超声波测距系统设计说明

单片机及其接口技术

课程

设计说明书

学生姓

名:J Guo 学号：

学

院: 计算机与控制工程学院专

业: 自动化

题

目: 倒车测距系统设计

指导老师职称副教授

职称讲师

2013 年10月21日

1 设计内容

设计一个由单片机控制的倒车测距监测系统，倒车时可以监测车尾与障碍物的距离，近距离时可报警提示。

2 设计要求

选择传感器，设计键盘、测距和报警电路，按下“启动”键，每隔1秒，检测1次车尾和障碍物的距离，检测范围0-2m，测量精度±0.1米，距离小于0.5米时自动报警提示；倒车完毕，按下“停止”键，系统停止运行。

3 系统设计方案

本设计主要是进行距离的测量和报警，设计中涉及到的内容较多，主要是将单片机控制模块、测距模块、蜂鸣器报警模块、显示模块这几个模块结合起来。而本设计的核心是测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，首先选择合适的测距传感器，之后选择合适单片机芯片，以下就是从相关方面来论述的。

3.1 激光测距

一个典型的激光测距系统应具备以下几个单元：激光发射单元，激光接收单元，距离计算与显示单元，准直与聚焦单元。系统工作时，激光由发射单元发出，以光速到达目标物后反射回来，被接收单元接收，通过距离计算与显示单元得到目标物距离。激光测距中的一种方法是脉冲测距法。目前，脉冲激光测距获得了广泛的应用。脉冲激光测距利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中。其基本原理是：在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，光脉冲发射到目标上后其中一小部分激光反射到测距点被光功能接收器所接收。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t，那么被测目标的距离D 为： D=c.t/2 (3-1)

在式3-1 中 C 表示光速，当认为光速一定时(不考虑大气中光速的微小变化)，脉冲时间误差为△t，那么由此可以确定测距精度:

=

∆ (3-2)

⋅

c

D t∆

2

测距系统设计该系统主要由脉冲半导体激光二极管发射电路、光学元件、漫反射物体、接收系统、高精度时间转换芯TDC-GP1、单片机构成，激光发射电路打出窄脉宽光脉冲，同时将发射脉冲输入TDC-GP1 的START 端口，触发时差测量。一旦从物体传回的发射脉冲达到了光电探测器(接收电路) 则给了TDC 产生一个STOP 信号，这个时候时差测量完成。TDCGP1记录从START 到STOP 脉冲

之间的时差，用于计算所测物体与发射端的距离。单片机对于TDC-GP1 进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算和处理，再将结果送给液晶显示出来。

3.2 红外测距

红外线发射器不断发射出频率为40 kHz 的红外线,经障碍物反射,红外线接收器接收到反射波信号,并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差t ,即可求出距离：

= (3-3)

s t•

2

c

(3-3) 式中, c 为光速度,一般取 3 ×108 m/ s。本文采用“计数”方式,通过单片机处理进行测量,其基本原理是：红外线发射器始终处于发射红外线的状态,当红外接收器第一次接收到障碍物反射回的红外线时,经电路处理单片机给出一个计数启动信号,单片机的计数器开始以一定频率计数；当红外线接收器第二次接收到反射回的红外线时,经电路处理单片机给出一个停止计数脉冲,计数器停止计数。通过编程,单片机自动处理,用脉冲的周期T 乘以脉冲数n 就得到发射红外线到接收红外线的时间差t ,即：t = nT (3-4) ，(3-4) 式代入(3-3) 式就得测量距离。系统的建立根据以上的测距原理,设计出系统的基本构架。红外线测距系统的红外发射电路发射出40 kHz 频率的红外线,当遇到障碍物红外线发生漫反射,红外线接收电路第一次接收到反射的红外线时,给单片机一个信号脉冲,启动单片机内的计数器,计数器置位进入计数状态;当接收电路第二次接收到反射器的红外线时,经单片机处理给出一个信号脉冲,使计数器停止计数,数据被锁存,然后经单片机处理,将测量的距离显示在显示器上。

3.3 超声波测距

与激光测距、红外线测距相比, 超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感, 更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境, 在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。超声波测距是一种非接触式测量, 广泛应用于倒车防撞雷达、机器人接近觉、海洋测量、物体识别等领域。超声波测距原理超声波测距从机理上可以分为共振式和脉冲反射式两种,该设计采用后者。工作时由超声波发射极发射超声波, 同时开始计时, 超声波在空气中传播, 当碰到障碍物时, 由于其良好的反射能力而被反射, 由超声波接收极接收, 此时计时结束。记超声波往返的时间为t, 根据s= ct / 2 计算超声波收发极与障碍物之间的距离, 这就是通常所说的渡越时间法, 也称时间差测距法。其中 c 为超声波波速, 与环境温度有关, 在测量精度要求高的场合要考虑温度影响, 可由软件进行调整补偿; 在测量精度要求不是很严格的情况下, 可以忽略温度的影响, 认为 c 为常数, 设计中取c= 340 m/ s。

根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。而且汽车在行驶的过程中测距传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。

4 系统硬件设计

此方案选择51单片机作为控制核心，所测得的距离数值LCD液晶显示器显示，与障碍物之间的距离低于安全距离时利用蜂鸣器报警声提示，超声波发射信号由51单片机的P2.1口送出到超声波发射电路，将超声波发送出去，超声波接收电路由CX20106A芯片和超声波接收探头组成的电路构成，报警系统由蜂鸣器电路构成。该超声波测距系统硬件电路组成比较简单, 包括单片机、超声波测距模块、LCD1602液晶显示器、按键4 部分。总体框图如图4-1。

图4-1 总体框图

4.1控制核心STC12C5A60S2

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对实时性要求比较高的系统。完全可以满足本系统设计要求。最小系统图如图4-2。