论文部分内容阅读
摘 要：汽车倒车雷达系统是基于51系列单片机作为系统的总控制器，利用超声波测距原理，以NE555作为系统的脉冲发射源，采用1602液晶显示，能实时显示与报警，达到了较大的测试距离和较高的测量精度。
关键词：超声波测距；单片机；液晶
一、设计要求
1、具有测距功能，测量距离0.1m～1.0m；
2、测量距离精度：误差±1cm；
3、利用液晶显示实时测量距离；
4、达到危险值时报警
二、实现方案
1、主控制模块
主控制模块我们选用51单片机，51单片机的最小型系统非常简单，能够满足该系统的所有要求，并且价格便宜，性价比极高。
2、发射模块
本系统是用超声波测距原理实现测距的。超声波是一种人耳无法听到，频率高于20KHz的声音。这里到底选择多大的频率作为发射频率由所采用的超声波探头有关。所以必须对发射探头的物理性质做详细的分析。
在没有任何驱动电路的情况下，只利用信号源和示波器来定性的分析接收探头电压随发射探头距离、频率以及发射探头两端加的电压关系。
表1 中心频率测量（单位：mv）
测试条件：发射探头所加电压Vpp=20V，两探头距离L=20cm。
通过分析表格我们可以知道，超声波的中心频率在39.9Khz左右。因此我们选用40KHz作为它的中心频率。
如果仅用NE555产生40KHz的方波直接接到发射探头上时，接收探头所接到的信号是很微弱的，所以我们还需在方波产生电路和探头之间加一个功率放大电路。得出由NE555和CD4049搭建的互补对称式功率放大电路，最后由换能器发射的发射模块方案，如下图所示：
3、接收模块
超声波在金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸上可以100%反射。但是我们知道声波是会随着距离的增加成比例的衰减。从表1分析我们也可以知道，在发射电压为20V，探头距离为20cm的情况下接收探头接收到的电压只有几百甚至是几十mV。所以我们需要对接收到的信号进行放大处理，放大电路采用简单的三极管放大电路，放大倍数约为50倍即可。
超声波探头的选频特性比较好，为了提高系统的信噪比，因此我们还另外加入了滤波电路。通过对信号的整形和放大，检波之后通过比较模块进一步整形，从而得到比较完好的方波信号。
三、系统硬件
结合上面的方案叙述，我们可以将系统分为4个模块：发射、接受、处理、显示。
发射：由NE555产生频率为40KHz的方波，经过CD4049互补电路推升功率，最后由换能器将超声波发射出去。
接受：由接收换能器接收转换而来的电信号，经过放大、滤波、比较后给MCU处理。
处理：51单片机最小系统板。经接收模块处理过的信号由本信号做出处理并计算出距离。
显示：以STC89C52为控制核心，进行液晶的距离显示。系统组成方框图如图1所示：
图1 系统框图
四、系统软件
1、由单片机输出一个高电平给NE555控制产生40KHz的方波。通过外部中断采集电平触发信号，并利用定时器计算出时间，通过超声波来回传递的时间，我们就可以根据传递时间来计算出距离。
我们都知道声波在空气中的传播速度约为344m/s（21℃，标准气压下），假定我们通过单片机测得发射和接受所用的时间为t，那么根据公式：距离=速度×时间
此时可以得出超声波的传输往返距离。那么真实距离为往返距离的二分之一。
2、程序流程图如图2所示：
图2 程序流程图
五、系统调试
5.1测试方法与结果
在本实验测试的过程中，由于波形的处理存在着时间的延迟以及其他的不稳定因素，因此测出来的实验数据会存在一定的误差。测量数据如表2所示：
表2 测量结果及数据分析
5.2测试误差分析
误差原因分析：
（1） 超声波在空气中传播时会随着距离衰减，所以我们测到的距离可能并不是第一个回波反射回来的。
（2） 我们采用的声波速度是在标准大气压下21℃时的波速，但是实际温度和气压是在不断变化的，这也会对我们的测量结果产生一定的影响。
（3） 超声波的波束集中度的不同也会对测量结果产生明显的影响。
六、结论
经过测试，本系统能够在电源供电的情况下实现自动测距、实时显示测试距离的功能。在较短距离时能够做到测量速度快，精度高的要求。■
参考文献
[1] 谢红. 模拟电子技术. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001年.
[2] 李万臣. 模拟电子技术基础设计 仿真 编程与实践. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003年.
[3] 赵健领. 51系列单片机开发宝典.北京：电子工业出版社，2007年.
[4] 张毅钢等. 新编MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003年.
作者简介：
温阳（1994-），男，汉族，江西省南昌市人，本科，单位：江西科技师范大学通信与电子学院，研究方向：光电子技术科学。
关键词：超声波测距；单片机；液晶
一、设计要求
1、具有测距功能，测量距离0.1m～1.0m；
2、测量距离精度：误差±1cm；
3、利用液晶显示实时测量距离；
4、达到危险值时报警
二、实现方案
1、主控制模块
主控制模块我们选用51单片机，51单片机的最小型系统非常简单，能够满足该系统的所有要求，并且价格便宜，性价比极高。
2、发射模块
本系统是用超声波测距原理实现测距的。超声波是一种人耳无法听到，频率高于20KHz的声音。这里到底选择多大的频率作为发射频率由所采用的超声波探头有关。所以必须对发射探头的物理性质做详细的分析。
在没有任何驱动电路的情况下，只利用信号源和示波器来定性的分析接收探头电压随发射探头距离、频率以及发射探头两端加的电压关系。
表1 中心频率测量（单位：mv）
测试条件：发射探头所加电压Vpp=20V，两探头距离L=20cm。
通过分析表格我们可以知道，超声波的中心频率在39.9Khz左右。因此我们选用40KHz作为它的中心频率。
如果仅用NE555产生40KHz的方波直接接到发射探头上时，接收探头所接到的信号是很微弱的，所以我们还需在方波产生电路和探头之间加一个功率放大电路。得出由NE555和CD4049搭建的互补对称式功率放大电路，最后由换能器发射的发射模块方案，如下图所示：
3、接收模块
超声波在金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸上可以100%反射。但是我们知道声波是会随着距离的增加成比例的衰减。从表1分析我们也可以知道，在发射电压为20V，探头距离为20cm的情况下接收探头接收到的电压只有几百甚至是几十mV。所以我们需要对接收到的信号进行放大处理，放大电路采用简单的三极管放大电路，放大倍数约为50倍即可。
超声波探头的选频特性比较好，为了提高系统的信噪比，因此我们还另外加入了滤波电路。通过对信号的整形和放大，检波之后通过比较模块进一步整形，从而得到比较完好的方波信号。
三、系统硬件
结合上面的方案叙述，我们可以将系统分为4个模块：发射、接受、处理、显示。
发射：由NE555产生频率为40KHz的方波，经过CD4049互补电路推升功率，最后由换能器将超声波发射出去。
接受：由接收换能器接收转换而来的电信号，经过放大、滤波、比较后给MCU处理。
处理：51单片机最小系统板。经接收模块处理过的信号由本信号做出处理并计算出距离。
显示：以STC89C52为控制核心，进行液晶的距离显示。系统组成方框图如图1所示：
图1 系统框图
四、系统软件
1、由单片机输出一个高电平给NE555控制产生40KHz的方波。通过外部中断采集电平触发信号，并利用定时器计算出时间，通过超声波来回传递的时间，我们就可以根据传递时间来计算出距离。
我们都知道声波在空气中的传播速度约为344m/s（21℃，标准气压下），假定我们通过单片机测得发射和接受所用的时间为t，那么根据公式：距离=速度×时间
此时可以得出超声波的传输往返距离。那么真实距离为往返距离的二分之一。
2、程序流程图如图2所示：
图2 程序流程图
五、系统调试
5.1测试方法与结果
在本实验测试的过程中，由于波形的处理存在着时间的延迟以及其他的不稳定因素，因此测出来的实验数据会存在一定的误差。测量数据如表2所示：
表2 测量结果及数据分析
5.2测试误差分析
误差原因分析：
（1） 超声波在空气中传播时会随着距离衰减，所以我们测到的距离可能并不是第一个回波反射回来的。
（2） 我们采用的声波速度是在标准大气压下21℃时的波速，但是实际温度和气压是在不断变化的，这也会对我们的测量结果产生一定的影响。
（3） 超声波的波束集中度的不同也会对测量结果产生明显的影响。
六、结论
经过测试，本系统能够在电源供电的情况下实现自动测距、实时显示测试距离的功能。在较短距离时能够做到测量速度快，精度高的要求。■
参考文献
[1] 谢红. 模拟电子技术. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001年.
[2] 李万臣. 模拟电子技术基础设计 仿真 编程与实践. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003年.
[3] 赵健领. 51系列单片机开发宝典.北京：电子工业出版社，2007年.
[4] 张毅钢等. 新编MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003年.
作者简介：
温阳（1994-），男，汉族，江西省南昌市人，本科，单位：江西科技师范大学通信与电子学院，研究方向：光电子技术科学。