倒车防撞报警器的设计

摘要

本设计采用超声波测距，可用作汽车泊车安全辅助装置，能以声音和更为直观的LED 显示告知驾驶员汽车周围障碍物的情况，解除了驾驶员在泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的烦扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了泊车安全性。

本设计硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路、电源电路和报警电路组成，软件部分主要由主程序、超声波发射接收中断程序、距离计算子程序及显示子程序等部分组成。本设计由STC89C52RC单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用超声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。该设计的电路设计合理简单、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量误差方面能够达到简单工业实用的要求。

关键词：单片机；超声波测距；超声波换能器；STC89C52RC。

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Abstract

This design adopts ultrasonic ranging,which can be used for car parking safety auxiliary devices.It coulde use sound and more intuitive LED display to inform the driver case of the car around obstacles, lifted the drivers when parking and start vehicles visiting around caused annoyance. In addition ，it coulde help pilot removed the sight vision blind angle and fuzzy, improved parking safety defects.

The hardware of this design mainly composed by the MCU control circuit, ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiving circuit, LED display circuit, power circuit and alarm circuit. And software is mainly composed of the main program, ultrasonic transmitting and receiving interrupt program, distance calculation and display subroutine subprogram components.This design uses STC89C52RC single-chip microcomputer control the time counts, since launch to receive calculation ultrasonic round-trip time, using ultrasonic transmission speed in the air, thereby get the measured distance.The circuit design of this design reasonable performance good, stable and fast inspection speed, simple calculation, easy to achieve real-time control, and in the measurement error can achieve simple industrial practical requirement.

Key words: MCU, Ultrasonic ranging, Ultrasonic transducer, STC89C52RC.

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1 绪论

1.1课题研究背景

随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，我国汽车的数量逐年攀升。据公安部交管局2010年11月发布的数据，截止2010年9月底，我国汽车保有量为8500万辆。而随着中国城市化的加速推进，这一数字还会在相当长时间内持续高水平的增长。汽车的数量逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。在享受汽车给我们带来的便利的同时，由于倒车而产生的问题也同益突出。因为驾驶员在驾车时的视野范围是很有限的，通过车内和外侧的反光镜可以大幅度提高驾驶员的视野范围，但位于车正后方的障碍物以及高度不足以通过反光镜看到的或者距离车身过近的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角或者视野模糊区中。这样，小则对驾驶员的泊车、倒车造成不便，大则也会带来一些危险。据初步调查统计，15％的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可将车辆快速准确地停放到指定的位置。鉴于此，设计一种响应快、可靠性高且较为经济的汽车倒车防撞报警系统势在必行。

本文介绍的倒车防撞报警器，与汽车配备的倒车雷达原理和用途一致，都是利用超声波测距原理实现实时测距，都是用作“泊车辅助装置”，可称作“简单型”的倒车雷达。但相比市场上各种价格昂贵的倒车雷达产品，本文介绍的倒车防撞报警器，价格更为经济，电路更为简单，精度也能满足常用要求。防撞报警器是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器(俗称探头)、单片机控制系统、LED显示和蜂鸣器等部分组成。防撞报警器的主要作用是在倒车时，利用超声波测距原理，由装置于车尾保险杠上的超声波传感器发送超声波，超声波遇到障碍物后反射至超声波传感器，从而计算出车体与障碍物之间的实际距离，再给驾驶员以提示，使停车和倒车更容易、更安全。该装置能够在驾驶员视野的死角处，通过LED显示、声音等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围障碍物的情况，使驾驶员能够更清楚的了解周围障碍物的情况，对驾驶员的起步、泊车、倒车等环节有很大帮助，提高了驾驶的安全性。

1.2课题国内外研究现状

我国倒车雷达从2000年开始起步，从最初只是奔驰、宝马等高档车的专利，发展—————————————————————————————————————

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到现在成为许多轿车的标准配置。经过多年的发展，倒车雷达系统已经历了六代技术改良，不管从结构外观上还是性能价格上，这六代产品都各有特点。

第一代：倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意、倒车请注意!”，想必不少人还记得这种声音。现在第一代的倒车雷达只有小部分大卡车、泥头车在使用。只要司机挂上倒车档，喇叭就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，这对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达，只是在提示路人小心。该类产品价格便宜，但基本属于淘汰产品。

第二代：采用蜂鸣器产生不同声音来提示驾驶员。在倒车时，蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀”的响声，这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时在车后一定距离内有障碍物，蜂鸣器就会开始工作，蜂鸣声音越急，表示车辆离障碍物越近。因为没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车体有多远，所以对驾驶员帮助不大。

第三代：数码波段显示的倒车雷达系统。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。显示车后障碍物和车体之间距离的方式有两种：一种是数字显示方式，通过LED显示车体与障碍物间的距离；另一种是用颜色来区别：绿色代表安全距离，黄色代表警告距离，红色代表危险距离。这一代倒车雷达已经比较先进了，缺点是精确度不高、安装不美观。

第四代：液晶荧屏动态显示。这一代的倒车雷达有一个质的飞跃，可以看清车体与障碍物之间的实际距离和其图像效果。此类倒车雷达不用挂倒车档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。但这一代的产品灵敏度不太高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。

第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。这一代倒车雷达的功能较多，但成本也比较高。

第六代：整合影音系统。这一代倒车雷达是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，—————————————————————————————————————

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它比第五代倒车雷达更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像，但相应的成本也更高。

目前，国内市场上的倒车雷达产品主要由国外公司占据着。国内一些公司虽然也推出了相应的倒车雷达产品，但在质量上、市场份额上都无法与国外厂商相比拟。一些核心元器件，国内相同产品达不到国外水平或者无法生产。在倒车雷达等辅助倒车研究领域，美国、德国、日本等发达国家的技术远远走在前面。他们在汽车信息化技术的研究上起步较早，并且自身在半导体、微电子领域也具有很大的优势。因此，在这些国家智能化车载电子设备的发展已经达到了相当高的水平，很多高科技车载电子设备已经相当普及。随着汽车工业的飞速发展，在辅助倒车领域，国外已经出现了停车入位导航系统。梅赛德斯车厂已经在使用雷达探测技术来帮助驾驶者更快更安全地停车。导航雷达探测器能够探测出经过路线上的停车空位，并向驾驶者发出信号。这个时候，驾驶者可以通过探测器显示的位置找到空位。在整个停车过程中，驾驶员切换到倒档后，导航系统会由始至终地监测汽车的位置和角度。如果驾驶者中断倒车，导航系统还会自动计算出新的最佳停车路线和角度。在日本，丰田公司研制的导航系统已经可以实现准确地全自动停车。当导航系统锁定一个合适的停车空位之后，只要驾驶员换到倒档，仪表盘上的屏幕上就会开始显示由安装在汽车背部的摄像头传送过来的车后图像。此时，驾驶者只需对导航系统选择的提供车位置进行确认。在此之后，就可以松开方向盘和脚刹，保持适当的速度。从这里开始，停车过程便由配备了超声波雷达和摄像头的停车导航系统全权接手。如果想要中止停车程序，驾驶者只需踩下刹车就可以了。而且这款设备现在已经开始在一些高档轿车上配备使用。

1.3课题研究的目的及意义

本文介绍的倒车防撞报警器的核心就是超声波测距原理的应用，市场上广泛应用的倒车雷达也是如此。所以，归根结底本课题研究的目的和意义本质上是归于超声波测距系统的。从小的应用方面来说，本课题的研究直接解决了司机倒车时的困扰，更能有效地降低倒车过程中发生的大小事故。但从更广泛的应用来讲，超声波测距系统的研究在许多工业、交通运输业、军事等等方面有着更为广泛显著的应用。

随着雷达技术、激光技术、电子技术的发展，超声波技术也得到和不断的更新和发—————————————————————————————————————

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展，超声波技术已经从最初的理论研究发展到大范围地应用在无损探伤、测温、测距、流量测量、液体成分测量、岩体检测等方面。在这期间，超声波技术不断得到完善并趋于成熟。与发达国家相比，目前我国所研制出的超声波测距系统在性能方面有了很大的改善，但在精度等方面仍然很落后。高速度和高效率是现代化工业的标志，这些都是建立在高质量的基础之上，精度作为高质量的一个重要指标，需要加大力度对其进行研究。而且我国正在使用的高精度超声测距系统大多以进口国外为主，很大程度的制约了工业的发展。因此尽快展开超声波测距系统精度的深入研究并进行自主研发显得尤为重要。本课题研究具有重要的实际应用价值和深远的战略意义。

1.4论文主要内容及章节安排

本文以倒车防撞报警器为研究目标，从理论和实践两个方面对超声波测距技术的应用进行探讨，并将超声波测距技术应用于本课题的研究。现将本文的主要内容和章节安排简要介绍如下：

第1章介绍本课题的研究背景、国内外研究状况及课题研究目的和意义。 第2章介绍超声波基本理论。 第3章阐述系统总体方案。 第4章详述本设计的硬件电路设计。 第5章阐述本设计的软件设计。

第6章论述本设计的系统误差及其改进。 第7章讲述总结。

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2 超声波基本理论

2.1超声波发展简史

意大利科学家斯帕拉捷习惯晚饭后到附近的街道上散步。他常常看到，很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从不会撞到墙壁上。这个现象引起了他的好奇：蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢？为了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列试验。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能准确地分辨障碍物。只有当耳朵被堵住时，蝙蝠就不能分辨障碍物。斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密。后来人们继续研究，终于弄清了其中的奥秘。原来，蝙蝠靠喉咙发出人听不见的“超声波”，这种声音沿着直线传播，碰到物体后就像光照到镜子上那样反射回来。蝙蝠用耳朵接受到这种“超声波”，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。

当然，以上的故事是个美丽的楔子。真正超声波的研究和发展，与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。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波技术的历史篇章。1883年Galton首次制成超声波气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声波。此后又出现了各种形式的汽笛和夜哨等机械型超声波换能器。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(Paul Langevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。

人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。40年代末期超声波治疗在欧美兴起，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。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构，以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。

材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合—————————————————————————————————————

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系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

如今，超声波已广泛应用于测距、测速、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。

2.2超声波简介

声波是属于声音的类别之一，属于机械波，是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

2.3超声波的应用

由于超声波在物理化学方面的独特特性，所以超声波在许多方面都有广泛的应用。归结起来，超声波主要应用在以下几个方面：

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(1) 在检验方面的应用

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波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。

超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。超声波测厚，是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

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，只是记录手段不同而已。

(2) 在超声处理方面的应用

利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、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。

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波焊接主要分超声波塑料焊接和超声波金属焊接，超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高、密封性好的优点；—————————————————————————————————————

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而超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。针对所有的应用市场，超音波焊接其特有的优点——快捷、高效、清洁和牢固，赢得了各行各业的认可，在汽车、家电、包装、玩具业、电子等行业的应用也越来越广泛。

超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。超声波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清洁度高，不须人手接触清洗液，安全可靠，对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等诸多优点。超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂像一些表面凹凸不平、有盲孔的机械零部件，一些特别小而对请洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。

超声波技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。超声波治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。超声波的机械作用可软化组织，增强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。超声波治疗以疗效独特，长期治疗无毒副作用的安全特性见长，在肢体运动康复、心脑血管疾病治疗方面有着独特的优势，其体外无创的物理治疗手段比较适合在社区、医院运用。

(3) 在基础研究方面的应用

超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20世纪40年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程（如分子的内、外自由度之间能量转换的热弛豫，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）—————————————————————————————————————

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及微观谐振过程（如铁磁、顺磁、核磁共振等）之间的关系，通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这些方面的研究构成了分子声学这一声学分支。随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能──声子来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科──量子声学也正在形成。超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、超声学材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声波应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断地向前发展着。

2.4超声波的衰减特性

从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面：

(1) 由声速扩展引起的衰减

在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因 此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。

(2) 由散射引起的衰减

由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声学特性阻抗不均，从而引起超声波的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。

(3) 由介质的吸收引起的衰减

超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子弛豫现象造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，—————————————————————————————————————

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这种衰减称为吸收衰减。

扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即P(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示：

82f222f2K211333CCCVCP （2-1）

式中：K为热传导系数，f为超声波频率，为动力粘滞系数，C为超声波传播速度，

CV为定容比热，CP为定压比热，为传播介质密度。

式(2-1)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示：

82f233C （2-2）

CRTM把 代入式（2-2）可得：

f2

8M32232323RT （2-3）

由式(2-3)可知：温度一定时，、、T均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。

2.5超声波的基本参数

（1）声压

垂直作用于单位面积上的压力称为声压。当介质中有超声波传播时，介质质点的振动使得介质中压强交替变化。声压就是超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强P1与没

P表示，单位是帕斯卡。超声场中某一点有超声波存在时同一点的静态压强P0之差，用

的声压可以用式（2-4）表示：

xPPPuAsin10tu （2-4） 

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其中，为介质密度，u为超声波在介质中的传播速度，A为介质质点的振幅，为介质质点的角频率，

x为该点与波源的距离。又因2f，所以，超声场中某一

点的声压与超声波的频率成正比。

（2）声强

声强是指声波传播的能流密度，即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声音能量，用I表示。超声波在介质中传播时，若单位时间内传递的能量越多，则声强就越大。平均声强I的计算公式如式(2-5)所示：

PuA22IA2 （2-5）

（3）声场

声波为一点源时，声波从声源向四面八方辐射，如果声源(探头)的尺寸比波长大时，则声波从声源集中成一波束，以某一角度扩散出去，在声源(探头)的中心轴线上声压和声强最大，偏离中心轴线一角度时，声压减小，形成声波的主瓣(主波束)，离声源近处声压交替出现最大与最小值点，形成声波的副瓣。

P0时的扩散角称为声波的半扩散角，根据声源形状的不同，声波半扩散角的

表达式也不同。声源为圆板形时的半扩散角如式(2-6)所示:

sinK

D1.22D (2-6)

式(2-6)中，为半扩散角，为声波在介质中的波长，D为声源直径，K为常数。

K值取决于对扩散角的限制，一般取波束边缘声压为零时的K值，即K=1.22

(4)声阻抗

超声波在介质中传播时任何一点的声压与该质点振动速度之比称为声阻抗。声阻抗越大，质点的振动速度就越小，声阻抗为传播介质的密度与声速之积。声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量，超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射与这两种介质的声阻抗密切相关。

2.6超声波测距方法

目前，市场上利用超声波测距原理制成的测距系统种类繁多，但是超声波测距的方案总归下来有已下几种：

（1）相位检测法

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相位发检测法可分为两种：一种方法是通过发射不同频率的超声波来实现的。首先，发射一束波长为1的超声波。检测到回波的相位为1。设经过的波周期数m,则可求的目标物体的距离为：

Lm121 (2-7)

同样可以得到第二束波形的测距计算公式为：

Ln22

2 (2-8)

其中：2为第二束波的相位角，2为波长，n为波的周期数。又因为m和n都为正数,同时再进行时间补偿的算法，可精确求的目标距离的值。然而由于超声波探头为固定的频率，倘若改变频率，系统的衰减比较大，需要两套信号检测电路，实施的难度大，不宜采用。

另一种方法是通过单一的超声波探头进行相位检测法检测，此种方法是待测距离在一个周期以内使用，如过选用40kHz的超声波作为介质，一个周期对应的检测距离为

L3400.0000250.0085m8.5mm，显然，此种方法的精确度很高。

（2）幅值检测法

幅值检测法就是先发射固定频率的超声波，然后使用反射或者对射法检测接收到的超声波的脉冲强度，根据超声波回波衰减理论，对回波脉冲强度的进行分析，进而求得目标距离。

（3）渡越时间法

渡越时间是指从传感器发射超声波出去开始计时，经过气体介质传播，到传感器接收到回波时计时停止。由于在一定的环境下，温度是不会变化的，或者变化缓慢，可近似为常数，此时声速是不变化的。因此可以通过检测渡越时间，结合现场的声速，进而求的传感器与目标之间的距离。

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3 系统总体设计

3.1系统测距方法的选择

前面提到，超声波测距的方法主要有三种，为相位检测法、幅值检测法和渡越时间法。相位检测法检测精度高，但是检测距离有限，达不到本课题设计的要求。由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含量不同，衰减系数也不一样，声波幅值检测法的检测精度和稳定性受到很大的限制，所以此种方法不适合本课题的应用。而渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。但是由于气体介质对超声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减，超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。另一方便面超声波的最大检测距离与传感器的发射功率和电路的放大倍数有关，发射功率越大，电路的放大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。因此可以通过提高放大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。此外超声波在空气中的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿，而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现。

综上，本设计的测距方法采用渡越时间法。具体测距原理阐述如下。

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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2

最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，

只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图2-3所示：

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毕业设计（论文） t 超声波发射 障碍物 S H θ 超声波接收 图3-1

HScos （3-1）

arctg(L)H （3-2）

式中:L---两探头之间中心距离的一半。 又知道超声波传播的距离为:

2Svt (3-3)

式中:v—超声波在介质中的传播速度； t—超声波从发射到接收所需要的时间。 将（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：

1LHvtcos[arctg]2H (3-4)

其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=20度时,V=344m/s)；当需要测量的距离H远远大于L时,则(3—4)变为:

1Hvt2 (3-5)

所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H。

3.2系统总体方案设计

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；声波幅值检测法易受反射波的影响。本设计硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假—————————————————————————————————————

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设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。

本设计的硬件系统以宏晶科技的STC89C52RC单片机为控制中心构建，包括单片机外围电路、电源电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路及报警电路。整个系统由单片机控制运行，首先由单片机控制NE555定时器工作产生40KHz的方波，同时单片机内部定时器开始计数。由NE555产生的方波送给超声波发射电路发出超声波，待超声波遇到障碍物返回后，由超声波接收电路接收。超声波接收电路接收到超声波后，会产生一个下降沿的电压信号，这个信号由P3.2口输入单片机，从而关闭定时器。定时器关闭后，距离运算程序就会运行，得出结果通过数码管显示电路显示距离和确定是否报警。

整个系统结构框图如下图所示：

图3-2 系统框图

3.3硬件选型

3.3.1超声波探头的主要参数及选择

一、主要参数 （1）中心频率

中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。 （2）灵敏度

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灵敏度的单位是分贝(dB)，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。 （3）指向角

指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般为几度至几十度。 （4）工作温度

工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。以石英晶片为例，当温度达至+290C时灵敏度可降低6％。一旦达到居里温度点(573C),就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在

20C70C温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感器温度较高，必须采取

冷却降温措施。

二、超声波探头的选择

超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。

超声波传感器的主要性能指标包括：

(1)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。

(2)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。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

(3)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。

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，检测距离越短，分辨力也变高。基于以上的考虑，本设计采用压电式超声波传感器，为了充分发挥本设计的优越性，换能器选择收发分体式换能器—————————————————————————————————————

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TCT40-16。

TCT40-16T/R的性能指标如下表所示：

表3-1

TCT40-16T/R的指向特性如图3-3所示：

图3-3

3.3.2单片机选择

单片机是系统软件的载体，是控制系统的核心。因此其性能将直接影响系统的稳定性。选择好的单片机不仅关系到系统的精度、稳定性，而且还有利于减少系统成本。根据系统设计的要求以及总体设计思路对所选择的单片机要求进行进一步的概括。

系统最少需要2个定时器，一个为计算渡越时间需要，另一个为系统延时用。需要一个外部中断，用于接收超声波信号外部中断。需要一个串行通行口，供与上位机用。最少需要18个I/O口，供键盘电路、显示电路及各控制电路用。由此，这里采用宏晶科—————————————————————————————————————

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技的STC89C52RC单片机作为主控单片机。

STC89C52单片机性能卓越、保密性好、烧写程序方便、烧写速度快、可重复烧写10万次!是普通51单片机的100倍. STC89C52完全兼容AT89C51 AT89C52 AT89S51 AT89S52 而且加入了更多新功能, 它内部有1280字节的SRAM、8-64K字节的内部程序存储器、2-8K字节的ISP引导码、除P0-P3口外还多P4口(PLCC封装)、片内自带8路8位AD(AD系列)，片内自带EEPROM、片机自带看门狗、双数据指针等。

3.3.3其他元器件选择

显示部分是采用七段四位数码管，选用共阴极接法，CD4511控制段选码，74LS138控

制位选信号。发射部分超声波探头的选用前面已经有所叙述，相应的信号处理元件选用NE555和TC4069。超声波的接收信号选用CX20106芯片处理。单片机的外围电路元件选用11.0592MHz的晶振，串口通信选用MAX232。报警电路选用蜂鸣器。

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4 硬件系统设计

4.1单片机外围电路设计

本部分的设计内容主要是连接单片机的一些辅助电路，主要是键盘电路、复位电路、时钟电路和串口通信电路。其中，晶振电路和串口通信电路在单片机STC89C52RC的技术手册里面有详尽的陈述，本文不再做细致分析与叙述。键盘电路采用行列式键盘接口，利用程序扫描法查询按键状态，从而执行相应子程序，完成相关功能。

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：①上电自动复位，在通电瞬间，由于RC电路充电过程中，RESET端出现正脉冲，从而使单片机复位；②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；③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。此次设计本着结构简单、干扰小的思想，故采用上电自动复位。

具体电路如图4-1所示

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图4-1 单片机系统外围电路

4.2超声波发射电路设计

4.2.1超声波换能器

超声波换能器(Ultrasonic Transducer)是把别种能源的信号转换成所要求的超声波信号或者能量的器件；或者反之，是把超声波信号或者能量转换成另一种形式的信号或者能量的器件。超声波换能器有多种类型，如电声型超声波换能器(包括压电换能器，磁致伸缩换能器，电动式换能器和电磁式换能器)，流体动力型换能器，气介超声波换能器，聚焦超声波换能器，扭转振动超声波换能器，弯曲振动超声波换能器，检测超声波换能器等。

超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量。本次设计是用于测距，需要转换的信号是超声波和其他信号（电压信号，电流信号等），所以选择压电式超声波换能器。所以，以下介绍压电式超声波传感器的原理及应用。

某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，—————————————————————————————————————

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它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部就够如下图所示，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，并带动共振板振动产生超声波，这时，它就是一个超声波发生换能器；反之，如果两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，使机械能转化为电信号，这是它就成为超声波接收换能器了。在压电陶瓷片上加有大小和方向不断变化的变流电压时，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，是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的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种振动推动空气等媒质，便会发出声波。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波，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械的变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的信号。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4-2 超声波换能器结构图

图4-3是压电晶片的等效电路。R为陶瓷材料介电损耗并联电阻，C0为静电电容，Cm 和

Lm为机械共振回路的电容和电感。Rm为损耗串联电阻。

压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率f0，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率f0一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率f0一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。 —————————————————————————————————————

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当所用的压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地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。用于测距的传感器的中心频率一般为40KHz。

图 4-3 压电晶片等效电路

4.2.2 NE555简介

NE555 (Timer IC)大约在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一计数快速且商业化的Timer IC。在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路。尽管近年來CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应。尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其引脚功能并没变化，所以到目前都可直接的代用。

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同。555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉冲信号。

NE555的特点有：

(1)只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

(2)它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑门配合，也就是它的输出触发准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

(3)其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

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4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 下图为NE555的内部功能框图及引脚图

1脚：为接地端，通常被连接到电路共同接地。

2脚：为触发端，这个引脚是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 3脚：为信号输出端。当时间周期开始时555的输出脚位，升至比电源电压少1.7伏的高电位，时间周期结束式输出回到OV左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。

4 脚：为复位端，一个低逻辑电位送至这个引脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

5脚 ：为控制端。这个引脚准许由外部电压改变触发和闸限电压，当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

6脚：为门限端。当这个引脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。

7脚：为放电端。这个引脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

8脚：为电源端。这是555计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5V至+16V。

4.2.3超声波发射电路设计

超声波换能器TCT40-16发出超声波需要40KHz的方波信号驱动 ，而产生40KHz的方波主要有软件发生法和硬件发生法。软件发生法就是利用单片机的定时器产生中断信号发生方波，这就必须将定时器的溢出中断设为最高优先级。但这样做，会使得中断过于频繁，主程序将不能及时处理其他事情及中断，从而影响系统的总体性能。而采用硬件发生法就不会产生这些问题，而且编程会更加简单。所以，本设计需要的40KHz方波采用硬件发生法。具体电路如图4-4所示。

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图4-4 超声波发射电路

4.3超声波接收电路设计

4.3.1 CX20106A 简介

CX2O106A是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路，广泛应用于视频、音频、空调、风扇等各种遥控系统中作遥控信号接收电路。

图4-5为CX20106A内部电路原理框图及引脚图。

图4-5

图4-6为CX20106A的典型应用电路

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图4-6

各引脚介绍：

1 脚：为红外信号输入端。该引脚和地之间连接PIN光电二极管，输入阻抗约为40kΩ。

2 脚：为增益调节端。该引脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。

3 脚：为检测端。该引脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。

4 脚：接地端。

5 脚：为带通滤波器调整端。该引脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则芯片中心频率f0≈38kHz。

6 脚：为积分端。该引脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7 脚：为信号输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8 脚：为电源端。该引脚接电源正极，电压为4.5V～5V。

4.3.2 超声波接收电路设计

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超声波换能器接收到反射回来的超声波信号后，会转换为电信号，此时的信号比较弱，需要放大整形等一系列处理才能输入单片机完成相应的信息处理。

本设计超声波接收电路选用集成电路CX20106A，它可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检测和波形整形等功能，电路如图3 所示。发射电路发出的脉冲信号，在碰到障碍物后，经反射后的超声波脉冲变成微弱的交流信号，接收电路接收后送到CX20106A 的1 脚，为信号的输入端，经过前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自动增益控制功能，可以保证超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器具有较高的增益，而在近距离输入信号强时放大器不会过载，其带通滤波器中心频率可由芯片5 脚的外接电阻调节，取200 kΩ，控制在38 kHz。通过带通滤波器滤波，峰值滤波，积分比较，最后经整形电路输出脉冲信号。

CX20106A 接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，可以满足超声波接收电路的要求。同时集成电路也可以减少干扰。具体电路如图4-7所示。

图4-7 超声波接收电路

4.4 LED显示电路设计

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—————————————————————————————————————

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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。综合本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。因为需要显示的距离在10m以内，并且需要精确到mm,故采用4个LED数码管显示距离数值。

在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。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数字的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。LED数码管采用共阴极接法，数字的段码由译码器CD4511控制，数字的位码由74LS138控制。具体电路图如图4-8所示。

图4-8 LED数码管显示电路

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4.4报警电路设计

考虑到本设计的实际需求，系统只需提供简单的嘀嘀声作为报警信号即可。所以，报警电路不需要复杂的设计，只需用NPN三极管控制蜂鸣器发声即可，具体电路如图4-9所示。

图4-9 报警电路

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5 软件系统设计

5.1主程序设计

主程序实现系统的功能，主程序的编写是在各个子程序的基础上实现的。主程序程序指导各个子程序依次工作，实现系统的测距功能。主程序开始时，要对系统进行初始化，初始化包括I/O端口的初始化、中断的初始化、定时器的初始化等等。在初始化完成后，开始40KHz脉冲信号的发射。由单片机P2.7端口控制NE555产生40KHz的脉冲信号，同时定时器0开始计时。单片机用外部中断0来接收超声波回波信号，当接收到中断时，定时器0计时停止。记录下这一数据，单片机开始距离计算。计算结果出来后，结果被显示子程序调用，距离显示在LED上。主程序的工作流程图如图5-1所示。

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主程序代码如下： void Main(void) {//主程序 }

InitCPU(); while (1) {//主循环 }

TimeAndComSelect(); switch(bSysStatus) { }

case S_Idle:

key_DealNews(); break;

DisplayLED(Index); Index++; if (Index>=4) { } break; DataCollect(); break; Ds18b20(); break; Key_Scan(); break;

Index=0;

case S_DISPLAY:

case S_DATACOLLECT:

case S_SAMPLETH:

case S_KEYSCAN:

5.2子程序设计

5.2.1初始化程序

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void InitCPU() {

EA=0;

//fosc=11.0592mhz 5ms timer interrupt

//Disable the Interrupt

PSW=0x00;

//Select register bank0

TMOD=0x21; //Time0 mode 1 TH0=L5MS_H; TL0=L5MS_L;

TH1=L9600; TL1=L9600;

SCON=0x40; PCON=0x80;

//Interrupt piror

//Timer0 Interrupt enable

//External Interrupt down edge trigger //Enable Timer0

//Timer0 Interrupt enable

IP=01;

IT1=1; //Timer1 Interrupt enable EX0=1;

//Uart Baud control //Power Control

// IP=0x00; IT0=1;

EX1=0; ET0=1;

ET1=0; TR1=1; TR0=1; REN=1; ES=1; }

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EA=1; P0=0xff; P1=0xff; P2=0xff; P3=0xff;

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5.2.2中断程序

void TimeAndComSelect() { }

if (m_bSys5ms) { }

else if(m_bSysScanKey) { }

else if (m_bDataCollect) { }

else if (m_bSampleTh) { } else { }

bSysStatus=S_Idle; m_bSampleTh=0; bSysStatus=S_SAMPLETH; m_bDataCollect=0; bSysStatus=S_DATACOLLECT; m_bSysScanKey=0; bSysStatus=S_KEYSCAN; m_bSys5ms=0;

bSysStatus=S_DISPLAY;

5.2.3显示程序

void DataCollect() {

float tempfloat; uint tempint;

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}

void DisplayLED(byte Index1) { }

tempbyte=0;

tempbyte=Index1<<4;

if (m_bEnterSetStatus&&(Index1==CursorPosition)) {//开始闪烁 } else { }

P0=tempbyte;

tempbyte+=DisBuf[Index1]; if (m_bSYS500ms) {//亮 } else {//灭 }

tempbyte+=10;

tempbyte+=DisBuf[Index1];

Result=113.5;

tempfloat=Result*100; tempint=(uint)tempfloat; DisBuf[0]=tempint/1000; DisBuf[1]=tempint%1000/100; DisBuf[2]=tempint%100/10; DisBuf[3]=tempint%10;

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6 系统误差分析及改进

6.1系统误差分析

6.1.1 温度对超声波声速的影响

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：

CB/p （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：

PR·TR·T·PVM （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

Cr·R·TM （5-3）

由公式5-3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=319.9 m/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。

6.1.2 回波检测对时间测量的影响

超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。设在距离超声接收器x 处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为：

A=A(x)cos(ax+kt) （5-4）

其中A为超声传感器接收的振幅；A0 为超声传感器初始振幅；α为衰减系数；x 为超—————————————————————————————————————

毕业设计（论文）

声波传播距离；w角频率；k 为波数。衰减系数α=b·f。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数(万倍级)和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。

6.1.3 超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响

制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声测距常用压电材料传感器，例如TCT40压电超声传感器。超声传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E 的关系为：

S=d·E （5-5）

其中d 为应变电场常数。超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。

6.2 针对误差产生原因的系统改进方案

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个部分组成。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波周期的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；

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毕业设计（论文）

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，C331.41t273m/s；

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)。

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7 总结

整个毕业设计过程近三个月，通过对这个倒车防撞报警器的制作，培养了我各方面的能力，包括学习能力，动手能力和实际操作能力。这是一种综合能力的培养，通过这个可以验证四年所学的知识是否扎实。

本课题设计并实现了一种实用的倒车防撞报警系统。我查阅相关的文献资料，利用现有的实验条件，在深入理解超声波测距原理的基础上，提出了基于STC89C52单片机的倒车防撞报警系统的整体设计方案。选用TCT40-16型收发分体式超声波传感器、NE555、TC4069来设计超声波发射电路，发射电路选用CX20106芯片。这样，不仅外围元件较少，电路简单，而且具有更好的稳定性和可靠性。LED显示电路采用共阴极4位数码管，CD4511控制段选信号，74LS138控制位选信号，能够满足系统的显示需求。本系统具有测量精确、性能稳定、成本低廉、电路简单实用等特点，能满足驾驶员在实际倒车中的需求。

同时这个毕业设计要注意一下几点：

（1）设计完电路以后，进行焊接之前要注意摆放元器件的摆放位置，因为如果元器件摆放不当可能会造成干扰，影响最后的测量结果。超声波换能器安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距3～5cm，如果距离太近，两换能器会互相干扰，影响测量结果。

（2）发射频率的选择也很重要，频率越高，衰减系数a越大，传播的距离也越短。在实际的应用中，一般选用30- 100KHz的超声波进行距离测量，比较的典型的频率为40KHz。接收电路，主要注意的就是要将接收信号的电路放大，这里还要注意的是接收电路要离单片机尽量远一点。

（3）编程的时候由于采用的是汇编语言，因为汇编语言比C语言来说在时间精确度方面精确了一些，但在编程的时候还是要注意时间延时的调试。

这次毕业设计基本上实现了所要求的各项指标，但由于时间、水平和经验方面的欠缺，本设计在很多方面还有很多的不足，比如干扰、电路设计合理性、如何对非平面物体和倾斜物体进行准确测距、如何减小测距盲区、如何进～步提高系统的稳定性和重复性等问题，这些还需日后有待解决。通过实际工程的设计也使我了解到书本知识和实际应用的差别。在实际应用中遇到很多的问题，这都需要我对问题进行具体的分析，并一步一步地去解决它。这就让我认识到只有不断的学习才会不断的提高。

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毕业设计（论文）

附录

元件清单：

Part Type 0.01uf 0.01uf 0.1uf 0.1uf 0.1uf 0.1uf 0.1uf 0.1uf 0.33uf 0.33uf 1.0uf 1K 1K 1K 2.4K 2.4K 2.4K 2.K 3.3uf 4.7K 4.7Ω 6.8K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10uf 14.7K 22K 22pf 22pf 47uf Designator C18 C17 C9 C7 C6 C10 C8 C16 C1 C2 C11 R22 R21 R1 R11 R10 R13 R12 C12 R24 R29 R25 R17 R19 R23 R18 R16 R15 R14 R20 C15 R26 R27 C4 C5 C3 Footprint RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 RAD0.2-S AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 RAD0.2-S AXIAL0.4 AXIAL0.4 RAD0.2-S RAD0.2-S RAD0.2-S —————————————————————————————————————

毕业设计（论文）

47uf 74LS138 200K 330pf 330Ω 330Ω 330Ω 330Ω 330Ω 330Ω 330Ω 330Ω 2200uf/16v 2200uf/16v AC/12V BRIDGE1 CD4511 COM1 CX20106A DPY DPY DPY DPY LED LM7805CK MAX232 NE555 NPN PNP PNP PNP PNP SPEAKER STC89C52 TC4069 TCT40-16R TCT40-16T W1

C14 U3 R28 C13 R6 R7 R8 R5 R2 R9 R4 R3 E1 E2 JP1 D1 U2 SERIAL U6 DS4 DS3 DS1 DS2 D2 U1 U5 U7 8050 Q4 Q1 Q3 Q2 LS1 U4 U8 T2 T1 11.0592MHZ RAD0.2-S DIP16 AXIAL0.4 RAD0.2-S AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 RB.2/.4 RB.2/.4 1812 D-37R DIP16 XTAL18 XTAL17 XTAL16 XTAL15 XTAL14 XTAL13 XTAL12 XTAL11 XTAL10 XTAL9 XTAL8 XTAL7 XTAL6 XTAL5 XTAL4 XTAL3 XTAL2 XTAL1 XTAL0 XTAL1 XTAL2 —————————————————————————————————————