0601基于单片机汽车倒车测距仪的设计2Word下载.docx
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利用超声测距技术与单片机设计制作出超声波汽车倒车测距仪。
该系统在常见的汽车倒车预警装置的基础上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，提高了驾驶安全性。
目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且显示距离也比较困难，操作使用也不是很方便，而本设计研究的测距器成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义，在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车。
本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车。
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
第二章超声波的介绍
2.1超声波的发展史
2.1.1超声波的含义
当物体振动时会发出声音，科学家们将每秒振动的次数称为声音的频率，他的单位是HZ。
我们人类耳朵能听到声波频率为20-20000HZ，当声波的频率大于20000HZ或小于20HZ时，我们便听不到。
因此我们把频率高于20000HZ的声波称为超声波。
2.1.2国际方面
自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。
1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。
1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。
40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。
1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。
2.1.3国内方面
国内在超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。
公开的文献报道始见于1957年。
到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。
40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。
特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的重大突破。
如今已在国际范围内推广应用。
高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。
而在21世纪（HIFU）超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。
2.2超声波的特点
（一）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。
（二）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。
（三）与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。
（治疗）
超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）。
声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。
2.3超声效应
当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下4种效应：
①机械效应。
超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。
当超声波流体介质中形成驻波时,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。
超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。
②空化作用。
超声波作用于液体时可产生大量小气泡。
一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。
另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。
空洞内为液体蒸汽或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。
因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。
破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。
与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。
在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。
③热效应。
由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。
④化学效应。
超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。
例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；
溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；
染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。
这些现象的发生总与空化作用相伴随。
超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。
超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。
各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。
2.4超声波的应用
超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：
①超声检验。
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。
超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。
把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。
上述装置称为超声显微镜。
超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。
声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。
用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：
一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。
物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现，通常用摄像机和电视机作实时观察。
②超声处理。
利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
③基础研究。
超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。
通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。
普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。
但对频率在1012赫兹以上的超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。
点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学）。
特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。
对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体——液态氦中，声现象的研究构成了近代声学的新领域——量子声学。
第三章单片机的介绍
3.1单片机的定义
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
3.2单片机的发展过程
单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。
纵观整个单片机技术发展过程，可分为以下三个阶段：
一．单片机微机形成阶段
此阶段的主要特点是：
在单个芯片内完成了CPU,存储器，I/O接口，定时/计数器，中断系统，时钟等部件的集成。
但存储器容量较小，范围寻址小，无串行接口，指令系统功能不强。
二．性能完善提高阶段
结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。
现在MCS-51已成为公认的单片机经典机种。
三．微控制器化阶段
片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动控制系统及设备。
至此“微控制器的称谓更能反应单片机的本质。
3.3单片机的特点
系统单片机主要有如下特点：
1.有优异的性能价格比。
2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
3.控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
5.外部总线增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
6.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用。
3.4单片机的应用
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
主要表现在以下几方面的应用。
1．单片机在智能仪表中的应用
2．单片机在机电一体化中的应用
3．单片机在实时控制中的应用
4．单片机在分布式多机系统中的应用
5．单片机在人类生活中的应用
3.5C8051F单片机的介绍
3.5.1系统概述
C8051F系列器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有真正的12位多通道ADC（F206）,8位多通道ADC（F220/1/6）或没有ADC，每种器件都有与8051兼容的CIP-51微控制器内核和8K字节的FLASH存储器，还有硬件实现的UART和SPI串行接口，该系列器件22或32个通用I/O引脚，其中一些引脚用于数字外设接口，任何一个端口引脚都可以配置为ADC的模拟输入。
采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集成运行速度是原来的9.5倍。
片内还集成了VDD监视器，WDI,和时钟振荡器，片内FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，并可用于非易失性数据存储，可以关闭任何一个或全部外设以节省功耗。
所有器件都有256字节的SRAM，F206/226/236还另有1024字节的RAM。
片内JTAG调试支技功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）全速系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点，观察点，单步及运行和停机命令。
在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
每个MCU都可以在工业温度范围内用2.7V-3.6V的电压工作，有48脚TQFP和32脚LQFP封装端口I/O容许5V的输入信号。
3.5.2C8051F的特点
1.高速流水线结构的8051与MCS-51指令集完全兼容
2.4个8位宽的I/O端口
3.峰值速度达25MIPS（时钟为25MHZ时）
4.全速非侵入式的在系统调试接口片内，真正12位（8051F020）,或10位C8051F02213100KSPS的8位通道ADC带PGA和模拟多路开关。
5.0~25MHZ的时钟频率
6.电源管理方式
7.可选的1024字节XRAM
8.8K字节FLASH程序存储器
9.片内看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。
3.5.3C8051F单片机增加的功能
在CIP-51内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源，标准（8051只有7个中断源）允许大量的模拟和数字外设中断微控制器，一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，却有更高的执行效率，在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。
MCU可有多达6个复位源;
一个片内VDD监视器，一个看门狗定时器，一个时钟丢失检测器，一个由比较器0提供的电压检测器，一个软件强制复位以及外部复位引脚，/RST引脚是双向的可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚，通过将MONE引脚拉为高电平来使能片内VDD监视器除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户软件禁止。
在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以一直被允许。
C8051F020内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM,RO,I/O口，定时/计数器。
ADC,DAC,PCA,SPI和SMBVS等部件。
即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统（SOS）。
3.5.4C8051F单片机的引脚图
图3.1C8051F-48引脚图
3.5.5C8051F单片机引脚和封装定义
表1单片机引脚和封装意义
引脚名称
F226,F230,48
F221,F231,32
类型
说明
VDD
11,31
8
数字电源
GND
5,6,8,13
9
地
XTAL1
6
模拟输入
为晶体或陶瓷谐振器的内部震荡电路
XATL2
10
7
模拟输出
为晶体或陶瓷谐振器的激励驱动器
P0.0/TX
40
28
数字I/O口模拟输入
端口0位0
P0.1RX
39
27
端口0位1
P0.2/INTO
38
26
端口0位2
P0.3INTI
37
25
端口0位3
P0.4/TO
36
24
端口0位4
P0.5/T1
35
23
端口0位5
P0.6/T2
34
22
端口0位6
P0.7/T2EX
33
21
端口0位7
P2.0/SCK
16
端口2位0
P2.1/MISO
15
端口2位1
P2.2/MOSI
14
端口2位2
P2.3/NSS
13
端口2位3
P2.4
11
端口2位4
P2.5
12
端口2位5
P2.6
17
端口2位6
P2.7
18
端口2位7
P3.0
44
端口3位0
第四章汽车倒车测距仪的硬件设计
4.1设计的思路
本系统的设计思想是采用以C8051F单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。
超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。
当然还必须设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。
限制的最大可测距离存有四个因素:
超声波的幅度，反射面的质地，反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
根据设计要求并综合各方面因素，采用C8051F单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。
4.2设计的重点与难点
本设计的任务是设计一个超声波测距仪，可以应用于汽车倒车位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
测量范围在0.10-4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，能够手工设定报警量值。
系统组成的设计：
各部分硬件的选取很有讲究，要十分合理。
设计的难点是：
1、超声波信号的接收、发射的设计；
2、显示电路设计；
3、流程图及程序的设计。
4.3硬件设计的基本原理及原理图
4.3.1超声波发生器
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和位测量仪等都可以通过超声波来实现。
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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
为了使汽车能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。
本文所介绍的超声波测距系统，就是为汽车了解其后方环境而提供一个运动距离信息。
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
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。
它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。
4.3.2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，如果两电极间未外加电压，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。
4.3.3超声波发射器基本原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2。
这就是所谓的时间差测距法。
超声波在空气中的传播速度与声速相当，约为340m/s.从信号放射到遇障碍物反射接收，有几毫秒至几十
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