（求助电子达人）“超声波汽车倒车测距系统电路设计”悬赏50万(发帖人MP:2166454)
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待爱流浪
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- 课程设计题目：
超声波汽车倒车测距系统的电路设计
目的与任务：
通过汽车倒车用超声波测距仪的设计，对大学期间所学的电子专业基础知识和专业知识进行一次综合运用，为下一步毕业实习和毕业设计做好准备。学生通过本课程设计可以进一步理解电子技术、电路理论、微机等方面的相关知识，并可综合运用这些知识解决一定的实际问题
内容和要求：
通过查阅资料，能够明确汽车倒车用超声波测距仪的工作原理，以单片机为控制核心设计出实用的电路图。
要求设计出整体电路图以及各部分的电路图，对单片机部分要求给出测距工作的基本程序
提供有用资料者，给予重谢。小猫在此多谢了，报酬至少50万MP 联系QQ288410
2006-01-02 11:06:01-
wzh52361
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fish4
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wangzhenhuan
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rockhydra
6楼
- OHYEAH……倒车》单片机触发》SENSOR1发射声波》声波返回》SENSOR2接收声波》单片机处理》显示
楼主大概是这个意思吧，可惜我做的是安全系统，暂时帮不了你拉
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Akulemetata
7楼
- 去微星找篇这样的文章不就可以了吗，主要是单片机的程序
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待爱流浪
楼主(8)
- 谢谢 支持 谁给我有效信息 我就重谢MP了 时间紧迫 请帮帮忙啊
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wangzhenhuan
9楼
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我的神阿
10楼
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小猫求祝福 但是老猫刷贴太快鸟。。
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http://dzh.mop.com/topic/readSub_6927229_0_0.html
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miss_you_bab
13楼
- 这需要专业人才
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chen2008hua
14楼
- 友情帮顶
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大雨中的烟头
15楼
- 基于超声波传感器的测距系统及其应用
刘永田
电子信息科学与技术专业 学号：030524113
指导教师：李天超
摘 要：首先说明了压电式超声波传感器的结构和测距原理，然后介绍了超声波测距系统的控制电路及其在汽车倒车报警系统的应用。本报警器采用超声波传感器测距，整个系统由单片机控，由超声波发射电路，超声波接收电路，报警电路，电源电压检测/复位电路，显示电路等组成。实时数字显示测得的距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号。本报警器与其它报警器相比具有功能多、电路简单、操作简便、工作稳定可靠等优点。
关键词：超声波传感器；超声测距；锁相环；单片机
Range Measuring System and Its Application
Based on Ultrasonic Sensor
Liu Yong-tian
Electronic Information Science and Technology No: 030524113
Tutor: Li Tian-chao
Abstract: First explained the piezoelectricity 无效 ultrasonic sensor structure and the range finder principle, then introduced the ultrasonic ranging system control circuit and its in the automobile back-draft alarm system application. The overall system controls by the monolithic integrated circuit, by ultrasonic wave transmission circuit, supersonic reception electric circuit, alarm circuit, supply voltage examination/Repositions the electric circuit, composition and so on keyboard display circuit. The real-time numeral sends out the different acousto-optics alarm in the different distance scope. Newspaper alarm compares with other alarm apparatus has the function many, the electric circuit simple, the operation simple, the work stable is reliable and so on the merit.
Key words: ultrasonic sensor; supersonic range finder; phase-locked loop; monolithic integrated circuit
目 录
摘要……………………………………………………………………………………………1
1 引言…………………………………………………………………………………………3
2 超声波传感器测距系统……………………………………………………………………3
2.1 超声波测距原理及系统原理框图………………………………………………………3
2.2 硬件电路设计……………………………………………………………………………6
2.2.1 系统硬件各单元电路设计………………………………………………………………6
2.2.2 加强系统稳定性的措施………………………………………………………………8
2.3 软件电路设计……………………………………………………………………………11
2.3.1 测距系统整体流程图…………………………………………………………………11
2.3.2 定时中断系统流程图…………………………………………………………………12
3 系统调试…………………………………………………………………………………12
4 结束语………………………………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………………………13
附录 1………………………………………………………………………………………14
附录 2………………………………………………………………………………………15
附录 3………………………………………………………………………………………16
附录 4………………………………………………………………………………………17
1 引言
由于社会的进步，经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高，汽车数量逐年增加,造成道路交通拥挤不堪，许多驾驶员很希望能有一种汽车倒车报警器,在倒车时不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安全性。为此，本文设计了一种超声波汽车倒车报警器，本报警器由单片机来控制，整个控制系统由超声波发射电路，超声波接收电路，报警电路，复位电路，显示电路组成。实行实时数字显示测得的距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，驾驶员可根据个人需要调整设置报警距离，以减少事故的发生。
2 超声波传感器测距系统
2.1 超声波测距原理及系统原理框图
本文采用的传感器模块是压电式超声波发射器，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1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，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了 [1] 。
图1 超声波传感器的内部结构
图2 超声波传感器的等效电路
超声波是人耳听不到的一种声波，人耳的听音范围是20～20000Hz，本设计采用的超声波是40000Hz。超声波的纵向分辨率较高，对色彩和光照度不敏感，对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本设计采用的超声波传感器往返距离为5m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。测距原理如图3所示[2]。
图3 超声波测距原理实物图
超声波测距是根据超声波传播过程中遇到障碍物会发生反射这一原理来测量距离的，即用发射超声波和接收其回波之间的时间差来计算距离，计算公式为
（1）
但在超声波的传输和接收的过程中，超声波的传播速度会随着温度的变化而变化，超声波的传播速度与温度的关系为
（2）
（3）
式中：v为超声波在空气中传播速度，T为超声波传感器所处的为环境温度值，S是所测得的距离，t是超声波从发射到接收到第一个回波的时间，Δt为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。
为了达到精确测距，温度补偿是需要的[3]。具体方法是：在超声波传感器的两个探头旁边放置温度传感器，测量出超声波传感器所处的环境温度T，在单片机中进行式(2)所示的数学运算，求出超声波的传播速度v；再用单片机测量t0时刻和t1时刻，将其代人式(3)中，在单片机中进行式(3)所示的数学运算，即可求出被测距离S。测量过程是由单片机部分和超声波信号处理电路共同完成的，一次测量的全过程为40ms。发射时，将40KHz的超声波信号和一个同步脉冲信号加到与门，同步脉冲信号通过与门控制发射超声波。单片机将同步脉冲的起始时刻定为t0超声波接收电路将接收到的信号加到单片机中，若检测到信号，则记下该时刻t1，由时间差Δt=t1-t0，即可算得障碍物与超声探头之间的距离。若单片机系统接收不到超声波回波信号，则到40ms时重复上述过程开始下一轮的循环。在超声波发出后，如果直接进入检测状态，则势必浪费时间，因为此系统有最小测量距离，当距离最小时，即为时间差Δt最小，记为 ，所以此时间可以用来处理别的数据 [4] 。
超声波测距系统总体结构如图4所示，整个系统由单片机控制，启动测量时，由单片机发出控制信号触发发射电路，使发射电路起振，驱动发射换能器发射超声波脉冲，同时启动单片机的计时器开始计时，超声波在空气中传播，当脉冲到达被测物时发生反射，其放射波被接收换能器接收，经放大电路及整形电路得到有效波形，当单片机检测到回波后即停止计时。此时计时器中的数值即是所测时间△t，运用式(3)即可计算出所测距离S。
图4 超声波测距系统原理模拟
该测距系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程，产生40KHz的脉冲并控制超声波的发射。测距系统中的超声波传感器采用UCM40压电陶瓷传感器，它的工作电压是利用40KHz的脉冲信号，40KHz由单片机来产生。
控制系统方框图如图5所示。该系统全部由单片机控制，超声波发射电路能在单片机的控制下发出超声波。接收电路接收到信号之后送入单片机进行处理，算出车尾与障碍物之间的距离，将处理结果送入显示电路进行显示，再按照技术指标的要求由报警电路进行报警。
图5 测距系统原理框图
2.2 硬件电路设计
2.2.1 系统硬件各单元电路设计
2.2.1.1 超声波发射电路
由于从单片发射头UC机里发出的40KHz脉冲信号的功率较低，不能直接驱动发射换能器，因而需要一个放大电路将脉冲信号放大后再送至发射换能器，驱动其发出与驱动信号同频率的超声波，所以发射电路的主要功能就是放大，发射电路如图7所示。超声波发射脉冲信号由单片机的P1.0口产生，经过电路放大驱动M40T发出40KHz的脉冲超声波信号[5]。
图6 超声波发射电路
电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40KHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。
2.2.1.2 超声波接收电路
超声波在传播过程中会有衰减，为了有效处理回波信号必须将信号放大。本文采用如图7所示的选频放大电路，其作用是让一定频率的信号通过并放大，其他频率的信号将被阻断或衰减。只要把它的中心频率设定为40KHz就可以把其他频率干扰信号清除或衰减，把40KHz的回波信号放大。
图7 超声波接收电路
2.2.1.3 报警电路
报警电路采用扬声器来对所设置的报警距离实施报警，以向驾驶员提出警示 [6] 。 报警电路如图8所示。
图8 报警电路
2.2.1.4 显示电路
显示电路是用来对所测得的结果进行实时显示，以向驾驶员显示所测得的距离的大小，及时提出预防信号。
2.2.1.5 测距电路
图9 测距电路
控制电路[7]的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0端口输出一个40KHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40KHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。
2.2.1.5 整体电路
整体电路如附录4所示，是有超声波发射接受电路，超声波接受电路，报警电路，显示电路等组成，整个系统完成超声波的发射和接受，然后数据由单片机进行处理，由显示电路进行数据显示和报警系统发出警示信号。
2.2.2 加强系统稳定性的措施
2.2.2.1 微处理机控制单元
单片机控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。对单片机编程，可对测得数据优化处理使测量误差降到最低限度。单片机还控制显示电路，通过串行口的控制脉冲输出串行数据送数字显示电路。计数方式有两种方法：①在单片机发触发脉冲的同时开启T1，收到回波立即关闭T1，这时T1的值为超声波走过的时间。②把两个上升沿处理为一个脉冲，此脉冲的宽度即是理论上与上述相等。
图10 发射接收信号波形
但是①中单片机的T1时刻与②方式中的脉冲上升沿时刻为同一时刻，且单片机的T1是在GATE门和TR1开启后， 等到高电平时刻才开始计数的，亦即自动的。而且①用查询确定回波时刻，而这样有可能在两次查询之间回波信号已到达， 这样就有了计数误差。系统采纳②方式。T1为计数器,T0为触发脉冲的延时。 延时的大小等于在这个范围内的超声波的往返时间， 大约为1ms。
2.2.2.2 扩大测距范围
由于空气对超声波的吸收与超声波频率成正比，因此用来测距的超声波的频率不能很高。另一方面，频率越低，波长越长，测量的绝对误差就越大。所以，40KHz的超声波单频测距的范围只有5到6米，无法满足我们的要求。为了解决测量范围和测量精度之间的矛盾，我们采用双频测距的方法。其测距原理是：控制器现发出一串频率为fH的超声波，串长度可以有10到16个完整的波形，接着送出4到8fL低频率的超声波。这种在时域上连续的两种频率的超声波被前方的目标反射后，形成回波，回波经由接收器形成回波脉冲。由于高频声波先发出，对于同一个目标，其回波先到达单片机，因此，对于较近的目标，首先用高频超声波探测。当目标较远时，高频超声波被空气吸收而大幅衰减，接收器接收到的回波中只有低频超声波，从而可以达到提高测距范围的目的。
图11 超声波测距工作时序
如图11所示，t0、t1分别为高、低超声波发射的开始时间，t2、t3为高、低超声波回波到达的时间，所测得的距离分别为
DH =c (t2-t0)/2 (4)
DL=c (t3-t1)/2 (5)
经试验可知，用双频超声波发射，量程可达到25m。
2.2.2.3 抗干扰措施
输入和输出通道采用光耦隔离干扰信号。采用了合理的接地措施，以防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。采用了输入和输出驱动法和降低输入阻抗法，以削弱或抑制反射波的干扰。在硬件电路中，采用了滤波电路和退耦电路，以削弱或抑制瞬变噪声的干扰。利用了TL7705构成电源监视电路，使单片机系统在掉电时能自动保护现场数据。在设计和制作电路板时，采取了相应的抗干扰措施。由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取了使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱等。采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的干扰信号。输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲，作用时间很短，当控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以有效抑制时，采用了输入口信号重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的。采用了输出口数据刷新方法。在本报警器的硬件电路中，使用了8155芯片，工作模式或控制字可能因噪声干扰等原因受到破坏，使系统输入和输出状态发生混乱，在设计中，对有关功能重新设定一次，确保接口的可靠工作。
2.2.2.4 窜绕问题的解决
在测距系统中，一般发射换能器和接收换能器的距离非常接近，可能会有一部分超声波信号没有经过被测物体的反射而直接传到接收换能器中，这种窜绕问题给整个系统带来非常大的误差，其次，现场很多的杂波信号也会被接收换能器接收而使系统误动作。本系统接人一个具有门限作用的单限电压比较器，通过设置它的阀值电压，使高于该电压的信号被转换为高电平，否则被转换为低电平输出，这样就可以达到限幅输出的目的，从而将窜绕信号除掉。
在图12中，LM567是带锁相环的音频译码器，它同样具有选频的功能，其有效工作电压为25mV，该电压由电压比较电路的输出电压提供。当输入信号的频率落在给定的通频带上时，锁相环既将这个信号锁定，同时在输出端输出一低电平信号给单片机请求定时结束。
回波窜绕问题解决前后超声波接受电路的波形如图12所示。
图12中(a)为超声波发射波形，(b)为超声波接受波形，(c)为干扰去除后超声波接受波形。(b)中所示的波形①为干扰信号，波形②为有效信号。
从图12可知，发射超声波的探头T发出的超声波一部分直接传送到接收超声波的探头R中，形成了波形为①的干扰信号，要想办法除去波形①。从图12(b)中知道波形①的幅值比波形②的幅值小，所以采用门限电路可将波形①除掉，去除后的波形如图12(c)。
图12 窜绕问题解决前后超声波接受电路的波形
2.3 软件电路设计
2.3.1 测距系统整体流程图
主程序流程图如图13所示，单片机通电正常工作后，按照下图顺序依次执行，最终完成工作要求。
图13 主程序流程图
2.3.2 定时中断系统流程图
主程序按如图13所示的顺序执行，当主程序完成初始化工作，超声波发射和接受的顺序是由定时中断服务程序控制的，如图14。
外部中断服务子程序如图15所示，主要完成时间值的读取，距离计算和结果的输出等工作 [8] 。
3 系统调试
把程序下载到单片机中，进行联机调试，逐个检查各个按键的功能是否实现，反复实验观察，完善功能直到满足系统要求为止。
3.1 硬件调试
由图9所示的超声波测距整体系统组成框图按信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成超声波测距系统的各功能电路。
3.2 软件调试
首先是通过软件仿真，先进行单个程序仿真，然后再进行整体程序仿真，不断修改，逐步完善其功能。在这步完成后应该确定其I/O口的分配，时钟的选择和各输入信号的逻辑性及给出系统所需的信号。调试的时候一定要细心，有耐心，踏踏实实的一步一步调，不可急，否则程序会一塌糊涂。
4 结束语
在环境温度为－20～+50℃的范围内，测量误差为几个厘米，这个误差能满足正常倒车的需要。因为本设计所采用的超声波传感器的辐射范围是60度，所以安装时，需在车尾装3至4个超声波传感器，这样才能覆盖整个范围。随着科技的发展，超声波传感器的研究也的到更加的深入和广泛，超声波传感器的生产工艺水平也随之提高，超声波传感器日益小型化、集成度不断提高，测量精度也不断提高，所以超声波传感器将更广泛地应用在人们的日常生活中。
参考文献
[1] 陈杰. 传感器电路原理与制作[M]. 成都: 高等教育出版社, 2002.
[2] 张和生, 宋明耀. 车载超声测距仪的研制[J]. 仪表技术与传感器. 2003, (2): 26-28.
[3] 罗中辉, 黄世庆. 提高超声测距精度的方法[J]. 机械设计与制造. 2005, (1): 109-110.
[4] 程佩青. 数字信号处理[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001.
[5] 肖志红, 汉泽西. 一种基于单片机的超声测距系统的设计[J]. 现代电子技术.2006, (19): 97-101.
[6] 陈国华. 电子降盗报警器电路大全[M]. 北京: 电子工业出版社, 2000.
[7] 康华光. 电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.
[8] 余锡纯. 单片机原理及接口技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2000.
附录1
puzel： mov 14h, #12h ；超声波发射持续200微秒
here： cpl p1.0 ；输出40KHz方波
nop
nop
nop
djnz 14h，here
ret
附录2
receive1：push psw
push acc
clr ex1 ；关外部中断0
jnb p1.1, right
jnb p1.2, left
return：SETB EX1 ；开外部中断0
pop acc
pop psw
reti
right：...?
ajmp return
附录3
RECEIVE0：PUSH PSW
PUSH ACC
CLR EX0 ；关外部中断0
MOV R7, TH0 ；读取时间值
MOV R6, TL0
CLR C
MOV A, R6
SUBB A, #0BBH ；计算时间差
MOV 31H, A ；存储结果
MOV A, R7
SUBB A, #3CH
MOV 30H, A
SETB EX0 ；开外部中断0
POP ACC
POP PSW
RETI
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