超声波测距系统研究

1 超声波测距系统研究 目研究背景及意义 如今社会里，科学技术不停地朝着更加先进的方向发展着，而科学技术创新也为电子产业的发展注入了新元素，车载电子安全也进入了一个新的平台。如今各种类型的车辆设计中几乎都不可否认地会用到倒车雷达，以至于倒车雷达在汽车安全中所占的地位越来越高。 目前用在汽车的倒车雷达里面，大部分显示器件都是采用数码管或者液晶显示器，而报警部分往往都是用的蜂鸣器，控制核心几乎都是用单片机，本系统中选用的显示器件为 示器。 超声波测距扮演着越来越重要的角色，不论是液 位高度探测还是水平距离探测都离不开它。 在测距中往往要考虑到对象颜色和光线的影响，而超声波测距则不用考虑这些因素，因为它的检测方式为非接触式。并且同时还具有高可靠、不污染、少维护、寿命长等特点，所以相比其他的测距形式，超声波测距在高温、烟尘、气体腐蚀、湿润等低劣条件下更能优秀地完成工作。所以，在很多特殊环境的测距中，超声波受到了大多数人的青睐。同时，由于超声测试是一种相对快速、简单、计算量小的检测方法，而且易于实现实时控制试验物质，其测量精度可达到工业指标的实际要求。正是如此，汽车倒车雷达的制造过程中大多数 都用的超声波测距。 2 声波简介 人类所能接受的声波的变动范围是 2020且把这个频率段内的声波称为可听声波。对于这个频率范围内的声波，比这更低的称为低频声波，在这频段以上的声波，我们称其为超声波。超声波有一个特别之处，那就是沿着直线传播。它的绕射能力与频率呈现反比关系，其反射能力与频率呈现出来的又是一种正比关系。 它的特性有几个，分别可表述为：透射、聚束、反射及定向。将超声波与不同物质相互作用的各种效应以及超声波的传播特性加以利用过后，超声波传感器就被制作出来了。其以 检测迅速、计算简单、使用方便、精度高等优点而被广泛使用。 声波检测简介 通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播的时间，用软件程序部分来计算出距离。它的测量电路简单、精度高、反映速度快、可靠性好。超声波指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境影响和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量距离就可以解决传统测量方法中遇到的问题。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也能达到工业实用的要求。 计的内容 本设计是 一个以 片机为控制核心、以 声 3 波测距模块为检测元件的超声波测距系统。要求设计能够实现在 2m 内对距离进行检测与显示，并且如果检测到的距离值小于设定的值，系统就会进入报警状态。 文结构 论文的各个不同内容安排如下： 第 1 章：绪论。对超声波发展的背景及意义、超声波和超声波检测进行了阐述，最后是本设计的内容以及论文的结构。 第 2 章：总体设计方案。提出了本系统设计的总体方案，对超声波测距技术和测距传感器的种类分别进行了介绍，同时对超声波测距进行了分 析。 第 3 章： 硬件电路设计。在这部分里，对单片机和显示屏进行了分别的介绍，对硬件的各个组成部分进行了分析与设计，并且给出了各部分对应的电路图，最后是本系统总的硬件电路图。 第 4 章： 软件设计。软件设计部分一开始给出了本系统总的流程图，其后是各个部分设计方案与流程图，对每个部分分别进行了归纳与介绍，阐述了各子部分的运行方式。 第 5 章： 硬件性能测试。在这部分内容中，对本设计的实物进行了验证，给出了实物图以及不同距离下的测试情况，分析了本系统的一些不足之处以及出现误差的原因。 第 6 章： 设计的总结以及展望。这部分内容 中对本设计进行了总结，并在本次设计的基础上，对其发展做出了预想。 4 体方案 本次设计总体上包括两个设计部分，分别为硬件设计和软件设计。模块可从细划分为数据采集、数据判断、 示、报警等不同子模块。通路构造可划分成：主控电路，传感器和蜂鸣器的搭建的电路。单片机在本次设计中作为中心单元，此系统是单片机的应用。以单片机为控制核心的系统中，构成部分共有两块，其为硬件和软件。硬件中包括有单片机、输入 /输出设备（ I/O）以及外围应用电路等。软件是各种工作程序的总称。 在单片机应用系 统的研制过程中，有几个不同的阶段，分别为总体设计、硬件设计、软件设计等。 系统通过调用不同的子程序来对距离进行检测、计算分析、显示或者报警。 系统的控制核心部分采用的是 检测部分采用的是 示部分则是用了 晶显示屏，声光报警采用的是蜂鸣器和红色指示灯。一次距离检测完毕过后，中断停止工作，单片机对检测得到的距离值进行计算，然后通过中央处理器将传感器检测得到的距离大小与事先设定好的值进行对比，对比过后如果处理器判断出距离大小值如果大于 1m 而小于 3m，此时 红色指示灯就会开始工作，发出红色灯光报警信号。如果检测得到的距离小于 1m，则控制蜂鸣器报警，并且 会实时显示距离值。 图 本次系统方框图。 5 图 声波测距技术 声波的特性 （ 1）吸收特性 超声波在介质中传播时，它的强度会慢慢地不断降低。究其原因是因为这些介质要收取掉超声波的部分能量。声波在同样的传播介质中传播时，介质的能量吸收能力大小与声波的频率反应的是一种正比例关系。一定频率的声波在传播过程中，不同类型与性质的介质对声波能量的吸 收程度大小也不尽相同，甚至可以说是完全不一样。从大的方面来讲，气体介质吸收能力最大，液体介质吸收能力次之，固体介质的吸收能力最低。同种类别的介质，如果构成的成分不一样，吸收能力也会随之不一样。 （ 2）束射特性 超声波的波长比较短，和光线一样具备反射、折射和聚焦的能力， 6 并且适用于所有几何光学定理。意思就是说，当超声波在传播过程中，与物质的接触面接触过后，就会产生“反射”的情况，角度大小满足入射角等于反射角这一特点。当光线进入不同密度物质而发生折射时，超声波传播方向将发生变化，折射率会随着两种介质的密 度差的增大而增大。 （ 3）能量传递特性 当超声波进入到某一种类别的介质中时，组成这种介质的物质中所含的分子会随着声波的传播而出现抖动的情况，这些分子抖动的频率和声波的振荡频率大小相等。这是出于声波的作用而引起的。物质分子因为抖动而获得的能量不仅同分子的振动速度的平方有关，同时也与分子本身质量的大小有关。虽然如此，前者却是占了主要部分。所以如果某一种声波的频率越高，那么它进入的物质的分子就能得到更大的能量。超声波可以使分子有更大的能量，这是因为它的频率比其他声波都要高。 （ 4）超声波的声压特 性 当声波进入一种物质时，由于振动的关系，因此，分子将在彼此之间出现拉伸和压缩的情况，较声波进入之前，物体就会出现压力差。我们将这种由声波振动而引发额外压力的现象称为声压效应。 于声波的衰减 因为超声波是以直线传播的方式在材料中传播，也就是说，如果材料的内部构造紧凑、那么超声波在这种材料中的传播方式永远都不会出离直线传播的形式。反之，超声波传播时就会出现 3种不同的情 7 况。 第一种：一部分波会直到把能量全部用完之前，都以直线的方式传播。这些能量被消耗殆尽，究其原因是因为波与构成材料的 物质发生摩擦生成了热量，在术语上把这种情况称呼为吸收。 第二种：另外一部分波与构成材料的物质粗颗粒碰撞之后出现了散射。这种情况下大部分都是直接在材料内部就把能量用完了。由于超声波散射的一些基本规律不能确定，所以无法用通过计算的方法来计算出超声波散射的相关参数。 第三种：最后还剩下的声波出现扩散的情况。扩散是波在传播中的一种正常的能量衰减存在方式。波基本上一直都在进行着扩散，这种说法从理论上来讲完全成立，即便就是介质均匀也依然如此。从这种层面上来讲，波在扩散的过程中，其分布在单位面积上的声能会随着 传播距离的增加而逐渐减弱。 超声波传播的过程中，它的能量会跟着传播距离的不断增加而慢慢降低。扩散、散射和吸收这三个负面影响在很大规模上直接影响着声波的能量衰减的大小度。声波在最优的介质中传播时，其能量的衰减大部分都来自于扩散的原因。意思就是说，声波在传播过程中，它的距离会不停地增加，正是这个原因，所以在单位面积上声能会慢慢减弱。 检测分辨力和测量精度二者与频率的高低呈正比关系，频率越高，检测分辨力就越高，测量精度也就越高。由此，往往都只有超声波被用在实践之中，而其他类型的声波则没有被采用。 8 在使 用上可将声波技术分为两个类型：一是超声加工与处理技术，即功率超声使用。二是超声检测技术，即超声检测。就仅仅以超声波而言，它并不起什么作用，超声应用必须借助于超声探头来产生和接收超声波，并运用超声波的传播特性以及超声波和介质之间彼此影响的各种效应，才能够达到应用的目的。 直到现在，超声波技术已经被广泛使用在不同的行业，其中包括有：钢铁冶炼、船舶制造、机械加工、医疗器材等。使用的类型也多种多样，比如超声探伤，超声清洗，超声焊接等。并且超声波的各种测量和医学超声技术已经在社会效益和经济效益等方面有了较大的斩获。 声波测距分析 在所有超声波测距的探测方法中，回声探测法是用得最多的一种方法。超声波发射器朝着某一方位将超声波发送出去，在发送的那一刻计时器开始工作。超声波在传播途中会遇到障碍物，在与障碍物出现接触的那一刻，超声波会出现反射的情况，而超声波接收器随时都在对回波进行探测，一旦收到回波时计时停止。已知超声波在大气中的传播速度为 340m/s，然后根据计时器记下来的时间 t，发射点和障碍物之间的距离 算公式为： S=340t/2。 超声波的传播速度 v 与温度息息 相关。有一种情况下可以近似认为超声波在介质中的传播速度基本保持恒定，那就是传播介质的温度波动范围很小的时候。如果对测距精度要求很高，则一般要对测量的结果采取数值校正，所用方法多为温度补偿法。当传播速度确定后 , 9 只要把超声波往返一次的时间计算出来，就可以求得距离。测距的原理如图 示： 图 声波的测距原理 令 L 代表两探头之间中心距离的一半值，有公式（ 2 (2 （ 2 )( （ 2 又已了解到超声波传播的距离计算公式 : 2/ （ 2其中 :v 为超声波的传播速度； t 为超声波往返一次所需要的时间。 将（ 2 2）、（ 2 3）代入（ 2得到计算公式如 (2 c 21 ( 2其中 ,超声波的传播速度 v 基本上保持为某一个 常数不变，当然，这是建立在温度也不变得基础上。假设需要测量的距离 要 10 大出许多时 ,则公式 (2 4)要更改为 : 1 (2 也就是说 ,如果测量出超声波传播的时间 t,就可以测量出与障碍物之间的距离 H。 距传感器的种类 （ 1）微波传感器。微波传感器是一种新的非接触式传感器。微波也从属于电磁辐射的范畴，它具备了电磁波的一切特性，介于红外线与无线电波之间。微波传感器不仅仅在军事科技方 面有着普遍的应用，同时在通讯方面也有一些应用； （ 2）激光测距传感器。利用激光强方向性和良好传光性的特点制作而成的传感器。其优点在于它的测量精度大、测量范围广、并且还可以快速地对很远的距离进行探测。缺点是会对人体造成危害，而且研制难度大； （ 3）红外线测距传感器。优点是价格不算高，工艺不复杂，用起来也很安全和方便，然而测量距离近，精度低是它的主要缺点； （ 4）超声波传感器。根据工作原理的不同可将超声波传感器分为几大类别，分别是压电、电磁、磁致伸缩等。其中压电超声换能器是最常见的，所使用的探 针是一种压电陶瓷材料。它是根据压电效应的原理工作的。逆压电效应时将电振动转换为与之频率相等的高频机械振动，于是超声波出现了。当正压电效应时，超声波振动又被转换为一电信号，这个时候作为一个接收探头。压电式超声波传感器制造部件有压电晶片，保护膜，接收块以及引线和其他各种部件。为了拥有 11 导电极板，于是在压电晶片的两边各镀有银层。减少机械品质并且吸收声波能量就是阻尼块的主要职能。当在传感器两极处加上一个与压电晶片的固有振荡频率相等频率的脉冲信号时，压电镜片将会发生振动，产生超声波。相反地，如果没有外电压施加在两个电极 之间，一旦收取了超声波，压电晶片就会出现抖动动作，把机械能转换成与之对应的电信号，此时作为接收器使用。 图 声波传感器结构 我们习惯上把完成超声波的产生和接收功能的装置称为超声波换能器，当然，在有些时候也习惯性地称作超声波探头，其实就是超声波传感器。它的两个探头的主要构成部件是一种压电晶片，超声波可以被发射和接收。 它有许多不同的结构，可以分为表面波探头（表面波检测）、兰姆波探头（兰姆波检测）、线性探头（纵波检测），斜探头（横波检测）、双探头（一个发射、一个接收）等。 不同类型的材料可以生产出不同性质的晶片，方式多种多样。由 12 于不同晶片的参数不一样，因此每个探头的性能都大相径庭。 声波传感器的主要性能指标 （ 1）工作频率。压电晶片的共振频率。如果产生的能量以及它的灵敏度都达到了最大的话，就证明此时加至晶片两端的电压频率跟晶片本身的共振频率大小值一样； （ 2）工作温度。相对较低，因而可以工作很长的时间而不会降低性能甚至出现损坏； （ 3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。如果机电耦合系数较低，那么也只能拥有较低的灵敏度。 13 源设计 电源采用 片机 司生产的一种 微控制器，这种控制器的性能很高，并且同时还具有很低的功耗，不仅如此，该控制器还拥有着存储空间为 8K 的系统可编程 储器。 使用内核的基础上，有一些改进，添加了其他控制器不具备的性能。 该单片机具有以下标准功能： 32 位 I/O 口线，内置 4位电路， 8k 字节 512 字节 4 个外部中断， 3个 16 位定时器 /计数器，看门狗定时器，一个 7 向量 4级中断结构，全双工串行口。另外 降至 0态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下， 止工作，允许 断、串口、定时 /计数器继续工作。掉电保护情况下，将会保存 会冻结振荡器，同时单片机也会停止工作，直到下一个中断或硬件复位后再继续工作。最高运作频率 356T/12T 可选。 外观图，图 图。 图 14 0)1)R)D)脚图 1I/O 口， 9 脚：复位脚（ 10： I/ 0， 1， ； 18：晶振（ 18=19= 20 脚：地（ 21： I/（ 29 脚：外部程序存储器的选通信号输出引脚； 30 脚：地址锁存使能信号输出引脚编程脉冲输入引脚； 31 脚：内外存储器选择引脚 /片内 程电压输入引脚； 32： I/（ 40 脚： +5 15 其中 I/O 口总数为 32，当复位时， 开漏输出，如果作为一个总线扩展，没有上拉电阻。但是如果是当作 I/O 口来用，就需要上拉电阻，在本设计中用到的上拉电阻的阻值是 10 K 。 602示屏 1602液晶显示屏也称作是 1602字符型液晶显示屏，它被专门用于显示符号、数字和字母等，从属于点阵型液晶模块。点阵字符型液晶显示器可以根据显示容量的大小分为 1、 2以及 2几个 5 5点阵字符位构成，每行之间有间距，位与位彼此之间也有间距间隔，每一位可以显示一个字符点阵字符，可以显示两行，每行 16 个字符。图 外观图，图 脚图。 图 602 16 1 脚：地（ 2 脚： +5V 电源； 3 脚：对比度调整端。接电阻或者或者接地，基本上选择接地，此时对比度最高； 4 脚：寄存器选择端。高电位为数据寄存器，低电位则是命令寄存器； 5 脚：读写选择端。高电位时状态为读，低电位时状态为写； 6 脚：使能端。高电位时读取信息，由高电位负跳变至低电位时执行指令； 78位双向数据端； 15：背灯电源。 成硬件有几种，分别是驱动器 制器液晶板。 一种特别典型的液晶显示控制器，它集合了控制功能与驱动功能与一身，可驱动单行 16 字符或 2 行 8 字符。但是面于 2 行 16 字符的显示时就显得有点苍白无力，所以这种情况下就要增加 动器。 自定义字符发生器符发生器 显示缓冲区 其组成图如图 示。 17 图 存储了各种各样各种不同类型的点阵字符图形，其 数目总和有 160 个之多。这些字符中包括有数字字符、英文字母的大小写字符、常用的符号和日文字符等，每一个字符都配有一个与之相对应的固定的代码。 声波测试模块 设计中的超声波模块为，这种模块具有非接触式距离感测功能，可检测的距离范围是 2而且测距精度可达高到 3块含三个部分，分别是超声波发射探头，超声波接收探头与控制电路。 基本工作原理： (1)采用 I/O 口 发测距，最少给 10 的高电平； (2)模块自动发送 8 个 40方波，并且自动检 测是否有信 18 号返回； (3)如果检测到有信号返回，则通过 I/O 口 出一个高电平，而高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。 超声波模块实物如图 图 声波模块实物图 其电气参数如下： （ 1）工作电压： V； （ 2）工作电流： 15 （ 3）工作频率： 40 （ 4）最远探测距离： 4m； （ 5）最近探测距离： 2 （ 6）探测角度： 15； （ 7）输入触发信号： 10 s 冲； （ 8）输出回响信号：输出 （ 9）规格尺寸： 45*20*15 控制模块 图 单片机主控电路图。 19 0)1)R)D)000图 单片机主控电路 单片机是 用按键复位，接到单片机的第九引脚，即 位端。晶振电路接到单片机的 个引脚上。当复位的时候， 开漏输出，如果作为一个总线扩展，没有上拉电阻。但是如果是当作 I/O 口来用，就需要上拉电阻。而上拉电阻一般都是一端接电源 ，一端接芯片的管脚。主要目的就是在电路驱动器关闭的时候给线路一个固定的电平，同时起到一个限流的作用。在本次设计中， 用于接 1602示屏，所以这个时候 ，需要加一个上拉电阻， 在本设计中用到的上拉电阻的阻值是 10 K 。 钟电路的设计 时钟信号通常由两种方式产生，一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。若是采用内部时钟方式，只要在单片机的 0 引脚外接晶振即可。而外部时钟方式则是把外部已 有的时钟信号引入到单片机内，这种方式多用于多片单片机同时工作，并要求各单片机同步运行的场合。 别是反向放大器的输入以及输出。可以通过采用陶瓷振荡或者石英晶体振荡的方式来把反相放大器配置为片内振荡器。如果采用外部时钟源来驱动器件，那么就不接脚。实际应用中通常采用外接晶振的内部时钟方式，晶振频率高一些可以提高指令的执行速度，但相应的功耗和噪声也会增加，在满足系统功能的前提下，应选择低一些的晶振频率。本系统选择产生时钟信号的方式为外接晶振的内部时钟方式。 因为一个机器周期含有 6 个 状态周期，而每个状态周期为 2 个振荡周期，所以一个机器周期共有 12 个振荡周期， 假如 外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12个振荡周期为 那么 一个机器周期 就 为 1 s 。 如图 示为时钟电路。电容器 2C 和3容值在 530间，晶振 振荡频率要小于或者等于 12设计中选用的电容的值为 20 晶振频率为12 00钟电路图 21 位电路的设计 复位是使单片机或系统中的其他部件处 于某种确定的初始状态，单片机的工作就是从复位开始的。当单片机的 脚加高电平时，单片机内部就执行复位操作。当加的是低电平时，单片机开始执行程序。复位方法一般有两种，一种是上电式复位，一种是上电与按键均有效的复位。 对于上电式复位，要求是接通电源后，单片机自动实现复位操作。在上电的瞬间 着电容 1C 的充电， 脚的高电平将逐渐下降。 脚的高电平只要能保持足够的时间，单片机芯片就会循环不断地进行复位 。按键与上电均有效的复位原理和上电式一样，另外在单片机运行期间，还可以利用按键完成复位操作。复位后的 3 口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零。 本设计采用的复位方式是按键和上电均有效的复位，因为设计中晶振频率 12以取电容 1C 的值为 10 F ，而 4R 的值为 10 K 。 如图 示为复位电路图。 0位电路图 22 鸣器报警电路的设计 蜂鸣器、晶体管和一个电阻连接到 脚上，从而构成一个蜂鸣器报警电路。之所以选用了晶体三极管，是因为从单片机送过来的电压很低，通过电路的电流也很低。要想驱动蜂鸣器报警，单靠这种极低的电流是无法做到的，所以需要对电流进行放大。而晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化都不失 真地放大输出。当电流被放大后，输出电路中的电压也被放大，这样就能驱动蜂鸣器报警了。使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射极正偏且集电极反偏。 本设计中晶体管的基极连到单片机的第 13号管脚。单片机从 13号管脚往三极管发送一个低电压，经过晶体三极管的放大过后做到蜂鸣器响声报警。设计中电阻大小选择 2 K ，这样一来，就能保证三极管基极的电压足够小而使得三极管能够导通并且令蜂鸣器开始工作。 如图 示为蜂鸣器报警电路。 蜂鸣器极管鸣报警电路图 23 示模块 显示模块采用 于液晶显示器的驱动方式一般有两种，是静态驱动和时分割驱动。由于直流电压驱动 而大大降低 使用寿命，所以现在用的驱动方式多属于交流电压驱动。液晶显示器除了段型液晶显示器外，还有点阵型液晶显示器，本设计中的用到的 是点阵型液晶显示器，可以显示汉字、图形、曲线等。 在本设计中， 是作为连接外部电路的 I/O 口，所以 管脚到第 14管脚依次接到单片机的 的 。第 4、 5、 6号管脚是显示屏的控制端，应该 分别接到单片机的第 15、16、 17 口，作为显示器的控制引脚，对显示屏进行控制。其中，第 3号管脚为对比度调整端，应该要接一个 滑动变阻器，目的是可以调节阻值的量，以方便对显示器的对比度进行调节。或者选择接地，接地时的对比度最大，但是在本设计中直接选用了一个大小为 2 K 的电阻，以让显示器的对比度固定，在检测的过程中就不用再对对比度进行调节。 图 电路图。 24 01 03 05 07W 统总电路图 电路总设计如图 据分析知要用到器件有： 蜂鸣器、红色指示灯、 片机和 声波传感器以及 1602 1602的 到 依次接到单片机的 ，显示屏的第 4、 5、 6 号管脚依次接到单片机的第 15、 16、 17 号管脚作为显示屏的控制引脚，显示屏的第 3 号管脚接一个滑动变阻器以通过改变变阻器的阻值来调节显示屏的对比度。超声波传感器的 2、 3 号引脚接到单片机 的第 12、 13 管脚以对超声波进行发射和接收。采用内部时钟方式，晶振电路接到 个引脚。复位电路接到单片机的 脚，蜂鸣器电路和红色指示灯电路分别接到单片机的第4 引脚和第 1 引脚。所有子模块的电源端都接到外接电源电路上，并且由开关控制。外接电源电路开关闭合后，电路上的指示灯发光，表明整个电路处于通电模式。图 硬件电路总设计图。 25 0)1)R)D)20001 03 05 075501234件电路总设计图 26 统主流程图 图 蜂鸣器响 开始 检测距离 Y d4m? 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