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1、 2013 届学士学位论文 超声波倒车雷达的设计 学院、专业 研 究 方 向 超声波测距 学 生 姓 名 学 号 指导教师姓名 指导教师职称 副教授 2013 年 4 月 26 日 超声波倒车雷达的设计 摘要 论文介绍了一种超声波倒车雷达即一套能够实时告知驾驶员车后障碍 物情况的辅助倒车装置。 论文叙述了选题的背景、意义以及超声波倒车雷达的发展概况；提出了单片 机控制的超声波倒车测距系统的设计方案。论文介绍了多种测距方式、显示方式 并分析了各种方式的优缺点 。从系统的性能需求、实用要求出发，对系统组成、 检测原理和方法作出选择并对软硬件进行了设计。文章概述了超声波测距的基本 原理以及影响因素；

7、倒车雷达的发展.1 2 2 方案选择方案选择 .3 3 2.1 告警提示方式和测距方式选择.3 2.2 系统总体方案确定.6 2.3 系统方案存在的问题.7 3 3 超声波倒车雷达的工作原理超声波倒车雷达的工作原理.8 8 3.1 超声波的基本性质.8 3.2 超声波传感器.9 3.3 超声波测距原理.9 3.4 超声波测距误差分析.9 4 硬件电路设计 4.1 单片机最小系统设计.12 4.2 温度模块补偿模块设计.13 4.3 超声波发送电路设计 .14 4.4 超声波接收电路设计 .15 4.5 距离显示电路.16 4.6 告警提示电路 .17 5 5 系统软件设计系统软件设计 .181

8、8 结结论论.2121 参考文献参考文献.2222 附录附录 A A 程序程序 .2222 致致 谢谢.2929 1 绪论 1.1 选题意义 随着社会的发展，汽车已经走进了千家万户。作为一种日渐普遍的交通工具， 怎样使它用起来更方便、安全已经成为人们考虑的主要问题。倒车时为了确保安 全，驾驶员不得不为看清车后的情况而前瞻后顾 。而这样做又不仅非常吃力麻烦， 也不能完全消除倒车给人生安全带来的隐患。鉴于目前汽车的倒车不便，出于对 人生安全的考虑，人们希望能使自己的汽车有“后视”的功能，于是各种辅助倒 车的装置便应运而生。一时间，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达 也成为 近些年来的研究热点。 目前

9、用于辅助司机倒车的装置主要有：语音告警装置、 后视系统以及倒车雷达等1。各种辅助倒车装置可以说是千差万别，各有千秋， 而其中又以后视系统最为先进，它可以帮助司机直观的看到车后的障碍物，消除 视觉盲区。然而其昂贵的视频捕捉装置和视频播放装置阻碍了它的推广。 目前大范围使用的是超声波倒车雷达。它是一种汽车到车安全辅助装置，它 以超声波的方式探测车后的障碍物情况并以声音或者更为直观的显示告知驾驶员 汽车周围的障碍物情况，帮助驾驶员扫除视野死角，提高驾驶的安全性。超声波 倒车雷达以其廉价而实用从而得到了广泛的使用。 1.2 倒车雷达的发展 就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。国

10、内倒 车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。因为它实用性强， 技术成熟，所以发展很快，从第一代经过短短几年时间便发展到第六代。技术上 从纯电路模式到使用高速处理器，从单纯鸣蜂器报警到显示器显示，语音报警。 性能上，向灵敏度更高、稳定性更强、可视化，直观化发展。设备向小型化、人 性化、智能化等方向发展。 (1) 第一代倒车雷达 “倒车请注意”!想必不少人还记得这种声音，它只能算作最早辅助倒车的 一个产品,不能称为倒车雷达,现在只有小部分商用车还在使用。只要驾驶员挂上 倒档,它就会响起， 提醒周围的人注意。这种提醒式的倒车雷达，只能使车后的 人注意到而远离车，对于车后没有生命的障碍

11、物却毫无作用，所以它仍不能使驾 驶员知晓车后的情况，基本上以被淘汰。 （2）第二代倒车雷达 第二代倒车雷达采用蜂鸣器发出不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的 真正开始。倒车时，如果车后一定距离内处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂 鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，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有多远，对驾驶员帮助不大。 (3) 第三代倒车雷达 第三代产品采用数码波段显示,可以及时显示车后的障碍物离车体的距离。 第 2 代产品把数码和波段组合在一起，使得其实用性增强，但安装在车内对车的 美观造成影响。 (4) 第四代倒车雷达 第四代产品是液晶屏显示，

12、这一代产品较以前有一个质的飞跃，特别是液晶 屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，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。其外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上， 安装很方便，给人以舒适的感觉，显示的距离也更准确些。不过液晶显示器外观 虽精巧，但却存在着灵敏度较高，抗干扰能力不强，误报也较多的缺点。 (5) 第五代倒车雷达 第四代产品是魔幻镜倒车雷达，沿袭了前几代产品的优点，采用了最新仿生 超声雷达技术，配以高速微机控制，可全天候准确地测知 2M 以内的障碍物，并 以不同等级的声音和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以不占用车内空 间，直接安装在车内后视镜的位置，而

13、且颜色款式多样，可以按照个人需求和车 内装饰选配，不过价格稍高。 (6) 第六代倒车雷达 第六代产品是整合影音系统，它是专为高档轿车生产的，在上一代产品的基 础上新增了很多功能，它整合了高档轿车的影音系统，可以在显示器上观看 DVD 影像。当然其价格也相当的不菲。 倒车雷达的发展实际上已经融入了整车的设计，随着技术的成熟，价格的降 低，倒车雷达将会逐渐普及成为标准配置。 虽然，如今已有多代的倒车雷达问世，但由于价格的限制，目前广泛用于中 低档车使用的倒车辅助装置集中在第二代以后到第四代以前。设计者在这几代倒 车雷达的基础上，把他们两种或三种相结合，使得设计出的产品廉价而同样具有 完善的倒车辅助

14、功能。 2 方案选择与确定 2.1 告警提示方式和测距方式选择 2.1.1 告警提示方式选择 倒车雷达的作用就是作为倒车辅助装置提示驾驶员车后的障碍物情况，所以， 好的告警提示方式至关重要。目前主要有蜂鸣器提示、数码波段显示、液晶荧屏 显示，魔幻镜显示，音响提示等单个或多种方式相结合的提示方式，下面对这几 种提示方式依次进行分析和比较。 (1) 蜂鸣器提示 车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流变化不同给蜂鸣器不同信号， 轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。此方式没有语音提示，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有多远，对司机帮助不大。 (2) 数码波段显示 数码和波段

15、组合在一起，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3 种颜色来区别：绿色代表安全距离，一般表示障碍物与车体的距离有0.8m以上； 黄色代表警告距离，一般表示与障碍物的距离只有0.60.8m；红色代表危险距 离，一般表示与障碍物之间只有不到0.6m的距离。这种方式比较实用，一目了然， 但没有声响，警示效果不好。 (3) 液晶屏显示 动态显示，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。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也 较多。 (4) 魔幻镜显示，音响提示 其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜 的位置，颜色款式多

16、样。语音提示比较方便，避免驾驶员过度关注显示器，分散 注意力。但需要专业集成芯片，技术上较为复杂。此方案造价较高，比较适合高 档汽车，可以按照个人需求和车内装饰选配。 (5) 声音数码距离显示指示灯 数码管显示距离，声音、指示灯提示，比较实用，直观，方便。通过对预警 提示方式的分析，综合其特点，采用声音、LED数码管和二极管指示灯相结合的 提示方式。 (6) 声音液晶距离显示指示灯 液晶显示距离，声音、指示灯提示，比较美观，实用，直观，方便。 通过对预警提示方式的分析，综合其特点，采用声音、1602液晶和二极管指 示灯相结合的提示方式。 2.1.1 测距方式选择 测距方式对系统测量精度及稳定性

17、都有较大影响。因此选择一种合适的测距 方式对系统的性能至关重要。目前汽车倒车探测器使用的距离测量方式多种多样， 主要有激光测距、红外线测距、CCD摄象机和超声波测距这几种，它们各有优缺 点，下面对它们各自的特点进行详细分析和比较。 (1) 红外线测距 红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，波长为0.751000m。 有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出 红外线。车载传感器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱 及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。但 其由于波长及大小很难准确分辩，因此红外传感器角度分辨率高，而

18、距离分辨率 低。由于红外线人类肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪 的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。但是,它比较容易受到光源和热 源影响。 (2)毫米波方式 毫米波是微波的一个波段，频率在 30300G，相应波长为 110mm。毫米 波电子系统具有如下特性：小天线孔径具有较高的天线增益；高跟踪精度和制导 精度；不易受电子干扰；不受被测物体表面形状、颜色等的影响；对大气紊流、 气涡等具有适应性，并且毫米波雷达的天线也不会因为灰尘等污染而产生较大的 误差；低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小；多目标鉴别性能好；雷达分辨率高； 大气衰减“谐振点”可作保密传输。但其价格昂贵，结构

19、复杂。 (3) 激光测距 激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高 等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可 分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。在汽车测距系统中，非成像式激光雷 达更具有实用价值。同成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等 特点。但由于激光雷达测距仪器工作环境是处于高速运动的车体中，振动大，对 其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考 虑省电、低价、对人眼安全等因素。目前，在汽车上，上述各种激光雷达测距仪 均有应用，但成像式激光雷达还在进一步研究之中。 (4) CCD 摄像机 CC

20、D ( Charge Coupled Device)摄像机即电荷耦合器摄像机，它是一种用来 模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、 光计量准确等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵CCD，可获 得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄 像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得 后视死角信息，以避免倒车撞物。双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。 但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。随着计算机软 硬件性能的提高，最终将得到广泛应用。 (5) 超声波测距 超声波是频

21、率大于20 kHz 的声波，具有方向性强、能量衰减缓慢、在介质 中转播距离远等特点，用于测距计算方法简单，常用于非接触式距离测量，其传 感器种类较多,由于超声波指向性强，在传输过程中能量损耗缓慢，反射能力强， 经常被用于距离的测量。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关 相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用 途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。 由于超声波测距的探测距离较短，主要用于倒车雷达等近距离测距。 超声波测距仪原理简单，有试验表明：使用40kHz的超声波，发射脉冲群含 有8个16个脉冲，具有较好的传播性能2

22、；谐振带宽、波束角可以通过制作工艺 控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干 扰设计；超声波测距系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。但其在高速行驶 的汽车上的应用有一定局限性，这是因为超声波的传输速度受天气影响较大，不 同的天气条件下传播速度不一样；另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波 过于微弱，使得灵敏度下降。故超声波测距常用于在短距离测距，最佳距离为4- 5m，一般应用在汽车倒车防撞系统上。 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化 和集成化。因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、 机械手控制、车辆自动导航

23、、物体识别等方面。特别是在空气测距中，由于空气 中波速较慢，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，因而其准确度也较其它方法高3。 通过对以上几种测距方式的分析比较，可以看出超声波测距方式在短距和低 速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。因此本设计采用超声波测距方式。 2.2 系统总体方案确定 根据以上的分析比较，本论文欲设计一种基于单片机、利用超声波测距的倒 车雷达。本次设计方案采用超声波测距方式，DS1820芯片测温，AT89S52单片机 做处理器，1974年，自美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片微型 计算机4后，单片机有了成熟的

24、发展，因此选用它作为主控芯片处理数据并计算 声速及距离，用1602液晶显示距离，用蜂鸣器、示意指示灯报警。 倒车时倒档启动探测器系统，单片机AT89S52作为主控器，控制DS1820芯片 并处理所测得的温度数据。由软件产生脉冲并由超声波换能器 CSB40T组成的发 射电路发射超声波，同时启动内部定时器T1开始计时。当超声波信号碰到障碍物 时信号立刻返回，经滤波电容，放大器，电压比较器传给单片机的INT0口。如果 INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中 断，关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算结合由所测温度值换算出的声速 值就可以得出车体与障碍物之间的距离。

25、根据计算的车体与障碍物之间的距离值 及其与设定距离值的比较结果给显示电路及提醒电路不同提醒信号，产生不同的 声光效果，引起驾驶人员注意，以便采取相应行动。系统总框图如图1所示。 图1系统总框图 AT89C51 控制模块 超声波发送模 块 超声波接收模 块声光 报警模块 LCD 显示模块 温度测量模块 2.3 系统方案存在的问题 根据以上方案设计的超声波倒车雷达具有诸多好处，但仍有其缺点，在设计 时需要注意。 超声波倒车雷达运用超声波测距原理结合单片机或IC 的智能技术作为一种 具有结构简单、智能判断不受可见光限制等特点的汽车倒车安全辅助装置应用到 了轿车当中，但现有的倒车雷达还仍然存在如下一些

26、问题5： （1） 最大有效探测距离偏小的问题，等到报警后再减速就很紧张，感到 预警时间不充足； 显示滞后性，多数倒车雷达的显示速度因考虑到抗干扰等因素，显示更 新的速度约为0.20 4 s，算上从倒车雷达发现目标到发出警报将需要1-2 s这 时车已经行使了一段距离，这显然存在反应迟钝； 主流产品仅仅是独立的控制单元，无法与汽车数字化信息平台接轨。目前 我国的整车制造厂和汽车电子电器厂几乎没有涉及到汽车电器网络化设计的领域， 选择一个合理的总线实现汽车电器的网络化非常必要6。 超声波倒车雷达的以上缺点基本不会对一般的倒车需求带来影响，而且其成 本较低，有推广的可能性。 3 超声波倒车雷达的工作原

27、理 3.1 超声波的基本性质 声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、 运动所产生的机械振动 以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分 为可闻声波、次声波和超声波，高于 20kHz 的声波称为超声波。 波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质7： （1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现 象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。 在传播中，超声波的速度与声波相同； （2）超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发 射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向 性

28、愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微 小的缺陷或物体； （3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉 冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困 难的)，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器； （4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物 体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子 运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故 可以给出大的功率。 3.2 超声波传感器 超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。 这

29、种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。目前常见的 超声波发射和接收器件的标称频率一般为 40kHz，频率取得太低，外界杂音干 扰较多，太高在传播过程中衰减较大。按作用原理不同，超声波传感器可分为 压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的换能器最为常 用8。在原理上利用压电陶瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。本设 计所用的是超声波换能器 CSB40T。 3.3 超声波测距原理 在超声波探测电路中, 发射端输出一系列脉冲方波, 其宽度为发射超声波与 接收超声波的时间间隔, 被测物距越远, 脉冲宽度越大, 输出脉冲个数与被测距 离成正比。超声波测距的方法有多种

30、, 如相位检测法、声波幅值检测法和往返时 间检测法等9。相位检测法虽然精度高, 但检测范围有限, 不适合用于测量障碍 物与汽车之间的距离；声波幅值检测法则易受反射波的影响。而往返时间检测发 能没有上述缺点，所以本文硬件设计采用超声波往返时间检测法, 其测量原理图 如图2所示。 图2 超声波测距原理图 其原理为: 在超声波发射器两端输入40KHZ 脉冲串, 脉冲信号经过超声波内 部振子, 振荡产生机械波, 并通过空气介质传播到被测面, 由被测面反射到超声 波接收器接收, 在超声波接收器两端, 信号是毫伏级的正弦波信号, 超声波经气 体介质的传播到接收器的时间, 即为往返时间。 超声测距有脉冲回波

31、法、共振法和频差法,其中常用脉冲回波法测距。超声 波测距的原理一般采用渡越时间法 ,其原理是超声传感器发射超声波, 超声波在 空气中传播至障碍物, 经反射后由超声传感器接收反射脉冲, 测量出超声脉冲从 发射到接收的时间, 再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之 间的距离, 即： L=ct/2 (3-1) 式中： L-为超声传感器与被测障碍物之间的距离； v-为超声波在介质(空气)中的传输速率； t-为超声波从发射到接收的时间。 超声波在空气中的传播速度为: 00 ccT T, (3-2) 式中： T-为绝对温度数值, 0 273.15Tk, 0 331.4Cm s。 若要求测距误

32、差小于 0.lm，已知声速 v=344m/s(20时)。显然，直接用秒 表测时间是不现实的。因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，才 能获得实用的测长精度。 对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前 沿的检测。目前使用的方法有信号过零检测，包络检测和脉冲检测等方法。本文 主要用的是脉冲检测法它是一种对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的 方法。这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高。实现的 方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阂值在比较器的输 出端就会产生 40kHz 的方波。利用中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量 出发射到接收到脉

33、冲的时间。 3.4 超声波测距误差分析 根据超声波测距公式（3-1），可知测距的误差是由超声波的温度误差、传 播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 3.4.1 温度误差 由于超声波也是一种声波。其声速C与温度有关。表1列出了几种不同温度下 的声速 温度()2030100 声速（m/s） 表1声速与温度关系 这是超声波的温度效应特性，超声波的传播速度“C”可以用如下公式表示： C331.50.607t（m/s） （3- 3） 式中： t-温度（）。 因此为了使测得的距离相对精确，则应通过温度补偿的方法加以校正。 3.4.

34、2 时间误差 当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽 略声速的传播误差。测距误差st(0.001/344) 0.s 即2.907ms。 在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在 达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的 89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89C51定时器能保 证时间误差在1mm的测量范围内。 对于超声波测距精度要求达到1MM时，就必须把超声波传播的环境温度考虑 进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，

35、温度变化引起 的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100M距离 所引起的测量误差将达到5M，测量1M误差将达到5MM。 超声波遇到障碍物后，一部分会反来，那么，通过计算发射出超声波到接收 到回波之间的时差，还有音速，就能算出障碍物的距离。 4 硬件电路设计 系统硬件电路主要包括：单片机最小系统，温度检测模块，超声波发送模块， 超声波接收模块，液晶距离显示模块，发光二极管蜂鸣器告警模块。现一一叙述 如下： 4.1 单片机最小系统设计 AT89S52 是一种低功耗、高性能的 8 位微控制器，具有 8K 字节 Flash E2PROM，256 字节 RAM，32 位 I

36、/O 口，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数 器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， AT89S52 支持 2 种软件可选择节电模式：空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM 内容被保 存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止10。 其为 Atmel

37、3） ，每一条 I/O 线都能独 立地作输出或输入。 单片机的最小系统如下图所示,18 引脚和 19 引脚接时钟电路,XTAL1 接外部晶 振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2 接外部晶振和 微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出.第 9 引脚为复位输入端,接 上电容,电阻及开关后够上电复位电路,20 引脚为接地端,40 引脚为电源端. 如 图 3 所示 图 3 最小系统 4.2 温度模块补偿模块设计 由于超声波的传播速度 V 受到空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，其 中温度的影响最为突出，温度每升高 1，速度增加约 0.6m/s。因此在测量精度 要

38、求很高的场合，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正，以提高测量精 度，减小误差。 目前，大多数温度测控系统在检测温度时，都采用温度传感器将温度转化为 电量，经信号放大电路放大到适当的范围，再由 A/D 转换器转换成数字量来完成。 这种电路结构复杂，调试繁杂，精度易受元器件参数的影响。为此，利用一线性 数字温度计即集成温度传感器 DS18B20 和单片机，构成一个高精度的数字温度检 测系统。DS18B20 数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直 接读出被测温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现 912 位的 A/D 转换。因而，使用 DS18B20 可使系统结构更简

39、单，同时可靠性更高。温度测 量范围从-55+125，在-10+85检测误差不超过 0.5，而在整个温度测量 范围内具有2的测量精度。本设计温度测量选用 DALLAS 公司的 DS18B20 数字 式温度传感器，独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式 温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电电源范围为 3.0V 至 5.5V 无需 备用电源。它通过输出 9 位（二进制）数字来直接表示所测量的温度值，温度值 是通过 DS18B20 的数据总线直接输入 CPU,无需 A/D 转换，而且读写指令，温度转 换指令都是通过数据总线传入 DS18B20。DS18B20 数字温度传感器除

40、了具有相当 的测量范围和精度外，还具有温度测量精度和不受外界干扰等的优点。其电路连 接如图 4 温度测量电路所示。它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连 接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用 P0.7 与 DS18B20 的 I/O 口连接加一个上拉电阻,Vcc 接电源,Vss 接地。 图 4 DS18B20 温度采集 4.3 超声波发送电路设计 超声波发射部分需要用单片机产生一个频率为 40kHz 左右的方波来带动发射 头的压电晶片来起振，从而发射出超声波。 图 5 超声波换能器 图 6 压电式超声波传感器结构 如图 7 为超声波发射部分的电路： 图 7 超声波发射

41、电路 由于单片机端口输出功率不够，所以经单片机产生的 40 kHz 方波脉冲信号 T 分成两路，一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反 相器后送到超声波换能器的另一个电极。再加上两个上拉电阻 TR1 和 TR2，可有 效提高 74LS04 的带负载能力。 4.4 超声波接收电路设计 超声波接收部分的任务是接收到返回的超声波信号并对其进行滤波、放大、 整形。由于用分立元件搭建超声波接收电路的效果很差，而且电路元件的参数不 容易用常用元件达到，故超声波接收电路采用了索尼公司生产的集成芯片 CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的 P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。

42、CX20106 的内部结构如图 8 所示： 图 8 CX20106 内部结构 CX20l06A 是日本索尼公司生产的红外接收芯片，也适用于超声波接收。其 采用单列 8 脚直插式，小型封装，+5V 供电，使用方便，功能强大。 超声波接收电路如图 9 所示。 图 9 超声波接收电路 超声波接收电路工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放 大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信 号，再经整形，送给输出端 7 脚。当接收到与 CX20106 滤波器中心频率 38kHz 相符的回波信号时，其输出端 7 脚就输出低电平。将此低电平信号输出给单片机 的外部中断 0

43、，即可产生一个中断信号。 4.5 距离显示电路 距离显示电路采用 LCD1602 液晶显示，它具有既能显示数字又有能显示符 的特点,而且显示数据多，字迹清晰。液晶显示原理图如图 10 所示： 4.6 告警提示电路 倒车雷达采用 LED 和蜂鸣器组成告警提示电路。当侦测到的汽车距障碍物的距离在安 全范围内时绿色发光二级管点亮，蜂鸣器不发声；侦测到汽车距障碍物的距离小于某一定值 时，红色发光二极管点亮，蜂鸣器发出提示音。告警提示电路图如下图所示。当向 LED 和蜂 鸣器连接的 I/O 口送一高电平 LED 即被点亮或蜂鸣器发声。 图 11 告警提示电路 图 10 超声波接收电路图 5 系统软件设计

44、 该超声波倒车雷达采用 AT89C51 单片机作为主控芯片，该单片机和其开发应用系统具有 语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计 算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。系统软件包括以下几个部分：系统初始 化部分、温度检测部分、距离显示和告警提示部分等。软件流程图如图 12： 否 是 否 是 图 12 软件流程图 开始 单片机及各模块初始化 化 温度检测 发射脉冲 计算距离 接收脉冲 判断是否有回波 是否处于安全距离 红灯亮，蜂鸣器发 声 绿灯亮 显示距离 结束 （1）初始化部分 初始化部分主要完成对显示模块，测距模块，温度测量模块等所使用到 I

45、/O 口的定义，以及对软件中涉及到的定时器 1，外部中断 0 的初始化。 （2）温度检测部分，本设计运用数字数字温度传感器DS18B20进行温度检测。DS18B20对 时序要求非常严格，写该部分程序一定要注意这一点。测温数据读取:访问 DS1820必须遵循初始化、ROM命令、DS1820函数命令这一顺序，缺少其中任何一 步或打乱顺序，DS1820都不会响应。所以与 DS1820的通信首先必须初始化:单片 机发出复位脉冲，DS1820以存在脉冲响应，这表示DS1820已经在总线上并准备好 操作。单片机在写时序写数据到DS1820，在读时序从DS1820中读数据，每一总线 时序传送一位数据。DS1

46、820 有两种类型的写时序:写1时序和写0时序。单片机用 写1时序写逻辑“1”到DS1820，用写0时序写逻辑“0”到DS1820。所有写时序必须持 续最少60s，每个写时序之间必须有至少11s的恢复时间。DS1820在单片机发出 写时序后的15-60s的时间窗口内采样总线。如果在采样窗口期间总线为高， “ 1” 就被写入；反之， “ 0”被写入。当单片机发出读时序时，DS1820可以发送数据到单 片机。所有读时序必须持续60s，每个读时序之间必须至少有11s的恢复时间。 单片机DS1820开始在总线上传送“1”或“0”。 DS1820通过保持总线为高发送“1”， 将总线拉低发送0。 程序中调

47、用read_temp函数从DS1820的寄存器中读取温度数值，调用 write_DS18B20函数单片机向DS1820写控制命令。 DS1820完成温度转换必须经过 三个步骤:每一次读写之前都要对DS1820进行复位，复位成功后发送一条ROM指令， 最后发送RAM指令，这样才能对DS1820进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线 下拉500s，然后释放，DS1820收到信号后等待16-60s左右，后发出60-240s的 存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位。通过对系统硬件电路和软件的合理设 计，本系统能在-20到50之间正常工作。 （3）中断测距部分 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定

48、时器T1，利定时器的计数功能 记录超声波发射的时间和收到反射波的时间值，当收到超声波反射波时，接收电 路输出端产生一个负跳变。在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中 断请求，执行外部中断服务子程序，提取时间及温度值根据温度补偿方法计算距 离。温度补偿通常采用方法是每次按照公式（3-3）计算当前声速，进行温度补 偿。其特点是: 根据当时的温度得到精确声速，从而计算得到的距离值也比较精 确。再根据式（3-1）算出距离。中断测距程序流程图如图13所示 （4）显示告警部分 将测距部分测得的距离显示在1602液晶之上并对距离进行判断，通过对距离 是否大于50CM的安全距离的判断向P01,P0

49、2,P03送高低电平使红绿灯分情况点 亮，蜂鸣器按情况发声。 具体程序见附录A。 外部中断 0 中断 计时器 T1 停止 由温度值计算声速 由时间值及声速计算距离 图 1 中断测距部分流程图 结束 开始 结论 本文所设计的超声波倒车雷达是保证汽车安全的辅助装置。通过超声波探头 发射和接收超声波，使用单片机计算测量车与障碍物之间的往返时间然后再计算 出车与障碍物的距离，并加入了温度补偿，提高了距离计算的精度，然后显示在 LCD1602 液晶上，当探测到障碍物距离小于最小安全距离时，蜂鸣器报警，红灯 闪烁发出告警。实际测试证明该系统工作稳定，能够满足一般近距离测距要求， 且成本低、有良好的性价比。

50、该系统中锁相环锁定需要一定的时间，测得的距离 有误差，在汽车雷达应用中误差为 1cm 可忽略不计。当然，该设计只是大概描述 了该方案的总体设计思路，以及各模块需要完成的基本功能。并初步实现了倒车 辅助的功能。还有很多地方需要改进。 参考文献 1 王欢. 基于 CAN 总线的倒车雷达研究J. 哈尔滨工业大学，赵保全. 中国集成电路大全M北京：国防工业出版社，1985 3 中国集成电路大全编委会. 中国集成电路大全-集成运算放大器M. 北京： 国防工业出版社，1985. 4 胡健.单片机原理与接口技术M.北京:机械工业出版社,2004 5 杨明发. 高性价比倒车雷达的研究J.机电技

51、术季刊，福建省机械科学研究院，2004 年01期， pp30-31 6 何希才. 集成电路及其应用实例M. 科学出版社,苏长赞. 红外线与超声波遥控M. 北京：人民邮电出版社， 康华光. 电子技术基础M北京：高等教育出版社，2002. 9金濠芷，王明时 现代传感器技术北京：电子工业出版社，1995 10 郭天翔.新概念 51 单片机 C

首先在论文即将完成之际，向所有关心和支持我的人表示衷心的感谢！ 本篇论文是在我的指导老师的亲切关怀与细心指导下完成的。在本论文的写 作过程中，方正国老师倾注了大量的心血和汗水，给我提出了许多宝贵的意见。 无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文 定稿方面，我都得到了方老师悉心细致的教诲和无私的帮助。在这里在对他表示 由衷的感谢。 感谢母校内所有使我受教的老师们，他们无私的教导，让我学到知识，能辨 事理，让我在人生的长路上向前迈进一大步。还要感谢长期以来给我诸多帮助的 同学们，你们的友情将是我一生最值得珍惜的财富和最值得怀念的情感。感谢我 亲爱的室友们，感谢你们陪我度过了美好的大学四年，感谢你们在写论文过程中 对我的帮助和鼓励。

　　在自主行走机器人系统中，机器人要实现在未知和不确定环境下行走，必须实时采集环境信息，以实现避障和导航，这必须依靠能实现感知环境信息的传感器系统来实现。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到广泛应用。由于超声波测距方法设备简单、价格便宜、体积小、设计简单、易于做到实时控制，并且在测量距离、测量精度等方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本文所介绍的机器人采用三方超声波测距系统，该系统可为机器人识别其运动的前方、左方和右方环境而提供关于运动距离的信息。

　　1　超声波测距原理

　　超声波发生器内部由两个压电片和一个共振板组成。当它的两极外加脉冲信号，且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，如果两极间未加外电压，当共振板接收到超声波时，就成为超声波接收器。超声波测距一般有两种方法：①取输出脉冲的平均电压值，该电压与距离成正比，测量电压即可测量距离；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,根据被测距离s=vt?2来得到测量距离，由于超声波速度v与温度有关，所以如果温度变化比较大，应通过温度补偿的方法加以校正。

　　本测量系统采用第二种方法，由于测量精度要求不是特别高，所以可以认为温度基本不变。

　　本系统以PIC16F877单片机为核心，通过软件编程实现其对外围电路的实时控制，并提供给外围电路所需的信号，包括频率振动信号、数据处理信号等，从而简化了外围电路，且移植性好。系统硬件电路方框图见图1。

　　由于本系统只需要清楚机器人前方、左方、右方是否有障碍物，并不需要知道障碍物与机器人的具体距离，因此不需要显示电路，只需要设定一距离阀值，使障碍物与机器人的距离达到某一值时，单片机控制机器人电机停转，这可通过软件编程实现。

　　2　超声波发射电路

　　超声波的中心频率为40kHz,该频率可以通过以下程序产生（部分源程序）：

　　2.1　超声波发射电路

　　超声波发射电路以PIC16F877为核心，当单片机上电时，单片机从RA0口产生40kHz的超声波信号，但是此时该信号无法通过与非门进入放大电路使超声波发射头发射超声波，只有闭合开关S1时，从RA1口发射出一门控信号，该信号的频率为4kHz,同时启动单片机内部的定时器TMR1,开始计数。该门控信号每发射一个周期的波形，超声波就会发射10个完整的波形，这可由它们的频率得出。超声波的周期为1（40kHz）=01025ms,而门控信号的周期为1（4kHz）=0125ms。最后根据s=vt2求出障碍物与移动机器人的距离。当超声波接收头收到反射回来的超声波时，计数器停止计数，时间t可以根据计数器的计数与门控信号的周期求出。RA2口接RS触发器，RS触发器可以自动控制超声波的发射和停止。本系统的电路还包括人工复位电路，由单片机的MCLR引脚接S2来控制，超声波发射电路图见图2。

　　2.2　门控电路（RS触发器）

　　为实现对超声波发射和接收的自动控制，须在电路中加一门控电路，该门控信号频率为4kHz,如把输出脉冲作为闸门信号，让已知频率fc的脉冲恰好通过闸门，那么t=NTc,其中，Tc为已知脉冲的周期，N为脉冲的个数。

　　门控电路由RS触发器组成，当输入端R=1（S=0）时复位，即输出端Q=0;当R=0（S=1）时置位，即Q=1。RS触发器与单片机的RA2口相连。

　　2.3　超声波放大电路

　　超声波放大电路由三极管等组成，由于单片机RA口最多只有20mA～25mA上拉电流，而超声波发射器最小需要60mA的电流，所以在与非门后加一级放大电路来放大电流，以完成超声波的发射。超声波放大发射电路见图3。

　　3　超声波接收电路

　　3.1　超声波接收放大电路

　　由于超声波接收头接收到的超声波信号很微弱，所以在其后需加一超声波接收放大电路。该电路采用两个集成运放，设计为两级，两级都为同相输入，因为同相输入的电压放大倍数为1+RfR,所以每一级的放大倍数为10,两级放大倍数接近100倍，这样后续电路就可以很容易地检测到输入的信号。集成运放采用双电源供电，超声波接收放大电路见图4。

　　3.2　信号滤波电路

　　从信号放大电路出来的声波带有一定的干扰，为了去除干扰信号，需要一滤波电路，信号滤波电路选用带通滤波器电路，使其中心频率为40kHz、带宽为2kHz,外加一过零比较器，使输出信号转化为方波信号。信号滤波电路见图5。

　　3.3　信号整形电路

　　从信号滤波电路出来的方波信号很不规则，故其后加一整形电路，整形电路由两级非门串联，并联一电阻组成，整形后再送单片机进行处理，信号整形电路见图6。

　　软件采用模块化设计，由主程序、发射子程序等组成，软件程序框图见图7。

　　本文设计的超声波测距系统采用了单片机编程技术，配合硬件完成了系统的要求，其精度能满足大部分的工程需要。与传统的测距系统相比，具有结构简单、价格便宜、移植性好等特点。