超声波倒车系统毕业设计Word格式.docx

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超声波发射模块中采用555定时器构成的时基电路，接收电路使用两级运算放大器，再将信号进行比较，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，并且增益可调，与传统超声波检波电路相比，电路变得精简，调试变得相对容易。

测距器使用LCD显示目标物的距离。

关键词：

超声波、测距、AT89C52、倒车

Abstract：

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofautomobileindustryandthecontinuousimprovementofpeople'

slivingstandard,China'

snumberofcarsisincreasingeveryyear.DrivinginCentralAfricaatthesametimeprofessionalstaffoftheproportionofcardriversisalsoincreasingyearbyyear.Highways,streets,parking,garageandothercrowdedplacesnarrowreverse,thedrivershouldnotonlyforwardbutalsolookingback,alittlerear-endcarelessaccidentscanoccur.Accordingtorelatedstatistics,15%ofmotorvehiclecollisionswhenthevehicleisreversing,asthecapacityofthelattercausedbybad.Soaftertheincreaseofmotorvehiclesastheabilitytodetectobstaclesonthedevelopmentoftherearofthecarreversingradarhasbecometheresearchhotspotinrecentyears.Securitytoavoidobstaclesonthepremisethattherapidandaccuratemeasurementofobstructionsandthedistancebetweenmotorvehicles.Tothisend,thedesignofasingle-chipmicrocomputerasthecore,theuseofultrasonicrangingtoachievenon-contactreversingradarsystem.Generallyreferstoultrasonicfrequenciesabove20kHzmechanicalwaves,withpenetrating,andattenuationofsmall,reflectingtheabilityandsoon.Work,theultrasonictransmittercontinuouslyemitsaseriesofconsecutivepulsestothemeasurementoflogiccircuitstoprovideashortpulse.Finally,signalprocessingdevicesbasedonthereceivedsignalforprocessingthetimedifference,automaticcalculationofturnoutandthedistancebetweenobstacles.UltrasonicRangingsimple,lowcost,easyproduction,butthetransmissionspeedbyalargerweathercannotbepreciserange;

Inaddition,theultrasonicenergyandtheattenuationisdirectlyproportionaltothesquareofthedistance,thefartherthedistance,thelowersensitivityandthusUltrasonicRangingwaysothatonlyapplytoashorterdistance.Atpresent,ultrasonicrangefinderathomeandabroadingeneral,theidealdistanceofthemeasurement4~5m,thusreversingradarareusedincars,suchascloserangeinthispaper,accordingtothespreadofsoundwavesinairreflectiontoultrasonictransducerinterfacecomponents,basedonMCUAT89C52ultrasonicrange-finder.Designedbytheultrasonictransmittermodule,receivermodule,single-chipprocessingmodule,adigitaldisplayandalarmsoundandlightdisplaymodule,suchasparts,thetextindetailtherangeofhardwaredevices,detectiontheory,methodsandsoftwarearchitecture.Theuseofultrasonictransmittermoduleconsistingof555time-basetimercircuit,receivingcircuitusingtheSONYcompanydedicatedCX20106Ainfrareddetectingchip,thechipusedinthedetectorcircuit38kHz,thetextofthechipthroughthecarefulanalysisoftheinternalcircuitdesigncansuccessfully40kHzultrasonicdetectionofhardwarecircuitryandadjustablegain,andcomparedtoconventionalultrasonicdetectioncircuit,thecircuithasbecomestreamlinedandeasiertodebug.Theuseofdigitalrangefinderdisplaythedistancebetweenobjects.

Keywords:

AT89C52;

SilentWave;

MeasureDistance;

Reversing

绪论

1.1选题背景

随着科技发展的不断进步，自动测量的技术不断更新，非接触式测量技术也有了长足的发展。

在很多工控场合，测量的物体是不能够直接接触到的，或者是测量物体不宜直接接触,这个时候就要用到非接触式的测量仪器。

自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，从此超声波技术得到广泛运用，而在超声波测量领域，尤其是在测距领域，结合各种其他技术的应用，超声波测量变得十分普及。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,传播速度仅为光波的百万分之一,纵向分辨率较高.超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感,因此超声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力,在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别等方面有着广泛的运用。

由于超声传播不易受干扰,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量.本文以超声波理论为依据，给出日常生活中可以方便使用的非接触式超声波测距装置的设计过程。

1.2设计目的

由于超声波在空气中波速较慢，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

因此超声测距广泛应用于倒车雷达、物体识别等方面，特别是应用于空气测距。

超声波测距利用声波反射原理，避免传感器直接与介质接触，是一种传统而实用的非接触测量方法。

与红外、激光及无线电测距相比，它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性。

在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响和指向性强的优点，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低。

但由于超声波传播时难于精确捕捉，温度对声速影响等原因，使超声测距的精度受到很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用。

1.3设计的意义

随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。

还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。

于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。

而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。

超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。

目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。

在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。

此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。

1.4目前国内外的研究现状

超声波是指频率在20kHz～106kHz的机械波,波速一般为1500m/s,波长为0.01cm～10cm。

超声波的波长远大于分子尺寸,说明超声波本身不能直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用影响分子,所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。

超声波既是一种波动形式,又是一种能量形式,在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。

超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。

随着科学技术的发展,相关技术领域相互渗透,使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。

超声波作为一种特殊的能量输入方式,所具有的高效能在材料化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用。

仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说就是其他方法所望尘莫及的,更不用说超声波定量控制的效果了。

近年来,随着超声波技术的日益发展与成熟,其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等领域都得到了广泛的应用。

在材料合成中,尤其是纳米材料的制备中,超声波技术有着极大的潜力。

通过超声波方法制备纳米材料,达到了目前我们采用激光、紫外线照射和热电作用所无法实现的目标,具有很好的前景

1.5超声波的特性及作用原理

与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短,在传播过程中具有许多特性:

a、方向性好。

由于超声波的功率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以超声波的传播方向好。

b、能量大。

超声波在介质中传播时,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。

因此,它比普通声波具有大得多的能量。

c、穿透能力强。

超声波虽然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。

在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。

d、引起空化作用。

在液体中传播时,超声波与声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。

在声波压缩阶段,空穴被压缩直至·

崩溃。

在空穴崩溃时产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。

超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的通用技术之一。

目前,超声技术的应用已经深入到社会生活的各个领域。

超声技术是通过声波的产生、传播及接收的物理过程而完成的,它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开的。

1.6发展历史

一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。

在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。

在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。

法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。

他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信[4]。

1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议[5]。

相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。

4年之后，1934年sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。

德国人Bergrnann在他的论著《uLTRAsoNIC》中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作[6]。

美国的Firestone[7]和英国的sProulels]首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。

在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。

这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。

目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。

HuaHong，wangYonghan[9]阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。

该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。

文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。

实验结果表明，该系统在15m的测距精度可达到lmm。

中国测试技术研究所的李茂山在《超声波测距原理及实践技术》[0]中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件，测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原理。

文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素，给出了超声波测距的框图。

作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。

浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统[川。

作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计，硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89C2051单片机控制电路等。

作者还分析了造成料位测量误差的几点原因，并给出了几种方法来减少测量误差。

比如:

在计数电路设计中，采用了“延迟接收，信号分离”的技术和相关计数法减小了计数误差，对于声速的测量误差，使用温度补偿法，在软件设计中采用了查表的方法，由单片机实现自动补偿校正。

文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。

声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用，超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。

中国海洋大学的曹玉华在《超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用}）[2]提出了采用温度补偿的方法测量声速，来提高超声波测距精度。

文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20测量环境温度，用以温度补偿以修正超声波速度，来减小温度变化对距离测量精度的影响。

该超声波测距装置在1.5m的测量范围内，测量误差小于5cm。

山东科技大学的王红梅在《高分辨力超声测距系统的研究））[3]中研究了己有超声波测距系统的优缺点，采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度，并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。

为了提高仪器的分辨力，还采用了若干方法来减小随机误差。

本文所设计的超声波测距系统在测量范围1cm一10cm，精度可达到0.5%，分辨率优于0.1mm。

第二章方案论证

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、管道长度等场合。

目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。

本文介绍一种以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

实际使用证明该仪器工作稳定，性能良好。

2.1超声波的定义

波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。

声波是一种弹性机械波。

人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz一20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波[4]。

在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。

2.2超声波的物理特性

当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波;

另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2.1所示，图中L为入射波，S1为反射横波，L1为反射纵波，L2为折射纵波，S2为折射横波[15]。

这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。

除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。

因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。

在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。

描述简谐声波向X正方向传播的质点位移运动可表示为:

（2.1）

（2.2）

式中，A（x）为振幅即质点的位移，为常数，

为角频率，t为时间，x为传播距离，

为波数，

为波长，

为衰减系数。

衰减系数与声波所在介质和频率关系:

（2.3）

式（2.3）中

为介质常数

为振动频率。

2.2.1超声波的衰减

从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面[16]:

（l）由声速扩展引起的衰减

在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。

（2）由散射引起的衰减

由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。

被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。

（3）由介质的吸收引起的衰减

超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。

同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。

扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。

对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p（衰减系数）表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。

因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表:

（2.4）

式中：

：

热传导系数

超声波频率

动力粘滞系数C：

超声波传播速度

定容比热

定压比热

传播介质密度

式（2.4）中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示:

（2.5）

把

代入式（2.5）可得：

（2.6）

由式（2.6）可知:

温度一定时，R、

、T均一定，衰减系数与频率的平方成正比;

频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。

在实际应用中，一般选30-1OOKHz的超声波进行距离测量，比较典型的频率为4OKHz，本系统就选用频率f=4OKHz的超声波的传感器。

2.2.2超声波的波型

由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，这就可产生不同类型的声波，超声波的波型主要有以下几种[7]:

（l）纵波

当介质中的质