1、本科毕业论文（20 届）汽车倒车雷达系统的设计所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录摘 要.IIIAbstract.IV第一章 绪 论.11.1 超声波检测发展综述 .11.1.1 车辆测距的方法介绍 .11.1.2 超声波测距发展概述 .11.2 本文的主要内容及章节安排 .3第二章 超声波测距原理.52.1 超声波传感器介绍 .52.1.1 超声波传感器的特性 .62.2 超声波检测概述 .72.2.1 超声探伤 .82.3 超声波测距的原理及实现 .9第三章 单片机超声波测距构想.113.1 超声波测距系统的总体方案 .113.2 系统主要
2、参数考虑 .123.2.1 传感器的指向角 .123.2.2 测距仪的工作频率 .123.2.3 声速 .133.2.4 发射脉冲宽度 .133.2.5 测量盲区 .13第四章 单片机倒车雷达系统各组成单元设计.154.1 发射与接收电路的设计方案 .154.2 显示报警单元方案设计 .224.2.1 系统显示电路设计 .224.2.2 系统报警电路设计 .244.3 单片机复位电路 .254.4 时钟电路 .264.5 稳压电源 .26第五章 系统硬件及软件实现.285.1 单片机硬件介绍 .285.1.1 单片机 AT89C51 介绍.285.1.2 8155 芯片介绍.305.1.3 7
3、4LS244 芯片介绍.315.1.4 74LS06 芯片介绍.315.2 运算放大器 .325.3 LM567 芯片介绍 .335.4 探头 UCM 介绍 .345.5 系统软件结构 .345.5.1 主程序 .355.5.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序 .38第六章 系统误差分析及改进.406.1 误差产生原因分析 .406.1.1 温度对超声波声速的影响 .406.1.2 回波检测对时间测量的影响 .416.1.3 超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响 .416.2 针对误差产生原因的系统改进方案 .41参考文献.43致 谢.44汽车倒车雷达系统的设计摘 要论文的内容是基于 AT
4、89C51 单片机倒车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和 AT89C51 单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51 单片机的倒车雷达系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。最后，
5、通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。关键字：单片机；超声波；声波测距；倒车雷达Auto back-draft radar systemdesignAbstractThe paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integrati
6、on with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. The paper outlines the deve
7、lopment and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch recep
8、tion circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to ach
9、ieve system function. Finally, through the analysis of system error, giving the system improvement programme. Keyword：monolithic integrated；circuit ultrasonic；wave ；SensorMonolithic machine第一章 绪 论随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势
10、在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车雷达系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用 1。1.1 超声波检测发展综述1.1.1 车辆测距的方法介绍在车辆行驶过程中车辆测距的方法主要有：激光测距、超声波测距、微波雷达测距、红外线测距、视觉测距,各种测距方法各有优、缺点。超声波、红外线测距仪探测距离相对较短,
11、目前主要应用于汽车倒车控制系统，激光和微波雷达测距仪测量距离远、精度高,被广泛用于车辆主动安全控制系统，视觉测距技术在精度、速度、智能化等方面具有很强的适应性，主要应用于智能车辆辅助驾驶导航。随着科技的进步,车辆测距技术将不断更新,测距的精度将会更加准确。本文研究汽车倒车雷达系统的设计，拟采用超声波作为车辆测距的方法。1.1.2 超声波测距发展概述我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展
12、试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，
13、有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的 PUNDIT 便携式超声仪。1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用 TTL 线路，数码显示，仪器重量 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。超声
14、波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用
15、，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有 A 扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波
16、包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的 Carullo 等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境噪声进行估测，设置一定的回波开平电路，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究
17、的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC 公司，加拿大的 R/D TECH 公司，德国的 K-K公司、法国的 SOFRATEST 公司和西班牙的 TECNATOM 公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2
18、000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器
19、只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平 2。1.2 本文的主要内容及章节安排本论文第一章绪论部分主要介绍了超声波的发展状况，以及目前的现状和前景。第二章超声波测距原理主要介绍了超声波传感器，超声波传感器的特性，传感器的检测概述和超声波测距的原理及实现。第三章单片机倒车雷达系统总体构想主要介绍了超声测距系统的总体方案，系统主要参数考虑和超声测距系统的总体构成。第四章超声波测距系统各组成单元方案设计(包括发射接收电路设计、显示电
20、路设计、报警电路设计、晶振电路设计、复位电路设计等)。并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。第五章系统硬件软件实现部分主要介绍了各模块中的硬件部分以及软件的实现。第六章给出系统的误差分析和系统改进。第二章 超声波测距原理2.1 超声波传感器介绍超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的
21、研制上得到了广泛应用。超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛” 。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是
22、超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不
