51单片机实现超声波测距报警系统.docx

1、51单片机实现超声波测距报警系统1引言 0研究的目的和意义 1国内外发展的状况以及存在的问题 1现有的倒车雷达存在的问题 2本文研究的主要内容 22超声波原理介绍 3超声波的基本理论 3超声波的传播速度 4超声波的物理性质 6超声波对声场产生的作用 9超声波測距系统原理 10规格参数 12主要功能 12基本参数 123系统硬件设计 14单片机系统 16超英波发射接收模块 17报警电路设计 183. 4复位电路 194系统软件程序 225计算超声波传播时间 226结论 22参考文献： 22致谢 25基于单片机倒车防撞报警系统设计张杭南京信息工程大学滨江学院，南京210044摘要：对于汽车倒车防撞

2、问题，提出了将超声波测距仪和单片机结合 于一体的方案，并给出了一种基于AT89C51单片机的倒车防撞报警系 统的设计，对系统中控制部分、发射部分、接收部分、显示部分和报 警部分出现的问题进行处理。本文采用一种简单易行的测距原理建立 了防撞报警系统，具体分析了倒车防撞系统的设计原理及各部分元件 的设计方案，充分描述了超声波测距的原理及应用，并介绍了我国在 超声波测距的发展现状，不过还有一些无法避免的测量误差，还需日 益俱进的科学发展加以解决。关键词：AT89C51:超声测距；倒车防撞1引言研究的目的和意义随着社会经济的发展交通运输业飞速发展，汽车的数量在大副攀 升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事

3、件屡屡发生，造成了不可避免 的人身伤亡和经济损失。针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高 且较为经济实用的汽车防撞报警系统势在必行。超声波测距法是最常 见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离和 低速状况，并且在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的 声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍 射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波 距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及 蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作 用。国内外现状国内外发展的状况以及存在的问题汽车倒车防撞测距报警器是国家安全技术发

4、展期间重点开发的科研项目之一。以往的汽车倒车测距一般有四种：1嘀嘀声加闪光、2音乐声加闪光、3语音声加闪光、4倒车到危险距离时发出警报声 的超声波倒车报警器。由于很多研究都采用的是特殊难购且稀有的专 用元件，使其难以推广。而本设计采用国内生产的通用元件，成本较 低廉，并且使其在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距 离，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， 避免事故的发生。现有的倒车雷达存在的问题最大有效探测距离的问题：通过调查得知大多数驾驶员的习惯会 使行人只有不到1s的时间脱离危险。这样一来，报警在减速时就很 紧张，明显会感到预警时间不足，引起不必要的事故发生。本

5、文研究的主要内容本论文概述了超声波检测的发展及工作原理，阐述了超声波传感 器的原理、特点、分类；对于报警系统的一些主要参数进行了讨论和 研究，以及在超声波测距系统功能的基础上，提出了报警系统的总体 结构；并且设计了系统发射、接收电路，并仔细介绍了系统各设计单 元的原理及它们的工作原理。2超声波原理介绍超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各 行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品 质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率 特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过

6、程完成 的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射 大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称 之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在10410,2Hz, 其中通常的频率大约在103x10 6之间。超声波在超声场（被超 声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场 很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散； 反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面 限制不能自由的向外扩散。超声波的传播速度超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波质点振动 方向垂直于传播方

7、向的波；纵波 质点振动方向与传播方向一致的 波；表面波质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横 波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随 深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形 式的超声波。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有 关。超声波在气体和液体中，其传播速度C也二（丄）PBa式中P 介质的密度； 绝对压缩系数。可以推导出超声波在空气种传播速度6=331.4 + 0.61x7。（T为环 境温度）。超声波在固体中的传播速度分两种情况:(1)纵波在固体介质中的传播速度与介质的形状有关。C

8、(l = (-)1 (细棒)P卜J 卡(薄板)0(1-)C厂卜空一岁丄(匕即(无限介质)。(1 + “)(1-2“) p式中E杨氏模具；“ 泊松系数；K体积弹性模具；G剪片弹性模。(2)横波声速公式为C =| p =()2 (无限介质)q 0x2(1+) p在固体中，“介于05之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。超声波的物理性质当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反 射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种 情况称之为超声波的反射和折射，如图1所示：(1)超声波的反射和折射入射波反射波介质折射波当超声波传播到两种特性阻抗不同介 质的平面分界面上时，一部

9、分超声波被反 射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图所示。声波的反射系数和透射系数可以分别由如下两式求得:图1声波反射COS0 p2c2空IcOSQR _ cosa QC cos/? p?c2cosa p|C|Pc曲0 +竺PlCl式中：40 分别为声波的入射角和反射角;PCP1C1 分别为两介质的特征阻抗，其中C|,C2为反射波和折射波的速度。反射角、折射角与声速仃心满足折射定律关系式:sin a _ cl =Osin P c2当超声波垂直入射界面时，即a = 0 = O,则：_ P匹 2 2r = t = 心 +竺 +沁pc pc如果S

10、inait,入射波完全被反射，在相邻两个介质中没有折射波。如果超声波斜入射到两个固体介质面或两粘滞弹性介质面时，一列斜入射的纵波不仅产生反射纵波和折射纵波，而且还产生反射横波和折射横波。(2)超声波的衰减超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律 如下:-Axr I -2AvI = h)e式中：P()J0距离声源x=0处的声压和声強；x超声波与声波间的距离；A衰减系数，单位为Np/cm (奈培/厘米)。(3)超声波的干涉如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。若以 两个频率相同，振幅自和.不等，波程差为d的两个波

11、干涉为例，该 两个波合成振幅为 +2 +2酬2 COS二)2 ,其中2为波长。从上式看出，当dn或 Ad=/?2 (为整数)时，合成振幅彳达到最大值；当d二“彳(” = 1,3,5,.)时, 合成振幅，为最小值。当=2=时，= 2 COS:当d=的奇数A 2倍时，两波相互抵消合成幅度为0。由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬 声场。超声波对声场产生的作用(1)机械作用超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了 压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运 动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的 质点的加速度却很大。有时足以

12、达到破坏介质的程度。(2)空化作用在流体动力学扌旨出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振 动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气 泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称 为空化。(3)热学作用如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸 收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互 摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。超声波测距系统原理在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度 为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲 个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲 的平

13、均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压 即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声 波的时间间隔t,故被测距离为S=1 /2vto本测量电路采用第二种 方案。由于超声波的声速与温度有关，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米/秒，由单片机负责计时，单片机使用晶 振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。如图2,超声波测距的算法设计：超声波在空气中传播速度为每 秒钟340米（15C时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的

14、时 刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1 = ,则有340m X=o由于在这的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：图2测距原理超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声 波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t,超声波在空气中的传 播速度为c,则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出：超声波测距器的系统框图如下图所示:基本原理：经发射器发射出长约6mm,频率为40KHZ的超声波信号。 此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应 的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。规格参数主要功能k距离测量；2、 温度测量；3、 光亮度

15、测量；基本参数(1)工作电压：。特别说明，绝对不允许超过(2)功耗电流：最小1mA,最大20mA(3)谐振频率：40KHz:(4)探测距离范围：4毫米4米。误差：4%；(5)(特别说明，探测最近距离为4mm,最远距离为4米，数据连续 输出，不需要任何设置。)(6)测量温度范围：0C至+100C;精度：1C(刀 测量光照度范围：能测量出明亮和黒暗；(8)数据输出方式：iic和uart (57600bps)两种方式，用户任选； 其中UART方式，是以7个字节为一组，以0x55开头的3个数据是距离数 值；以0x66开头的2个数据是温度数据；以0x77开头的2个数据是光照 度数据。0x550x660x

16、77是为区分3个数据而增加的数据头；(9)时间限制：支持如下2种探测方式；1、持续探测；2、受控间歇 探测；(10)距离数据格式：以毫米为最小数据单位，双字节16进制传输, 前高后低；(11)温度数据格式：以摄氏度为最小数据单位，单字节16进制传 输；光照数据格式：单字节16进制传输；光线暗时数值大，光线亮时 数值小；(12)工作温度范围：0C至+100C(13)存放温度:-40C至+120CCI4)外形尺寸:48mm*39mm*22mm (H)(15)固定孔尺寸3*O3mm间距：10mm发射部分的电脉冲电压很高，但是由障碍物回波因其的压电晶片 产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行

17、处理就必须放 大到一定的幅度。接收部分就由三级放大电路，检波电路及门限判别 电路构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测， 产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。但是由于 超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了 相当程度的影响。3系统硬件设计系统硬件原理图如图3及PCB双面板如图4： 图3 系统硬件原理图okdZ091 三OOATaxeei9改ZI沖u城a0168 皿.020fgI HAS3Hi a01ggw旳eataggHaxoOOA6ofITTTTT7T OOAQKD91axeaxo尊渎京2?那JSiF-0?ddA竺DORdHTYX3Sd

18、axoXSHIXzxOSITd 妙 g 辿吐d ETd Idd tzTd OLXd 5Td 1?啦 畑 OXNLZ-Sd Td OCLTTd aXZOEd *0d 93 Gd FOd 0d ZOd lOd 00dd d d d d d d I I I I I I I 厂 yc-UXLuiLrOOA OldXHSTiEOdS竝HHaxe101p 殉13SHHQdMSIS,jsvl Wd如j13-uTPCBC1最小单片机模块本方案使用的单片机是AT89C51 o AT89C51是一个低电压，高性 能CM0S8位单片机。片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储 器和128B的随机存取数据存储

19、器(RAM)o器件采用ATMEL公司的高 密、非易失性存储技术产生，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通 用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能 单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信 口。AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通 用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。单片机最小模块常包含：复位电路，晶振电路，pO 口排阻，

20、电源接 口电路，串口电路（本单片机程序都是从开发板上烧写进入，无需增 加串口电路，可节约成本）。超声波发射接收模块由单片机产生4OKHz的方波，直接驱动CD4049芯片，后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理，使超声波传感器产生谐振。报警电路设计系统报警电路由一个三极管和一个喇叭组成。vccRP1116215314413丁611710个 891_LSIX_/RESPACK4/ 2N3904Speaker虫至鸣器模块GXD图5系统报警电路3. 4 LCD1602显示器模块vcc1602GND1602显示器榄块A采用LCD1602可以作为外围输出设备，帮助超声波测距后显示出具体的距离，其

21、具体使用方法和参数如下：LCD1602主要技术参数:显示容量:16X2个字符芯片工作电压:一 工作电流:模块最佳工作电压: 字符尺寸：X (WXH)mmLCD1602各引脚功能：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱， 接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过 一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选 择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写 操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS为低电平

22、R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低 电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块 执行命令。第714脚：DOD7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。4系统软件程序/*=08电信毕业生注:AT89x51使用12M或晶振，实测使用=*/static unsigned char DisNum = 0;京：科学出版社，2004:2 周良权，傅恩锡，李世馨.模拟电子技术基础（第2版）.北京：高等教育出版社，2001:121-1233 陈莹.基于单片机的超声波测距系统：硕士论文，华中科技大学 硕士学位论文，2004:44 邱

23、平.略论我国非金属超声波检测仪器的发展状况.工程质量， 1998:565 超声波探伤编写组.超声波探伤.北京：电力工业出版社， 1980:326 李鸣华，余水宝.单片机在超声波料位测量中的应用.电子技术应 用，1998:1577 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用电子技术，2002:1178 荀殿栋.数字电路设计实用手册.北京：电子工业出版社， 2003:108-1109 戴曰章.基于AT89C51单片机的超声波测距系统.电气时代，2005:24610 董敏学.汽车倒车防撞防止系统设计.上海汽车，2001:143-14911 董子和，李永辉.超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的 应用.汽车

24、电器1997:15-1612 李茂山.超声波测距原理及实践技术.实用测距技术，北京：机械 工业出版社，1994:1613雷辉.基于AT89C51的智能防撞报警器设计.电气时代，2005:8914黄建兵.超声波精确测距的研究.南京理工大学学士学位论文，2004:21515李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术.北京：高等教育出版 社，2004:12-14.16曾城.基于CAN-BUS的汽车防撞报警系统控制单元的研究开发. 西安：长安大学,2004:1261刀 胡铁红.高速公路追尾及侧向碰撞预警系统模型的研究.西安: 长安大学,2004:6618赵纬华.高速公路碰撞预防报警系统传感器及电源研究.西安

25、: 长安大学,2004:6319侯德藻.汽车纵向主动避撞系统的研究.北京：清华大 学,2004:4120Gabr i eI Ieen, Dond Heffernam,and a I a n Dune. D i g itai Networks i n the AuTOmot i veComputing & ControI Eng ineer i ng journal.2006：D67, 216-222.21A. D. C. Spec i fi cat ion for NISSAN 172 ACC Radar System ARS100. Jun 20, 2007； 102；394-399;22M

26、i les UpTOn. Techi nques For Di stance Measurement SAE95. 2003:16723高延龄.汽车运用工程.北京：人发交通出版社,1997:157致谢历时半载，从论文选题到搜集资料，从开题报告、写初稿到反复 修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心 情是如此复杂。如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情 烟消云散，自己甚至还有一点成就感。最后，我要感谢四年的大学生活，感谢南京信息工程大学滨江学 院08级电科班的所有老师同学以及我的家人和那些永远也不能忘记 的朋友，他们的支持与情感，是我永远的财富。Reverse col

27、lision warning system based on single chip designzhang hangBi nj i ang Co I I ege, Nan j i ng uni vers i ty of Sc i ence & Techno I ogy;Nanj i ng 210044AbstractFor the automob iIe back-draft ant i -co I Ii s i on prob Iem, put forward to the ultrasonic range finder and single chip int egra tion sche

28、me, and prese nts a met hod based on AT89C51 MCU back-draf t anti - co I I i s i on a I arm sys tem desig n, sys tem cont ro I part, transmission part, receiving part, display part and an a I arm part problems are hand Ied. Thi s paper adopts a simple rangi ng pr i nciple to estabIi sh a co I Ii s i

29、 on warning system, ana Iyzes the back-draft ant i -co I Ii s i on system des i gn principles and elements of des i gn, the fu I I descr i ption of ultrasonic distance measurement pr inciple and appIication in our country, and introduces the current situation of the deveIopment of ultrasonic ranging, but some can11 avoid measurement error, but a I so be increasingly progressingscientific deveI opment to be addressed.Key wards : AT89C51;Ultrasonic ranging;A collision warningsystem