学士学位论文--超声波自动测距系统设计.doc

河南科技大学本科毕业设计（论文）
超声波自动测距系统设计

摘 要

近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15％的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以AT89C51单片机为核心利用超声波自动测距系统提醒驾驶员在倒车时有效的避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人，从而有效避免由于倒车造成的汽车碰撞或擦伤的经济损失和人身安全问题，具有较强的实用性。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。超声波的波长比一般声波要短，能透过不透明物质。本文在分析超声波测距系统原理的基础上，指出了设计测距仪的思路和所需考虑的问题，给出了实现超声波测距方案的软、硬件设计系统框图。

关键词：超声波，测距，倒车雷达，AT98C51单片机

DESING OF AN AUTOMATIC RANGING SYSTEM BASED ON ULTRASONIC

ABSTRACT

In recent years, with the development of automobile industry and the improvement of people's living standard, the number of cars is increasing year by year. At the same time, drivers without driving license are increasing. When reversing in the road, streets, parking, garage where is crowded and narrow, driver should be circumspect to avoid rear-end collision. According to related statistics, 15% of motor vehicle collisions are cause by the poor of motor vehicles rear view capability. Therefore, car reversing radar system become a hot research topic in recent years. Accurate measurement between the obstacle and the car can avoid obstacles. Therefore, the design that AT89C51 microcontroller is the core of the ultrasonic ranging system can remind the driver to avoid obstacles and pedestrians. This method can reduce the economic losses and improve the personal safety. Ultrasound is the sound waves which frequencies above 20,000 Hz. It has good direction, strong penetrating ability and the ability to obtain more focused acoustic energy. Ultrasonic wavelength is shorter than the average acoustic. And it can penetrate opaque material. Based on the analysis of the principle of ultrasonic ranging system, we points out the range finder design ideas and issues to be considered. we gives the realization of software and hardware design block diagram of ultrasonic ranging scheme.

KEY WORDS：Ultrasonic， Ranging， Reversing radar，AT98C51 MCU

4
目　录

前　言 1
第1章 课题研究背景与意义 3
§1.1 课题研究的背景 3
§1.2 国内外超声波测距系统的概况 4
§1.3 汽车倒车雷达的发展趋势 4
§1.4 课题研究的意义 5
第2章 超声波测距原理与方法 6
§2.1 超声波的简介 6
§2.1.1 超声波的物理性质 6
§2.1.2 超声波对声场产生的作用 6
§2.2 超声波传感器的简介 7
§2.2.1 超声波传感器的结构 8
§2.2.2 超声波传感器的选择 10
§2.2.3 HC-SR04超声波测距模块的简介 11
§2.2.4 超声波测距原理 13
§2.2.5 发射脉冲宽度 14
§2.2.6 测量盲区 14
§2.3 本章小结 16
第3章 超声波测距系统的总体设计 17
§3.1 超声波测距系统的整体设计方案 17
§3.2 单片机应用系统概述 17
§3.3 单片机最小系统 18
§3.4 超声波的发射电路设计 19
§3.4.1 发射电路输出波形分析 19
§3.4.2 超声波发射器的注意事项 20
§3.5 超声波的接收电路设计 21
§3.6 显示电路设计 23
§3.6.1 数码管的简介 23
§3.6.2 LED数码管的显示 25
§3.7 报警电路设计 27
§3.7.1 蜂鸣器的驱动 27
§3.7.2 发光二极管的驱动 27
§3.8 本章小结 28
第4章 软件设计 29
§4.1 系统程序结构 29
§4.1.1 初始化程序 29
§4.1.2 超声波发射接收程序 30
§4.1.3 外部中断子程序 32
§4.1.4 显示程序 32
§4.1.5 显示数据转换程序 33
§4.1.6 显示数据转换程序 33
§4.2 本章小结 34
第5章 安装与调试 35
§5.1 汽车雷达实物 35
图5-1汽车雷达实物 35
§5.2 汽车雷达的调试 35
§5.2.1 软件调试 35
§5.2.2 整机调试 36
§5.3 记录并分析实验结果 36
结　论 38
参考文献 39
致　谢 41
附　录 42

前　言

本设计的名称是超声波自动测距系统。主要是通过超声波系统与单片机来实现距离的测量，从而实现预先提示，减少倒车时的碰撞及事故。我做的是汽车用倒车雷达的设计，主要是使用单片机语言编程实现超声波测距系统与单片机之间的串行通信及显示汽车与障碍物之间的距离。在整个设计过程中要熟悉单片机芯片和超声波测距系统的工作原理以及所使用单片机的各个管脚及其功能。以上的这些都是在毕业设计期间所学的知识的利用。这不仅是对于本课题的设计与实现更是对于自己学习能力和动手能力的一次考验。
倒车雷达（Car Reversing System）全称“倒车防撞雷达”，又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。它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，解除驾驶员泊车、倒车和启动车辆时因前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员克服视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。倒车雷达真正开始于轰鸣器，也就是第一代倒车雷达。我想很多人都不会忘记“倒车请注意！”这句话，因为现在多数普通车还在使用它。第二代则是采用数码波段显示，可显示后障碍物离车体距离的数码波段显示倒车雷达。第三代的液晶荧屏显示较以前有了一个质的飞跃。紧接着的四代魔幻镜倒车雷达和五代整合影音系统更是结合了前几代产品的优点，在原有倒车雷达的基础上增加了很多功能。
目前超声波测距系统主要是采用微处理器为核心，使用微处理器内部的计时器计时，并结合温度补偿声速等处理手段提高测距精度。但由于超声波传播时间难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。由于微处理计时精度有限和硬件设计的束缚，现有超声波测距系统的范围比较低。现有超声波测距系统不仅测量范围有限制，且测量精度有限。超声波测距仪虽然原理简单，但是由于超声波测距受到许多外界因素制约，包括所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度及环境温度等等，如何选择合适的方法提高精度是技术开发的重要瓶颈，国内外的学者在提高超声波测距精度方面做了大量的研究。面对广阔的市场空间以及日益苛刻的测量要求。
超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。本系统采用时间差测距法。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。
测距的公式可以表示为：L=CT
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值的一半)。
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，并且还有较高的测量精度。因此，将超声波自动测距系统应用于实现无接触测距的倒车雷达系统具有很强的实用性。
本设计要达到的主要技术指标：
（1） 设计出超声波测距仪的结构电路。
（2） 对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。
（3） 对设计的电路进行分析。
（4） 以数字的形式显示测量距离。
在本次设计中，最关键的部份是硬件电路和软件设计，所以本文对这两个部分做了比较详尽的介绍。其中硬件电路包括单片机的最小系统、超声波的发射与接受、报警电路和数码管显示。超声波的发射与接收电路的功能是为了检测到障碍物的距离；报警电路和数码管显示电路是为了更好的提示驾驶员注意，进而减少交通事故的产生。软件部份本文采用C语言编程，使用单片机的中断和计时功能，可以方便的实所设想的功能。

第1章 课题研究背景与意义

§1.1 课题研究的背景
自从1886年2月9日卡尔•本茨发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近122年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。当今，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，它给人们带来方便快捷的同时，也出现了许多问题。如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引起的刮伤事件也越来越多，由此引起的纠纷也在不断地增加。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以在一定程度上帮助驾驶员扫除视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性，减少刮、擦事件。因此，提出了基于超声波测距的汽车用倒车雷达的设计。
近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求。由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。

§1.2 国内外超声波测距系统的概况
目前超声波测距系统主要是采用微处理器为核心，使用微处理器内部的计时器计时，并结合温度补偿声速等处理手段提高测距精度。但由于超声波传播时间难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。由于微处理计时精度有限和硬件设计的束缚，现有超声波测距系统的测量范围比较低。现有超声波测距系统不仅测量范围有限制，且测量精度有限。 超声波测距仪虽然原理简单，但是由于超声波测距受到许多外界因素制约。因此，如何选择合适的方法提高精度是技术开发的重要瓶颈，国内外学者在提高超声波测距精度方面做了大量的研究。

§1.3 汽车倒车雷达的发展趋势
随着科技的日新月异，人们对于车辆的功能及行车安全的期望日益增多。因此，近年来许多先进安全系统及驾驶辅助系统相继被开发出来。其中倒车辅助系统是驾驶辅助系统中最先受到嘱目的技术发展，目前己成为高阶新车的标准驾驶辅助配备之一。倒车辅助的发展从倒车警示喇叭开始，经倒车雷达蜂鸣器碰撞警示、数字波段显示技术（利用雷达感测液晶显示距离）等阶段的发展，目前己成功研发液晶显示屏幕技术（即显示距离激活引擎时，显示器会显示轮廓外型并以动态方式显示车辆与障碍物距离）。
超声波测距系统在汽车上的应用可能还会更全面，例如将来可以在汽车的四个角上分别安装上该系统，这样可以降低司机师傅在拐弯的时候擦伤车子，而且可以在汽车前面也安装该系统，可以减少因雾天或是能见度较低的时候汽车撞车事故。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
车用雷达首先要解决的技术难题就是减少雷达的误报。由于车辆在道路中行驶状况十分复杂，并线、移线、转弯、上下坡及道路两旁的静态护栏、标志牌和各种恶劣天气的影响等，使得雷达对主目标的识别产生较高的误报率。尽管某些雷达具有二维，甚至三维的目标探测能力，但迄今为止，没有任何一个传感器能保证在任何时刻提供完全可靠的信息。要想完全解决这种误报问题，还需采取多传感器之间的信息融合技术。如美国 Dephi 公司的汽车防撞系统就采用了激光雷达、微波雷达和机器视觉等多种传感器的信息融合，实现了信息分析、综合和平衡，利用数据间的冗余性和互补特性进行容错处理，克服了单一传感器可靠性低、有效探测范围小等缺点，有效降低了雷达的误报率。

§1.4 课题研究的意义
近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15％的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波，提醒驾驶员在倒车时有效的避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人，从而有效避免由于倒车造成的汽车碰撞或擦伤的经济损失和人身安全问题，具有较强的实用性。

第2章 超声波测距原理与方法

§2.1 超声波的简介
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。当声波的振动频率小于20Hz或大于20KHz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

§2.1.1 超声波的物理性质
1.超声波的反射和折射
当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播。这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。
2.超声波的衰减
超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。
3.超声波的干涉
如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。

§2.1.2 超声波对声场产生的作用
当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的超声效应。
1.机械作用
超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以达到破坏介质的程度。
2.空化作用
在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。
3.热学作用
如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。

§2.2 超声波传感器的简介
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
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。电气方式包括压电型、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。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，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。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。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。超声波传感器结构如图2-1和2-2所示。

图 2-1超声波传感器外部结构 图 2-2超声波传感器内部结构

§2.2.1 超声波传感器的结构
超声波传感器分机械方式和电气方式两类本。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电方式。它实际上是一种换能器，在发射端它把超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。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，产生超声波。反之，如果两电极间外加电压，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，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，妮酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

图2-3双压电晶片示意图
双压电晶片如图2-3所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。

图2-4双压电晶片的等效电路图
双压电晶片的等效电路如图2-4所示，为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗,并联电阻Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，为损耗串联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率ƒo。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波;接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。

§2.2.2 超声波传感器的选择
测距系统的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器,常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有衰减,衰减的程度与频率的高低成正比, 而频率高分辨率也高, 故短距离测量时应选择频率高的传感器, 而长距离的测量时应用低频率的传感器。本文设计主要用于倒车雷达等方面的应用, 故选择频率高的传感器。
超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波;收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是40KHz的收发分体式HC-SR04超声波测距模块。

§2.2.3 HC-SR04超声波测距模块的简介
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
1.基本工作原理
（1）采用IO口TRIG触发测距，给最少10us 的高电平信呈。
（2）模块自动发送8个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回。
（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间声速(340M/S))/2。
2.实物图

图2-5 HC-SR04超声波测距模块实物
如图2-5接线，VCC 供5V电源，GND 为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四个接口端。
3. 电气参数
表2-1 HC-SR04超声波测距模块的电气参数
电气参数
HC-SR04超声波模块
工作电压
DC 5 V
工作电流
15mA
工作频率
40kHz
最远射程
4m
最近射程
2cm
测量角度
15度
输入触发信号
10uS 的TTL 脉冲
输出回响信号
输出TTL 电平信号，与射程成比例
规格尺寸
452015mm

4.超声波时序图

图2-6 HC-SR04超声波测距模块的时序图
以上时序图表明你只需要提供一个10uS 以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8 个40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是距离=高电平时间声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

§2.2.4 超声波测距原理
超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。如图2-3所示为反射时间法测距原理图，利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离,对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数,我们通过测量回波时间T 利用公式S=C×(T/2)其中，S为被测距离、V为空气中声速、T 为回波时间(T=T2-T1)，T1为超声波发出的时刻，T2 为超声波返回的时刻，可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响。这样可以求出距离：S=C×(T2-T1)/2。

图 2-3超声波测距原理
超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速c与温度有关。如果环境温度变化显着，必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可以表示为：
(2-1)
式中，T为环境摄氏温度℃。
表2-2 声速与温度的关系表
温度（摄氏度）
－30
－20
－10
0
10
20
30
100
声速（米／秒）
313
319
325
323
338
344
349
386

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c为340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。

§2.2.5 发射脉冲宽度
发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了25µs(l个40KHz方波脉冲)，100µs(4个40KHz方波脉冲)，200µs(8个40KHz方波脉冲)， 800µs(32个40KHz方波脉冲)的发射脉冲宽度，作为发射信号后的接收信号。最终采用短距离(2m内)发射 200µs(8个40KHz方波脉冲)发射脉冲宽度；长距离(2m外)发射800µs(32个40KHz脉冲方波)的发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。

§2.2.6 测量盲区
在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下：

图2-8传感器回波测距原理分析图
如图所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振(由于机械惯性作用)。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平Vm；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。由图2-8可见，从b点以后，接收的信号低于阈值，相当于测距的远限。另外，从图中a点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从c点以后，发射信号低出阈值Vm，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把0c这段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，cb为可测距范围；b点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。

§2.3 本章小结
本测距系统主要是利用超声波进行测距，主要应用于汽车的倒车雷达。因此，其测量距离在2m之内，可以选用200µs(8个40KHz方波脉冲)的发射脉冲宽度。选用HC-SR04超声波测距模块，其价格比较实惠，程序控制简单具有较高的实用性。
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第3章 超声波测距系统的总体设计

§3.1 超声波测距系统的整体设计方案
本设计主要是以单片机为核心利用超声波自动测距的系统。系统硬件主要由单片机系统、显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和报警电路五部分组成。其设计方案如下所示：
1.单片机通过P1.1口给HC-SR04超声波测距的TRIG输出20us 的高电平测距触发信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。
2.有信号返回，单片机通过P3.2口给ECHO输出一个高电平。同时单片机控制器内部T0计数器开始记数。
3.当超声波接收器接收到超声波回波信号,通过外部中断启动单片机中断程序,这时T0计数器停止记数, 再由软件进行提取计数器的计数值换算成时间通过计算得出距离数并送LED显示,系统还会根据障碍物与车尾距离远近实时发出警示声音。
超声波自动测距系统原理框图如图3-1所示。

图3-1 超声波自动测距系统原理框图

§3.2 单片机应用系统概述
单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。
嵌入式系统无疑是当前最热门、最具有发展前景的 IT 应用之一。嵌入式系统的应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化智能系统。嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中，单片机作为嵌入式系统的核心部件，其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。现代社会中嵌入式系统无处不在，早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域。

§3.3 单片机最小系统
一个单片机最小系统需要一个电键、一个 10uF 电容、一个 10k 电阻组成复位电路；两个 30pF 电容和一个 12Mhz 的晶振组成时钟电路。其图形如图 3-2 所示。

图 3-2 单片机最小系统电路图
引脚功能：P1.0 为超声波发射端口；P3.2 为超声波测试端口（用 LED 显示时候有回波）；P3.2 为超声波回波接受端口；P2.4 位蜂鸣器报警端口；P2.5 为发光二极管报警端口；P0 为LCD显示端口；P2.0-P2.2 为显示位控制端口；

§3.4 超声波的发射电路设计
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40－16T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出以上脉冲触发信号，模块内部将发出8 个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

图3-3 超声波发射电路框图

§3.4.1 发射电路输出波形分析
1.发射波形的重复性
为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性；此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动，以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。
由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波，其“波形”应与晶片振动规律相同。发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性。
通常发射电路按发射方式分为：单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激发换能器晶片振动。此方法测试距离太近;本系统采用间断多脉冲发射，系统自动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。
2.发射波形电压及功率
传感器发射