汽车安全距离检测实现
Detection and implementation of automobile safety distance
容摘
进入21世纪国汽车行业发展迅速汽车出行更加方便汽车增引发系列安全问题中突出追尾事倒车停车造成剐蹭汽车损坏花钱修理会生命危险汽车安全距离检测实现基突出问题予驾驶员必技术硬件设施设计利超声波测距判断车体障碍物间距离辅助驾驶员安全倒车汽车安全距离检测实现核心芯片AT89C52单片机设计超声波发射接收电路显示报警电路复位电路组成软件部分设计程序发射接收计算显示子程序组成该设计单片机控制计时计算超声波发射端障碍物速度获距离该设计结构简单性误差满足日常生活中安全辅助倒车
关键词：51单片机 超声波传感器 测距
□
Abstract
Since the beginning of the 21st century China＇s automobile industry has developed rapidly and automobiles have made people more convenient to travel but the increase of automobiles has also caused a series of safety problems Among them the most prominent ones are rearend accidents and backlashes caused by backup parking This can damage the car and cost money to repair and most of them can be life threatening The detection and implementation of vehicle safety distances are based on this outstanding problem to give drivers the necessary technical hardware facilities This design uses ultrasonic distance measurement to determine the distance between the car body and obstacles to assist the driver in reversing the car safely The core chip for the detection and realization of the safety distance of the car is the AT89C52 singlechip microcomputer This design consists of an ultrasonic transmitting and receiving circuit a display alarm circuit and a reset circuit The design of the software part consists of the main program and several transmit receive calculation and display subprograms The design uses a singlechip microcomputer to control the timing and calculate the distance between the ultrasonic wave and the obstacle to obtain the distance The design is simple in structure good in performance and small in error and can meet the requirement of safely assisting reversing in daily life
Key words：51Single Chip Microcomputer Ultrasonic sersor Ranging
目 录
1 绪 1
11 开发背景 1
111 项目背景 1
112 国外发展状况 1
113 关汽车安全距离检测实现 1
2 超声波概述 2
21 超声波基理 2
211 超声波发展史 2
212 超声波质 2
213 超声波特性 3
22 超声波测距方法原理 4
221 方法种类介绍 4
222 超声波测距原理 5
223 超声波传感器 6
3 系统电路设计 8
31 电路设计 8
311 发射接收电路 8
312 复位电路 9
313 显示报警电路 10
32 电路调试性分析 11
321 电子元件焊接 11
322 电路调试分析 12
4 系统硬件设计 13
41硬件设计 13
5 系统软件设计 15
51软件设计 15
6 误差分析改进 18
61 误差分析 18
611 温度超声波影响 18
612 超声波衰减时间测量影响 18
62 针误差改进方案 19
7 总结展 20
71 项目开发总结 20
72 足展 20
参 考 文 献 21
致谢 22
附录 23
附录二 24
1 绪
11 开发背景
111 项目背景
着汽车制造业日益壮运输业蓬勃发展国汽车数量逐年增加外着中国城市化进程加快数字长期保持高水增长汽车数量年恐怖数字增长造成出行拥挤道路拥挤街巷拥挤停车场车位早供应求汽车生活带便利便利时带问题倒车时等红绿灯时验足驾驶员准确判断距离加限视野会倒车者停车时发生剐蹭碰撞驾驶员造成损失视镜中障碍物高度足通镜子观察清楚者障碍物太车身盲区问题驾驶员盲区模糊视野中样方面驾驶员停车倒车造成便方面带危险
112 国外发展状况
目前止国外公司占领国部分倒车雷达市场国企业占部分市场造成样原国倒车雷达产品质量高生产成外国高劣势国倒车雷达法国外制造相提甚核心部件样国产品法达国外标准法生产19501969年国波兰进口超声仪进行规模生产1976年N2701型超声波测试仪罗马尼亚研制成功种仪器具波形数码显示功重组成晶体分立元件1970年英国CNS公司研制成功款轻便便携式超声仪直1978年10月中国建筑科学院研制出款便携式超声波检测仪现停车入口导航系统已出现国外
113 关汽车安全距离检测实现
汽车安全距离检测实现单片机控制系统LED液晶显示屏蜂鸣器组成功利超声波测距原理倒车入库障碍物行驶时超声波传感器发送超声波设定距离遇障碍物时超声波会反射超声波传感器单片机会运行计算出障碍物离车子距离液晶显示屏会显示物体间实际距离环境温度显示屏信息会驾驶员参考避免发生剐蹭碰撞实现停车倒车安全化
2 超声波概述
21 超声波基理
211 超声波发展史
天晚饭意利科学家Spalltier街散步抬头发现蝙蝠天飞速度非常快没东西发生碰撞总够轻易躲开障碍物棍子面前晃蝙蝠旧躲开停注目思考：昏暗环境里蝙蝠什旧够灵活飞翔？弄清原Spallier做实验先蝙蝠眼睛遮住阻挡鼻子蝙蝠然准确分辨出障碍物发现蝙蝠耳朵阻塞时蝙蝠区分障碍物通实验揭示蝙蝠飞行秘密努力断研究知道蝙蝠什够夜晚飞行密秘通量实验科学家发现种听超声波蝙蝠喉咙发出种超声波听见摸着直线传播种超声波撞击障碍物时会障碍物反弹回手电筒镜子射光线光线反射回种现象差蝙蝠够听种超声波快速做出相应判断天空中飞行捕获食物
直1890—1990年电子技术领域产生超声波问题解决超声波技术门迅速开日子高速发展创新1917年保罗·兰格文利天然压电石英生产种三明治型超声换器该换器成功水探测潜艇着超声军事国民济领域日益广泛应功率超声磁致伸缩换器已某领域产生种类型电静电换器
直1914年类学会超声第次世界战期间德国准确潜艇位置德国军队利声纳原理1940年代期超声治疗欧洲美国兴起1960年代期超声波医生开始应腹部器官检测1956年超声波治疗类某疾病已进入实成熟阶段超声已广泛测速电子元件者钢轨焊接医学应碎石手术工程学测距甚清洁超声波医学军事工业农业项领域中应频繁
212 超声波质
声音种低频高频中高频超声波属声音超声波特殊单位赫兹（Hz）生活中感觉16Hz20KHz声波声波强度高20KHz时称超声波[1]声波量传播形式超声波频率高波长短超声波传播方性强量较集中易损耗够气体液体固体三种介质中传播传播距离较远
213 超声波特性
正常听声音声音生活密切相关通声音交流通声音传递信息然耳朵万什声音听声音频率20000Hz时听周围声音种高频声音称超级声音听觉范围：
图21听觉范围
超声波特点：
（1）光束特性
超声波具光相关特性光第种物质进入种物质时会发现光线变弯曲折射现象说会改变光传播方超声波产生反射折射现象[2]出结：穿两种物质种气体种固体时超声波折射角度会穿固体固体折射角度效果介质密度息息相关
（2）吸收特性
超声波液体固体气体三种介质中传播时着声波传越越远声波强度会着距离增加变弱造成现象原超声波部分量介质吸收声波种介质中传播时候声波频率越高介质吸收力度变强声波频率变时气体液体固体三种介质声波传播吸收效果：气体厉害液体气体逊色固体吸收效果明显
（3）超声波量传递特性
超声波部分行业起关键性作超声波传递量声波传入种介质时会传入介质结构分子造成影响分子活动原汽车需汽油样超声波进入介质时会消耗掉部分量汽油燃烧掉部分普通声波传递量普通声波蕴含量没超声波超声波频率普通声波频率高太传播程中消耗吸收部分庞量然微足道领域超声波应特定方
（4）介质吸收引起衰减特性
超声波介质中传播路线直线时会产生热部分声转化时超声波介质中会介质温度趋衡介质温度高部分热量会传温度低部分行会损失声波量吸热现象导致超声波衰减称吸收衰减衰减系数表示衰减仅包含散射衰减空气介质衰减系数两部分组成式表示：
INT0
（21）
中：k导热系数ρ传播介质密度f超声波频率CP恒定压力热v超声波传播速度η动态粘度系数CV恒定体积热
衰减系数公式表示：
β8π2f2η3ρC3
（22）
Cγ×R×TM 代入（22）：
βf28π2ηM323ργ×R32×T32
（23）
公式（23）知温度恒定时η ρ T 变衰减系数频率方关系正超声波频率变高衰减系数增传播距离变短[3]
22 超声波测距方法原理
221 方法种类介绍
超声波测距方法止种需求测距方法面测距种方法：
（1）相位检测法
相位检测法单分两种：第种方法种频率样超声波进行处理开始发射波长λ1超声波检测回波相位φ1假设波浪周期数m获目标物体距离：
Lm+φ12πλ1
（24）
相推理计算第二光束波形测距公式：
Ln+φ22πλ2
（25）
中：φ2第二波相位角λ2波长n周期数mn均正数
第二种方法超声波探头检测方法测周期循环距离超声波频率40kHz时周期距离L340×000002500085m85mm种方法准确性非常高
（2）振幅检测方法
谓幅度检测法发送固定频率超声波超声波频率固定会直射反射法接收超声波脉强度获目标距离通仔细分析超声回波衰减理中回波脉强度
（3）飞行时间法
超声波传感器发出时开始计时接收停止时间渡越时间超声波温度变特定环境中者温度变化相较环境中温度视常数时超声波速度恒定超声波传感器障碍目标间距离检测渡越时间结合时声速计算出
222 超声波测距原理
超声波测距根公式svt进行知道测距离先知道超声波速度v时间t计时发出超声波刻开始知道接收器收障碍物烦着回超声波止知道先决时间t速度v340ms公式s340t2求测距离s[4]
超声波具高频率量遵守量守恒定律中温度声速v影响果超声波传播程中周围物质温度变化忽略计似认特定环境温度定超声波传播速度似认恒定果测距精度高求应该测量结果加数值校正温度补偿实现目原理图图22示：
图22 超声波测距原理
（26）
（27）
L接收探头发射头中心距离二分
超声波传播距离
(28)
式中v速度T测距时间
式（27）（28）（26）三条公式综合：
(29)
（29）中速度v常数（恒温时）实际测值远远L时(29)变
(210)
知道t时知道距离H
223 超声波传感器
该设计超声波模块选择HCSR04型号型号传感器性非常稳定国外超声波某测距相逞相工作原理采IO口触发进行测距少10us高电会动发送840khz方波动检测信号返回果信号返回会通IO口输出高电[5]核心部分塑料外套者金属外套中块压电晶片款超声波模块工作频率压电晶片振频率样交流电压频率芯片谐振频率相等时输出量灵敏度高[6]
HCSR04引脚功图示：
1VCC：供5V电源
2TRIG：触发控制信号输入
3ECHO：回响信号输出
4GND：线
图22超声波传感器
3 系统电路设计
31 电路设计
该设计STC89C52单片机液晶显示屏键声光报警电路超声波模块电路组成系统核心部分性更STC89C52单片机液晶显示屏够更加直观测数声光报警采蜂鸣器LED信号灯组成蜂鸣器耳朵感官进行刺激LED信号灯会断刺激驾驶员眼睛双重保险驾驶员容进行操作障碍物离车子越蜂鸣器会响越急促LED会加快闪烁频率
图31电路结构图
311 发射接收电路
设计电路系统难点获40KHz信号40KHz信号接收说相稳定频率40KHz时超声波接收器接收灵敏度变通超声波传感器特性曲线分析传输频率40KHz时会获强信号果超远距离感应距离会变短种方法产生40KHz驱动信号电容震荡元件二电感震荡元件驱动信号发生器缺点频率稳定差排序困难制作起更难设计中单片机作信号生成电路系统时钟具频率稳定优秀晶体振荡器稳定性方面挺高
接收信号强度反映障碍物状态距离设置距离限起点非常关键环境定程度会影响反射超声波信号强度调试时定心注意变更距离时收集DC控制实际电压正确选择较起点距离设置值时报警
开始测量距离时单片机开始部执行程序P21端产生10usTTL840KHz脉信号STC89C52单片机产生产生信号部动放继续发送200us时P32端输出回波信号该回波信号检测距离成正STC89C52单片机控制执行程序然获40KHz脉信号稳定信号强信号P01端口产生两级放电路中会产生f0 1 1R8C3中心频率输入信号放25mv输出端子P32高电变低电[7]作中断请求信号然发送单片机进行处理
超声波反射回时候会产生负跳变负跳变接收电路输出产生进行中断请求中断请求信号产生端会产生信号信号旦产生外部中断服务器会执行[8]进行编程读取时差计算出距离
图32超声波模块
312 复位电路
单片机中复位必少重置单片机重新启动外部电路实现复位单片机变成复位初始化状态确保次够复位RST保持高电状态保证RST电变
单片机复位电路般电动复位外部键手动复位电动复位会产生正脉[9]脉RST端子正正脉单片机复位键电复位实现方法电阻复位端连接VCC电源设计结构简单外界环境没太求采外部键手动复位
图33复位电路
313 显示报警电路
说典型输出设备提显示器具广阔应前景现实生活中电子产品般带显示器显示器差异显示结构差LED发光二极简单显示器提供简单开关信息CRT监视器屏幕中更LCD屏幕复杂更完整显示器
采LCD1602液晶显示做显示器该显示器部处理器解决部分问题单片机相应规送相应数字显示器件会显示设置容数码需停扫描样效率较起LCD1602液晶显示屏说效率低采LCD1602液晶显示屏省单片机少功夫LCD1602数码说显示更字符显示方式更加直观目然相关参数驾驶员操作非常便利显示结果超预设值时蜂鸣器会发出警报声警报灯会停闪烁显示值离预设值越报警声越急促
图34LCD1602单片机接口电路图
图35报警电路
32 电路调试性分析
321 电子元件焊接
电子产品电子元件组成电子元件需焊锡固定者连接元件操作做焊接焊接非常重焊接质量直接反应出件电子产品坏焊接美观保证质量会吸引买家会遭卖家嫌弃
焊接点基求第电气连接焊接电路中电子元件焊锡导线连接起手段焊接连接导线结接触通焊接结合点形成熔池固定电子元件第二足够机械强度焊接仅电子元件连接起形成回路焊接电子元件固定电路板第三电子产品整洁外观良焊接材料高超技术支持保证电子产品外观具金属光泽毛刺凸起连接稳虚焊接等现象时会损害电线绝缘层相邻组件外观
322电路调试分析
系统否正常工作前提取决电源电路否正常第步调试电源确定电源没问题连接电源第检查电路连接没错误第二直观检查检查电子元件间没短路引脚出没接触良然测试电路否行系列测试电压输出应5V部分正常
4 系统硬件设计
41硬件设计
鉴HCSR04超声波测距模块良性该设计选择作测距模块测距限400厘米误差值超3毫米该设计性指数HCSR04超声波测距模块电力变量基础该设计超越测量范围提供2厘米200厘米非接触距离感知功1cm设计显示准确度1cm低测量准确度该设计提供9数保存进行测距数保存中数保存中STC89C52单片机应电子产品应性太款单片机着MCS51典核拥8k字节Flash定时器32位io口线316位计数器四外部中断工作频率范围040HZ承受高工作温度85℃通微处理器闪存结合起重复重写闪存效节省开发成
单片机接口功：
P10：生成输出40KHz脉信号
P11：生成然输出40KHz脉信号
P12：生成然输出40KHz脉信号
INT0：生成中断请求方测距电路连接起
INT1：INT0接口功样
P13：连接ICA3输入端作判断中断优先级
P14：P13作样
P00〜P07：引脚显示输出引脚连接显示器
P27：连接报警电路
P20：P27作样
P21：P27作样
XTAL1：外部晶振引脚连接反相放器输入（单片机部）
XTAL2：外部晶振引脚连接连接振荡器反相放器输出部时钟发生器输入（单片机部）[10]
RST：复位信号输入引脚复位芯片时您需该引脚电位提高高电两机器周期保持恒定STC89C52完成系统复位工作部特殊功寄存器设置已知状态
图41单片机引脚图
5 系统软件设计
51软件设计
脑控制着行样单片机需脑控制脑程序实现整单片机系统软件功程序第步完成初始化程第二步键检测第三测距函数显示结果显示结果超预设值时蜂鸣器会发出警报声显示值离预设值越报警声越急促
图51单片机软件程序流程
超声波测距基功系统硬件显示系统功实现数处理应系统软件实现系统软件功需实现：
（1）信号控制
系统软件中实现信号控制非增益控制栅极控制两实现实现信号控制然发射脉信号中忽视问题实现发射脉信号峰值采集信号距离控制信号三信号定时输出信号控制缺失环
（2）数存储
首先读出计数器中计算出值然读出值存储RAM中目获时间差时间差发射信号接收回波间产生次进行周期时必须计数器清出次周期
（3）信号处理
信号处理剔筛选出留RAM中存储计数值液晶显示屏显示值样前者数值者液晶显示屏显示值需转换显示距离高电时间*声速
（340M S） 2
（51）
（4）数传输显示
测出距离通LED液晶显示屏显示设计单片机STC89C52作芯片控制流程进行严密思考测数值初始传输程开始等中断响应执行中断响应原始数中计数显示距离值
（5）显示数程序
显示测试程序功单片机处理完毕距离值显示LED液晶显示屏显示流程图：
图52显示数流程图
（6）键子程序
程序作调节测距限键开始测距停止测距流程图：
图53键子程序图
（7）报警子程序
报警程序功发出警报测出值低设定限值时蜂鸣器发出警报声测出值离限值越远报警声会越急促流程图：
图54报警子程序图
6 误差分析改进
61 误差分析
611 温度超声波影响
空气中机械振动产生波波超声波气体进行压缩受热引起膨胀压缩膨胀会弹性模量弹性模量受温度气体密度影响：
uIRI
（61）
C指气体弹性模量r指气体密度B指气体弹性模量根理想气体中压缩特性分析出公式[11]：B g•r中g恒压热容恒容热容空气140P代表气压气体压力表示：
uIRI
（62）
中T代表气体绝温度（K）M代表气体分子量R代表通常数8314kg mol空气288×103kg mol
uIRI
（63）
公式63出超声波传播速度温度密切相关果准确数必须考虑温度外界素
612 超声波衰减时间测量影响
超声波发射器发射出气体遇障碍物会反射回接收器超声波历程会削弱削弱遵循指数规律超声波接收器x定距离处测物体描述：
（64）
式（64）中超声传感器接收幅度A代表α衰减系数x超声波距离k波数α b•f衰减系数中空气介质常数b超声波频率f[12]中出结f越高衰减越快时f高会产生震动超声波频率变快时传播方性越强利距离测量
62 针误差改进方案
实际应中精确度超声波测距关键技术方法提高测距精度：
（1）合理选择脉宽度脉发射周期超声波工作频率
根相关研究发现f 40kHz超声波测距工作佳频率：发射脉宽度通常应填充波周期高10倍：T> 025s微机分析处理数速度脉传输周期选择求果速度变快选择脉传输周期会变短
（2）需负反馈控制调整超声波接收电路中连接增益调整动增益超声波接收波振幅着距离增加呈现出指数降趋势增益调整电路电路放率距离增加呈指数增加造成接收器波形幅度会测距离变化波形稳定需前负反馈连接控制
（3）减少时间量化产生误差提高定时精度
例芯片定时器时间量化误差引起测距误差变原计数频率升高外部硬件定时电路样时间量化误差会变
（4）温度超声波速度影响
温度压力等素会影响超声波介质中传播中温度速度影响显著必须定程度予补偿温度
7 总结展
71 项目开发总结
文分析汽车生活中种缺少交通工具基础提出汽车安全距离检测实现文超声波原理实现进行详细介绍汽车安全距离检测实现核心芯片AT89C52单片机设计超声波发射接收电路显示报警电路复位电路组成软件部分设计程序发射接收计算显示子程序组成该设计单片机控制计时计算超声波发射端障碍物速度获距离
液晶显示屏会显示物体间实际距离环境温度显示屏信息会驾驶员参考避免发生剐蹭碰撞该设计汽车安全距离检测实现应倒车等种场合实现停车倒车安全化
72 足展
然该设计具测距功实际应中需进步改进许问题需考虑温度回形检测时间测量超声波传感器附加额脉电压会测距产生影响外次测量障碍物时倾斜表面复杂界面会影响测量准确性述缺陷需进步改善相信着科学断发展汽车驾驶中完美实现汽车安全距离检测
参 考 文 献
[1]宋震 高速公路安全行车车距数学模型研究[J] 科技资讯 2010(32)1010
[2]陈正军邬华方爱华 基凌阳61系列单片机超声波测距系统[J] 科技传播 2010(11)152153
[3]丁守成 基MSP430单片机超声波测距系统设计实现[J] 现代科学仪器 2009(05)6062
[4]王红艳 超声波测距仪研究设计[J] 课外阅读：中 2012(10)22
[5]高三阳鞠洪涛陈雁忠李军明贺赵天宇 传感器机器避障系统设计[J] 单片机嵌入式系统应 2019(02)7175
[6]梁春美 舰艇暗礁预警报警排水系统设计[J] 信息通信 2014(07)4849
[7]常凯卢庆林 基种高精度超声波测距仪研究[J] 科技创新应 2013(07)2121
[8]段永霞徐杰徐玓 基AT89C51单片机倒车防撞预警系统设计[J] 广西轻工业 2010(03)6364
[9]郭丽颖 基单片机超声波测距电路设计[J] 动化技术应 2010(06)106108
[10]刘鑫朱靖玉 基单片机倒车雷达设计[J] 电子设计工程 2012(01)100103
[11]高容苏玉萍刘洪涛 基超声波汽车倒车动防御系统[J] 动化仪器仪表 2013(02)135136
[12]顾雪荣 浅谈超声波测距系统[J] 中国科技博览 2010(15)11
[13]刘洪恩 汽车倒车防撞超声波雷达设计[J] 仪表技术 2008(04)1819
[14]殷婷杨辰 超声波传感器应[J] 商情 2010(16)11
[15]董彤刘佳 超声波传感器纸币清分机应[J] 仪表技术传感器 2014(03)102104
[16]朱靖玉刘鑫周永兵 基单片机CPLD间隔脉产生电路[J] 电子设计工程 2012(04)165167
[17]杨胡德民 联合收割机喂入量信号采集电路设计研究[J] 安徽农业科学 2008(35)480482
[18]林二妹 基AT89S51单片机超声波测距系统设计[J] 陕西科技学学报(然科学版) 2013(04)133136
[19]陈军俊 基Arduino技术六足机器声呐测距功设计实现[J] 电脑知识技术：学术交流 2018(5Z)44
[20]姚旺 基AT89S52单片机超声波测距仪设计[J] 中国科技横 2015(7)11
[21]李文辉 基8051单片机功汽车开车控制器[J] 动化仪器仪表 2010(01)5356
附录
附录二
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汽车安全距离检测实现
Detection and implementation of automobile safety distance
容摘
进入21世纪国汽车行业发展迅速汽车出行更加方便汽车增引发系列安全问题中突出追尾事倒车停车造成剐蹭汽车损坏花钱修理会生命危险汽车安全距离检测实现基突出问题予驾驶员必技术硬件设施设计利超声波测距判断车体障碍物间距离辅助驾驶员安全倒车汽车安全距离检测实现核心芯片AT89C52单片机设计超声波发射接收电路显示报警电路复位电路组成软件部分设计程序发射接收计算显示子程序组成该设计单片机控制计时计算超声波发射端障碍物速度获距离该设计结构简单性误差满足日常生活中安全辅助倒车
关键词：51单片机 超声波传感器 测距
□
Abstract
Since the beginning of the 21st century China＇s automobile industry has developed rapidly and automobiles have made people more convenient to travel but the increase of automobiles has also caused a series of safety problems Among them the most prominent ones are rearend accidents and backlashes caused by backup parking This can damage the car and cost money to repair and most of them can be life threatening The detection and implementation of vehicle safety distances are based on this outstanding problem to give drivers the necessary technical hardware facilities This design uses ultrasonic distance measurement to determine the distance between the car body and obstacles to assist the driver in reversing the car safely The core chip for the detection and realization of the safety distance of the car is the AT89C52 singlechip microcomputer This design consists of an ultrasonic transmitting and receiving circuit a display alarm circuit and a reset circuit The design of the software part consists of the main program and several transmit receive calculation and display subprograms The design uses a singlechip microcomputer to control the timing and calculate the distance between the ultrasonic wave and the obstacle to obtain the distance The design is simple in structure good in performance and small in error and can meet the requirement of safely assisting reversing in daily life
Key words：51Single Chip Microcomputer Ultrasonic sersor Ranging
目 录
1 绪 1
11 开发背景 1
111 项目背景 1
112 国外发展状况 1
113 关汽车安全距离检测实现 1
2 超声波概述 2
21 超声波基理 2
211 超声波发展史 2
212 超声波质 2
213 超声波特性 3
22 超声波测距方法原理 4
221 方法种类介绍 4
222 超声波测距原理 5
223 超声波传感器 6
3 系统电路设计 8
31 电路设计 8
311 发射接收电路 8
312 复位电路 9
313 显示报警电路 10
32 电路调试性分析 11
321 电子元件焊接 11
322 电路调试分析 12
4 系统硬件设计 13
41硬件设计 13
5 系统软件设计 15
51软件设计 15
6 误差分析改进 18
61 误差分析 18
611 温度超声波影响 18
612 超声波衰减时间测量影响 18
62 针误差改进方案 19
7 总结展 20
71 项目开发总结 20
72 足展 20
参 考 文 献 21
致谢 22
附录 23
附录二 24
1 绪
11 开发背景
111 项目背景
着汽车制造业日益壮运输业蓬勃发展国汽车数量逐年增加外着中国城市化进程加快数字长期保持高水增长汽车数量年恐怖数字增长造成出行拥挤道路拥挤街巷拥挤停车场车位早供应求汽车生活带便利便利时带问题倒车时等红绿灯时验足驾驶员准确判断距离加限视野会倒车者停车时发生剐蹭碰撞驾驶员造成损失视镜中障碍物高度足通镜子观察清楚者障碍物太车身盲区问题驾驶员盲区模糊视野中样方面驾驶员停车倒车造成便方面带危险
112 国外发展状况
目前止国外公司占领国部分倒车雷达市场国企业占部分市场造成样原国倒车雷达产品质量高生产成外国高劣势国倒车雷达法国外制造相提甚核心部件样国产品法达国外标准法生产19501969年国波兰进口超声仪进行规模生产1976年N2701型超声波测试仪罗马尼亚研制成功种仪器具波形数码显示功重组成晶体分立元件1970年英国CNS公司研制成功款轻便便携式超声仪直1978年10月中国建筑科学院研制出款便携式超声波检测仪现停车入口导航系统已出现国外
113 关汽车安全距离检测实现
汽车安全距离检测实现单片机控制系统LED液晶显示屏蜂鸣器组成功利超声波测距原理倒车入库障碍物行驶时超声波传感器发送超声波设定距离遇障碍物时超声波会反射超声波传感器单片机会运行计算出障碍物离车子距离液晶显示屏会显示物体间实际距离环境温度显示屏信息会驾驶员参考避免发生剐蹭碰撞实现停车倒车安全化
2 超声波概述
21 超声波基理
211 超声波发展史
天晚饭意利科学家Spalltier街散步抬头发现蝙蝠天飞速度非常快没东西发生碰撞总够轻易躲开障碍物棍子面前晃蝙蝠旧躲开停注目思考：昏暗环境里蝙蝠什旧够灵活飞翔？弄清原Spallier做实验先蝙蝠眼睛遮住阻挡鼻子蝙蝠然准确分辨出障碍物发现蝙蝠耳朵阻塞时蝙蝠区分障碍物通实验揭示蝙蝠飞行秘密努力断研究知道蝙蝠什够夜晚飞行密秘通量实验科学家发现种听超声波蝙蝠喉咙发出种超声波听见摸着直线传播种超声波撞击障碍物时会障碍物反弹回手电筒镜子射光线光线反射回种现象差蝙蝠够听种超声波快速做出相应判断天空中飞行捕获食物
直1890—1990年电子技术领域产生超声波问题解决超声波技术门迅速开日子高速发展创新1917年保罗·兰格文利天然压电石英生产种三明治型超声换器该换器成功水探测潜艇着超声军事国民济领域日益广泛应功率超声磁致伸缩换器已某领域产生种类型电静电换器
直1914年类学会超声第次世界战期间德国准确潜艇位置德国军队利声纳原理1940年代期超声治疗欧洲美国兴起1960年代期超声波医生开始应腹部器官检测1956年超声波治疗类某疾病已进入实成熟阶段超声已广泛测速电子元件者钢轨焊接医学应碎石手术工程学测距甚清洁超声波医学军事工业农业项领域中应频繁
212 超声波质
声音种低频高频中高频超声波属声音超声波特殊单位赫兹（Hz）生活中感觉16Hz20KHz声波声波强度高20KHz时称超声波[1]声波量传播形式超声波频率高波长短超声波传播方性强量较集中易损耗够气体液体固体三种介质中传播传播距离较远
213 超声波特性
正常听声音声音生活密切相关通声音交流通声音传递信息然耳朵万什声音听声音频率20000Hz时听周围声音种高频声音称超级声音听觉范围：
图21听觉范围
超声波特点：
（1）光束特性
超声波具光相关特性光第种物质进入种物质时会发现光线变弯曲折射现象说会改变光传播方超声波产生反射折射现象[2]出结：穿两种物质种气体种固体时超声波折射角度会穿固体固体折射角度效果介质密度息息相关
（2）吸收特性
超声波液体固体气体三种介质中传播时着声波传越越远声波强度会着距离增加变弱造成现象原超声波部分量介质吸收声波种介质中传播时候声波频率越高介质吸收力度变强声波频率变时气体液体固体三种介质声波传播吸收效果：气体厉害液体气体逊色固体吸收效果明显
（3）超声波量传递特性
超声波部分行业起关键性作超声波传递量声波传入种介质时会传入介质结构分子造成影响分子活动原汽车需汽油样超声波进入介质时会消耗掉部分量汽油燃烧掉部分普通声波传递量普通声波蕴含量没超声波超声波频率普通声波频率高太传播程中消耗吸收部分庞量然微足道领域超声波应特定方
（4）介质吸收引起衰减特性
超声波介质中传播路线直线时会产生热部分声转化时超声波介质中会介质温度趋衡介质温度高部分热量会传温度低部分行会损失声波量吸热现象导致超声波衰减称吸收衰减衰减系数表示衰减仅包含散射衰减空气介质衰减系数两部分组成式表示：
INT0
（21）
中：k导热系数ρ传播介质密度f超声波频率CP恒定压力热v超声波传播速度η动态粘度系数CV恒定体积热
衰减系数公式表示：
β8π2f2η3ρC3
（22）
Cγ×R×TM 代入（22）：
βf28π2ηM323ργ×R32×T32
（23）
公式（23）知温度恒定时η ρ T 变衰减系数频率方关系正超声波频率变高衰减系数增传播距离变短[3]
22 超声波测距方法原理
221 方法种类介绍
超声波测距方法止种需求测距方法面测距种方法：
（1）相位检测法
相位检测法单分两种：第种方法种频率样超声波进行处理开始发射波长λ1超声波检测回波相位φ1假设波浪周期数m获目标物体距离：
Lm+φ12πλ1
（24）
相推理计算第二光束波形测距公式：
Ln+φ22πλ2
（25）
中：φ2第二波相位角λ2波长n周期数mn均正数
第二种方法超声波探头检测方法测周期循环距离超声波频率40kHz时周期距离L340×000002500085m85mm种方法准确性非常高
（2）振幅检测方法
谓幅度检测法发送固定频率超声波超声波频率固定会直射反射法接收超声波脉强度获目标距离通仔细分析超声回波衰减理中回波脉强度
（3）飞行时间法
超声波传感器发出时开始计时接收停止时间渡越时间超声波温度变特定环境中者温度变化相较环境中温度视常数时超声波速度恒定超声波传感器障碍目标间距离检测渡越时间结合时声速计算出
222 超声波测距原理
超声波测距根公式svt进行知道测距离先知道超声波速度v时间t计时发出超声波刻开始知道接收器收障碍物烦着回超声波止知道先决时间t速度v340ms公式s340t2求测距离s[4]
超声波具高频率量遵守量守恒定律中温度声速v影响果超声波传播程中周围物质温度变化忽略计似认特定环境温度定超声波传播速度似认恒定果测距精度高求应该测量结果加数值校正温度补偿实现目原理图图22示：
图22 超声波测距原理
（26）
（27）
L接收探头发射头中心距离二分
超声波传播距离
(28)
式中v速度T测距时间
式（27）（28）（26）三条公式综合：
(29)
（29）中速度v常数（恒温时）实际测值远远L时(29)变
(210)
知道t时知道距离H
223 超声波传感器
该设计超声波模块选择HCSR04型号型号传感器性非常稳定国外超声波某测距相逞相工作原理采IO口触发进行测距少10us高电会动发送840khz方波动检测信号返回果信号返回会通IO口输出高电[5]核心部分塑料外套者金属外套中块压电晶片款超声波模块工作频率压电晶片振频率样交流电压频率芯片谐振频率相等时输出量灵敏度高[6]
HCSR04引脚功图示：
1VCC：供5V电源
2TRIG：触发控制信号输入
3ECHO：回响信号输出
4GND：线
图22超声波传感器
3 系统电路设计
31 电路设计
该设计STC89C52单片机液晶显示屏键声光报警电路超声波模块电路组成系统核心部分性更STC89C52单片机液晶显示屏够更加直观测数声光报警采蜂鸣器LED信号灯组成蜂鸣器耳朵感官进行刺激LED信号灯会断刺激驾驶员眼睛双重保险驾驶员容进行操作障碍物离车子越蜂鸣器会响越急促LED会加快闪烁频率
图31电路结构图
311 发射接收电路
设计电路系统难点获40KHz信号40KHz信号接收说相稳定频率40KHz时超声波接收器接收灵敏度变通超声波传感器特性曲线分析传输频率40KHz时会获强信号果超远距离感应距离会变短种方法产生40KHz驱动信号电容震荡元件二电感震荡元件驱动信号发生器缺点频率稳定差排序困难制作起更难设计中单片机作信号生成电路系统时钟具频率稳定优秀晶体振荡器稳定性方面挺高
接收信号强度反映障碍物状态距离设置距离限起点非常关键环境定程度会影响反射超声波信号强度调试时定心注意变更距离时收集DC控制实际电压正确选择较起点距离设置值时报警
开始测量距离时单片机开始部执行程序P21端产生10usTTL840KHz脉信号STC89C52单片机产生产生信号部动放继续发送200us时P32端输出回波信号该回波信号检测距离成正STC89C52单片机控制执行程序然获40KHz脉信号稳定信号强信号P01端口产生两级放电路中会产生f0 1 1R8C3中心频率输入信号放25mv输出端子P32高电变低电[7]作中断请求信号然发送单片机进行处理
超声波反射回时候会产生负跳变负跳变接收电路输出产生进行中断请求中断请求信号产生端会产生信号信号旦产生外部中断服务器会执行[8]进行编程读取时差计算出距离
图32超声波模块
312 复位电路
单片机中复位必少重置单片机重新启动外部电路实现复位单片机变成复位初始化状态确保次够复位RST保持高电状态保证RST电变
单片机复位电路般电动复位外部键手动复位电动复位会产生正脉[9]脉RST端子正正脉单片机复位键电复位实现方法电阻复位端连接VCC电源设计结构简单外界环境没太求采外部键手动复位
图33复位电路
313 显示报警电路
说典型输出设备提显示器具广阔应前景现实生活中电子产品般带显示器显示器差异显示结构差LED发光二极简单显示器提供简单开关信息CRT监视器屏幕中更LCD屏幕复杂更完整显示器
采LCD1602液晶显示做显示器该显示器部处理器解决部分问题单片机相应规送相应数字显示器件会显示设置容数码需停扫描样效率较起LCD1602液晶显示屏说效率低采LCD1602液晶显示屏省单片机少功夫LCD1602数码说显示更字符显示方式更加直观目然相关参数驾驶员操作非常便利显示结果超预设值时蜂鸣器会发出警报声警报灯会停闪烁显示值离预设值越报警声越急促
图34LCD1602单片机接口电路图
图35报警电路
32 电路调试性分析
321 电子元件焊接
电子产品电子元件组成电子元件需焊锡固定者连接元件操作做焊接焊接非常重焊接质量直接反应出件电子产品坏焊接美观保证质量会吸引买家会遭卖家嫌弃
焊接点基求第电气连接焊接电路中电子元件焊锡导线连接起手段焊接连接导线结接触通焊接结合点形成熔池固定电子元件第二足够机械强度焊接仅电子元件连接起形成回路焊接电子元件固定电路板第三电子产品整洁外观良焊接材料高超技术支持保证电子产品外观具金属光泽毛刺凸起连接稳虚焊接等现象时会损害电线绝缘层相邻组件外观
322电路调试分析
系统否正常工作前提取决电源电路否正常第步调试电源确定电源没问题连接电源第检查电路连接没错误第二直观检查检查电子元件间没短路引脚出没接触良然测试电路否行系列测试电压输出应5V部分正常
4 系统硬件设计
41硬件设计
鉴HCSR04超声波测距模块良性该设计选择作测距模块测距限400厘米误差值超3毫米该设计性指数HCSR04超声波测距模块电力变量基础该设计超越测量范围提供2厘米200厘米非接触距离感知功1cm设计显示准确度1cm低测量准确度该设计提供9数保存进行测距数保存中数保存中STC89C52单片机应电子产品应性太款单片机着MCS51典核拥8k字节Flash定时器32位io口线316位计数器四外部中断工作频率范围040HZ承受高工作温度85℃通微处理器闪存结合起重复重写闪存效节省开发成
单片机接口功：
P10：生成输出40KHz脉信号
P11：生成然输出40KHz脉信号
P12：生成然输出40KHz脉信号
INT0：生成中断请求方测距电路连接起
INT1：INT0接口功样
P13：连接ICA3输入端作判断中断优先级
P14：P13作样
P00〜P07：引脚显示输出引脚连接显示器
P27：连接报警电路
P20：P27作样
P21：P27作样
XTAL1：外部晶振引脚连接反相放器输入（单片机部）
XTAL2：外部晶振引脚连接连接振荡器反相放器输出部时钟发生器输入（单片机部）[10]
RST：复位信号输入引脚复位芯片时您需该引脚电位提高高电两机器周期保持恒定STC89C52完成系统复位工作部特殊功寄存器设置已知状态
图41单片机引脚图
5 系统软件设计
51软件设计
脑控制着行样单片机需脑控制脑程序实现整单片机系统软件功程序第步完成初始化程第二步键检测第三测距函数显示结果显示结果超预设值时蜂鸣器会发出警报声显示值离预设值越报警声越急促
图51单片机软件程序流程
超声波测距基功系统硬件显示系统功实现数处理应系统软件实现系统软件功需实现：
（1）信号控制
系统软件中实现信号控制非增益控制栅极控制两实现实现信号控制然发射脉信号中忽视问题实现发射脉信号峰值采集信号距离控制信号三信号定时输出信号控制缺失环
（2）数存储
首先读出计数器中计算出值然读出值存储RAM中目获时间差时间差发射信号接收回波间产生次进行周期时必须计数器清出次周期
（3）信号处理
信号处理剔筛选出留RAM中存储计数值液晶显示屏显示值样前者数值者液晶显示屏显示值需转换显示距离高电时间*声速
（340M S） 2
（51）
（4）数传输显示
测出距离通LED液晶显示屏显示设计单片机STC89C52作芯片控制流程进行严密思考测数值初始传输程开始等中断响应执行中断响应原始数中计数显示距离值
（5）显示数程序
显示测试程序功单片机处理完毕距离值显示LED液晶显示屏显示流程图：
图52显示数流程图
（6）键子程序
程序作调节测距限键开始测距停止测距流程图：
图53键子程序图
（7）报警子程序
报警程序功发出警报测出值低设定限值时蜂鸣器发出警报声测出值离限值越远报警声会越急促流程图：
图54报警子程序图
6 误差分析改进
61 误差分析
611 温度超声波影响
空气中机械振动产生波波超声波气体进行压缩受热引起膨胀压缩膨胀会弹性模量弹性模量受温度气体密度影响：
uIRI
（61）
C指气体弹性模量r指气体密度B指气体弹性模量根理想气体中压缩特性分析出公式[11]：B g•r中g恒压热容恒容热容空气140P代表气压气体压力表示：
uIRI
（62）
中T代表气体绝温度（K）M代表气体分子量R代表通常数8314kg mol空气288×103kg mol
uIRI
（63）
公式63出超声波传播速度温度密切相关果准确数必须考虑温度外界素
612 超声波衰减时间测量影响
超声波发射器发射出气体遇障碍物会反射回接收器超声波历程会削弱削弱遵循指数规律超声波接收器x定距离处测物体描述：
（64）
式（64）中超声传感器接收幅度A代表α衰减系数x超声波距离k波数α b•f衰减系数中空气介质常数b超声波频率f[12]中出结f越高衰减越快时f高会产生震动超声波频率变快时传播方性越强利距离测量
62 针误差改进方案
实际应中精确度超声波测距关键技术方法提高测距精度：
（1）合理选择脉宽度脉发射周期超声波工作频率
根相关研究发现f 40kHz超声波测距工作佳频率：发射脉宽度通常应填充波周期高10倍：T> 025s微机分析处理数速度脉传输周期选择求果速度变快选择脉传输周期会变短
（2）需负反馈控制调整超声波接收电路中连接增益调整动增益超声波接收波振幅着距离增加呈现出指数降趋势增益调整电路电路放率距离增加呈指数增加造成接收器波形幅度会测距离变化波形稳定需前负反馈连接控制
（3）减少时间量化产生误差提高定时精度
例芯片定时器时间量化误差引起测距误差变原计数频率升高外部硬件定时电路样时间量化误差会变
（4）温度超声波速度影响
温度压力等素会影响超声波介质中传播中温度速度影响显著必须定程度予补偿温度
7 总结展
71 项目开发总结
文分析汽车生活中种缺少交通工具基础提出汽车安全距离检测实现文超声波原理实现进行详细介绍汽车安全距离检测实现核心芯片AT89C52单片机设计超声波发射接收电路显示报警电路复位电路组成软件部分设计程序发射接收计算显示子程序组成该设计单片机控制计时计算超声波发射端障碍物速度获距离
液晶显示屏会显示物体间实际距离环境温度显示屏信息会驾驶员参考避免发生剐蹭碰撞该设计汽车安全距离检测实现应倒车等种场合实现停车倒车安全化
72 足展
然该设计具测距功实际应中需进步改进许问题需考虑温度回形检测时间测量超声波传感器附加额脉电压会测距产生影响外次测量障碍物时倾斜表面复杂界面会影响测量准确性述缺陷需进步改善相信着科学断发展汽车驾驶中完美实现汽车安全距离检测
参 考 文 献
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[2]陈正军邬华方爱华 基凌阳61系列单片机超声波测距系统[J] 科技传播 2010(11)152153
[3]丁守成 基MSP430单片机超声波测距系统设计实现[J] 现代科学仪器 2009(05)6062
[4]王红艳 超声波测距仪研究设计[J] 课外阅读：中 2012(10)22
[5]高三阳鞠洪涛陈雁忠李军明贺赵天宇 传感器机器避障系统设计[J] 单片机嵌入式系统应 2019(02)7175
[6]梁春美 舰艇暗礁预警报警排水系统设计[J] 信息通信 2014(07)4849
[7]常凯卢庆林 基种高精度超声波测距仪研究[J] 科技创新应 2013(07)2121
[8]段永霞徐杰徐玓 基AT89C51单片机倒车防撞预警系统设计[J] 广西轻工业 2010(03)6364
[9]郭丽颖 基单片机超声波测距电路设计[J] 动化技术应 2010(06)106108
[10]刘鑫朱靖玉 基单片机倒车雷达设计[J] 电子设计工程 2012(01)100103
[11]高容苏玉萍刘洪涛 基超声波汽车倒车动防御系统[J] 动化仪器仪表 2013(02)135136
[12]顾雪荣 浅谈超声波测距系统[J] 中国科技博览 2010(15)11
[13]刘洪恩 汽车倒车防撞超声波雷达设计[J] 仪表技术 2008(04)1819
[14]殷婷杨辰 超声波传感器应[J] 商情 2010(16)11
[15]董彤刘佳 超声波传感器纸币清分机应[J] 仪表技术传感器 2014(03)102104
[16]朱靖玉刘鑫周永兵 基单片机CPLD间隔脉产生电路[J] 电子设计工程 2012(04)165167
[17]杨胡德民 联合收割机喂入量信号采集电路设计研究[J] 安徽农业科学 2008(35)480482
[18]林二妹 基AT89S51单片机超声波测距系统设计[J] 陕西科技学学报(然科学版) 2013(04)133136
[19]陈军俊 基Arduino技术六足机器声呐测距功设计实现[J] 电脑知识技术：学术交流 2018(5Z)44
[20]姚旺 基AT89S52单片机超声波测距仪设计[J] 中国科技横 2015(7)11
[21]李文辉 基8051单片机功汽车开车控制器[J] 动化仪器仪表 2010(01)5356
附录
附录二
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