基于测距原理的汽车倒车警报系统设计.docx

基于测距原理的汽车倒车报警系统设计第一章 概 述汽车对人们来说是一个再熟悉不过的词，自从1886年2月9日卡尔本次发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近124年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。汽车给人们带来方便快捷的同时，也出现了许多问题，安全倒车就是其中之一。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以在一定程度上帮助驾驶员扫除视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。1.1 设计的现状随着科技的日新月异，人们对于车辆的功能及行车安全的期望日益增多，对汽车操作的便捷性和安全性也愈加挑剔。其中汽车倒车时的不便和安全隐患逐渐被汽车制造行业所重视。据调查，因为汽车倒车而造成的人员和财产的损失逐年上升，人们迫切希望有一种电子装置能够实现汽车的“后视”功能，在倒车时能够提示驾驶员汽车后方障碍物状况，并能根据距离和障碍物的情况及时报警防止驾驶员误操作，来保证驾车者的安全。随着现代科技的发展和电子业的兴起，各种具有强大功能集成电路的开发，电子信息科学系有很先进的电子仪器和电子设备，这些都为开发这种电子产品奠定了坚实的物质基础。近年来许多先进安全系统及驾驶辅助系统相继被开发出来。其中倒车辅助系统是驾驶辅助系统中最先受到瞩目的技术发展，目前已成为高阶新车的标准驾驶辅助配备之一。倒车报警系统由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器等部分组成。倒车辅助的发展从倒车警示喇叭开始，经倒车雷达蜂鸣器碰撞警示、数字波段显示技术（利用雷达感测液晶显示距离）等阶段的发展，目前已成功研发液晶显示屏幕技术。 本设计在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在车尾距离障碍物1m时会发出警告音，提醒驾驶员注意刹车。本设计有望成为驾驶员的好帮手，可有效减少和避免因视野障碍而引发的倒车事故。1.2 设计的思路本课题为“基于测距原理的汽车倒车报警系统设计”。首先需要明确倒车雷达的概念及其大体的发展状况，从而给出适当的设计方案。本课题主要需要研究超声波测距的原理、超声波传感器的性能特点及作用、单片机的功能及作用。同时，还要研究单片机与超声波传感器以及显示器的连接方式和了解整个汽车用倒车雷达的电路原理及连接。 该汽车倒车雷达主要通过单片机来控制，软件部分拟采用汇编语言进行编程，主要通过汇编语言实现相应的测距算法和中断、计时及单片机与其他各器件的串口通信，从而进行障碍物与汽车距离的测量，实现数据的显示。目前要解决的主要问题是如何编程实现超声波测距过程的中断、计时以及单片机与显示器与其它外围电路的串口通信的实现。1.3 设计的研究方案1.3.1 方案的选择目前常见的有超声波短距离测距,毫米波雷达长距离测距,激光测距,摄像系统测距等几种方法,按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择:方案1：采用毫米波雷达。优点：适合长距离测距。缺点：成本比较高，信号处理难度高，不适合处理短距离测距。方案2：摄像系统测距。优点：能比较直观观察到车辆后面的实际情况。缺点：视频信号处理复杂，涉及到数字图像处理等，成本较高。方案3：超声波测距。优点：原理简单，成本低，制作方便，适合在一般短距离的测距，其最佳距离为45米。缺点：有一定局限性（这时因为超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样；对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏 度下降）。通过对应用场合、成本和技术原因的研究，认为采用方案3最为实际有效。1.3.2 方案的实现本系统采用以STC12C5A60AD为核心，利用超声波测距原理，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测试仪。超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到障碍物反射返回的时间，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离。作为一种非接触式的检测方式，和红外、激光、无线电测距相比，由于超声波具有穿透性较强、空气传播衰减小、反射能力强的特点，所以超声波测距具有在近距离范围内不受光线和雨雪雾的影响、结构简单、制作方便、成本低等优点。高速的单片机微秒级的机器周期，可实现较精确的时间测量。超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。限制的最大可测距离存有四个因素：超声波的幅度、反射面的质地、反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。预计本系统可以较准确的完成对汽车尾部 5m 以内障碍物和突然闯入危险区域内的行人的自动探测功能，并在车尾距离障碍物 1m 时发出报警声音，提示司机采取措施，极大的提高汽车倒车时的安全性。1.4 设计的功能概述驾驶员能随时看到车后的障碍物距离汽车车尾的距离，当障碍物靠近车后部1.0m的时候开始有报警信号，有LED显示功能。本设计可以应用于汽车倒车位置监控。要求测量范围在0.4m-5.00m，测量精度为1cm，测量时于被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。预计本系统可以较准确的完成对汽车尾部5m以内障碍物的自动探测功能，并在距离为1m 时声音提示司机采取措施，极大的提高汽车倒车时的安全性。设计的难点是：1、 超声波信号的接收、发射的设计2、 显示电路的设计3、 流程图及程序的设计第二章 超声波测距的原理2.1 超声波的介绍2.1.1 什么是超声波？声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒介向四面八方传播，这便是声波。超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了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，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。2.1.2 超声波的特性及特点超声波具有如下特性：1、 超声波可在气体、液体、固体、固溶体等介质中有效传播。2、 超声波可传递很强的能量。3、 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4、 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声波具有如下特点：1、 超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。2、 超声波能在各种不同介质中传播，且可传播足够远的距离。3、 超声与传声媒介的相互作用适中，易于携带有关传声媒介状态的信息（诊断或对传声介质产生效应）。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒介的相互作用，去影响、改变以致破坏后者的状态、性质及结构（用作治疗）。超声波以直线方式传播，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质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，这就使得超声波使用变得非常简单。2.1.3 超声波的应用超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人视觉系统设计的精确与否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其他视觉系统（如CCD图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。据海外媒体报道，戴姆勒克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车(尤指卡车)使用的电子刹车系统，它利用车载前视雷达感应探测前方景物，由车载控制器处理这一感知信息而形成虚拟景象，由此来判断当前路况是否需要启动自动刹车装置。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。2.2 超声波测距器的原理2.2.1 超声波发生器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，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括电压型、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。超声波传感器是一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；而频率高分辨率也高，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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2.2.2 压电式超声波发生器的原理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。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，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波传感器结构如图2-1所示：图2-1 超声波传感器结构2.2.3 超声波测距的原理声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波测距的原理一般采用时差法。超声波发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，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=Ct/2其中：S为测量点与被测物体之间的距离C为声波在介质（此处为空气）中的传播速度T为超声波发射到返回的时间间隔。理论计算原理图如图2-2所示：图2-2 理论计算原理图由于超声波也是一种声波，其声速C与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米/秒。下表列出了几种温度下的声速：表2-1 声速与温度的关系表在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速C是基本不变的，计算时取C=340m/s。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较为简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本设计属于近距离测量，故采用压电式超声波换能器来实现。限制该系统最大可测距离主要存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。第三章 系统的硬件设计硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。本设计采用STC12C5A60AD单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成，超声波测距器的系统框图如图3-1所示：图3-1 超声波测距器系统的框图3.1 芯片STC12C5A60AD介绍3.1.1 STC12C5A60AD概述STC12C5A60AD 采用宏晶公司最新第六代加密技术，超强抗干扰，超强抗静电，整机可轻松过2万伏静电测试。速度快，1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI。输入/输出口多，最多有40个I/O，复位脚如当I/O口使用，可省去外部复位电路图3-2 STC12C5A60AD引脚图3.1.2 STC12C5A60AD特性 高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快812倍 宽电压：5.53.3V，2.23.6V（STC12LE5A60S2系列） 增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率12MHz时，无需此功能） 增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP 低功耗设计：空闲模式，（可由任意一个中断唤醒） 低功耗设计：掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒 工作频率：035MHz，相当于普通8051：0420MHz 时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上 1280字节片内RAM数据存储器 芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上 ISP / IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器 8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用 2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断） 4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器 可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟 硬件看门狗（WDT） 高速SPI串行通信端口 全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口 先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA3.1.3 STC12C5A60AD特点 ：1.增强型 1T 流水线/精简指令集结构 8051 CPU2.工作电压：3.4V-5.5V3.工作频率范围：0-35 MHz，相当于普通8051的0420MHz4.用户应用程序空间512K字节5.片上集成256字节RAM6.15个通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉 可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏7.EEPROM 功能8.共2个16位定时器/计数器9.PWM(2 路）/PCA（可编程计数器阵列）10.ADC, 8路8位精度11. 通用异步串行口(UART)12. SPI同步通信口， 主模式/从模式13.看门狗14.内部集成 R/C 振荡器，精度要求不高时可省外部晶体3.2 传感器的选取3.2.1 传感器的定义及作用以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。广义来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。”传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件，而传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器、传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测信号输入的第一道关口。3.2.2 传感器的作用1、 信息的收集；2、 信息数据的交换；3、 控制信息的采集。3.2.3 传感器的特性1、 灵敏度高、可靠性强、稳定性好；2、 防尘耐湿、耐高低温、耐冲击、耐振动等严酷环境条件；3、 收发兼用，使用方便。3.2.4 传感器的选用超声波传感器千差万别，即使对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。本设计综合考虑了测量条件、传感器的性能和传感器的使用条件三个方面，选用URM37V3.2超声波传感器。3.2.5 URM37V3.2超声波传感器一、性能描述：1工作电源：+5V 2工作电流：20mA 3工作温度范围 ：-1070 4超声波距离测量： 最大测量距离500cm 最小测量距离4cm 分辨率1cm 误差1% 5由于使用了更好的超声波处理方法，使测量距离更远更稳定。 6模块使用RS232串口通讯可靠性更高，同时可以通过电脑串口采集数据，编写通讯程序常的便捷。 7模块可以通过脉宽输出的方式将测量数据输出，这样使模块使用更简单。 8模块可以预先设定一个比较值，在测量距离小于这个值后管脚输出一个低电平，这样模块能够方便的作为一个超声波接近开关使用。 9模块内带温度补偿电路提高测量的精度。10. 模块内带253字节内部EEPROM，可以用于系统记录一些调电不丢失的系统参数。11. 模块内带一个温度测量部件，可以通过通讯口读出分辨率0.1摄氏度的环境温度数据。12. 模块尺寸22mm 51 mm13. 模块重量：约30g二、引脚定义：1： VCC 电源+5V输入2： GND 电源地3： nRST 模块复位，低电平复位4： PWM 测量到的距离数据以PWM脉宽方式输出025000US，每50US代表1厘米5： MOTO 舵机控制信号输出6： COMP/TRIG COMP： 比较模式开关量输出，测量距离小于设置比较距离时输出低电平 TRIG： PWM模式触发脉冲输入 7： NC 空脚8： RXD 异步通讯模块接收数据管脚，RS232电平或者TTL电平9： TXD 异步通讯模块发送数据管脚，RS232电平或者TTL电平三、功能描述：模块最基本的一个接口是RXD脚和TXD脚组成的RS232电平或者TTL电平串口，通过串口可以对模块进行全面的控制。RS232电平可以直接和电脑的串口进行连接，这样可以方便的通过串口调试软件轻易的对模块进行操作。如果需要用单片机TTL电平的异步口控制模块，只需要设置一下串口选择跳线，模块就可以在RS232输出与TTL输出之间切换了（如下图跳线短路帽设置位置）。RS232模式TTL模式四、模块的连接URM37V3.2超声波测距模块与单片机串口的连接。3.3 系统的电路设计本系统采用STC12C5A60AD单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成。STC12C5A60A通过外部引脚输出一个脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，输出一个高电平启动，进行充电。发射结束时高电平翻转为低电平，并开始对分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。发射时输出的高电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再从LED上显示。我们还可以设置若干个键，来控制电路的工作状态。限制的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射面的质地、反射面和入射声波之间的夹角以及接受换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。图3-3 理想状态下超声波测距原理3.4 电源电路的设计在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的主要任务是将电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要，直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。整流电路是具有单方向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单方向脉动的直流电压；滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部分，保留直流成分，尽可能供给负载平滑的直流电压；稳压电路是一种自动调节电路，在交流电源电压波动或负载变化时，通过此电路使直流输出电压稳定。电源电路如图3-4所示:图3-4 电源电路图3.5 测距显示电路的设计用单片机驱动LED数码管分为静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔划段字型代码。这样单片机只要把显示的字型代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发送新的数据。另一种方法是动态扫描显示。由于单片机本身具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑限制。动态扫描的优点是：1、 能显著降低LED的功耗2、 能大大减少LED的外部引线，给印制板的设计和安装带来方便3、 能采用BCD码多路输出方式，不仅使译码、驱动电路大为简化，还可以与PC相连。采用动态扫描软件译码的方式大大简化硬件电路结构，降低系统成本。它用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每个显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。本设计的显示电路图如图3-5所示：图3-5 测距显示电路3.6 超声波发射电路的设计发射电路主要由反向器74Ls04(74HC04)和超声波发射换能器T(发射端)构成，单片机端口输出的40kHz方渡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进到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方渡信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R1l，一方面可以提高反向器74LS04(74HC04)输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。超声波在空气中传播时受到环境的影响衰减比较大，理论上讲发射探头的电压越高，功率越大，发射的距离就越远。但是，传感器的发射有其工作电压的极限值，工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害，这样就并不能有效的发射出准确的脉冲信号。超声波的发射电路如图3-6所示：图3-6 超声波发射电路3.7 超声波接收电路的设计超声波接收电路主要由CX20106A和超声波换能器构成，CX20106A是一款红外的专用芯片，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，故利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，非常适合超声波的接收。适当更改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。CX20106A的2号管脚是一个RC电路。电阻减小。电容增大，放大倍数增大。超声波接收电路如图3-7所示：图3-7 超声波接收电路图3.8 探测电路的设计物体探测电路可以用光电传感器来制作。但光电传感器不能探测透明的物体，红外线传感器在探测物体时需要有像人和动物那样与周围有一定的温度差这个条件。超声波传感器则不受这些条件的限制，对于透明的或者其他物体都可以探测。超声波传感器探测物体有直接探测方式与反射探测方式。直接探测方式的接收/发射器要相互配置，如果接收到超声波（有信号电压）时，说明接收/发射器中间没有被测物体。反之，接收不到超声波（无电压信号）时，则中间有被测物体。发射探测方式的接收/发射器可以较近配置，有反射波时，说明存在被测物体。发射探测方式的接收/发射器有单独使用与共用两种，共用方式就是一个超声波传感器用作接收器，也用作发送器，但需要收发切换电路。具体区别如表3-7所示：表3-7 传感器探测物体的区别3.9 语音报警电路的设计语音报警是指当汽车报警系统探测到的距离小于所设定的安全值时，发出声音提醒驾驶员。本系统采用蜂鸣器连接三极管。蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等很多应用场合。蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL点平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以。由上所述，一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。语音报警电路设计如图3-8所示：图3-8 语音报警电路图第四章 系统的软件设计本设计就是以STC12C5A60AD单片机为核心，它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。该系统的主程序处于键控循环工作法师，当按下电源键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码管上显示出来，虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用STC12C5A60AD单片机可以简化设计，便于才做和直观读数。我们知道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细计算程序运行的时间，而超声波测距系统的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（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。4.1 主程序框图为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用一些特殊措施。主程序采用c语言与汇编编写。主程序流程框图如下图5-1所示：图5-1 主程序框图其工作流程是：上电后首先对系统进行初始化，紧接着调用显示子程序，显示完后判断有没有超声波被接收，若有，则停止计时并将计时值送入距离计算子程序，最后返回进行下一轮测量，若没有信号进来，则调用外部中断子程序。4.2 超声波发射子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平）立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。如图5-2和5-3所示： 图5-2 定时中断服务子程序 图5-3 外部中断服务子程序第五章 系统的调试硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.405.0m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。5.1 超声波测距误差分析本章主要分析温度对超声波声速的影响，超声波回波检测对超声波传播时间的影响，超声波传感器所加脉冲电压对测试精度的影响。在此基础上，设计了基于超声波测距原理的汽车倒车报警系统，实验表明，注意以上三方面的因素能够提高超声测距的精度。超声波测距由于其在使用中不受光照强度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单，成本较低，在汽车倒车、机器人壁障、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。从原理上讲，超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物体，经反射后由超声波传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间Ts，在已知超声波声速Cs的前提下，可计算被测物体的距离S，即S=CT/2。由于温度影响超声波在空气中的传播速度：超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。本章从引起超声测距误差的原因入手，分析温度对超声波声速的影响：回波检测对时间测量的影响和超声传感器所加电压对测量精度和范围的影响。在此基础上，开发出了以STC12C5A60AD单片机的核心，采用40KHz压电超声传感器，应用广泛的超声测距仪。空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成分的影响。例如：20时，T=293.15，Cs=334.2m/s;40时，T=313.15，Cs=355.8m/s；-20时，T=253.15，Cs=319.9m/s。从上面的计算可以看出，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传播速度时，必须考虑温度的影响。超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。设在距离超声接收器X处有被测物，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声测距常用压电材料传感器，例如URM37 V3.2超声波传感器。超声传感器外加脉冲电压的赋值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E的关系为：S=dE，其中d为应变电场常数。超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。系统设计针对温度、回波和所加脉冲电压对超声测距精度的影响，在设计倒车报警系统时，从硬件和软件两方面综合考虑，设置了发射、接收和显示几部分构成了超声测距的系统结构。整个装置的中心控制盒信号处理单元为单片机STC12C5A60AD，超声波传感器采用URM37 V3.2传感器。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脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路。发射电路主要任务是提高脉冲电压的幅值，它主要由脉冲变压器和开关管构成。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。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空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、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。软件设计：软件修正利用下面公式：S=CT/2在完成系统设计和制作装置后，对设计的电路进行了超声测距实验。发射的脉冲数应选择合适，脉冲个数多时，发射换能器可以克服其振动惯量而获得充分的振动，其他声波模式影响较小，发射的超声脉冲能量大，但此时测距的盲区也大（测距盲区指的是可以测量的最小距离），一般选择由8个脉冲组成。电路在6m处的测量结果，幅值较小，测量过程中曾出现掉电现象，功率管发热严重，这说明功率消耗比较大。可以看出，本电路的测量距离明显提高，而且管子基本没有发热现象，电源保持稳定。可见，本电路的设计由于经过较严格的推导，器件选择合理，各参数得到优化，改善了换能器与功放间的阻抗匹配。转换效率得到明显提高。电路控制方便，性能表现良好。使用脉冲回波法测量距离，在考虑温度对声速的影响、回波检测对超声传播时间的影响以及超声传感器所加电压对压电转换效率的影响时，超声测距精度可以提高。所以在制作超声测距装置时，应增加温度测量环节，设计高放大倍数的高Q值的滤波放大电路，并提高加在超声传感器上的电压幅值。5.2 提高精度的方案及系统设计5.2.1 温度校正的方法提高测距精度由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 总线专利技术，能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电），极大的方便了使用者的调试使用，而且其在 10oC 85oC 的工作环境下可以保持 0.5% 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。 通过 DS18B20 芯片获得的数据信号经由 1-WIRE 总线传至 MCU ，由软件进行声速换算。为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5A60AD单片机实现超声波测距的各项功能。 STC12C5A60AD采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计。由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。 5.2.2 标杆校正的方法提高测距精度在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不