基于超声波测距的倒车雷达设计毕业论文

基于超声波测距的倒车雷达设计毕业论文内容摘要：

感器的特点 ， 所以 本 课题 选择超声波测距传感器 ， 3m是 最大 能够 探测 的 距离。 本章回顾 本章主要讲述了超声波的产生电路，超声波回波检测电路和超声波中央控制模块的方 案选择比较，介绍了超声波的探测范围。 3 系统硬件设计 硬件电路和软件程序共同构成了系统设计的主要两个部分。 由电源电路、 显示电路 、 单片机电路 、 发射电路 、 接收电路 组建了硬件电路的主要部分，此外还包含了复位电路等。 经过一番的调查研究， STC12C5A60S2 单片机 以其价格成本低廉、高精度作为超声波倒车雷达系统的硬件电路的核心元件。 采用优化式的模块设计，将整体硬件电路分为供电 、显示 ，还有信号的接收和发射等模块。 超声波信号会由发射探头内部产生，经过放大和检波等电路后发送出去，此时单片机内部的计时器自 动开始计时，当发射出去的超声波遇到前方障碍物后，按照原来路径返回，再次经过另一个接收探头中的放大、带通、滤波、整形等工序后被单片机接收，同一时间计数器停止工作并马上读取时间参数。 通过预先写入的程序对此时的测出的速度进行一系列的误差校正，结合两者之间的相互作用实现超声波测量距离功能。 经过上述各个步骤的测量与计算校正，将得出的速度数据与程序中设定好的安全距离进行比较，若测得的数据参数小于程序预先设定的安全参数，则超声波倒车雷达系统会发出“哔哔哔”的响声，这时说明将遇到障碍物，使用者需要注意距离，反之，则没有该现 象的出现。 软件程序主要 由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。 它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在 LED 上。 另外程序控制单片机消除 接收 探头对发射和接收超声波的影响 ， 具体放在论文第４章中介绍。 正 文 10 图 31 系统硬件原理框图 系统硬件设计思想 硬件的整体设计以单片机 STC12C5A60S2 为核心，由芯片产生的 40HZ 电频信号可能波形不稳，所以在发射 和接收电路中加入对信号的整形和放大电路，使所得到的的结果更加趋向实际。 将超声波的发射和接收传感器探头与 0UT 口相连接进行超声波的发射和接收。 硬件的整体结构包括超声波的发射和接收电路啊，单片机电路，报警电路和显示电路等几个主要的模块组成 [3]。 如图 31所示： 整个系统由 由单片机 控制， 根据“回波测距”的原理，首先 单片机发出 40kHZ的 电平 信号，经放大 电路 后通过超声波发射器 发射到空气中 ；超声波在空气中传播 直至遇到 障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进 行检波处理后，输入到微处理器的外部中断口 INT0 处产生中断，计数器停止计数，测得时 差 为 t，再将时刻差与声速相乘，得出距离数 值 并送 LED 显示。 [4]如图 32所示： 图 32 超声波发射和接受框图 正 文 11 测距系统设计 对于超声波测距技术前人已经有了几年的研究经验和发展，并且出台了许多比较完善的技术，本设计通过借鉴了前人的宝贵资料，加上自己的想法，对自己的电路设计有了很大的帮助。 超声波发射电路 为了使发射距离大于 同时又要保证电路简单实用，所以 超声波发射电路要求功率尽量大。 下 面是我 参考 的 电路图 ， 如图 31,32,33。 汲取它们优秀的方面，注意避开它们的不足之处 ，然后结合分析设计超声波的发射与接收电路。 40kHZ 超声波发射电路之一， 这个电路主要由晶体管 VT VT2 核心元件，他们构成了电路的强反馈稳频振荡器，由这个振荡器产生的频率与超声波换能器相等。 T4016 是耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。 T4016 两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。 按一下电源开关 S，便能驱动 T4016发射出一串 40kHZ 超声波信号。 电路工作电压 9V，工作电流约 25mA。 发射超声波信号大于 8m。 电路不需调试即可工作。 这样电路很简单与实用。 如图 33 所示： 图 33 超声波发射电路原理图 (一 ) 40kHZ 超声波发射电路之 二如 图，该电路同样是以 VT VT2 为核心元件可以适合用于 3~12V 电压电路 ，且频率不变。 加上 的电感元件和电容组成电路滤波部分。 工作电流 大概是 25mA， 发射超声波信号大于 8m。 如图 34所示： 正 文 12 图 34 超声波发射电路原理图（二） 40kHZ 超声波发射电路之 三 ， 该电路主要以 74LS04 反向器为主，可以将方波信号传送到超声波换能器两端 ，加强发射强度，通过上拉电阻的作用提高输出高电平的能力，增加换能器阻尼效果，缩短振荡时间。 如图 35 所示： 图 35 超声波发射电路原理图（三） 通过一轮的深思熟虑的分析 ， 最后 选择使用 电路三作为 40kHz 频率信号的发射电路。 超声波检测接收电路 超声波检测接收电路由集成电路 CX20206A 专用芯片和换能器构成，如图所示。 集成电路 CX20206A 是一种常用于电视遥控的红外线检波接收芯片，因为红外遥控的载波频率与超声波报警器所用超声波频率很接近，故可以用于超声波接收电路。 用 CX20206A 接收超声波具有很高的灵敏度和很强的抗干扰能力，总放大增益为 80dB，脉冲幅度在 — 之间。 电路中芯片 2 脚中 GND 与 RC 组成了负反馈电路，改变其数值会改变前置放大器的频率特性以及增益。 电路中 R3的取值影响带通的中心频率，用 220K 欧姆使中心频率接近 40KHz,就符合设计的正 文 13 要求。 电容 C1 的大小取值对检测接收电路的灵敏度和抗干扰能力影响很大，故数值一定要适合。 由于设计的特殊， 2 脚连接的器件选择和 R3 的大小选取，如果不恰当，到最后实物应用过程中可能会出现报警器误报的情况。 如图 36 所示 ： 图 36 超声波检测电路图 测距系统工作原理 当超声波发射器沿某一方向发射声波的同时，单片机内部的定时器开始计时，在空气中传播的声波遇到障碍物后马上折返，当接收器检测到回波后马上停止计时。 已知声音在空气中的传播速度为 340m/s，根据 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波 速度 时间公式，可以计算出装置到障碍物的距离（ s），即： s=340t/2。 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 37 所示： 图 37 超声波的测距原理 图 正 文 14 如图 37 所示， H 为装置到障碍物的水平距离， S 为超声波装置到障碍物的发射路径，θ为入射角，根据余弦定理可得： cosSH  （ 31） )(HLarctg （ 32） 式中 :L两探头之间中心距离的 1/2. 又知道超声波传播的距离为 : vtS2 (33) 式中 :v— 超声波在介质中的传播速度。 t— 超声波从发射到接收所需要 的时间 . 将（ 3— 2）、（ 3— 3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarc tgvtH  ( 34) 其中 ,超声波的传播速度 v 在一定的温度下是一个常数 (例如在温度 T=30 度时 ,V=349m/s)。 当需要测量的距离 H远远大于 L时 ,则 (3— 4)变为 : vtH 21 ( 35) 所以 ,只要需要测量出超声波传播的时间 t,就可以得出测量的距离 H. 测渡越时间测量法 在一 定时间段内发射 10 个超声波脉冲，当发射第一个脉冲信号时开始计时，直到接收器接收到最后一个脉冲信号停止定时器。 单片机定时器所计时间，即为传播渡越时间。 超声波是一种声波， 而且声音的传播受到温度的影响 ， 根据：V=+,t 为摄氏温度，声速高低影响距离值。 超声波的衰减 超声波也有其自身的一些特质，在传输的过程中，它的传播速度不仅与自身的性质有关，而且还与超声波传输过程中所处的介质特性有关。 根据相关资料研究发现，超声波在传输过程中会与大气，温度，湿度，压强的物理因素有关。 在众多的因素 当中温度对速度的影响几乎与其他影响的物理因素一样。 据统计归纳得出：超声波在空气中传输的速度与空气中温度 的关系可以用以下公式表示：c=+（ m/s）。 在使用时，如果温度 处于一个稳定值 ，则可认为声速是正 文 15 基本不变的。 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫超声波的衰减。 【 5】 控制系统电路 STC12C5A60S2 单片机最小系统设计 STC12C5A60S2 系列单片机是单时钟 /机器周期 (1T)的新一代 8051 单片机，在设计的整个系统中其的核心的作 用。 它的引脚功能以及芯片内部固有功能，在编译码下载就能实现设计所要求的功能。 由于单片机要作为控制中心，其具有高速的特点能够尽可能快的处理分析数据，以及及时的做出判断，控制进行下一步的操作。 STC12C5A60S2 系列单片机的指令代码完全兼容传统的 8051 单片机 【 6】 ,但比 51 单片机功能更加强，运算能力更快，稳定性更好。 其内部集成 MAX810 专用复位电路 ,片上集成 1280 字节 RAM，工作频率范围为 0~35MHz。 通用 I/O 口数量一样，每个 I/O 口驱动能力比传统的强。 这个单片机为了不被过大的电流必须总体控制在 120mA 以下。 在系统 和应用都 可编程 ， 无需专用编程器 ，不用 专用 的仿真器 ， 通过串口 就能 直接下载用户程序。 如图 38所示， 9 脚 RST 为复位输入，复位时保持高电平。 30 脚 ALE/PROG 当访问外部存储时地址锁存 允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。 图 38 STC12C5A60S2 引脚图 正 文 16 蜂鸣器电路 蜂鸣器电路由电源、电阻等构成，如图 39所示。 其中 RBELL=10K； RB=0。 超声波报警器根据对环境状况的分析，出现情况，利用单片机的处理，最终达到报警的目的，具体的是蜂鸣器发出刺耳的声 音。 [7] 图 39 蜂鸣器电路图 测距误差分析 在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，对超声波传播速度加以修正，以减小误差。 下面公式是超声波传播速度与空气温度的关系 :V=+ 式中， T 为实际温度单位为 ℃ ， V 为超声波在介质中的传播速度单位为 m/s。 [8]如下表 21所示： 表 01 超声波波速与温度系数表 温度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 声速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 正 文 17 本章小结 本章首先介绍了系统的硬件设计思想，然后分析了超声波传感器的结构、工作原理和工作方式，最后根据超声波测距的工作原理和理论分析，对超声波、发射模块、超声波接收模块的硬件电路设计进行了详细的阐述，并对本系统硬件设计过程中采取的硬件抗干扰措施进行了介绍。 4 系统软件设计 软件总体流程设计 本设计硬件是作为基础部分，最主要的是软件编写，因为从超声波的产生到数据的处理 ，一直到最终的显示都是程序占主导的地位，因此这部分是至关重要的。 编程语言的选择 C 语言 [9]是一种兼顾了多种高级语言的编译型的程序设计语言，并具 有 汇编语言的功能。 C语言 不仅拥有丰富的库函数，处理 编译速效高 和良好的可移植性，而且 能够 直接实现 对 系统硬件的操控。 同时在开发编写程序的过程中可以借鉴到前人的经验，提高了程序的正确性。 因此， 采用Ｃ语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。 程序需要完成的功能 （ 1） 控制超声波的发射与接收 （ 2）消除余振 （ 3） 检测回波信号 （ 4） 数据的换算处理 （ 5）距离的显示 （ 6）对距离进行判断 正 文 18 系统软件实现原理 按照该系统的测距设计要求，主要是记录时间 T，再与超声波在介质中的传输速度 V进行运算的得到系统到障碍物的距离 S。 当单片机的振荡电路产生 40khz的脉冲串后，由驱动超声波的换能器发射超声波，同时内部的定时器开始工作，一旦当超声波接收器接收到回波信号时，定时器停止工作，。