论文汽车倒车超声波报警器的毕业设计(编辑修改稿)

论文汽车倒车超声波报警器的毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）及微观谐振本科毕业论文（设计） 5 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。 超声波测距的方法 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 [2]。 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 [2]。 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。 如图所示： 本科毕业论文（设计） 6 图 cosHS (21) ()Larctg H  (22) 式中， L 为两探头之间中心距离的一半。 可知，超声波传播的距离为： 2S vt (23) 式中， v 为超声 波在介质中的传播速度； 式中， t 为超声波从发射到接收所需时间； 将式（ 22）、（ 23）代入（ 21）中得： 1 c o s2 LH v t a r c tg H  （ 24） 其中，超声波的传播速度 v 在一定温度下是个常数（例如，在温度 T=20℃时，v =340m/s）；当需要测量的距离远大于 L 时，则式 (24)变为： 12H vt (25) 所以，只需测出超声波的传播时间 t ，就可得出测量的距离 H . 超声波发射 超声波接收 Vt S H θθ 本科毕业论文（设计） 7 3 系统整体设计 系统整体设计框图 本设计以 STC89C51 单片机为核心，由 HCSR04 超声波模块发出 40KHz 的超声波方波信号，同时启动 T1计数器来测量超声波信号从发射到接收所需的时间，定时器 T0 产生方波驱动信号 [3]。 超声波换能器接受到的经障碍物反射回的信号经放大电路放大后，由 来接收超声波反射信号，关闭计数器 T1，记下此时的时间，转入执行计算距离子程序，由子程序计算距离，并启动数码管显示数值， 同时，超过限定范围之后，蜂鸣器报警。 整个系统框架图如图所示 : 图 系统框图 硬件选型 超声波探头的主要参数 （ 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。 本设计采用 40KHZ的探头 HCSR04 （ 2）灵敏度 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 +290C 时灵敏度可降低 6％。 一旦达到居里温度点 ( 573C),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 70CC    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。 电源电路 键盘电路 复位电路 报警电路 超声波发射电路 数码管显示 电路 超声波接收电路 STC89C51 单片机 本科毕业论文（设计） 8 HCSR04的指向性如图所示： 图 HCSR04的指向性 HCSR04的电气参数如表 所示： 表 HCSR04电气参数 电气参数 HCSR04超声波模 块 工作电压 DC 5V 工作电流 15mA 工作频率 40KHz 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15度 输入触发信号 10us的 TTL脉冲 输出回响信号 输出 TTL电平信号，与射程成比例 规格尺寸 45*20*15mm 超声波时序 如 图 所示 ： 本科毕业论文（设计） 9 图 超声波时序图 一个 10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出 8个 40KHz周期电平并检测回波。 一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。 由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。 图 HCSR04实物图 单片机 的选择 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 [3]。 10uS 的 TTL 触发信号 模块内 部发出信号 循环发出 8 个 40KHz 脉冲 回响电平输出与检测距离成比例 输 出回响信号 本科毕业论文（设计） 10 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。 本设计由于超声波采用软件驱动，仅需要一个定时器，一个计数器，常用的 51系列单片机满足需要。 因此，选用 STC89C51单片机。 其他元器件的选择 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。 单片机的外围电路元件选用 ， 选用蜂鸣 器报警。 本科毕业论文（设计） 11 4 硬件电路设计 单片机外围电路设计 单片机 外围电路主要有键盘电路、电源电路、复位电路、时钟电路、串口电路。 键盘电路 主要控制单片机执行指令的状态， 可对安全距离进行加减设置，当超出范围时蜂蜜器报警。 时钟电路、电源电路、复位电路构成单片机的最小系统。 两个 LED 灯，一个为上限报警一个为下限报警。 数码管显示当前距离，单位为 cm，进入设置上下限时显示设置状态，当超出设定范围时蜂鸣器报警。 四个按键， S1 为进入设置报警距离的功能键， S2 加， S3减， S4 确定，上限设置完毕后，按下 S4自动跳到下限设置。 单片机外围电路 [4]如图所示： 图 汽车倒车超声波报警器单片机外围电路 超声波 发射接收 电路 超声波是一种振动频率超过 20 kHz的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。 由于超声波的以上几个特点，所以超声波 被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面 [5]。 而且，超声波的测量是一种比较理想的的非接触式的测距方法。 超声波发射电路 超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。 超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的 40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用 74LS04芯片进行信号放大 ，超声波放大电路如图所示： 本科毕业论文（设计） 12 图 超声波放大电路 工作时，由单片机产生 40 kHz的脉冲从 路部分发出信号，再经 74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。 超声波接收电路设计 由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。 超声波接收电路主要是由集成电路 CX20xx6A 芯片电路构成的， CX20xx6A 芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理 [6]。 CX20xx6A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。 CX20xx6A芯片的 5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的 [7]。 CX20xx6A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。 超声波接收电路如图所示： 本科毕业论文（设计） 13 图 超声波 接收电路 超声波测距模块 HCSR04 超声波 测距模块可提供 2cm400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达到 3mm,模块包括发射器、接收器与控制电路。 基本工作原理： 采用 IO口 TRIG触发测距，至少给 10um高电平信号； （ 1） 模块自动发送 8个 40KHz的方波，自动检测是否有信号返回，； （ 2） 有信号返回，通过 IO口 ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 测试距离 =（高电平时间 *声速（ 340m/s）） /2. 超声波测距模块电路如图所示：。