毕业设计论文基于单片机的超声波汽车防撞测距报警系统.doc

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1、毕业论文课题： 汽车防碰撞报警系统 摘 要论文介绍了一种基于单片机的超声波汽车防撞测距报警系统，此系统利用AT89S52单片机作为主控制器，结合超声波测距原理，来实现智能汽车防撞测距报警功能，并进行了系统硬件和软件的设计。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳的设计方案，并对系统各个单元的原理进行了介绍。对组成的各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。此系统具有结构简单，精度高，使用方便等特点。介绍了系统软件结构，通过编程来实现系统功能。AbstractPaper describes a microcontroller-based ultrasonic ranging aut

2、omotive anti-collision warning system, this system uses AT89S52 microcontroller as the main controller, combined with ultrasonic distance measurement principle, to achieve the smart car crash ranging alarm, and make the system hardware and software design. Through a variety of transmitting and recei

3、ving circuit design compared to arrive at the best design, and system the principle of each unit are described. Circuit composed of the various systems on a chip was introduced, and explained how they work. This system has a simple structure, high precision, easy to use and so on. Describes the syst

4、em software architecture, programmed to achieve system functionality.目 录摘 要IAbstractI目 录II第1章 绪论11.1 背景11.1.1 超声波测距发展综述11.2 研究内容2第2章 超声波测距原理及构想32.1 超声波传感器介绍32.1.1 超声波传感器的特性42.2超声波测距的原理52.3系统设计原理52.4系统主要参数72.4.1 测距仪的工作频率72.4.2声速72.4.3 发射脉冲宽度72.4.4 测量盲区7第3章 超声波测距系统方案设计93.1 发射与接收电路的设计方案93.2 显示报警单元方案设计1

5、03.2.1系统报警电路设计113.3 单片机复位电路113.4 时钟电路123.5 温度补偿电路133.6 74HC04N芯片介绍143.7 探头介绍14第4章 系统软件结构15第5章 结论175.1 误差产生原因分析185.1.1 温度对超声波声速的影响185.2 针对误差产生原因的系统改进方案19致 谢21参考文献22附录1 原理图24附录2源代码25附录3 电子器件列表清单4- 29 -第1章 绪论1.1 背景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

6、且较为经济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，应用于汽车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车防撞报警系统中，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。汽车防撞报警器将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，可检测汽车运行中后方障碍物与汽车的距离及汽车车速，通过数显装置显示距离，并由发声电路根据距离远近情况发出警告声。1.1.1 超声波测距发展综述五十年代，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，各单位积极开展试验研究

7、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20Kg。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。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

8、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。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的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、MET

9、EC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 2000A 型超声分析检测仪，与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，

10、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。1.2 研究内容本论文章节安排如下：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及构想主要介绍了

11、超声波传感器，超声波测距的原理及超声测距系统的总体方案，系统主要参数。第三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、显示电路设计、报警电路设计、时钟电路设计、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及具体实现。第四章系统硬件软件实现部分主要介绍了软件的实现。第五章给出系统的误差分析和系统改进。 第2章 超声波测距原理及构想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、

12、管道长度等场合。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”。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

13、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。压电式超声波传感器结构如图2-1所示：图2-1压电式超声波传感器结构图压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使

14、发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。2.1.1 超声波传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以TCT40-16T/R发射型超声波传感器为例进行说明。一、频率特性图2-2超声发射传感器频率特性图 2-2是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，f040KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 f0处所产生的超声声压能级最高。而在 f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心

15、频率 f0的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在 f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在 f0处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声波接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果 R 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。二、指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个

16、点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。2.2超声波测距的原理超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感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停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=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=C*t/2=C*t0 （2-1）其中

17、，t0就是所谓的渡越时间。可以看出主要部分有： (1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）；(2) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；(3) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；(4) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；(5) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种

18、适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为 25KHz300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；置避开强大记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。2.3系统设计原理系统结构如图 2-3所示：电子市场上常

19、见的超声探头是收发分体式，一般频率为 40KHz。如果需要更高频率的超声探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件，拟选用的探头是 40KHz 的超声传感器，有一支接收传感器TCT40-16R和一支发射传感器TCT40-16T 。 图2-3 超声波测距电路图电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率 40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一支实际

20、的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可回复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起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。接收部分就是由二级放大电路，检波电路及门限判别电路构成的，其中包括杂波抑制电

21、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。2.4系统主要参数2.4.1 测距仪的工作频率由文献知，空气中超声波的衰减系数为=as=Af2+Bf4。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑：(1) 如果测距的能力要求很大，声波

22、传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。(2) 工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。(3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。2.4.2声速声速的精确程度线

23、性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为V=331.40.607T(mm/ms) (2-2) 式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 mm/ms。2.4.3 发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一

24、定困难。本设计最终选定11us的发射脉冲宽度。2.4.4 测量盲区在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区。第3章 超声波测距系统方案设计该汽车测距报警系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组

25、成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用性能较好的AT89S52单片机。超声波测距系统总原理图在附录1里有备注。3.1 发射与接收电路的设计方案由AT89S52单片机编程，执行程序后P1.0 口产生40KHZ的脉冲信号，超声波发射探头TCT40-16T产生超声波。接收头采用和发射头配对的TCT40-16R将超声波调制脉冲变为交变电压信号，送入CX20106A中进行处理。CX20106A是带有信号放大器，宽频带滤波器，检波器。整形及滞后比较器的多功能芯片。当高电平越变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0

26、，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INTO或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。发射电路电路图如图3-2所示: 图3-2 发射电路 发射电路原理：当单片机AT89S52,通过P1.0这个I/O口,发送一系列的脉冲,经过74HC04从而使TCT40-16T这个激励换能器发射出超声波。接收电路如3-3所示 220KR16220KR1710R203.3C9223C8330PC101UC11GND12345678U4CX20106VCC1122R1850K

27、RW1图3-3 接收电路电路简单实用，接收到的信号引入运算放大器，通过运算放大器两级放大，增强接收信号，达到本电路适合的要求强度，比较适合本设计需要。3.2 显示报警单元方案设计显示报警单元是经过超声波发射接收电路及单片机AT89S52处理后把信号转化为人为可以知觉的数字显示和报警响应，以让人们能够直观的觉察到测量的状况，进一步避免事故发生。显示报警电路由显示和报警两部分电路组成，主要实现在出现紧急情况下的显示报警功能，以此提醒驾驶员。3.2.1 系统显示电路设计显示器是一个典型的输出设备，综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的 LED 驱动输出设备。由于全程显示的距离

28、范围在 4 米之内，用 3 个 LED 数码管表示距离的 cm数值。 由于本设计中显示位数较少，选择静态显示驱动，采用共阳显示接法。显示驱动，显示电路如图3.4所示： 图 3-4 系统显示电路3.2.1系统报警电路设计图3-6：系统报警电路系统报警电路由一个三极管、一个电阻和一个喇叭组成。经电阻采集信号，采用s8550三极管放大。报警电路如图3.6所示。当单片机AT89S52发射出超声波的信号，即输出一个高电平给这个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。则信号经过三极管S8550放大。使电流达到发射端的工作电流，从而发射出超声波。当发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这

29、时接收器便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给CX20106A的输入端，其7号输出引脚会产生一个信号，使得单片机AT89S52产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机把计得的时间差进行运算，根据公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。如果距离小于0.3m，则单片机AT89S52便给P3.7口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。3.3 单片机复位电路(1)单片机AT89S52作为主控芯片，控制整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位

30、信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。该设计采用含有电阻的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。复位电路的设计图如图3-7所示： 图3-7 复位电路（2）AT89S52的RST引脚为复位引脚，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平，即可实现复位。复位通常有上电复位和按键复位两种方法。本设计采用的是按键复位，当按下按键后，电容被短路，RST引脚就处于高电平，就可以达到复位的目的。3.4 时

31、钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。X1是接外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路如图3-8所示：AT89S52p36p37GNDC2C312Y1XTALGND图3-8 时钟电路电路中的C9和C10一般取30PF左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.212

32、MHz，而电路中采用12MHz，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。3.5 温度补偿电路温度补偿电路主要是为了补偿电路因温度的问题而产生的误差。要知道超声波在空气中传播需要一定的时间，而在相同的距离下，这个时间与温度有一定的影响。当温度不同时，测量的时间不同。为了更好地计算，需要对传播速度予以修正，达到使测量结果更准确的目的。在这里我们运用DS18B20温度传感器进行温度测量，从而进行修正。3.5.1 单线数字温度计DS1820介绍DS1820数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，因此从主机CPU到DS1820仅需一条线（

33、和地线）。DS1820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DS1820在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS1820可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS1820的测量范围从-55到+125，增量值为0.5，可在ls(典型值1内把温度变换成数字。3.5.2 温度计算Ds18b20用12值存贮温值度，最高位为符号位，下图为18b20的温度存储方式，负温度S=l，正温度S=O。如：0550H为+85，0191H为+25.0625，FC90H为-553.5.3 DS1820工作过程及时序DS1820工作过程中的协议如下：初始化：RoM操作命

34、令：存储器操作命令：处理数据。1初始化单总线上的所有处理均从初始化开始。2ROM操作品令总线主机检测到DS1820的存在，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如 指令 代码 Read ROM(读ROM) 33H Match ROM(匹配ROM) 55H Skip ROM(跳过ROM CCH Search ROM(搜索ROM) FOH Alarm search(告警搜索) ECH3存储器操作命令 指令 代码 Write Scratchpad(写暂存存储器) 4EH Read Scratchpad(读暂存存储器) BEH Copy Scratchpad(复制暂存存储器) 48H Convert

35、Temperature(湓度变换) 44H Recall EPROM(重新调出) B8HRead Power supply(读电源) B4H3.5.4 DS18b20接线电路如下图所示为DS18B20温度补偿电路，该电路主要即为温度检测。检测到温度后将信号传递给单片机，经单片机转换后，在计算时进行补偿。图3-7 DS18b20接线电路3.6 74HC04N芯片介绍74HC04是六反相器,既一个集成块上有六个反相器.输入为高电平,输出就为低电平,输入低电平,输出就为高电平.74HC04要比74LS04驱动电流大.图3-8 74HC04N外观3.7 探头介绍压电陶瓷超声波换能器（超声波传感器）体积

36、小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新换代，提高市场竞争能力。型号TCT40-16TTCT40-16R结构开放式开放式发射距离810米810米使用方式发射接收谐振频率40KHZ1KHZ40KHZ1KHZ频带宽2KHZ0.5KHZ2KHZ0.5KHZ灵敏度70dB / V / ubar70dB / V / ubar外形尺寸16mm22.5mm16mm22.5mm温度范围20 + 60 20 + 60 相对湿度20 5时达98%20 5时达98%表3-9 传感器特性参数第4章 系统软件结构在系统

37、硬件构架了超声波测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据第二节所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能：一、信号控制在系统硬件中，已经完成了发射电路、接收电路、检测电路、显示电路、门限检测的设计。在系统软件中，要完成增益控制信号、门控信号、发射脉冲信号、远近控制信号的时序及输出。二、数据存储为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计数器的计数值，然后存储在 RAM 中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理。三、 信号处理RAM 中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间转换公

38、式为：S=0.5*V*T0.5*V*(Tr*N)其中，T 为发射信号到接收之间经历的时间，Tr 为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N 为计数器的值。在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。四、 数据传输与显示经软件处理得到的距离送显示输出，用三位 LED 表示。由于采用了单片机AT89S52并考虑整个系统的控制流程。由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换子程序后显示输出。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、中断服务程序几个主要部分。中断程

39、序流程图如图4-5所示，主程序流程图如图4-6所示。图4-6主程序流程图 图4-5中断程序流程图第5章 结论本文从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响，回波检测对时间测量的影响和超声波传感器所加电压对测量精度和范围的影响。在此基础上，开发出以AT89S52单片机为核心，采用40KHz 压电超声波传感器，应用于汽车防撞测距的报警装置。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出

40、距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。基于单片机的超声波的测距系统的设计包含了：电路分析、数字、模拟电路和单片机、EDA、传感器、C语言等方面的知识，另外还有选材购买、动手制作等方面。所以具有很高的参考价值，同时，该设计的方案也是来源于生活中广泛的应用领域，有很强的应用价值。单片机的应用改变了传统的设计思路，以前构建一个系统需用用很多的数字模拟器件或者电路单元来构建，系统可靠性差、缺乏灵活性、维护不便、成本高、无法实现智能化等诸多缺点。单片机的应用解决了很多问题，现在只要写一个软件，通过单片机和一些简单的外接电路就可以实现具有很多功能的、而且具有

41、智能化的系统，同时可方便升级维护。所以单片机的应用广泛，在日常生活和生产中占用重要位置。所以我们设计选择了单片机的系统其说明我们深深的意识到它的重要作用。汽车防碰撞报警系统实物如下图所示：5.1 误差产生原因分析5.1.1 温度对超声波声速的影响空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响即： （5-1）其中R为普适常量8.314Kg/mol，T为气体温度K（绝对温度），M为气体分子量，r为气体密度。由公式5-1可知，超声声速与空气的温度有密切关系。

42、例如：20 时，T=293.15， CS=344.2 m/s；40时，T=313.15，CS=355.8 m/s；-20时,T253.15，CS=319.9 m/s；从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。5.1.2 回波检测对时间测量的影响超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。设在距离超声接收器处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为：A=A(x)cos(ax+kt) （5-2）其中A为超声传感器接收的振幅；A0 为超声传

43、感器初始振幅；为衰减系数；x 为超声波传播距离；w角频率；k 为波数。衰减系数=bf。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。5.1.3 超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声测距常用压电材料传感器，例如TCT40 压电超声传感器。超声传感器外加脉冲电压的幅值会影

44、响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E 的关系为： S=dE （5-3） 其中d 为应变电场常数。超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。5.2 针对误差产生原因的系统改进方案在实际应用中，为了方便处理，超声波常调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统一般由超声波发送、接收、时间计测、微机控制和温度测量五个部分组成。如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施下：(1)合

45、理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期据经验，超声测距的工作频率选择f=40kHz 较为合适，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽11us；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度赶快，脉冲发射周期可选短些。(2)提高计时精度，减少时间量化误差如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率为6MHz时，计数频率为0.5MHz此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。(3)补偿温度对传播声速的影响超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。有文献表明，按