1、Keywords: Microcontroller AT89S51 UltrasonicII目 录前言11 绪论11.1 超声波检测的发展11.2 单片机发展综述21.3 本设计所涉及问题的现状综述22 超声波简介32.1 超声波特点32.2 超声波传感器定义42.3 超声波传感器的特性52.3.1超声波传感器的频率特性52.3.2 指向特性62.4超声波传感器应用63 各硬件组成单元方案设计73.1 发射和接收单元方案设计73.1.1 主要模块设计73.1.2 发射接收电路中应考虑的问题83.2 显示报警单元方案设计103.2.1系统显示电路设计103.2.2 系统报警电路设计113.3 单
2、片机复位电路113.4 时钟电路113.5 驱动电路113.6 硬件电路设计124 系统硬件及软件实现124.1 单片机硬件介绍124.1.1 单片机AT89S51介绍124.2 CX20106A超声波芯片介绍134.3 探头UCM介绍144.4 系统软件结构154.4.1 软件功能154.4.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序174.4.3 延时程序175 结束语17附录1：系统图19附录2 ：主程序20参考文献：26前言伴随着中国的国内生产总值（GDP）以两位数持续增长，中国进行着日新月异的变化，汽车最为一种交通、运输工具在现代社会中扮演者不容忽视的地位，因此人们对汽车的需求也相应提高，据统计
3、2009年光是成都市平均每天新增车辆在1000辆左右。如此庞大数量的汽车数量所带来的交通问题成为城市中不容忽视的问题，不仅是城市的规划者还有庞大的汽车车主们都纷纷为此挠头，因为他们不仅要面对道路上的交通问题还要面对停车带来的各种问题。汽车作为一种机械它就有着机械本身的一个特点这就是笨拙，它不会像人或者动物一样判断问题，在倒车的过程中就会出现一系列的问题。特别是新手在倒车的过程中无法达到人车合一的境界，所以一个能使一个新手也能得心应手的把车安全的停到车位上就显得尤为必要倒车雷达（car reversing aid system ）是汽车泊车时的安全辅助装置 , 能以声音警示和距离显示提醒驾驶员后
4、方障碍物的情况 , 解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视的困扰,提高了安全性。目前市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理, 所以设计一种较低成本、较高性能的倒车雷达对国内中低端汽车市场很有价值。1 绪论1.1 超声波检测的发展19世纪人们开始研究超声波，由于超声波是声波的一个分支，只是超声波的频率超过了可听的限度。而超声波作为无损检测的方法最早是由苏联萨哈切夫1929年提出并与1936年经过首次试验并取得成功；后来分别在1943年和1946年由美国和英国开发出发出A型脉冲反射式超声波检测仪，并将其运用于钢板检测和探伤中，到了现在超声波光在各个领域均得到了相当广泛的运用。我国超声波检测仪器起
5、步较晚但是发展迅猛，20世纪50年代我国第一次引进超声波检测技术，1950年我国铁道部首次从瑞士引进的穿透式超声仪运用于路轨检测。1953年，国内首台脉冲反射式超声波检测仪在中科院长春机电研究所研制成功，由此也专门办了培训班塑造出了我国第一代超声波检测人才。到了现阶段我国的超声波技术与国际上还有一些差距，这些差距主要表现在高层次的技术上但从整体上说我国的超声波技术还是有着较高层次的研究和运用。改革开放以来中国的经济蒸蒸日上面对各式各样越来越高的生产要求和工艺要求使得超声波有了发展和进一步完善的大好机会。超声波的进一步开发和利用有待提高。1.2 单片机发展综述单片机是属于微型计算机的一种，二者既
6、有相同的地方，又有区别。单片机集成了微型计算机的很多功能部件，如具有数据处理功能的CPU、随机和只读存储器、输入/输出口和中断系统。但它们的具体结构和处理方法不同。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读存储器，这枚芯片集Flash程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，Atmel公司的功能强大，低价位AT89s51单片机可以提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。尽管AT89S51与89C51在外型管脚上完全相同，但AT89S51在在性能方面比89C51要
7、优越一些，它可以在线编程，这样在改写片内程序时，不需要将芯片从工作环境中取下来，使用更加方便；有了更高的工作频率：范围大概为33MHz，根据有关资料得知89c51的极限工作频率只有24M，使得其计算速度得到了提高；稳定性更好，抗干扰能力更强；烧写次数更多；程序的保密性大大加强；兼容性方面：AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。向89S51也可以向下兼容1比如8051、89S51等早期MCS-51兼容产品。1.3 本设计所涉及问题的现状综述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形式可以分为横波和纵波。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振
8、动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这种能量的传播方式叫做声波。 超声波是指振动频率大于20kHz的声波,由于频率超出了人耳听觉的上限（20000Hz），我们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波和声波本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式是一种能量的传播形式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。由于超声波的速度和声音传播速度差不多，其传播时间就比较容易检测，并且还具有定向发射、方向性好、强度易于控制等优点是超声波得以广泛应用的先决条件。超声波测距是一种利用声波特性，电子计数相结合来实现非接触式距离
9、测量的方法。超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体与超声波探头之间的传输来测量距离的所以它就能够在某些特定场合和环境比较恶劣的情况下使用2。超声波也是一种机械波，所以它也具有波的反射、干涉、衍射等基本物理特性。波每秒振动的次数我们称为频率，用单位赫兹来恒量其大小。声波范围在20-20000Hz时，我们人耳就能听见，在这范围之外就是我们不能感受到的声波了。高于20KHz的声波我们称为超声波，低于20Hz的声波称为次声波，所以说超声波是一种特殊的声波。由于超声波的频率很高，故它的方向性好、振幅小、穿透能力强，在医药行业、工业制造、农业生产等众多领域都得到了广泛的
10、应用。近年来，随着经济的不断发展超声波的优点逐渐被人们所周知所以对超声波技术也不断深入研究，再加上超声波本身具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波得到了越来越广泛的应用。2 超声波简介2.1 超声波特点3a.超声波的吸收特性：声波在各种介质中传播时，传播强度会随着传播距离的增加逐渐减弱，减弱程度与波的频率和传输介质有关。频率越高强度减少得越多。在固体、液体、气体的传播时，减少的程度分别是小、中、大。本次设计是用波来测距离，波的传播介质是气体，而传播强度在气体中减弱强度最大，故我们应该选择能量交大的超声波。b.超声波的束射性我们都知道光波是沿直线传播的，具有反射与折射的特性。发生反射时，入射光
11、线与出射光线在同一平面，入射角与初涉角相同。发生折射时，折射光线与折射光线也在同一平面上，折射角与发生折射的两种物质的密度差异有关，差异越多，折射角就越大。超声波的波长很短，故其具有光波的反射与折射的特性。超声波测距就是用了它的反射特性。c.超声波的能量传递特性超声波比声波具有强大得多的功率这是超声波在日常生活中得到广泛运用的一个主要原因。共振现象是指激励频率与物体的固有频率相同时，物体就会振动。当超声波在介质物质中传播时，超声波会使物质中的分子和自己一起振动，且频率相同，超声波的频率很高，物质分子的频率也很高，从而使得分子振动的速度高，能量大。而普通的声波频率不高，物质中分子获得的能量就不大
12、。首先超声波在功率方面比一般可听声更强大得多。根据有关研究实验表明，一般的讲话声音的能量是很小的而超声波所具有的能量却很大。举个列子来说假设我们想用普通说话的能量来烧开一壶水，那么相当于动员700多万人，连续大声喊叫12个小时将水壶里的水烧开而超声波具有的能量，要比一般可听声大的多，频率为100万赫兹的超声波的能量，要比同幅度的频率为1000赫兹的可听声能量大100万倍。所以由于超声波拥有如此巨大的能量，也就使得超声波在实际生产测验中得到了广泛的运用，而很多具体的应用都是基于超声波的这个特点上的。其次由于超声波的频率较高，所以超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出和普通光线一样的透
13、射、反射和折射现象（在本次倒车雷达设计中就采用的超声波的这个特点）。利用超声波聚集装置可以将超声波束会聚到一点，从而将超声波的声强提高几倍甚至几千倍，利用这样巨大的声强可以做许多很有意义的工作5。例如:超声波切割、超声波钻孔、超声波打磨等。2.2 超声波传感器定义传感器：一种能把特定信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的期间和装置6。超声传感器是利用超声波特性研制的传感器，可以实现超声能和其他形式的能互相转化的一种器件。超声波传感器的形式有很多种，主要结构由压电晶片、吸收块、保护膜和引线等部件组成。日常生活中常用的有两大类:即电声型（压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器）
14、与流体动力型（气体、液体）。压电晶体是一类十分有趣的晶体（水晶（-石英）就是一种有名的压电晶体），当外加力对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生极性不同的电荷，这种现象称为压电效应。超声波传感器的构成也主要是基于压电晶体的这个特性上的。当压电晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，会在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷我们称这种现象叫做内部极化现象。当外力去掉后，压电晶体又会恢复到不带电的状态；当在压电晶体上施加和原来方向相反的外力时，电荷的极性也与之改变。反之如果在压电晶体的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。我们把根据压电效
15、应和逆压电效应而做成的传感器称为为压电传感器。在本次设计中使用的超声波传感器采用的是双压电陶瓷晶片，这种超声传感器具有使用的压电材料较少、价格低廉等优点并且在气体和液体介质中尤其适用，这就为超声波倒车雷达提供了先决条件。在超声波超声波传感器上加交流电压时，利用压电效应就会产生大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的机械变形这时便会发射与电流同频率的超声波。反之如果有超声机械波作用在压电陶瓷晶片上，也会使压电晶片产生与超声机械波一致的机械变形，使压电陶瓷晶片产生电信号5。超声波发生器内部结构如图2.2-1所示。发射超声波时要超声传感器有较高的灵敏度加在电极上面的交变电压的频率就必须
16、与它的固有谐振频率一致。当所用压电材料不变时，其固有谐振频率只与压电陶瓷晶片的几何尺寸有关。利用这种方法可制成各种频率的超声传感器。电极压电晶片共振片图2.2-1 压电式超声波传感器结构图2.3 超声波传感器的特性2.3.1 超声波传感器的频率特性7图2.3.1-1是超声波发射传感器的频率特性曲线。可以看出超声发射传感器在f040KHz时产生的超声声压能级最高。所以，超声波发射传感器的激励交流电压一定要为f0才能产生最强的机械波能量。同理，超声波接收传感器的频率特性也要在特定频率是才能最好的接收到超声波。超声波接收和发射传感器对频率很敏感，所以在频率选择上就必须把频率设定在最佳状态这样才能最好
17、的接收和发送超声波。在电路设计时，要注意超声接收传感器的电路连接，尤其是电路中器件参数的选择。在接收头上会外接一个电阻R，这个电阻的大小决定输入到控制器中的交流电压频率特性。当R大时，频率特性尖锐但灵敏度高；当R小时，频率特性平滑但灵敏度低。我们在设计电路时，这个地方应折中考虑，使超声波的接收效果达到最好。发射灵敏度（db）图2.3.1-1 超声波频率特性2.3.2 指向特性在日常生活中人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散周围均能听到声音。但对于超声波而言由于超声波具有很高的频率，所以方向性（方向性即束射性）就相对要强。实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，
18、发出的超声波在各种媒质中传播时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，所以随着传播路程的增加，声波的强度会随之减弱。超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果，具有很强的指向性。本次设计的汽车倒车雷达主要就是要测出汽车与障碍物的距离，障碍物这一目标是非常明确的，所以我们用的声波需要很强的指向性，超声波是最好的选择。2.4超声波传感器应用超声波传感器主要是产生超声波和接收超声波信号，主要有两种类型，即专用型和兼用型，专用型是把发射器和接收器制作在一起的。超声波的检测也主要有两种方式，即反射式和直射式。反射式是将发送的超声波通过被测物体反射后由探头接收，发射头和接收头位于被测物同一测；直射式是将发
19、射头与接收头分别置于被测物体的两侧8。如图2.4-1。接收发送被测物体RXTX发送接收图2.4-1 反射式与直射式超声波检测此次设计中超声波的检测方式用的是用的反射式，让压电式超声波传感器在交流电的作用下产生同频率的超声波，发射出去时微处理器开始计时，遇到障碍物时因其具有很强的反射行，会反射回超声波，当接收探头收到超声波信号时，转化为电信号传送给微处理器，此时停止计时，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差t。根据超声波常温时在空气中传播的速度C=340m/s就可测得发射器与障碍物的距离L=C*t/2。超声波测距示意图如图2.4-2所示：L障碍物超声波发射器超声波接收器图2.4-2 超声波测距
20、示意图3 各硬件组成单元方案设计3.1 发射和接收单元方案设计该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，通过各个单元模块单独作用通过单片机的整合构成整个单片机倒车雷达系统。通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用综合性能较好的AT89S51单片机。采用压电式超声换能器T40-16作为信号的发送和接收，具体收发电路如图附录一所示。该电路为了符合本设计需要和实验室资源，采用了两级信号放大，增强了接收信号，简单实用。倒车雷达系统在当汽车的档位启动被启动，微处理器利用定时器的功能从开始发送超声波时开始定时，在收到反射的超声波时结束定时，从
21、而记录下超声波在空气中传播的时间。经计算距离中断程序算出汽车与障碍物的距离，如果距离太近了，报警系统会通过蜂鸣器发出警示声音，从而提醒驾驶员安全驾驶。3.1.1 主要模块设计 发射电路发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。由单片机P1.1 口控制其脉冲产生电路产生40KHz 脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。因为脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围所以应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。发射电路由电压为9V的直流电源提供电能，此外还有阻值分别为3.6千欧和360欧的电阻各一个，NPN型三极管和激励换能器T40-16也
22、是各一个。发射电路工作原理：用单片机AT89S51编写一个产生40KHz方波的程序，通过P1.0这个I/O送到发射电路，经过三极管放大,驱动T40-16振动发射出超声波。其原理框图如图3.1.1-1所示。AT89c51单片机P1.0口发出脉冲通过放大器放大励磁换能器T40-16发射超声波图3.1.1-1流程框图 接收电路接收电路的主要任务是接收经过障碍物返回的超声波并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设计是影响超声波在空气中传播时间的测量的关键因素。在超声波接收器的设计上本次设计采用T40-16作为超声波的接收芯片。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路识别回波以便后级
23、电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够识别的信号并向单片机发出中断信号停止计时。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，所以接收电路设置了滤波放大电路。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。接收电路如框图3.1.1-2所示。器R4016超声波图3.1.1-2 原理框图3.1.2 发射接收电路中应考虑的问题9 超声波是通过压电晶体的振动产生的，但晶体的振动需要一段时间的过度才能稳定，其发射波形如图 3.1.2-1，在不稳定期虽能产生超声波，但灵敏度不高，为了提高灵敏度，我们应该在稳态时产生超声波，本次设计选择脉宽为 1
24、20s来消除测量“盲区”，即波形出于暂态的区域，其中包含 5 个调制的 44KHz 的方波信号。激励阶段暂态减幅震荡稳态图 3.1.2-1 发射波形 由于超声波传感器发出的是以声波形式在空气中传播所以在传播的过程中就必然会损失掉部分能量，传感器功能的实现主要取决于发射信号传输过程中的损耗的因素，就比如说声波在空气中损失、反射时的损失、环境噪声等。由于接收的超声波信号很弱，所以在信号放大和滤波方面尤其重要。 信号接收状态是否良好关系到整个系统的准确性和安全性，所以必须考虑对接收信号有影响的各种因素，如超声波在空气介质中传输时回波等其他波的干扰，接收到的超声波产生的电信号是否足够大。为了解决这些问题，在电路中需要安装一个滤
