基于单片机的汽车倒车测距仪的设计自考本科毕业论文(设计) 2.doc

本科生毕业论文（设计）基于单片机的汽车倒车测距仪的设计学 院： 江西科技学院 专 业： 机电一体化 班 级： 201305机电一体化 学生姓名： 傅耀平 指导老师： 黄雁彬 完成日期： 2014/4/9 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名： 傅耀平 签字日期： 2014 年4月9日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上相应方框内打“” ）学位论文作者签名： 傅耀平 指导老师签名： 签字日期：2014年4月9日 签字日期： 年 月 日摘要近年来，汽车的数量不断攀升,导致了交通运输业日渐壮大。相应的，也会导致交通拥挤愈加严重，车祸不断的发生，不仅导致了经济大量损失，而且危机了人们的生命安全，针对这种现象，我们设计了一种汽车防撞预警系统，它不仅效率高，可靠性好而且比较便宜实用，我们根据超声波在测距上的应用，加以改进，即利用超声波测距法实现的一种倒车防撞报警系统。这种控制系统核心的部分在于超声波测距仪的研制。我们采用以AT89C51单片机作为基础，它不仅成本低、而且精度高。电路用分块的思想处理，软件部分分成了主程序与中断程序两大类，硬件部分对发射与接收原理进行了详细的分析，最后得出了设计方案。关键词：AT89C51; 超声波；测距AbstractIn recent years, the number of cars rising, causing the traffic transportation industry growing. Accordingly, can lead to more serious traffic congestion, traffic accidents ， not only leads to a lot of economic loss, but also the crisis of the life safety of people, according to this phenomenon, we designed an automobile anti-collision warning system, it not only has high efficiency, good reliability and relatively cheap and practical, we according to the application, ultrasonic wave at distance is improved, a reverse collision warning system is realized by using ultrasonic ranging method. This control system is the core part of the design of ultrasonic rangefinder.We use the MCU AT89C51 as the foundation, it has the advantages of low cost, high accuracy and. Thought processing block circuit, the software part is divided into the main program and interrupt program two categories, the hardware part has carried on the detailed analysis of the transmitting and receiving principle, finally draws a design scheme.Key words:AT89C31; Silent Wave；Measure Distance 目 录第1章 绪论1课题设计的目的及意义1设计的目的及意义1超声波测距系统的设计思路1超声波测距原理1超声波测距原理框图2设计的任务和要求21.3.1.设计任务2设计要求21.3.3.设计内容2设计成果2第2章 问题的方案设计与论证3系统整体方案的设计32.2 系统整体方案的论证3第3章 系统的硬件结构设计43.1 51系列单片机的功能特点及测距原理43.1.1 51系列单片机的功能特点43.1.2 单片机测距原理的实现53.2 超声波发射电路的设计5超声波接收电路的设计63.4 74ls16473.5 24C0283.6 LM35893.7 LM5679第4章 系统软件的设计114.1 超声波测距仪的算法设计114.2 主程序流程图11超声波发生子程序和超声波接收中断程序12第5章 结论与展望13参考文献14附 录15致 谢16第1章 绪论设计的目的及意义随着社会飞速发展，人们生活水平的不断提高，汽车愈来愈成为人们不可缺少的最常用的交通工具，交通安全问题变的日益严重。而通过研究汽车倒车雷达系统，可以达到很高的采集速率和精度。汽车倒车时可以检测车辆后面的障碍物、并显示其距离，至危险区域后会自动报警。本设计综合了电子技术、计算机技术、数据处理技术等知识，设计利用单片机控制的汽车倒车雷达超声波测距系统，实现汽车倒车的安全保障，这就是我设计的意义。超声波测距原理经过不停的接收超声波发射后碰到被测物后反射的超声波，得出发射到接收的时间差t，通过公式s=ct/2，其中c为超声波在空气中的传播速度，一般取340m/s，s为被测物与发射两者点之间的距离。在实际情况中，超声波的传播速度与空气温度是有关的，不是个定值，通过实验检测分析，列出了温度与声速关系表：表1.1 超声波波速与温度的关系表温度（）-25-15-5051525声速（m/s）316318322323324328330通过以上数据分析得出：温度每升高1摄氏度，声速增加/s，通过改变硬件电路，比如增加温度补偿，可以大大提高测距精度，除了硬件改进，还可以通过改进软件算法来增加精度，在温度不变的情况下，声速c一般为不变的量，340M/S。如果环境温度变化显著，那么就必须考虑温度补偿问题。只需测量往返的时间，声速一定后，两者之间的距离就能算出。超声波测距原理框图超声波发射器放大电路超声波接收器放大电路锁相环检波电路定时器单片机控制显示器 图1.1 超声波测距仪原理框图下面对上述原理图进行分析： 单片机首先发射出一个40kHZ的信号，通过放大电路，接入超声波发射器，启动发射器，发射信号，信号传入超声波接收器中，在经过放大电路放大，接入锁相环检波电路中，经过检波处理后，传输没错误时，单片机会进入中断程序中，就能得出发射器与接收器两者之间的时间差t，经过程序处理，就可以得到两者之间的距离，最后将数据传入LED显示 。.设计任务利用AT89C51单片机、超声波接收器、超声波发射器，LED显示器等电路组成超声波测距系统。设计要求(1)当汽车倒车距离25cm时，测距系统会自动报警(2)测量精度±6%(3)测距范围10-200cm.设计内容(1) 系统硬件电路图的设计及元件大小的选择。 (2)软件程序设计及初始化。设计成果(1)1.52万字设计说明书1份(2)主程序清单和子程序流程(3)元器件选择与计算第2章 问题的方案设计与论证由于超声波强度大，能量不会迅速消散在空气中，可以在空气中传播较远距离，所以测量距离可以选用超声波，电路设计比较方便，计算也比较简单，超声波发生器可以按驱动方式的不同可以分为两大类：一类是电气式，另一类是机械式。由于本设计测量的距离比较近，所以选用电气式超声波来进行测量。用超声波来测量与后方车辆之间的距离时，当车辆与后方车辆的距离小于我们规定的安全距离时，就会发出警告，LED上会显示两者之间的距离，提醒驾驶员采取相应的措施，避免发生交通事故。 2.2 系统整体方案的论证经过不停的接收超声波发射后碰到被测物后反射的超声波，得出发射到接收的时间差t，在测量时间差时，可以有两种方案，第一种是发射波被物体反射回来之后，通过接收反射波的方式，另一种是在被测两端，一端发射，另一端接收的直接测量方式，本系统使用了第一种方案。由于频率的不同会造成测距仪的分辨率的不同，压电式的超声波传感器，其材料一般采用压电陶瓷。在实际情况中，超声波在空气中传播，能量会衰减，其快慢程度与频率有关；频率越高衰减越慢，所以在精度要求高的情况时，可以选用高频率的发射器，但要求不高时，也可采用低频率的发射器。第3章 系统的硬件结构设计硬件电路主要包括四部分，主要有超声波发射器，单片机系统，超声波接收器，显示电路。单片机系统一般选用AT89C51单片机。频率选12MHz的晶振，用来得出比较稳定的时钟频率，减小测量时产生的误差。单片机P1.0端口输出一个40kHz的方波信号，来启动超声波发射器，外部中断0口与超声波接收器相连，用来检测接收到的信号。显示电路选用4位LED显示。3.1 51系列单片机的功能特点及测距原理3.1.1 51系列单片机的功能特点AT89C51 是51单片机系列中典型芯片有40个引脚。内部是由CPU，256 B的RAM，4kB的ROM，4个8 b的工O端I：一个全双功串行通信口，IP0，P1，P2，P3，2个16b的定时计数器TO和T1等组成。这个单片机最大的特点是EPROM，既可以编程、采用电压擦除的只读存储器，减少了错误编写带来的浪费，使得该单片机在信息的保存方面有更好的前景。5l系列单片机提供以下功能：32条iO线；1个全双向的串行口以及时钟电路；256 BRAM；5个2级中断源4 kB存储器；2个16b定时计数器，。两种特殊的情况：掉电情况：振荡器停止工作，RAM自动保存，各种芯片停止工作，直到有电芯片才开始运行。空闲情况：CPU暂停工作，但是RAM、定时计数器、串行口和中断系统仍然可以工作。5l系列单片机由于灵活度高和成本低，受到广泛实际应用，利用片内的功能，就可以在加入很少外部电路的情况下就能构成完善超声波测距功能。图3.1 单片机引脚与封装 单片机测距原理的实现经过不停的接收超声波发射后碰到被测物后反射的超声波，得出发射到接收的时间差t，然后求出距离sct2，c为超声波波速，通常等于声速340m/s。该系统的准确性存在4个因素的影响：反射质地的大小会超声波传输的快慢、反射、反射的质地以及接收器的灵敏度，接收机越灵敏，他接收超声波的时间就越短，波的本身频率会对传输有很大的影响，频率由于超声波属于声波范围，其波速受温度影响。3.2 超声波发射电路的设计图3.2是超声波发射电路的原理图。主要是由超声波发射换能器T和反相器74LS04组成其发射电路,由图可以看出，单片机发射的信号分两路转入发射换能器中，一路经过一个换能器U4A，通过U4B和U4C的并联转入换能器的一极，另一路是通过U4D和U4的并联转入换能器的另一极，采用这种形式可以加强超声波换能器的阻尼效应，使振荡时间明显缩短，另一方面，可以提高反向器产生高电平的驱动能力。压电式超声波换能器内部有一个换能板和两个压电晶片。当接收到信号时，并且信号的频率与其内部压电晶片的固有频率相同，就能带动晶片共振，从而产生了超声波，就形成了超声波发生器；但是，当在两电极间没有加上外电压，有超生波经过时，当共振片接受到超声波时，会带动共振片振动，从而产生电信号，就形成了超声波接收器。图3.2 超声波发射电路原理图 超声波接收器电路图如下图所示，由图可以看出，芯片CX20106A是整个电路的核心，下面对该芯片初步的分析下，该芯片主要接收38 kHz的载波频率。测距时的超声波频率是40 kHz，两者很接近，因此可以使用它来测距。当芯片接收到超声波信号时，7引脚处会产生低电平，可以作为中断信号输入来控制接收是否成功，利用它制作超声波接收电路，改变电容C4的大小，可以调节电路的抗干扰能力和灵敏度。使用CX20106A接收超声波，具有较高的抗干扰能力和良好的灵敏度。图3.3 超声波接收电路图3.4 CX20106A芯片的内部结构和引脚l脚是超声波信号输入端，电阻为40k。F。F。 4脚是接地端。 5脚与电源之间接有220k电阻可以用来调节中心频率。 6脚与GND之间有个电容，这个电容可以调节探测的距离长短。 7脚遥控命令的输出端，引脚上的电阻是为了调节中心频率，一般为220k 8脚是电源正极，4.5V5V。3.4 74ls16474ls164是8 位串入，并出的移位寄存器，74HC164、74HCT164 是硅材料的CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位边沿触发移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。DSA 或 DSB都可以作为数据串行输入；而且一个输入端可以用作高电平触发的使能端，来控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，使灵异输入端在工作状态。 时钟 CP 在由低向高上升时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端DSA和 DSB的逻辑与，由于DSA或DSB一个端口为逻辑1，所以是把数据寄存在Q0端口。 为复位端，当加上低电平时，复位端工作，这时芯片就会清除寄存器，使所有端口输出低电平，当加上高电平时，端口不工作。图3.5 74ls164引脚图3.5 24C02串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。随着世界上各公司对该器件的开发，市场上推出了各种品牌24C02器件，甚至还有一些冒牌的24C02器件，这样就使批量生产的单片机控制系统的质量出现时好时坏的问题。笔者经过大量的设计实践和试验摸索找出了24C02在应用中之所以出现数据被冲掉的原因，并总结了一套保护24C02数据安全的软硬件设计方法。24C02与单片机的接口非常简单，如下图所示。图3.6 24C02引脚图3.6 LM358LM358里面包括有两个增益高、独立的、内部频率补偿的双运算放大器，不仅适用于单电源工作方式，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括直流增益模块、传感放大器和所有可以单电源供电的运放使用。 图3.7 LM358引脚图及引脚功能LM358封装有8引线双列贴片式和直插式两种。LM358的特点: . 低输入电流. 低输入失调电压和失调电流. 内部频率补偿. 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 . 共模输入电压范围宽，包括接地. 直流电压增益高约为100分贝 单位增益频带宽约为1MHz . 电源电压范围宽：单电源的电压范围为330V；. 双电源电压范围±1.5 到±3.7 LM567LM567 为通用锁相环电路音频译码器，其基本功能主要有：当LM567的脚输入幅度必须大于25mV、频率要在其要求的带宽内，脚高电平变成低电平，脚输出经可以经过频率到电压的变换；如果在器件的脚可以输入音频信号，脚输出就受脚输入调制信号调制的调频方波信号。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。功能介绍：、脚通常分别通过一电容器接地，这样可以形成环路单级性低通滤波网络。脚所接电容还决定了锁相环路的捕捉的带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的大小至少是脚电容的2倍。 要求输入端的信号幅度25mV。 、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2脚为逻辑输出端，内部由集电极开路三极管组成，LM567的工作电压为4.759V，允许最大灌电流为100mA。静态工作电流约8mA ，工作直流频率最大到500kHz。图3.8 LM567的典型应用第4章 系统软件的设计系统软件主要分为主程序、中断程序 和显示程序这三大部分。汇编语言具有高的运算速度，容易计算程序运行时间，而C语言程序可以使复杂的算法简单化，本文所用的程序运行的时间比较精细，但是测量距离的算法又比较复杂，需要发挥两种程序的优点，所以该程序采用C语言和汇编语言混合编程。 4.1 超声波测距仪的算法设计 经过不停的接收超声波发射后碰到被测物后反射的超声波，得出发射到接收的时间差t，通过公式s=ct/2，c为超声波波速，s为被测物与测距仪的距离，t为声波经过测距仪到被测物，再从被测物返回到测距仪所用的时间， c为声速通常等于声速为340m/s。测量时间t的原理是的单片机内部的定时器T0与发射电路需要同时启动，通过计算定时器经过了几个时钟周期，来计算超声波发射到接收所用的时间，接收器接收到超声波时，在INT1或INT0端产生一个中断信号，程序进入外部中断程序，就能得出发射到接收的时间，根据程序算法就能得出距离。 4.2 主程序流程图 本文我们把软件分成了两大部分，中断程序和主程序，如图3-1（a）（b） (c) 所示。主程序是进行初始化和控制超声波发射和接收以及何时中断。 中断程序是用来检测三方向超声波的轮流发射是否完成，以及发射到接收时间值的读取、经过程序计算距离、并把结果输出显示。 图4.1 超声波测距系统的软件设计下面我们对上面3副图进行分析，由a图可以看出主程序中系统先进行了初始化，再经过中断程序，检测是否中断结束，接收完成。由图b定时中断程序，当超声波发射器发射一个超声波后，通过检测接收是否完成，完成就停止发射，图c时计算距离的程序，由程序2可以得出经过了几个计数器周期n，一个计数器周期为1s， 带入下面公式得出距离 ，c一般为340m/s。d=(c×n*1s)/2 (2)     然后我们将测出距离后结果以十进制BCD码方式送往LED显示，期间大约需要花费0.5s，经过重复以上步骤可以多次测量距离，再经过取一段时间内的平均值就可以精准的得到两者的距离，以上程序我们采用汇编与c语言混合的方式来完成。                        超声波发生程序算法简单，但是要求程序运行时要求能够立即执行，不产生延迟，从而影响测量结果，所以要用汇编语言编写，它的作用是在P1.0端口出发送2个超声波脉冲信号，频率为40kHz ，宽度为12s，同时计数器T0打开，开始计时。INT0引脚来检测接收是否成功，若为低电平就表示接收成功，赋值成功标志1，若为高电平表示接收不成功，赋值不成功标志2.第5章 结论与展望本文只是对超声波测距进行了理论分析，实物还没有做，但是根据上述的理论相信，实物一定能够成功运行。超声波测距原理可以总结为单片机首先发射出一个40kHZ的信号，通过放大电路，接入超声波发射器，启动发射器，发射信号，信号传入超声波接收器中，在经过放大电路放大，接入锁相环检波电路中，经过检波处理后，传输没错误时，单片机会进入中断程序中，就能得出发射器与接收器两者之间的时间差t，经过程序处理，就可以得到两者之间的距离，最后将数据传入LED显示。本文还对超声波发射器与接收器的内部结构进行了分析，单片机与发射器之间的连接，软件如何实现中断，如何计算距离进行了详细的说明。参考文献 1.单片机原理及其接口J，胡汉才，北京，清华大学出版社，2004.2（第2 版）2.基于DSP的多超声测距数据采集处理系统M。叶涛，陈红军，杨国胜，侯增广，谭民，电子技术应用M，2004；12:283.李华.MCU-51系列单片机实用接口技术J.北京：北京航空航天大学出版社J，1993. 66.梁立编.程序设计基础与C语言M.陕西：西安电子科技大学出版社，19987.李长阳. 超声波测距系统的电路设计M :黑龙江科技信息 2010. 1110 11.赵帅;朱昌平.高压电柜自动安全报警器装置J 工矿自动化12陈伯时.电力拖动自动控制系统J.机械工业出版社，1999.13吴守箴等.电气传动的脉宽调制控制技术J.机械工业出版社，1999.14熊健等.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究M.电力电子技术，第2期：2528, 1999.15 熊健，康勇.三相电压型PWM整流器控制技术研究M.电力电子技术，1999.附 录附录一超声波测距电路原理图 致 谢我感谢我的指导老师给了我不少帮助，也感谢学校其他老师在我毕业设计中给我的帮助和支持。在我毕业论文设计期间，各位老师在无论是在生活还是专业知识上都给我提供了很大的帮助。最后我要感谢我的同学，是他们默默的支持我，鼓励我，在我成长和求学的道路上为我指明前进的方向，在生活和学习上给予我无私的爱，使我有信心面对一切。 傅耀平 2014 年4月9日