基于单片机的汽车倒车测距仪设计 毕业论文.doc

郑州大学西亚斯国际学院本科毕业论文（设计）题 目 基于单片机的汽车倒车测距仪 指导老师 职称 学生姓名 学号 20081525138 专 业 电子设计自动化 班级 eda 1班 院 (系) 电子信息工程学院 电子工程系 完成时间 2012年04月20日 - 1 -汽车倒车测距仪的设计摘 要本文利用超声波传输中距离与时间的关系采用at89s52单片机进行控制及数据处理设计出了能精确测量点间距离的超声波测距仪，利用所设计出的汽车倒车仪，能比较精确测量车后障碍物距离。在分析国内外单片机汽车倒车测距仪相关技术的基础上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车测距系统的研制进行了深入探讨和研究。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了单片机汽车倒车测距仪构架和设计方案,在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的可视倒车预警系统的测距实现原理，分析了以单片机为主控单元的系统硬件和软件设计，并对该系统进行了试验和误差分析，给出了本系统的稳定性指标。 关键字 at89s52/超声波/收发电路the design of car parking rangefinder abstractin this paper, using the relation of the ultrasonic transmission distance and time by at89s52 mcu controlling and data processing design capacity points that can accurately measure the distance between the ultrasonic range finder, using the design of car parking ranger, can more accurately measure the distance between the obstacle and vehicle. scm car parking on the analysis on the basis of rangefinders related technologies, combined with the latest research results, based on ultrasonic ranging system reversing conducted in-depth study and research. the system is divided into distance module, alarm system control module and display module, with respect to their program analysis, construction of the single chip architecture and design of car parking ranger program; in the hardware circuit, described in detail the use of microcomputer technology to achieve distance visual reversing warning system implementation principle, analysis based on single chip main control unit of the system hardware and software design, and tested the system and error analysis, given the stability of the system indicators. keywords at89s52/ultrasound/ transceiver circuit目 录摘 要iabstractii1 引言12 超声波的介绍22.1 超声波的含义22.2 超声波的特点22.3 超声波测距原理23 单片机介绍33.1 单片机的定义33.2 单片机的发展过程33.3 单片机的特点43.4 单片机的应用44 系统硬件电路设计54.1 设计的思路54.2 整体设计模块64.3 声波发射接收模块64.4 主控模块84.5 显示模块94.6 其他主要电路104.6.1 电源部分104.6.2 报警部分115 系统软件设计125.1 主程序设计125.2 1ms延时子程序135.3 显示程序设计13结束语14致谢15参考文献16（附录）17221 引言超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，与激光测距、红外线测距相比，超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用，如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别。在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。超声波是指频率大于20 khz的在弹性介质中产生的机械震荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力，此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。为此，文中尝试以单片机at89s52为核心，利用一对40 khz压电超声传感器设计一款体积较小、价格低廉、精度较高、实时显示和报警的超声波测距仪。2 超声波的介绍2.1 超声波的含义当物体振动时会发出声音，科学家们将每秒振动的次数称为声音的频率，他的单位是hz。我们人类耳朵能听到声波频率为20-20000hz，当声波的频率大于20khz或小于20hz时，我们便听不到。因此我们把频率高于20khz的声波称为超声波。2.2 超声波的特点 （1） 超声波在传播时，方向性强、能量易于集中；（2） 超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离； （3） 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 超声波测距原理 超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它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共振板。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，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关，测试传输时间可以得出距离。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t单位s，超声波传播速度为v单位m/s表示，则有关系式s=vt23 单片机介绍3.1 单片机的定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技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。纵观整个单片机技术发展过程，可分为以下三个阶段： 一单片机微机形成阶段 此阶段的主要特点是：在单个芯片内完成了cpu、存储器、i/o接口、定时/计数器、中断系统、时钟等部件的集成，但存储器容量较小、范围寻址小、无串行接口、指令系统功能不强。二性能完善提高阶段 此阶段的主要特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在mcs-51已成为公认的单片机经典机种。三微控制器化阶段 此阶段的主要特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动控制系统及设备。至此“微控制器的称谓更能反应单片机的本质。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.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。主要表现在以下几方面的应用。1单片机在智能仪表中的应用2单片机在机电一体化中的应用3单片机在实时控制中的应用4单片机在分布式多机系统中的应用5单片机在人类生活中的应用4 系统硬件电路设计4.1 设计的思路 本系统的设计思想是采用以at89s52单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用s=vt/2就可以算出距离，再在led上显示出来。当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。限制的最大可测距离存有四个因素:超声波的幅度，反射面的质地，反射面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。 根据设计要求并综合各方面因素，采用at89s52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现led数字显示，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。4.2 整体设计模块 图1本设计主要有声波发射接收模块、主控模块、显示报警模块构成。4.3 声波发射接收模块图2（实物图）dyp-me007超声波测距模块可提供3cm-3.5m的非接触式距离感测功能，图2为dyp-me007外观，包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理为给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。主要技术参数： 1、使用电压：dc5v 2、静态电流：小于2ma 3、电平输出：高5v 4、电平输出：低0v 5、感应角度：不大于15度 6、感应距离：4cm-5米 板上接线方式，vcc、trig（控制端）、 echo（接收端）、 out（空脚）、 gnd 。out脚为此模块作为防盗模块时的开关量输出脚，测距模块不用此脚。 本产品使用方法简单，一个控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，就可以达到你移动测量的值了。电气参数： 表1电气参数dyp-me007超声波模块工作电压dc 5v工作电流15ma工作频率40hz最远射程3.5m最近射程3cm输入触发信号10us的ttl脉冲输出回响信号输出ttl电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm4.4 主控模块在本系统中，主控模块居于非常重要的地位。它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。它一方面控制着计时模块进行时间信息的采集，另一方面也控制着显示模块的工作。针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了at89s52芯片，此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。图3（at89s52引脚图 dip封装）at89s52是一种低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k 在系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得at89s52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 其主要性能如下: l 与mcs-51单片机产品兼容 l 8k字节在系统可编程flash存储器 l 1000次擦写周期 l 全静态操作：0hz33hz l 三级加密程序存储器 l 32个可编程i/o口线 l 三个16位定时器/计数器 l 八个中断源 l 全双工uart串行通道 l 低功耗空闲和掉电模式 l 掉电后中断可唤醒 l 看门狗定时器 l 双数据指针 l 掉电标识符4.5 显示模块本设计采用八段数码管显示所测数据，与显示屏相比控制简单、显示清晰、体积小、成本低等优点。图4图5由p0口控制位选，p2口控制数码管显示4.6 其他主要电路4.6.1 电源部分电源部分采用的是usb供电，因为usb端口是标准的5v电压且电压相随稳定。而且usb口连接方便只需要usb数据线与usb供电口相连即可。图6（usb电路模块）图6即为usb端口电路图，其端口输出的是标准的5v电压，而且连接使用非常方便，只需将5v端与系统正极相连，地端与系统地端相连，南桥端接空，就可以给系统提供标准的5v电压。4.6.2 报警部分采用一个蜂鸣器，由p12输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管9 012的放大。报警部分的连线，如图7所示。图7本设计晶振为12mhz5 系统软件设计5.1 主程序设计软件部分采用模块化设计，包括主程序、定时器程序、延时程序、数码管控制程序等，系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行定时器引脚的分配和使用。由主控芯片at89s52引脚图分析，本设计中p0端口控制数码管位选端，p2端口控制数码管显示数据，p1端口部分与声波发射接收模块相连，循环检测信号的电平高低，从而控制定时器的启动与关闭。定时器t1工作在工作方式1，为16位计数，th1、tl1是用来计算脉冲往返时间，它们的初值均设为0。主程序包括数据的初始化、定时器的初值设定。为了使声波开始发射，需要一个10us的高电平ttl脉冲，所以利用p10端口接超声波模块trig（控制端），先赋值0，延时后赋值为1，来产生所需要的脉冲信号；然后使p13接echo（接收端），循环检测是否为高电平，如果为高电平则tr1 = 1，定时器开始计时；th1、tl1初值均为0，当接收端变为低电平时，tr1 = 0，关闭定时器，计算出时间差t。距离s = vt/2。声波测距模块测量范围3cm-350cm，由于所选单片机晶振为12 mhz，所以最小定时时间为216 - （216 - 1 ） * 1/12 * 10-6 * 12 = 1 * 10-6 = 1us即定时器每加1，时间为1us。 由声波在空气中速度v为 340m/s，测距最大距离s = 350cm， 距离s = vt/2， 得出时间t最大为20588us。所以本设计使用定时器1工作工作方式1，最大定时时间为（216 - 0） * 1/12 * 10-6 * 12 = 65536 * 10-6 = 65536us 65ms可满足设计要求。5.2 1ms延时子程序延时程序 void delay(uint z) uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);当z = 1时，本延时程序为1ms延时，主要用在数码管显示时做延时用。5.3 显示程序设计数码管控制程序图8uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;利用函数的调用给数组赋一定值，对应显示数字，p0口控制位选w0 - w7,p2口控制具体数字显示a - h。结束语为了验证系统的测量精度，在实验室进行实地测量。利用本系统对3350 cm范围进行了多次测试，误差小，线性度、稳定性和重复性都比较好。系统具有结构简单、体积小、实时显示和报警、抗干扰性能好等优点。系统的误差主要来自于发射探头发出的超声波是呈喇叭状扩散传播、被测物的表面不光滑且不一定垂直于两探头的轴线而导致所反射回来的波也许是从不同点获得，此外电子元器件自身的时延、干扰等也造成一定影响。可以根据具体场合，选择合适功率的探头，以及调整程序中脉冲的频率、宽度和个数等提高精度或测量距离，扩大系统的应用范围。通过此次毕业设计,我学到了很多知识。在实物的设计和论文的写作过程中,通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力。通过对硬件电路的设计和焊接，增强了自己的动手能力。并且由原来的被动接受知识转换为主动的寻求知识，学会了更好地让所学知识与实践相结合，让书本上的知识与实际生活中的具体应用相结合。让自己切实感觉到了学有所用。并在此期间巩固复习了在大学4年内学过的知识，尤其是单片机和模电，数电方面的知识。同时通过这次毕业设计提高了自己的单片机编程的能力，尤其是获得的软件调试经验，同时也让自己知道了自己不足和缺陷，从而为自己能更好的改进提供了帮助。致谢经过四年的学习，现在终于要毕业了。在学习期间经历了风风雨雨，在各位老师和同学的帮助和支持下最终得以顺利完成。 在此，首先感谢我的老师，感谢各位老师这四年中在学习中、生活上的关心和照顾；其次感谢各位同学，同学们在生活中给予很大的帮助，在学习上也给极大的鼓舞。 指导老师王霞治学严谨、学识渊博、平易近人，在我做设计和论文期间对我的教诲和指导将使我终生受益。无论是在平时的阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究、设计和撰写的每一个环节，都得到导师的悉心指导和帮助。 在毕业设计的这段时间里，其他老师们也都言传身教，以他们广博的知识，敏锐的洞察力，多年的教学和实际工作经验，在毕业设计上给予我很大的帮助。在本次设计中我学到的不仅是科学知识和工作方法，更学到了作为一个研究人员应有的治学态度以及为人处世的道理，这一切都将使我终身受益。 感谢几年来传授我知识的老师们，更要感谢我的家人对我学业上的支持和鼓励，感谢所有关心帮助过我的人。参考文献1 康华光.数字电子技术基础（第四版）m.武汉华中科技大学出版社 1989.112 何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社 1993.23 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