小汽车倒车防撞报警系统设计和实现 计算机专业

小汽车倒车防撞报警系统摘要我国发展进入新时代，综合国力与经济实力得到了前所未有的提升。随着老百姓生活质量的不断提高，越来越多的家庭拥有了自己的私家车，与此同时交通事故的发生量不断攀升，越来越多地老百姓将关注的热点逐渐的放在了行车安全上，这就导致了对如何有效地排除交通安全隐患这一问题的研究变得迫在眉睫。在此次毕业设计之中，将行车安全作为研究对象，深度探究如何设计出一个科学有效的汽车智能防撞报警系统。这一系统针对汽车倒车时的"后视"不良引起的倒车事故,介绍了一种基于超声波的倒车雷达预警系统。必须具备以汽车后面的障碍为基础进行相应的智能决策的能力，当所驾驶的汽车与后方的汽车或阻挡物的间隔低于安全值时，该系统能够及时地提醒驾驶人员进行相应的操作以避免安全事故的发生。在此次论文中，详细地描述了小汽车倒车防撞报警系统是以单片机管控为基础的超声测距的相关理论知识：STC89C52单片机操控相关器件生成固定频率的脉冲，计算发射时间点与受到回声的时间点之间的间隔，且以此作为基础计算出真实距离，lcd1602显示距离，WTD588D语音播报因为利用超声测距传感器在空气作为传导介质的条件下具有其他传感器无法睥睨的优良性质，例如制造成本费用较低、操作便捷等，在当今社会的各种场合超声测距传感器都得到了很好地应用。超声波在空气中传播具有耗能少、传播距离长等优良性质，这就使得超声波广泛地应用于许多需要进行距离测量的行业之中。基于这样一种现状，以超声波测量技术作为研究对象，进行深入的科学研究就显得十分必要。关键字:超声波；测距；语言播报；报警提示；单片机

TheIntelligentGarageSystemDesignBasedonMachineVisionAbstractTheintelligentgaragesystemdesignisanimportantpartofintelligenttransportationnowadays,whichisindispensableintheconstructionofsmartcityintheneweraandhashighresearchanddesignvalue.AlthoughsmartparkingSpaces,thedesignoftheintelligentgarageafteralongtimestudyandhardwork,hasachievedthedesignsuchasthree-dimensionalgarage,canmaximizeareatouse,butalsoontimeoptimization,vehicleparkingmonitoringcannotverygoodsolve.Atpresent,thereisnogoodcombinationoflicenseplaterecognition,intelligentparkingandcloudcontrol,sothispaperdesignsanewsmartgarage.Firstofall,thisarticleisbasedonBPneuralnetworkalgorithmtoidentifythecarlicenseplate,senttotheparkingspacecontrollerviaaserialportcommunicationend,opening/closingandcontrolledbytherailings,alarm,andotherfunctions,againbyitssenttothecloud,thecloudmonitoring,remotecontrolgarage,etc.Atpresent,thelicenseplateofgeneralscenecanberecognized,butthesituationofspecialenvironmentsuchaslightinstability,licenseplatepollutionandplatedistortioncannotbehandledwell.Becausethesystemcanbeusedinavarietyofdevices,andcanbereal-timemonitoringofthegarageparkingsituation,providesuserswithaccurate,up-to-dateinformationandefficientserviceetc,providesreferenceforintelligentgaragesystemdesignscheme,thepracticalapplicationofthisdesignhasabroaddevelopmentspace.Aftermanyexperimentaltests,thebasicskillsoftheintelligentgaragesystemoftheschemecanbecompleted.Keywords:Ultrasound；Ranging；Control；Voicebroadcast；Singlechipmicrocompute

目录1绪论 11.1课题设计目的及意义 11.1.1设计的目的 11.1.2设计的意义 11.2国内外研究动态 11.3本课题研究的主要内容 22总体方案 32.1方案选择 32.2小汽车倒车防撞报警系统的设计思路 32.2.1小汽车倒车防撞报警原理 32.2.2小汽车倒车防撞报警系统原理框图 42.3使用元件选择 53系统的硬件结构设计 63.1STC89C52单片机的功能及特点 63.2单片机最小系统 93.3语音播报 103.4显示单元 113.5模拟刹车 123.6按键电路 133.7报警电路 133.8元器件经费 143.9经费分析 154系统的软件设计 164.1主程序流程图 164.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序 175小汽车雷达测距接收 195.1HC-SR04模块 195.2T40、R40超声波传感器简介 235.2.1超声波传感器的基本介绍 245.2.2超声波传感器的主要应用 245.2.3超声波传感器的工作原理 255.3超声波发射电路 255.4超声波接收电路 265.5超声波接收过程 265.6接收数据处理 276系统调试与实物 316.1硬件调试 316.2软件调试 316.3实物照片 317总结 33参考文献 34外文参考文献 35附录1原理图 41附录2主要源程序 42致谢 501绪论1.1课题设计目的及意义1.1.1设计的目的我国发展进入新时代，综合国力与经济实力得到了前所未有的提升，越来越多的家庭拥有了自己的私家车，因此我国汽车的数量出现了大幅度增加的趋势。汽车在给与了人们便利的同时，也带来一些弊端，例如交通事故频发，对老百姓的生命财产安全构成了十分严重的威胁。基于这一现实基础，研究出一种安全系数高、成本低廉的汽车碰撞预警系统已经是大势所趋，超声波测距已经是被当今社会所广泛认可与使用的一种测距技术，而采用将这一测距技术运用于汽车防撞报警系统已经变成了大多数设计们的共同选择。1.1.2设计的意义现在在汽车的倒车测控系统、机器人智能躲避障碍物等场合中都运用到了超声测距技术。超声测距技术拥有着诸多优良的特性，例如不需与被测物体直接碰触、光线等因素不会对其造成影响、干净卫生、使用期限长、可靠性高、绿色环保、适应各种严峻条件等等。所以对该技术的研究具有十分深远的意义。与此同时，对这一课题进行科学研究还可以让自己更深层地理解电工学的相关知识，深刻理解单片机的结构与具体使用方式。[1]1.2国内外研究动态无论是国内的学者还是国外的学者都对如何提高超声波测量距离进行了科学的研究。据国内外学者们的科学研究发现，在目前这一阶段超声波测距技术主要可归纳成以下几种：第一种，相位检测法，具有十分优秀的精确度，但是其所能测量的距离较短；第二种，声波幅值检测法，十分容易受到反射波的干扰；第三种，渡越时间法，操作十分简便。当下超声波传播时长与传播速率决定了超声波测量的距离的精确程度，其中又以传播时长对测量的距离的精确程度的影响最大，因此在大多数学者所做的研究中，都通过减少传播时长来提供超声波测量的距离的精确程度。不仅如此，传感器的工作也受到环境温度的影响，所以在使用过程中必须使用相应的度传感器来测控环境温度，现阶段相位探测法和声谱轮廓分析法或者将这两种方法结合起来运用是主要的提高探测传播确定性的途径。[15]1.3本课题研究的主要内容我们通常情况下所说的倒车防撞报警其实就是通过超声波来测量距离，从而反馈到小汽车内的系统，而超声波是指单位时间内完成周期性变化的次数不低于20000赫兹的机械波。要让超声波作为测量距离的工具，那么久必须能够在测量过程中能够生产和接收超声波。能够实现这一功能的设备我们将其称为声波换能器。超声波传感器可以划分成发送器部分与接收器部分，可是超声波换能器也同时拥有发送和接收超声波这两种功能。超声波换能器的工作原理是通过压电效应来实现电能和超声波之间的转换，也就是说在对超声波进行发射操作是，将电能用于产生超声波且将其发射；在对超声波进行接收操作时，则利用超声波来产生相应的电信号。我们在进行超声波测距的时候通常使用越时间法。该技术分为来你哥哥阶段：第一个阶段，计算出发射超声波的时间点与收到回声的时间点之间的时间间隔；第二个阶段，将得到的时间间隔的长度乘以超声波在空气中的传播速度就得到了被测物理与自己之间的距离，准备使用下列几种技术：（1）单片机技术：STC89C52单片机占用空间少、质量小、构造简单、制造成本费用小，能够满足一般控制功能的要求。不仅如此，STC89C52单片机还能够与规模较小的嵌入式系统很好地结合，所以它在现阶段是业界在设计相应机器时的热门选择。（2）超声波测距技术：将他与原有的测距技术进行比较我们可以发现，这项技术拥有使用简单、构造简单等其他测距技术所无法拥有的长处。（3）显示技术：使用数码管来对物体之间的间隔长度进行表示。（4）语音模块技术：使用ISD1730A芯片来对物体之间的间隔长度进行语音播报。

2总体方案2.1方案选择在这一方案中选用单片机来对超声波测量距离进行总控制，信号线联通至和超声波发射器相连的一端。该机器不仅仅能够向指定的方位发射超声波，而且还能够在发送超声波的时候进行计时，这样就能够获取足够的数据对待测距离进行计算。2.2小汽车倒车防撞报警系统的设计思路2.2.1小汽车倒车防撞报警原理实际应用中，我们小汽车倒车防撞主要实现的功能是必须检测到汽车离障碍物的距离从而防撞误撞，现阶段，汽车倒车防撞业界所广泛认可可以使用超声波来测量距离，该技术有许多种，例如相位检测法、声波幅值检测法等等。其中，虽然第一种方法的测量结果十分的准确，但是其存在着无法回避的弊端，例如其所能够检测的距离很短、容易受到反射声波的干扰。[4]在设计该系统时，经过实验分析与仔细思考，最终决定使用声波渡越时间检测法。这一方法的原理是：我们通过仪器能够检测出声波的发射时间点与接收到声波的时间点之间的时间间隔t，将我们所要求的自身与目的物之间的间隔长度为l，那么就能够通过公式l=ct/2（其中c为声音在空气中的传播速率）求出我们所要求的量l。相关仪器在接收到反射回来的声波后就马上不再及时。之后单片机就完成相应的计算工作，且将最后的计算结果交由数码管加以表示。超声波测量距离的算法思想大致如下:超声波在15摄氏度的空气中传输速率是340m/s。t2是仪器收到超声波时间点，t1是仪器发送超声的时间点，t2-t1声波的发射时间点与接收到声波的时间点之间的时间间隔。可以进行相应的假设：t2-t1=0.03S，则通过此算法我们可以得到如下计算过程：340m×0.03S=10.2m。因为在超声波传播经过这10.2m的时间里，超声波从发射至遭遇障碍物而返回的路程在下图中得到了表示：如图2-1是测量距离的原理[14]。图2-1测距原理由于θ/2角度不大,因此能够将其忽略，所以我们能够得到近似的计算公式L≈S。超声波的发射主体与待测物体之间的间隔的长度的计算公式如下：因为超声波也属于声波的一种，因此它在空气中的传播速度c受到黄静温度的影响，通常而言，环境温度提升1℃，声音在空气中的传播速度就会提升0.6m/s。[14]在下面的表2-1中给出了声音在几种温度下的传播速率。表2-1声速与温度的关系表但是实际应用中我们汽车倒车时距离短，而且对精度要求不用要求特别高，所以我们其实可以不用考虑到温度对测量距离产生的影响，所以此次涉及并无加入温度补偿。2.2.2小汽车倒车防撞报警系统原理框图小汽车倒车时是利用超声波来测量距离，超声波测距部分采用HC-SR04，温度传感器采用DS18B20，微处理器采用STC89C52单片机，显示部分选用共阳数码管。HC-SR04集成的发射电路部分产生且发射超声波，当超声笔在传播过程中遭遇到阻碍时会形成回波，在传播会原来位置的时候被相应的接受部件所接收，STC89C52单片机通过计算得出超声波在传播过程中历经的时间长度，经过相应的计算得出精确的需要测量的距离长度，与此同时，ISD1730A会依据相应的信息分析对测量所得到的距离长度进行语音播报，继电器模块的开关也会打开作为模拟刹车，而且该距离信息通过相应的数码管加以显示。[2]详细见图2-2.c图2-2超声波测距系统结构图2.3使用元件选择综合实际电路应用的要求，实际选用的超声波模块型号为HC-SR04，主要原因是，实际对距离测量的精度比较低，2cm即可，而在距离是需要2m，对于该要求，上述模型完全足够，且价格便宜，性价比高。系统的控制单元实际选用的是单片机STC89C52，继电器选用的是通常平时用的继电器。另外对于语音播报芯片的选择，实际选用的是华邦的ISD1730A，该芯片为专用语音芯片，其能够根据实际要求选择对应的录音时间，具体可从20s~240s的范围可自由设置，此外对于整体功能方面，还扩增了对于存储地址进行准确控制的相关操作以及提示功能。显示部分:选择了四位数码管。

3系统的硬件结构设计3.1STC89C52单片机的功能及特点需要特别说明的是STC89C52是台湾宏晶科技生产的，其主要特点就是抗干扰能力非常高，并且速度快，功耗低机，由于均是采用了51内核，所以其指令能够完全同一般性的8051单片机兼容，可以通过内部寄存器设置，将一个机器周期分别选择在12或6。该单片机的其他特点是其本身为8位MCU，Flash容量为8K字节。除此之外STC89C52尽管是以51作为基本内核，但是在外围电路方面进行了很大的功能扩展，使其功能更加丰富。[10]主要特性如下：属于增强型的51单片机类型，机器周期的时间可以通过寄存器进行设置，代码均和普通的8051兼容。供电电压主要根据单片机具体是5V还是3V，通常，前者的电压范围是3.3V～5.5V，而后者是2.0V～3.8V；实际工作频率为0～40MHz，最高可以达到48MHzFlash容量为8KRAM容量为512字节I/O口数量为32个，在完成复位之后，各个端口都表现为准双向口，其中需要特别说明的是P0口在实际中是OCP，即所谓的漏极开路，通常都使用在总线扩展方面，无需上拉，但是如果要当作一般性的I/O来使用的时候，就需要上拉。ISP以及IAP变成，不再需要使用特定的编程器以及相应的仿真器，可以知己利用串口完成程序下载，整个过程只需要几秒钟时间包含EEPROM以及看门狗功能16位定时/计数器一共有3个，也就是通常的T0、T1以及T2一共有4路外部中断，可以任意设置具体是何种触发方式，边沿或电平触发，PowerDown模式可由外部中断低电平等进行唤醒具有通用异步串行口（UART），能够使用定时器达到具有多个UART工作温度：-40～+85℃（工业）/0～75℃（商业）PDIP封装模式：典型功耗<0.1μA，能够通过外部中断进行唤醒，在完成唤醒后，能够继续完成之前的程序空闲模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4～7mA掉电是能够通过外部中断唤醒，广泛用于一般的便携式系统和设备中，以及其他的电池供电装置中引脚功能介绍VCC（Pin40）：系统电源VSS（Pin20）：GNDP0口，（P0.0～P0.7，Pin39～Pin32）：需要特别说明的是该端口为漏极开路的双向I/O口。通常用于输出的时候，其中的各个端口均能有效的驱动8个TTL负载，而如果要当作输入使用的时候，此时就可以用作高阻输入。另外如果用于外部其他的存储器进行访问的时候，P0口也会作为相应的低8位地址或者说数据进行复用。值得说明的是对于P0作为一般性数据端口输入时，一定要接上拉电阻。P1端口（P1.0～P1.7，Pin1～Pin8）：该端口本身在内部就包含有上拉，也是双向的I/O口。其中需要特别说明的是其输出缓冲电路能够有效的推动4个TTL负载。当用作输入时，必须要上拉电阻将其电平拉高。需要特别注意的是，如果外部为低电平，此时电源和上拉电阻间会形成一定的静态电流。除此之外，引脚P1.0以及P1.1还具有一定的复用功能，通常能够T2的输入，详细可以查看下表中的内容。另外当进行Flash编程时，P1也可以当作地址端口使用。P2端口（P2.0～P2.7，Pin21～Pin28）：该端口本身就是包含上拉电阻的，并且也为双向I/O口。和P1一样，P2口的输出缓冲电路能够有效的推动4个TTL负载。当用作输入时，必须要上拉电阻将其电平拉高。需要特别注意的是，如果外部为低电平，此时电源和上拉电阻间会形成一定的静态电流。另外需要特别说明的是，在对外部存储器进行访问的时候，需要使用16位地址，此时P2会输出对应的高地址。而在对读写外部存储器的过程中，其对应的高八位地质的电平是恒定的，在读写过程中保持稳定不变。另外当进行Flash编程时，P2既可以作为地址端口也可以作为普通IO口使用。P3口（P3.0～P3.7，Pin10～Pin17引脚）：该端口的内部实际上包含有上拉电阻，并且也为双向I/O口。和P2一样，P3口的输出缓冲电路能够有效的推动4个TTL负载。当用作输入时，必须要上拉电阻将其电平拉高。需要特别注意的是，如果外部为低电平，此时电源和上拉电阻间会形成一定的静态电流。此外，对于P3口而言，其端口还具有另外的复用功能。RST（Pin9）：该引脚为复位脚。实际为高电平复位，如果该引脚获得有连续两个机器周期的高电平，单片机即可完成复位。一旦看门狗定时时间结束，复位脚便完成8个机器周期高输出。另外寄存器AUXR中的DISRTO位通常不用去更改，对应的就是高电平复位。ALE/（Pin30）该引脚的主要作用为地址锁存信号，主要是针对外部程序存储器的访问过程中使用的，主要是用于对低8位的具体地址信号进行有效的所存。[11]通常在使用的时候，引脚ALE的输出信号频率均为外接晶振频率的1/6，该信号可有效的用于对外部定时器等方面的应用。需要说明的是，当进行外部存储器访问的时候，ALE输出信号将会出现跳过。根据实际应用要求，可以将8EH地址中的寄存器SFR的第0位设置为1，经过该设置后，ALE功能被禁止。此时ALE只有在运行MOVX以及MOV的时候方有效。PSEN（Pin29）：该信号的主要功能是与外部程序存储器进行连接和选通的指示信号。如果单片机需要同其他的外部存储器中调用相应的代码的时候，在一个机器周期中将会被使用2次，而访问外部数据存储器时，该引脚无效。/VPP（Pin31）：该引脚的主要功能是针对外部存储器的控制引脚。如果要实现对外部地址从0000H到FFFFH的访问，就需要将该引脚接地。其中不要特别注意的是，如果使用加密式1，就必须在其内部锁定RESET。当需要执行其中的程序时，就需要接高电平。XTAL1（Pin19）：晶振电路的输入以及内部振荡电路的反相端。XTAL2（Pin18）：内部振荡电路的反相端。模块可见图3-1。图3-1STC89C52引脚图3.2单片机最小系统需要特别说明的是，单片机的最小系统指的是其能够正常进行工作所需的基本元件和电路系统结构。对于52单片机来说，其最小系统包括单片机本身以及晶振和复位三部分电路.最小系统说明对于复位电路来说，需要特别注意选择复位电容C1，因为单片机为高电平复位，并且需要高电平保持一定的时间才能完成复位，因此，实际中选择的电容值不能太小，通常在10~30uF范围内。对于晶振电路，通常选择的是12MHz，当然也可以根据实际要求增加频率值，需要特别注意的是，晶振的高低将决定整个系统的处理快慢，越大则对应速度更快，但需要限定在特定的范围内。对于晶振电路，通常需要选择相应的起振电容，对应标号为C2、C3，通常选择为15~33pF，在PCB布线的时候，需要将该电容尽可能的与晶振靠近，并且要求晶振和整个单片机的距离非常短。如果将单片机设在定时工作的时候，其计数是有其内部的机器周期确定的，通常的对应关系为，一个机器周期对应12个振荡周期，因此，将填入的计数值N和对应的机器周期Tcy进行相乘，便可以获得相应的定时t。若设在计数的工作状态，此时对应的计数引脚为外部的T0与T1。对于每个机器周期的时间端S5P2，系统会对这两个引脚的电平进行检测。如果采到的信号正好是下降沿的时候，此时内部的计数器便会自动加1。需要特别注意的是，对于一个下降沿信号，完成整个采样，系统要求两个机器周期，这就使得，被采样的信号必须保持一个机器周期的时间。如果选择晶振12MHz，[13]此时对应的每个机器周期的时间就是1us,对应的计数脉冲周期必须>2us。详细见图3-2.图3-2单片机最小系统3.3语音播报实际选用的语音模块为WT588D，其由唯创和华邦两家企业共同研发，需要特别说明的是，WT588D芯片除了能够用于语音发声之外，由于其本身包含非常多的IO口，并且具有控制功能，以及外部FLASH，因此实际中也可以用于单片机；除此之外，其还能够根据样品完成掩膜，无需对管脚进行改变，性价比高，非常适用。因此，综合上述分析，可以看到WT588D能够被当作语音单片机进行使用。并且实际在使用的时候，还有与之配套的上位机软件VioceChip，能够对该芯片的具体工作模式等进行任意变换，并通过SPI-Flash将相关设置信息下载到其中。因此，在增加了软件应用功能之后，使得整个语言控制非常方便易用，并极大的提高了语音编辑的效率。在MP3模式时，其完全包含有当前市场中MP3所具有的全部功能，包括播放/暂停、停止，以及对上下区的切换等，还包括对音量的控制等；如果选用按键进行控制时，此时能够任意设置多达十五种的功能，其中就包括通过脉冲完成或不能进行重复触发，以及对于电平保持的循环选择，此外还有单键向后循环与否以及向前循环与否的选择等等，对此，该芯片能够完成多达10个按键的相关操作；如果选用3×8的矩阵按键，能够实现通过脉冲可重复触发的模式完成24位地址语音的相应处罚，对应能够在0～219间进行相应的设置；在并口下，通常能够使用8个I/O口完成相应的监控；当选择一线串口进行相应的控制的时候，实际中可以选择发码端完成对语音的播放要求设置，此外也可以通过触发0～219地址位，完成相应的语音设置，其中对应的通信速度在600～2000us范围内；如果选用三线串口以及相应的I/O扩展输出方式则能够利用发码完成相应的切换，在该模式中，实际可以对播放状态进行相关设置，如果使用相应的扩展输出方式，则完全能够实现他们的互相切换。对于该芯片的PWM以及DAC输出，前者能够实现对0.5W/8Ω扬声器的直接驱动，后者则能够完成对外接功放的很好驱动，具有非常良好的驱动效果。因此，基于该芯片的强大功能，其在实际的应用中也非常普遍，包括报警器、闹钟以及相应的智能家具家电和治疗仪等等。[12]WT588D的特性：1.可以外接Flash的容量在2M～32Mh，需要32—1054s。其中的掩膜对应的是内置ROM，最大时间为400s。采样率在6～22K2.DAC：13位，PWM：12位3.内部集成功放为0.5W，能够有效驱动0.5W/8Ω扬声器4.支持的音频主要有MP3/WAV/WMA5.系统电压范围：2.8V～5.5V6.静态电流：小于10uA7.能够利用上位机实现语音的任意搭配，并且可以添加静音，其并不占用实际内存，此外对于已经完成加载的相关语音信息，还能够进行反复的地址调用，最主要的是，该方式是不占用实际存储容量的8.USB下载，也可以使用在线和ISP下载9.包括7种控制模式：MP3、按键、3×8矩阵、并口、一线和三线串口及其对应的I/O口扩展控制模式10.对于掩膜之后的管脚，没有更改，并且性能完全相同，无需FLASH11.实际最终包含500段语音；其中有210段能够进行地址位选，而对于每个位又包含128段语音可以加载；12.添加的静音可以在10ms～25min时间范围内；实际设计的语音模块电路可以参见图3-3图3-3语音播报电路3.4显示单元该设计中，选用的显示器为LCD1602，其主要显示距离，其中，对于P1口而言，必须增加上拉电阻，用于LCD的数据传输，另外P2.7和P2.6分别用于LCD的使能控制，以及数据/命令的设置信号RS。详细可参考图3-4。图3-4显示电路图3.5模拟刹车此次采用继电器的开关来模拟小汽车的刹车，当单片机STC89C52的P3.0的引脚放出高电平的时候令Q5三极管饱和导通，继电器的两端加上正5V的电源，从而继电器合上，与此同时，发光二极管也会发光，继电器的常开触点闭合，相当于继电器的开关闭合。当单片机STC89C52的P3.0引脚输出高电平的时候令Q5三极管截止导通，继电器电位差降到零，继电器的衔铁释放，二极管的灯同时也被熄灭，继电器的常开触点断开，相当于继电器的开关断开。在这里，当三极管截止的时候，继电器的电流不能瞬间变为零，所以继电器内的线圈会产生一个较高的感应电动势，二极管D4可以释放线圈中产生的感应电动势，从而避免会会击穿三极管，也去除了感应电动势对其他的电路产生影响。继电器见图3-5。图3-5继电器电路图3.6按键电路本设计中采用三个可弹按键S2，S3，S4，分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2口。其中通过按下按键S4时，单片机的P2.2口变为低电平时，进入报警距离设置，然后分别通过每按一次S3键，报警距离门限值就减少；每按一次S2键则是报警距离依次增加。设置好报警距离之后，再按一次S4则重新进入测量。电路图见图3-6图3-6继电器电路图3.7报警电路本次设计运用了9012PNP三极管来驱动蜂鸣器用来达到报警的目的。三极管的E极接到电源正端，B极接到单片机的P3.1口，C极则接到蜂鸣器的正极。当基极为低电平时，能够通电工作，电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音来实现报警。详细见图3-7.图3-7继电器电路图3.8元器件经费元器件清单参照表3-8表3-8声速与温度的关系表元件型号元件名称元件标号数量总价格（元）蜂鸣器蜂鸣器B11510uF电解电容C110.520pf瓷片电容C2,C323220uF电解电容C412.75D发光二极管D414SMG04_1数码管DS112HK4100F继电器K414HC-SR04超声波模块P116.5喇叭喇叭P213.8电源输入电源接口P3110KF301-2P接线柱P6189012三极管Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q66122K电阻R1,R2,R3,R4,R13,R17,R19721K电阻R5,R6,R7R8,R9,R10,R11,R128210K电阻R1410.1SW-PB按键S1,S2,S3,S440.8电源开关电源开关SW111STC89C52单片机U115WT588D语音模块U211012M发晶振Y112总价84.453.9经费分析本次设计所使用的元器件都是价格偏低的元器件，其中语言模块，超声波传感器和单片机所占的经费比例最多。实际焊接过程中由于粗心以及布线的不妥，造成电路板的重新焊接，其中损失了部分元器件。焊接完成后，进行调试，调试过程基本顺利，并没有造成过多的元器件的损耗。从设计到最后的调试成功过程中，经费的使用主要集中在购买元件中，市场上的元器件琳琅满目，性能也是各有不同，功能太多，性能太优越的价格太贵，价格太低质量不达标，所以这就需要根据设计所需要的要求来选择重要的部件。由于在实际火灾中，烟雾所带来的伤亡才是最大的，为此，为了更加真切的模拟小汽车倒车防撞的报警，本次超声波传感器采用的是实际的生活中使用的超声波传感器模块。超声波传感器则采用稍微廉价一点的传感器，但也都能达到所需要的条件。总结本次设计经费分析：根据设计所需要达到的效果来合理选择元器件的价格，不追求性能及其优越的器件，选择功能能满足设计条件的元器件。

4系统的软件设计需要特别说明的是，对于超声波测距，对应的软件系统主要包括主程序以及超声波发送以及接收中断等内容，此外包括显示部分。对于C语言和汇编而言，前者能够非常方便的进行各种复杂算法的编程，而后者尽管效率很高，并且运算时间精准，但实现非常复杂，因此，考虑到文中的超声波包含有相关的运算，因此选用C语言更为合理和高效。4.1主程序流程图其核心包括主程序以及中断两部分内容，具体可以参加图4-1、4-2以及4-3进行分析。其中主程序的主要作用就是对整个系统进行初始化设置，另外还需要完成对各个超声波的发射与接收等相关控制。对于定时中断的主要作用则是实现发射超声波，而外部中断则主要实现对整个时间的控制，并进行相应的距离计算和输出等内容。在初始化的过程中，首先需要将T0设置在16位定时计数的工作模态。将EA设置为1，表示开启总中断，分别将LCD对应的显示IO引脚清零。随后，调用特定的超声波发生模块，产生特定的超声波脉冲，不要特别注意的是的，实际中为避免接收端直接接手当前发送的脉冲波，需要对接收端延时100us的时间，之后才利用外部中断1进行接收。图4-1主程序流程根据上述中描述的实际选用的晶振频率为12MHz，所以对应的一个机器周期为1μs，如果主程序检测到相应的接收标志位为1，此时，T0便开始根据（4-1）进行相应的计算，便可获得相应的距离，在20℃情况下，声速取值344m/s，此时对应有：（4-1）其中，。根据获得的测量距离，此时系统将显示在LCD中，保持时间为5s，并且将该值报送给语音模块完成相应的播报。随后便开始充分测距。以上逻辑内容等均采用C语言实现。4.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生函数主要功能是利用P1.1实现2个的对应脉冲信号的发送，频率在40kHz左右，其中对应的脉宽大约在20us，此外，在发送的时候将T0开启，以进行相应地计时过程。整个程序逻辑相对清晰。图4-2定时中断服务子程序图4-3外部中断服务子程序另外，对于主程序的作用，主要是通过外部中断1实现对返回的超声波进行有效的检测，当检测到超声波时，系统会立刻进入中断函数中，关断T0的即使，同时把测距成功标志设置为1。若在整个T0溢出的时候，还没有检测到返回的超声波，此时外部中断1会被关闭，并且测距标志的值设为2，表示当前测距失败。5小汽车雷达测距接收5.1HC-SR04模块该模块为非接触式测距方式，范围在2cm-400cm，其本身结构清晰，端口简洁，采用单片机进行控制，效果非常好，因此综合性价比高。需要特别说明的是模块中具有超声波发射与接收，此外还包括控制等相关电路内容[9]。事物可参见5-1图所示。图5-1HC-SR04模块实物图基本工作原理1、利用的对TRIG保持大于10us的高电平，即可实现脉冲的触发，完成测距；2、当触发了TRIG之后，模块会自动产生并发送8个方波，并完成对返回信号的检测；3、如果检测到有信号，则其中的引脚ECHO便会输出高电平，其维持时间表示超声波从发射到最终完成接收的所有时间。电气参数HC-SR04模块参数如下表5-1所示。表5-1模块参数电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40khz最远射程4m最近射程2cm测量角度15°输入触发信号10us的TTL脉冲输入回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15cm超声波时序图，如图5-2所示。图5-2超声波时序图根据上述的时序图，能够非常清晰的看到，当给触发信号保持一个10us的高电平后，模块会产生频率在40khz左右的8个方波。如果检测到回波，此时输出回响信号便会变为高电平，其宽度和距离相关[8]。实际便可以通过这两点完成对距离的测量：通常，为保证测量的准确度，需要将测量的时间保持在大于60ms。该模块使用的主要部件包括有单片机、串口芯片MAX232、TL074以及T40-16和R40-16等共同构成。Em78p153单片机①概况描述Em78p153为8位机，其内部使用的是CMOS工艺，ROM容量为512*13位。因此，用户可以方便改进完善程序。程序的烧写可采用特定的EMC编程器完成，其中一共包含有13位，而保护位的主要作用是保护程序被外界非法读取。②功能特点③引脚分配Em78p153单片机引脚分配如图5-3。图5-3Em78p153引脚图MAX232该芯片广泛应用于232串口通信，其主要作用是对电平进行转换，其供电为5V。对于该设计中的主要作用是把频率在40k，电压为5V的方波变为20V，使得整个的发射功率大大增加。其中，对于超声波的发射和接收头分别采用的是TCT40-16和RCT40-16。①MAX232引脚图芯片引脚如图5-4。图5-4MAX232引脚图②引脚介绍主要分为三部分进行说明，其中部分一的主要作用是构成电荷泵。主要通过Pin1~6以及另外4个电容组成。主要作用是形成电源，为后续的232串口使用。部分二的主要作用为数据转换接口。主要由Pin7~14构成，形成两个通道。其中Pin12和13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道；8脚（R2IN）为数据通道1，而Pin9和10为通道2。部分三为系统供电。Pin15为GND，而Pin16为VCC。TL074芯片为通用运放，其本身具有低噪声，且为JFET输入类型，引脚如5-5所示。图5-5TL074引脚图TL074组件如表5-2所示。表5-2TL074组件电阻44晶体管56JFET6二极管4电容4epi-FET4T40-16与R40-16需要特别说明的是，生活中，人民为更加充分的掌控和利用产生，进行了非常丰富的研究，也制造了很多相关的超声波发生器。主要包括如下两种：电气工作类型：有压电、磁致伸缩以及相应的电动类型；机械工作类型：有加尔统笛、液哨以及气流旋笛等类型。需要特别说明的是，不同类型的超声波发生器，其产生的频率以及相关特性等都不一样，所以实际需要根据具体要求进行合理的选择，通常，广泛使用的为压电式。其主要原理是利用压电晶体的振荡加以实现。具体分析来说，其结构中包含2个压电晶片以及1个共振板。如果对其2个极施加脉冲，当脉冲的频率和压电晶片本身的振荡频率相同的时候，便会产生共振，最终使得共振板随之振动，由此，便形成了超声波。同理，当没有对电极施加电压的时候，如果接受到来自外界的超声波，此时压电晶片将被迫完成相应的振动，对应的机械能便能够自然的转为电信号输出，变为超声波接收装置，上述中的T40-16T/R便是利用的该原理。传感器实物如图5-6所示。图5-6传感器实物图需要特别说明的是，在模块HC-SR04中，已经集成好了相应的发送和接受等电路，所以实际在应用的时候，就不再需要外部连接相关的复杂电路等，当需要产生超声波的时候，只需要给相应的触发脚Trig添加大于10us的高电平，然后计算Echo的高电平时间，即可实现对超声波距离的有效测量，详细测量过程可以查看上述相关内容。5.2T40、R40超声波传感器简介T40、R40超声波传感器的元件内部结构图如图5-7和5-8所示。5-7T40元件内部结构 5-8R40元件外部结构5.2.1超声波传感器的基本介绍该传感器的基本原理实际上是充分利用超声波的基本特性来完成测量的。对于超声波来说，首先需要明确的是其实际上就是一种机械振动波，只是频率比一般性的声波要高，主要的特点包括高频、短波以及小的绕射现象，另外非常好的特性在于其本身的方向性很好，在实际中能够实现沿着特定方向进行传输等。除此之外，其还具有非常强的穿透能力，特别是对于很多实在的固体来说，能够实现几十米的穿透。需要特别注意的是，当超声波在遇到障碍物的时候，其能够反射回来，而对于移动目标，会形成相应的多普勒效应。基于其广泛的优点，目前已经大量应用在工业、国防等诸多领域中。[7]如果使用超声波进行检测，则一定需要对其进行发送和接受，其主要的是装置就是超声波探头。需要说明的是，探头的核心部件包括压电晶片，根据上述分析，其一方面能够实现接受也能完成发送。对于那些小功率的探头实际中多用在探测方面。通常其具有非常多类型的结构种类，包括直、斜、表面波、兰姆波等类型。5.2.2超声波传感器的主要应用在医学诊断方面，超声波应用非常多，比如说对于疾病的诊断方面，其占据非常重要的地位，因为其本身具有很多的优点，包括无痛、无辐射，检查方式简单，成像非常清晰，并且还具有非常高的准确度，因此获得医生和病人的青睐。在实际诊断过程中，能够以不同的医学理论作为主要依据进行分析，这里以非常典型的A型法进行说明。其主要的原理是根据超声波的实际反射进行检测的。因为超声波在作用与人体组织的时候，其在传播的过程中，通常会遭受具有两层的声阻抗界面，由此形成回声。对于每个反射面，都能够利用示波器观察到相应的图形。[6]对于工业方面，超声波的主要作用为对金属进行探伤与测厚。只此之前，对于物体的内部结构是根本没有办法去探知的，而在超声波探测技术产生之后，便可以充分利用该技术完成探测。实际中，对于超声波的应用多少安装在特定位置中，偷偷地进行相应的测量。需要特别说明的是，对于将来，将会把超声波同其他的相关技术等进行融合，使得超声波传感将更加先进和智能化。技术应用由于超声波在遇到障碍物的时候，其能够反射回来，并且对于移动目标，会形成相应的多普勒效应。所以基于其广泛的优点，目前已经大量应用在工业、和医疗等诸多领域中。详细说来，包括针对液位的探测，机器人的壁障以及各种防盗等方面，其具有稳定性高，简单易用等突出优点，并是非接触、防水的，灵敏度好，能够和其他的工业设备等进行有效的连接，联合使用。5.2.3超声波传感器的工作原理对于超声波而言，其本身就是一种机械振荡波形，实际中主要有横向和纵向两种类型。而对于工业中的使用，多为纵向。另外，需要特别说明的一点就是，超声波能够在气液固三相中进行传播，只是对应的速度不一样。同其他的波形一样，也会存在折射与反射等情况，此外在整个传播中，存在相应的衰减。对于空气环境下，频率不高，通常只有几十千赫兹，但是在固、液中的时候，频率能够应用很高。实际可以根据超声波的这种特点，制作非常多类型的相关传感器，广泛使用在医疗以及智能家电中。另外，对于超声波传感器所使用的材料，主要包括有压电晶体以及镍铁铝合金两种类型。其中利用前者制作的传感器实际为可逆的，其能够把电能变换成机械振荡，反过来，其还能够用于接收超声波。当然实际中包含有接受和发送一体相关传感器，此外仅仅说明所应用的小型传感器，其能够在空气中进行传输，频率分别在23-25KHZ与40-45KHZ。主要用在测距以及防盗方面。主要的型号包括T/R-40-60以及T/R-40-12。而对于MA40EI类型的传感器。其最大的优势就是防水，实际中能够用于接近开关，具有非常好的效果。通常相关的超声波类型主要有：透射型，其主要的应用领域在遥控以及防盗和自动门方面；而对于分离式则通常使用在测距、测液体等位置方面；最后使用的反射型则主要使用在针对物体的探伤和测厚方面。[5]5.3超声波发射电路根据上述分析以及实际设计，对于HC-SR04模块而言，其发射部分的详细电路可以参加如下图5-9所示，从中可以看出，主要部件包括单片机Em78p153以及串口电平转换芯片MAX232和探头T40。图5-9超声波发射电路5.4超声波接收电路对于HC-SR04模块的接收部分的详细电路可以参考如下图5-10，其核心部件为运放TL074，此外还包括超声波接受探头R40。图5-10超声波接收电路5.5超声波接收过程首选需要在程序中进行全部的初始化，并且将模块HC-SR04中对应的端口ECHO和单片机的引脚P1.1进行连接，然后将反射触发端口TRIG和单片机的PinP1.2进行连接。随后打开单片机的中断，在P1.1端输出一个20us的高电平给模块的“Trig”端口，此时模块HC-SR04在接收到处触发信号后，其内部的单片机EM78P153会产生8个方波脉冲，频率在40KHz左右，该信号通过芯片MAX232之后，实现电平的转换，以增加整个脉冲的发射功率。最后，探沟能够把该电脉冲转换成为超声波发射出去。与此同时，在P1.1输出20us的高电平的时候，引脚TRIG的电平便立即由低变到高，即，对应的TRIG=1，此时，定时器T0启动计时，并打开中断检测，看是否有回波，当接收端检测到回波的时候，记录此时的T0对应的时间T1，需要特别说明的是，探头在接收端到回波的时候，对应的ECHO端口信号为高电平。该过程是机械波转换为电信号的过程，此外记录时间为T2，那么对于整个超声波的发生时间的长度就是T2-T1,由此可以计算对应的距离，具体公式为：需要特别注意的是，当发送超声波后在65ms之后，还没有接收到回波，则说明此处测距失败，单片机需要重新发送，完成下一次测距。5.6接收数据处理单片机初始化函数见图5-11

5-11程序流程图通过上述流程图，可以清晰的看到整个接收的详细过程：首先需要上电，进行初始化，其主要目的就是把相应的变量等进行复位或设置为特定的值，然后利用单片机在相应的引脚‘Trig’输出大于在20us的高电平，输出之后，便需要等待模块的‘Echo’端的电平从低到高的变化，当出现高电平的时候则立即打开定时器，开始计时，如果从发送到接收到该高电平的时间在65ms以内，则说明本次测量是有效的，没有到达盲区范围中，然后便开始等待信号‘Echo’从高电平变到低电平，如果出现低电平的时候，测试停止T0的计数，将其中的值取出，就可以计算超声波从发射到最终接收的总时间大小，即time=TH0*256+TL0(us),最后结合超声波在室温下的传送速度大约在344m/s，便能够得出相应的距离，然后显示在数码管中。[3]接收数据处理子程序如下：c_send=1; //10us的高电平触发 delay(); c_send=0; TH0=0; //给定时器0清零 TL0=0; TR0=0; //关定时器0定时 flag_hc_value=0; while(!c_recive); //当c_recive为零时等待 TR0=1; while(c_recive) //当c_recive为1计数并等待 { flag_time0=TH0*256+TL0; if((flag_hc_value>1)||(flag_time0>65000))//当超声波超过测量范围时，显示3个888 { TR0=0; flag_csb_juli=2; distance=888; flag_hc_value=0; break; } else { flag_csb_juli=1; } } if(flag_csb_juli==1) { TR0=0; //关定时器0定时 distance=TH0; //读出定时器0的时间 distance=distance*256+TL0; distance+=(flag_hc_value*65536);//算出超声波测距的时间 得到单位是ms distance*=0.017;//0.017=340M/2=170M=0.017M算出来是米 if(distance>350) //距离=速度*时间 { distance=888; //如果大于3.8m就超出超声波的量程 } }6系统调试与实物6.1硬件调试在本次设计中，我们完成了软件和硬件的设计后，根据设计好的电路图和买来的相关元器件将电路板焊好，进行实验调试在焊电路板之前，首先检查各个元器件是否有损坏情况，发现不良品需及时更换，元器件检查完毕之后开始焊接电路板硬件焊接完之后，检查是否与电路图的设计一样，然后需用万用表检查各个可疑点或者链接点并检查每个电源线与地之间的连接，看看有无虚焊，短路等问题，检查完之后，接通电源，看看各元器件有无发热问题，如有发热，立即断电，重新再检查一次电路。通过多次的调试与检查，各个模块均通过检测没有问题，硬件调试完毕。6.2软件调试当硬件调试检测通过后，我们开始进行软件的制作，本次软件调试，总结经验如下；先进行人工检查，程序在软件里写好后，先不烧入到单片机内，我先检查程序有无多或者漏掉字符，检查语法错误，通过多次检查，发现错误及时改正。人工检查通过后，上机进行调试。根据提示的信息对程序中错误的语句进行修改，从上到下一行一行的修改。应该注意的是；有时候系统提示的错误可能并不是真正的错误，这时候要是在提示行发现并没有错误，则需要在上一行再找。当确认程序语法和逻辑都正确后，开始把程序烧入到单片机中来进行软件调试，程序烧入单片机后，看看各个部分有没有都正常运行工作，功能是否都可以实现，如发现有模块功能没有正常工作，则需要检查模块中相应的程序。6.3实物照片实物照片见图6-1图6-1实物正面照实物背面照见图6-2图6-2实物背面照7总结论文的主要设计内容是以单片机为基础，进行超声波测距，文中给出了相应的软硬件具体设计方案，附近中有软件程序内容。需要特别说明的是，实际上超声波测距和雷达的一样的，本身原理是相同的，实际中，在超声波发射装置产生特定的超声波后，然后接收装置便时刻检测返回信号的到来，最后根据发送和接收两者的时间总长度便可以计算得到最终的距离，达到测距的目的。简单来说，在发射超声波的时候，同时利用单片机开启计时，如果超声波一旦遇到障碍物之后，便会迅速返回，当单片机检测到回波的时候，便会立刻停止计时器，更加整个计时的时间长度结合声波在空气中的传播速度，便能够非常容易的算出实际距离的大小，这就是超声波测距的基本过程和原理。其中，文中设计的超声波测距的核心部件有单片机及其相关外围电路，超声波模块，显示、语音播报模块。其中需要特别说明的是，单片机选择的是大量使用的STC89C52，其振荡器频率在12MHz，对应的PinP1.3产生20us的触发信号，经过T0的计时作用，完成测距，1602用于对实际距离的显示，WTD588D对实际距离进行播报。另外，文中设计的测距系统精度较高，并且性价比非常好，能够进行有效测量的范围在2~350cm，达到了实验要求，然而，基于本人实际视频的限制，以及经验的不足，在测量方面但由于经验不足还有些地方有待完善。在要求精度更高的场合，容易受到空气温度的影响，因此需要对温度进行补偿，以进一步提高精度。综上所述，通过此次设计，是我获益颇丰，不仅了解到超声测距的基本原理，还对单片机电路设计和应用等具有更深的认识。参考文献[1]彭超.基于嵌入式的智能小车的研究和设计[D].武汉理工大学,2013..

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外文参考文献DesignandApplicationofDistanceMeasureUltrasonicSensorShuhaiWang1,QiuzhenLiu2,ShuwangChen1,andYuxiXue1AbstractAnultrasonicsensortodetectthedistancemeasurementsystemisintroducedinthepaper.Thepaperpresentstheworkingprincipleofultrasonicdistancemeasurement,thestructurepropertiesofultrasonicsensors,theultrasonicsensorsinthetransmitterandreceiverprobeandtheirinter-actionproblemindetails.Ultrasonicsensorisacomponentofdetectingthedistance.STC89C52SCM(singlechipmachine)isacontrolcomponent.Thesystemmainlyconsistsoffiveparts,suchasthesmallestsinglechipsystem,theultrasonictransmissioncircuit,theultrasonicreceivingcircuit,thedigitaldisplaycircuitandthealarmcircuit.Applicationsoftwareofrangingiswritten.Theaccuracyanderrorintheotherrelatedissuesofthedistanceultrasonicsensorisstudiedbyexperiment.Thesystemisdesignedforportable,lowpowerconsumptionandhighprecision.Itcanbeappliedtowaterlevelmeasurement,robotobstacleavoidance,parkingsensorandotherareas.Keywords:Ultrasonicsensor,Distance,Measurement.1IntroductionAsultrasonictechnologycontinuestoberesearcheddeeply,ithasbeenmoreprogressanddevelopmentthanbefore.Itenhancesperformanceinmanyareas,suchasinprecision,non-contact,non-destructiveandotheraspects.Withthetechnologicalbreakthroughsintheseareas,ultrasonicsensorisappliedmoreandmorewidely.Ultrasonicsensorhasitsuniqueadvantagesinsomerespectsaboutthedistancemeasurement,suchasleveldetection,robotavoidobstacle,parkingsensors,andsoon.Ithastheuniqueadvantagesinthetoxic,harmfulandcorrosiveenvironments.SystemDesignAccordingtothedesignrequirementsandtasks,thechoiceintheprogrammustbepaidattentiontotheoperationandprice.Therearemanytoolsandmethodsinmeasuringdistanceinpresent,suchaslaserranging,infraredranging,ultrasonicrangingandmoreadvancedsatelliteranging,andsoon.Theadvantageoflaserrangingisthegoodcolor,strongdirection,verylongdistancesmeasurement.Itsdisadvantageistheblindspotin15meters.Theadvantageofinfraredrangingislongdistancemeasurement.Measurementdistancecanreachto1-5kilometers.Itsdisadvantageishigherpricethanultrasonicranging.Theadvantageofthesatellitelocationisthefarthestdistancemeasurement.Butthepriceofsatelliterangingisthemostexpensive.Itisappliedinnationaldefenseandthemilitaryoften.Cheapisthebiggestadvantageofultrasonicranging.Itscircuitisdesignedsimplyandisoperatedeasily.Itcanachievecentimeter-levelaccuracy[1].Butthemeasurementdistanceisrelativelyclose,usuallybetweenafewmetersanddozensofmeters.2.1UltrasonicPrincipleUltrasonicwavemeansthesoundwavewhosefrequencyismorethan20kHz.Ultrasonicprincipleistousetwoultrasonictransducer(alsocalledultrasonicprobewhichincludessendingprobeandreceivingprobe)tocompletethedistancemeasurementunderthecontrolofSCM.Ultrasonicsendingprobeistheapplicationofconversepiezoelectriceffectofthepiezoelectriccrystalmaterials,sotheelectricalenergyistransfo