基于单片机的超声波测距及应用毕业设计.docx
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基于单片机的超声波测距及应用毕业设计
东莞理工学院
本科毕业设计
毕业设计题目：
基于单片机的超声波测距及应用
——超声波测距系统设计
摘要
由于超声波具有方向性好，穿透性强，易于获得较集中的声能等特点，因此将它应用于倒车雷达，能有效地减少交通事故的发生。
本系统以STC12LE5410AD单片机为核心，根据超声波工作原理，采用触发自检技术，设计了一款低成本、高精度，能显示数据，并附带蜂鸣功能的超声波倒车雷达防撞系统。
该系统极大地便利了驾驶人员，有效地避免了交通事故的发生。
本文主要涉及超声波测距系统设计，包括系统总体框架设计，元器件选型，超声波工作原理分析，硬件电路设计，软件代码功能实现，以及系统功能测试等。
关键词超声波，测距，倒车雷达，单片机
Abstract
Ultrasonicisgoodatlocating,andithasastrongpenetration,also,itcanobtainahigherconcentrationofsoundenergyeasily,sothetrafficaccidentswilldecreaseifweuseitinthereverseradar.
Thissystemisbaseonthesingle-chipmicrocomputerwhichiscalledSTC12LE5410AD,itisaccordingtotheworkingprincipleofultrasonic,andusingself-triggeringtechnologytodesignedanultrasonicreversingradar,whichislow-cost,highaccuracy,andcandisplaydataandbuzz.Thesystemcangreatlyfacilitatethedriver,anditwilleffectivelyreducetherateofthetrafficaccidentshappened.
Thisarticlemainlyrelatestothedesignofultrasonicrangingsystem,includingtheoverallframeworkofsystemdesign,componentselection,theanalysisoftheworkingprincipleofultrasonic,hardwarecircuitdesign,theimplementofthesoftwarecodetofunctions,aswellassystemtesting.
Keyword:
Ultrasonic,Measure,Reversingradar,
Single-chipmicrocomputer
1.绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1选题的背景
随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。
这些事故常常给驾驶员带来许多的麻烦，因此，如果有倒车雷达，事情将会有很大的改观。
超声波倒车雷达，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，帮驾驶员解除泊车和启动车辆时需四处探视的一些困扰，同时这也在一定程度上弥补了驾驶员视野存在死角和视线模糊等缺陷。
另外，超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它拥有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点,所以经常被用于进行距离测量.超声波主要应用于交通安全和工业监测探测现场,如储油罐液位检测、深井探测等.而最贴近我们生活的就是超声波倒车雷达应用。
利用其良好的指向性和及时性易于我们做到实时、高精度的监控。
1.1.2选题的意义
（1）制作一种简便而又实用的测量工具
测距方式有很多种，如红外线测距，激光测距，超声波测距，但本系统设计采用超声波测距，因为超声波传感器价格低廉，而且超声波指向性良好，40kHz声波衰减缓慢，适合中长距离测量，故选其作为测量手段简单实用。
（2）双侧超声波测距能实现基本“瞄准”功能，使测距效果更精确。
（3）减少交通事故的发生
公路上发生倒车碰撞或者汽车追尾车毁人亡的交通事故已屡见不鲜，这通常是由于驾驶员没办法看到一些死角而引起的，超声波倒车雷达能以声音或更直观的显示让驾驶员了解周围障碍物的情况，因而减少了事故的发生率。
1.2本课题主要研究内容
本设计以时间，处理声波信号和串口通信作为实现超声波测距及倒车雷达防撞功能应用的主要切入点，系统通过利用超声波的定向传播和固体反射特性，由单片机控制超声波传感器接收系统发射的40kHz声波的回波信号，接着根据回波时间差和传播速度，直接计算出被测物体与测距系统之间的距离，然后将其传给倒车雷达防撞系统进行显示，使人能做出适宜的倒车反应。
基本框图如下：
图1系统基本框图
1.3本人工作内容
本人主要负责：
超声波测距系统设计，包括对整个系统的工作原理进行分析，选择元器件，确定设计方案，熟悉STC12LE5410AD芯片的使用，利用Protel进行电路图设计，用Proteus仿真电路，用C语言编写程序，焊接硬件电路，对硬件电路及代码进行调试以及测试、完善系统系统功能等。
2.系统分析与设计
2.1系统分析
2.1.1系统简介
本设计是基于单片机的超声波测距及应用，系统主要分为两大部分，一部分是超声波测距系统，另一部分是倒车雷达防撞系统。
测距系统利用了超声波定向传播和固体反射特性，由单片机控制传感器发射声波，之后根据传播速度及收到的回波时间，算出被测物体的距离，并在数码管显示，同时也将其发送给倒车雷达防撞系统，使数据得到进一步显示并且呈现倒车危险系数，以及鸣叫等，给驾驶人员良好的倒车提醒。
2.1.2系统详细介绍
系统主要分为三大模块：
超声波测距系统，串口通信，倒车雷达防撞系统。
（1）超声波测距系统：
通过STC12LE5410AD芯片控制整个单片机电路，该电路通电时，工作指示灯会交替亮灭，系统本身通过按键可以控制单片机触发超声波传感器工作，也可以由倒车雷达防撞系统通过串口发送指令来对单片机的测量工作进行控制。
当测距系统收到倒车雷达防撞系统发来的帧时，系统中的STC12LE5410AD单片机首先对帧进行校验，核对帧有效后，根据其中的命令字进行相应的测量，触发超声波发射器发送声波，此时会有啪啪的响声。
定时器在余波处理时间过后开始计时，当单片机检测到回波信号后，定时器停止计时。
单片机根据定时器的时间及声音的传播速度自动算出被测物体的距离，通过串口通信把数据发送给AT89C51，AT89C51在验证所接收的帧正确后，会将距离在数码管上以米为单位显示出来，精度可达毫米级。
同时，STC12LE5410AD也会通过串口通信将数据以帧的格式发给倒车雷达系统，此时工作指示灯会频繁闪烁。
（2）串口通信：
主要负责超声波测距系统与倒车雷达防撞系统之间数据的传输。
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
串口也是仪器仪表设备通用的通信协议。
【1】
（3）倒车雷达防撞系统：
倒车雷达防撞系统是一个用VC编写的软件系统，在与测距系统通信的过程中，将命令字用帧格式封装，通过串口通信发送不同模式下的帧，使测距系统按规定的测量模式进行相应的测量，也可以控制测量系统停止工作。
当倒车雷达防撞系统检测到返回帧时，会检测其有效性，然后从中提取有效的测量数据，在界面上直观地显示出来，同时系统会控制倒车碰撞危险系数跟着数据做相应的改变，而且当倒车处于碰撞危险区时也会控制蜂鸣器鸣叫，而该蜂鸣功能主要由AT89C51来实现，此倒车雷达防撞系统功能给了驾驶人员良好的倒车提醒，极大地方便了驾驶人员的生活。
2.2方案论证
本设计采用超声波测距，利用改进型单片机STC12LE5410AD对系统电路进行主要控制，使用串口实现单片机与单片机，单片机与PC机之间的通信，在单纯的测距系统中其数据结果采用数码管显示。
2.2.1原因阐述
（1）超声波传感器
测距方式有很多种，如红外线测距，激光测距，超声波测距，但本系统设计采用超声波测距，因为一般超声波传感器的价格低廉，而且超声波指向性较强，40kHz声波衰减缓慢，适合中长距离测量。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波测距系统的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ16的超声波换能器TCT40-16F1（T发射）和TCT40-16S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持发射探头和接收探头的中心轴线平行并相距4～8cm。
图2-1超声波传感器
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
检测范围和声波发射角
超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。
波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm，波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。
一些传感器具有较窄的6º声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。
另一些声波发射角在12º至15º的传感器能够检测具有较大倾角的物体。
此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。
这种结构更适合检测安装空间有限的场合。
被测物
能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型、平坦、高密度的物体，垂直放置面对着传感器感应面。
最难检测的是那些面积非常小，或者是可以吸收声波的材料制作的，比如泡沫塑料，或者是倾斜面对着传感器的。
一些比较困难被检测的物体可以先对物体的背景表面进行示教，再对放在传感器和背景之间的物体作出反应。
用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器，如果液体的表面非常不平整，那么传感器的响应时间要调的更长一些，它会将这些变化做个平均，可以比较固定的读取。
【11】
标准检测物
1mm的厚度
垂直性：
与声束轴线垂直。
盲区
直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体。
由此，超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。
传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。
所以本超声波必须从3cm起的范围开始测量，而最大测量距离又不超过5m。
振动
无论是传感器本身还是周围机械的振动，都会影响距离测量的精确度，这时可以考虑采取一些减震措施，例如：
用橡胶的抗震设备给传感器做一个底座，可以减少振动，用固定杆也可以消除或者最大程度的减少振动。
【11】
衰减
当周围环境温度缓慢变化的时候，有温度补偿的超声波传感器可以做出调整，但是如果温度变化过快，传感器将无法做出调整。
【11】
（2）单片机STC12LE5410AD
STC12LE5410AD为一种改进型的51兼容单片机，指令集及主要架构与经典51相同，硬件资源略有增加：
1.增设了2通道PCA（可编程计数器阵列），弥补了经典51定时器功能“偏弱”的缺陷。
2.I/O口改进为可设置方式，支持：
51准双向、高阻输入、OC输出、推挽输出四种模式，简化了外部硬件设计。
3.硬件SPI接口。
4.指令速度大大提高了，将原来的12时钟为一个机器周期改进为2-3个时钟周期，指令速度平均提高为原来的8倍左右。
5.计时时钟保留12分频模式，新增了2分频模式，提高了计时精度。
后两点对于超声波测距应用有益，指令速度快可减少响应延时的不确定，计时精度高可提高分辨率。
（3）串口通信
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。
串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
串口按位（bit）发送和接收字节。
尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。
它很简单并且能够实现远距离通信。
串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。
对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配。
而RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。
可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。
鉴于使用串口比较方便，简单，无需驱动，因而采用它进行通信。
（4）LED七段数码管
在测距系统中采用LED七段数码管进行数据显示，而不采用LCD液晶显示屏，主要是因为数码管显示数据亮度高，能引起一定的视觉冲击，使人能快速辨别出数据。
2.3系统设计
2.3.1测距系统超声波工作原理
（1）工作原理
超声波指向性强，很适合测距。
在汽车倒车雷达中一般使用40kHz低频超声波作为检测手段，该频率的超声波在空气中衰减缓慢，可以传播出较远距离,比较适合中长距离测量。
以超声波作为检测手段，必须产生声波和接收声波，这就需要使用超声波传感器，它有发送器和接收器，但单独一个超声波传感器也具有发送和接收的双重功能。
超声波传感器利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
图2-2传感器工作模式
若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。
接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40KHz正弦电压。
另外，因该高频电压幅值较小，故在电路设计时必须对其进行放大。
测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即L=C*T/2（L为距离，C为超声波在空气中传播的速度，T为往返总共用的时间）。
超声波测距适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度一般为331.45米/秒。
由单片机负责计时，并且单片机使用11.0592M的晶振，所以系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
（2）传感器间距误差分析
图2-3传感器相对位置
在本设计中，发射器和接收器之间中心轴线的相对距离近似8cm，这样可以尽量减少来自发射器的余波对接收器产生的干扰，但两者间距又不能太大，不然就无法对比较体积小的物体进行距离测量。
具体的间距根据实际应用而设置。
在定时器的时间计算上，8cm间距产生的时间误差可以忽略不计，因为回波到达接收器会触发产生电信号，然后在8cm的间距上传送电信号至单片机。
据我们所知，电流实际就是电子的流动，而电子的速度接近光速，比声波速度大5个数量级，故8cm的时间误差远小于1毫秒，可以对其忽略不计。
（3）干扰问题剖析
换能器在将电型号转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩形，而是一个类似花瓣一样形状。
值得一提的是，在实际应用中，产生的波形应该是三维的，类似柱状体。
超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位，以便可以进行避障动作。
最理想的波形就是矩形，不但可以准确的获得物体的距离值，也可以准确的获得方位值，就是正前方。
但是实际上，超声波的波束根据应用不同，有宽波束，和窄波束。
宽波束的传感器会检测到任何在波束范围的物体，它可以检测到物体的距离，但是确无法检测到物体的方位，误差最高会有100度左右。
当然，作为只要探测物体有或者无其它用途来说，宽波束的传感器是比较理想的。
同理，窄波束可以相对宽波束获得更加精确的方位角。
在选择超声波传感器的时候，这个波形特性是必须要考虑的。
图2-4超声波形状
声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。
但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如反射问题，噪音，交叉问题。
反射问题：
如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。
但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。
图2-4显示了三角误差，镜面反射，多次反射等超声波在各种角度差生的误差。
当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。
图2-4的第二种情况叫做镜面反射，在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。
这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。
第三种情况可以叫多次反射。
这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。
声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。
这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。
通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。
【12】
图2-5超声波角度误差
噪音：
虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。
但是周围环境也会产生类似频率的噪音。
比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，这些都会引起传感器接收到错误的信号。
①
这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。
这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。
总的来说，如果我们能够在测距过程中注意到这些问题的话，那么利用超声波检测距离还是比较可行的，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。
2.3.2系统原理图
图2-6系统原理图
在测距系统中单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生40kHz方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号。
在余波时间过后开始计时。
接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算出距离值，保存等待读出或直接经UART送出。
接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。
2.3.3倒车雷达防撞系统分析与设计
（1）分析
这是一个通过串口通信进行数据显示和倒车危险系数提示的服务端，它根据串口通信协议，进行了帧格式的定义，如：
帧头，地址，帧长，命令字，测量模式，校验位等。
在通信过程中，我们首先要打开串口，接着系统判断串口打开是否有效，这可以排除你串口线没接，或者选错串口。
当这一步完成后，我们就要在界面上选择工作模式，设置周期等，这就相当于帧的构建，当发送后，帧通过串口被单片机接收，单片机从缓冲区取出帧，并进行相应工作。
倒车雷达防撞系统检测到有帧返回时，先看缓冲区的数据是否已满，若为空则等待，如果满了，则接收数据，并根据帧定义验证它是否有效，无效的话就丢弃，继续接收。
而有效的话则从中提取测量数据，并将其进行显示，此时系统界面上的倒车危险系数也会自动跟着做相应变化。
当一帧处理完，系统又开始进行下一轮帧检测，如果有帧则接收，无帧则停止。
（2）该系统相关流程图如下：
图2-7串口驱动函数流程图--发送部分
图2-8串口驱动函数流程图--接收部分
图2-9倒车雷达防撞系统流程图
3.超声波测距系统的硬件设计
3.1设计概述
超声波测距系统以STC12LE5410AD和AT89C51单片机为核心，以TL852CDR,SPX1117M3-3.3单片机为辅助，当STC12LE5410AD收到AT89C51或者倒车雷达防撞系统通过串口发来的帧时，首先检测其有效性，如果无效则丢弃，有效则从中提取命令字，然后根据命令字对应的工作方式模式进行相应的测量。
测量中主要由STC12LE5410AD控制电路产生40kHz方波，经过驱动电路驱动超声波发生器将这一簇信号发出。
在余波时间过后，计时器开始计时。
接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算出距离值，保存等待读出或直接经UART送出。
接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。
STC12LE5410AD单片机计算出的距离以帧的格式通过串口通信发送给单片机AT89C51和倒车雷达防撞系统。
测距系统中的89C51主要通过中断检测串口接收缓冲区是否有接收到数据，然后根据事先约定的串口通信帧格式检测数据有效性，当获取到有效数据后，将测量结果提取出来送到数码管显示。
数码管的数据总会跟着超声波的测量结果做出相应的改变。
能让人及时直观地看到测距结果。
结构示意图如下：
图3-1结构示意图
本设计方案分为单片机选型、开发工具和电路设计，共三部分进行的详细说明。
3.2单片机选型
3.2.1选型目的
由于各种单片机有其特定的性能，也适用于不同的场合，所以我们需要根据自己的实际需要，如程序储存空间、工作电压、工作温度范围、抗干扰性、工作频率和性能价格比等方面从挑选出合适自己的单片机。
因此，单片机选型是制定设计方案中非常重要的一步。
3.2.2STC12LE5410AD芯片
（1）概述
STC12LE5410AD属于8STC12C2052系列单片机，是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机,是高速/低功耗的新一代8051单片机,全新的流水线/精简指令集结构，内部集成MAS810专用复位电路。
（2）STC12LE5410AD在本设计中的应用
MCU端口资源分配如下：
P1.0、P1.1——接SOUT端，作为超声波发射时左右两块TL852单片机的输出抑制，置为OC输出。
P1.4-P1.7——保留
P2.0-P2.3——控制左侧单片机TL852增益，设置为OC输出，852内部有上拉电阻。
P2.4-P2.7——控制右侧TL852增益，设置为OC输出，内部有上拉电阻。
P3.0（RXD）、P3.1（TXD）——UART通讯
P3.2（INT0）——超声波左侧接收输入，设置为输入
P3.3（INT1）——超声波右侧接收输入，设置为输入
P3.4——产生超声波发射方波，设置为推挽输出模式
P3.5——控制P1，用于衰减余波，设置为OC输出模式
P3.7——工作指示灯，设置为OC输出模式
以下为STC12LE5410AD引脚图：
图3-2STC12LE4052AD引脚图
在本设计最主要的是看重STC12LE5410AD比普通的51单片机做了如下改进：
1.指令速度大大提高了，将原来的12时钟为一个机器周期改进为2-3个时钟周期，指令速度平均提高为原来的8倍左右。
2.计时时钟保留12分频模式，新增了2分频模式，提高了计时精度。
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