智能型汽车防撞报警器的设计.docx

1、智能型汽车防撞报警器的设计智能型汽车防撞报警器的设计摘 要：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，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日常使用的要求。设计的超声波测距器利用超声波传输中距离与时间的关系，采用以AT89S52单片机为核心进行控制及数据处理，最终完成低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距器的硬件电路和软件设计。该测距器主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、系统电源电路及显示电路构成。整个程序采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的

2、信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距器的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。经过实验表明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，还能有效地解决汽车倒车，液位、水深、管道长度的测量问题。关键词：超声波；AT89S52；数码管；测距；目 录1设计背景 61.1超声波测距的实际应用背景 61.2超声波测距的专业知识背景 62设计方案 72.1方案讨论 72.2方案论证 73方案实施 73.1硬件设计 73.1.1 AT89S52外围电路设计 83.1.2系统电源电

3、路设计 93.1.3数码管显示电路设计 93.1.4超声波发射 103.1.5超声波接收 123.2软件部分 133.2.1系统软件设计说明 133.2.2编程语言的选择 143.2.3超声波测距仪的算法设计 143.2.4主程序流程图 153.2.5超声波发生子程序和超声波接收中断程序 163.2.6系统的软硬件的调试 165收获与致谢 185.1 收获 185.2 致谢 181设计背景1.1超声波测距的实际应用背景超声波测距是一种非接触的检测方式，与其他方式相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被检测对象颜色等影响。对于被侧物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适

4、应能力。因此在测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井、液位检测、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广阔的应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢。其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其他方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。利用超声波测距，在许多方面有很多优势。因此，超声波测距的研究是非常有实用和商业价值。1.2超声

5、波测距的专业知识背景超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量过程中，超声测距器是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(T/2)*V 式中 L被测距离；T发射波和反射波之间的时间间隔；V超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s 。声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。 为测试更精确，

6、鉴于声波受温度影响最大，测距数据处理过程可以采用了温度补偿，以提高测量精度。2设计方案2.1方案讨论超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方

7、面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S52单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。超声波测距器系统设计框图如图2.1所示。图2.1 超声波测距器系统设计框图2.2方案论证测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。3方案实施3.1硬件设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路

8、和超声波检测接收电路四部分。单片机采用AT89S52，采用12MHz高精度的晶振，以获得稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P3.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，位码用PNP三极管9013驱动。3.1.1 AT89S52外围电路设计单片机AT89S52作为主控芯片，控制整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而

9、影响复位。该设计在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，可令系统可靠复位。复位电路的设计图如图3.1示。 图3.1.1 复位电路图 图3.1.2 时钟电路AT89S52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体,电容应该使用3

10、0pF10pF。还可以使用外部时钟。这种情况下,外部时钟脉冲接XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端, XTAL2应悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。电路如图3.2所示。AT89S52具有在系统可编程功能，可以很方便的改写单片机存储器内的程序不需要把芯片中从工作环境中剥离，把AT89S ISP下载口接入电路，可使电路实现该功能。如图3.3所示。图3.1.3 AT89S ISP下载口接入电路3.1.2系统电源电路设计单片机AT89S52的工作电压范围相对较窄，为

11、4.05.5V。所以本设计中电源部分通过电源插口从外界变压器直接接入交流，利用电路中桥堆整流、电容滤波、稳压模块的稳压功能给电路提供稳定的+5V电压，使电路的工作保持很高的可靠性。在电路中接入一个发光二极管作为指示灯，可以很方便地指示电源与电路是否接通。如图3.4所示。图3.1.4 系统电源电路3.1.3数码管显示电路设计该设计中有4个八段数码显示管，由于单片机本身端口驱动能力有限，所以，在单片机AT89S52外围需要接入4个三极管来驱动数码显示管。八段数码显示管有两种，一种是共阳数码管，其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成；另一种是共阴数码管，其内部是由八个阴极相连接的发光二极管组成。二

12、者原理不同但功能相同，本设计选用四位共阳极数码管。数码管显示及其驱动电路如图3.5所示。图3.1.5 数码管显示及其驱动电路3.1.4超声波发射电路设计单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离SVT2，式中的V为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速V

13、与温度有关。测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，因为超声波在空气中传播时衰减很大，衰减的程度与频率成正比，但是频率越高则分辨力也会越高，频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，工作所需40kHz的脉冲信号，由单片机执行相应程序来产生。关于40KHz信号的产生，利用单片机定时器中断产生，要特别注意中断服务程序的编写。中断服务不能过长，如果过长单片机在前一个中断服务程序还没执行完之前又会有下一个中断产生。所以单片机将会产生一个错误频率的信号，往往这个错误的频率会比预期的值偏低。测距系统由单片机系统、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。AT89S52输出超声波换能器所需

14、的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号, 并实现对CX20106接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。超声波发射电路原理图如图3.6所示。发射电路主要由反相器4069和超声波发射换能器T构成，单片机P3.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R6、R8一方面可以提高反向器4069输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短

15、其自由振荡时间。图3.1.6 超声波发射电路压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。3.1.5超声波接收集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波

16、频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C8的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。使用CX20106A作为超声波检测接收电路，原理图如图3.7所示。CX20106A的第5脚的电阻决定接收的中心频率，220k的电阻决定了接收的中心频率为40KHz。CX20106A接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。R3和C13 是控制CX20106A内部放大增益，R5控制

17、带通滤波器的中心频率。一般取R3=4.7欧，C13=1Uf.。其余元件按图3.7取值。OUT_INT当收到超声波是产生一个下降沿，接到单片机的外部中断上。只要通过单片机来来计算发射信号时到收到信号是产生下降沿这段时间的长度，再通过数学计算得出当前距离，程序将此数值与设定的阈值相比较并作出相应动作。图3.1.7 超声波接收电路3.1.6循环彩灯电路及蜂鸣器电路当探测距离小于10cm时，调用循环彩灯程序，执行循环彩灯电路。用P2口驱动发光二极管显示。如图3.1.8所示。图3.1.8 循环彩灯电路蜂鸣器主要通过不同频率的响声指示被测距离。1020cm、2050cm、50100cm分别对应三种不同频率

18、。距离越小频率越高，当小于10cm或超过100cm蜂鸣器常响。蜂鸣器电路如图3.1.9所示。图3.1.9 蜂鸣器电路3.2软件部分3.2.1系统软件设计说明进行测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件设计更为重要。在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。本软件设计主要是对距离进行测量、显示。因此，整个软件可分为按照硬

19、件电路对单片机位定义；发射子程序；接收子程序；显示子程序；延时子程序等。3.2.2编程语言的选择本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高,而且执行速度快。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，即依赖于计算机硬件，程序可读性和可移植性比较差。C语言是编译型程序设计语言，兼顾高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构

20、化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构。C语言执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。基于C语言的众多优点本设计选择此语言来编程。3.2.3超声波测距仪的算法设计图3.2.1示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声渡信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：L=s/2=(VT)/2 (1

21、)其中，L为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，V为声速，T为声波来回所用的时间。图3.2.1 超声波测距原理图由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关，表3.1列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。表3.1 不同温度下超声波声速表温度/-30-20-100102030100声速V/(ms-1)313319325323338344349386在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和

22、收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。3.2.4主程序流程图软件分为两部分，主程序和中断服务程序。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。如图3.2.2、图3.2.3、图3.2.4所示。 图3.2.2 主程序 图3.2.2 定时中断服务子程序 图3.2.3 外部中断服务子程序主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA

23、并给显示端口P1和P3清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计 一个数就是1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为344 m/s则有：L=(VT)/2=172T0/10000cm (2)其中，T0为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED

24、显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。3.2.5超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序的作用是通过P3.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以

25、表示此次测距不成功。3.2.6系统的软硬件的调试超声波发射和接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C8的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测

26、距仪能测的范围为0.104.00m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。4. 结果与结论4.1结果设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，以数字的形式显示测量距离。它的硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、系统电源、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。单片机采用AT89S52，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P3.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接

27、收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用单片机直接驱动，位码用NPN三极管9013驱动。实现测距，并且在数码管上显示距离。同时不同距离段，蜂鸣器频率不同。超声波测距器的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。经过实验表明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，实验结果完全符合预期要求。4.

28、2结论通过本次单片机课程设计，我对超声波测距有了进一步的熟悉和更深入的学习。 这次毕业设计历时2周，从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升。在画原理图、调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考。虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到预期的要求，很好地完成了本次设计任务。通过本次毕业设计，我更深入的掌握单片机的开发应用和编程。5收获与致谢5.1 收获通过这次课程设计，我收获颇多；1. 巩固和加深了

29、对单片机基本知识和理解，提高了综合运用所学知识的能力。2. 增强了根据课程需要选学参考资料，查阅手册，图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入研究有关问题，学会自己分析解决问题的方法。3. 通过实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选取，安装调试等环节，初步掌握了简单实用电路的分析方法和工程设计方法。4. 在这次课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。所以在课程设计的实践中，我们应将实验课与课堂教学结合起来，锻炼自己的理论联系实际的能力和实际动手能力提高了动手能力。5. 掌握了仪器的使用方法，提高了动手能力。6. 培养了小组的团队精神也培养了严谨的工作作风和科学态度

30、。5.2 致谢在本次课程设计中，我得到了指导老师段德功的热心指导。帮助解决课程设计中遇到的许多问题，还不断向我们传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在课程设计中学习到许多新的知识，也培养了我分析问题的能力和实践动手能力。在这里非常感谢段老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！同时，身边的同学也给了我提供了许多的帮助。在此，我向身边关心我的同学及在设计过程中给予我极大帮助的人致以诚挚的谢意！通过这次课程设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了课程学习成果。这两周的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。

31、由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，敬请各位老师批评指正。6. 参考文献1 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003.122 张蓬.Protel DXP 电路设计入门与应用.北京：机械工业出版社，2005.63 谭浩强.C程序设计.北京:清华大学出版社,2005. 7. 附件附录A总电路图附录B PCB附录C程序清单#include reg51.h#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit transfer=P30;sbit receiver=P32;sbit speak=P31;/*数码管位选控制*/sbit ledwei0=P35;sbit ledwei1=P37;sbit ledwei2=P36;sbit ledwei3=P34;uchar TimerH,TimerL,temp,i,a,b; ulong realTimer; /存放真测量时间ulong real_dis; /存放测量距离uint dis_fl