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at89s51论文
毕业设计（论文）
基于51单片机的车载防撞报警器
基于51单片机的车载防撞报警器
摘要
超声波的测距由于在使用的时候不受光照度、电磁场与色彩等因素影响，再加上超声波传感器的结构简单，成本低廉，并且以声速传播，便于检测与计算，在机器人的避障、汽车倒车、测量等许多方面都已有了非常广泛的应用。
本文是基于STC89C51单片机为核心的车载防撞报警器的设计，分析了汽车倒车防撞系统的基本的设计原理。
主要是利用了超声波的特点与优势，还将超声波的测距系统与STC89C51单片机结合于一体。
该系统采用软、硬件结合的方式，硬件部分主要是由单片机硬件接口电路与超声波发射电路、超声波接收电路与数码管显示电路、电源电路与报警电路组成的，软件部分主要是由主程序和超声波发射接收中断程序、距离计算子程序和显示报警子程序等部分组成的具有模块化与多用化的特点。
驾驶者只需要坐在汽车驾驶室就可以做到心里有数，极大地提高泊车和倒车的时候安全性与效率。
关键词：
超声波、LED、测距、传感器
51car collisionavoidancesystembasedon
Abstract
【Abstract】Ultrasonicranging car anti-collision systembasedon 51, introducesthe principleandsystemframe ofultrasonicdistancemeasurement, the ultrasonictransmitterandreceivercircuit, the blindareaelimination, toimprovethemeasurementaccuracy. The relationbetweenultrasonictransmissiondistanceandtime, using51single-chipmicrocomputer controland dataprocessing, design the ultrasonicliquidlevel detectionsystem foraccuratemeasurementof distance betweentwopoints. Thesystem ismainlycomposedof theultrasonictransmitter circuit,ultrasonicreceiver circuit, single-chipmicrocomputercontrolcircuit, keyboardcircuit and displaycircuit. Theuseofultrasonicranging automotiveanti-collisionsystem aredesigned, therunning distancebetweenvehicles weretested, two carcollection was toocloseto thesystemwill sendoutsoundandlight alarm towarnthedriver response action. Thissystem hastheadvantagesofeasy control,reliableoperation, highmeasuringprecision, real-time vehicledistancedetecting.
【KeyWords】Ultrasonic, LED, location, sensor
目录
1绪论1
1.1项目背景1
1.2项目的主要任务3
2超声波概述4
2.1超声波基本理论4
2.1.1超声波发展史4
2.1.2超声波的本质5
2.1.3超声波的应用5
2.1.4超声波的衰减特性7
3超声波测距方法与原理9
3.1超声波测距方法9
3.1.1方法种类介绍和说明9
3.2超声波测距原理与超声波传感器10
3.2.1超声波测距原理10
3.2.2超声波传感器11
4系统电路设计16
4.1电路设计16
4.1.1发射与接收电路设计方案16
4.1.2显示电路设计方案17
4.1.3报警电路设计方案19
4.1.4系统复位电路设计20
4.2电路调试及性能分析22
4.2.1元器件的焊接22
4.2.2电路调试与分析22
5系统硬件与软件设计23
5.1硬件与软件设计23
5.1.1硬件设计23
5.1.2软件设计25
6系统误差分析与改进28
6.1误差产生原因分析28
6.1.1温度对超声波声速的影响28
6.1.2回波检测对于时间测量的影响28
6.1.3超声传感器所附加脉冲电压对测量范围与精度影响29
6.2针对误差产生原因的系统改进方案29
7结论31
致谢32
参考文献33
附录一系统原理图34
附录二控制主板35
附录三电路图36
绪论
项目背景
现代社会的汽车工业飞速发展，拥有私家轿车的人越来越多，带来的交通问题也日益严重。
其中安全倒车是驾车技术水平不高或没有安全意识的开车人士最为担心的交通问题之一，如果稍不留神不仅会给自己或别人带来财产损失，还会造成激烈的争吵与纠纷，甚至也威胁到了驾驶员的生命安全。
面对这样的情况与问题，倒车防撞报警器就被人们设计出来，依据声源或以直观的显示提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了驾驶员倒车和启动轿车时前后左右探视所引起的问题，并帮助驾驶员扫除了视觉死角和视野模糊的不足，提高了倒车安全性。
在过去年间，人们对汽车电子技术应用到汽车上的研究只是在被动安全性方面。
如：
安装防撞保险杠，安装安全气囊系统等等。
安装防撞保险杠或许可以减轻碰撞对汽车的损害，但是却难抵消被撞物的伤害，这样给人们财产安全带来威胁。
安装汽车安全气囊还不一定有效全面地保护乘务员的安全。
因此，对于汽车的主动安全性方面的社会需求越来越多，如果能在每场汽车事故的预防上能取得效果，那么在汽车安全领域又得到新发展、新突破。
经过多年的发展，倒车雷达系统历经了六代技术改进，无论从结构外观设计上还是性价比上，这六代产品都具有各自的特点[1]。
第一代：
倒车时通过人工智能声呐提醒。
现在这样的倒车雷达只有小部分卡车与泥头车使用。
司机只要挂倒车档，人工智能声呐就会响起，告知周围的人注意。
某种意义上说，这样对司机毫无直接的帮助，这不是真正的倒车雷达系统，单纯地告知路人小心。
该类产品价格低廉，但基本是淘汰的产品。
第二代：
使用蜂鸣器产生多种声音来告知驾驶员。
在倒车时，蜂鸣器会发出“嘀、嘀、嘀”的响声，这便是倒车雷达真正的开始。
如果倒车时车后一定距离内存在障碍物，蜂鸣器马上工作，蜂鸣声音越急，代表车辆离障碍物越近。
因为蜂鸣器没有语音提示与距离显示，即使司机知道存在障碍物，也不能确定障碍物到底离车体有多远，所以对驾驶员帮助作用不大。
第三代：
数码波段显示倒车系统。
这代产品相对于前系带比较，有显示车后障碍物离车辆距离的能力。
显示车后障碍物与车辆两者距离方式有两种：
一是数字显示方式；这种方式通过使用LED显示车辆与障碍物两者距离；二是用颜色来区别：
绿色表示安全距离，黄色表示警告距离，红色表示危险距离。
第三代的倒车雷达系统就比较先进了，但缺点为精确度较低、安装设计单一。
第四代：
液晶荧的屏动态显示。
这代倒车雷达系统有质的飞跃，可以看清车体与障碍物两者实际距离与其图像。
这类倒车雷达不需挂倒车档，一发动汽车，显示器会显现汽车图案与车体附近障碍物的距离，颜色清晰，外表美观，能直接地粘贴在仪表盘上，安装也很便利。
但这一代倒车雷达灵敏度较低，抗干扰能力较弱，产生误报也频繁。
第五代：
魔幻镜倒车雷达系统。
综合前四代产品优点，使用最新的仿生超声雷达技术，加之以高速电脑控制，能全天候准确地探测2米以内附近的障碍物，以不同等级声音告知和直观显示给驾驶员。
这一代的倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车辆内污染程度显示等多项功能结合一起，并提供语音功能。
因为这代倒车雷达系统功能较多，所需价钱也昂贵。
第六代：
整合影音倒车雷达系统。
这类倒车雷达系统专门为高档车生产的。
首先从它的外观来说，比第五代倒车雷达更精致与典雅；从功能上来看，它不但具备第五代产品的功能，还结合了高档轿车所需具备的影音系统，能在显示器上观看DVD影像，可相应的成本很高[1]。
目前，国内市场上的倒车雷达产品主要由国外公司占据着。
国内一些公司虽然也推出了相应的倒车雷达产品，但在质量上、市场份额上都无法与国外厂商相比拟。
一些核心元器件，国内相同产品达不到国外水平或者无法生产。
在倒车雷达系统等辅助倒车领域，美、德、日等许多发达国家技术位列签名。
因为他们已对汽车信息化技术研究领域上起步较早于其他国家，还对半导体、微电子领域也有很大的技术优势。
所以这些国家智能化车载电子设备发展水平已经有相当高的程度，许多尖端技术的车载电子设备都已相当普及。
伴随汽车工业的飞速发展，倒车领域中，国外都已有停车入位导航系统。
梅赛德斯车厂都已采用雷达探测技术设备帮助驾驶员又快又安全泊车。
导航雷达探测器设备可以探测经过路线停车空位，同时向驾驶员发出信号告知。
这个时候，驾驶员能通过探测器设备显示的位置寻找到停车空位。
在这个停车过程中，驾驶者挂上倒档后，导航系统自始至终感知汽车的位置与角度。
如果驾驶员不倒车了，导航系统还可以自动算出另一最好泊车路线与角度。
在日本这个国家，丰田汽车公司研制出的导航系统都已能实现准确地全自动泊车。
每当导航系统锁定一个合适泊车位置之后，如果驾驶员挂上倒档，仪表盘上就会开始显示由安装在汽车背部的摄像头传送过来的车后图像。
与此同时，驾驶员只需面对导航系统选择的提供车辆的泊车位置确认。
然后，就松开方向盘与脚刹，保持合适的速度。
从这里开始，停车过程由配备了的超声波雷达系统与摄像头的停车导航雷达系统全权负责了。
如果驾驶员想要停止这个程序，驾驶员只要踩下刹车就行了。
并且这款技术涉笔在社会中都已开始在高档轿车上配备使用。
项目的主要任务
本文主要论述了超声波的测距工作原理与方法。
从小的应用方面来说，本课题的研究直接解决了司机倒车时的困扰，更能有效地降低倒车过程中发生的大小事故。
但从更广泛的应用来讲，超声波测距系统的研究在许多工业、交通运输业、军事等等方面有着更为广泛显著的应用；并且详细介绍了超声波传感器的工作特性和系统发射和接收等多种电路同时还有单片机的硬件设计与软件设计及其实现，突出以单片机为核心所设计的防撞报警器对于在汽车安全领域的突破与拓展有一定的作用。
超声波概述
超声波基本理论
超声波发展史
意大利科学家斯帕拉捷习惯晚饭后到附近的街道上散步。
他常常看到，很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从不会撞到墙壁上。
这个现象引起了他的好奇：
蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢？
为了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列试验。
先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能准确地分辨障碍物。
只有当耳朵被堵住时，蝙蝠就不能分辨障碍物。
斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密。
后来人们继续研究，终于弄清了蝙蝠飞行奥秘。
发现，它们依靠喉咙发出让人听不见的“超声波”，声音沿直线传播，碰到物体后就就好像光在镜子上产生反射现象。
它们的耳朵接受到这种“超声波”，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。
当然，以上的故事是个美丽的楔子。
真正超声波的研究和发展，与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。
自19世纪末到20世纪初，在物理学的历史上人们发现了压电效应与反压电效应的现象过后，也解决了采用电子技术产生超声波的问题，这便迅速翻开发展和创新超声波的技术历史篇章。
1883年Galton首次制成超声波气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声波。
此后又出现了各种形式的汽笛和夜哨等机械型超声波换能器。
在20世纪，电子学发展让人们能使用某些材料的压电效应与磁致伸缩效应制造出许多各种各样的机电换能器。
1917年，朗之万（PaulLangevin）利用天然压电石英制造出夹心式超声换能器，成功地在水下探测潜艇使用。
伴随军事及国民经济各部门里超声应用的领域越来越广，出现了高功率的超声磁致伸缩换能器和多种不同用途的电动型、静电型等多种换能器[2]。
人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。
40年代末期超声波治疗在欧美兴起，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。
医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构，以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。
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。
如今，超声波已广泛应用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用[4]。
超声波的本质
声波是声音的类别之一，属于机械波，是人们能感觉得到的纵波，频率大小范围为16Hz-20KHz。
当声波的频率小于16Hz时就称为次声波，大于20KHz则叫做超声波。
其中超声波是种波动形式，它能作为探测和负载信息的载体；超声波也是种能量形式，如果其强度超过一定程度时，它能与传播超声波媒质的相互作用，去影响，甚至破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。
超声波的反射、折射、衍射、散射在媒质中等传播规律，和可听声波的传播规律没有本质区别。
但超声波波长短，达到厘米，甚至达到毫米。
与可听声波相对比，超声波有多奇异特点：
传播特性─超声波波长短，通常障碍物尺寸比超声波的波长长好多倍，因此超声波衍射本事极差，在均匀的介质里可以沿着直线传播，它波长越短，这特性就越明显。
功率特性─声音在空气中直线传播的时侯，让空气中的微粒往复振动而对微粒做功。
声波功率表示声波做功的快慢。
在同条件下，频率高，所拥有功率就大。
因为频率高，所以超声波与平常声波对比，超声波的功率较高。
空化作用─超声波在液体中传播的时侯，因为液体微粒的剧烈振动，所以在液体的内部制造出小空洞。
这些小空洞迅速胀大与闭合，使液体的微粒之间产生猛烈撞击作用，进而产生几千个至上万个大气压压强。
微粒这种剧烈的相互作用，让液体的温度升高，有了很好的搅拌作用，让两种不相溶的液体之间（如水和油）发生变化，而且加速溶质的深度溶解，加快化学的反应。
这种因为超声波作用使液体里所引起各种效应称为超声波空化作用[5]。
超声波的应用
正因为超声波在物理化学方面的独特特性，因此，超声波在许多方面都有广泛的应用。
归结起来，超声波主要应用在以下几个方面：
（1）在检验方面的应用
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。
超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。
超声波的测厚，是依据超声波的脉冲反射原理进行厚度测量的，每当探头的发射超声波脉冲穿透被测物体到达材料分界面时侯，脉冲就反射回至探头，通过准确测量超声波在材料中传播的时间来计算出被测材料的厚度。
超声波的测距原理是采用了超声波在空气中的传播速度为已知条件，测量的声波在发射后碰到障碍物反射的回来的时间，用发射和接收的时间差确定出发射点至障碍物的实际测量距离。
超声波的测距主要应用在倒车提醒、工业现场等距离测量，虽然目前测距量程上能有百米，但测量精度只可以到厘米的数量级。
超声成像是采用超声波表现出不透明物的内部形象技术，能从换能器的发射出超声波到达声透镜聚焦到不透明的试样中，能从试样透射出的超声波里有被照部位资料，经过声透镜汇聚到压电接收器，所得出电信号的放大器，使用扫描系统能够把不透明的试样形象显现在荧光屏中。
这样的装置叫做超声显微镜。
超声成像电子技术能在医疗检查方面获得普遍的使用，如在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查和在材料科学中用来显现合金中的不同组分区域与晶粒间界。
声全息术是使用超声波干涉原理记录与重现不透明物立体图像声成像电子技术，它们工作原理和光波全息术有相同之处，只是其记录方式有各自的差异而已。
（2）在超声处理方面的应用
利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、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。
超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。
超声波焊接主要分超声波塑料焊接和超声波金属焊接，超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高、密封性好的优点；而超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。
针对所有的应用市场，超音波焊接其特有的优点——快捷、高效、清洁和牢固，赢得了各行各业的认可，在汽车、家电、包装、玩具业、电子等行业的应用也越来越广泛。
超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。
目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。
超声波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清洁度高，不须人手接触清洗液，安全可靠，对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等诸多优点。
超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂像一些表面凹凸不平、有盲孔的机械零部件，一些特别小而对请洁度有较高要求的产品如：
钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。
超声波技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。
超声波治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。
超声波机械作用能够使组织软化，增强渗透，提高代谢，促进身体血液的循环，提高神经系统与其细胞的功能，为此拥有超声波的独特治疗的作用。
超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。
一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。
超声波治疗以疗效独特，长期治疗无毒副作用的安全特性见长，在肢体运动康复、心脑血管疾病治疗方面有着独特的优势，其体外无创的物理治疗手段比较适合在社区、医院运用。
（3）在基础研究方面的应用
超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。
超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。
机械运动为一种最简单、最一般物质的运动，它较之其他的物质运动和物质的自身结构之间关系非常紧密。
超声振动本来就属于种机械运动，因此，利用超声学也是研究物质的结构的一个重要的途径之一。
早在20世纪40年代开始，人们从研究媒质里超声波声速及声衰减会与频率的变化的关系时侯，就不断得出结果表现出它们和各种各样的分子弛豫的过程（如分子的内、外自由度之间能量转换的热弛豫，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）及微观的谐振过程之间的紧密地关系，通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这些方面的研究构成了分子声学这一声学分支。
随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能──声子来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。
通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子和超导结、声子和光子相互作用等。
因此，超声与电磁辐射、粒子之间的轰击一起并列为研究物质微观的结构与微观过程的三个常用手段。
与其相关的一门新兴的分支研究学科─量子声学也逐步形成与完善丰富。
超声学是应用性与边缘性较强的学科之一，从这一百多年来的它的发展过程能够看出，超声学伴随着在国防、工农业的生产、医学、基础的研究等重大领域中应用不断深入改善进而得到全面发展的。
它从不间断参阅电子学、超声学的材料科学、光学、固体物理等其他的学科的重要内容，而使自己内容更加丰富。
同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。
但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声波应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断地向前发展着[6]。
超声波的衰减特性
从理论上讲，超声波的衰减特性主要有三个方面：
（1）由声速的扩展引起衰减
在声波传播的过程中，伴随传播的距离增大，非平面的声波的声速不断扩展及增大，因此单位的面积上里的声压伴随距离的增大而减弱，这样的衰减叫做扩散衰减。
（2）由于散射引起的衰减特性
因为实际材料绝对不会是绝对的均匀的，如材料里外来杂质的金属的第二相的析出、晶粒任意的取向等都导致整个的材料声学的特性阻抗不均匀，进而造成超声波散射。
被散射的超声波在介质中沿复杂的路径继续传播下去，最后形成热能，这样的衰减叫做散射衰减[7]。
（3）由于介质吸收而引起的衰减特性
超声波在介质中直线传播的时侯，由于介质粘滞性造成的质点之间的内摩擦，进而造成部分声能转换为热能。
与此同时，因为介质热传导这个原因，介质里的稠密与稀疏部分两者进行热交换，从而造成声能损耗，并且正因为分子弛豫现象形成的吸收，这些全是介质的吸收热现象，这样的衰减叫做吸收衰减。
扩散的衰减特性仅决定于波的几何形状不与传播介质性质不相关。
对于绝大多数的金属和固体介质来说，通常我们所说的超声波衰减，即（衰减的系数）象征的衰减仅仅含有散射的衰减鱼吸收的衰减从不包括扩散德衰减。
所以空气介质的衰减的系数也都由两部分组成，并由下公式表述为：
（2-1）
式中：
为热传导的系数，
为超声波的频率，
为动力粘滞的系数，
为超声波传播速度，
为定容比热，
为定压比热，
为传播介质的密度。
式（2-1）中首项是由于内摩擦引起衰减的系数，第二项是由于热传导引起衰减的系数，因为后者比前者小，所以在忽略的热传导引起超声波的衰减的情况下，衰减的系数可以由下公式表示：
（2-2）
把
代入式（2-2）可得：
（2-3）
由公式（2-3）可知道：
当温度一定的时侯，
、
、
都一定，衰减系数和频率平方成正比关系；频率越高，衰减系数会越大，传播距离也会越短。
超声波测距方法与原理
超声波测距方法
方法种类介绍和说明
目前，市场上利用超声波测距原理制成的测距系统种类繁多，但是超声波的测距方案总下来有下面几种：
（1）相位的检测法
相位的检测法可分2种：
一方法是用发射不同频率超声波来显现的。
先开始发射波长为
的超声波。
检测出回波相位为
。
假设所用的波周期数
则能求的目标物体的距离为：
（3-1）
同样道理可以算出第二束波形测距的计算公式为：
（3-2）
其中：
为第二束波的相位角，
是波长，
是周期数。
又由于
和
都为正数,与此同时再一次进行时间补偿算法，可准确求目标距离值。
但是因为
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