超声波测距.docx

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超声波测距

学校代码：

11517

学号：

201050712139

HENANINSTITUTEOFENGINEERING

毕业设计

题目__基于单片机的汽车防追

尾测距系统设计与实现__

学生姓名赵伟

专业班级电气工程及其自动化1021班

学号201050712139

系（部）电气信息工程系

指导教师（职称）郭会平（讲师）

完成时间2012年5月20日

河南工程学院论文版权使用授权书

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论文作者签名：

年月日

河南工程学院毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

年月日

河南工程学院

毕业设计（论文）任务书

题目基于单片机的汽车防追尾测距系统设计与实现

专业电气工程及其自动化学号201050712139姓名赵伟

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

一．主要内容

设计一种汽车防追尾测距报警系统，能自动检测汽车前方障碍物的距离，当达到安全极限距离时进行报警。

本设计以单片机为核心，利用超声波测距技术，检测行进中的汽车前、后方障碍物与汽车距离，通过显示装置显示距离，并有报警电路根据距离情况进行报警。

二．基本要求

1.掌握超声波测距技术，提出系统整体设计方案，画出系统总体设计框图，完成各功能模块的设计。

2.完成本课题的软、硬件设计和调试，给出设计完整的电路图。

3.画出各个模块程序流程图，编写源程序代码。

4.进行实物的制作和调试。

三．主要参考资料

[1]传感器及遥控技术应用，北京：

国防工业出版社，2003

[2]沙占又，集成传感器原理，北京：

电子工业出版社，2005

[3]丁元杰，单片机原理及应用，机械工业出版社，2005

[4]路锦正，超声波测距仪的设计，传感器技术，2002

[5]肖景和，热释电与超声波遥控电路，北京：

人民邮电出版社，2003

完成期限：

2012.2.6-2012.6.4

指导教师签名：

专业负责人签名：

年月日

目录

摘要I

ABSTRACTII

1前言1

1.1超声波系统的现状1

1.2研究的目的和意义2

1.3系统的设计内容及要求2

2超声波测距原理4

2.1超声波的基本理论4

2.1.1超声波的三种形式4

2.1.2超声波的物理性质4

2.1.3超声波对声场产生的作用5

2.2超声波测距系统原理5

2.2.1超声波传感器5

2.2.2方案比较与选择6

3系统硬件电路设计9

3.1单片机选择9

3.2超声波发射电路13

3.3超声波测距接收电路14

3.4电源电路设计16

3.5显示模块设计17

3.6报警电路19

3.7按键电路20

3.8温度测量电路21

4系统软件的设计22

4.1主程序流程22

4.240KHz超声波发送子程序23

4.3超声波中断入口程序24

4.4显示报警子程序流程26

5系统调试及误差分析27

5.1调试27

5.2误差分析27

5.2.1温度误差27

5.2.2串扰问题28

结束语29

致谢30

参考文献31

附录32

附录一32

附录二33

基于单片机的汽车防追尾测距系统设计与实现

摘要

随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大幅攀升。

交通拥挤状况也日益严重，汽车追尾事件屡屡发生，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的汽车防追尾测距系统势在必行，超声波测距是最常见的一种测距方法，本文介绍的就是利用超声波雷达测距设计的一种汽车防追尾系统。

论文的内容是基于STC89C52单片机汽车防追尾防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优点，将超声波测距系统和STC89C52单片机结合于一体，设计出一种基于STC89C52单片机的汽车防追尾报警系统，该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。

论文概述了超声波检测的发展、优势及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。

对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距功能的基础上，提出了系统的总体构成。

通过多种发射接收电路设计方案比较得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。

对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了他们的工作原理。

论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。

最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。

关键词单片机/超声波/汽车追尾

BasedontheSCMofautomobileranging

SystemDesignandImplementation

ABSTRACT

Withthedevelopmentofsocietyandeconomyoftransportationindustryisbooming,thenumberofcarsinthesharprise.Trafficcongestionisbecomingmoreandmoreserious,automobilerear-endcollisiontimeoccurredrepeatedly,resultingfromtheinevitablecasualtyandeconomicloss,inviewofthissituation,designakindoffastresponse,highreliabilityandmoreeconomyofautomobilerangingsystemtobeimperative,theultrasonicrangingisoneofthemostcommonlocationmethod,thispaperpresentsthatusingtheultrasonicwaveradardistancedesignofasystemofautomobile.

ThecontentofthethesisisbasedontheSTC89C52single-chipmicrocomputervehiclerear-endcollisionavoidancesystemdesign,mainlyusingtheenrollmentwavecharacteristicsandadvantages,theultrasonicrangingsystemandSTC89C52singlechipintegration,designbasedonSTC89C52forautomobilealarmsystem.

KEYWORDSSinglechipmicrocomputer，Ultrasonicwave，Automobilerear-endcollision

1前言

现代社会公路的迅猛发展和汽车制造水平的快速提高，导致了汽车的行驶速度不断上升。

由于自然界中的恶劣气候以及驾驶员的疲劳不适等诸多因素，随时都有可能引发各种意外交通事故。

而公路上一旦发生交通事故，恐怕就会出现类似于“多米诺骨牌”的效应，数辆甚至是数十辆汽车碰撞在一起造成非常可怕的灾难。

据来自公安部门的数据说明：

2010年内，全国发生交通事故150254起，因车祸造成98738人死亡，伤残人469911人，直接财产损失18.8亿元。

其中下午至晚间时段交通死亡事故多发：

下午至晚间时段（14:

00-22:

00）发生交通死亡事故比例较高，共死亡44835人，占总数的45.4﹪.主要原因是机动车驾驶超速行驶、疲劳驾驶等。

对公路交通事故的分析表明：

80﹪以上的车祸是由于驾驶员反应不及所引起的追尾相撞、侧面相撞。

对各类交通事故的研究表明：

若驾驶员能够提早1s意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。

因此，本系统的根本目的就是充分利用各种先进的高新科学技术和手段，对运行中各种型号的汽车实施主动性的测距分析和报警，要把各种汽车碰撞事故和车祸尽可能的防患于未然，消除在无形之中。

确保汽车驾驶者的人身和财产的安全。

1.1超声波系统的现状

由于超声波是高频波，不能被人耳所听到，因此它得以运用对环境要求严格的地方。

目前所知，超声测距波系统应用较多的领域是医学和军事国防，这些运用都是声波反射的原理。

在医学上，常通过超声波对人体内部进行病理检测，通过接受反射回来的声波，处理后就可以很直观的发现体内特征，这有我们熟知的B超检测。

军事上的运用，就是声纳了，通过对声音的利用，可以完成眼睛光线达不到的探测，用在士兵的便携武器上，可以成为夜间作战系统的一部分，用在潜艇上，可以进行深海探测，探明海底区域，以及搜索敌方舰只。

现在的电子技术，越加完善和重要，科技发展使得汽车普及率越来越高，现在汽车上广泛使用的汽车防追尾技术，其实也就是超声波测距系统的缩影，可见，超声波测距系统正以其优越的性能改变着我们的生活。

我相信，伴随科技的进步，超声波的测距技术越发凸显其重要性，必将得到人们的重视。

1.2研究的目的和意义

随着汽车普遍进入家庭，公路上的汽车行驶安全越来越受到人们的关注，每年各种汽车追尾事故不断发生给个人的身心财产安全带来了极大的威胁，因此研制一种避免发生汽车追尾事故的系统就成为必然，在汽车电子领域中，汽车防追尾技术是汽车行驶的安全辅助装置，主要针对行驶中的汽车避免碰撞而设计开发的。

本系统设计的现实应用的意义在于：

将汽车防追尾自动化从被动防追尾向智能控制方向发展；

安全可靠地防追尾预警，使驾驶者无论是白天还是夜晚都能实现安全行驶；

这一方案建立在安装小组件的基础上，避免对汽车整体的影响，为应用和普及创造了条件，经济型较好，易于普及。

汽车防追尾系统的运用极大地减轻了驾驶者的体力、脑力劳动强度。

降低了汽车的发生碰撞的可能性和驾驶者因判断错误和操作失误而引起的事故，同时它将对提高汽车智能化水平和最终实现汽车无人驾驶产生积极的意义。

1.3系统的设计内容及要求

本次要求设计一种汽车防追尾测距报警系统，能自动检测汽车前方障碍物的距离，当达到安全极限距离时进行报警。

本设计以单片机为核心，利用超声波测距技术，检测行进中的汽车前、后方障碍物与汽车距离，通过显示装置显示距离，并有报警电路根据距离情况进行报警。

具体设计内容如下：

掌握超声波测距技术，提出系统整体设计方案，画出系统总体设计框图，完成各功能模块的设计。

完成本课题的软、硬件设计和调试，给出设计完整的电路图。

画出各个模块程序流程图，编写源程序代码。

进行实物的制作和调试。

2超声波测距原理

2.1超声波的基本理论

超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可以使用的通用技术之一。

超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。

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行，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[1]。

2.1.1超声波的三种形式

超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：

横波，质点振动方向垂直于传播方向的波；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[2]。

2.1.2超声波的物理性质

超声波的反射和折射

当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界上时，一部分超声波被反射；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。

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。

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。

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。

2.1.3超声波对声场产生的作用

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，虽然移动和速度不大，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，有时足以达到破坏介质的程度。

空化作用

在流体动力学指出，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、振动等译系列动力学过程称为空化。

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且互摩擦产生热量，这种能量使介质温度升高[3]。

2.2超声波测距系统原理

2.2.1超声波传感器

总体上讲，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、磁滞伸缩性和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

他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。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

它有两个压电晶片和一个振板。

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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两极间未外加电压，当共振接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了[4]。

2.2.2方案比较与选择

方案一：

一种单片机可重构的相位式激光测距仪

相位式测距是利用一种遵循正弦规律连续变化的调制光波作为光源。

测量仪从A点发射调制光波，到达B点反射器又反射回测距仪，经历了2D的距离。

该系统主要由光电收发装置、外围模拟电路、单片化可重构自动数字测相电路、中央处理器、距离显示以及各数据通道、接口等组成。

光电收发装置：

主要用来发射和接收一种遵循正弦规律连续变化的调制光波——测距信号，它主要由电源、激光源、激光接收装置和光电转换电路组成。

外围模拟电路：

完成光信号的调制、解调、放大和整形，主要由调制器和高频振荡器以及放大器等电路组成。

距离显示器：

显示可重构自动数字测相电路输出的距离信息。

中央处理器：

完成整个系统的协调工作，进行处理任务的调度，并可根据需要控制单片化自动数字测相电路的重构。

单片化可重构自动化数字测相电路：

整个体系结构是可重构的，各个模块在多种测量模式下是可重用的。

在微观上，该电路在测量过程中的参数可实时重构，比如可以实时地改变测距频率，从而得到更高的测量精度和更快的测量速度。

方案二：

基于STC89C52单片机的超声波测距仪

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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停止计时。

超声波在空气中的传播速度V，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（S）,即：

S=Vt/2（3-1）

图2-1超声波测距原理图

这就是所谓的时间差测距法。

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展获得应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色的影响，在较恶劣的环境（如含粉尘）具有一定的适应能力。

因此，用途极为广泛。

例如：

测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距的优点是：

仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。

经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中的传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号[5]。

整个系统包括超声波的发射与接收系统、报警系统和显示系统。

其结构框图如图所示：

图2-2系统设计结构框图

超声波测距系统能够在必要的时候（例如：

汽车防追尾）通过单片机控制发射电路发射超声波，超声波向前传播。

当超声波遇到障碍物时会反射回来，由接收电路接收。

接收电路会把信号传送到单片机中，由单片机进行相关的数据处理。

所得到的结果会通过LED数码管显示出来。

如果距离小于一个特定的值，单片机会发出指令让报警装置发出相应的报警声。

在此过程中，如果发射装置与障碍物之间有相对运动，那么LED数码管会不断地显示两者之间的最新的距离。

而单片机会对距离的变化情况发出不同的指令，如果两者的距离超出一定的范围，就不在进行报警。

但是如果两者之间的距离不断缩小，那么报警的声音就会发生变化，以便能够给人们提示。

本系统的设计主要分为系统的硬件电路设计和系统软件程序设计两部分。

系统硬件电路部分由单片机最小系统模块、显示模块、语音报警模块、时钟模块、复位模块等组成。

单片机为系统主控芯片，超声波传感器作为测量期间，通过单片机进行程序处理，最后通过显示模块显示测量的距离值进行报警[6]。

3系统硬件电路设计

3.1单片机选择

在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。

目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。

选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统，而且功能优异，可靠性好，成本低廉，具有较强的竞争力。

目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面各有所长。

一般来说，选择单片机需要考虑一下几个方面：

单片机的基本功能参数。

例如指令执行速度，程序存储容量，I/O引脚数量等。

单片机的增强功能。

例如看门狗、多指针、双串口等。

单片机的存储介质。

对于程序存储器来说，flash存储器和OTP（一次可编程）存储器相比较，最好是flash存储器。

芯片的封装形式。

例如DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC有对应插座）封装及表面贴附等。

芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。

如果涉及用户外产品，必须选用工业级。

芯片的功耗。

比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA的电流，选用STC单片机就是因为它能满足低功耗的要求。

供货渠道是否畅通、价格是否低廉。

技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。

包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。

芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。

STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。

它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。

STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz），低功耗，在系统/在应用可编程（ISP,IAP），不占用户资源。

根据本系统的实际情况，选择STC89C52单片机[7]。

图3-1STC89C52引脚图

电源引脚

Vcc40脚正电源脚，工作电压为5V。

GND20脚接地端

时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

为了产生时钟信号，在STC89C52内部设置了一个反相放大器，XTAL1是片内振荡器反相放大器的输入端，XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。

当使用自激震荡方式时，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，是内部振荡器按照石英晶振的频率震荡，就产生时钟信号。

图3-2时钟信号电路

复位RST9脚

在晶振器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，52芯片便循环复位。

复位后P0-P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

当复位脚由高电平变为低电平是，芯片为ROM的0000H处开始运行程序。

图3-3复位电路

输入输出（I/O）引脚

Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，称为P0口，是一个8位漏极开路型双向I/0口。

内部不带上拉电阻，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载电路。

通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。

在访问外部程序和外部程序存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，不需要外接上拉电阻。

Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚，成为P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1口能驱动4个LSTTL负载。

通常在使用时外部需要外接上拉电阻，就可以直接驱动发光二极管。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对于输出功能，在单片机工作时，我们可以通过用指令控制单片机的引脚输出高电平或者低电平。

Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，成为P2口，是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。

在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。

Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，成为P3口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。

P1-3端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。

除此之外P3端口还用于一些专门功能：

P3引脚兼用功能

P3.0串行通讯输入（RXD）

P3.1串行通讯输出（TXD）

P3.2外部中断0（INT0）

P3.3外部中断1（INT1）

P3.4定时器0输入（T0）

P3.5定时器1输入（T1）

P3.6外部数据存储器写选通WR

P3.7外部数据存储器写选通RD

PSEN29该引脚是外部程序存储器的选通输出端。

当STC89C52由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲即两次有效。

但访问外部数据存储器时，将不会有脉冲输出。

EA/Vpp31外部访问允许端。

当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。

要使单片机只访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），这