毕业设计（论文）基于单片机的汽车倒车系统设计与实现

1、 university毕业设计（论文）资料设计（论文）题目： 基于单片机的汽车倒车系统设计与实现 系部： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 学院教务处 二一一年二月制目 录第一部分 毕业论文一、毕业论文第二部分 过程管理资料一、 毕业设计（论文）课题任务书二、 本科毕业设计（论文）开题报告三、 本科毕业设计（论文）中期报告四、 毕业设计（论文）指导教师评阅表五、 毕业设计（论文）评阅教师评阅表六、 毕业设计（论文）答辩评审表 2011届本科生毕业设计（论文）资料第一部分 毕业论文（2011届）本科生毕业论文基于单片机的汽车倒车系统设计与实现系部：

2、专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 高级工程师 最终评定成绩 2011年 5 月 学院本科生毕业论文基于单片机的汽车倒车系统设计与实现系 （部）：专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 高级工程师2011年5月摘 要随着社会经济的发展和交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大幅攀升。越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。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。因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车报警器应运而生。本文详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距报警系统。本设计主要以at89s52单片机芯

3、片为核心，利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和at89s52单片机结合于一体，显示超声波测距的设计方法。阐述了超声波传感器的原理及特性，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、报警子程序等模块组成。论文介绍了系统的主要软件结构，通过编写程序来实现系统功能。硬件电路包括滤波电路、放大电路和整形电路。最后，分析影响系统的因素和通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以实现汽车倒车报警。关键字：单片机，超声波传感器，测距，汽车倒车系统，报警abstractwith the de

4、velopment of social economy and transportation industry is booming, the number of cars in greatly increased. more and more people have their own cars, the accidents caused by parking and reversing had increased at the same time. in view of this situation, design a kind of fast response, high reliabi

5、lity and cheaper the automotive anti-collision warning system is imperative. therefore, help drivers parking and of reversing the reverse alarm arises at the historic moment. this paper introduces a kind of based on microcontroller pulse reflecting type ultrasonic ranging measuring alarm system. thi

6、s design mainly at89s52 microcontroller core, using ultrasonic sensors for the features and advantages of the ultrasonic ranging system, combining the ultrasonic ranging system at89s52 microcontroller, display ultrasonic ranging design method. expounds the principle and characteristics of ultrasonic

7、 sensor, the entire circuit uses modular design, the main program, preset subroutines, launch subroutines, receiving subroutines, display subroutines, alarm subroutines etc module. this paper introduces the main software structure, system by writing a program to achieve system function. hardware cir

8、cuit including filter circuit, amplifying circuit and shaping circuit. finally, analyzes the influential factors and through the system error of the system analysis, presented system improvement plan. the system hardware and software design is reasonable, strong anti-jamming capability, good real-ti

9、me performance, after system extension and upgrades, can effectively solve auto reverse alarm system.keywords：microcontroller, ultrasonic sensors, ranging, auto reversing system ,alarm目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 倒车报警系统的研究现状11.1.1 倒车报警系统研究的背景及意义11.1.2 国内外倒车报警系统发展现状21.1.3 倒车报警系统未来发展趋势21.2 超声波检测的发展综述3第

10、2章 超声波工作原理及系统相关器件介绍52.1 超声波的简介52.1.1 超声波的定义52.1.2 超声波的发展史52.1.3 超声波的特点62.1.4 超声波的应用62.2 超声波传感器概述72.3 超声波传感器的特性72.3.1 频率特性72.3.2 指向特性82.3.3 阻抗特性82.4 超声波传感器的工作原理92.5 超声波传感器的应用102.6 超声波测距的原理与实现102.7 at89s52单片机简介112.7.1 单片机主要参数122.7.2 单片机引脚及其主要功能132.8 运算放大电路152.9 ucm探头介绍16第3章 测距报警系统硬件方案的设计173.1系统总体方案设计1

11、73.2 系统各组成单元设计173.2.1 超声波测距单片机系统设计183.2.2 超声波发射接收电路方案设计193.2.3 显示电路方案设计203.2.4 报警电路方案设计203.3 系统主要参数213.3.1 传感器的指向角213.3.2 测距装置的工作频率213.2.3 声速223.2.4 发射脉冲宽度223.2.5 测量盲区22第4章 系统的软件设计与实现244.1 主程序设计及其流程图244.2 超声波测距的计算254.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序274.4 中断服务程序274.4.1 定时中断子程序274.4.2 外部中断子程序284.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序29

12、4.6 信号处理304.7 程序主要算法314.7.1 显示功能模块314.7.2 终断处理程序334.7.3 超声波测距子程序334.7.4 键盘处理函数35第5章 系统误差分析及解决方案375.1 影响超声波探测的因素375.2 超声波测距的误差分析375.2.1 温度误差385.2.2 时间误差385.2.3 回波检测对时间测量的影响385.3 解决方案395.3.1 温度补偿395.3.2 提高计时精度，减少时间量化误差405.3.3 时间增益补偿电路405.3.4 小波去噪415.4 本系统可以实现的误差处理425.4.1 本系统以实现的误差处理435.4.2 本系统未实现的误差处理

13、43结 论44参考文献45附 录46致 谢55第1章 绪论1.1 倒车报警系统的研究现状随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大幅度攀升。交通拥挤的状况也日趋严重，撞车事件时时发生，造成了不可避免的较大人身伤亡和经济损失。针对这种情况，设计一种响应快，可靠性较高而且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行。超声波测距法是比较常见的一种距离测距方法，应用于汽车倒车的前后左右防撞的具体距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并且利用

14、指示灯及蜂鸣器把车辆后面到障碍物的距离及位置报告给驾驶人员，起到安全的作用1。1.1.1 倒车报警系统研究的背景及意义为了减少倒车碰撞带来的损失，需要有一种专门帮助司机来安全倒车的装置。目前市场上用于辅助司机倒车的装置主要有：语音告警装置、后视系统以及倒车报警系统等。语音告警装置用于播放提示语以提醒车后的行人注意避让正在倒车的汽车。这种装置价格便宜而且使用方便，但是缺点是只能对车后的行人只能起告警作用，对于其他障碍物则不起作用，还是司机要自己注意周围，所以其应用范围有限。后视系统是由视频捕捉装置和视频播放装置组成，通过视频司机可以很直接地看到车后的障碍物。这样就比较精确的判断障碍物距离车子的距

15、离，但是由于这类装置的价钱较高，目前还没有普及，只有高档车有这样的后视系统。据统计，由于车后盲区所造成的交通事故在中国约占30%，美国20%，交管部门建议车主安装多曲率大视野后视镜来减少车后盲区，提高车辆的安全性能，但依旧无法有效降低并控制事故的发生。汽车尾部盲区所潜在的危险，往往会给人们带来生命财产的重大损失以及精神上的严重伤害。对于新手司机或女士而言，每次倒车时更是可以用瞻前顾后，胆战心惊来形容。因此，设计好的超声波倒车报警系统就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义4。1.1.2 国内外倒车报警系统发展现状刚开始，倒车报警系统只是宝马、奔驰等高档系列车型的专利，但在近两年来，在汽

16、车用品行业大环境的繁荣下也非常迅速发展，越来越多的中高档车开始安装倒车报警系统，甚至一些车厂也开始配置倒车报警系统，倒车报警系统成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车报警系统，可以这么说，几乎生产防盗器的厂家都在生产倒车报警系统2。在2008年推出了智能轨迹倒车系统，也是国内首家推出该系统的企业。目前倒车报警系统已形成一个较大的行业，呈现出一派欣欣向荣和激烈竞争的态势。根据有关机构统计，2010年我国汽车产量继续高速发展，全年累计产量达到888.24万辆，同比增长22.02%，其中乘用车产量为783.11万辆，占总产量的76.9%。照此增速，2011年我国乘用车产量有望超过920

17、万辆。我国汽车产量的增长也推动我国汽车倒车报警系统市场的发展。据奥尔威咨询刚完成的报告显示，2011年我国倒车报警系统市场规模为195万套，安装比例为30.6%4。近几年，一些新出厂的中低档车型也开始配置中倒车报警系统。如上海通用别克君威除2.0之外，其余的车型都配置倒车报警系统；一汽大众2006年6月以后生产的捷达豪华型轿车;北京现代的伊兰特、索纳塔、途胜；东南汽车的三菱戈蓝、三菱蓝瑟；上海大众的帕萨特增值版、polo劲情;广州本田的雅阁、奥德赛、两厢飞度;神龙汽车的东风雪铁龙c6、新萨拉毕加索、爱丽舍、赛纳；江淮汽车的瑞风祥和；奇瑞汽车的a51.6；东风悦达起亚的rio千里马，长安福特的蒙

18、迪欧、两厢福克斯等车型，均配置了倒车报警系统。现在的汽车厂已经开始配套倒车报警系统产品，在国内中档主流车型中几乎都配套了倒车报警系统，来作为汽车销售的一大亮点。而在国内高档主流车型中，已经全部装配了倒车辅助系统（包括智能轨迹倒车系统、智能泊车系统等）。但目前高端的倒车系统已经向中高端、中端延伸发展配套4。经过几年的发展，倒车报警系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是超声波测距倒车报警系统、倒车后视系统、车载监视系统等几种4。1.1.3 倒车报警系统未来发展趋势新一代的倒车报警系统将会出现，而智能泊车报警系统无疑就是新一代倒车报警系

19、统的最佳代表。当电脑计算出停车区域，就会在显示屏上显示，司机只需要根据提示按下开始键，就可以开始轻轻松松泊车。如果您的车速过快，语音会提示您“车速过快，请慢行”。车停好后，再次听到语音提醒：“已入位，请制动”。智能泊车系统配上语音提示，更加人性化。让新手们束手无策地倒车入库，此刻变得非常简单4。倒车报警系统在车厂配套市场的应用范围将不断扩大是毫无疑问。目前的市场趋势已经倾向于智能轨迹报警系统上。虽然国内倒车报警系统市场主要由台资和其他外资汽车配件企业占据了较大优势，虽然国内倒车系统企业很少能直接合资汽车厂商达成供货协议。但一些厂家通过赴车厂举办技术交流会向国内整车厂推智能轨迹倒车报警系统技术优

20、势。可以认为，在未来三到五年内，随着中国倒车报警系统生产厂家知名度和产品品质的进一步提高，本土企业的倒车报警系统产品将会逐步进入国内整车厂的供应体系，有的甚至进入国际汽车厂商的全球供应体系4。倒车报警系统将会被淘汰。由于现在汽车消费者的消费观念与消费倾向，据权威机构调查了解，大部分的汽车消费者对现在汽车的要求不断增加，从已经的拥有汽车到现在的拥有智能、安全、个性以及舒适的汽车，汽车成为现代人生活、工作、居家旅行等不可或缺的重要伙伴。所以在此消费观念和市场的驱动下，倒车报警系统将会在未来几年中消失。取代倒车报警系统的是智能轨迹倒车系统4。1.2 超声波检测的发展综述高速度，高效率是现代工业化的标

21、志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解非均一的组织结构，随机会出现的微观，宏观缺陷，有时只能依靠无损检测技术的运用才能予以发现。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力有关，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力6。我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等

22、优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等重工业的领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具了很重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内的一些学者也做了一系列相关研究。对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度以及温度对超声波速度影响，三者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法12。超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着极其重要的作用。它提供了评价固体

23、材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于超声波信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有a扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员仔细的对信号进行人工分析才能得出较为正确的结论，对检测和分析人员的能力要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易被记录和保存，很不适宜完成自动化检测。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展的一个方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。目前国

24、内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（panametrics）公司、metec公司，加拿大的r/d tech公司，德国的k-k公司、法国的sofratest公司和西班牙的tecnatom公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声

25、仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000a 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平12。目前，计算机市场

26、价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。第2章 超声波工作原理及系统相关器件介绍2.1 超声波的简介2.1.1 超声波的定义超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速

27、，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名6。2.1.2 超声波的发展史在国外方面，自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。 1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。 40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议

28、上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。 在国内超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800khz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。 40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在21

29、世纪(hifu)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术6。 2.1.3 超声波的特点(一) 超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 (二) 超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。(三) 超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带传声媒质状态的信息。 (四) 超声波可传递很强的能量。 (五) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 (六) 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2.1.4 超声波的应用超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：(一)超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声

30、波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不

31、同而已。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现，通常用摄像机和电视机作实时观察。(二)超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。(三)基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的

32、输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质 。但对频率在1012赫兹以上的超声波 ，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的 ，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中，声现象的研究构成了近代声学的新领域量子声学6。工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘

33、查等 。 生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 。诊断学方面的应用：a型、b型、m型、d型、双功及彩超等 。 治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 。2.2 超声波传感器概述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7。2.3 超声波传感器的

34、特性超声波传感器的基本特性有频率特性、指向特性和阻抗特性。2.3.1 频率特性图2.1 超声发射和接收传感器频率特性图2.1是超声波发射传感器的升压能及和灵敏度。其中在40khz处为超生发射传感器的中心频率，在40khz处，超声波发射传感器所产生的超声波机械波最强，也就是说在40khz处所产生的超声声压能量级是最高的。而在40khz两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用尽量接近中心频率40khz的交流电压。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器频率特性类似。曲线在40khz处曲线最为高翘，输出的电信号的幅度最大，即在40khz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有

35、很好的频率特性选择。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻r也有很大的关系，如果r很大，频率特性是高翘共振的，并且在这个共振频率上的灵敏度很高。如果r较小，频率特性变的光滑而具有较宽的宽带，同时灵敏度也随之降低7。2.3.2 指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球而波，这些子波没有一指向性。但是离开超声波传感器得到空间某一点的声压是这些子波跌加的结果，实际就是我们所说的衍射，其实却是说指向性。如图2.2所示。图2.2 超声波传感器的指向特性超声波传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，起物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时

36、声压减小。超声波传感器的指向角一般为40度到80度7。2.3.3 阻抗特性通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，而接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率；通过实验发现，发送传感器的串联谐振频率与接收传感器的并联谐振频率几乎一致。图2.3 超声波传感器的指向特性因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的型号，关键是谐振频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。 另外，超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器7。2.4 超声波传感器的工作原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式

37、：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十khz，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（pzt）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以

38、将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25khz及40-45khz。这类传感器适用于测距、遥超声波传感器控、防盗等用途。该种有t/r-40-60，t/r-40-12等（其中t表示发送，r表示接收，40表示频率为40khz，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（ma40ei型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类

39、型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测

40、距离等进行控制7。2.5 超声波传感器的应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的a型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两

41、个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头7。2.6 超

42、声波测距的原理与实现在超声波探测的电路中, 发射端输出一系列的脉冲方波, 其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔, 被测物距越远, 脉冲宽度越大, 输出脉冲个数与被测距离成正比。超声波测距的方法有多种, 如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高, 但检测范围有限可检测到汽车倒车中, 其障碍物与汽车的距离；声波幅值检测法易受反射波的影响。本文硬件设计采用超声波往返时间检测法, 其测量原理图如图2.4所示。图2.4 超声波测距原理图单片机在时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波的时候，产生一个负跳变到单片机中端口，响应单片机的中断程序，这时定时器停止计数。计

43、算所产生的时间差，即就可以得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可以计算出障碍物的距离。其时序图如2.5图所示12。图2.5 超声波时序图2.7 at89s52单片机简介单片机主要特点有优异的性能价格比；集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作；控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、i/o口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机；低功耗、低

44、电压，便于生产便携式产品。at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案3。2.7.1 单片机主要参数l 与mcs-51单片机产品兼容l 8k字节在系统可编程flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0hz33mhzl 三级加密程序存储器l 32个可编

45、程i/o口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工uart串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符2.7.2 单片机引脚及其主要功能图2.6 at89s52引脚图at89s52的引脚如上图所示。下面我们介绍下在生产过程中较常用到的一些引脚。p0 口：p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， p0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；

46、在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 ttl 逻辑电平。对p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。此外，p1.0和p1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和定时器/计数器2 的触发输入（p1.1/t2ex）。 在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4个 t

47、tl 逻辑电平。对p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 ttl 逻辑电平。对p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为

48、输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。p3口亦作为at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd(串行输出口)p3.2 into(外中断0) p3.3 int1(外中断1) p3.4 to(定时/计数器0) p3.5 t1(定时/计数器1)p3.6 wr(外部数据存储器写选通) p3.7 rd(外部数据存储器读选通)rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ea/vpp：外部访问

49、允许，欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp3。2.8 运算放大电路本超声波测距电路放大部分采用双运算放大器lm358，由于是单电源供电，需要在输入端加直流偏置电压，并设置合适的静态输出电压，以便能放大正负两个方向的变化信号。图2.7 lm358管脚图lm358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的

50、双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。 它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。lm358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 特性：内部频率补偿 直流电压增益高(约100db) 单位增益频带宽(约1mhz) 电源电压范围宽 单电源(332v) 双电源(1.5一15v) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入失调电压：2mv 共模输入电压范围宽 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大(0至vcc-1.5v)2.9 ucm探头介绍ucm探头是超声波传感器

51、上的探头，发射和接收超声波都是利用ucm探头。常用的超声传感器有t40-xx和r40-xx系列、ucm-40t、ucm-40r等。其中t代表发射传感器，r代表接收传感器，它们都是成对使用的。表2.1 ucm探头特性参数型号ucmt40k1ucmr40k1结构开放式开放式发射距离810米810米使用方式发射接收谐振频率40khz1khz40khz1khz频带宽2khz0.5khz2khz0.5khz灵敏度70db / v / ubar70db / v / ubar外形尺寸16mm22.5mm16mm22.5mm温度范围20 + 60 20 + 60 相对湿度20 5时达98%20 5时达98%第

52、3章 测距报警系统硬件方案的设计3.1系统总体方案设计由于超声波的指向性比较强，能量消耗也比较的缓慢，在介质中传播的距离较远，而在空气中的传播速度随着环境的变化差异不是很大，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，只要知道发射波和接收波的时间差就可以了，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。图3.1 超声波测距硬件电路图而硬件设计要按照上面的电路图来设计，由发射电路控制发射探头发射超声波，遇到障碍物后超声波会返回，回波经过接收探头，通过脉冲计算中间的时间差，经过at89s52单片机中处理器计算出障碍物的距离，而经过at89s52单片机后

53、led会显示出距离，而设定一个临界值，低于这个临界值就报警。3.2 系统各组成单元设计该系统主要由以下功能块系统构成：超声波传感器t/r40-16、超声波发射与接收构成的收发系统；中央控制处理器at89s52组成的主机系统；控制报警输出系统和稳定电压等。主要的系统电路有：电源电路、超声波发生器、超声波发射电路、超声波接收电路、信号放大电路、复位电路、显示电路、报警电路等。3.2.1 超声波测距单片机系统设计本系统由单片机at89s52控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路、报警系统和显示电路几部分组成。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

54、机采用at89s52。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。超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器计时，当检测到单片机由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。单片机at89s52发出短暂的40khz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至led数码管进行显示。限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、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可测距离15。图3.2 超声波测距系统框图3.2.2 超声波发射接收电路方案设计超声波发射、接收电路如图3.3所示。超声波发射部份由电阻r2及超声波发送头t40板成；接收电路由bg1、bg2x组成的两组三级管放大电路组成；检波电路、比较整形电路由c7、d1、d2及bg3组成。40khz的方波由at89s52单片机的p 3 .5驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超