基于測距原理的汽車倒車警報系統(tǒng)設(shè)計說明

1、第一章 概述汽車對人們來說是一個再熟悉不過的詞，自從1886年2月9日卡爾·本次發(fā)明了人類第一輛汽車，至今世界汽車工業(yè)經(jīng)過了近124年的發(fā)展，當(dāng)代汽車已經(jīng)非常成熟和普遍了。汽車已經(jīng)滲透于國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)以與人類生活的各個領(lǐng)域之中，成為人類生存必不可少的、最主要的交通工具，為人類生存和社會的發(fā)展與進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用。汽車給人們帶來方便快捷的同時，也出現(xiàn)了許多問題，安全倒車就是其中之一。盡管每輛車都有后視鏡，但不可避免地都存在一個后視盲區(qū)，倒車?yán)走_(dá)則可以在一定程度上幫助駕駛員掃除視角死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。1.1 設(shè)計的現(xiàn)狀隨著科技的日新月異，人們對于車輛的功能與

2、行車安全的期望日益增多，對汽車操作的便捷性和安全性也愈加挑剔。其中汽車倒車時的不便和安全隱患逐漸被汽車制造行業(yè)所重視。據(jù)調(diào)查，因為汽車倒車而造成的人員和財產(chǎn)的損失逐年上升，人們迫切希望有一種電子裝置能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的“后視”功能，在倒車時能夠提示駕駛員汽車后方障礙物狀況，并能根據(jù)距離和障礙物的情況與時報警防止駕駛員誤操作，來保證駕車者的安全。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和電子業(yè)的興起，各種具有強(qiáng)大功能集成電路的開發(fā)，電子信息科學(xué)系有很先進(jìn)的電子儀器和電子設(shè)備，這些都為開發(fā)這種電子產(chǎn)品奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來許多先進(jìn)安全系統(tǒng)與駕駛輔助系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來。其中倒車輔助系統(tǒng)是駕駛輔助系統(tǒng)中最先受到矚目的技術(shù)發(fā)

3、展，目前已成為高階新車的標(biāo)準(zhǔn)駕駛輔助配備之一。倒車報警系統(tǒng)由超聲波傳感器(俗稱探頭)、控制器和顯示器等部分組成。倒車輔助的發(fā)展從倒車警示喇叭開始，經(jīng)倒車?yán)走_(dá)蜂鳴器碰撞警示、數(shù)字波段顯示技術(shù)（利用雷達(dá)感測液晶顯示距離）等階段的發(fā)展，目前已成功研發(fā)液晶顯示屏幕技術(shù)。本設(shè)計在整個倒車過程中自動測量車尾到最近障礙物的距離，并用數(shù)字顯示出來，在車尾距離障礙物1m時會發(fā)出警告音，提醒駕駛員注意剎車。本設(shè)計有望成為駕駛員的好幫手，可有效減少和避免因視野障礙而引發(fā)的倒車事故。1.2 設(shè)計的思路本課題為“基于測距原理的汽車倒車報警系統(tǒng)設(shè)計”。首先需要明確倒車?yán)走_(dá)的概念與其大體的發(fā)展?fàn)顩r，從而給出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方案。

4、本課題主要需要研究超聲波測距的原理、超聲波傳感器的性能特點與作用、單片機(jī)的功能與作用。同時，還要研究單片機(jī)與超聲波傳感器以與顯示器的連接方式和了解整個汽車用倒車?yán)走_(dá)的電路原理與連接。該汽車倒車?yán)走_(dá)主要通過單片機(jī)來控制，軟件部分?jǐn)M采用匯編語言進(jìn)行編程，主要通過匯編語言實現(xiàn)相應(yīng)的測距算法和中斷、計時與單片機(jī)與其他各器件的串口通信，從而進(jìn)行障礙物與汽車距離的測量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。目前要解決的主要問題是如何編程實現(xiàn)超聲波測距過程的中斷、計時以與單片機(jī)與顯示器與其它外圍電路的串口通信的實現(xiàn)。1.3 設(shè)計的研究方案1.3.1 方案的選擇目前常見的有超聲波短距離測距,毫米波雷達(dá)長距離測距,激光測距,攝像系統(tǒng)

5、測距等幾種方法,按照常規(guī)技術(shù)的應(yīng)用有以下三種方案可供選擇:方案1：采用毫米波雷達(dá)。優(yōu)點：適合長距離測距。缺點：成本比較高，信號處理難度高，不適合處理短距離測距。方案2：攝像系統(tǒng)測距。優(yōu)點：能比較直觀觀察到車輛后面的實際情況。缺點：視頻信號處理復(fù)雜，涉與到數(shù)字圖像處理等，成本較高。方案3：超聲波測距。優(yōu)點：原理簡單，成本低，制作方便，適合在一般短距離的測距，其最佳距離為45米。缺點：有一定局限性（這時因為超聲波的傳輸速度受天氣影響較大，不同的天氣條件下傳播速度不一樣；對于遠(yuǎn)距離的障礙物，由于反射波過于微弱，使得靈敏度下降）。通過對應(yīng)用場合、成本和技術(shù)原因的研究，認(rèn)為采用方案3最為實際有效。1.3

6、.2 方案的實現(xiàn)本系統(tǒng)采用以STC12C5A60AD為核心，利用超聲波測距原理，來設(shè)計一種低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測試儀。超聲波測距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號處理裝置三部分組成。工作時，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，超聲波接收器接收到障礙物反射回來的反射波，準(zhǔn)確測量超聲波從發(fā)射到障礙物反射返回的時間，根據(jù)超聲波的傳播速度，可以計算出障礙物距離。作為一種非接觸式的檢測方式，和紅外、激光、無線電測距相比，由于超聲波具有穿透性較強(qiáng)、空氣傳播衰減小、反射能力強(qiáng)的特點，所以超聲波測距具有在近距離圍不受光線和雨雪霧的影響、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低等優(yōu)點。高速的單片機(jī)微秒級的機(jī)器周期，可實現(xiàn)

7、較精確的時間測量。超聲波測距可測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再在LED上顯示出來。限制的最大可測距離存有四個因素：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)地、反射面和入射聲波之間的夾角以與接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。預(yù)計本系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的完成對汽車尾部 5m 以障礙物和突然闖入危險區(qū)域的行人的自動探測功能，并在車尾距離障礙物 1m 時發(fā)出報警聲音，提示司機(jī)采取措施，極大的提高汽車倒車時的安全性。1.4 設(shè)計的功能概述駕駛員能隨時看到車后的障礙物距離汽車車尾的距離，當(dāng)障礙物靠近車后部1.0m的時候開始有報警信號，有LED顯示功能

8、。本設(shè)計可以應(yīng)用于汽車倒車位置監(jiān)控。要求測量圍在0.4m-5.00m，測量精度為1cm，測量時于被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。預(yù)計本系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的完成對汽車尾部5m以障礙物的自動探測功能，并在距離為1m 時聲音提示司機(jī)采取措施，極大的提高汽車倒車時的安全性。設(shè)計的難點是：1、 超聲波信號的接收、發(fā)射的設(shè)計2、 顯示電路的設(shè)計3、 流程圖與程序的設(shè)計第二章超聲波測距的原理2.1 超聲波的介紹2.1.1什么是超聲波？聲波是物體機(jī)械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒介向四面八

9、方傳播，這便是聲波。超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波，而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。2.1.2超聲波的特性與特點超聲波具有如下特性：1、 超聲波可在氣體、液體、固體、固溶體等介質(zhì)中有效傳播。2、 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。3、 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。4、

10、 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。超聲波具有如下特點：1、 超聲波在傳播時，方向性強(qiáng)，能量易于集中。2、 超聲波能在各種不同介質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。3、 超聲與傳聲媒介的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒介狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暯橘|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒介的相互作用，去影響、改變以致破壞后者的狀態(tài)、性質(zhì)與結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波以直線方式傳播，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)

11、就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m/s，這就使得超聲波使用變得非常簡單。2.1.3超聲波的應(yīng)用超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以與一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。在機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛應(yīng)用前景的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計的精確與否。超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易實現(xiàn)的優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器，實現(xiàn)定位以與環(huán)境建模。超聲波測距作為輔助視覺系統(tǒng)與其他視覺系統(tǒng)（如CCD圖像傳感器）配合使用，可實現(xiàn)整個視覺功能，具有自動探測前方障礙物、自動減速或剎車的功能，是未來高級小汽車和載重車輛必備的安全

12、行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等國的大汽車公司都投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪?，采用先進(jìn)的毫米波雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等制成安全預(yù)警系統(tǒng)，使用在其所開發(fā)的高級汽車上。據(jù)海外媒體報道，戴姆勒克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車(尤指卡車)使用的電子剎車系統(tǒng)，它利用車載前視雷達(dá)感應(yīng)探測前方景物，由車載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來判斷當(dāng)前路況是否需要啟動自動剎車裝置。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮

13、更大的作用。2.2 超聲波測距器的原理2.2.1超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括電壓型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)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一樣，因而用途也各不一樣。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(dāng)?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(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。目前較為常用的

14、是壓電式超聲波發(fā)生器。2.2.2壓電式超聲波發(fā)生器的原理壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板，當(dāng)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，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片做振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)2.2.3超聲波測距的原理聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)物體阻擋時就會發(fā)生反射，反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的

15、，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。超聲波測距的原理一般采用時差法。超聲波發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的。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，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s即s=Ct/2其中：S為測量點與被測物體之間的距離C為聲波在介質(zhì)（此處為空氣）中的傳播速度T為超聲波發(fā)射到返回的時間間隔。理論計算原理圖如圖2-2所示：圖2-2 理論計算原理圖

16、由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米/秒。下表列出了幾種溫度下的聲速：表2-1 聲速與溫度的關(guān)系表在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速C是基本不變的，計算時取C=340m/s。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較為簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本設(shè)計屬于近距離測量，故采用壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。限制該系統(tǒng)最大可測距離主要存在4個因素：超聲波的幅度、反

17、射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以與接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計方法。第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計硬件電路主要分為單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。本設(shè)計采用STC12C5A60AD單片機(jī)作為主控制器，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(jī)的定時器和計數(shù)器來完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖3-1所示：圖3-1 超聲波測距器系統(tǒng)的框圖3.1 芯片STC12C5A60AD介紹3.1.1 STC12C5A60AD概述STC

18、12C5A60AD 采用宏晶公司最新第六代加密技術(shù)，超強(qiáng)抗干擾，超強(qiáng)抗靜電，整機(jī)可輕松過2萬伏靜電測試。速度快，1個時鐘/機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI。輸入/輸出口多，最多有40個I/O，復(fù)位腳如當(dāng)I/O口使用，可省去外部復(fù)位電路圖3-2 STC12C5A60AD引腳圖3.1.2STC12C5A60AD特性 高速：1個時鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051核，速度比普通8051快812倍 寬電壓：5.53.3V，2.23.6V（STC12LE5A60S2系列） 增加第二復(fù)位功能腳（高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門檻電壓，頻率<12MHz時，無需此功能） 增加外部掉電檢測電路,可在掉電時,與時將

19、數(shù)據(jù)保存進(jìn)EEPROM,正常工作時無需操作EEP 低功耗設(shè)計：空閑模式，（可由任意一個中斷喚醒） 低功耗設(shè)計：掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒 工作頻率：035MHz，相當(dāng)于普通8051：0420MHz 時鐘：外部晶體或部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設(shè)置 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片F(xiàn)lash程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上 1280字節(jié)片RAM數(shù)據(jù)存儲器 芯片EEPROM功能,擦寫次數(shù)10萬次以上 ISP / IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程,無需編程器/仿真器 8通道,10位高速ADC，速度可達(dá)25萬次/秒,2

20、路PWM還可當(dāng)2路D/A使用 2通道捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCP），也可用來再實現(xiàn)2個定時器或2個外部中斷（支持上升沿/下降沿中斷） 4個16位定時器，兼容普通8051的定時器T0/T1,2路PCA實現(xiàn)2個定時器 可編程時鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時鐘，T1在P3.5輸出時鐘,BRT在P1.0輸出時鐘 硬件看門狗（WDT） 高速SPI串行通信端口 全雙工異步串行口(UART),兼容普通8051的串口 先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令 通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/

21、弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不得超過100mA3.1.3 STC12C5A60AD特點 ：1.增強(qiáng)型 1T 流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu) 8051 CPU2.工作電壓：3.4V-5.5V3.工作頻率圍：0-35 MHz，相當(dāng)于普通8051的0420MHz4.用戶應(yīng)用程序空間512K字節(jié)5.片上集成256字節(jié)RAM6.15個通用I/O口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏7.EEPROM 功能8.共2個16位定時器/計數(shù)器9.PWM(2 路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列）10.

22、ADC, 8路8位精度11. 通用異步串行口(UART)12. SPI同步通信口， 主模式/從模式13.看門狗14.部集成 R/C 振蕩器，精度要求不高時可省外部晶體3.2 傳感器的選取3.2.1 傳感器的定義與作用以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。廣義來說，傳感器是一種能把物理量

23、或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號?！眰鞲衅魇前ǔ休d體和電路連接的敏感元件，而傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的傳感器、傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測信號輸入的第一道關(guān)口。3.2.2 傳感器的作用1、 信息的收集；2、 信息數(shù)據(jù)的交換；3、 控制信息的采集。3.2.3 傳感器的特性1、 靈敏度高、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好；2、 防塵耐濕、耐高低溫、耐沖擊、耐振動等嚴(yán)酷環(huán)境條件；3、 收發(fā)兼用，使用方便。3.2.4 傳感器的選用超聲波傳感器千差萬別，即使對于一樣種類的測定量也可

24、采用不同工作原理的傳感器，因此，要根據(jù)需要選用最適宜的傳感器。本設(shè)計綜合考慮了測量條件、傳感器的性能和傳感器的使用條件三個方面，選用URM37V3.2超聲波傳感器。3.2.5 URM37V3.2超聲波傳感器一、性能描述：1工作電源：+5V 2工作電流：<20mA 3工作溫度圍：-10704超聲波距離測量：最大測量距離500cm 最小測量距離4cm 分辨率1cm 誤差1% 5由于使用了更好的超聲波處理方法，使測量距離更遠(yuǎn)更穩(wěn)定。6模塊使用RS232串口通訊可靠性更高，同時可以通過電腦串口采集數(shù)據(jù)，編寫通訊程序常的便捷。7模塊可以通過脈寬輸出的方式將測量數(shù)據(jù)輸出，這樣使模塊使用更簡單。8模塊

25、可以預(yù)先設(shè)定一個比較值，在測量距離小于這個值后管腳輸出一個低電平，這樣模塊能夠方便的作為一個超聲波接近開關(guān)使用。9模塊帶溫度補(bǔ)償電路提高測量的精度。10. 模塊帶253字節(jié)部EEPROM，可以用于系統(tǒng)記錄一些調(diào)電不丟失的系統(tǒng)參數(shù)。11. 模塊帶一個溫度測量部件，可以通過通訊口讀出分辨率0.1攝氏度的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。12. 模塊尺寸22mm × 51 mm13. 模塊重量：約30g二、引腳定義：1：VCC 電源+5V輸入2： GND 電源地3： nRST 模塊復(fù)位，低電平復(fù)位4： PWM 測量到的距離數(shù)據(jù)以PWM脈寬方式輸出025000US，每50US代表1厘米5： MOTO 舵機(jī)控制信

26、號輸出6： COMP/TRIG COMP：比較模式開關(guān)量輸出，測量距離小于設(shè)置比較距離時輸出低電平 TRIG： PWM模式觸發(fā)脈沖輸入7： NC 空腳8： RXD 異步通訊模塊接收數(shù)據(jù)管腳，RS232電平或者TTL電平9： TXD 異步通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)管腳，RS232電平或者TTL電平三、功能描述：模塊最基本的一個接口是RXD腳和TXD腳組成的RS232電平或者TTL電平串口，通過串口可以對模塊進(jìn)行全面的控制。RS232電平可以直接和電腦的串口進(jìn)行連接，這樣可以方便的通過串口調(diào)試軟件輕易的對模塊進(jìn)行操作。如果需要用單片機(jī)TTL電平的異步口控制模塊，只需要設(shè)置一下串口選擇跳線，模塊就可以在RS2

27、32輸出與TTL輸出之間切換了（如下圖跳線短路帽設(shè)置位置）。RS232模式TTL模式四、模塊的連接URM37V3.2超聲波測距模塊與單片機(jī)串口的連接。3.3 系統(tǒng)的電路設(shè)計本系統(tǒng)采用STC12C5A60AD單片機(jī)作為主控制器，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(jī)的定時器和計數(shù)器來完成。STC12C5A60A通過外部引腳輸出一個脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級，經(jīng)升壓變換推動超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時，輸出一個高電平啟動，進(jìn)行充電。發(fā)射結(jié)束時高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，并開始對分壓器放電并輸出到比較器的負(fù)端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是

28、一個高增益、低噪聲放大器，在對放大后的信號進(jìn)行檢波后將檢測回波送到比較器的正輸入端。發(fā)射時輸出的高電平可以抑制比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致錯誤檢測。超聲波測距可測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再從LED上顯示。我們還可以設(shè)置若干個鍵，來控制電路的工作狀態(tài)。限制的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)地、反射面和入射聲波之間的夾角以與接受換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。圖3-3理想狀態(tài)下超聲波測距原理3.4 電源電路的設(shè)計在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分

29、，它是電子設(shè)備唯一的能量來源，穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負(fù)載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。整流電路是具有單方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷?，將交流電壓整流成單方向脈動的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負(fù)載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路是一種自動調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動或負(fù)載變化時，通過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。電源電路如圖3-4所示:圖3-4 電源電路圖3.5測距顯示電路的設(shè)計用單片機(jī)驅(qū)動LED數(shù)碼管分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制

30、LED，直到下次顯示時再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把顯示的字型代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字型。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機(jī)再發(fā)送新的數(shù)據(jù)。另一種方法是動態(tài)掃描顯示。由于單片機(jī)本身具有較強(qiáng)的邏輯控制能力，所以采用動態(tài)掃描軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯可隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯限制。動態(tài)掃描的優(yōu)點是：1、 能顯著降低LED的功耗2、 能大大減少LED的外部引線，給印制板的設(shè)計和安裝帶來方便3、 能采用BCD碼多路輸出方式，不僅使譯碼

31、、驅(qū)動電路大為簡化，還可以與PC相連。采用動態(tài)掃描軟件譯碼的方式大大簡化硬件電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。它用分時的方法輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每個顯示器的點亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象與發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。本設(shè)計的顯示電路圖如圖3-5所示：圖3-5 測距顯示電路3.6超聲波發(fā)射電路的設(shè)計發(fā)射電路主要由反向器74Ls04(74HC04)和超聲波發(fā)射換能器T(發(fā)射端)構(gòu)成，單片機(jī)端口輸出的40kHz方渡信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后進(jìn)到超聲波換能器的另一個電極。用這種

32、推挽形式將方渡信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R10、R1l，一方面可以提高反向器74LS04(74HC04)輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。超聲波在空氣中傳播時受到環(huán)境的影響衰減比較大，理論上講發(fā)射探頭的電壓越高，功率越大，發(fā)射的距離就越遠(yuǎn)。但是，傳感器的發(fā)射有其工作電壓的極限值，工作電壓超過了這個極限值之后，會對傳感器的部電路造成不可恢復(fù)的損害，這樣就并不能有效的發(fā)射出準(zhǔn)確的脈沖信號。超聲波的發(fā)射電路如圖3-6所示：圖3-6 超聲波發(fā)射電路3.7 超聲波接收電路的設(shè)計超

33、聲波接收電路主要由CX20106A和超聲波換能器構(gòu)成，CX20106A是一款紅外的專用芯片，考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距的超聲波頻率40KHz較為接近，故利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，非常適合超聲波的接收。適當(dāng)更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20106A的2號管腳是一個RC電路。電阻減小。電容增大，放大倍數(shù)增大。超聲波接收電路如圖3-7所示：圖3-7 超聲波接收電路圖3.8 探測電路的設(shè)計物體探測電路可以用光電傳感器來制作。但光電傳感器不能探測透明的物體，紅

34、外線傳感器在探測物體時需要有像人和動物那樣與周圍有一定的溫度差這個條件。超聲波傳感器則不受這些條件的限制，對于透明的或者其他物體都可以探測。超聲波傳感器探測物體有直接探測方式與反射探測方式。直接探測方式的接收/發(fā)射器要相互配置，如果接收到超聲波（有信號電壓）時，說明接收/發(fā)射器中間沒有被測物體。反之，接收不到超聲波（無電壓信號）時，則中間有被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器可以較近配置，有反射波時，說明存在被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器有單獨使用與共用兩種，共用方式就是一個超聲波傳感器用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。具體區(qū)別如表3-7所示：表3-7 傳感器探測物體的區(qū)別3

35、.9 語音報警電路的設(shè)計語音報警是指當(dāng)汽車報警系統(tǒng)探測到的距離小于所設(shè)定的安全值時，發(fā)出聲音提醒駕駛員。本系統(tǒng)采用蜂鳴器連接三極管。蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等很多應(yīng)用場合。蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的TTL點平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以。由上所述，一個管腳很難驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流。語音報警電路設(shè)計如圖3-8所示：圖3-8 語音報警電路圖第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計本設(shè)計就是以STC12C5A60AD單片機(jī)為核心，它采用模塊化設(shè)計，由

36、主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作法師，當(dāng)按下電源鍵時，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來，雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用STC12C5A60AD單片機(jī)可以簡化設(shè)計，便于才做和直觀讀數(shù)。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精細(xì)計算程序運行的時間，而超聲波測距系統(tǒng)的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細(xì)計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。4.1 主程序框圖

37、為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。主程序采用c語言與匯編編寫。主程序流程框圖如下圖5-1所示：圖5-1 主程序框圖其工作流程是：上電后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，緊接著調(diào)用顯示子程序，顯示完后判斷有沒有超聲波被接收，若有，則停止計時并將計時值送入距離計算子程序，最后返回進(jìn)行下一輪測量，若沒有信號進(jìn)來，則調(diào)用外部中斷子程序。4.2 超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個左右的超聲波信號頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（I

38、NT0引腳出現(xiàn)低電平）立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測距不成功。定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。如圖5-2和5-3所示：圖5-2 定時中斷服務(wù)子程序圖5-3 外部中斷服務(wù)子程序第五章系統(tǒng)的調(diào)試硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的

39、測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的圍為0.405.0m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。5.1 超聲波測距誤差分析本章主要分析溫度對超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測對超聲波傳播時間的影響，超聲波傳感器所加脈沖電壓對測試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于超聲波測距原理的汽車倒車報警系統(tǒng)，實驗表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲測距的精度。超聲波測距由于其在使用中不受光照強(qiáng)度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，在汽車倒車、機(jī)器人壁障、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原

40、理上講，超聲測距有脈沖回波法、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體，經(jīng)反射后由超聲波傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間Ts，在已知超聲波聲速Cs的前提下，可計算被測物體的距離S，即S=CT/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圍受到影響。本章從引起超聲測距誤差的原因入手，分析溫度對超聲波聲速的影響：回波檢測對時間測量的影響和超聲傳感器所加電壓對測量精度和圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以STC12C5A60AD單片機(jī)的核

41、心，采用40KHz壓電超聲傳感器，應(yīng)用廣泛的超聲測距儀?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)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、溫度與氣體分子成分的影響。例如：20時，T=293.15，Cs=334.2m/s;40時，T=313.15，Cs=355.8m/s；-20時，T=253.15，Cs=319.9m/s。從上面的計算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個

42、過程，超聲波會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器X處有被測物，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時超聲波頻率的過高會引起近場區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點有利于距離測量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計超聲接收電路時，要設(shè)計較大放大倍數(shù)和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測。制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測距常用壓電材料傳感器，例如URM37 V3.2超聲波傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的賦值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時，其應(yīng)變S與外加電場強(qiáng)度E的關(guān)系為：S=d·E，其中d為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲

43、傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)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，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設(shè)計針對溫度、回波和所加脈沖電壓對超聲測距精度的影響，在設(shè)計倒車報警系統(tǒng)時，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射、接收和顯示幾部分構(gòu)成了超聲測距的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個裝置的中心控制盒信號處理單元為單片機(jī)STC12C5A60AD，超聲波傳感器采用URM37 V3.2傳感器。發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路。

44、發(fā)射電路主要任務(wù)是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開關(guān)管構(gòu)成。脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。接收電路的主要任務(wù)是檢測回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設(shè)計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級電路放大；整形電路把回波信號整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號并向單片機(jī)申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器

45、，一級和二級濾波放大電路采用一樣的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。軟件設(shè)計：軟件修正利用下面公式：S=CT/2在完成系統(tǒng)設(shè)計和制作裝置后，對設(shè)計的電路進(jìn)行了超聲測距實驗。發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個數(shù)多時，發(fā)射換能器可以克服其振動慣量而獲得充分的振動，其他聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大，但此時測距的盲區(qū)也大（測距盲區(qū)指的是可以測量的最小距離），一般選擇由8個脈沖組成。電路在6m處的測量結(jié)果，幅值較小，測量過程中曾出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，這說明功率消耗比較大?？梢钥闯?，本電路的測量距離明顯提高，而且管子基本沒有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定?？梢姡倦娐返脑O(shè)計由于經(jīng)過較嚴(yán)格的推導(dǎo)，器件選擇合理，各參數(shù)得到優(yōu)

46、化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配。轉(zhuǎn)換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現(xiàn)良好。使用脈沖回波法測量距離，在考慮溫度對聲速的影響、回波檢測對超聲傳播時間的影響以與超聲傳感器所加電壓對壓電轉(zhuǎn)換效率的影響時，超聲測距精度可以提高。所以在制作超聲測距裝置時，應(yīng)增加溫度測量環(huán)節(jié)，設(shè)計高放大倍數(shù)的高Q值的濾波放大電路，并提高加在超聲傳感器上的電壓幅值。5.2 提高精度的方案與系統(tǒng)設(shè)計5.2.1 溫度校正的方法提高測距精度由上述的誤差分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式求出當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。為了便于對溫度信號的數(shù)據(jù)采集與處理，我們采用 DALASS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 集成溫度傳感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 總線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個 I/O 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線供電），極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在 10oC 85oC 的工作環(huán)境下可以保持± 0.5% 的使用精度，在這個空間足以保證為超聲波測距設(shè)備