超声波倒车报警系统设计毕业设计.docx

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超声波倒车报警系统设计毕业设计

毕业设计说明书（论文）

作者:

学号：

系：

专业:

题目:

超声波倒车报警系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

南京理工大学紫金学院

毕业设计（论文）评语

学生姓名：

班级、学号：

题目：

超声波倒车报警系统设计

综合成绩：

指导者评语：

超声波倒车报警系统是满足在倒车时测定障碍物与车辆的安全距离,防止倒车时对距离判断不清导致的车辆受损。

该生能够充分利用超声这一方式设计倒车报警系统，思路比较清晰，设计比较严谨。

同时论文对相应的理论和相应的设计逻辑清晰合理。

对相应的设计电路与软件能够进行严格的验证，并能够做出相应的实物。

该生能够充分理解电子工程的相关基础理论，同时在设计过程中学习和补充其它的高级电子设计知识，完满完成了该设计。

建议该生进行并通过毕业论文答辩。

指导者（签字）：

2013年5月14日

毕业设计（论文）评语

评阅者评语：

评阅者（签字）：

年月日

答辩委员会（小组）评语：

答辩委员会（小组）负责人（签字）：

年月日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

超声波技术是一门通用技术，它包括超声波产生、传播以及接收等物理过程。

目前超声波技术广泛应用于超声波探测、超声焊接、超声检测和超声医疗方面。

本系统设计利用STC89C52RC单片机为主控芯片，利用单片机程序产生频率为40KHz方波信号，通过推挽放大驱动超声波发射器向外发射超声波信号，同时开始计时，超声波信号经障碍物反射后被超声波接收器接收，利用接收芯片接收并将信号传至单片机，停止计时，单片机计算超声波发射与接收之间的时间差，即可计算障碍物的距离。

并通过利用四位数码管将探测结果直观显示出来。

基于单片机的超声波测距系统易实现、成本低、精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。

关键词单片机超声波测距

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleThedesignofaSilentWave

MeasureDistance

Abstract

Ultrasonictechnologyisageneraltechnologyhavetobeused,itcomprisesanultrasonicgeneration,propagationandreceivingphysicalprocess.Currently,theultrasonictechnologyiswidelyusedinultrasonicdetection,ultrasonicwelding,ultrasonictestingandultrasonicmedical.ThissystemisdesignedbyusingSTC89C52RCasthemaincontrolchip.Usingthesinglechipmicrocomputerprogramtogenerate40kHzsquarewavesignals.Throughthepush-pullamplifierdriveultrasonicemittertothelaunchultrasonicsignal,atthesametimestartthetimer.Theultrasonicsignalreflectedbyanobstacle,receivingbyultrasonicreceiver.Thereceiverreceivesandtransmitsignalstothemicrocontroller,stoptheclock.Singlechipmicrocomputercalculatethetimedifferencesbetweenthetransmitterandreceiver,cancalculatethedistancetotheobstacle.Andthroughfourdigitaltubedisplaydetectionresults.Microcontroller-basedultrasonicsystemiseasytoimplement,lowcost,highaccuracyandeasytodoreal-timecontrol,withstrongpracticality.

Keywordsmicrocontrollerultrasoundranging

1引言

随着科学技术广泛地使用及科技成果的迅速发展，给人民的日常生活增添许多方便。

本着这个宗旨，超声波测距仪就是利用超声波功能为我们测距服务。

只有在20Hz-20kHz频率范围的声音人耳才能听见，人类听不见的声音可分为高于频率20kHz的超声波和低于频率20Hz的次声波。

超声波频率在几千赫兹到几十兆赫兹不等。

超声波这些性能特点往往用于距离测量。

由于超声波具有波长短，方向性好以及能穿透物体等特点，所以在超声波检测和工业生产等领域得到广泛地运用。

该设计利用提供了LED数码管显示电路的小型单片机开发板以及配合独立的HC-SR04超声波传感器模块实现测距功能。

超声波传感器模块上面具有发送和接收端口，工作时发送端口发送超声波脉冲，脉冲在空气中传输直至遇到障碍物反射回接收端口。

以超声波传播的速度和传播的时间间隔来计算出距离。

考虑到该电路的硬件系统易于实现，成本低廉，能够稳定可靠的实现基本功能，在此基础上可以做出适当的拓展。

数码管显示值能够根据超声波传感器的测得距离的变化作出相应的改变。

利用超声波技术能够准确、方便、快捷地测得测距仪到被测物体间的距离。

测距仪在日常的生活和生产中也有广泛的应用，本文是将超声波测距技术运用到倒车报警系统中，减小因人眼盲区给用户带来的不必要损失。

1.1选题背景及研究意义

由于超声波具有能耗慢，波长短，方向性好以及能穿透物体等特点，因此在测距仪和液位测量等中得到广泛地使用。

在生活，军事以及其他领域超声波测距仪都具有广泛的实际应用，如日常交通中的超声波倒车报警系统。

由于该设计是超声波倒车报警系统，因此这种测距必须是非接触式的。

设计者需要拥有扎实的数、模电知识，单片机编程能力，超声波发射与接收知识，以及能将这几方面的知识进行有机结合的能力。

通过单片机的计算和处理，最后将被测物体的距离结果能够清晰的，稳定的显示在LED数码管上。

感应角度：

不大于15度；测量范围：

2cm——450cm；精度0.2cm。

1.2超声波的国内研究现状

近十年来，国内科研人员进行了大量理论分析与研究主要包括：

超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发和超声波发射脉冲选取等方面，同时提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施来减少实际的误差。

超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣主要受到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度的影响，同时超声波探测定位系统的精度和反应速度也受此影响。

消除由于回波信号强弱变化而造成的测量时间的误差主要是通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，从而能够使测量精度得到进一步提高，将超声波在空气中近距离测量达到厘米级的精度。

目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，超声波探测定位的关键技术仍将是作为一个重要的研究方向。

随着超声波发射和回波信号的处理方法不断完善，为了进一步拓宽超声波测距的应用空间，当前主要集中在如何研发新型、高性能超声波换能器两个问题上。

同时，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。

现金市场上所销售的超声波测距系统，大都采用发射单超声脉冲的方法，但是当它采用较高频率超声波时，有效测量距离会因空气吸收而较快衰减从而导致精度降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。

因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽[1]。

1.3超声波的国外研究现状

一般认为，人类首次有效产生的高频声波即超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。

在之后的三十年中，超声波始终是一个鲜为人知的东西，对超声波的研究主要受到了当时电子技术发展缓慢一定程度的影响[2]。

1925年，Pierce使用石英传感器和镍传感器来产生和探测超声波，而且频率扩展到兆赫级；至此，Debye,Sears,Lcas分别发现了超声波的衍射光栅，用超声波来研究液体和气体的声学特性方法得到稳定发展。

1927年Hantalnnn和Tro11e解决了超声汽笛的许多细节问题，这些汽笛被证明在流体中最高功率可达50W。

1929年，用超声波探查金属物内部缺陷的建议由Sokolov首先提出。

1931年，Mulhauser获得关于检测超声方法的一项专利。

Sokolov在1934年，首次发表关于在液体槽子里利用穿透法作实物试验的参数结果，他尝试各种方法做了这方面的相关实验，检测穿过试验物体的超声波能量，其中就有利用光学法观察由超声波在液体表面形成波纹的实验。

德国Bergrnann在著作《ULTRASONIC》中，阐述了大量早期关于超声波的详尽的资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作[3]。

继1950年后，雷达技术的发展大大促进了超声波探伤技术发展，由于电子计算机、激光技术等新技术的快速发展，不仅加速了雷达技术的发展，同时也加速了超声波技术的发展。

超声波的脉冲调制技术在无损探测、医疗诊断及各种工业控制也得到了广泛地应用。

1965年，在深入研究了新材料、新技术以及微波传播的相关理论之后，可以产生频率超过100GHz的超声波。

继此之后，超高频的超声波开始应用于物理学基础研究、通信和计算机技术等领域中。

1980年，美国国家仪器有限公司（NationalInstruments）研发出丰富的软件技术来进行超声波相关参数方面的测试及测量。

1992年由FigneroaJ.F提出一种新型超声波回波计时法，该方法得到的回波时延是利用峰值和相位相加；这种方法能达到的精度指标为：

18一34米，误差精度2%。

Kimiyuki等人于1997年提出一种新的超声波传感器，并证明出它的可行性，该传感器是基于像散焦点差的探测理论。

HanneSElmer于2007年提出实现超声波测距的高分辨率的方法,并且利用编码信号对高精度的超声波测距系统进行了研究和探索。

2008年，美国普力塞思测距仪公司在基于超声波测距原理的前提下推出了一系列的，体积相对较小、更加易于携带，可以用于不同程度的测高检测[3]。

近些年，伴随着压电陶瓷材料的迅速发展以及电子技术的进一步普及，超声波相关方面的检测技术也得到进一步的发展。

美国APRESYS测距仪公司已经研制出一系列的能够满足各种不同要求的超声波测距仪，实现了更加高速和精确的长宽高等单一元素的测量及面积等符合元素的测量。

新型超声检测仪接连不断的出现，使该技术在无损探伤、测温、测距、流量测量、液体成分测量等方面的应用领域得到不断的扩大。

1.4超声波测距的实现主要技术

超声波测距实现技术的关键技术包括数字信号处理DSP（DigitalSignalProcessing）技术、现场可编程门阵列FPGA（Field－ProgrammableGateArray）技术、单片机技术等。

数字信号处理（DSP）是将电子信号通过处理转换成数字方式表示并处理的理论和技术。

其中主要包括数字信号处理与模拟信号处理是信号处理。

数字信号处理主要是对连续的模拟信号进行滤波处理或者精确测量。

所以需要将所要处理的信号在模拟域和数字域之间进行转换才能对其进行数字信号处理，这通常是需要通过A/D转换器来实现的。

但是最终还是将经过数字信号处理过的输出结果变换到模拟域，这就需要通过D/A转换器来实现。

数字信号处理的算法往往需要利用计算机方面的设备或者专门用于处理DPS的设备，如数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）等。

数字信号处理技术及设备具有灵活性强、精确度高、抗干扰能力强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。

现场可编程门阵列（FPGA）是将可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O单元阵列集成化的技术，一片FPGA包含丰富的逻辑门功能、寄存器和I/O资源。

单片FPGA芯片就足以实现数百片甚至成千上万个标准数字集成电路能实现的系统。

FPGA内部结构由于具有相当高的灵活性，因此用户可以根据自己的需要对逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元进行编辑，而且可以实现的逻辑功能更加广泛，基本上可以满足用户的各种设计需求。

其速度快，功耗低，通用性强，在复杂的系统设计中得到广泛地使用。

FPGA还可以实现在线系统、重构动态的配置及硬件通过程序软化、软件通过硬件进行硬件化等功能。

我们在基于传统试验及控制器的研制过程中，把微机技术和FPGA技术两者做了有机的集合，全方位的提升控制器系统的性能，使整体的工作的效率、电气系统的可靠性以及控制精度参数方面都得到了很大的提高，并且达到了操作简便而又不缺乏先进的技术性，从而避免了由于高频疲劳试验机控制器控制规模上的庞大，功能复杂等缺点[4]。

单片微型计算机简称单片机，单片机的电路芯片大部分采用超大规模集成技术，它把中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、多路模拟转换器、脉宽调制电路、A/D转换器等电路）、多种I/O口和中断系统集成到一块小硅片上而构成的一个小而完善的微型计算机系统，尤其是在工业控制领域的得到了相当广泛地应用。

在软件的控制下，这些电路能够准确地、快速地、高效地完成程序设计者预先规定好的任务[6]。

因此，单片机的最大的特征就是它可以单独地现代化工业生产控制中所要求的智能化的控制功能，而这些能力恰恰是普通的微处理器所不能及的。

由于单片机的结构形式及其所采取的半导体工艺，使之具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。

其主要特点可归纳如下：

高性价格比。

高集成度、所占空间小、高可靠性，由于单片机把各个功能模块集成在单片芯片上，且其内部采用总线结构，大大的减少了各芯片之间的连线，极大的提高了单片机工作的的可靠性与抗干扰能力；另外，由于单片机体积小的优点，在强磁场环境下容易于采取屏蔽干扰措施，在环境恶劣的情况下也能较好的工作。

控制能力强，单片机上的指令系统均含有丰富的转移操作指令、I/O口的逻辑操作指令以及位处理功能的能力；为了能满足更高要求的逻辑控制功能以及运行速度，单片机对二者的要求是均高于同档次的微机。

能耗低、工作电压低，便于公司大规模的生产便携式的产品。

外部总线增设SPI及I2C等串行总线的工作方式，从而缩小单片机的体积及结构的简化。

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系统。

综上所述，局限于开发环境并且切合于毕业设计的实际条件情况的多方面考虑因素，本设计采用单片机开发技术来实现。

1.5研究步骤与方法

1.5.1硬件电路的设计

超声波测距的硬件系统主要由单片机硬件系统、超声波发射模块、超声波接收模块及数码管显示电路组成。

超声波传感器分为集成与独立的发送和接收到两种。

本设计采用超声波传感器发射接受分离式。

单片机的应用及语言：

比较常用的单片机有INTEL公司的MCS-51系列单片机，有两大系列MCS-51子系列和MCS-52子系列及ATMEL公司AT89C系列单片机。

软件的实现何以用C语言或汇编语言来实现。

本设计考虑到功能和成本选取了STC89C52RC单片机做控制器。

显示器：

液晶显示我们可以使用北京精电蓬远显示技术有限公司的MDLS16265B液晶LCD显示器或者八段数码管LED。

本设计选用八段数码管LED做显示器件。

超声波测距的范围和精度：

由于实际需要和传感器的性能限制，测距都要有一定的范围和精度，所以在设计测距仪时应该考虑这两方面的技术要求。

本设计选取的传感器要能达到要求的测量范围和精度。

1.5.2软件的设计

由主程序，超声波发射子程序，接收中断子程序以及显示子程序四个主要部分组成超声波测距仪的软件系统。

我们知道，C语言程序有利于更复杂的算法，汇编语言编程效率高，精确计算运行时间，汇编语言程序设计简单。

2超声波测距原理

2.1超声波测距系统分析

在超声波探测电路中，由于输出脉冲的个数与被测的距离成正比，即被测量的距离越大，那么它的脉冲宽度就越宽，这个脉冲宽度就是发射超声波的时间间隔。

超声波测距主要有以下两种方法：

一种是根据输出脉冲的宽度，就是发射超声波与接收超声波的时间间隔t；另一种就是根据输出脉冲的平均值电压与测量的距离成正比的关系得到测量结果。

本系统的测量采用第一种方案。

由于超声波的传播速度与传播媒介的温度有关，当然如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

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为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级[5]。

假定S为超声波测距模块到被测物体之间的距离，被测时间为t（s），超声波的传播速度为v（m/s）表示，则有关系式（2.1）

S=v·t／2（2.1）

在考虑到温度在精度要求较高的情况下的影响，按式（2.2）为了减小误差，在此对超声波在空气中的传播速度加以修正。

温度与声速的关系参照表2.1。

v=331．4+0．607T（2.2）

式中：

T为实际温度，单位为℃；

v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。

考虑到实际环境的温度变化不是很大，以及技术有限，所以本设计使用关系式（2.1）作为参考公式。

表2.1一些温度下的声速

温度与声速参照表

温度T（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

声速v（m/s）

313

319

322

332

337

344

350

2.2压电式超声波发生器的基本原理

压电式超声波发生器由两个压电晶片以及一个共振板组成，并且它是利用压电晶体的谐振方式来进行工作的。

其内部结构如图2.1所示。

图2.1超声波发生器的内部结构

施加在压电晶体两端的电压为交流电时，当交流电的频率与谐振频率相等的情况下，压电晶体就会产生共振效应，继而产生超声波。

若没有电压施加在压电晶体的两极，且压电晶体能感受到空气中有声压，就会产生一个电压输出，这个就是压电效应。

所以此时只能做超声波接收器了。

2.3超声波测距误差分析

根据超声波测距公式

S=V×T（2.3）

可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

2.3.1时间误差

当要求测量误差小于1mm时，现在假设超声波的传播速度为C=344m/s （20℃室温），忽略声速的在空气中的传播误差。

在测距上的误差为：

S△t<（0.001/344） ≈0.000002907s 即2.907μs

若想将超声波测距的结果误差控制在1mm以内，就必须将超声波往返的时间差值精度控制在微秒级，当然要达到这一要求的前期必须是在空气中超声波的相对传播速度非常准确的情况下。

89C51单片机是采用12MHz晶振作为时钟基准的，所以能很方便的达到1μs的精度。

该系统采用的是以51为内核的定时器的STC89C52RC单片机，以此确保它的距离误差在1mm的测量范围以内[8]。

2.3.2超声波传播速度误差

超声波的传播速度与空气的密度息息相关，空气的密度与超声波的传播速度成正比，即空气的密度越高超声波的传播速度就越快。

要想使超声波测距的精度控制在1mm以内，就必须考虑到超声波传播的介质的温度。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将