基于单片机的倒车雷达设计

毕业设计（论文） 题 目： 基于单片机的倒车雷达设计 系（院）： 工业与信息化学院 专业： 电气自动化技 术 姓 名： 学号： 校内指导教师： 职称： 讲 师 摘摘 要要 随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量大幅攀升。交通拥挤状 况也日益严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人生伤亡和经济损失，针对 这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行， 超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设 计的一种倒车防撞报警系统。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此， 设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。本设计采用以 AT89C51 单片机为核心的 低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个 电路采用模块化设计，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。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种 功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模 块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。设计通过多种发射接收电路设计方案 比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个单元的原理进行了介绍。对组成系统电 路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统系统的软件结构， 通过编程来实现系统功能。最后，通过对系统的误差分析，给出了较完善的方案。 关键词关键词 单片机 倒车雷达 超声波 目目 录录 第 1 章 课题设计 .1 1.1 课题设计的目的及意义.1 1.1.1 设计的目的.1 1.1.2 设计的意义.1 1.2 超声波测距系统的设计思路.1 1.2.1 超声波测距原理.1 1.2.2 超声波测距原理框图.2 第 2 章 课题的方案设计与论证 .3 2.1 系统整体方案的设计.3 2.2 系统整体方案的论证 .3 第 3 章 系统的硬件结构设计 .4 3.1 51 系列单片机的功能特点及测距原理 .4 3.1.1 51 系列单片机的功能特点.4 3.1.2 单片机实现测距原理 .5 3.2 超声波发射电路的设计 .6 3.3 超声波接收电路的设计.7 3.4 超声波测距系统的硬件电路设计 .8 第 4 章 系统软件的设计 .9 4.1 超声波测距仪的算法设计 .9 4.2 主程序流程图 .9 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序.11 4.4 系统的软硬件的调试 .11 第 5 章 系统调试与误差分析 .12 5.1 调试步骤.12 5.1.1 我的错误与纠正.12 5.1.2 调试准备.12 5.2 调试现象 .16 5.3 误差分析 .18 5.3.1 性能分析 .18 5.3.2 误差分析 .19 第 6 章 结 论 .21 致 谢 .23 参考文献 .24 附 录 .25 - 1 - 第第 1 1 章章 课题设计思路课题设计思路 1.1 课题设计的目的及意义课题设计的目的及意义 1.1.1 设计的目的设计的目的 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技 术水平来说，人们可以利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展 而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常 重要有用的工具，在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的 方向发展，以满足日益发展的社会需要，如倒车雷达，工地及工业现场，声纳探测 等方面都有其广泛的应用，经济，军事，文化方面都有重要的应用价值。毋庸置疑， 未来的超声波测距仪将于自动化智能化接轨，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，测距仪从具有单纯判断动能，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。 1.1.2 设计的意义设计的意义 随着社会飞速发展，人们生活水平的不断提高，汽车愈来愈成为人们不可缺少 的最常用的交通工具，交通安全问题变的日益严重。而通过研究汽车倒车雷达系统， 可以达到很高的采集速率和精度。汽车倒车时可以检测车辆后面的障碍物、并显示 其距离，至危险区域后会自动报警。本设计综合了电子技术、计算机技术、数据处 理技术等知识，设计利用单片机控制的汽车倒车雷达超声波测距系统，实现汽车倒 车的安全保障，这就是我设计的意义。 1.2 超声波测距系统的设计思路超声波测距系统的设计思路 1.2.1 超声波测距原理超声波测距原理 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF(timeTOF(time ofof filght)filght)。它通过不断检 测超声波发射后遇到障碍物所发射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 T T， 然后求出距离 S S。一般采用渡越时间发：即 S=CT/2S=CT/2，其中 S S 为测量点与被测物体之 间的距离，C C 为声波在介质（此处指空气）中的传播速度，T T 为超声波发射到返回 的时间间隔 。 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关系： - 2 - 表 1-1 超声波波速与温度的关系表 在进行计算时，如果温度变化不大，则可认为声速 C C 是基本不变的，计算时取 C C 为 340M M/S S。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿的方法 或者在硬件电路基本不变的情况下，通过软件改进算法的方法来加以校正。如果环 境温度变化显著，则必须考虑温度补偿问题。声速确定后，只要测得超声波往返的 时间，即可求得距离。 1.2.2 超声波测距原理框图超声波测距原理框图 超声波发射器 放大电路超声波接收器 放大电路 锁相环 检波电路 定时器 单片机 控制 显示器 图 1-1 超声波测距仪原理框图 单片机发出 40kHZ 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将 接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中 断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送 LED 显示。 温度（）-30-20-100102030100 声速 （m/s） 313319325323338344349386 - 3 - 第第 2 2 章章 课题的方案设计与论证课题的方案设计与论证 2.1 系统整体方案的设计系统整体方案的设计 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波 经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单， 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。本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 利用超声波测距原理，测量汽车倒车时的安全距离，当车辆与后方车辆的距离 小于安全距离时，发出声光报警，并显示车辆与后方车辆的距离，提醒驾驶员及时 采取减速、制动等措施，从而达到避免车辆与后方车辆的碰撞等事故。整个系统由 超声波发射、超声波接收、51 单片机控制系统、距离显示等设备组成。 2.2 系统整体方案的论证系统整体方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，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；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。本设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。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。 - 4 - 第第 3 3 章章 系统的硬件结构设计系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接 收电路三部分。单片机采用 AT89C51 单片机。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较 稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用 简单实用的 4 位共阳 LED 数码管，段码用 74LS244 驱动，位码用 PNP 三极管 8550 驱动。 3.1 51 系列单片机的功能特点及测距原理系列单片机的功能特点及测距原理 3.1.1 51 系列单片机的功能特点系列单片机的功能特点 51 系列单片机中典型芯片(AT89C31)采用 40 引脚双列直插封装(DIP)形式，内 部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 个 16b 的定时计数器 TO 和 T1，4 个 8 b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单 片机片内的 Flash 可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广 泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。 5l 系列单片机提供以下功能：4 kB 存储器；256 BRAM；32 条工O 线；2 个 16b 定时计数器；5 个 2 级中断源；1 个全双向的串行口以及时钟电路。 空闲方式：CPU 停止工作，而让 RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续 工作。 掉电方式：保存 RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一 次硬件复位。 5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的 片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统 该系列单片机引脚与封装如图 3-1 所示。 - 5 - 图 3-1 51 系列单片机封装图 5l 系列单片机提供以下功能：4 kB 存储器；256 BRAM；32 条工O 线；2 个 16b 定时计数器；5 个 2 级中断源；1 个全双向的串行口以及时钟电路。 空闲方式：CPU 停止工作，而让 RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。 掉电方式：保存 RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬 件复位。 5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的 片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。 3.1.2 单片机实现测距原理单片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波， 从而测出发射和接收回波的时间差 t t，然后求出距离 SCt t2，(C C 为超声波波速)。 限制该系统的最大可测距离存在 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。由于超声波属于声波范围，其波速 C 与温度有关。 - 6 - 3.2 超声波发射电路的设计超声波发射电路的设计 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。 图 3-2 超声波发射电路原理图 - 7 - 3.3 超声波接收电路的设计超声波接收电路的设计 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38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接 近，因为当CX20106A接受到40KHZ的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲， 这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，可以利用它制作超声 波接收电路(如图2-3)。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。 图3-3 超声波接收电路 - 8 - 3.4 超声波测距系统的硬件电路设计超声波测距系统的硬件电路设计 本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时 间的计时，单片机选用 AT89C51，经济易用，且片内有 4K 的 ROM，便于编程。 XTAL1 P3.0 P3.2 P3.4 P3.5 P2.0 VCC P2.3 P2.2 GNDXTAL2 P3.2 A0 A1 A2 GNDSDA SDL WP VCC 24C02 VCC Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 A B CLK GND VCC MR VCC Q7 AT89C51 OUT RT IN OFI1 Lfi1 GND Ct V+ OUT1 IN(-) IN(+) IN2(+) OUT2 IN2(-) GND VCC D? LED R? RES2 20k 152 104k VCC 10K LM358 LM567 1uF 2.2k 220K 10K 22K 1uF 2.2K 分 分分 分 30pf 30pf R? 1K R? 1K 分 分分 分 R? 4K7 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 7 6 5 4 2 1 4 3 14 7 9 1 2 8 10 11 15 21 40 24 23 12 4 3 2 1 5 6 7 8 8 5 3 1 2 7 6 7 6 1 2 5 3 19 14 4 8 超声波测距电路原理图 - 9 - 第第 4 4 章章 系统软件的设计系统软件的设计 超声波测距仪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。C 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具 有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，在超声波测距仪的程序设计中,计 算距离时较为复杂，程序运行时间的计算又较为精细，控制程序的编程只使用一种 语言编写并不理想,所以该程序采用 C 语言和汇编语言混合编程。 4.1 超声波测距仪的算法设计超声波测距仪的算法设计 超声波测距的原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个 超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。这样只要计算出 从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物 体的距离。距离的计算公式为： d=s/2=(ct)/2 其中，d 为被测物与测距仪的距离，s 为声波的来回的路程，c 为声速，t 为声波来 回所用的时间。 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 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片 机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 4.2 主程序流程图主程序流程图 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图 4-1（a）（b） (c) 所示。主 程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 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。 图 4-1 超声波测距系统的的软件设计 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 P1 清 0。然后调用超声波发生子程 序送出一个超声波脉冲，为了避免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） - 10 - 后，才打开外中断 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 1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的 数（即超声波来回所用的时间）按式计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离， 设计时取 20时的声速为 344 m/s 则有： d=(ct)/2=172T0/10000cm 其中，T0 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。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用 C 语 言编写。 4.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生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 个左右超声波脉冲信号（频 率约 40kHz 的方波） ，脉冲宽度为 12s 左右，同时把计数器 T0 打开进行计时。超 声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。超声波测 距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入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。 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、 右测距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 P1.4 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。 4.4 系统的软硬件的调试系统的软硬件的调试 超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用 15 的 超声波换能器 TCT40-10F1（T 发射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心频率为 40kHz， 安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 48cm，其余元件无特殊要求。若能将 超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同， - 11 - 可适当调整与接收换能器并接的滤波电容 C0 的大小，以获得合适的接收灵敏度和 抗干扰能力。 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 0.075.5m，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。 第第 5 5 章章 系统调试与误差分析系统调试与误差分析 5.1 调试步骤调试步骤 我的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试， 以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的 AT89S51 机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示 结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“- - -” ，则需将下 限值增大。本测距板 1s 测量 4-5 次，超声波发送功率较大时，测量距离远，则相 应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为 340m/s，该值为 15时的超声波值。 注：注：由于条件原因调试时无法提供 6V 交流电与 5V 双 USB 接口线，所以由 4.5V 干电池与 5V 实验室稳压电源代替。 5.1.1 我的错误与纠正我的错误与纠正 当我焊接好元器件，检查无短路后，我接通了电源。 当时的现象是：接通电源瞬间显示“- - -”伴随蜂鸣器一声“滴”蜂鸣，接 着 LED 显示三个“C C C”,并伴随间断蜂鸣，此为超出最大探测范围。调节下限值 - 12 - 无变化。 错误 1：断电后我重新按照原理图对各个元器件焊脚进行对照。发现除了 BG1 外其它元器件焊脚焊接正确，BG1 的“E”脚和“C”脚焊接错误。 纠正：拆下 BG1 检查未被击穿后重新按照正确的焊脚分部焊接。 错误 2：接通电源重新调试却发现任就是之前的现象。 断电后我重新按照原理图进行排故。因为错误 1 的缘故元器件已经检查过焊脚 无错误，所以我按照原理图检查元器件的名称标识，发现 BG2、BG9 两个三极管分 别是 9013 和 9012，而焊接是却焊接成了 9012 和 9013. 纠正：拆下 BG2、BG9 检查未被击穿后重新按照正确名称标识焊接。 接通电源能正常工作. 5.1.2 调试准备调试准备 调试时由于没有皮尺和米尺所以本人以白纸粘贴起来做成 55cm 的简易倒车带 如下图所示： - 13 - 在简易倒车带最前方有 0.8cm 的空白区域 - 14 - 将简易倒车带最前方放于障碍物前（墙角） - 15 - - 16 - 5.2 调试现象调试现象 本设计为汽车倒车雷达因此将雷达至于小车上模拟汽车倒车。 1、在 50cm 以上时无报警 图 5-1 在 50cm 以上时无报警 2、小于 50cm 时蜂鸣器报警 - 17 - 图 5-2 小于 50cm 时蜂鸣器报警 3、小于 40cm 时显示“- - -”即盲区 - 18 - 图 5-3 小于 40cm 时显示“- - -”即盲区 5.3 误差分析误差分析 虽然在简易倒车带最前端有 0.8cm 的空白距离，但是雷达在 50cm（50.8cm）时 显示的是 51cm，在 45cm（45.8cm）不到处却显示 45cm。如图 5-1、5-2。 因此本雷达存在误差。 5.3.1 性能分析性能分析 从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到 500 到 700cm 左右，而我所能实现的最大距离只有 664cm 左右，测量结果受环境温 度影响。分析原因如下： 1. 超声波发射部份由电阻 R1、三极管 BG1、超声波脉冲变压器 B 及超声波发 送头 T40 构成，以提高超声波的发射功率，从面提高测量距离。这种方式，加大的 超声波了送头的余振时间，造成超声波测距盲区值较大（本系统盲区值为 40 厘米） 。 2.本测距板没有设计温度补偿对测量结果进行修正。但在硬件的 PCB 上预留的 位置。 - 19 - 5.3.2 误差分析误差分析 超声波测距由于其再使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之其 结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了 广泛的应用。在原理上将，超声波测距有脉冲回波法、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，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，在已知 超声波声速的前提下，可计算被测物的距离 H，即：H=vt/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。 （1）温度对超声波波速的影响 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、温度及气体分子成份的影响。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传播速度时，必须考虑温度的 影响。 （2）超声波回波声强影响 超声波回波声强与被测物得距离有由直接的关系，实际测量时，不一定是第一 个回波的过零点触发。这种误差不能从根本上消除，但是可以通过根据测量距离调 整脉冲群的脉冲个数以及动态调整比较电压来减小这种误差。 （3）电路本身影响 电路硬件和软件本身存在一定的缺陷，因此会造成测量误差，主要表现为： 启动发射和启动计时之间的偏差。这是源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，存在时差。但只要指 令速度足够快，其偏差可以忽略。 收到回波到被检测出的滞后。这是源于检测电路的灵敏度和判断偏差，从收 到实际回波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后，这和回波信号强弱、检测电 路原理以及判断电路的敏感性相关，也是超声波测距的核心。 收到中断到中断响应停止计时之间的滞后。这是源于单片机的中断机制。收 到中断信号后，单片机不可能立刻响应，至少要完成当前的指令，有时还要等待其 它中断服务结束，所以这个滞后时间也不确定，从而导致测量结果的变化。但这个 因素可以通过提高单片机速度，使用高优先级中断。 计时器本身的误差。这是源于计时器本身。由于目前多数使用晶体振荡器， 其稳定度和准确度为 20-50 PPM 级别，对于音速而言，其带来的误差在 mm 级。为 - 20 - 减小此项误差，应该提高计时的最小单位，即是选择频率高的晶振，从而降低量化 误差。同时选用质量好的晶振。 （4）超声波波速入射角影响 超声波波束入射角也会对测量数据产生影响，由于系统是用来测量点和面的距 离，则被测物表面，超声波发射探头和接收探头三者之间存在一个几何角度，即发 射波入射到接收探头的角度，如果这个角度不是 0 度，系统测量到的距离是被测物 与接收探头之间的距离而不是和测量参考面之间的距离，这就会造成测量误差。 （5）超声波传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响 制作超声波传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声波测距常用 压电材料制作的传感器。超声波传感器外加脉冲电压的幅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。超声波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，为了提高压电转换效率，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。 - 21 - 第第 6 6 章章 结结 论论 由于时间和其它客观上的原因，此次设计没有做出实物。但是对设计有一个很 好的理论基础。设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的 发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量 距离。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，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。 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括 AT80C51 单片机系统及显示电路、超声 波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用 AT89C51 其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口 输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路 输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4 位共阳 LED 数码管，段码用 74LS244 驱动，位码用 PNP 三极管 8550 驱动。 超声波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。 超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它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38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以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。 - 22 - 超声波测距仪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。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且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既 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。主超声波测距仪主程序利用外中 断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚出现低电平） ， 立即进入中断程序。进入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。 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、右测距电路的输出通 过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 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。 超声波测距的算法设计原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号， 当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。这样只要 计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与 反射物体的距离。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 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片 机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多， 所以调试应该不会太难。一般只要电路焊接无误，稍加调试应该会正常工作。电路 中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。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C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 - 23 - 致致 谢谢 首先，我要感谢我的导师王恺老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严格要 求，同时也要感谢学校其他老师在我毕业设计中给我的帮助和支持。在我毕业论文 设计期间，各位老师在无论是在生活还是专业知识上都给我提供了很大的帮助。在 你们的帮助和关怀，我才得以顺利的完成我的毕业设计，借此机会，向各位老师表 示由衷的感谢。 其次，我还要感谢毕业小组的各位成员。在毕业设计的短短几月里，你们无私 的向我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助，在此也衷心的谢谢你们。 最后我要感谢我亲爱的家人，是他们默默的支持我，鼓励我，在我成长和求学 的道路上为我指明前进的方向，在生活和学习上给予我无私的爱，是我有信心面对 一切，走出大学的校园，踏上社会的征途。 在此，对于给予我帮助的人，我无法一一列举，在此一并对你们表示真心的谢 意。 - 24 - 参考文献参考文献 1.单片机原理及其接口，胡汉才，北京，清华大学出版社，2004.2（第 2 版） 2.基于 DSP 的多超声测距数据采集处理系统。叶涛，陈红军，杨国胜，侯增广， 谭民，电子技术应用，2004；12:28 3.李华.MCU-51 系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 6 4.陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版 社，1999.4 5.苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.7 6.梁立编.程序设计基础与 C 语言.陕西：西安电子科技大学出版社，1998 7李瀚荪.电路分析基础M.北京：高等教育出版社，2006 8杨志忠.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2004 9华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006 10郑郁正.单片机原理及应用M.成都：四川大学出版社，2008 - 25 - 附附 录录 程序清单 #INCLUDE #DEFINE K1 P3_4 #DEFINE CSBOUT P3_5 /超声波发送 #DEFINE CSBINT P3_7 /超声波接收 #DEFINE CSBC=0.034 #DEFINE BG P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/显 示标识 UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09 段码 UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1; BIT CL; VOID CSBCJ(); VOID DELAY(J); /延时函数 VOID SCANLED(); /