倒车雷达超声波测距毕业设计论文文档格式.docx

倒车雷达超声波测距毕业设计论文文档格式.docx

《倒车雷达超声波测距毕业设计论文文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《倒车雷达超声波测距毕业设计论文文档格式.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

课题名称：

__超声波测距倒车雷达设计

姓名：

___201208022116

郭振慧

超声波倒车雷达设计

摘要

本次设计采用单片机STC89C52来控制整个超声波系统。

由单片机控制产生超声波并且控制定时器开始计时，当接收电路接收到回波时，定时器产生中断，停止计时。

信号发出到接收到回波信号所用的时间是由单片机计算完成，从而得到实测的距离。

距离显示在LED数码管上，并控制报警电路。

整个硬件电路由电源电路、按键电路、显示电路、报警电路以及超声波模块构成。

按键电路用来控制报警距离的增加或者减少，方便且实用。

本次设计具有容易控制和工作稳定等优点。

关键词：

STC89C52超声波测距

第1章前言

1.1课题研究的目的及意义

经济的发展带来社会的进步，超声波测距被频繁的用在人们的日常工作之中。

超声波拥有测量稳定、穿透能力强、易接收等特点，同时超声波测距不用接触到物体，适用于了情况比较复杂的环境。

还因为超声波测距易于控制，并且达到了所要求测量的工业指标，所以超声波测距被用于获取距障碍物的位置信息、移动机器人、汽车倒车雷达等方面的研究。

1.2超声波测距系统的国内外现状

国内超声波测距主要针对固体和液体的研究，在测距的稳定性和精确性上有了很大程度的提高。

并且随着科学技术的不断提高，超声波技术在工业的自动控制、汽车倒车系统等方面也有深入的研究。

此外在医学、生物科学等领域也有突出的地位。

国外也做了大量的研究是关于提高超声波测距。

FigneroaJ．F．，LamancusaJ．S．在计算时间方法上又有了新的突破，传播时间的获得是通过相加峰值时延和相位时延。

1.3设计的要求

设计一个超声波测距系统，距离设定一个限定值，当超声波探头与被测物体的距离小于设定值时，两者的距离显示在四位七段数码管上并开始报警。

设计主要需求如下：

（1）电路测量的距离为≤6m。

并且误差率不得超过0.03%。

（2）与被测物体的距离用数码管显示，并有报警功能。

（3）设置按键电路，能对设置的最小报警距离进行改变。

第2章系统总体方案的选择

2.1超声波的简介

我们知道，声音的发出是产生了振动。

我们知道赫兹定义为声音的振动频率，20～20000赫兹的振动频率是人的耳朵可以接收到的，高于20000赫兹的，我们定义为超声波。

超声波具有穿透性好、容易获取等特点，在医学、工业、军事、农业等方面有着巨大的研究价值。

2.2超声波测距系统原理

在超声波测距的过程中，超声波的发射端接收到的脉冲为一系列的方波。

时间间隔大小为方波的宽度，距离越远，脉冲的宽度越大。

脉冲的个数也随着测距的远近而变化。

超声波测距的方法是：

测量出输出脉冲的宽度即发出超声波到接收超声波的时间间隔t,利用公式S=1／2vt,算出被测距离。

超声波的算法设计：

X1是超声波发出的时间，X2是超声波接收的时间。

我们知道声波的传播速度为340m/s，所以被测距离L如图2-1。

图2－1测距原理

2.3方案选择

单片机

控制器

本方案选择STC89C52单片机来控制整个电路，测得的距离显示在四位数码管上，并根据所设置的报警距离开始报警。

超声波的发射信号由单片机发出并送到发射电路上，发出超声波。

接收电路由CX20106A芯片和接收探头构成。

报警电路中，电阻R15为限流电阻、晶体三级管为驱动蜂鸣器。

本设计将发射探头和接收探头分离，这样可以避免信号发生混叠干扰，从而使的测量数据更加的精确。

根据以上设计如图2-2。

数码管显示

超声波的接收

蜂鸣器报警

超声波的发射

图2-2系统框图

结合实际需求，在网上查找了相关的资料，决定选用HC-SR04超声波集成模块。

此模块发出的超声波能够测量的范围在5m到2cm之间，能够准确到3mm，它的发射角不大于15°

，有利于准确的测量。

并且工作频率在39kHz～41kHz左右，完全符合本次设计的40kHz的工作频率。

由于超声波的发射探头和接收探头是放在同一水平直线上的，而且超声波信号在传播的过程中会发生衰减，所以两个探头不能距离太远。

又因为如果两个探头离的太近会产生信号的干扰，测量出来的结果会产生误差。

第3章整体硬件电路设计

3.1单片机系统电路

本次设计采用了高速、功耗低的STC89C52单片机。

这款STC89C52单片机在功能上和以前51单片机的一样，并且还扩展了功能，使得用起来更加的方便。

图3-1STC89C52引脚图

3.1.1复位电路

在单片机规格书中，有这样一段描述：

如果当RST端口持续两个周期以上的高电平，系统就会复位。

电路如下：

图3-2复位电路

在VCC供电时，RST的电压和VCC一样。

随着从C3电容的充电，RST电位开始下降，并形成一个正向的脉冲，只要脉冲宽度足够就可以实现复位。

关于RC的计算：

（3-1）

机械周期=震荡周期*12（3-2）

关于复位时间t的计算:

（3-3）

查看相关资料知道,当REST上的电压高于0.7Vcc时，就可以被看为高电平。

本次用的系统电压为5V,所以REST上超过3.5V就可以看成高电平，并且高电平的时间超过2us，单片机就可以复位。

最后计算RST的电位，复位电路为一阶RC电路，所以电压与电流有一下关系：

（3-4）

因为

；

所以

。

设Resetpin电压为

，那么：

所以，

，

当

的时，

当且仅当

时，系统实现复位，并且电阻和电容RC满足条件

所以用R=10KΩ、C=10μF符合要求。

3.1.2时钟电路

时钟电路的两个引脚分别接入XTAL1端口和XTAL2端口。

在两个引脚之间接入一个12M的晶振，两个22PF的电容和晶振并联后接地。

电容的可以使电路更加的稳定，电路如下：

图3-3时钟电路

3.2蜂鸣器报警电路

报警电路由蜂鸣器、三极管、电阻构成。

蜂鸣器由三极管驱动。

R15为1k的电阻，作用是保护蜂鸣器。

单片机P36端口和电阻R15连接，当单片机P36口发送一个低电平到报警电路时，NPN型三极管开始驱动蜂鸣器进行报警，报警电路如图3-4。

图3-4报警电路

3.3按键电路

按键电路由三个切换开关，一个LED设置指示灯和一个限流电阻构成。

电路图3-5如下：

图3-5按键电路

按键电路的功能是：

当按下k1键位时，指示灯亮起，开始设置报警距离。

K2按下，报警距离从原来的距离开始增大，当按下K3键位报警距离开始减小。

限流电阻R14的计算：

R＝（U2－U1）／I（3-5）

式中U2为提供的5V电压，U1和I分别为发光二极管两端的电压、电流。

此次设置指示灯用的是绿色发光二极管，正向压降UF为2v,工作电流IF为20毫安。

所以R14=（5-2）/0.02=150Ω。

3.4超声波发射电路

发射电路主要由5个非门组成74LS04芯片电路组成。

单片机发出的40kHz的脉冲不能直接由发射电路发出，要经过足够倍数的放大后，才能由发射探头发出。

所以74LS04反相器其实就是一个放大电路。

超声波发射电路如图3-6所示。

图3-6发射电路

R16和R17为1K的电阻，能够74LS04芯片放大的输出能力。

Vcc为整个电路提供电源。

电路工作时，单片机产生的40kHz由P0.1端口发送到发射电路，信号由74LS04芯片放大并由超发出。

3.5超声波接收电路

由于超声波在传播的过程中是有衰减的，所以在中长距离的测量中，反射回来的信号被衰减了，所以有必要进行信号的放大，放大的倍数还比较大。

查看相关资料，此次设计采用的是CX20106A芯片，此芯片具有信号放大、峰值检波、比较等功能。

芯片CX20106A电路构成了主要的接收电路，比较完信号后会产生一个低电平发送到单片机进行中断，中断以后，开始进行数据的处理。

如图3-7所示。

图3-7接收电路

3.6超声波模块

HR-SR04超声波模块包含了接收探头、发射探头、74LS04芯片放大电路和CX20106A芯片电路。

超声波模块如图3-8所示。

图3-8超声波集成模块

HR-SR04有四个连接口，分别为VCC、GND、TRIG、ECHO四个接口。

VCC：

提供5V的电源

GND：

地线

TRIG：

信号的输入端口

ECHO：

信号的输出端口

工作原理：

此模块能够发出8个40kHz的方波脉冲，并且可以自动检测有没有信号的返回。

3.7显示电路

本次设计的显示电路由四位七段数码管、三极管和三个电阻组成。

数码管由三级管来驱动，限流电阻R11、R12和R13是保护整个显示电路，如图3-9。

图3-9显示电路

LED是发光二极管的简称，八只发光二极管构成了数码管，国际上记作：

a、b、c、d、e、f、g、dp。

dp为小数点。

数码管要能够正常的显示就必须要有驱动电路来驱动，本次设计采用了动态的方式。

动态驱动的优点有：

节省了大量的I/O口，并且消耗低，所以本次设计采用动态的驱动方式，四位数码管的接线方式为共阳极的接法。

3.8电源电路

电路由一个5V电源、一个发光二极管和限流电阻组成。

发光二极管采用的是红色，作为电源指示灯，电路如图3-10所示。

图3-10电源电路

关于发光二极管限流电阻R2的计算：

能加到发光二极管两边的电压为5V，使用时要串联一个限流电阻用以保护发光二极管。

电阻R2的计算为：

R2＝（E－UF）／IF（3-6）

式中的E为电源电压，UF为发光二极管的两端电压，IF为发光二极管的两端电流。

发光二极管根据用途不同，颜色也不同。

红色发光二极管的工作电压是2V。

发光二极管的电流大概为20mA，本次设计采用的是红色发光二极管。

采用的电源电压为5V,电源电压减红色二极管的两端电压就是电阻R2的电压，再用R2两端的电压除以红色二极管两端电流就能计算出R2。

所以R2=（5-2）/0.02=150Ω。

3.9系统的整体电路

图3-11系统电路图

整个系统由电源电路提供5V电源，数据由超声模块传到单片机进行处理，最后显示在数码管上并开始报警。

第4章软件部分

本次设计采用的思想是分块进行设计及编写程序代码。

程序主要分为主程序和中断程序。

主程序包括初始化单片机STC89C53、超声波的发出和接收、距离的计算、按键电路的设置、距离的显示和蜂鸣器的报警等。

4.1主程序设计

主程序是初始化单片机STC89C52，然后置1回波接收位。

同时通过端口P3.0发送一个低电平来启动超声波的发射电路，并且开启定时器T0开始计时。

这时调动计算子程序根据记录的T0时间计算距离，计算完成后，调用子程序显示距离。

与此同时，调用声音处理程序进行蜂鸣器的报警。

主程序根据反射回来的信号继续工作，如果回波标志位为0则说明成功接收到了回波信号，这时开始置位并且发送一个低电平到发射电路，就这样不停的循环，实现测距功能。

根据以上描述主程序的流程图如图4-1所示。

图4-1主程序流程图

4.2中断处理程序

负责计算距离