超声波测距应用

摘要

分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题，较详细的介绍超声波测距系统以及根据该系统设计原理、方法和步骤，研制的汽车倒车防撞报警器。这种报警器在汽车倒车过程中达到极限位置的时候，能自动检测车尾障碍物的距离并发出声光警报，提醒司机刹车。本设计利用超声波传感器进行信号的发射和接收，包括发射、接受以及报警电路三个部分。超声传感器的主要元件是采用压电元件锆钛化铅，具有很强的方向性，报警电路部分是利用声光报警器，将信号传递之后，可实现声音报警，本设计利用国内生产假的通用元件，成本低，性能可靠。有利于推广。

关键字：超声波，防撞，汽车倒车，报警器，传感器。

目录

第1章绪论..........................................................................................................................3 1.1超声波检测技术发展综术...................................................................................................................3

1.2 研究的目的及意义.............................................................................................................................3

第2章 超声波测距................................................................................................................4

2.1 超声波传感器的介绍.........................................................................................................................4 2.2 超声波测距的原理及实现................................................................................................................5

第3章单片机的测距系统 ...................................................................................................................6

3.1 单片机的选择.....................................................................................................................................6 3.2 超声波发射与接受电路设计..........................................................................................................7 3.3 显示与报警单元方案设计.................................................................................................................17 3.3.1 系统显示电路.................................................................................................................................17

3.3.2 系统报警电路 ...........................................................................................................18 3.4 单片机复位电路.............................................................................................................................19 3.5稳压电源.........................................................................................................................20 第4章 系统的硬件及软件设计..........................................................................................21 4.1单片机AT89C51介绍..........................................................................................................................21

4.2 运算放大器...........................................................................................................................................24 4.3探头UCM介绍....................................................................................................................................25 4.4系统软件设计.......................................................................................................................................25 4.5主程序....................................................................................................................................................27

第5章 系统调试与优化....................................................................................................30

5.1 发射器探头对接收器探头的影响......................................................................................................30 5.2 补偿温度.............................................................................................................................................30. 5.3 相关优化.............................................................................................................................................31

第6章 参考文献..............................................................................................................32

第1 章 绪论

1.1 超声波检测技术发展综述

众所周知，关于超声波的研究起始于1876年，这是人类首次有效产生的高频声波，这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域的要应用，而用于汽车防装却是近年的事情。这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段，也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波，借助空气媒质传播由被呆捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定位发射，方向性好，轻度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。

汽车倒车防撞测距报警器,是我国八·五期间需重点开发的重大科研项目之一,也是汽车六大类汽车电子产品中的一种。以往的汽车倒车报警器可分为四大类,即嘀嘀声加闪光,音乐声加闪光,语言声加闪光和倒车至危险距离(如015m)时发出报警声的超声波倒车报警器。本研究综合了第3、4类报警器各功能,并将第4类报警器加以改进、发展,使其不仅可发出警告行人的语言声,而且还能在整个倒车过程中自动测量车尾与最近障碍物之间的距离,并用数字显示出来,在倒车至极限安全距离(如016m)时,会发出急促的警告声,提醒驾驶员注意刹车。另外当蓄电池电压过低时,还会发出声光警告,提醒驾驶员及时充电,以保证仪器及汽车正常工作。 1.2 研究的目的及意义

本产品一旦问世,可望成为驾驶员,特别是货及公共汽车驾驶员的好帮手,可有效地减少或避免些后视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装厢车、圾车、食品车、载货汽车、公共汽车等倒车交通事另外还特别适于夜间辅助倒车、倒车入库及进入停场停车到位,甚至还能防止盗贼扒车。由于本仪器能多,成本低廉,性能优良,目前处于国内领先水又是国家八·五重点开发项目,市场极其广阔,对高我国汽车电子工业水平,具有较大的实际意义。

第2.1 超声波传感器的介绍

2章 超声波测距

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。

传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的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。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

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，超声波发内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加信号，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，当共振板接超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为波传感器。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响 与接收超声波。

2.2 超声波测距原理及实现

超声波的指向性强,能量消耗缓慢,遇到障碍物后反射效率高,是测距的良好载体。测距时由安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收,由定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时,超声波在介质传

播途

中一旦遇到障碍物后就被反射回来,当接收器收到反射波后立即停止计时。这样,定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s,所以发射点距障碍物之间的距离为: S=340 t/2=170 t (1)

由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数,设计中时钟频率fosc取12MHz,设计数值N,则

T机=12/fosc=1μs,t=N T机=N×10-6(s) S=170×N×T机=170×N/106(m)

或S=17×N/103(cm) (2) 程序中按式(2)计算距离。 可以看出主要部分有：

(1)供应电能的脉冲发生器（发射电路）； (2)使接收和发射隔离的开关部分；

(3)转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； (4)接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；

(5)接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设 备；

(6)记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为25KHz～300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录

发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。 第3.1 单片机的选择

单片机种类很多,根据本系统需要实现的功能,及够用、好用的原则,本文选择功耗低、性能高的A T89C51单片机。该单片机内含4 kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器(RAM)。其具有40个引脚,32个外部双向输入输出(I O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。在编程方面,A T89C51既可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理

器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的F la sh存储器可有效地降低开发成本。

3章 单片机的测距系统 .

汽车倒车防撞报警系统结构

3.2 超声波发射与接受电路设计

超声波发射与接收电路是整个系统的重要部分，因此确定一种好的设计方案关系整个系统的精确性和安全可靠性。本文通过多种方案比较，以达到最佳方案确定。 设计方案一：

由施密特振荡器和数字功放电路组成，由P1.0口发出的同步脉冲信号如图3.1。它启动振荡器，输出40KHz的高频信号，经整形及功放电路，加至发射换能器，发出40kHz的超声波。接收电路主要由回波放大接收及比较控制电路组成，如图3.1所示。

图3.1接收控制及接口电路

初始，比较器A1同相端已经通过调整Rr，使其电压略高于2.5V。因此A1应输出高电平，但由于D1相位作用，A1输出低电平，即RS触发器的

=0，Q=1，

=1,，

=0。当P1.0发出启动信号，在A点形成正脉冲，经N1反相，

释放，Q=0，

=1，Q=0，

=0，D1相位

=1，

=1（正跳），T0计数器开始计数。脉冲过后，=1，

=1。回波信号经放大滤波，送至比较器A1的反相端，它是叠加在2.5V电

=1，Q=1，

=0

压上的交变40kHz的信号。它的前沿使A1输出低电平。=0，（负跳），即

获得负跳沿信号，CPU响应中断，T0计数停，计数值N1送存RAM。

由于发射探头和接收探头都是平行放置且距离较近，发射探头发射超声波时，接收探头会引起强烈的感应信号，因此必须将其隐去。当P1.0输出启动信号，主控同步脉冲加至比较器A2时，A2输出一个远大于2.5V的电压，经过D2降压后约为7.5V左右，加至A1同相端，又C2的延迟作用，A1同相端产生一定宽度和高度的方波，它的

幅度和宽度均大于发射串扰信号，A1输出端即RS触发器的端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去。这段时间称为盲区，约2ms。 设计方案二:

40KHz的超声波发送脉冲信号由单片机的P1.0口送出，发出一系列的脉冲群，每一个脉冲群的持续时间大约为0.5ms左右。信号经过三极管放大，再经过阻抗匹配电路即变压器（变压器输入输出比为1：10）后，驱动超声波发射头，发射换能器两端就加上了高电压，内部的压电晶片开始震动，经过压电换能器将发出40kHz的脉冲超声波。当超声波遇到障碍物时就会产生反射波，发射波返回到超声波传感器上，尽管发射部分的脉冲电压比较高，但是由回波引起的接受压电晶片产生的射频电压幅度近距离有几毫伏，远距离还不到几毫伏，由于在较远距离的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也很小，为此要求将信号放大6000倍左右。信号经过放大整形电路产生一个负脉冲信号，使单片机产生中断。

在接收端第一级，要求其放大倍数为了C945这62倍左右，所以选择只三极管，达到了放大倍数。第二三级选用了一枚集成放大器NE5532，它集成了两个放大器，可达到预定放大倍数。 设计方案三: 1、发射电路

发射电路由555多谐振荡器和数字功率放大器组成。采用555多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节，并且电路设计简单占用面积小。如图4.2所示，由单片机.P1.口发出同步脉冲信号，该同步脉冲启动多谐振荡器，使其输出20KHz

的高频电压信号，经过整形及功放电路加至超声波换能器探头，根据逆压电效应，产生振动频率为20KHz的超声波。

2、接收电路

接收电路主要由回波放大接收电路及比较电路组成。如图3.3所示，首先调节可调电阻使比较器A1同相端电位高于2.5V。由于D1输出低电平，而反相器N输出高电平，所以有RS触发器的=0，=1，Q=1，=0当P1.0发出启动信号（如图3.2中的（1）所示）经过微分电路形成的同步脉冲信号通过反相器N的反相功能，=0，D1箝位释放=1，Q=0，=1（正跳变），T0计数器开始记数，脉冲经过之后==1，Q=0，=1。回波信号经过放大滤波送至比较器A1的反相端，它是叠加在2.5V上的频率为20KHz的高频电压信号。如图3.2中的（3）

所示，其前上升沿使A1输出低电平，=0，=1，Q=1，=0（负跳变）即获得负跳沿信号，CPU响应中断请求，使T0计数器停止计数，记数值N送存RAM。 3、盲区干扰信号的消隐

通常发射换能器和接收换能器都是平行放置且距离较近。当发射探头发射超声波时接收换能器接收到的第一个波是串扰直通波，也称泄漏波它是近源的波束旁瓣或通过绕射由发射换能器直接到达接收换能器而造成的。因此，通常接收探头会引起强烈的感应信号。所以必须将其隐去,当P1.0输出启动信息,同步脉冲加至比较器A2时，A2输出一远大于2.5V的电压，经D2降压后大约等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延迟作用，A1同相端将产生一定宽度和高度的方波，如图3.2中的（4）所示。它的宽度和幅度都大于发射串扰信号，A1输出端即RS触发器S端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去，这段时间称为盲区，约2毫秒。

图3.2测距脉冲图

图3.3超声波回波接收电路

设计方案四: 1、发射电路

发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由单片机P1.1口控制其是否工作。其电路图如图3.4所示。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。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。 2、接收电路

接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。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，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。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。其电路如图3.5所示。图3.5中，R11、R12、C13、C14、R15和运算放大器Amp1A组成了一级滤波放大电路；R21、R22、C23、C24、R25和运算放大器Amp1B组成了二级滤波放大电路。

图3.4发射部分电路

图3.5一次和二次滤波放大电路

发射接收电路中应考虑的各种问题：

发射波形如图3.6，传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态，理论上信号的幅度时指数上升的，Q各周期后达到满幅度的95%，1.5Q个周期后达到99%。为提高传感器的灵敏度，Q值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于Q个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。考虑到测量“盲区”，这里选

择脉宽为120μs，包含5个调制的44KHz的方波信号。

图3.6发射波形

由文献[3]知，测距仪的发射波形如图3.6，在规定时刻将一持续时间为τ的正弦波加到传感器上，然后关闭发射电路，打开接收通道，接收来自障碍物的反射波。 传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失，接收预放大单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利检测单元的正确检测。

如何达到信号的最佳接收关系整个系统的准确性和安全性，所以也应考虑到影响接收信号的各方面问题。在传感器接收到的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。室内环境中噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率，因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定，其功率谱宽度远大于接收机的通频带。我们可以近似的将其作为白噪声处理，根据已有知识，输入为已知信号加白噪声的条件下，匹配滤波器的输出信噪比最大。匹配滤波器具有以下特点： (1)输出最大信噪比与信号波形无关

(2)匹配滤波器对信号的幅度和时延具有适应性，即对只有幅度和出现时间不同的信号，它们的匹配滤波器是相同的。

(3)匹配滤波器与相关接收和相关器具有等效性。实际上很难得到精确的匹配滤波器，由于单个射频脉冲的频谱是连续的，用普通的窄带滤波器就能把其主峰部分(w附近)滤波出来，适当的选择滤波器的通带宽度就能取得与匹配滤波器相差不多的效果。

图3.7信号放大器原理图

接收放大器的作用是放大有用信号，并抑止其它噪声与干扰，从而达到最大的信噪比，以利于检测电路的正确检测。放大器组成框图如图3.7，采用三级放大电路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使输入信号功率最大。带通放大器选

择最佳时间带宽积，以达到匹配滤波的效果。模拟开关起收发隔离的作用。在测量近距离时，模拟开关闭合，发射信号可以进入接收通道；测量远距离时，模拟开关断开，发射信号不可以进入接收通道。程控放大器分为2档，分别放大10倍和100倍，由控制端A1，A0控制。综合以上四种方案比较，最后确定超声波发射接收电路如图3.8所示。该电路简单实用，通过两极放大，增强接收信号，比较适合本设计需要。测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，他的工作电压是40kHZ的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHZ的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHZ的脉冲超声波，且持续发射200μs。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，原理和前方测距相同。

图3.8基于AT89C51单片机的超声波测距系统发射接收电路

由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0口产生40KHZ的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。接收头采用和发射头配对UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3,电容C4决定其锁定带宽。调解R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mv，输出端8脚由高电平越变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。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INTO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。发射电路电路图如图3.9所示：

图3.9系统发射电路

此电路由一个9V的电源,R1=3.6K欧,R2=360欧,三极管T一个,激励换能器T40-16一个。

其流程图如图3.10所示：

图3.10流程图

发射电路原理：当单片机AT89C51,通过P1.0这个I/O口,发送一系列的脉冲经过三极管T进行放大,从而使T40-16这个激励换能器发射出超声波。

接收电路如3.11所示：

图3.11接收电路图

其原理框图如下：

图3.12原理框图

此系统为了全方位测距，故有左、右、中三个测距电路，其电路都相同。

3.3 显示与报警单元方案设计

显示报警单元是经过超声波发射接收电路及单片机AT89C51处理后把信号转化为人为可以知觉的数字显示和报警响应，以进一步避免事故发生。显示报警电路由显示和报警两部分电路组成，主要实现在出现紧急情况下的显示报警功能，以此提醒驾驶员。 3.3.1 系统显示电路

显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的LED驱动输出设备。由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管表示距离的cm数值。在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器

常用两种驱动方式：静态显示驱动和动态显示驱动。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以 脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。8155的P口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动PC口作为LED的位选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8段全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反相驱动器74LS06以提高驱动能力。

图3.13系统显示电路 3.3.2系统报警电路设计

系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K，R26的阻值为10K。对于二级运算放大,都采用F007芯片.两级放大电路均是负反馈接法,即反相比例运算电路.而反相比例运算电路中,输入信号从反相输入端输入,同相输入

端接地.根据“虚短”和“虚断”的特点，即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0

。所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，

即Uid=u_=u+0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。而“虚断”是由于理想集成运放的输入电阻Rid

，故可以

认为输入端不取电流，即i_=i+0.这样，输入端相当于断路，而又不是断开，称为“虚断”。而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况称为“虚地”。所以iI=

,iF=

=

，因为i_=0,iI=if,则可得u0=-.uI故可将信号进行放大。

图3.14系统报警电路

当单片机AT89C51通过P1.0，P1.1，P1.2三个I/O口，发射出超声波的信号，即输出一个高电平给这三个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。则信号经过三极管T1，T2，T3进行放大。使电流达到T40-16的工作电流，从而发射出超声波。当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给LM567的输入端，当LM567的输入端电流大于25mA时，其8号输出引脚会产生一个信号，使得单片机AT89C51产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机把计得的时间差进行运算，根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。如果距离小于0.5m，则单片机AT89C51便给P1.5口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。

3.4 单片机复位电路

在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。

单片机复位电路通常采用以下几种方式： a、上电自动复位

在通电瞬间，由于R2C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片 机复位。

图3.15上电复位电路

b、按键电平复位

通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。

c、系统复位

在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电 路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这特别适合于应用现场干扰大、电 压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位 考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。

3.5 稳压电源

大部分的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。并且，我们目前绝大部分电子电路与电子设备都是使用线性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电子电路及芯片工作的。固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好。由于固定式三端稳压电源（7805）的输出电流有1.5A，而本次设计电路电流在1A到2A之间，考虑到电路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次设计电源电路需要采用扩流电路，如图3-17。

图 3-17

第4章 系统的硬件及软件设计

4.1单片机AT89C51介绍

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对I/O寄存器进行编程。具体步骤如下：

(1)根据实际电路的要求，选择要使用哪些I/O端口，用EQU伪指令定义其相应的寄存器；

(2)初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；

(3)根据外围电路功能，确定I/O端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为I/O的复位缺省值为输入；

(4)用作输入的I/O管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；

(5)最后对I/O端口进行输出(写数据输出寄存器)和输入(读端口)编程，完成对外围电路的相应功能。

图4.1 AT89C51单片机芯片

根据系统设计要求，各接口功能如下：

P1.0:产生输出一个40KHZ的脉冲信号。（用于前方测距电路） P1.1:产生输出一个40KHZ的脉冲信号。（用于右侧测距电路） P1.2:产生输出一个40KHZ的脉冲信号。（用于左侧测距电路） INT0:产生中断请求，接前方测距电路。 INT1:产生中断请求，接前方测距电路。 P1.3:接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P1.4:接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P0.0:用于显示输出，接显示器。 P0.1:用于显示输出，接显示器。 P0.2:用于显示输出，接显示器。 P0.3:用于显示输出，接显示器。 P0.4:用于显示输出，接显示器。 P0.5:用于显示输出，接显示器。 P0.6:用于显示输出，接显示器。 P0.7:用于显示输出，接显示器。 P2.7:接报警电路 P2.0:接报警电路 P2.1:接报警电路

XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。

XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。

4.2 运算放大器 主要技术参数:

1、开环差模电压增益Au0：Au0是指集成运放在无外加反馈情况下,并工作在线性区时的差模电压增益.用分贝表示则是20lgAu0.性能较好的集成运放的Au0可达140db以上。

2、输入失调电压及其温漂：失调电压的大小主要反映了差分输入元件的失配；输入失调电压是随温度,电源电压或时间而变化的,通常将输入失调电压对温度的平均变化率称为输入电压温度漂移。

3、输入失调电流及其温漂：在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流II0。输入失调电流温度漂移是指输入失调电压随温度变化的平均变化率。一般以mA/0C为单位。高质量的为每度几个皮安。 4、输入偏置电流IIB：IIB是指常温下输入信号为零时，两个输入端静态电流的平均值，即 IIB=（IB1+IB2）/2 （4-1）

IIB的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小，IIB越小，运算放大器的输入电阻越高，输入失调电流越小。

5、差模输入电阻Rid：Rid是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般为几兆。

6、输出电阻R0：运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻即为输出电阻。R0大小放映了运算放大器的负载能力。 7、共模抑制比KcmR

KcmR=Aud/Auc （4-2）

用dB表示，即为20lg(Aud/Auc).

8、最大差模输入电压UidM：UIdM是指运算放大器同相端和反相端之间所能加的最大电压。

9、最大共模输入电压UicM：UIcM是指运算放大器在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。

4.3探头UCM介绍

压电陶瓷超声波换能器（超声波传感器）体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新换代，提高市场竞争能力。 表2.1传感器特性参数 型号 结构 UCM—T40K1 开放式 UCM—R40K1 开放式 8—10米 接收 40KHZ±1KHZ 2KHZ±0.5KHZ ≥—70dB/V/ubar ∮16mm322.5mm —20℃~+60℃ 20±5℃时达98% 发射距离 8 —10米 使用方式 谐振频率 频带宽 灵敏度 外形尺寸 温度范围 相对湿度

发射 40KHZ±1KHZ 2KHZ±0.5KHZ ≥—70dB/V/ubar ∮16mm322.5mm —20℃~+60℃ 20±5℃时达98% 使用注意事项：两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动。不宜与腐蚀性物质接触。

4.4 系统软件设计

汽车倒车防撞系统根据超声测距原理用AT89C51单片机开发设计。整个软件采用模块化设计,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。

根据系统的要求,系统软件应具有以下功能:

(1)控制超声波发射、接收传感器的工作状态。传感器的工作状态因行驶方向的不同而不同,而且,探测距离时发射传感器还要依次轮流工作,这些功能需靠软件程序来实现。

(2)根据汽车的行驶速度计算出倒车避撞的安全距离和报警距离。安全距离就是汽车自由停下所需的距离,这时需要的距离必然小于根据车速确定的安全距离。比安全距离稍远些的是报警距离,设计的报警距离比安全距离长出1米。通过报警来减少不必要的停车。

(3)测出超声波信号的往返时间,来计算出最近的障碍物与平台车的距离。超声波从发射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间,需要通过软件定时器来记录。根据这个时间才能计算出障碍物的距离。

软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块,在主程序中采用键控循环的方式,当按下控制键后,在一定周期内,依次执行各个模块,调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序,并把测量的结果进行分析处理,根据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。当测得距离小于预置距离时,声音报警程序被调用。

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P2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)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1 s,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数器TO中的数(即超声波来回所用的时间)按式(3)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=(cxt)/2=172To/10000cm (3)

其中,To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。

4.5 主程序

主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。程序首先完成初始化过程，然后是一个重复的控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，而且每次发射周期结束都会判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生了中断，即是否有回波产生来判断程序得流程。流程图如图

图4.6主程序流程图 一、40kHz脉冲的产生与超声波发射

在脉冲产生前先对定时/计数器T0进行初始化，在这里选择的是工作方式1定时器模式，所以TMOD应该设定为01H。接着用STEB TR0指令开启T0，在开启T0的同时开发发射超声波脉冲。

测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。

PUZEL：MOV 14H,#12H；超声波发射持续200ms HERE：CPL P1.0；输出40kHz方波 NOP NOP

NOP

DJZN 14H，HERE RET

前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。这里省略，只研究正对方向的障碍物。

二、超声波的接收与处理

超声波的接受是由外部中断口INT0是否有中断脉冲产生来判断的。定时子程序转回来的时候，要对中断进行初始化。选定的是INT0口，工作方式为脉冲方式。 STEB EA；中断总允许 STEB EX0；INT0中断允许

STEB PX0；设置INT0为高优先级中断 STEB IT0；设置INT0为脉冲方式 HERE：JMP$；等待中断

接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。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部分源程序如下： RECEIVE: PUSH PSW PUST ACC CLR ACC

JNB P1.1,RIGHT;P1.1引脚为0，转至右测距电路中断服务程序 JNB P1.2，LEFT;P1.2引脚为0，转至左测距电路中断服务程序 RETURN:SETB EX1;开外部中断INT1 POP ACC

POP PSW RET1

三、数据读取和储存

为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出T0计数器的计数值，然后储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理 RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC

CLR EX0；关外部中断0 MOV R7,TH0；读取时间值 MOV R6,TL0? CL R C MOV A,R6

SUBB A,#0BBH；计算时间差 MOV 31H,A；存储结果 MOV A,R7 SUBB A,#3CH MOV 30H,A

SETB EX0；开外部中断0 POP ACC POP PSW RETI

四、计算超声波传播时间

T0中读取出来的时间差数据并不能作为距离值直接显示输出，因为时间差值与实际的距离值之间转换公式为：S=0.5*V*T。其中，V为声音在常温下的传播速度，T为发射信号到接收之间经历的时间，在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。

第5章 系统调试与优化

超声波测距仪的制作和调试都比较简单,安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm,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波电容C的大小,以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。系统调试完后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。 5.1发射器探头对接收器探头的影响

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。 5.2温度的补偿

由于超声波也是一种声波,其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的速。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高,应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。

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即：

（5-1）

其中B为气体的弹性模量，r为气体的密度。气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得：B=g r，其中g为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40，P为气体的压强。气体的压强为：

（5-2）

其中，R为普适常量8.314kg/mol，T为气体温度K(绝对温度)，M为气体分子量， 空气为28.8 10-3 kg/mol。所以

（5-3）

由公式6-3可知，超声声速与空气的温度有密切关系。例如：20℃时，T=293.15， CS=344.2 m/s；40℃时，T=313.15，CS=355.8 m/s；-20℃时,T＝253.15，CS=319.9m/s；从上面的计算可以看出，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。

5.3 相关优化

在实际应用中，为了方便处理，超声波常调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统一般由超声波发送、接收、时间计测、微机控制和温度测量五部分组成。如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施下： (1)合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期

据经验，超声测距的工作频率选择f=40kHz较为合适：发射脉宽一般应大于填充周期的10倍以上即：T>0.25s，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度赶快，脉冲发射周期可选短些。

(2)在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用(AGC)电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。 (3)提高计时精度，减少时间量化误差

如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率为6MHz时，计数频率为0.5MHz此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率时间量化误差更小。

(4)补偿温度对传播声速的影响

超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。有文献表明，按下式计算声速可以达到较高的精度： 在空气中，

；

在海水中，C=1450+4.21t-0.037t t+1,14(S-35)+0.175P m/s

式中：t—摄氏温度；S—水盐度，按千分比计算；P—海水静压力，单位为大气压。声速可以用声速仪测量，以验证理论计算的准确性。

(5)补偿系统电路的时间延迟

系统电路的时间延迟可通过实验测定，通过测试两个已知标准距离S1、S2所得到的时间t1、t2，可求出系统电路的延迟，(s1 t2-s2 t1)/(s2-s1)。

第

6章 参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6ldg.html