超聲波實現無接觸測距的倒車雷達系統的設計與實現(更新版)

　　

【正文】 4 電源電路原理圖 測溫電路由于超聲波的聲速在不同的溫度下有所不同，采用了溫度補償法，來提高整個系統的測量精度，這里采用的主要元器件是美國Dallas半導體公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、體積小、線路簡單等優點。圖42展示了發射電路原理。 USB轉串口集成塊PL2303 PL2303簡介PL2303是Prolific公司生產的一種高度集成的RS232USB接口轉換器，該芯片內置USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現USB信號與RS232信號的轉換。采用“一線總線”通信模式，測量范圍更廣，精度更高，系統可靠性進一步提升。基本工作原理[20]：（1）提供至少的高電平信號，就可以通過TRIG啟動測距功能；（2）啟動測距后，發射器發射頻率為的超聲波信號，接收器會自動檢測反射回來的聲波；（3）當接收到反射信號時，經過I/O端口給出高電平信號，直到接收完所有的反射信號。（4) 多功能I/O端口P0口——第32~39腳，8位真正的雙向數據I/O口。——第18腳，作為中反相器的輸出端。另一大優點是單片機系統頻率可最低至0Hz，有兩種省電模式。51單片機系列硬件結構功能齊全、易于下手等特點。，超聲波的傳播速度，與環境溫度關系最大，速度與溫度的數值關系如表21所示，可以看出，超聲波傳播速度隨氣體溫度的升高而加快，且成線性關系，變化率固定，例如環境溫度為0℃時的速度為332m/s，20℃時的速度為344m/s，相差12m/s，在40℃時的速度為356m/s，與20℃時速度也相差12m/s。壓電陶瓷芯片的形狀大多數都是圓形芯片，產生的超聲波的頻率與壓電芯片的厚度成反比關系。我們市面上的專用型就是指超聲波傳感器只有一個發射或者接受功能，兩者不能同時兼備，而兼用型就很容易理解了，它可以只有發射或者接收功能，重要的是可以發射與接受同時兼有。最近幾年，人們往往利用超聲波的強穿透能力、弱衰減性、強反射能力等特點，使其在交通、工業、農業等眾多的領域內都發揮出及其重要的作用。 論文的章節安排本文章節安排如下:第1章為緒論，首先介紹了課題研究的背景、目的和意義，分析了國內外研究現狀，最后總結了本文研究內容及章節安排。近幾年，國內倒車雷達系統迅速發展，并且越來越向國際靠攏[7]。在國內，倒車雷達系統總共經歷了六次的技術革新，第一代倒車雷達是在倒車過程中按喇叭進行提醒。 STC89C52RC。本文利用超聲波實現無接觸測距，設計出一種倒車雷達系統，本文主要是利用超聲波穿透性強，衰減小，反射能力強等特點，將超聲波的測距原理與STC89C52RC單片機結合起來，利用超聲波的發射與接收電路實現無接觸測距。隨著整個社會生活水平的提高，購車的家庭數量也日益增多，汽車已經發展成為人們出行的必需品，然而她在給人們帶來出行方便快捷的同時，也不可避免的發生了許許多多的交通事故，其中因倒車引起的刮蹭事件更是不計其數，為了避免這種倒車事故，可以利用倒車雷達幫助車主掃除視線盲區，通過更為直觀的聲音、圖像或者其他數據等形式，及時的為車主提供有效可靠的信息，使車主360176。第三代的倒車雷達系統利用數碼管顯示車與障礙物的大概距離但是并不精確，安裝也不美觀。與此同時，日本、美國和歐洲經濟實力比較強的國家也投入了巨大的人力、物力來研究更為先進的安全、穩定的倒車雷達系統，根據資料顯示，戴姆勒——克萊斯勒公司目前研制出了一款電子剎車系統，它的特點是在汽車的前方設置雷達感應器，感應車前物體的變化，并將這一信息傳輸至控制器上形成虛擬景象，最后利用系統程序來判斷汽車是否需要緊急剎車，但是這個系統花費特別大，昂貴的價格極有可能阻礙了它在普通汽車上的普及性。第4章介紹了本設計的硬件部分。（2）波長短，超聲波頻率超過20000Hz，因此其波長很短，由于波長越短方向性越強，這就有利于超聲波的發射與接收，也可以作為窄脈沖的信號發生器；（3）傳播的能量大，振動頻率越大，其能量就越大，超聲波頻率超出人耳分辨的頻率，因此所攜帶的能量也相對更大。壓電式傳感器硬件構成由壓電晶體、壓電陶瓷組成，由這兩種材料組成的傳感器一般稱之為壓電式超聲波傳感器，它的示意圖如圖21所示。設超聲波在空氣中傳播的速度為，超聲波從發射到返回之間的時間為，那么距離計算公式表達為： （）式中乘以計算的是單程的距離。表21 超聲波傳播速度與溫度關系表項目數值溫度（℃）3020100102030405060100聲速(m/s)313319325332338344350356361367388 系統設計思路在日常生活中，我們對距離的測量方法不勝枚舉，對近距離的物體我們直接用直尺，對遠距離物體，有激光測距、超聲波方法等先進的測距方法，不論什么測量方法，它們的目的都一樣，就是通過障礙物返回的探測信息，立即判斷出障礙物與測量之間的距離，然后根據測量或者計算出的距離采取解決問題的措施。對于超聲波的發射與接收，本系統用超聲波測距模塊，此模塊將超聲波接收器與發射器設置在同一個電路上，避免了超聲波接收器與發射器不在一起而引起的測量不穩定的問題；測量環境溫度的主要原因是由于超聲波在空氣中傳播的時候受溫度的影響比較大，本系統中利用溫度補償法解決了此問題，提高了系統的精確度；與數碼管顯示不同的是，液晶顯示屏可以顯示多行，不僅顯示計算出來的距離，還可以顯示對超聲波影響較大的溫度因素，用LCD液晶顯示屏豐富了系統的整體功能；蜂鳴器報警模塊則是設置一個警戒值，小于警戒值系統就會報警，提醒駕駛員注意安全。示意圖如圖31。（3) 控制、復用和選通——第30腳，該引腳是地址鎖存允許信號和編程脈沖輸入端信號。在兩種情況下P2口可作為高8位的地址總線，一種情況是單片機對存儲器訪問時，另一種情況是當對片內的程序存儲器（EPROM型）程序編程及校驗時使用。s的TTL脈沖輸出響應信號與傳播距離成正比的邏輯電平信號規格尺寸45*20*15mm 超聲波時序圖圖33 超聲波時序圖從上圖可以看出，當外部提供不小于的TTL信號時，超聲波發射模塊將依次發射8個40KHz的脈沖信號，遇到障礙物后信號反射回來，被接收模塊接收到并給出電平響應，相應電平輸出正比于測量的寬度。 液晶顯示器的優點（1）低功耗液晶顯示器的功耗主要體現在兩部分，一是內部的電極，二是內部的驅動，其他的顯示器則沒有此優點，大大的節省了能源的消耗；（2）數字式接口數字式的接口是液晶顯示屏最為重要的優點，液晶顯示器通過數字式的接口連接到與單片機上，這一優點使得系統安全可靠，操作更加方便；（3）顯示清晰液晶顯示屏的顯示十分清晰，與其他顯示器額區別是，當液晶顯示器收到需要顯示的信號時，顯示屏上的任何一點會保持一定的色彩和亮度，不像其他顯示器，例如陰極射線管顯示器，需要系統不斷的刷新實現顯示功能；（4）重量輕液晶顯示器之所以比其他顯示器輕，是因為它是通過電極來控制液晶分子的狀態，最終實現顯示功能； 液晶顯示器的優點液晶顯示器利用液晶的物理特性實現顯示功能的，如果系統上電，那么電壓就會對液晶顯示屏控制，從而實現顯示功能。 PL2303引腳PL2303引腳圖如圖36所示：圖36 PL2303引腳圖芯片PL2303上的28個引腳功能如表34所示:表34 PL2303各個引腳說明引腳號引腳名類型引腳描述1TXD輸出數據輸出到串口2DTR_N輸出數據終端準備好，低電平有效3RST_N輸出發送請求，低電平有效4VDD_325電源RS232的電源，為串行端口信號的電源引腳；，；，5RXD輸入串口數據輸入6RI_N輸入/輸出串行端口（環指示器）7GND電源接地8NC無連接9DSR_N輸入/輸出串行端口(數據集就緒)10DCD_N輸入/輸出串行端口(數據載波檢測)11CTS_N輸入/輸出串行端口(清除發送)12SHTD_N輸出控制RS232收發器關機13EE_CLK輸入/輸出串行EEPROM時鐘14EE_DATA輸入/輸出串行EEPROM數據15DP輸入/輸出USB端口D+信號16DM輸入/輸出USB端口D信號17VO_3318GND接地19NC無連接20VDD_5電源USB端口的5V電壓電源21GND接地22GP0輸入/輸出通用I/O引腳023GP1輸入/輸出通用I/O引腳124NC無連接25GND_A模擬地鎖相環26PLL_TEST輸入PLL 鎖相環測試模式控制27OSC1輸入晶體振蕩器輸入28OSC2輸入/輸出晶體振蕩器輸出第4章 系統硬件設計系統以STC89C52RC為整個系統的核心，控制著超聲波倒車雷達系統的各個模塊的正常運行，超聲波的發射與接收模塊，可以比喻成單片機與障礙物之間的“信號員”；測溫和蜂鳴器報警電路則是輔助系統的完善性模塊，LCD液晶屏顯示模塊更加人性化顯示算出的距離和環境溫度；它們與復位電路、電源電路等組成了完整的超聲波倒車雷達測距系統，整個系統的結構圖如圖41所示。根據運放器虛短虛斷原理，一級放大電路放大倍數為倍（增益為dB），二級放大電路放大倍數為倍（增益為dB），總的放大倍數為10010=1000倍（增益為40+20=60dB）。顯示電路原理圖如圖46所示。圖49 通信模塊電路原理圖第5章 軟件設計 主程序設計在整個主程序中，系統首先初始化，單片機的端口輸出信號用來激活超聲波發射電路，此時定時器開始計時，然后系統調用溫度轉換程序，獲得當前環境溫度，當超聲波接收模塊接收到反射回的超聲波時，停止計時，程序調用距離計算子程序和顯示子程序，LCD液晶顯示器顯示測得的溫度和所計算出的距離，并且比較所測量的距離和系統設定的報警值，則蜂鳴器報警，否則不報警。//算出來是mm if((S=7000)||flag==1) //超出測量范圍顯示“” { flag=0。39。 DisplayOneChar(15,1,39。 DisplayOneChar(11,1,39。)。 //算出指令碼 WriteCommandLCD(X, 0)。 限制X不能大于15，Y不能大于1 while (DData[ListLength]=0x20){ //若到達字串尾則退出 if (X = 0xF){ //X坐標應小于0xF DisplayOneChar(X, Y, DData[ListLength])。TX=0。在頭文件中有延時函數、DS18B20初始化函數、讀寫一位字節函數、獲得溫度函數tmp（）、發送溫度轉化命令函數tmpchange（）等。//發送讀取數據命令a=tmpread()。圖54 獲得溫度流程圖第6章 測量結果與誤差分析 測量結果表61 誤差數值表(環境溫度24℃)實際距離（m）測量距離（m）平均誤差(m) 誤差分析傳感器是目前使用較為普遍的傳感器之一，主要應用的領域是利用超聲波定位、測距防撞、測量海底地貌、交通測速等多種方面。如果系統靈敏度較低，可能會對測量距離有影響，因為反射信號的強度值與超波的距離平方成比例關系，而如果系統靈敏度設置較高的話，就會有可能無法正確分辨噪聲信號和反射信號，從而將不必要的噪聲誤差帶入系統，降低系統準確率。（3）提高計時精度，減少時間量化誤差。本設計所設計的汽車倒車雷達系統的測距精度能達到mm級的精度，能夠較精確的進行距離的測量，并且在利用了超聲波集成模塊后整個系統的調試、控制都很方便，測距的范圍可以在4cm～4m之間，測距穩定，可以達到設計要求。首先要感謝我的指導老師——韓老師，她是一位治學嚴謹，學識淵博，思想深邃的老師，在大學期間，韓老師的工作認真負責的態度對我的影響最深，非常感謝韓雁老師在我大學的最后學習階段——畢業設計階段給自己的指導，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，她都給了我耐心的指導和無私的幫助。時間的倉促及自身專業水平的不足，整篇論文肯定存在尚未發現的缺點和錯誤。 void Delay5Ms(void)。sbit SPK = P1^5。339。739。char ltemp。 while(TempCyc)。 LCD_E = 0。 LCD_RS = 1。 LCD_RW = 0。 Delay5Ms()。 //顯示開及光標設置}/***********按指定位置顯示一個字符***********************/ void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData){ Y amp。 //這里不檢測忙信號，發送地址碼 WriteDataLCD(DData)。 //顯示單個字符 ListLength++。39。 DisplayOneChar(13, 1,39。)。)。 //中斷溢出標志}void StartModule() //啟動模塊{ TX=1。 _nop_()。 _nop_()。}void main(void){ unsigned char i。i++) Delay400M