基于单片机汽车倒车测距仪的设计论文.docx

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基于单片机汽车倒车测距仪的设计论文

江苏财经职业技术学院

毕业论文

标题：

基于单片机汽车倒车测距仪的设计

系别：

机械与电子工程系

专业：

电气自动化

学号：

0911203236

姓名：

朱磊

指导教师：

刘军

二〇一二年五月十日

汽车倒车测距仪的设计

摘要：

超声波具有指示性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。

本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。

关键词：

AT89C51单片机超声波测距

Thedesignofcarparkingrangefinder

Abstract:

Ultrasonicwavehasstrongpointingtonature,slowlyenergyconsumption,propagatingdistancefarther,so,inutilizingtheschemeofdistancefindingthatsensortechnologyandautomaticcontroltechnologycombinetogether,ultrasonicwavefindsrangetousethemostgeneraloneatpresent,itappliestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,waterlevelmeasuring,buildingconstructionsiteandsomeindustrialscenesextensively.

Thissubjecthasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail,andtheperformanceandcharacteristicofone-chipcomputerAT89C51ofAtmelCompany,andonthebasisofanalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicrangefinderofminiaturedigitaldisplayandsoftwaredesignmethodtakingAT89C51asthecore,thiscircuitofsystemisreasonableindesign,workingstability,performancegoodmeasuringspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrol,andcanreachindustry’spracticaldemandinmeasuringtheprecision.

Keywords:

AT89C51One-chipcomputerUltrasonicwaveRangefinding

汽车倒车测距仪的设计

第一章引言

随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。

其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。

经过调查，绝大多数非职业汽车驾驶员都希望有一种能发现汽车尾部障碍物的“后视眼”。

避免撞上别人的车、消防水笼头、伤及儿童等，从而更有效地减少倒车带来的事故。

有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生。

它是通过感应装置发出超声波，然后通过反射回来的超声波来判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。

只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。

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，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。

汽车倒车测距仪能测量并显示车辆后部障碍物离车辆的距离,同时用间歇嘟嘟声报警,间歇时间随障碍物距离缩短而缩短。

驾驶员不但可以直接观察被显示的距离,还可以用听觉判断车后障碍物距离的远近。

特别适用于长车身车辆倒车。

仪器共有三部分组成:

监控器、接线盒与探测器。

监控器由单片计算机为核心的集成电路组成,发射,并接收频率稳定的40kHz超声波,根据发射信号与回波信号之问的时问差计算障碍物与车辆后部的距离。

监控器安装在驾驶室驾驶员便于观察的位置,面板上有3位LED数码管显示器,清晰悦目,小数点固定在第一位数后,显示清晰准确。

第二章关于超声波的介绍

2.1超声波的发展史

2.1.1超声波的含义

超声波是声波大家族中的一员。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

2.1.2在国际方面的发展

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在国内方面的发展

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

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）。

它的特点主要表现在：

（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）超声波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）

2.3超声波的应用

由于超声波清洗本身具有其它物理清洗或化学清洗无可比拟的优越性，因此广泛应用于服务业、电子业、医药业、实验室、机械业、硬质合金业、化学工业等诸多领域，下面就个别行业作简单介绍。

1、在服务业中的应用。

日常生产中，眼镜、首饰都可以用超声波进行清洗，速度快，无损伤，大型的宾馆、饭店用它清洗餐具，不仅清洗效果好，还具有杀灭病毒的作用。

2、超声波在微粉业的应用

众所周知，要取得不同大小的颗粒，是把破碎料放在球磨机内研磨后，经过不同规格筛子层层筛分而得的。

筛子长时间使用后，筛孔会被堵塞（如金刚石筛），用其它方法刷洗会破坏筛子，且效果不理想，经过众多厂家的试验后，用超声波清洗，不仅不损坏筛子，而且筛子上面的堵塞颗粒完全被回收。

3、超声波在制药工业的应用

超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用，特别是对西林瓶、口服液瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到首肯。

对于瓶类的清洗，是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机，它经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现的。

4、超声对滤芯的清洗

我们知道，无论何种材质的过滤器或无论何种用途的过滤器，使用一段时间后，都会由于杂质而造成通透性降低而报废，普通滤芯价格较低还可以，但对于化纤行业，一只进口滤芯，价格近万元，弃之实在可惜，我们同其它科研单位合作研制的超声波滤芯清洗机，采用聚能型超声波清洗机，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2的辐射面上，超声强度大，能够快速将堵塞物去除，同时设备采用反过滤装置，只要您提供波芯，我们就可为您提供整套清洗装置。

（该设备洗一根滤芯的时间为10—15分钟）。

适用于PP绵滤芯、活性炭滤芯、中空纤维滤芯陶瓷膜滤芯。

5、超声波对金属的清洗

众所周知，金属棒材经挤压成丝后，金属丝的外部往往有一层碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很难让污物去除（尤其整盘丝），超声波洗丝机是根据实际生产需要而设计的一种连续走丝，高效清洗设备，粗洗部分由清洗液储槽、换能器、循环泵、过滤器及配套管道系统组成，金属丝经超声波粗洗精洗后，再经过吹干，从而完成整个清洗过程。

6、超声波清洗技术在磷化处理中的应用

产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液对工件进行处理，对环境污染较重，工作环境较差，同时，最大的弊端是结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。

工件喷涂后，时间不长，沿着夹缝出现锈蚀现象，破坏涂层表面，严重影响产品外观和内在质量。

超声波清洗技术应用到涂装前处理后，不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。

第三章关于单片机的介绍

3.1单片机的含义

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

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

　　1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

　　2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

　　Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

　　3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

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。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用

2.在工业控制中的应用

3.在家用电器中的应用

4.在计算机网络和通信领域中的应用

5.单片机在医用设备领域中的应用

6.在各种大型电器中的模块化应用

7.单片机在汽车设备领域中的应用

3.5AT89C51单片机的介绍

3.5.1AT89C51单片机概述

AT89C系列单片机是Atmel公司生产的第一款标准型单片机。

其中数字9表示内含Flash存储器，C表示CMOS工艺。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程课擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程课擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.5.2AT89C51单片机特点

与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命为100写/擦循环；数据保留时间10年；群静态工作：

0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128×8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。

3.5.3AT89C51单片机的引脚图

第四章汽车倒车测距仪的硬件设计

4.1总体设计思路

由单片机AT89C51编程产生40kHzd的方波，由P3.6扣输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。

发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，送至单片机。

单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。

该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。

传感器输入端与发射接收电路相连，接收电路输出端与单片机相连接，单片机的输出端与显示电路输入端相连接。

其时序图如图1-2所示。

单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。

计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。

4.2硬件设计的基本原理及原理图

4.2.1发射电路的设计

由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，图1-3为发射电路图。

74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。

74HC04的管脚图如图1-4所示。

图1-474HC04管脚图

4.2.2接收电路的设计

超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。

接收电路图如图1-5所示。

超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40kHz。

该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。

4.2.3显示模块的设计

LED（Light-EmittingDiode，发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。

LED数码管结构简单，价格便宜。

图1-6示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。

图1-6（a）为八段共阴数码显示管结构图，图1-6（b）是它的原理图，图1-6（c）为八段共阳LED显示管原理图。

八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。

七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。

图1-6八段LED数码显示管原理和结构

第五章超声波汽车倒车测距仪软件设计

5.1主程序编制及流程图

单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波以后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出P0、P1和P2口显示。

主程序流程图如图1-7所示。

图1-7主程序流程图

5.2延时程序的编制

用单片机编程产生40kHz方波，可用延时程序和循环语句实现。

先定义一个延时函数delays（）,然后可用for语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。

部分程序如下：

voiddelays（）{}//延时函数

voidmain（）

{

for（a=0；a<200；a++）//产生100个40kHz的方波

{

P36=!

P36；//每循环一次，输出引脚取反

delays（）；

}

}

5.3中断服务程序的流程图及编制

中断服务程序的流程图如图1-8、图1-9所示。

图1-8定时中断子程序的流程图图1-9外部中断子程序的流程图

单片机每隔一段时间产生一串40kHz的方波，同时定时器开始计时，当收到回波，产生中断信号后，单片机执行中断程序。

在中断程序中，先让定时器停止计数，然后读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。

中断程序如下：

voidintersvro（void）interrupt0using1//INTO中断服务程序

{

uintbwei,shwei,gwei；

ucharDH,DL；

ulongCOUNT；

TRO=0；//停止计数

DH=THO；

DL=TLO；

COUNT=THO*256+TLO；

num=（344*COUNT）/20000；//计算距离

bwei=num/100；//取百位

gwei=（num-bwei*100）/10；//取十位

shwei=num%10；//取个位

P1=tab[bwei]；//输出百位

P0=tab[shwei]；//输出十位

P2=tab[gwei]；//输出个位

TH0=0；

TLO=0；

}

本系统的LED显示采用了静态显示方式，并用单片机内部软件译码。

这样简单方便，省去了复杂的外部译码电路。

第六章总结

本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距仪系统的原理和设计，给出了硬件和软件的设计方案。

超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、特点、应用以及发展等。

只有深入地了解超声波传感器的工作原理，才能更好地设计测距电路。

单片机是本系统的控制部分，采用Atmel公司生产的AT89C51芯片。

驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机变成产生的。

本系统的发射电路采用74HC04六反向器，通过它对单片机产生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。

接收电路采用的是LM741，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。

本系统的LED显示部分采用的是静态扫描方式，并用单片机软件译码。

单片机内部采用C语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机完成。

本课题所涉及的超声波测距系统具有测量精度高、速度快、控制简单方便等优点。

测距系统在许多工业现场和自动控制场合都有很重要的作用。

但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。

总体来说，最重要的是，在本次的课程设计中我学习到了很多知识，从总受益匪浅。

了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。

这些对我今后的学习和工作都会有很大的帮助。

致谢

本文是在刘军老师精心指导和大力支持下完成的。

老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。

她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。

整个过程中，有了老师的耐心指导，我才能顺利地完成毕业设计。

我从刘老师那里学习到了很多专业知识。

衷心感谢老师。

参考文献

[1]李建忠主编单片机原理及应用，西安电子科技大学出版社，2004

[2]李全利，单片机原理及应用技术，第二版，北京高等教育出版社，2005

[5]陈少航，单片机实训教程，