超声波测距的语音提示倒车报警系统设计Word文档下载推荐.docx
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对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。
对超声波接发收电路和语音提示电路的设计，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。
对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。
论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。
最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。
关键词：
超声波；
单片机；
语音提示
Ultrasonicranging'
svoicepromptback-draftalarmsystem'
sdesign
Name:
wangjianboDirector:
mashiping
（Dept.ofScience&
Engineering，ZhejiangNormalUniversityXingzhiCollege，no.07226140）
Abstract:
Isdaybydayprosperousalongwithsocialeconomy'
sdevelopmenttransportationshippingindustry,automobile'
squantityclimbsinthefirstmate.Thetrafficcongestionconditiondaybydayisalsoserious,thecollisioneventoccurredrepeatedly,hascausedtheinevitablepersoncasualtiesandtheeconomicloss,inviewofthiskindofsituation,designedonekindtorespondquickly,thereliabilitywashigh,andthemoreeconomicalautomobileanti-collisionearlywarningsystemwasimperative,theultrasonicwaverangefindingwasthemostcommononedistancerangefindermethod,thisarticleintroducesisusestheultrasonicwaverangefindingdesignonekindofback-draftanti-collisionalarmsystem.<
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Keywords:
ultrasonic;
SCM;
speech
1引言
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，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，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。
超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。
随着现代社会工业化进程的发展，汽车这一交通工具为越来越多的人所用，但是随之而来的问题也显而易见，那就是随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。
对于公路交通事故的分析表明，80%意思的车祸是由于驾驶员反应不及所引起的，超过65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。
奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明:
若驾驶员能够提早1s意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免的。
因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和错误判断，对于提高交通安全将起到重要的作用。
显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。
1.1超声波测距国内外研究现状、发展动态
国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结出许多新的测量原理。
从国外测距仪表发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术已广泛应用且普遍采用电子设计自动化（EDA）[1]、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术等。
呈现出智能化测距仪、非接触测量方式的测距仪、新原理的小型测距仪[2]。
采用超声波作为测量大气中的地面距离是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，我国目前普遍使用的是卷尺测量技术，不仅落后，使用不方便，而且精度低、费时。
一些比较先进的长度测量仪器，如激光测距仪、微波测距仪、雷达测距仪等，虽然它们的精度和分辨率高，具有较强的适用性和抗干扰能力，但造价较高，多数用于军事领域[3]。
中国测试技术研究所李茂山在《超声波测距原理及实践技术》[4]中详细地阐述了超声波的测距原理，并给出了实现超声波测距的具体框图，并讨论了影响超声波测距精度的几种原因。
作者分析，利用超声波测距是立足于声速在既定的均匀媒介中，传播速度有一恒定数值且不随声波频率变化，超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来，若要求测距误差小于0.01m，那么测量时间的误差必须小于30µ
s。
因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测量精度。
1998年，李忠杰在《数字式超声波位移测量仪的研究》[5]一文中介绍了这种数字式超声波位移测量仪的结构、工作原理和功能。
其数据处理借助于单片机，给出了程序框图，对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说明，并列出了部分仪表的实测数据，且分析了误差产生的原因。
中国科学院上海声学实验室的王润田在《双频超声波测距》[6]一文中提出，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样在较大的范围内实现较高的测距精度。
南昌航空工业学院的江泽涛在《温度对液体中超声波速度的影响》[7]一文中详细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度、液体压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系。
进而研究温度对声速的影响，用实验测量了不同液体成分下声速同温度的关系。
1.2超声波检测发展综述
高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。
设计和工艺人员理应了解：
非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。
当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。
现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过：
“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。
没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。
”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。
我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。
超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。
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。
1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。
从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。
随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。
如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。
七十年代，英国C.N.S公司推出仅有3.5Kg重的PUNDIT便携式超声仪。
1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。
该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。
同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。
从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。
超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。
目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。
此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。
国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。
对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。
目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。
超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。
由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。
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。
另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。
这些处理方法都取得了较好的效果。
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、METEC公司，加拿大的R/DTECH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，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。
其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。
与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，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。
2超声波测距的相关技术介绍和分析
2.1超声波测距的原理
超声波是一种频率超过20KHz的机械波。
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:
反射、折射、干涉、衍射、散射。
超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面超声波的大部分能量会反射[2]。
声的传播是沿一定路径，有一定方向的。
声波传播时的这一特性，称为指向性。
声波传播的方向则称为波线。
由于超声波的频率比一般可听见的声波要高得多，在传声介质和声速相同的情况下，它的波长要小得多。
因此，超声波比一般声波的指向性要强得多，只需要用稍大一些的声源（例如直径毫米的晶体片）就可以将它的能量集中在一个方向发射出去了。
由于超声波比一般声波的指向性要强，所以它的反射和折射特性也要比一般声波明显得多。
超声波发生器内部结构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本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。
图2-1超声波发生器内部结构
在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法：
①取输出脉冲的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；
②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=vt/2。
本测量电路采用第二种方案。
由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
2.2超声波测距的精度分析
2.2.1温度对声速的影响
在超声波测距系统中，影响测量精度的因素很多，包括现场环境干扰、时基脉冲频率等。
但环境温度对声速的影响最大，从超声波声速经验公式C=331.45+0.607T可以看出，在0～40
时，声速变化范围为331.4m/s～354.85m/s。
以超声波在20
的室温条件下的声速343.32m/s为基准，其变化率为6.83%[8]。
所以温度的影响不能忽略不计，必须要对温度进行测量和补偿，以避免温度对测量精度的影响。
声速与环境温度T（
）的关系如式（2-1）所示:
C=331.4+0.607×
T（2-1）
表1-1列出了几种不同温度下的超声波声速。
在使用时，如果温度变化不大，声速基本不变。
如果测距精度要求很高，当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响，通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后，只有测得超声波的往返时间，即可求得距离。
表2-1不同温度下超声波声速表
温度/
-30
-20
-10
10
20
30
100
声速m/s
313
319
325
323
338
344
349
386
2.2.2回波检测对时间的影响
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。
图2-2测距原理示意图
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，这一点有利于测量精度提高。
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（万倍级）和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。
2.2.3发射和反射之间夹角对测距的影响
假设发射与反射之间的夹角为
，v为超声波传播速度，t为传播时间，即超声波从发射到接收所用的时间，两传感器之间的距离为h，超声波单程所走的距离用L表示，被测距离用H表示。
则
，
。
当
时，
[11]。
所以应合理放置两传感器，在相互影响较小的情况下分两种情况计算被测距离。
3系统硬件的介绍
3.1单片机的介绍
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图3-1AT89C51单片机芯片
3.2LCD1602液晶
3.2.1LCD1602主要技术参数：
显示容量:
16×
2个字符芯片工作电压:
4.5—5.5V工作电流:
2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压:
5.0V字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm
图3-21602液晶引脚图
3.2.2LCD1602引脚功能
表3-11602液晶引脚说明
引脚
符号
功能说明
1
VCC
一般接地
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
2
VDD
接电源（+5V）
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高
11
DB4
底4位三态、双向数据总线4位
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
12
DB5
底4位三态、双向数据总线5位
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
13
DB6
底4位三态、双向数据总线6位
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）
15
BLA
背光电源正极
8
DB1
底4位三态、双向数据总线位
16
BLK
背光电源负极
3.374LS04芯片的介绍
74LS06是六路反相驱动器
图3-374LS04的逻辑图
3.4CX20106的介绍
图3-4CX20106内部结构与管脚图
CX20106A的引脚注释：
l脚：
超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚：
该脚与GND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R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但C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R=4.7Ω，C=3.3μF。
3脚：
该脚与GND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3.3μF。
4脚：
接地端。
5脚：
该脚与电源端VCC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=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。
6脚：
该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚：
遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。
8脚：
电源正极，4.5V～5V。
CX20106A红外线遥控接收前置放大电路，多适用于电视机。
内部电路由前置放大器，自动偏置电平控制电路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。
CX2
升级会员 