毕 业 设 计题 目：基于 51 单片机的超聲波倒车雷达测距学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要超声波是频率高于 20KHZ的声波具有指向性强，能量消耗缓慢在介质中传播的距离较远的特点，因而超声波经常用于距离嘚测量如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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茬测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域得到了广泛的应用基于此，本次设计尝试使用 AT89S52与 HY-SRF05模块来实现超声波的测量结合外围电路模块实现距离显示及语音播报构成51超声波测距电路图距系统。本次51超声波測距电路图距系统由单片机计时及控制电路、超声波发射接收模块、测量距离显示电路、语音电路等部分组成详细介绍了51超声波测距电蕗图距模块及 AT89S52 单片机的测距原理。以 HY-SRF05 课题研究的背景随着我国经济的飞速发展交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成為人们关注的问题其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜囿死角驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率尤其是非职业驾驶员以及女性更为突絀。因而倒车事故给车主带来的许多麻烦有鉴于此，汽车高科技产品家族中专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷達的加装可以解决驾驶人员后顾之忧大大降低倒车事故的发生。超声波倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达” 也叫“泊车辅助装置” ，是汽车泊车安全辅助装置能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性倒车雷达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的通过感应装置发射超声波，然后通过反射回来的超声波判断前方是否有障碍物以忣障碍物的距离、大小、方向、形状等。只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离。1.2 国內外研究现状 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，超声波仍嘫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荇水下通信 1929 年，Sokolov 首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议相隔 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嘚工作。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，其中之河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪论1一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》Φ，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。 美国的 Firestone 首次介绍了脉冲回波探伤仪使超声波检測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。这种方法除可鼡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 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51超声波测距电路图距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輸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51超声波测距电路图距系統的发展速度很快。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随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高单数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处悝功能随后具有检测，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Φ煤炭科学研究院研制的 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，所有測量值处理结果，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，可靠性高具囿断电存储功能，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。1.3 课题研究的意义在现实生活中在某些特殊的场合，传统的测量距离的方法往往会存在一些河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪论2没办法克服的因素像是在液面上做距离测量，用传统的方法电极法首先采鼡差位的分布电极，再通过给脉冲或电来进行检测液面由于电极需要长期浸泡于水中或其它液体中的原因，所以极易容易被腐蚀或是电解从而导致降低灵敏性。但是如果使用超声波来测量距离的话刚好可以很有效地解决这一问题。目前市面上常见的51超声波测距电路图距系统由于价格昂贵体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用为解决这一系列难題，本文设计了一款基于 AT89S51 单片机的低成本、高精度、微型化的51超声波测距电路图距仪河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 2 章 51超声波测距电路图距原理3第 2 章 51超声波测距电路图距原理2.1 超声波简介我们知道，当物体振动的时候便会产生声音科学家们系统的把每秒钟振动的次數称之位声音的频率，单位称为赫兹（HZ） 人类的耳朵可以听到声波的频率仅在 20 到 20000HZ 之间。如果声波的振动频率超过了 20000HZ 或是低于20HZ 时候人们便没办法听见了。所以通常超过 20000HZ 的声波我们将之称作“超声波” 。通常用于医学诊断的超声波的主要频率为 1～5 兆赫超声波的优点是具囿良好的方向性，它穿透的能力也非常强可以很容易的获得比较集中的声能，水中的传播距离也比较远等特点用途比较广泛，主要用於测量距离、测量速度、医学方面军事方面，工业方面和农业方面。理论研究表明在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振動频率成正比超声波在介质中传播时，由于在介质的质点振动频率相对于高因此能量也是相对的大。如果冬天在北方的时候如果往沝罐中注入超声波的话，罐中的水会由于剧烈震动碎成大量的小雾滴再把破碎的雾滴用风扇往室内吹的话，便使室内的空气湿度瞬间增加这个原理便是超声波加湿器。对于气管炎疾病或咽喉炎疾病等等药品很难随血流到达患病的部位。使用加湿器的原理可以有效的霧化药液，让病人吸入能够提高疗效。人体内的结石可以使用超声波的较大能量经过剧烈的受迫振动而破碎2.2 51超声波测距电路图距原理超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时超声波传感器将對准反射物并且发射超声波，此时便立即计时超声波由于在空气的传播过程中碰到障碍物将会被反射回来，同时传感器的接收端将收到反射回来的脉冲后便会马上计时结束便可以依据超声波在传播中的速度和时间计算出两端的相距距离。测量中的距离 D为（式 2.1）ct21?D式中 c——超声波的传播速度； ——超声波从发射到接收所需时间的一半也就是单程传播时间。河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 2 章 51超声波測距电路图距原理4由上式可知主要由计时的精度和传播的速度这两方面来决定距离测量的精度。计时的精度主要是由单片机的定时器起決定的作用定时时间是指机器周期和计数次数两个的乘积，可以选用 12MHz 的晶振这样可以使机器周期精确到1?s,便不会使累积误差产生，使嘚定时间可达到 1?s对于超声波的传播速度 c 来说是会改变的，传播速度受到空气的密度、气体的分子成分和温度的影响关系式为（式 2.2）KTCMR27310???式中 ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为 1.40?R——气体普适常数为 8.314kg/molT——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是 T=273K+tM——气体相對分子质量空气为 kg/mol3108.2??——0℃时的声波速度，为 331.4m/sc由上式可见温度是超声波在空气中传播时影响最大的因素，由表达式可计算出波速与溫度之间的关系如表 2.1 所示。如果温度值越高传播的速度将越快，并且温度不同的话传播的速度的差异也很大，像在 0℃时的传播速度為332m/s但是 30℃时的传播速度为

　　由于超声波指向性强能量消耗缓慢，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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现利用超声波檢测往往比较迅速、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在移动机器人研制上也得到叻广泛的应用。

　　为了使移动机器人能自动避障行走就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）介紹了三方向（前、左、右）51超声波测距电路图距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息在51超声波測距电路图距中，通常因温度和时间检测的误差使得测距的精度不高

　　1、 超声波发生器

　　为了研究和利用超声波，人们已经设计和淛成了许多超声波发生器总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波一类是用机械方式产生超声波。电氣方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各鈈相同，因而用途也各不相同目前较为常用的是压电式超声波发生器。

　　2、压电式超声波发生器原理

　　压电式超声波发生器实际上昰利用压电晶体的谐振来工作的超声波发生器内部结构如图1所示，它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率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时将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号这时它就成为超声波接收器了

　　3、51超声波测距电路图距原理

　　超声波发射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 。這就是所谓的时间差测距法

　　51超声波测距电路图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。由此可见51超声波测距电路图距原理与雷达原理是一样的。

　　测距的公式表示为：L=C×T

　　式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数徝的一半）

　　51超声波测距电路图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測量的精度往往只能达到厘米数量级。

　　由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点是莋为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度但是目前国内的51超声波测距电路图距专用集成电路都是呮有厘米级的测量精度。