超声波实现无接触测距的倒车雷达系统的设计与实现(编辑修改稿)

超声波实现无接触测距的倒车雷达系统的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

成反比关系。 另外，压电芯片导电是靠贴在两边的镀银层实现。 计算机信息工程学院毕业论文 6 金 属 壳吸 收 块保 护 膜接 线 片压 电 晶 片导 电 螺 杆 图 22 超声波传感器结构图 超声波测距原理 及设计思路 超声波测距原理 本系统的倒车雷达，采用超声波进行测距，主要是利用声波的反射的原理，纵观整个系统，原理很简单，可以把整个系统看成两端，一端是超声波的测距模块，另一端就是能够反射来超声 波的障碍物，具体的测距原理是：超声波由超声波测距模块里的超声波发射器发射出来，此时单片机的计时器开始计时，超声波在空气中传播过程中遇到障碍物后被反射出来，反射出来的超声波回波被超声波接收器接收回来，此时系统停止计时，然后由公式 时间速度距离  算出距离。 设超声波在空气中传播的速度为 v ， 超声波从发射到返回之间的时间为 t ，那么距离计算公式表达为： vtS 21 （ ） 式中乘以 21 计算的是单程的距离。 由测量距离公式 可知，想提高测量距离的精度，主要从两方面入手，一是测量传播时间的准确性、二是超声波在当前环境下的传播速度的准确性。 超声波测距系统的时间准确性主要由 STC89C52RC 的系统定时周期决定，传播时间为系统周期乘以脉冲个数，为了提高测量准确度，本设计所选晶振的频率为 12MHz。 对于超声波传播速度而言，由超声波的性质可知，超声波的传播速度 v 与所处环境的温度 T 、传播介质密度以及大气成分都有着密不可分的关系，具体公式为 MRTv  （ ） 式中，  为气体定压下与定容下热容比， R 是通用气体常数， T 是环境气体的热力学温度，热力学温度与摄氏温度的转换公式为 tKT  273 ， M 是气体相对分子质 量。 计算机信息工程学院毕业论文 7 在式 中，空气定压定容热容比为 ， R 数值为 ， M 是kg/ 3 ，那么式 可以转化为式 ， Kvv 273t10  （ ） 其中，  ，为在温度为 0℃时超声波的传播速度。 分析关系式 式可知，超声波的传播速度，与环境温度关系最大，速度与温度的数值关 系如表 21 所示，可以看出，超声波传播速度随气体温度的升高而加快，且成线性关系，变化率固定，例如环境温度为 0℃时的速度为 332m/s， 20℃时的速度为344m/s，相差 12m/s，在 40℃时的速度为 356m/s，与 20℃时速度也相差 12m/s。 在大多数对声波速度准确率要求不高的情况下，我们设定声速为 340m/s，而在超声波测距系统中，想要获得更高的准确率，就要求提供准确的超声波传播速度。 为解决温度对声波速度的影响，在这里，需要进行温度补偿，补偿公式为 tv  () 其中， t 为环境温度（摄氏温度）。 表 21 超声波传播速度与温度关系表 项目 数值 温度（ ℃） 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 100 声速 (m/s) 313 319 325 332 338 344 350 356 361 367 388 系统设计思路 在日常生活中，我们对距离的测量方法不胜枚举，对近距离的物体我们直接用直尺，对远距离物体，有激光测距、超声波方法等先进的测距方法，不论什么测量方法，它们的目的都 一样，就是通过障碍物返回的探测信息，立即判断出障碍物与测量之间的距离，然后根据测量或者计算出的距离采取解决问题的措施。 在本章中介绍了超声波的性质，由于超声波的强导向性即遇到障碍物能立即返回，因此采用应用较为广泛的超声波进行倒车雷达测距，提高了整个系统的方便性和可靠性，更易于研究和控制整个系统 [15]。 目前比较普遍的测距原理：通过发射出超声波，由于超声波具有一定的特征频率，当超声波遇到障碍物时就被立即反射回去，超声波传感 器感受到反射回来的超声波，然后计算从发射到接收回来的时间，用时间乘以超声波的波速，进而求出了测距点与障碍物之间的距离，目前用此原理研究出来的产品很多，例如超声波测距模块，超声波汽车倒车雷达装置等。 用超声波方法测距设计简单、数据处理方便，由于超声波在空气中传播速度可近似为 米 /秒，且单片机一般使用 的晶振，所以用此系统测距精度可以达到毫米级，正常情况下能达到要求不过我国的超声波测距电路大多是只有厘米级的计算机信息工程学院毕业论文 8 测量精度。 在本系统中，是通过超声波测距的温度补偿法，最后把测量精度提高到了毫米级，进 一步提高了系统的可读性。 51 单片机系列硬件结构功能齐全、易于下手等特点。 与别的系列不同的是，除了具有 8位核心的 CPU 外，它还拥有一个功能强的位处理器。 超声波测距的倒车雷达系统的设计要求，本系统我采用了 STC89C52RC 单片机作为整个系统的主控制器，它的作用是控制整个系统的运作，包括控制超声波发射与接收、计算发射与接收之间的时间差、测量整个运行环境的温度、通过测得的时间计算距离、蜂鸣器报警、 LCD 液晶显示屏显示温度及距离等模块。 对于超声波的发射与接收，本系统用超声波测距模块，此模块将超声波接收器与发射器 设置在同一个电路上，避免了超声波接收器与发射器不在一起而引起的测量不稳定的问题；测量环境温度的主要原因是由于超声波在空气中传播的时候受温度的影响比较大，本系统中利用温度补偿法解决了此问题，提高了系统的精确度；与数码管显示不同的是，液晶显示屏可以显示多行，不仅显示计算出来的距离，还可以显示对超声波影响较大的温度因素，用 LCD液晶显示屏丰富了系统的整体功能；蜂鸣器报警模块则是设置一个警戒值，小于警戒值系统就会报警，提醒驾驶员注意安全。 计算机信息工程学院毕业论文 9 第 3 章 系统元件介绍 单片机 STC89C52RC 单片机即单片微型 计算机 SCMC（ Single Chip MicroComputer）。 它集合了一台标准计算机上的基本功能部件，如 CPU（核心中央处理器）、 RAM（随机存储器）、 ROM（程序存储）、 I/O 设备、中断系统、定时 /计数器等部件集中在同一块芯片上，故又称为微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。 和普遍的微型机相比，单片机的最大的优点就是体积小，这个有点可以让单片机很容易的嵌入到别的仪器设备里，实现所能实现的功能，因此又被称为嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded Microcontroller Unit)。 STC89C52RC 主要功能包含 32 位引脚，看门狗电路，复位电路，且内置 8K 内存，512B 运存，另外还包含 3 个 16 位定时器 /计数器， 4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构 (兼容传统 51的 5向量 2级中断结构 )， STC89C52 单片机工作模式是全双工模式。 另一大优点是 STC89C52单片机系统频率可最低至 0Hz，有两种省电模式。 在单片机闲置状态时，处理器不再运行，但是可以保持运存、计数、通信、中断等部件运行。 当单片机进入掉电保护时，运 行内存的 数据被记录下来，晶振 停止运行，在系统被复位或下一次中断之前，整个系统都被终止运行 [18]。 STC89C52RC 示意图如图 31。 图 31 STC89C52RC 的引脚图 STC89C52RC 的引脚功能有 [19]： （ 1） 主电源引脚 VSS—— 第 20脚，电路接地电平。 VCC—— 第 40脚，一般运行时都是 +5V 的电压。 计算机信息工程学院毕业论文 10 （ 2) 时钟源 XTAL1 —— 第 19 脚，作为 STC89C52RC 中反相器的输入端， XTAL1 正常情况下与晶振的一个引脚相连。 特殊情况下，如果采用外部信号时，那么这个引脚接地。 XTAL2 —— 第 18 脚，作为 STC89C52RC 中反相器的输出端。 XTAL2 正常情况下与晶振的另一个引脚相连。 特殊情况下，如 果使用外部源， XTAL2 就与信号源相连，作为外部信号的输入端使用。 （ 3) 控制、复用和选通 PROGALE/ —— 第 30 脚，该引脚是地址锁存允许信号和编程脉冲输入端信号。 RST/VPD —— 第 9 脚， RST/VPD 是复位信号 RESET 的输入端。 一般情况下，满足RST/VPD 上连续施加两个系统周期的复位信息，系统就进入复位状态。 在电源信号无电时， RST/VPD 就连通备用电，从而确保系统信息无损失。 PSEN—— 第 29 脚，外部 ROM 访问选通信号。 （ 4) 多功能 I/O 端口 P0 口 —— 第 32~39 脚， 8 位真正的双向数据 I/O 口。 P1 口 —— 第 1~8 脚，此端口是具 8 位准双向的 I/O 端口并且含有上拉电阻。 P2 口 —— 第 21~28 脚，与 P1 口一个功能类似，它是 8 位的双向 I/O 口，并且含有上拉电阻。 在两种情况下 P2口可作为高 8 位的地址总线，一种情况是单片机对存储器访问时，另一种情况是当对片内的程序存储器（ EPROM 型）程序编程及校验时使用。 P3 口 —— 第 10~17 脚，与 P1 端口和 P2 端口一样 ，是 8 位的准双向 I/O 口。 但是与 P P2 不同的是，它还提供特殊的第二功能。 而且每一个引脚都可以单独选择任一功能使用。 第二功能表的具体含义如表 31： 表 31 P3 口的第二功能表 端口引脚 第二功能 端口引脚 第二功能 RXD（串行通讯输入口） T0（定时 /计数器 0） TXD（串行通讯输出口） T1（定时 /计数器 1） 0INT （外中断 0） WR （外部数据存储器写选 通） 1INT （外中断 1） RD （外部数据存储器读选通） 计算机信息工程学院毕业论文 11 超声波测距模块 产品特点 该系统采用测距模块为 SR04HC ， SR04HC 的测量范围是 4 厘米至 4 米，准确度为 3毫米， SR04HC 主要由三部分组成：发射部分，接收部分以及控制部分。 基本工作原理 [20]： （ 1）提供至少 10μs 的高电平信号，就可以通过 TRIG 启动测距功能； （ 2）启动测距后，发射器发射频率为 40KHz 的超声波信号，接收器会自动检测反射回来的声波； （ 3）当接收到反射信号时，经过 I/O 端口给出高电平信号，直到接收完所有的反射信号。 实物图 图 32 超声波测距模块实物图 从图中可以看出，该模块包含的引脚分别是电源 VCC、触发 TRIG、响应 ECHO和接地 GND。 电气参数 表 32 超声波测距模块电气参数 电气参数 HC— SR04 超声波模块 工作电压 5V 工作电流 15mA 工作频率 40Hz 最远射程 4m 最近射程 4cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10181。 s 的 TTL 脉冲 输出响应信号 与传播距离成正比的逻辑电平信号 规格尺寸 45*20*15mm 计算机信息工程学院毕业论文 12 超声波时序图 图 33 超声波时序图 从上图可以看出，当外部提供不小于 10μs 的 TTL 信号时，超声波发射模块将依次发射 8 个 40KHz 的脉冲信号，遇到障碍物后信号反射回来，被接收模块接收到并给出电平响应，相应电平输出正比于测量的宽度。 温度传感器 DS18B20 温度传感器主要组成单元是热敏元件，热敏元件是利用物体在不同温度下其属性会发生变化的原理制成。 市场上的热敏元件有很多种类，根据材料及性质的不同，分为金属热电阻、热电偶、半导体材料热电阻 等不同形式。 在所有热敏元件中，使用范围最为普及的当属半导体材料热敏元件，它与其他种类元件相比，优点是尺寸小巧、反应速度快、准确性高、生产方便、成本低，适用范围广。 DS18B20 是美国一家公司最近研发的新型温度传感器，它最大的优点是可以快速直接的显示出所测量的温度值度。 DS18B20 采用“一线总线”通信模式，测量范围更广，精度更高，系统可靠性进一步提升。 DS18B20 的特点简单介绍如下 [21]： (1)可通过数据线供电，电压范围为 ～ ； (2)每个芯片唯一编码， 零待机功耗 ，无需外部元件 (3)可调的 9 至 12 位分辨率，可编程温度为 ℃， ℃， ℃， ℃； (4)用户可定义报警设置 ,测温范围： 55℃～ 125℃ ； (5)自我保护功能，可防止电源接反损坏传感器； (6)DS18B20 封装方式多样，图 34 展示了 PR35 封装图。 图 34 PR35 封装 图 计算机信息工程学院毕业论文 13 LCD1602 液晶显示器 在我们的日常生活学习中，液晶显示屏的应用相当广泛，在很多的家用电器、大街小巷里 的广告牌等 都可以看到液晶显示器的身影， 液晶 显示主要通过字符、图像及数字的形式 显示出来。 液晶显示 器 的优点 （ 1）低功耗 液晶显示器 的功耗主要体现在两部分，一是内部的电极，二是内部的驱动，其他的显示器则没有此优点，大大的节省了能源的消耗； （ 2）数字式接口 数字式的接口 是液晶显示屏最为重要的优点， 液晶显示 器 通过数字式的接口连接。