基于单片机的超声波测距倒车雷达设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的超声波测距倒车雷达设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

机 械波相同的电信号。 电 极 压 电 晶 片共 振 板 图 压电式超声波传感器结构图 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，超声波发生器内部结构如图 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，便产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。 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，加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，超声传感器才有较高的灵敏度。 当所 6 用压电材料不变时，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、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角， 金属壳可以防止 外界力量对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 响发射与接收超声波。 超声波传感器的特性 超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性 ： 1） 频率特性 如 图 是超声波发射传感器的频率特性曲线。 其中， f0＝ 40KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 f0 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 f0 处所产生的超声声压能级最高。 而在 f0 两侧，声压能级迅速衰减。 因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 f0 的交流电压来激励。 另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。 曲线在 f0 处曲线最尖锐，输出电信号的 幅度最大，即 在 f0 处3 59 51 0 01 0 51 1 01 1 54 04 5f ( K H z )发 射 灵 敏 度 （ d B ） 图 超声波传感器频率特性曲线 接 收灵敏度最高。 因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。 超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻 R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。 如果 R 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。 并且最大灵敏度向稍低的频率移动。 因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。 2） 指向特性 7 实际的超声 波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。 但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。 超声波测距的原理及实现 超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。 由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。 超声波测距原理是通过超声波发射传感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停止计时。 常温下超声 波在空气中的传播速度为 C=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： 0*2/* tCtCS  （ 21） 其中， t0 就是所谓的渡越时间。 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。 8 第 三 章 硬件设计 系统总体结构框图 按照 系统所需功能，系统硬件结构可以划分为三大主要模块：测距系统、控制系统以及显示和语音报警系统。 系统总体结构框图如 所示。 障碍物超 声 波 发送 模 块超 声 波 接收 模 块A T 8 9 C 5 1单 片 机数 码 管 显 示 模 块不 同 频 率 报 警稳 压 电 源 图 系统总体结构框图 其中测距系统有超声波发射、接收子系统构成；控制部分以 AT89C51 单片机为核心，其 口输出 10us 的触发信号 制超声波发射电路产生 40KHz 的超声波，利用外部中断监测超声波接收电路输出的返回信号；显示报警部分由显示系统及语音系统构成，其中显示系统采用简单实用的 3 位共阳 8 段数码管。 AT89C51 单片机 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS 8位微处理器，俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 如图 所示。 9 图 AT89C51 管脚图 1） 主要特性： 与 MCS51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2）管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 10 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个TTL 门电流，当 P2 口被写 “ 1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “ 1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。 当 P3 口写入 “ 1” 后，它们被内部上拉 为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： P3 口管脚备选功能 ： RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0 外部输入） T1（记时器 1 外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。 当振荡器复位器件时， 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 11 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3） 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4） 芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制 信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “ 1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 电源电路 本设计使用汽车尾灯的 12V 电源为系统供电，但本系统适用电压为 5V，需设计电源电 路将其转化为 5V 电压。 电源电路如图 所示。 图 电源电路 图 三端稳压集成电路 7805： 用 7805 三端稳压 器 组成稳压电源 输出电压稳定，电压大小为 +5V，满足单片机的工作电源需求， 7805 所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。 12 桥堆 2W10： 将交流电压变为直流电压。 整流桥堆是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。 整流桥品种多：有扁形、圆形、方形、板凳形（分直插与贴片）等，有 GPP 与 O/J结构之分。 最大整流电流从 到 100A，最高反向峰值电压从 50V 到 1600V。 时钟电路 单片机各种功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。 因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量影响单片机系统的稳定性。 时钟电路有两种设计有两种方式，一是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 我采用的是内部时钟方式，其电路图如图 所示。 图 时钟电路 图 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为单片机的 XTAL1，输出端为 引脚 XTAL2。 这两个引脚外部跨接石英振荡器 Y1 和微调电容 C。