智能儀器完結(jié)-基于超聲波定位原理的停車輔助系統(tǒng).

1、王治國：基于超聲波原理的停車輔助系統(tǒng)課程設計名稱： 智能儀器設計 題 目： 基于超聲波定位原理的停 車輔助系統(tǒng) 學 期： 2014-2015學年第二學期 專 業(yè)： 測控技術與儀器 班 級： 測控12-2 姓 名： 王治國 學 號： 1205070219 指導教師： 李雅梅 智能儀器設計課程設計成績評定表學期 2014/2015第二學期姓名王治國專業(yè)測控技術與儀器班級測控12-2課程名稱智能儀器設計設計題目基于超聲波定位原理的停車輔助系統(tǒng) 成績 評分項目優(yōu)（A）良（B）中（C）及格（D）不及格（E）設計表現(xiàn)（20分）1.設計態(tài)度（5分）非常認真認真較認真一般不認真2.設計紀律（10分）嚴格遵守遵

2、守基本遵守少量違反嚴重違反3.上交設計時間（5分）提早或按時按時遲交半天遲交一天遲交一天以上設計能力（20分）工作能力、理解能力和創(chuàng)新能力（20分）能正確地獨立思考與設計，理解力強，有較高的創(chuàng)新力能理解所學的內(nèi)容，有一定的獨立設計能力理解力、設計能力均屬一般，但尚能獨立設計理解力、設計能力一般，獨立設計能力不夠理解力、設計能力均差，依賴性大設計說明書（40分）5.設計內(nèi)容（20分）設計思路清晰，結(jié)構(gòu)方案良好，設計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容完整，結(jié)果正確設計思路清晰，結(jié)構(gòu)方案合理，設計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容較完整，極少量錯誤設計思路較清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚

3、，內(nèi)容基本完整，有少量錯誤設計思路基本清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有些錯誤設計思路不清晰，結(jié)構(gòu)方案不合理，關鍵設計參數(shù)選擇有錯誤，調(diào)理清楚，內(nèi)容不完整，有明顯錯誤6.設計書寫、字體、排版（15分）規(guī)范、整潔、有條理，排版很好較規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，排版有問題較多不規(guī)范、不整潔、無條理，排版有問題很大7.封面、目錄、參考文獻（5分）完整較完整基本完整缺項較多不完整圖紙（20分）8.繪圖效果（10分）很出色較出色一般較差很差9.布局（5分）合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10

4、.繪圖工程標準（5分）符合標準較符合標準基本符合標準個別不符合標準完全不符合標準評定說明：按A、B、C、D、E五個權(quán)重給分，A：滿分；、C、D、E：依次酌情減1到2。備注說明：最終成績： 評定教師簽字：課 程 設 計 任 務 書一、設計題目基于超聲波定位原理的停車輔助系統(tǒng)二、設計任務(1) 根據(jù)超聲波測距原理，設計出系統(tǒng)的硬件電路圖。(2) 實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。(3) 以數(shù)字的形式顯示測量距離。(4) 在距離小于50cm時發(fā)出報警。三、設計計劃本設計共3周。第1周：針對選題查資料，確定設計方案；第2周：方案分析比較，電路原理設計，進行元器件及參數(shù)選擇

5、；利用 Altium Designer進行電路圖繪制第3周：編寫主程序流程圖和軟件程序及編寫整理設計報告。四、設計要求 1、繪制軟件流程圖并利用匯編語言編寫軟件程序；2、繪制系統(tǒng)硬件原理圖；3、形成設計報告。指 導 教師：李雅梅教研室主任：李雅梅2015年 5月 26 日摘 要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和交通運輸業(yè)的不斷興旺，汽車的數(shù)量在不斷的增加。交通擁擠狀況也日益嚴重，撞車事件也經(jīng)常發(fā)生，造成了很多不可避免的人聲傷亡和經(jīng)濟損失，面對這種情況，設計一種響應快、可靠性高并且比較經(jīng)濟的汽車防撞預警系統(tǒng)顯得非常的重要。超聲波測距法是一種最常見的距離測量方法。本文介紹的就是利用超聲波測距法設計一種倒車防撞報

6、警系統(tǒng)。本文的內(nèi)容是基于超聲波測距的倒車防撞系統(tǒng)的設計，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和AT89S51單片機結(jié)合于一體，設計出一種基于AT89S51單片機得倒車防撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點。論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。對于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個設計單元的原理進行了介紹。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能

7、。關鍵詞：超聲波定位；停車倒車；AT89S51AbstractWith the social and economic development and transportation continues to boom, the automobile quantity climbs in the first mate. Traffic congestion condition also day by day serous, the collision event occurred repeatedly, has caused the inevitable person casualties an

8、d the economic loss, in view of this kind of situation, designed one kind to respond quickly, the reliability was high also a more economical automobile guards against hits the early warning system imperative, the ultrasonic wave range finding was the most common one distance range finder method, th

9、is article introduces is guards against using the ultrasonic wave range finding design one kind of reversing collision avoidance system.The paper is based on the ultrasonic distance reversing collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging syste

10、m and the integration with the integration AT89S51 monolithic integrated circuit, AT89S51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of modular and multi-use characteristics.The paper o

11、utlines the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basic, the overall composition of the system. Through multi

12、ple launch reception circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through pr

13、ogramming to achieve system function.Key words: Ultrasonic Positioning; Parking and Reversing;AT89S51目 錄摘 要VIAbstractVI目 錄VI1 緒論11.1 課題設計的目的和意義11.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀12 總體方案32.1 本設計的研究方法32.2系統(tǒng)整體方案的設計32.3 系統(tǒng)整體方案的論證32.4 超聲測距原理32.4.1 超聲波測距概述32.4.2 超聲波傳感器介紹42.4.3 超聲波測距的原理63 系統(tǒng)硬件設計73.1 AT89S51單片機83.2超聲波測距的系統(tǒng)及其組成83.2

14、.1 超聲波測距單片機系統(tǒng)93.2.2 超聲波發(fā)射、接受電路93.3.3 顯示電路113.3.4 供電電路113.2.5 報警輸出電路124 系統(tǒng)軟件設計124.1 主程序設計124.2 超聲波測距子程序及其流程圖134.3 超聲波測距流程圖155誤差分析18結(jié)論19參考資料21致 謝22附錄一 超聲波測距原理圖23- VI -1 緒論 1.1 課題設計的目的和意義隨著汽車的普及，越來越多的家庭擁有了汽車。交通擁擠狀況也隨之出現(xiàn)，撞車事件也是經(jīng)常發(fā)生，人們在享受汽車帶來的樂趣和方便的同時，更加注重的是汽車的安全性，許多“追尾”事故都與車距有著密切的關系。為了解決這個安全問題，設計一種汽車測距防

15、撞報警系統(tǒng)勢在必行。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單。所以超聲波測距法是一種非常簡單常見的方法，應用在汽車停車的前后左右防撞的近距離測量，以及在汽車倒車防撞報警系統(tǒng)中，超聲波作為一種特殊的聲波，具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦哉凵?，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距是利用其反射特性，當車輛后退時，超聲波測距傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并利用LED顯示出來，當?shù)竭_一定距離時，系統(tǒng)能發(fā)出報警聲，進而提醒駕駛?cè)藛T，起到安全的左右。通過本課題的研究，將所

16、學到的知識用在實踐中并有所創(chuàng)新和進步。該設計可廣泛應用在生活、軍事、工業(yè)等各個領域，它需要設計者有較好的數(shù)電、模電知識，并且有一定的編程能力，綜合運用所學的知識實現(xiàn)對超聲波發(fā)射與接收信號進行控制，通過單片機程序?qū)Τ暡ㄐ盘栠M行相應的分析、計算、處理最后顯示在LED數(shù)碼管上。1.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀近年來，由于導航系統(tǒng)、工業(yè)機器人的自動測距、機械加工自動化等方面的需要，自動測距變得十分重要。與同類測距方法相比，超聲波測距法具有以下優(yōu)勢：（1）相對于聲波，超聲波有定向性較好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力強等優(yōu)勢。（2）和光學方法相比，超聲波的波速較小，可以直接測量較近的目標，縱向分辨率高；

17、對色彩、光照度、電磁場不敏感，被測物體處于黑暗、煙霧、電磁干擾、有毒等比較惡劣的環(huán)境有一定的適應能力。特別是在海洋勘測具有獨特的優(yōu)點。（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，便于小型化和集成化。隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波的應用將越來越廣泛。但就目前技術水平來說，人們利用超聲波的技術還十分有限，因此，這是一個正在不斷發(fā)展而又有無限前景的技術。超聲波測距技術在社會生活中已有廣泛的應用，目前對超聲波的精度要求越來越大。超聲波作為一種新型的工具在各方面都有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。未來超聲波測距技術將朝著更高精度，更大應用范

18、圍，更穩(wěn)定方向發(fā)展。2 總體方案2.1 本設計的研究方法 本設計選用TCT40-16T/R超聲波傳感器。了解超聲波測距的原理的，只有對理論知識有一定的學習才能運用到實際操作中。根據(jù)原理設計超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。對設計的電路進行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收，從而實現(xiàn)利用超聲波測距的方法測量物體之間的距離。具體設計一個基于單片機的超聲波測距器，包括單片機控制電路，發(fā)射電路，接收電路，LED顯示電路。2.2系統(tǒng)整體方案的設計由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面

19、也能達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本文采用AT89S51單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器。2.3 系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的

20、兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。2.4 超聲測距原理2.4.1 超聲波概述超聲波是一種頻率超過20的機械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦苑瓷?、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加?/p>

21、度大等特點，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會反射。利用超聲檢測往往比較迅速，方便，易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)使用的要求，主要應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。超聲波測量在國防、航空航天、電力、石化、機械、材料等眾多領域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大特點是穿透力強，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測物體內(nèi)部情況。超聲檢測設備還具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點，有利于工程實際使用。2.4.2 超聲波傳感器介紹超聲波

22、傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲波傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要包括壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動力型包括有氣體和液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲波傳感器稱為探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器屬于超聲波傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電

23、材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應變，從而產(chǎn)生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應的電信號，是正壓電效應。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成

24、。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加上有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會產(chǎn)生超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如

25、圖2.1所示，它有兩個壓電晶片和一個錐形振子，當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動錐形振子振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當錐形振子接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。圖2.1 壓電式傳感器原理圖Fig. 2.1 Schematic of piezoelectric sensors壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率f0。發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，

26、就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制作成各種頻率的超聲波傳感器。一般常用的超聲波傳感器有兩種：專用型和兼用型。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。本設計選用的超聲波傳感器是專用型，其型號為TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示傳感器工作的中心頻率為40KHz,16表示傳感器的外徑為16mm，T和R分別表示發(fā)射器和接收器。2.4.3 超聲波測距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立

27、即停止計時。假設超聲波在空氣中的傳播速度為，根據(jù)計時器記錄的時間，發(fā)射點距障礙物的距離，如圖2.2所示 圖2.2超聲波測距原理Fig. 2.2 Ultrasonic ranging principle圖2.2中被測距離為H，兩探頭中心距離的一半用M表示，超聲波單程所走過的距離用表示，由圖可得： (1) (2)將式(2)帶入式(1)得： (3)在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： (4)式中：為超聲波的傳播速度，為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式(4)帶入式(3)可得： (5)當被測距離H遠遠大于M時，式(5)變?yōu)椋?(6)這就是所謂的時間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙

28、物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離2。由于是利用超聲波測距，要測量預期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達到預定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為40左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。3 系統(tǒng)硬件設計 按照系統(tǒng)設計的功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。單片機主控芯片使用51系列AT89S51單

29、片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機課程設計中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調(diào)試工作小較小。圖3.1 系統(tǒng)整體框圖Fig. 3.1 Overall block diagram of the system硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路、報警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機采用AT89S51，系統(tǒng)晶振采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P2.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，P3.5端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回

30、信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的P2口，位碼輸出端口分別為單片機的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動。3.1 AT89S51單片機AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價位AT89S51單片機可為您提供許

31、多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。主要性能參數(shù)：·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器·1000次擦寫周期·4.05.5V的工作電壓范圍·全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz·三級程序加密鎖·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM·32個可編程IO口線·2個16位定時計數(shù)器·6個中斷源·全雙工串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)·看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針·掉電標識

32、和快速編程特性·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）除此以外AT89S51還提供一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。3.2超聲波測距的系統(tǒng)及其組成本系統(tǒng)由單片機AT89S51控制，包括單片機系統(tǒng)、發(fā)射電路與接收放大電路和顯示電路幾部分組成，如圖3-1 所示。硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲

33、波接收電路三部分。單片機采用AT89S51。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P2.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，P3.5端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的P2口，位碼輸出端口分別為單片機的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機P3.5輸入一個低電平脈沖。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時器T0計時，當檢測到P3.5由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立?/p>

34、停止內(nèi)部計時器計時。單片機將測得的時間與聲速相乘再除以2即可得到測量值，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測得的結(jié)果顯示出來。3.2.1 超聲波測距單片機系統(tǒng)超聲波測距單片機系統(tǒng)主要由：AT89S51單片機、晶振、復位電路、電源濾波部份構(gòu)成。由K1，K2組成測距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設定超聲波測距報警值。如圖3.2。圖3.2 超聲波單片機系統(tǒng)Fig. 3.2 Ultrasonic SCM system3.2.2 超聲波發(fā)射、接受電路超聲波發(fā)射如圖3.3，接收電路如圖3-4。超聲波發(fā)射電路由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構(gòu)成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩

35、產(chǎn)端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測量距離。接收電路由BG1、BG2組成的兩組三級管放大電路構(gòu)成；超聲波的檢波電路、比較整形電路由C7、D1、D2及BG3組成。40kHz的方波由AT89S51單片機的P2.7輸出，經(jīng)BG1推動超聲波脈沖變壓器，在脈沖變壓器次級形成60VPP的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。發(fā)送出的超聲波，遇到障礙物后，產(chǎn)生回波，反射回來的回波由超聲波接收頭接收到。由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負跳變，輸入單片機的P3腳。圖3.3 超聲波發(fā)送電路Fig. 3.3 Ultrasonic tr

36、ansmitter circuit t該測距電路的40kHz方波信號由單片機AT89S51的P2.7發(fā)出。方波的周期為1/40ms，即25µs，半周期為12.5µs。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于單片機系統(tǒng)的晶振為12M晶振，因而單片機的時間分辨率是1µs，所以只能產(chǎn)生半周期為12µs或13µs的方波信號，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時選用了后者，讓單片機產(chǎn)生約38.46kHz的方波。圖3.4 超聲波測距接收電路Fig. 3.4 Ultrasonic Ranging recei

37、ving circuit由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要將其進行放大。接收電路如圖3.4所示。接收到的信號加到BG1、BG2組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器的放大倍數(shù)為70倍。放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，即把多個脈沖波解調(diào)成多個大脈沖波。這里使用的是I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，制作難度小。3.2.3 顯示電路本系統(tǒng)采用三位一體L E D 數(shù)碼管顯示所測距離值，如圖3.5。數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機的P2口，位碼輸出端口分別為單片機的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)

38、運用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動。 圖3.5 顯示單元Fig. 3.5 The display unit3.3.4 供電電路本測距系統(tǒng)由于采用的是LED數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時，系統(tǒng)工作電流約為30-45mA，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計的可靠正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流AC6-9伏，同時為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮了第二種方式，即由USB口供電，調(diào)試時直接由電腦USB口供電。6伏交流是經(jīng)過整流二極管D1-D4整流成脈動直流后，經(jīng)慮波電容C1慮波后形成直流電，為保證單片機系統(tǒng)的可電，供電路中由5伏的三端稱壓集成電路進行穩(wěn)壓后輸出5伏的真流電供整個系統(tǒng)用電，為進一步提高電源質(zhì)量，5伏的直流電再次

39、經(jīng)過C3、C4濾波。 圖3.6 供電電路Fig. 3.6 Power supply circuit 3.2.5 報警輸出電路為提高測測距系統(tǒng)的實用性，本測距系統(tǒng)的報警輸出提供開關量信號及聲響信號兩種方式。方式一：報警信號由單片機P3.1端口輸出，繼電器輸出，可驅(qū)動較大的負載，電路由電阻R6、三極管BG9、繼電器JDQ組成，當測量值低于事先設定的報警值時，繼電器吸合，測量值高于設定的報警值時，繼電器斷開。方式二：報警信號由單片機P0.2口輸出，提供聲響報警信號，電路由電阻R7、三極管BG8、蜂鳴器BY組成，當測量值低于事先設定的報警值時，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴.”報警聲響信號，測量值高于設定的報

40、警值時，停止發(fā)出報警聲響。報警輸出電路如圖3-7。 圖3.6 報警電路Fig. 3.6 Alarm circuit4 系統(tǒng)軟件設計4.1 主程序設計超聲波測距的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波測距的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言編程。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設定時器0為計數(shù)，設定時器1定時。置位總中斷允許位EA。進行程序主程序后，進行定時測距判斷，當測距標志位ec=1時，測量一次，程序設計中，超聲波測距頻度是4-5次/秒。測距間隔中，整個程序主要進行循環(huán)顯示

41、測量結(jié)果。當調(diào)用超聲波測距子程序后，首先由單片機產(chǎn)生4個頻率為38.46kHz超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟動內(nèi)部計時器T0進行計時，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時，單片機需要延時約1.5 -2ms時間（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因，稱之為盲區(qū)值）后，才啟動對單片機P3.5腳的電平判斷程序。當檢測到P3.5腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時，立即停止T0計時。由于采用單片機采用的是12 MHz的晶振，計時器每計一個數(shù)就是1s，當超聲波測距子程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2

42、）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離。設計時取15時的聲速為340 m/s則有：  d=(c×t)/2=172×T0/10000cm其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。 測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。4.2 超聲波測距子程序及其流程圖void wdzh()TR0=0;TH1=0x00;TL1=0x00;csbint=1;sx=0;delay(1700);csbfs();csbout=1;TR1=1;i=yzsj;while(i-)i=0;while(csbint)/判斷接收回路是否

43、收到超聲波的回波i+;if(i>=3300)csbint=0;TR1=0;s=TH1;s=s*256+TL1;TR0=1;csbint=1;jsz=s*csbc;/計算測量結(jié)果jsz=jsz/2; 產(chǎn)生超聲波的子程序：為了方便程序移置及準確產(chǎn)生超聲波信號，本測距的超聲波產(chǎn)生程序是用匯編語言編寫的進退聲波產(chǎn)生程序。產(chǎn)生的超聲波個數(shù)為UCSBFS SEGMENT CODERSEG UCSBFSPUBLIC CSBFSCSBFS:mov R6,#8h ;超聲波發(fā)射的完整波形個數(shù)：共計四個 here:cpl p2.7 ;輸出40kHz方波 nop nop nop nop nop nop nop

44、nop nop djnz R6,here RETEND 流程圖：圖3.7 主程序流程圖Fig. 3.7 The main program flow chart4.3 超聲波測距流程圖 圖3.8 超聲波測距流程圖Fig. 3.8 Ultrasonic Ranging flowchart5 誤差分析超聲波測距由于其再使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之其結(jié)構(gòu)簡單成本低，在機器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應用。在原理上將，超聲波測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲波傳感器接

45、收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，在已知超聲波聲速的前提下，可計算被測物的距離H，即：H=vt/2。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。（1）溫度對超聲波波速的影響空氣中傳播的超聲波是由機械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。其中溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響，當需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。（2）超聲波回波聲強

46、影響超聲波回波聲強與被測物得距離有由直接的關系，實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過根據(jù)測量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個數(shù)以及動態(tài)調(diào)整比較電壓來減小這種誤差。（3）電路本身影響電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會造成測量誤差，主要表現(xiàn)為：啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差。這是源于單片機一次只能處理一件事，所以啟動發(fā)射和啟動計時實際上不能同時完成，是先后完成的，存在時差。但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。收到回波到被檢測出的滯后。這是源于檢測電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實際回波到電路確認并輸出相應信號肯定存在滯后，這和回波信號強弱、檢測電路原理以及判

47、斷電路的敏感性相關，也是超聲波測距的核心。收到中斷到中斷響應停止計時之間的滯后。這是源于單片機的中斷機制。收到中斷信號后，單片機不可能立刻響應，至少要完成當前的指令，有時還要等待其它中斷服務結(jié)束，所以這個滯后時間也不確定，從而導致測量結(jié)果的變化。但這個因素可以通過提高單片機速度，使用高優(yōu)先級中斷。計時器本身的誤差。這是源于計時器本身。由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器，其穩(wěn)定度和準確度為20-50 PPM 級別，對于音速而言，其帶來的誤差在mm級。為減小此項誤差，應該提高計時的最小單位，即是選擇頻率高的晶振，從而降低量化誤差。同時選用質(zhì)量好的晶振。（4）超聲波波速入射角影響超聲波波束入射角也會對測量數(shù)

48、據(jù)產(chǎn)生影響，由于系統(tǒng)是用來測量點和面的距離，則被測物表面，超聲波發(fā)射探頭和接收探頭三者之間存在一個幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度，如果這個角度不是0度，系統(tǒng)測量到的距離是被測物與接收探頭之間的距離而不是和測量參考面之間的距離，這就會造成測量誤差。（5）超聲波傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響制作超聲波傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲波測距常用壓電材料制作的傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當壓電材料不受外力時，其應變S與外加電場強度E的關系為： S=dE 其中d為應變電場常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應變

49、量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進而影響超聲波幅值。這些會直接影響超聲波的回波幅值。所以，為了提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和范圍，應盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。結(jié)論本文主要講述了基于超聲波定位原理的停車輔助系統(tǒng)的原理和設計方法，設計的最終結(jié)果是使超聲波測距系統(tǒng)能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離，并以數(shù)字的形式顯示測量距離，在距離小于50cm時發(fā)出報警。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機采用AT89S51，采用12高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機