射、反射、干涉、衍射和散射。超声波测距是基于它的反射特性。当车辆倒车时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并用LED显示。当它到达一定距离时，系统可以发出警报，从而提醒驾驶员发挥安全作用。1.2在中国的应用现状近年来，由于导航系统、工业机器人自动测距、加工自动化等的需要。自动测距变得非常重要。与同类测距方法相比，超声波测距方法具有以下优点:(1)与声波相比，超声波具有方向性更好、能量集

10、中、传播过程中衰减少、反射能力强等优点。(2)与光学方法相比，超声波速度更小，可以直接测量近目标，纵向分辨率高；对颜色、光照、电磁场不敏感，被测对象在黑暗、烟雾、电磁干扰、毒性等恶劣环境下具有一定的适应性。特别是在海洋调查中，具有独特的优势。(3)超声波传感器结构简单，体积小，成本低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。随着科学技术的飞速发展，超声波的应用将会越来越广泛。但就目前的技术水平而言，人们使用超声波的技术还是很有限的。所以是一个不断发展，前景无限的技术。超声波测距技术已经广泛应用于社会生活中。目前，对超声波精度的要求越来越高。超声波作为一种新型工具，在各方面都有很大的发展空间，它将

11、朝着更高定位、更高精度的方向发展，以满足日益增长的社会需求。未来，超声波测距技术将朝着精度更高、应用范围更广、稳定性更好的方向发展。1.3本研究的意义随着人民生活水平的提高和城市开发建设的加快，城市车辆数量逐渐增多，因停车不当引发的交通事故也日益增多。为了避免事故的发生，一种能够直观测量汽车与障碍物之间距离的装置就变得十分必要。能准确反映车辆与障碍物的距离，给驾驶员准确的信息和更多的反映时间，减少事故发生。通过本课题的研究，将所学知识应用于实践，不断创新进步。该设计可广泛应用于生活、军事、工业等各个领域。它要求设计人员对数字电和模拟电有较好的了解，并有一定的编程能力。综合运用所学知识，控制超声

12、波发射和接收信号，通过单片机程序对超声波信号进行分析、计算和处理，最终显示在led数码管上。1.4本课题的研究方法本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。要了解超声波测距的原理，只有一定程度的理论知识才能应用到实际操作中。根据该原理，设计了超声波测距仪的硬件结构电路。设计的电路分析可以产生超声波，实现超声波的发射和接收，从而通过超声波测距来测量物体之间的距离。设计一种基于单片机的超声波测距仪，包括单片机控制电路、发射电路、接收电路和LED显示电路。2超声波测距原理2.1超声波检测概述超声波是一种频率超过20的机械波。超声波作为一种特殊的声波，也具有声波传播的基本物理特性反射、折射、干涉、

13、衍射和散射。超声波具有指向性集中、振幅小、加速度高等特点。，可以产生很大的力，超声波的大部分能量会在不同的介质界面反射。超声波检测往往快捷、方便，易于实现实时控制，在测量精度方面能够满足工业使用的要求。主要应用于倒车雷达、建筑工地和一些工业现场，如液位、井深、管道长度等。超声波在固体、液体和气体中传播时，利用不同介质的不同声学特性的影响来检测物体并进行测量的技术称为超声波检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射特性检测金属和非金属中缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土等进行探伤。在水中，可以根据反射波探测潜艇和鱼群，还可以测量海底深度，探索海底下层。在人体内，它可以辅助疾病

14、的临床诊断和胎儿的检测。利用超声波连续性的共振性质，高压电容器、锅炉、船舶甲板等的厚度或腐蚀程度。可以测量，也可以做成机械过滤器。利用超声波的衰减特性，我们可以研究或测量材料的物理性质。当超声波击中运动的物体时，多普勒效应可以用来测量速度和流量，并检测心脏血管的脉动。如果用超声波作为载波来传输某些信号，就可以做成水下遥测仪，用于水中发信号。利用超声波在固体和液体中的传播速度远低于电磁波传播速度的特性，可以将超声波延迟线和存储器件与电视系统进行转换。也可以使用超声波检漏、液位、粘度、硬度和温度。超声波测量广泛应用于国防、航空航天、电力、石油化工、机械、材料等诸多领域。既能保证产品质量和安全，又能

15、节约能源，降低成本。与超声波光波、电磁波、射线探测相比，它最大的特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，以了解被探测物体的情况。该超声波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。近年来，由于微型计算机技术、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，突破了常规超声波检测的局限性，其应用范围进一步扩大。2.2超声波传感器介绍超声波传感器是一种能将其他形式的能量转换成所需频率的超声波能量或其他形式的同频率能量的装置。目前常用的超声波传感器有两种，即电声型和流体动力型。电声主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。水力汽笛包括气体汽笛和液体汽笛两种。由于工作

16、频率和应用目的的不同，超声波传感器有各种各样的结构和不同的名称。比如超声波传感器在超声波检测和诊断中一般称为探头，而工业上使用的流体动力传感器称为哨子或哨子。压电传感器是电声传感器的一种。探头由压电片、楔形体、接头等组成。它是超声波检测中最常用的实现电能和声能相互转换的传感器，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷。晶体如应时和铌酸锂，压电陶瓷如锆钛酸铅和钛酸钡。它有以下特点:这种材料放在电场中，会产生一定的应变；相反，当外力施加到这种材料上时，由于应变，在其部分会产生一定方向的电场。因此，只要对这种材料施加交变电场，就会产生交变应变，从而产生超声波振动。因此，可以用这种材

17、料制作超声波传感器。传感器的主要部件是压电芯片。当压电芯片被发出的电脉冲激励而振动时，可以发出声脉冲，这就是逆压电效应。当超声波作用在晶片上时，晶片受迫振动产生的形变可以转换成相应的电信号，这是一种正压电效应。前者用于超声波的发射，后者是超声波的接收。超声波传感器一般采用双电压陶瓷芯片。这种超声波传感器需要的压电材料少，价格便宜，非常适用于气体和液体介质。当向压电陶瓷施加大小和方向不断变化的交流电压时，压电陶瓷晶片会根据压电效应发生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内与所施加电压的大小和方向成正比。也就是说，在压电陶瓷晶片上施加一个频率为的交流电压，就会产生同频率的机械振动，推动空气

18、等介质产生超声波。如果超声机械波作用在压电陶瓷晶片上，会引起机械变形，这与超声机械波是一致的，机械变形会使压电陶瓷晶片产生与超声机械波频率相同的电信号。压电超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆压电效应来工作的。超声波发生器的结构如图1所示。它有两个压电晶片和一个锥形振动器。当一个脉冲信号加到它的两极，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片就会共振，驱动锥形振子振动，从而产生超声波。相反，如果两极之间不加电压，当锥形振子接收到超声波时，就会压迫压电晶片振动，将机械能转化为电信号，然后就变成了超声波传感器。图1压电超声波传感器结构图陶瓷晶片具有固定的谐振频率，即中心频率。当发射超声波时，施加

19、于其上的交流电压的频率应与其固有共振频率一致。这样，超声波传感器具有高灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷片的几何尺寸可以很方便地改变其固有谐振频率。利用这一特性，可以制作各种频率的超声波传感器。常用的超声波传感器有两种:专用型和两用型。特殊类型是发射器用来发射超声波，接收器用来接收超声波；两用传感器是指发射器和接收器是一体式传感器，可以发射和接收超声波。本设计选用的超声波传感器为特殊类型，型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器中心频率为40，16表示传感器外径为16，T和R分别表示发射器和接收器1。2.3超声波测距原理超声波发射器向某个方向发射超声波，同时开始

20、计时。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物，就立刻回来。超声波接收器在接收到发射的波后立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时间，发射点与障碍物的距离为，如图2所示。图2超声波测距原理在图2中，测量的距离是H，两个探头中心距离的一半用M表示，超声波单向传播的距离用表示，从图中可以得到:(1)(2)将公式(2)带入公式(1)得到:(3)在整个传播过程中，超声波传播的距离为:(4)其中:是超声波的传播速度，是传播时间，即超声波从发射到接收的时间。将公式(4)带入公式(3)得到:(5)当测量的距离h远大于m时，公式(5)变为:(6)这就是所谓的时差测距法。先测量从超声波发射到障

21、碍物返回的时间，然后乘以超声波的速度，得到声源到障碍物距离的两倍2。因为超声波测距是用来测量预期距离的，所以产生的超声波必须有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离。同时，获得足够的回波功率是必要条件。接收电路只有获得足够的回波频率，才能检测到回波信号，防止外界干扰信号的干扰。分析和大量实验表明，频率在40左右的超声波在空气中传播效果最好。同时，为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。2.4系统主要框图及各模块电路超声波测距系统的结构框图如图3所示。超声波发射超声波接收单一的块机器控制制造用具602液晶显示屏图3超声波测距系统结构框图在超声波测距系统的设计中，采用

22、超声波传感器作为测量器件，由单片机中的程序进行处理。最后，测量的距离值由LED数码管显示。超声波测距仪由单片机、超声波接收电路、超声波发射电路和数码管显示四部分组成。从系统的主框图来看，系统可以分为三个部分:2.4.1传输框图和电路图图4显示了系统传输的框图。超声波发射部分由发射调制电路和超声波发射探头组成。调制电路用于电流放大。主控芯片STC89C52发射调制电路超声波探头图4系统传输框图超声波在空气中传播的功率与频率成正比。通过对比分析几种常用超声频率的特点，最终确定频率为38.5。超声波发射电路主要由逆变器74LS04和超声波发射器t组成，74LS04用于增强驱动能力，使输出方波更加标准

23、。单片机口输出的38.5的间歇方波信号，当定时器开始计数时，通过一级反相器送到超声波发射器的一个电极，另一个通过二级反相器送到超声波发射器的另一个电极。通过在这种推挽模式下将方波信号添加到超声发射器的两级，可以提高超声的发射强度。输出端并联两个逆变器，可以提高驱动能力。上拉电阻和可以提高逆变器输出高电平的驱动能力，还可以增加超声波发射器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。超声波发射电路的原理图如图5所示。图5超声波发射电路2.4.2接收框图和电路图图6是该系统的接收框图。超声波接收探头接收反射回来的声波信号，放大后引入带通滤波器，再放大后引入比较电路，最后进入单片机进行处理。超声波接收探头增强电路

24、过滤波电路增强电路比较电路主控芯片STC89C52图6系统接收框图超声波接收电路采用CX20106A集成电路，对超声波接收器接收到的信号进行放大和滤波。是红外探测接收专用芯片，抗干扰性强，灵敏度高。超声波接收器将接收到的返回超声波转换成微弱的电信号，经CX20106A放大整形后输出。通过外接电阻，CX20106A的带通滤波电路的中心频率设置为40，可以接收并放大超声波信号，整形并输出。用CX20106A实现超声波放大整形，可以避免多级集成运算放大器组成的高增益放大电路的自激。超声波接收电路的原理图如图7所示。图7超声波接收电路2.4.3显示框图和电路图。图8是系统显示框图。单片机对处理后的反射

25、信号进行最后的数学处理，并将最终结果显示在数码管上。经处理的反射信号主控芯片STC89C52液晶盒显示图8系统显示框图显示器是典型的输出设备，应用极其广泛。几乎所有的电子产品都使用显示器，区别只在于显示器的结构类型不同。最简单的显示器可以用LED，比较复杂完整的显示器应该是CRT显示器或者屏幕更大的12864LCD屏幕。根据设计的实际要求，考虑到单片机的接口资源，采用1602液晶显示器。2.4.4单片机复位电路在单片机应用系统的工作中，除了系统的正常初始化，当系统由于程序运行错误或操作错误而陷入死锁时，为了摆脱困境，需要按下复位键重新启动。因此，系统的复位电路必须准确可靠地工作。单片机的复位由

26、外部电路实现。时钟电路工作后，只要MCU的RST引脚上出现超过24个时钟振荡脉冲的高电平，MCU就会实现初始化状态复位。为了保证应用系统的可靠复位，在设计复位电路时，RST通常保持在高电平。只要RST保持在高电平，单片机就会循环复位。单片机的复位电路通常采用以下几种方式: = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 通过外部复位电路的点电容充电实现上电自动复位。在电容器充电过程中，RST发出电流脉冲，使单片机复位。 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 系统重置。在实际应用系统中，为了保证复位电路的可靠运行，RC电路往往连接到施密特电路，再连接到单片机的复位端和外围电路的复位端。

27、适用于应用领域干扰大、电压波动大的工作环境，当系统有多个复位端时，能保证可靠的同步复位。 = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 按键电平复位，通过一个电阻将复位端与VCC电源相连来实现。考虑到本设计结构简单，干扰小，所以重置了键级。如图10所示。图10键级复位电路时钟电路时钟电路用来产生单片机需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步定时电路。为了保证同步工作模式的实现，电路要在唯一时钟信号的控制下严格按照时序工作。时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。XTAL1是连接到外部晶体管的引脚。在MCU中，它是反相放大器的输入，构成芯片振荡器。输出端为XTAL2引脚，连接到芯片外部的晶

28、振和微调电容，形成反馈电路，形成稳定的自激振荡器。通常，电路中的电容约为30，而晶体振荡器的频率范围通常为1.2至12，电路中使用12。晶体振荡器的频率越高，振荡频率越高。电路如图11所示。图11时钟电路超声波测距电路电路中，P1.0端口用于输出超声波传感器所需的38.5方波信号，外侧和中间端口用于检测超声波接收电路的回波信号。显示电路采用简单的1602液晶。STC89C52用于控制CX20106A的红外接收芯片和超声波转换模块。单片机通过P2.0引脚控制超声波通过变频器的发射。然后利用单片机的INTO，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时，就认为超声波已经返回。计数器记录的数据是超声波经

29、过的时间，通过换算可以得到传感器与障碍物的距离。该系统的特点是用单片机控制超声波的发射，并对超声波发射到接收的往返时间进行计时。芯片3介绍3.1系统主控芯片介绍选用STC89C52单片机作为系统的主控芯片。STC89C52包含8K只读Flash程序存储器和512字节随机存取数据存储器(ram)。40个引脚、32个双向输入/输出(I/O)端口，包括3个16位可编程定时器、2个串行中断、2个外部中断源和2个读写中断端口。性能优秀，性能好，因为串口是用来写的，所以写起来更方便更安全，不用担心烧坏芯片。STC单片机可以重复写10万次，是普通51单片机的100倍。STC89C52完全兼容AT89C51、

30、AT89C52、AT89S51、AT89S52，扩展性比AT89S52强很多。STC89C52的引脚图如图13所示:图13 STC89C52引脚I/O端口的编程实际上是根据应用电路的具体功能和要求对I/O寄存器的编程。具体步骤如下: = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 根据实际电路的要求，选择使用哪些I/O口，用EQU伪指令定义它们对应的寄存器； = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 初始化端口的数据输出寄存器，避免端口作为输出时初始阶段的不确定状态，影响外围电路的正常工作； = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 根据外围电路的功能，确定I/O端口的方向，并初始

31、化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口，可以忽略方向初始化，因为输入的是I/O的复位默认值； = 4 * GB2 * MERGEFORMAT 用作输入的I/O引脚，如果需要上拉，那么通过输入上拉使能寄存器为其配置上拉电阻； = 5 * GB2 * MERGEFORMAT 最后对I/O口进行输出(写数据输出寄存器)和输入(读端口)编程，完成外围电路的相应功能。4系统软件设计超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波产生子程序、超声波接收中断程序和显示子程序组成。c语言程序有利于复杂算法的实现，而汇编语言程序效率高，易于精确计算程序的运行时间。而超声波测距仪的程序不仅计算复杂(计算距离)，而且

32、需要精细计算程序的运行时间(超声波测距)，所以控制程序可以用C语言和汇编语言混合编写。在系统硬件中构建了超声波测距的基本功能后，系统软件实现的功能主要为实现系统功能和数据处理及应用，系统软件需要实现以下功能:(1)信号控制在系统硬件方面，完成了发射电路、接收电路和显示电路的设计。在系统软件中，要完成增益控制信号、发射脉冲信号、远近控制信号的定时和输出。(2)数据存储为了获得发射信号和接收回波之间的时间差，需要读取此时的计数器值，然后将其存储在RAM中。在每个传输周期开始时，计数器需要清零，以便进行后续处理。(3)信号处理存储在RAM中的计数值不能作为距离值显示输出，因为计数值和实际距离值需要通

33、过公式进行换算，其中t为发射信号到接收所经过的时间，为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，n为计数器的值。在这部分中，信号处理包括计数值和距离值的转换，以及二进制数和十进制数的转换。(4)数据传输和显示软件处理得到的距离送入LED数码管显示。因为距离值是在中断子程序中获得和显示的，所以在发射过程初始化后进入等待中断响应。中断响应后，经过计数值和距离值转换子程序以及二进制和十进制转换子程序后，显示并输出原始数据。整个系统软件功能的实现可以分为主程序和中断服务程序。4.1算法设计超声波测距的原理是超声波发生器T在某一时刻发出超声波信号，当超声波信号遇到障碍物后反射回来，被超声波接收器r接收，

34、这样只要计算出从发出超声波信号到接收到回波信号的时间，就可以计算出超声波发生器与障碍物之间的距离。计算距离的公式是:(6)其中，H是障碍物到测距仪的距离，S是超声波的往返距离，是超声波的速度，是超声波的往返时间。在启动发射电路的同时，启动单片机的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和接收反射波的时间。当接收到超声波反射波时，接收电路的输出端产生负跳变，在INT0或INT1端产生中断请求信号。MCU响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差并计算距离。4.2主程序主程序是单片机程序的主体，整个单片机系统软件功能的实现都在其中完成。在这个过程中，主程序调用子程序和中断服务

35、程序。主程序首先初始化系统环境，设置定时器T0的工作模式为16位定时器/计数器模式，设置总中断使能位EA，清零显示端口P0和P2；然后调用超声波发生器子程序发出超声波脉冲。为了避免超声波从发射端直接发射到接收端引起的直达波触发，需要延迟0.1(也就是超声波测距仪会有最小可测距离的原因)后，才开启外部中断0接收返回的超声波信号。由于使用了12的晶体振荡器，计数器的每次计数都是1，所以当主程序检测到接收成功标志时，根据公式(7)计算计数器T0中的数字(即超声波来回传播所需的时间)，就可以得到被测物体与障碍物之间的距离。当设计中将20时的声速取为344时，有(7)其中:是计数器T0的计数值。测量距离

36、后，结果将以十进制BCD码的形式送到数码管显示。图15显示了主程序的流程图。该过程如下#include#include #定义uchar无符号字符#定义uint无符号整数sbit beep=p14；/蜂鸣器sbit lcdrs=p10；/LCD数据命令选择端子sbit lcdrw=p11；/读写结束sbit lcden=p12；/启用终端sbit trig=p13；/超声波传输sbit echo=p32；/超声波接收uchar dis= 距离为:；uchar num= 0123456789 ；uint距离，flag，a = 0；无效延迟(单位z)uint x，y；for(x = z；x 0；x

37、 -)for(y = 121；y 0；y-)；void HC_init()TMOD = 0 x 09；TR0 = 1；TH0 = 0；TL0 = 0；uint HC_jisuan()uint dist，timea = 0；if(flag=1)时间= TH0 * 256+TL0；dist = time * 0.0172如果(距离 300)a = 1；如果(标志=0)dist = 0；return(距离)；void HC_run()EA = 0；trig = 1；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _(

38、)；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；_ nop _()；trig = 0；while(echo = = 0)；EA = 1；EX0 = 1；TH0 = 0；TL0 = 0；TR0 = 1；延迟(60)；TR0 = 0；EX0 = 0；void lcd_write_(uchar)LCD rw = 0；LCD RS = 0；延迟(10)；P0 =；延迟(10)；LC den = 1；延迟(10)；LC den = 0；void lcd_write_data(uchar日期

39、) LCD rw = 0；LCD RS = 1；P0 =日期；延迟(10)；LC den = 1；延迟(10)；LC den = 0；void lcd_init()延迟(10)；LC den = 0；LCD _ write _(0 x 38)；LCD _ write _(0 x0c)；LCD _ write _(0 x 06)；LCD _ write _(0 x 01)；无效lcd_display(uchar温度)uint I；LCD _ write _(0 x 80)；for(I = 0；i 16i+)LCD _ write _ data(disI)；如果(a=0)LCD _ write _

40、(0 x 80+0 x 43)；LCD _ write _ data(numtemp % 1000/100)；LCD _ write _ data(numtemp % 100/10)；LCD _ write _ data(numtemp % 10)；LCD _ write _ data( c )；LCD _ write _ data( m )；如果(a=1)LCD _ write _(0 x 80+0 x 43)；lcd_write_data(！);lcd_write_data(！);lcd_write_data(！);LCD _ write _ data( c )；LCD _ write _

41、 data( m )；void main()LCD _ init()；HC _ init()；while(1)HC _ run()；distance = HC _ Ji suan()；lcd_display(距离)；如果(距离 50)哔声= 0；P2 = 0 x 00；延迟(80)；P2 = 0 x ff；其他P2 = 0 x ff；哔声= 1；延迟(200)；void exter()中断0EX0 = 0；flag = 1；进入测量功能设置定时器溢出标志位定时器中断初始化开始发送耽搁T0溢出标志位被清除接收到的回声清除T0溢出标志。计算距离显示测量值图16测量功能流程图图5系统调试及误差分析5

42、.1系统的调试超声波测距仪的制作和调试相对简单，其中用于超声波发射和接收的超声波传感器的中心频率为38.5。安装时，两个传感器的中心轴线应保持平行，相距4 8，其他部件无特殊要求。如果超声波接收电路被金属外壳屏蔽，可以提高抗干扰性能。根据测量范围的不同要求，可以适当调整与接收机并联的滤波电容的大小，以移动合适的接收灵敏度和抗干扰能力。焊接完所有元件后，不要先通电，检查电路电源和接地是否因疏忽而短路。在确定电路没有短路后，不要先将芯片插入焊接好的IC插座，接通电路电源，检查电路中的元器件是否虚焊。确认每个芯片的电源和键脚正常后，就可以插上IC进行测试了。首先测试发射电路，用示波器观察超声波发射器

43、。负端为-10V DC电压，正端为方波信号，低电平电压为-10V，高电平电压为+10V，表示发射机正常。然后对接收机进行测试，改变程序使单片机始终能发射38.5的方波信号，接收机的正端始终有微弱信号，说明接收探头也在正常工作。硬件完成调试后，可以编译程序，下载到单片机上进行试运行。根据实际情况，我们可以修改超声波发生器子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以满足不同距离的测量需要。5.2系统测量数据及误差分析测量数据因为实验需要测量距离，所以在测试中，离墙的距离是在室内测量的，测量范围是9 250。当测量值与真实值比较时，发现两者之间总是存在一定的偏差。测量值和真实值之间的偏差保持在大

44、约1，并计算相对误差。表1显示了一组测量数据。表1测量数据真实值(厘米)五102030405060708090测量值(厘米)九102231414859708292相对误差(%)800103.32.5四1.702.52.2真实值(厘米)100110120130140150160170一百八190测量值(厘米)102111121129139152163172183194相对误差(%)20.90.80.80.71.31.81.21.72.1误差分析超声波测距已广泛应用于机器人避障定位、汽车倒车、水库水位测量等领域。因为它在重复使用中不受光照、电磁场、颜色等因素的影响，而且其结构简单，成本低。超声波测

45、距原理上包括脉冲回波法、谐振法和频差法。其中，脉冲回波法常用于测距。其原理是超声波传感器发射超声波，在空气中传播到被测物体。反射后，反射脉冲被超声波传感器接收，并测量超声波脉冲从发射到接收的时间。在已知超声波声速的前提下，可以计算出被测物体的距离H，即。因为温度影响超声波在空气中的传播速度；很难准确捕捉反射的超声波回波，从而很难准确测量超声波在空气中的传播时间。这些因素影响超声波测距的精度和范围。(1)温度对超声波速度的影响在空气中传播的超声波是机械振动产生的纵波。因为气体具有抵抗压缩和膨胀的弹性模量，并且气体抵抗压缩力的变化，所以超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受到气体的密度、温度

46、和分子组成的影响。其中，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波的传播速度时，必须考虑温度的影响。(2)超声回波声强的影响回波声强与被测物体的距离有直接关系。在实际测量中，并不一定是由第一个回波的过零触发的。这种误差不能从根本上消除，但可以通过根据测量距离调整脉冲组的脉冲数来比较电压和动态调整来减小。(3)电路本身的影响硬件和软件本身存在一些缺陷，会造成测量误差，主要表现为: = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 启动和启动时间之间的偏差。这是由于单片机一次只能处理一件事，所以启动发射和启动计时实际上不能同时完成。是先后完成的，有时间差。但只要指令速度足够快，

47、其偏差可以忽略。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 接收到检测到的延迟的回声。这是由于检测电路的灵敏度和判断偏差。从接收到实际回波到电路确认并输出相应的信号肯定是有滞后的，这与回波信号的强弱、检测电路的原理、判断电路的灵敏度有关，也是超声波测距的核心。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 接收中断和停止中断响应之间的延迟。这就是单片机的中断机制。MCU收到中断信号后，不能立即响应，至少要完成当前指令，有时还要等待其他中断服务结束，所以这个滞后时间是不确定的，导致测量结果的变化。但是，这个因素可以通过提高MCU的速度和使用高优先级中断来实现。 = 4 * GB3 * M

48、ERGEFORMAT 计时器本身的错误。这是定时器本身的原因。目前使用的大多是晶体振荡器，其稳定性和精度都在20-50 PPM的量级。至于声速，它的误差在mm量级，要减小这个误差，就要增加计时的最小单位，即选择频率高的晶振，以减小量化误差。同时选择质量好的晶振。(4)超声波速度入射角的影响超声波束的入射角也会影响测量数据。因为系统是用来测量点与平面的距离的，所以被测物体表面、超声波发射探头和接收探头之间存在一个几何角度，即发射波入射到接收探头上的角度。如果这个角度不是0度，那么系统测量的距离就是被测物体与接收探头之间的距离，而不是测量参考平面，这样会造成测量误差。(5)超声波传感器施加的脉冲电

49、压对测量周长和精度的影响。用于制作超声波传感器的材料有磁致伸缩材料和压电材料。由压电材料制成的传感器通常用于超声波测距。超声波传感器施加的脉冲电压的幅度将影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S和施加的电场强度E之间的关系为:(9)其中是应变电场常数。超声波传感器施加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变和超声波转换效率，进而影响超声波振幅。这些都会直接影响超声波的回波幅度。因此，为了提高压电转换效率和超声波测距的精度和范围，应该尽可能地增加超声波传感器的施加脉冲电压的幅度。5.2.3针对错误原因的系统改进方案在实际应用中，为了便于处理，超声波往往被调制成具有一定间隔的调制脉

50、冲波信号。测距系统一般由超声波发射和接收、微机控制和温度测量四部分组成。如何提高测量精度是超声波测距的关键技术。提高测距精度的措施如下:(1)合理选择超声工作频率、脉冲宽度和脉冲发射周期。通常，超声波测距的工作频率为40。一般来说，发射脉冲宽度应大于超声波在空气中传播周期的10倍。考虑到传感器的通带和抑制噪声的能力，发射脉冲宽度为1。脉冲周期的选择主要考虑微机处理数据的速度。(2)增益调节和自动增益负反馈控制环节串联在超声波接收回路中。由于超声波接收信号的幅度随传播距离的增加呈指数下降，采用增益调节电路使放大倍数随测距距离的增加呈指数上升，使得接收波形的幅度不会随测量距离的变化而发生较大变化，

51、电流负反馈环节可以使接收波形更加稳定。(3)提高定时精度，减少时间量化误差。如果采用片定时器，定时器的计数频率越高，时间量化误差引起的测距误差越小。比如单片机设置的定时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一。当晶体振荡器频率为6时，计数频率为0.5。此时空中测距时间的量化误差为0.68mm；当晶体频率为12时，计数频率为1，测距时间的量化误差为0.34毫米.如果采用外部硬件计时电路，计数频率可以直接参考单片机的晶振频率，时间量化误差更小。(4)补偿温度对声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，需要进行补偿。针对这种情况，可以在设计电路中加入温度补偿模块，降

52、低温度对声速的影响。6系统设计和生产的问题和特点6.1多次反射问题障碍物杂乱时，超声波有多次反射。在实验中，超声波传感器指向房间的一个角落，里面有杂乱的物体。超声波反复折射后，接收系统不断运动。此时对单次测距影响不大。当采用中断模式响应检测信号时，当侧边到达第一个脉冲的下降沿时中断关闭，后续的输入信号不响应。但对于连续测距，需要设置两次测距的时间间隔，在前一次发射的超声波基本衰减消失后，再开始下一次测距。6.2超声波传感器的盲区分立式超声波传感器的盲区主要是信号串扰造成的，发射的信号被接收探头感知，没有反射。超声波发射后立即造成接收探头误操作。如果此时计算从发送到接收的时间，就会得到误差值。在该设计中，窗口信号可以被添加到串扰信号，并且窗口信号是盲区信号。盲区信号可以通过软件延迟中断，传输后延迟一段时间，避开串扰信号后再中断。6.3可测量障碍物的极限参数根据波的衍射传播原理，当障碍物的距离小于半波长时，