1、 目 录 1 引言 . 1 1.1 研究的目的和意义 . 1 1.21 国内外发展的状况以及存在的问题 . 1 1.22 现 有的倒车雷达存在的问题 . 2 1.3 本文研究的主要内容 . 2 2 超声波原理介绍 . 2 2.1 超声波的基本理论 . 2 2.11 超声波的传播速度 . 3 2.12 超声波的物理性质 . 4 2.13 超声波对声场产生的作用 . 5 2.2 超声波测距系统原理 . 6 2.3 规格参数 . 7 2.31 主要功能 . 7 2.32 基本参数 . 7 3 系统硬件设计 . 8 3.1 单片机系统 .10 3.2 超声波发射接收模块 . 11 3.3 报警电路设计
2、 .12 3. 4 复位电路 .12 4 系统软件程序 .14 5 计算超声波传播时间 .14 6 结论 .29 参考文献 ： .29 致 谢 .30 1 基于单片机倒车防撞报警系统设计 摘要 ： 对 于汽车倒车防撞问题， 提出了将超声波测距仪和单片机结合于一体的方案 ,并 给出了一种基于AT89C51 单片机的倒车防撞报警系统的设计 ,对系统中控制部分、发射部分、接收部分、显示部分和报警部分出现的问题进行处理 。 本文采用一种简单易行的测距原理建立了防撞报警系统 ,具体分析了倒车防撞系统的设计原理及各部分元件的设计方案，充分描述了超声波测距的原理及应用，并介绍了我国在超声波测距的发展现状，不
3、过还有一些无法避免的测量误差，还需日益俱进的科学发展加以解决。 关键词 ： AT89C51；超声测距；倒车防撞 1 引言 1.1 研究 的目的和意义 随着社会经济的发展交通运输业 飞速发展 ，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 实用 的汽车防撞 报 警系统势在必行 。 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 和 低速状况， 并且 在汽车倒车防撞报警系统中，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
4、。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 。 1.2 国内外现状 1.21 国内外发展的状况以及存在的问题 2 汽车倒车防撞测距报警器是国家 安全技术发展期间 重点开发的科研项目之一。以往的汽车倒车测距一般有四种： 1 嘀嘀声加闪光、 2 音乐声加闪光、 3 语音声加闪光、 4 倒车到危险距离时发出警报声的超声波倒车报警器 。 由于很多研究都采用的是特殊难购 且稀有 的专用元件，使其难以推广 。而 本设计采用国内生产的通用元件，成本较低廉， 并且 使其在整个倒车
5、过程中自动测量 车尾到最近障碍物的距离，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车， 避免事故的发生。 1.22 现有的倒车雷达存在的问题 最大有效探测距离的问题 ：通过 调查得知大多数驾驶员的习惯 会使行人只有不到 1s 的时间脱离危险。这样一来， 报警在减速 时 就很紧张，明显 会 感到预警时间不足 ，引起不必要的事故发生。 1.3 本文研究的主要内容 本 论文概述了超声波检测的发展及工作原理，阐述了超声波传感器的原理、 特点 、 分类； 对于 报警 系统的一些主要参数进行了讨论 和研究 ， 以及 在超声波测距系统功能的基础上，提出了 报警 系 统的总体结构 ；并且 设计了系
6、统发射、接收电路，并 仔细介绍了 系统各设计单元的原理 及 它们的工作原理。 2 超声波原理介绍 2.1 超声波的基本理论 超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。 超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大 小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。 3 超声波是听觉阈值之
7、外的振动，其频率范围在 104 1012 Hz，其中通常的频率大约在104 3 10 6 之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很 大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。 2.11 超声波的传播速度 超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波 质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波 质点振动方向与传播方向一致的波；表面波 质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很
8、快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。超声波的频率越高，越 与光波某些特性相似。 超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。 超声波在气体和液体中，其传播速度 CgL =（aB1 ） 21 式中 介质的密度； aB 绝对压缩系数。 可以推导出超声波在空气种传播速度 TC G 61.04.331 。（ T 为 环境温度）。 超声波在固体中的传播速度分两种情况： (1)纵波在固体介质中的传播速度与介质的形状有关。 21)(ECq （细棒） 212 )1( EC q（薄板） 2121 )34()21)(1( )1( GKEC q （无限介质） 式中 E 杨氏模具；
9、泊松系数； K 体积弹性模具； G 剪片弹性模。 4 (2)横 波声速公式为 2121 )()1(2 GEC q （无限介质） 在固体中， 介于 0 5 之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。 2.12 超声波的物理性质 当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图 1 所示： (1) 超声波的反射和折射 当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图 2.1.1 所示。声波
10、的反射系数和透射系数可以分别由如下两 式求得： 图 1 声波反射 11211222c o sc o sc o sc o sccccR 11221122coscos2ccccT 式中： , 分别为声波的入射角和 反射角； 2211 , cc 分别为两介质的特征阻抗，其中 21,cc 为反射波和折射波的速度。反射角、折射角与声速 21,cc 满足折射定律关系式：21sinsin cc 。 当超声波垂直入射界面时，即 0 ，则： 1122112211ccccR 1122112212ccccT 5 如果 sin 21cc ，入射波完全被反射，在相邻两个介质中没有折射波。 如果超声波斜入射到两个固体介质
11、面或两粘滞弹性介质面时，一列斜入射的纵波不仅产生反射纵波和折射纵波，而且还产生反射横波和折射横波。 (2)超声波的衰减 超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。 在平面波的情况下，距离声源 x 处的声压 p 和声强 I 的衰减规律如下： Axepp 0 AxeII 20 式中： 00,Ip 距离声源 x=0 处的声压和声强； x 超声波与声波间的距离； A 衰减系数，单位为 cmNp/ （奈培 /厘米）。 (3)超声波的干 涉 如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。若以两个频率相同，振幅 1和 2 不等，波程差为 d 的两个波干涉为例，该两个波合成振幅为 2121
12、22211 )2c o s2( d ，其中 为波长。从上式看出，当 d=0或 d=n （ n 为整数）时，合成振幅 r 达到最大值；当 d= ,.)5,3,1(2 nn 时，合成振幅 r 为最小值。当 21 时， r dcos2 ；当 d 2 的奇数倍时，两波相互抵消合成幅度为 0。 由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。 2.13 超声波对声场产生的作用 (1) 机械作用 超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。有
13、时足以达到破坏介质的程度。 (2) 空化作用 6 在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。 (3) 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实 际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。 2.2 超声波测距系统原理 在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法
14、： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=1 2vt。 本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45 米 /秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 如图 2，超声波测距的算法设计 : 超声波在空气中传播速度为每秒钟 340
15、米（ 15时）。X2 是声波返回的时刻， X1 是声波发声的时刻， X2-X1 得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有 340m 0.03S=10.2m。由于在这 10.2m 的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下： 图 2 测距原理 7 超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感 器发出到接收所经历的时间为 t，超声波在空气中的传播速度为 c，则从传感器到目标物体的距离 D可用下式求出： D = ct /2 超声波测距器的系统框图如下图所示： 基本原理：经发射器发射出长约 6mm，频率为 40KHZ的超声波信号。此信号被物体反射回来由接
16、收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生 mV级的微弱电压信号。 2.3 规格参数 2.31 主要功能 1、距离测量； 2、温度测量； 3、 光亮度测量； 2.32 基本参数 （ 1）工作电 压： 4.5V5.5V。特别说明，绝对不允许超过 5.5V （ 2）功耗电流：最小 1mA，最大 20mA （ 3）谐振频率： 40KHz； （ 4）探测距离范围： 4毫米 4米。误差： 4%； （ 5）（特别说明，探测最近距离为 4mm，最远距离为 4米，数据连续输出，不需要任何设置。） （ 6）测量温度范围： 0至 +100；精度： 1 （ 7）测量光照度范围：能测量出明亮和黑
17、暗； 8 （ 8）数据输出方式： iic和 uart（ 57600bps）两种方式，用户任选；其中 UART方式，是以 7个字节为一组，以 0x55开头的 3个数 据是距离数值；以 0x66开头的 2个数据是温度数据；以 0x77开头的 2个数据是光照度数据。 0x550x660x77是为区分 3个数据而增加的数据头； （ 9）时间限制：支持如下 2种探测方式； 1、持续探测； 2、受控间歇探测； （ 10）距离数据格式：以毫米为最小数据单位，双字节 16进制传输，前高后低； （ 11）温度数据格式：以摄氏度为最小数据单位，单字节 16进制传输；光照数据格式：单字节 16进制传输；光线暗时数值
18、大，光线亮时数值小； （ 12）工作温度范围： 0至 +100 （ 13）存放温度： -40 至 +120 (14)外形尺寸： 48mm*39mm*22mm（ H） (15)固定孔尺寸 3* 3mm间距： 10mm 发射部分的电脉冲电压很高，但是由障碍物回波因其的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就由三级放大电路，检波电路及门限判别电路构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。但是由于超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响。 3 系统 硬件设计 系统硬件原理图如图 3 及 PCB 双面板如图 4： 图 3 系统硬件原理图 9
