汽车倒车超声波报警器的硬件设计

1、西南科技大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目名称：汽车倒车超声波报警器的硬件设计题目名称：汽车倒车超声波报警器的硬件设计 年年 级：级： 2003 级级 本科本科 专科专科 学生学号：学生学号： 20035026 学生姓名：学生姓名： 刘晓峰刘晓峰 指导教师：指导教师： 曾曾 毅毅 学生单位：信息工程学院学生单位：信息工程学院 技术职称：技术职称： 讲讲 师师 学生专业：电子信息工程学生专业：电子信息工程 教师单位：教师单位： 信息工程学院信息工程学院 西西 南南 科科 技技 大大 学学 教教 务务 处处 制制 西南科技大学本科毕业设计论文 i 汽车倒车超声波报警器的硬件设计 摘要：由

2、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。本文详细介绍了一种超声波测距系统及根据该系统设计的 汽车倒车防撞测距报警器。它能在汽车倒车时自动检测并显示车尾与最近障碍物之 间的距离。当到达安全极限距离时, 它能发出声光报警, 提醒司机刹车。基于单片 机的超声波测距系统，采用测量输出脉冲宽度，即发射与接收超声波的时间间隔， 通过对单片机适时控制外围电路，并向外围电路提供频率振荡、数据处理和译码显 示等信号。该超声波发射电路包括门控电路（rs 触发器）及微分/整形电路，接收 电路则由接收、放大及信号筛选、整形电路组成。通过对硬件电路的实际调试，得 到的数据

3、基本正确，证明此系统可靠以及具有一定实用价值。 关键词: :超声波；测距；汽车倒车；超声波换能器 西南科技大学本科毕业设计论文 ii automobile ultrasonic alarm reversing the hardware design abstract: because the direction of the ultrasonic is very strong and the consumption of energy is very slow, the spreading distance is very far in the medium, the ultrasonic i

4、s often used in the measurement of the distance. the paper introduces minutely an ultrasonic distance measurement system and a kind of alarm designed and developed according to this system. when a cars backing up, it can detect and display automatically the distance between the tail of the car and t

5、he nearest obstacle. if t he distance is to be safe value limited, the device will give a sounding and light alarm to warn the driver braking. this article describes an ultrasonic measurement system based on microprocessor. by measuring pulses width, that is the time interval between transmitting an

6、d receiving of the ultrasonic wave, the microprocessor control the peripheral circuits, and provide all kinds of signals, including frequency surging, data managing and coding display. this ultrasonic measurement system include transmitting part which contains the gating and differential circuits, a

7、nd receiving part which contains the signal magnify and filtration circuits. according to the debugging results, we can prove that the system is correct and it has the practical value. keyword: ultrasonic, ranging, reversing car, ultrasonic transducer 西南科技大学本科毕业设计论文 iii 目 录 第一章 前 言1 1.1 选题研究背景、目的及意义

8、1 1.1.1 课题研究背景1 1.1.2 选题的目的及意义1 1.2 超声波测距系统研究现状以及存在的问题2 1.2.1 超声波测距系统研究现状2 1.2.2 探测盲区问题3 1.3 论文的主要内容3 第二章 超声波测距系统的原理4 2.1 超声波的测距原理4 2.1.1 测距的电路原理框图4 2.1.2 工作原理4 2.1.3 超声波测距的工作方式6 2.1.4 信号处理技术6 2.2 超声波探头的主要作用7 2.3 小结7 第三章 汽车倒车超声波报警器设计方案比较与选择8 3.1 汽车倒车超声波报警器的总体方案设计8 3.1.1 方案的拟定条件8 3.1.2 模型的建立8 3.2 超声波

9、测距系统的器件选择8 3.2.1 微控制器的选择8 3.2.2 显示模块器件的选择10 3.2.3 超声波传感器的选择10 3.3 小结12 第四章 超声波测距系统的硬件设计13 4.1 硬件设计工具平台简介13 4.2 超声波测距系统的硬件设计15 西南科技大学本科毕业设计论文 iv 4.2.1 超声波发射电路的设计16 4.2.2 超声波检测接收电路的设计17 4.2.3 超声波蜂鸣报警电路的设计18 4.2.4 超声波系统键盘电路的设计19 4.2.5 超声波滤波整流电路的设计19 4.2.6 时钟和复位电路设计20 4.2.7 扩展显示电路的设计21 4.3 小结22 第五章 超声波测

10、距系统联机调试与结论23 5.1 系统硬件电路调试与分析23 5.1.1 调试仪器和内容23 5.1.2 调试过程23 5.1.3 测试数据及测试结果分析计算24 5.2 系统源程序的调试过程26 5.2.1 软件仿真验证26 结 论27 致 谢28 参考文献29 附 录30 附录 1：系统总原理图30 附录 2：at89s51 引脚功能31 附录 3：汽车倒车超声波报警器电路板实物图33 西南科技大学本科毕业设计论文 1 第一章 前 言 1.1 选题研究背景、目的及意义 1.1.1 课题研究背景 本课题属于设计性课题。21 世纪人类已进入信息社会，汽车及交通也已迈入信 息时代。当前信息技术在

11、汽车及交通领域中的应用项目相当多，发展速度可以说是 “日新月异”,各种媒体多有报道。 可大致归纳为 4 个方面，即车辆安全系统，网络、通讯及导航系统，智能交通 系统和移动多媒体系统。随着汽车的日益普及, 停车场越来越拥挤, 车辆常常需要 在停车场穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近, 驾驶 员的视野颇受限制, 碰撞和拖挂的事故时有发生, 在夜间时则更显突出。车辆安全 系统通过应用电子信息技术，使车辆实现高智能化，极大地改善车辆人机系统的安 全性，以避免事故的发生和减少伤害程度。 1.1.2 选题的目的及意义 本课题把硬件电路和电路软件有机的结合起来，完成汽车倒车报警系统的

12、设计， 能够了解单片机技术的现状，而且通过对电路系统的设计，学习掌握了数字电路从 原理图到 pcb 版的全部过程，形成完善的设计思路以及思想，并通过对汽车倒车超 声波报警器的软件设计的过程，锻炼应用 c 以及相关汇编语言等软件设计电路程序 的能力为以后参与实际工作奠定良好的设计基础。 本课题要求使用现在应用非常广泛的计算机软件 protel，随着计算机技术的 发展，计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛， protel 是人们熟悉的常用 eda 软件。作为电路设计自动化（eda）的一种工具，protel 应用于电路原理图设计、 电路板设计等，它基于 windows 环境，功能强大，人机界面友好

13、，能让人们在具有 最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。本课题将要求 protel 在电路设计 中的应用，包括电路原理图设计和印刷电路板设计以及设计过程中遇到的问题和解 决方法。这样使学生也能将所学与所用有机结合起来，在步入工作岗位之前得到全 方位的工程设计训练。 通过对汽车倒车报警电路的设计能初步具有用 protel 软件设计电路原理图以 及电路版图的能力。与实际电路相结合，通过理论联系实际的方法，使所学的知识 西南科技大学本科毕业设计论文 2 通过自己设计思考真正应用到实践中。 微波探测技术在军用和民用领域里的广泛使用，使得通过这次毕业设计所学到 的此方面的知识将会有很强的实用性。本

14、设计要求对汽车倒车超声波报警器进行硬 件设计，可以通过完成本次设计，练习 protel 软件的使用，增加硬件设计的经验。 随着社会进步，经济发展，人民生活水平的不断提高，拥有汽车的家庭逐渐增 多，交通问题也同时出现了：交通拥挤，各种不同的场合停车、倒车困难。许多非 职业汽车驾驶员更是希望能有一种汽车倒车报警器，在倒车时不断测量汽车尾部与 其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信 号，以提高汽车倒车时的安全性。 汽车倒车超声波报警器设计就是为了确保驾驶员和汽车的安全，使驾驶员在倒 车时能明确与后面车辆、建筑的距离，确保倒车的安全。它具有显示功能，能够客 观显示车后

15、物体与车尾之间的距离。它可望成为新手驾驶员，以及后视不良车辆如 大货车、公共汽车、集装箱车等车辆驾驶员倒车的好帮手，也可用于夜间辅助倒车 及倒车入库。 1.2 超声波测距系统研究现状以及存在的问题 1.2.1 超声波测距系统研究现状 随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前 2 种 方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术 难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波

16、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能达 到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。随着自动测 量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。 超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法， 它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干 扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆 自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速 西南科技大学本科毕业设计论文 3 较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构

17、信息很容易检测出来，具有很高的 分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积 小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。 1.2.2 探测盲区问题 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，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造 成发送部分与接受部分的直接串扰问题。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 的避免了干扰，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。 1.3 论文的主要内

18、容 论文将介绍超声波测距系统设计的方案选择与硬件的设计与调试。全文共分为 五章，本章介绍了超声波测距系统设计的研究现状和本课题的选题目的与意义；第 二章介绍超声波测距系统的总体设计方案，并对每个模块进行了方案论证与选择； 第三章介绍了超声波测距系统的原理；第四章介绍了各单元模块的硬件电路设计与 实现；第五章介绍了系统的调试过程和调试结果，最后总结了整个设计中有待改进 的地方。 西南科技大学本科毕业设计论文 4 第二章 超声波测距系统的原理 2.1 超声波的测距原理 2.1.1 测距的电路原理框图 构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能 模块单片机控制器及一些辅

19、助电路。 采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为 反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的 各种损失和干扰，提高系统的可靠性。 根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距 传感器 tct4016t/r（t 表示发射传感器，r 表示接收传感器） ，最大探测距离为 6m，发射扩散角为 60 度。同时，采用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完成，超声波测距器的系统框图如下图 2-1 所示。 图图 2-1 测距的电路原理框图测距的电路原理框图 通过单

20、片机的 i/o 口控制超声波发射电路发出 40khz 的超声波，与此同时单片机内 计数器开始计时；经过延迟后开启超声波接收电路，当接收电路收到经障碍物反射的回 波后，计数器计时结束。通过单片机计算出即时距离，在显示电路显示出来，若低于警 戒距离则开启报警。 2.1.2 工作原理 人能听到的声音频率为：20hz20khz，即为可听声波，超出此频率范围的声音， 即 20hz 以下的声音称为低频声波，20khz 以上的声音称为超声波。超声波是一种只有 电源电路 超声波接收 电路 超声波发射 电路 单 片 机 报警电路 显示电路 复位电路 西南科技大学本科毕业设计论文 5 少数生物（如蝙蝠、海豚）才能

21、感觉的机械波，其频率在 20khz 以上，波长短，绕射小、 能定向传播。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用 超声波的这种性能就可制成超声波传感器。 本设计采用的超声波是 40khz。超声波的纵向分辨率较高，对色彩和光照度不敏感， 对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本设计采用的超声波传感 器往返距离为 15m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。 超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂。 在这里使用脉冲反射式。超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射时刻的同时开

22、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 声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为c，而根据计时 器记录的测出发射和接收回波的时间差就可以计算出发射点距障碍物的距离l。超声 0 t 波测距的算法原理如图2-2所示： 图图2-2 超声波测距的算法原理图超声波测距的算法原理图 计算公式为： c= 331. 5 + 0. 607 t （2-1） 式中：c为超声波在空气中传播速度；t为环境温度。 l= （2-2） 10 0 22 c ttct 式中：c为被测距离；为发射超声脉冲与接收其回波的时间差； 为超声回 10 tt 1 t 波接收时刻；为超声脉冲发射时刻。

23、用单片机可以很方便地测量时刻和 时刻，根 0 t 0 t 1 t 据以上公式，用软件编程即可得到被测距离l。 这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表 2-1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基 西南科技大学本科毕业设计论文 6 本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表表2-1 声速与温度关系表声速与温度关系表 温度()3020100102030100 声速(米秒)313319325323338344349386 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距系统 的机理。本设

24、计认为在实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高， 将超声波波速c认为是不变的常数。 另一种补偿方法就是用查表法，查上面温度与声速的对应表，再适当插值补偿。这 种方法精确度较高。在这里考虑到设计上的简易性，没有进行补偿，能达到简单应用的 基本要求。 该系统的工作原理：由微机编程送出 40khz 频率的方波信号至信号处理器，信号处 理器通过两级放大，再经过压电换能器将信号发射出去，该信号遇到障碍物反射回来在 此称为回波。同时，压电换能器将接收的回波，通过信号处理的检波放大、积分整形及 一系列常见电路的处理，送至微机处理。显示器的声音告警频率、发光二极管方位指示 及障碍物距超声波探头

25、的距离显示均由单片机控制。 2.1.3 超声波测距的工作方式 利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达 到测量距离的作用。其主要有三种测距方法： 相位检测法，相位检测法虽然精度高,但检测范围有限。 声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响。 渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设 计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接 收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。 本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感 器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波）

26、 ，通过接收自身发射的 超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从 而得到障碍物到车辆的距离。 2.1.4 信号处理技术 测量过程是由单片机部分和超声波信号处理电路共同完成的，一次测量的全过程为 西南科技大学本科毕业设计论文 7 40ms。发射时，将 40khz 的超声波信号和一个同步脉冲信号加到与门，同步脉冲信号 通过与门控制发射超声波。单片机将同步脉冲的起始时刻定为， 超声波接收电路将 0 t 接收到的信号加到单片机中，若检测到信号，则记下该时刻 ，由时间差 = ， 1 tt 1 t 0 t 即可算得障碍物与超声探头之间的距离。若单片机系统接收不到超声波回

27、波信号，则到 40 ms 时重复上述过程开始下一轮的循环。 在超声波发出后，如果直接进入检测状态，则势必浪费时间，因为此系统有最小测 量距离，当距离最小时，即为时间差最小，记为 ，所以此时间可以用来处理别t min t 的数据。本设计中计算子程序就是在此时间里完成的，这样就节省了一些时间。 2.2 超声波探头的主要作用 探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲； 控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩 散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分 辨率； 实现波型转换； 控制工作频率，适用于不同的工作条件。 2.3 小

28、结 本章介绍了超声波测距系统的测距原理、超声波测距的工作方式以及测距中如何进 行信号处理优化，并阐述了超声波测距的基本概念理论基础、设计计算的主要方法和内 容。 西南科技大学本科毕业设计论文 8 第三章 汽车倒车超声波报警器设计方案比较与选择 3.1 汽车倒车超声波报警器的总体方案设计 3.1.1 方案的拟定条件 本设计首先要根据毕业设计任务书中的要求（最大测距 6m，最小测距 0.20m，显 示分辨率 0.02m，实时数字显示测得的距离；在不同的距离范围内发出不同的声光报警 信号；驾驶员可根据个人需要调整设置报警距离本报警器与其它报警器相比具有功能 多、电路简单、操作简便、工作稳定可靠等优点

29、）来进行器件选择，如谐振频率是多少， 带宽为多少，q 值、声压输出、波束指向性、电容、驱动电压、功率是多少才能达到设 计要求，在什么样的环境特性下才能正常工作，市场上是否容易找到，便宜且应用较广 否，这些都是需要考虑的问题。只有在这样的条件下，方案才能顺利确定，设计才能顺 利展开。 3.1.2 模型的建立 汽车倒车雷达是利用超声波测距原理，不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离， 在一定距离范围内给驾驶者以警示，同时由高亮度数码管显示出所测的距离值，提高汽 车在倒车时的安全性。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，可由单片机测出从发射到接收到回波的时间，计算出障碍物到汽车

30、尾部的距离 s=ct/2，式中 c 为超声波波速。尽管超声波波速与环境温度有关，但汽车倒车雷达在 实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高，将超声波波速 c 认为是 不变的常数。 测距系统模型应如图 3-1 所示。 3.2 超声波测距系统的器件选择 3.2.1 微控制器的选择 单片机是本检测系统的核心，它完成系统的功能设定、测量对象选择、信号处理存 储、驱动 led 显示等功能。起初对于是选择 at89s51 芯片，还是 at89c51 芯片举棋 不定，觉得二者区别不大，后来查阅相关资料发现 at89s51 相对于 at89c51 增加了很 多新功能，性能有了较大提升，价格却基本

31、不变，甚至比 89c51 更低。 西南科技大学本科毕业设计论文 9 图图 3-1 测距模型测距模型 at89s51 支持 isp 在线编程功能，串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压 也仅仅需要 45v 即可。这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯 片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。而 at89c51 只支持并行写入，同时需 要 vpp 烧写高压。 最高工作频率为 33mhz，大家都知道 89c51 的极限工作频率是 24m，就是说 s51 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 烧写寿命更长：89s5*标称的 1000 次，实际最少是 1000 次10000 次

32、，这样更 有利初学者反复烧写，减低学习成本。综合上面的一些区别，个人认为 89c51 的停止使 用只是时间问题而已，就象当年的 8031。 内部集成看门狗计时器，不再需要像 89c51 那样外接看门狗计时器单元电路。 双数据指示器。 电源关闭标识及电源范围：89s5*电源范围宽达 45.5v，而 89c5*系列在低于 4.8v 和高于 5.3v 的时候则无法正常工作。 全新的加密算法，这使得对于 89s51 的解密变为不可能，程序的保密性大大加强， 这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、89c51 等等早期 mcs-51 兼容产

33、品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单 片机是 8051 还是 89c51 还是 mcs-51 等等） ，在 89s51 上一样可以照常运行，这就是所 谓的向下兼容。 此外，at89s51 设计和配置了振荡频率可为 0hz 并可通过软件设置省电模式。空 声光报警 测距系统 超声波发送 超声波回波测量 数据显示 显示 单片 机 控制 西南科技大学本科毕业设计论文 10 闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉 电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 比较结果：就如同 intel 的 p

34、3 向 p4 升级一样，虽然都可以跑 windows98，不过 速度是不同的。从 at89c51 升级到 at89s51，也是同理。和 s51 比起来，c51 就要逊 色一些，实际应用市场方面技术的进步是永远向前的。 3.2.2 显示模块器件的选择 在单片机小系统中，显示模块可以反映系统工作和运行结果，在系统中占有相当重 要地位。常用的显示有：led 显示和 lcd 显示。 led 显示的硬件电路设计简单、价格便宜，缺点是显示消耗的电流较高，体积大， 在低功耗手持式仪器中很少使用。 lcd 显示具有低功耗、体积小特点，越来越多地应用于以单片机为核心的便携式 仪表和测试仪中。采用 lcd 来显示

35、检测到的温湿度参数，降低系统功耗。 本设计显示部分采用简单的 4 位共阳 led 数码管，段码驱动用 74ls245 集成电路， 位码用 s8550（也可用 9012）三极管驱动。 3.2.3 超声波传感器的选择 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于 声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、 绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体 的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到 杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此

36、超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 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，或者超声波探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率 超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波） 、斜探头（横波） 、 表面波探头（表面波） 、兰姆波探头（兰姆波） 、双探头（一个探头反射、一个探头接收） 等。 超声波探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料 西南科技大学本科毕业设计论文 11 可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探

37、头的性能是不同的， 使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： 工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率 和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功 率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声波探头的温 度比较高，需要单独的制冷设备。 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度 低。 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

38、类是用机械方式产生超 声波。电气方式包括压电型、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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 本次设计就选用压电式超声波发生器，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。超声波发生器内部结构如图 3-2 所示，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，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这

39、时它就成为 超声波接收器了。 图图 3-2 超声波换能器内部结构超声波换能器内部结构 超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志 （一般器件上有标明是 t 还是 r，t：发射换能器，r：接受换能器） 。超声波换能器外部 共振板 压电晶片 电极 西南科技大学本科毕业设计论文 12 结构如图 3-3 所示。 图图 3-3 超声波换能器外部结构超声波换能器外部结构 每个传感器的中心频率都存在一定的误差，在 40khz 左右波动。而且超声波传感器 发射波束时存在发散角问题，一般发散角都比较大，从而导致了方向性较差。同时，随 着传播距离的增大，在不同的发散角上信号衰减的程度也

40、有变化。它在空气中的发散角 及耗散性如图 3-4 所示。 图图 3-4 发散角与耗散性发散角与耗散性 3.3 小结 本章介绍了超声波测距系统的工作原理和超声波测距系统微控制器的特点，提出了 超声波测距设计的总体方案，对各功能模块的方案进行了比较，分析了常用的传感器， 选定了超声波测距系统设计所需的器件。 西南科技大学本科毕业设计论文 13 第四章 超声波测距系统的硬件设计 4.1 硬件设计工具平台简介 电路及 pcb 设计是 eda 技术中的一个重要内容，而 eda 技术是现代电子工程领 域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。protel 是其中 比较杰出的一个软件，

41、在国内流行最早、应用面最宽。protel dxp 是 altium（protel technology 前身）公司在 2002 年 8 月推出的一套最新 protel dxp 电路板设计软件平台。 该平台运行与 windows xp/2000 操作系统。protel dxp 不仅继承了 protel 系列产品的优 点，更重要的是将所有设计工具集成于设计系统一身。通过把设计输入仿真、pcb 绘制 仿真、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为用户提供了全 程的设计解决方案，使用户可以轻松的进行各种复杂的电路板设计。 使用 protel dxp 设计印刷电路板的第一步就是要设计电

42、路原理图，只有正确设计电 路原理图，生成相应的网络表之后才能生成 pcb 文件。在设计时，先分析系统，在进 行模块化的设计，将各部分电路分别设计，得到个模块电路，在通过融合，实现整体电 路的设计，还可以将所有模块在一张比较大的图纸上全部画出来，但在同一张纸以模块 的形式分别设计电路图，这样在设计过程中思维比较清晰，设计过程比较简单，而且更 容易检查错误。原理图的设计相对简单，在设计完成后要先通过编译无误后才生成网络 表，原理图常见错误有： 管脚没有接入信号； 放置导线时wire与绘图工具中line混用，wire具有电气特性而line不具有； 元件放到图纸界外； 创建的工程文件网络表只能部分调入

43、pcb：生成netlist时没有选择为global； 在设计好原理图，通过编译检查，生成了网络表之后的工作就是绘制 pcb 板图了。 在导入网络表之前，要确定原理图中的元件都有 pcb 封装。如果使用的器件在 protel dxp 软件的 pcb 库中是没有封装的，那就要求自己按照器件的技术手册封装所需元件 了。在封装 pcb 元件是应注意以下几点： 原理图中所填元件的封装要与pcb元件库中的名称一致。 原理图中元件的引脚名称要与pcb元件库中的引脚名称一致。 直插式元件封装的孔要比元件的实际尺寸稍微大些，贴片元件的引脚封装应在条 西南科技大学本科毕业设计论文 14 件允许的范围内尽量加宽、加

44、长，这样才有利于焊接。 完成以上几步后，将网络表导入到pcb文件中，生成pcb板图。在导入网络表的时 候通常会出现以下的错误： 原理图中的元件使用了pcb库中没有的封装。 原理图中的元件使用了pcb库中名称不一致的封装。 原理图中的元件使用了pcb库中pin number不一致的封装。 网络表成功导入 pcb 文件之后对器件进行布局，元件的布局有自动布局和手工布 局两中方式，由于自动布局的效果往往不能令人满意，所以一般都需要进行手工调整。 良好的布局可以降低 pcb 布线的难度。布局应遵循以下一般原则： 首先，要考虑 pcb 尺寸大小。pcb 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力 下降

45、，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定 pcb 尺寸后， 再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则： 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干 扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电 引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 重量超过 15g 的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热 量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机

46、箱底板上，且应考虑散热问题， 热敏元件应远离发热元件。 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整 机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其 位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。 根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号 尽可能保持一致的方向。 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、 紧凑地排列在 pcb 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 在

47、高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器 西南科技大学本科毕业设计论文 15 件平行排列，这样，不但美观，而且装焊容易，也易于批量生产。 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于 2mm。电路板的最佳形状 为矩形，长宽比为 3：2 或 4：3。电路板面尺寸大于 200150mm 时，应考虑电路板所 受的机械强度。 布线的方式也有两种：自动布线及手工布线，自动布线效率高，但有时布线的结果 不尽如人意，这是因为自动布线的功能主要是实现电气网络之间的连接。在自动布线的 实施过程中，很少考虑到特殊的电气、物理和散热等要求，因此必须通过手工来进行调 整，使电路板既能实现

48、正确的电气连接，又能满足用户的设计要求。手工调整布线的最 简便的方法是对不合理的布线，采取先拆线，后手工布线。在布线的过程中应注意的问 题有： 输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。 尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的宽度关系是：地线 电源线信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm,最经细宽度可达 0.050.07mm,电源 线为 1.22.5 mm。对数字电路的 pcb 可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网 来使用(模拟电路的地不能这样使用) 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的 地方都与地相连接作为地线用。 焊盘时，焊盘中心孔要比器件引线直

49、径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径 d 一般不小于(d+1.2)mm，其中 d 为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可 取(d+1.0)mm。 此外，还应注意以下两点： 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放 电，必须采用 rc 电路来吸收放电电流，一般 r 取 12k，c 取 2.247uf。 cmos 的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。 4.2 超声波测距系统的硬件设计 51 系列单片机中典型芯片(如 at89s51) 采用 40 引脚双列直插封装(dip)形式，内 部由 cpu，4kb 的 rom，256b 的

50、 ram，2 个 16b 的定时/计数器 t0 和 t1，4 个 8b 的 i/o 端口 p0、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(prom )，使其在实际中有着十分广泛的用 2 e 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。该系列单片机引脚图如 西南科技大学本科毕业设计论文 16 图 4-1 所示，同时也为了对下面超声波测距系统的硬件设计进行更清楚的叙述，对其引 脚标了号。 51 系列单片机提供以下功能: 4kb 存储器；256bram；32 条 i/o 线；2 个 16b 定 时/计数器；5 个 2

51、 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。 51 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。 图图 4-1 at89s51 引脚图引脚图 4.2.1 超声波发射电路的设计 超声波发射电路原理图如图 4-2 所示。 设计原理：发射电路主要由反向器 74ls04 和超声波换能器 t 构成，at89s51 单片 机 p1.0

52、端口输出的 40khz 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。用这种推挽形式将方波信号加 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 r8、r9 一方面可以提 西南科技大学本科毕业设计论文 17 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， 缩短其自由振荡的时间。 在实验制作和电路改进中，为了增加测量效果，可以考虑提高接收的灵敏度，但是 灵敏度也并不是越高就越好。接收灵敏度过高，容易引起自激，结果反而不好，其实可 以从增加发射功

53、率方面着手，只要在发射头两端加个线圈。线圈可以用 0.01mm 的铜丝 在小磁环绕成大致初级 10 匝，次级 40 匝左右。 图图 4-2 超声波发射电路超声波发射电路 4.2.2 超声波检测接收电路的设计 本超声波测距仪的接收电路采用集成块 cx20106a，其总放大增益为 80db 以保证 7 脚输出的控制脉冲序列信号幅度在 3.5-5v 以内。超声接收换能器 ucm-40r 接收到的 信号经 c9 电容耦合至输入端 1 脚，总增益大小由 2 脚接收器 r、c 决定。r 越小，c 越大增益越高，c9 选值过大将造成频率响应变差，为了兼顾总增益和频率特性 r14 取 4.7，c17 取 3.

54、3f，3 脚 c 为检波电容，选 3.3f，当其容量减小时，瞬态响应， 灵敏度会有所提高，但检波输出脉冲宽度变动也较大。带通滤波特性，可由 5 脚 r15 电 阻决定其值在 210k-220k 间调整，本设计 r15 定为 200k。用金属膜电阻调试，若其阻 值偏差过大，中心频率也将相对偏移。所以当信号经过带通滤波器时，增益将大大降低， 6 脚 c6 电容为比较积分电容，7 脚 r16 为输出负载电阻，104pf 电容 c11 为电源滤波 元件，当电容容量减小或失效时，将造成滤波不良，可能干扰接收输入端。超声波接收 电路如图 4-3 所示。 cx20106 是红外遥控接收前置放大双极性电路，引

55、脚意义如下： 1 in 遥控信号输入端(此脚与地之间接红外线接收二极管 2 前置放大器频率特性和增益设定(此脚与地之间接 rc 串连电路) 1 c 3 接检波电容 2 c 西南科技大学本科毕业设计论文 18 4 gnd 接地 5 设定带通滤波器的中心频率(此脚与电源间接电阻) 0 f 6 外接积分电容 3 c 7 out 遥控指令输出端 8 外接电源 cc v 典型电压 5v，典型功耗 9mw。带通滤波器的中心频率可由电阻调节，范围 3060khz。配套使用型号为 m50462ap。 图图 4-3 超声波接收电路超声波接收电路 4.2.3 超声波蜂鸣报警电路的设计 蜂鸣报警电路是采用扬声器来对

56、所设置的报警距离实施报警，以向驾驶员提出警示。 本系统可以设定距离值，当大于或小于设定值时将发出控制信号。当小于设定值时， 进入蜂鸣报警状态，通过一个 npn 晶体管来驱动蜂鸣器，不需要复杂的滤波和放大电 路，具有自动平滑功能，蜂鸣器鸣响。 超声波蜂鸣报警电路如图 4-4 所示。 西南科技大学本科毕业设计论文 19 图图 4-4 超声波蜂鸣报警电路超声波蜂鸣报警电路 4.2.4 超声波系统键盘电路的设计 键盘电路是用来对最大测距、最小测距以及有关参数进行设置。 键盘输入：开启值 30-1000 厘米，关闭值 30-1000 厘米（在该范围内任意设置） 。本 系统由一个按键启动/停止系统，由三个

57、按键设定距离值：的作用是进入和退出设定， 1 s 2 s 和：分别是向上加值和向下减值，每按一次加或减一厘米，由数码管输出显示。超 3 s 4 s 声波系统键盘电路如图 4-5 示。 图图 4-5 超声波系统键盘电路超声波系统键盘电路 4.2.5 超声波滤波整流电路的设计 超声波滤波整流电路如图 4-6 所示。该电路是用来把反射信号转换为标准电平信号， 通过整形把检波后得到的不标准的脉冲波整形为标准脉冲波。 信号整形电路：当接收到的信号从信号筛选电路中出来之后是一个很不规则的方波 信号，希望最好得到一脉冲信号，经过此部分电路处理过后再送进单片机中进行处理运 算。 西南科技大学本科毕业设计论文

58、20 因为多谐振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉。本信号 筛选电路在整个电路中可以说起到非常重要的作用，通过对它的适当调整，可以有效地 滤除由于外界干扰带来的非超声波信号进入超声波接收系统，从而大大提高了本电路的 抗干扰性。 图图 4-6 超声波滤波整流电路超声波滤波整流电路 4.2.6 时钟和复位电路设计 （1）复位电路的设计 在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时， 将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51 芯片便循环复位。复位后 p0p3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 sfr 全部清零。当复位脚由高

59、电平 变为低电平时，芯片为 rom 的 00h 处开始运行程序。复位操作不会对内部 ram 有所 影响。 （2）时钟电路的设计 时钟振荡器： at89s51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶 体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 西南科技大学本科毕业设计论文 21 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 c1，c2 接在放大器的反馈回路中构成并联 谐振电路。对外接电容 c20，c25 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微 影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序

60、及温度稳定性，如果使用 石英晶体，推荐电容使用 30pf10pf ,而使用陶瓷谐振器建议选择 40pf10pf。 可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟接到 xtal1 端，即内部时钟发生器的 输入端，xtal2 则悬空。 由于外部时钟信号是通过一个二分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时 钟信号的占空比没有特殊的要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符 合产品技术条件的要求。时钟复位电路如图 4-7 所示： 图图 4-7 时钟和复位电路时钟和复位电路 4.2.7 扩展显示电路的设计 回波经过 at89s51 对接收到的信息进行处理后，被测的距离在 led 上显示。 显示电路