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
2、.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 第1章 课题设计思路1.1课题设计的目的及意义1.1.1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
3、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
4、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1.2.1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（time of 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，然后求出距离S。一般采用渡越时间发：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（此处指空气）中的传播
5、速度，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：表1-1 超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-10102030100声速（m/s）313319325323338344349386在进行计算时，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为340M/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
6、时间，即可求得距离。 1.2.2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。第2章 课题的方案设计与论证2.1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
7、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
8、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。第3章 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
9、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3.1.1 51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
10、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。图3-1 51系列单片机封装图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.
11、1.2 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，然后求出距离SCt2，（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。3.2 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
12、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，
13、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 3.3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
14、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3.4 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。超声波测距电路原理图第4章 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
15、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
16、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 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
17、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）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
18、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
19、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，可适当调整与接收换能器并接的滤
20、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5章 系统调试与误差分析5.1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
21、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：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
22、 C”,并伴随间断蜂鸣，此为超出最大探测范围。调节下限值无变化。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.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
23、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：在简易倒车带最前方有0.8cm的空白区域将简易倒车带最前方放于障碍物前（墙角）5.2 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 图5-2 小于50cm时蜂鸣器报警 3、小于40cm时显示“- - -”即盲区 图5-3 小于40cm时显示“- - -”即盲区5.3 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
24、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。5.3.2 误差分析超声波测距由于其再使用中不
25、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
26、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
27、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
