超声波测距汽车倒车防撞报警器设计.doc

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1、摘要本设计采用超声波测距，可用作汽车泊车安全辅助装置，能以声音和更为直观的LED 显示告知驾驶员汽车周围障碍物的情况，解除了驾驶员在泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的烦扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了泊车安全性。本设计硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路、电源电路和报警电路组成，软件部分主要由主程序、超声波发射接收子程序、距离计算子程序及显示子程序等部分组成。本设计由AT89C2051单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用超声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。该设计的电路设计合理简单、工作稳定、性能良好、

2、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量误差方面能够达到简单工业实用的要求。关键词：AT89C2051、超声波、数码管、汽车倒车Auto reverse bull alarm design Aurhor: Hu Chang Sheng Tutor: Wang Er PingAbstractThis design uses the ultrasonic ranging, can be used for car parking safety auxiliary devices, to sound and more ocular LED display told the driver of

3、 the car around obstacles, lifting the driver in the parking and starting vehicles around when visiting caused the trouble, and help eliminate the vision blind Angle and the driver of sight fuzzy defects, improve the safety car parking.The design of hardware mainly by single-chip microcomputer contr

4、ol circuit, ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, digital circuit, the pipe display circuit and alarm circuit composition, the software of mainly by the main program, ultrasound receiving interruption program, distance subroutines and display subroutines components. This design by single

5、 chip microcomputer AT89C2051 control time count, the calculation to receive from launch ultrasonic round-trip time, use of ultrasonic transmission speed in the air, so as to get the distance. The design of the circuit design simple, reasonable stable and good performance, test speed, simple calcula

6、tion, easy to do real-time control, and in the measurement error can achieve simple industrial practical requirement.Key words: AT89C2051 ,Ultrasonic, Digital tube,Automobile reverse1.绪论11.1课题研究背景及目的11.2课题国内外研究状况21.3课题研究方案比较41.4论文构成及研究内容42.超声波基本发展史及原理52.1超声波发展简史52.2超声波的应用62.3超生波测距方法93.系统整体设计113.1系统整

7、体设计框图113.2硬件选型113.2.1超声波探头的中心频率及主要参数113.2.2单片机的选择133.2.3其他元器件的选择134.硬件电路设计144.1单片机外围电路设计144.2超声波发射电路设计154.3超声波接收电路设154.3.1CX2016A简介154.3.2超声波接收电路174.4LED显示电路184.5报警电路设计195.软件系统设计205.1 程序流程设计205.2汽车倒车报警器程序的程序清单216.总结26附录27 1. 绪论1.1课题研究背景及目的随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，我国汽车的数量逐年攀升。另外，随着中国城市化的加速推进，这一数字还会在相当长时间内

8、持续高水平的增长。汽车的数量逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。在享受汽车给我们带来便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。因为驾驶员在驾车时的视野范围是很有限的，通过车内和外侧的反光镜可以大幅度提高驾驶员的视野范围，但位于车正后方的障碍物以及高度不足以通过反光镜看到的或者距离车身过近的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角或者视野模糊区中。这样，小则对驾驶员的泊车、倒车造成不便，大则也会带来一些危险。据初步调查统计，15的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可

9、将车辆快速准确地停放到指定的位置。鉴于此，设计一种响应快、可靠性高且较为经济的汽车倒车防撞报警系统势在必行。本文介绍的倒车防撞报警器，与汽车配备的倒车雷达原理和用途一致，都是利用超声波测距原理实现实时测距，都是用作“泊车辅助装置”，可称作“简单型”的倒车雷达。但相比市场上各种价格昂贵的倒车雷达产品，本文介绍的倒车防撞报警器，价格更为经济，电路更为简单，精度也能满足常用要求。防撞报警器是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器(俗称探头)、单片机控制系统、LED显示和蜂鸣器等部分组成。防撞报警器的主要作用是在倒车时，利用超声波测距原理，由装置于车尾保险杠上的超声波传感器发送超声波，超声波

10、遇到障碍物后反射至超声波传感器，从而计算出车体与障碍物之间的实际距离，再给驾驶员以提示，使停车和倒车更容易、更安全。该装置能够在驾驶员视野的死角处，通过LED显示、声音等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围障碍物的情况，使驾驶员能够更清楚的了解周围障碍物的情况，对驾驶员的起步、泊车、倒车等环节有很大帮助，提高了驾驶的安全性。1.2课题国内外研究状况我国倒车雷达从2000年开始起步，从最初只是奔驰、宝马等高档车的专利，发展到现在成为许多轿车的标准配置。经过多年的发展，倒车雷达系统已经历了六代技术改良，不管从结构外观上还是性能价格上，这六代产品都各有特点。第一代：倒车时通过喇叭提醒。“倒车请

11、注意、倒车请注意!”，想必不少人还记得这种声音。现在第一代的倒车雷达只有小部分大卡车、泥头车在使用。只要司机挂上倒车档，喇叭就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，这对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达，只是在提示路人小心。该类产品价格便宜，但基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器产生不同声音来提示驾驶员。在倒车时，蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀”的响声，这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时在车后一定距离内有障碍物，蜂鸣器就会开始工作，蜂鸣声音越急，表示车辆离障碍物越近。因为没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车体有多远，所以对驾驶员帮助不大。第三代：数码波段

12、显示的倒车雷达系统。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。显示车后障碍物和车体之间距离的方式有两种：一种是数字显示方式，通过LED显示车体与障碍物间的距离；另一种是用颜色来区别：绿色代表安全距离，黄色代表警告距离，红色代表危险距离。这一代倒车雷达已经比较先进了，缺点是精确度不高、安装不美观。第四代：液晶荧屏动态显示。这一代的倒车雷达有一个质的飞跃，可以看清车体与障碍物之间的实际距离和其图像效果。此类倒车雷达不用挂倒车档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。但这一代的产品灵敏度不太高，抗干

13、扰能力不强，所以误报也较多。第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。这一代倒车雷达的功能较多，但成本也比较高。第六代：整合影音系统。这一代倒车雷达是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，它比第五代倒车雷达更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像，但相应的成本也更高。目

14、前，国内市场上的倒车雷达产品主要由国外公司占据着。国内一些公司虽然也推出了相应的倒车雷达产品，但在质量上、市场份额上都无法与国外厂商相比拟。一些核心元器件，国内相同产品达不到国外水平或者无法生产。在倒车雷达等辅助倒车研究领域，美国、德国、日本等发达国家的技术远远走在前面。他们在汽车信息化技术的研究上起步较早，并且自身在半导体、微电子领域也具有很大的优势。因此，在这些国家智能化车载电子设备的发展已经达到了相当高的水平，很多高科技车载电子设备已经相当普及。随着汽车工业的飞速发展，在辅助倒车领域，国外已经出现了停车入位导航系统。梅赛德斯车厂已经在使用雷达探测技术来帮助驾驶者更快更安全地停车。导航雷达

15、探测器能够探测出经过路线上的停车空位，并向驾驶者发出信号。这个时候，驾驶者可以通过探测器显示的位置找到空位。在整个停车过程中，驾驶员切换到倒档后，导航系统会由始至终地监测汽车的位置和角度。如果驾驶者中断倒车，导航系统还会自动计算出新的最佳停车路线和角度。在日本，丰田公司研制的导航系统已经可以实现准确地全自动停车。当导航系统锁定一个合适的停车空位之后，只要驾驶员换到倒档，仪表盘上的屏幕上就会开始显示由安装在汽车背部的摄像头传送过来的车后图像。此时，驾驶者只需对导航系统选择的提供车位置进行确认。在此之后，就可以松开方向盘和脚刹，保持适当的速度。从这里开始，停车过程便由配备了超声波雷达和摄像头的停车

16、导航系统全权接手。如果想要中止停车程序，驾驶者只需踩下刹车就可以了。而且这款设备现在已经开始在一些高档轿车上配备使用。1.3课题研究方案比较在现代测距系统当中，主要有以下测距方法：1）毫米雷达测距毫米雷达测距能够探测多目标，多目标分辨力好，探测精度高，受天气影响小，但存在电磁干扰问题，必须防止因雷达装置相互间以及其他通信设施的电磁波干扰而发生误动作，其多用于高速公路上的防追尾碰撞。2）摄相系统测距目标摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高，但目前价格较高，同时受到软件和硬件制约，成像速度角慢。 3）激光测距由于激光测距受恶劣的天气，汽车的激烈震动，反射镜表面摩损，污染等因素的影响，使反射的激光束

17、在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少1/2到1/3损失很大，影响探测精度，所以它一般都应用于防追尾碰撞当中。4）红外测距它主要应用于夜间行车或在军事上使用。5）超声波测距超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。1.4论文构成及研究内容本文以倒车防撞报警器为研究目标，从理论和实践两个方面对超声波测距技术的应用进行探讨，并将超声波测距技术应用于本课题的研究。现将本文的主要内容和章节安排简要介绍如下：1.介绍本课题的研究背景、国内外研究状况及课题研究目的和意义。2.介绍超声波

18、基本理论。3.阐述系统总体方案。4.详述本设计的硬件电路设计。5.阐述本设计的软件设计。6.论述本设计的系统误差及其改进。7.总结。2.超声波基本发展史及原理2.1超声波发展简史意大利科学家斯帕拉捷习惯晚饭后到附近的街道上散步。他常常看到，很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从不会撞到墙壁上。这个现象引起了他的好奇：蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢？为了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列试验。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能准确地分辨障碍物。只有当耳朵被堵住时，蝙蝠就不能分辨障碍物。斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密。后来人们继续研究，终于弄清了其中的奥秘。原来，蝙蝠靠喉咙发出人

19、听不见的“超声波”，这种声音沿着直线传播，碰到物体后就像光照到镜子上那样反射回来。蝙蝠用耳朵接受到这种“超声波”，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。当然，以上的故事是个美丽的楔子。真正超声波的研究和发展，与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声波技术的历史篇章。1883年Galton首次制成超声波气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声波。此后又出现了各种形式的汽笛和夜哨等机械型超声波换能器。20世纪

20、初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(Paul Langevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。40年代末期超声波治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。医

21、学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构，以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。如今，超声

22、波已广泛应用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。2.2超声波的应用由于超声波在物理化学方面的独特特性，所以超声波在许多方面都有广泛的应用。归结起来，超声波主要应用在以下几个方面：(1) 在检验方面的应用超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲

23、波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。超声波测厚，是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术，把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样

24、上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已。 (2) 在超声处理方面的应用利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、清洗

25、、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。 超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波焊接主要分超声波塑料焊接和超声波金属焊接，超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高、密封性好的优点；而超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。针对所有的应用市场，超音波焊接其特有的优点快捷、高效、清洁和牢固，赢得了各行各业的认可，在汽车、家电、包装、玩具业、电子等行业的应用也越来越广泛。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作

26、用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。超声波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清洁度高，不须人手接触清洗液，安全可靠，对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等诸多优点。超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂像一些表面凹凸不平、有盲孔的机械零部件，一些特别小而对请洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。超声波技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。超声波治疗时将超声波能量

27、作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。超声波的机械作用可软化组织，增强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。超声波治疗以疗效独特，长期治疗无毒副作用的安全特性见长，在肢体运动康复、心脑血管疾病治疗方面有着独特的优势，其体外无创的物理治疗手段比较适合在社区、医院运用。(3) 在基础研究方面的应用超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种

28、效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20世纪40年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程（如分子的内、外自由度之间能量转换的热弛豫，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）及微观谐振过程（如铁磁、顺磁、核磁共振等）之间的关系，通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这些方面的研究构成了分子声学这一声学分支。随着人们能产生和接收的超声波频率

29、的不断提高，已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能声子来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科量子声学也正在形成。超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学

30、、超声学材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声波应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断地向前发展着。2.3超生波测距方法超声波测距的方法主要有三种，为相位检测法、幅值检测法和渡越时间法。相位检测法检测精度高，但是检测距离有限，达不到本课题设计的要求。由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含量不同，衰减系数也不一样，声波幅值检测法的检测精度和稳定

31、性受到很大的限制，所以此种方法不适合本课题的应用。而渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。但是由于气体介质对超声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减，超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。另一方便面超声波的最大检测距离与传感器的发射功率和电路的放大倍数有关，发射功率越大，电路的放大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。因此可以通过提高放大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。此外超声波在空气中的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿，而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现。综上，本设计的测距方法采用渡越时间法。具体测距原理阐述如下。超声波发射器

32、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立即停 止计时。超声波在空气中的传播速度为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=340t/2最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为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面的距离s，即：s=340t/2。 由于超声波

33、也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，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2-3所示： 超声波发射 障碍物 S H 超声波接收图1 （2-1） （2-2）式中:L-两探头之间中心距离的一半。又知道超声波传播的距离为: (2-3)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（22）、（23）代入（2-1）中得： (2-4)其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数

34、(例如在温度T=20度时,V=344m/s)；当需要测量的距离H远远大于L时,则(24)变为: (2-5) 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。3.系统整体设计3.1系统整体设计框图本设计以AT89C51单片机为核心，通过扫描按键的状态，由声波换能器TCT40-16TR1发出40KHz的超声波方波信号，有定时器T0产生方波驱动信号，同时，启动计数器T1，用来计数，也就是测算方波发射到接收所需要的时间。经障碍物反射后由超声波接收换能器接收反射信号，经放大电路放大后，由P1.7来接收超声波反射信号，当接收到该信号后，关闭计数器T1，记下此时的时间，转入执行计算距离子程序

35、，由子程序计算距离，并启动LED显示其数值，同时，当到达危险距离时发出滴答滴答的响声。整个系统结构框图如图2所示：单片机AT89C51电源电路键盘电路复位电路报警电路超声波发射电路数码管显示电路超声波接收电路图2 系统框图3.2硬件选型3.2.1超声波探头的中心频率及主要参数一、主要参数（1）中心频率中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。本设计采用40KHZ的探头TCT40-16TR1（

36、2）灵敏度灵敏度的单位是分贝(dB)，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。（3）指向角指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般为几度至几十度。（4）工作温度工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。以石英晶片为例，当温度达至时灵敏度可降低6。一旦达到居里温度点(),就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感器温度较高，必须采取冷却降温措施。TCT40-16T/R的性能指标如下表所示：型号T40-16TT40-16R功能发射接收中心频率40khz（2.5%误差）40k

37、hz（2.5%）声压114dBmin灵敏度68dBmin电容2500pf（20%）2500pf（20%）最大电压20v20v指向性60（25%）60（25%）工作温度零下20至70零下20至70表1 TCT40-16T/R的指向特性如图3所示：图33.2.2单片机的选择单片机是系统软件的载体，是控制系统的核心。因此其性能将直接影响系统的稳定性。选择好的单片机不仅关系到系统的精度、稳定性，而且还有利于减少系统成本。根据系统设计的要求以及总体设计思路对所选择的单片机要求进行进一步的概括。本设计由于超声波采用软件驱动，仅需要一个定时器，一个计数器，常用的51系列单片机满足需要。因此，选用AT89C5

38、1单片机。 3.2.3其他元器件的选择显示部分是采用七段四位数码管，选用共阴极接法，CD4511控制段选码，74LS138控制位选信号。发射部分超声波探头的选用TCT40-16TR1，相应的信号处理元件选用TC4069、74LS138。超声波的接收信号选用CX20106芯片处理。单片机的外围电路元件选用11.0592MHz的晶振，报警电路选用蜂鸣器。4.硬件电路设计4.1单片机外围电路设计单片机外围电路主要有键盘电路、电源电路、复位电路、时钟电路、串口电路，对于本设计来说，键盘电路相当于倒车挡，主要控制单片机执行指令的状态，时钟电路、电源电路、复位电路构成单片机的最小系统。由于本设计本生是为了

39、做出汽车倒车防撞报警器的实体，并着重阐述汽车倒车防撞报警器的原理，因此，相当于倒车档的键盘电路不再做详细的叙述。另外，为了更便于观测本设计调试中的现象，用三个发光二级管来观察调试结果，以本设计的程序来说明，当大于2m时是安全距离，绿灯亮，当在1.5m到2m之间时，黄灯亮，当在1m到1.5m之间时，危险距离，开继电器，红灯亮，启动报警电路。其外围电路如图4所示：图4 单片机外围电路4.2超声波发射电路设计超声波换能器TCT40-16RT发出超声波需要40KHz的方波信号驱动，产生40KHz的方波主要有软件发生法和硬件发生法。本设计采用软件产生，由定时器T0产生40KHz的方波信号。由TC4069

40、驱动超声波换能器。本具体电路如图5所示。图54.3超声波接收电路设4.3.1CX2016A简介CX2O106A是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路，广泛应用于视频、音频、空调、风扇等各种遥控系统中作遥控信号接收电路。图6为CX20106A内部电路原理框图及引脚图。图6 CX20106A的引脚图图7为CX20106A的典型应用电路图7各引脚介绍：1 脚：为红外信号输入端。该引脚和地之间连接光电二极管，输入阻抗约40k。2 脚：为增益调节端。该引脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈

41、量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=1F。3 脚：为检测端。该引脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4 脚：接地端。5 脚：为带通滤波器调整端。该引脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则芯片中心频率f038kHz。6 脚：为积分端。该引脚与地之间接一个积分电容，标准值

42、为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7 脚：为信号输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8 脚：为电源端。该引脚接电源正极，电压为4.5V5V。4.3.2超声波接收电路超声波换能器接收到反射回来的超声波信号后，会转换为电信号，此时的信号比较弱，需要放大整形等一系列处理才能输入单片机完成相应的信息处理。本设计超声波接收电路选用集成电路CX20106A，它可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检测和波形整形等功能，电路如图3 所示。发射电路发出的脉冲信号，在碰到障碍物后，经反

43、射后的超声波脉冲变成微弱的交流信号，接收电路接收后送到CX20106A 的1 脚，为信号的输入端，经过前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自动增益控制功能，可以保证超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器具有较高的增益，而在近距离输入信号强时放大器不会过载，其带通滤波器中心频率可由芯片5 脚的外接电阻调节，取200 k，控制在38 kHz。通过带通滤波器滤波，峰值滤波，积分比较，最后经整形电路输出脉冲信号。CX20106A 接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，可以满足超声波接收电路的要求。同时集成电路也可以减少干扰。具体电路如图8所示。图84.4 LED显示电路显示器

44、是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED 发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏。综合本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。因为需要显示的距离在10m以内，并且只需要精确到cm,故采用3个LED数码管显示距离数值。在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用

45、单独的具有锁存功能的I/O接口，单片机只需要把要显示数字的段码发送到接口电路并保持不变即可。如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。而动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。LED数码管采用共阴极接法，数字的段码由译码器CD4511控制，数字的位码由74LS138控制。具体电路图如图9所示。图94.5

46、报警电路设计考虑到本设计的实际需求，系统只需提供简单的嘀嘀声作为报警信号即可。所以，报警电路不需要复杂的设计，只需用NPN三极管控制蜂鸣器发声即可，具体电路如图10所示。图105.软件系统设计5.1 程序流程设计主程序实现系统的功能，主程序的编写是在各个子程序的基础上实现的。主程序程序指导各个子程序依次工作，实现系统的测距功能。主程序开始时，要对系统进行初始化，初始化包括I/O端口的初始化、中断的初始化、定时器的初始化等等。在初始化完成后，由定时器T0产生40KHz脉冲信号。由单片机P1.6端口输出40KHz的脉冲信号，由TC4069驱动超声波换能器发射40KHZ的超声波，同时定时器T1开始计时。单片机用P1.7接收超声波回波信号，当接收到下降沿，即p1.7口输入是低电平时，定时器T1计时停止。单片机开始转入计算子距离。由单片机内部程序决定其最终显示距离。主程序的工作流程图如图11。开始参数初始化是否收到回波？