基于51单片机的超声波倒车雷达测距

毕 业 设 计题 目：基于 51 单片机的超声波倒车雷达测距学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要超声波是频率高于 20KHZ的声波，具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远的特点，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因此在液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域得到了广泛的应用。基于此，本次设计尝试使用 AT89S52与 HY-SRF05模块来实现超声波的测量，结合外围电路模块实现距离显示及语音播报构成超声波测距系统。本次超声波测距系统由单片机计时及控制电路、超声波发射接收模块、测量距离显示电路、语音电路等部分组成。详细介绍了超声波测距模块及 AT89S52 单片机的测距原理。以 HY-SRF05 超声波测距模块为核心实现超声波的发射与接收。整体电路结构简单，成本低廉，工作稳定，测量精度也达到实际应用要求。关键词：AT89S52；超声波；HY-SRF05；测距河南城建学院本科毕业设计（论文） AbstractIAbstractUltrasound is sound waves with frequency higher than 20KHz, it has strong directivity and consumes energy slowly, at the same time it spreads farther in the same medium. Therefore ultrasound is often used for distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by it. Use of ultrasonic detection tends to be quickly, convenient and simple calculation, easy to do real-time control. In the measurement precision it can reach industry practical requirement. So in liquid level, well depth, pipe length measurement, mobile robot localization and obstacle avoidance, etc a wide range of applications.This ultrasonic distance measurement system by single-chip timing and display circuit of the control circuits, ultrasound modules, measuring distances, voice circuits and other components. Details the ultrasonic range finder and AT89S52 microcontroller module location. Core realization of ultrasonic HY-SRF05 ultrasonic distance measurement modules for transmit and receive. A whole circuit of simple structure, low cost, stable, measurement precision to reach the actual application requirements.Keywords:AT89S52；Ultrasonic wave ；HY-SRF05；Measure distance河南城建学院本科毕业设计（论文） 目 录II目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 课题研究的意义 .2第 2 章 超声波测距原理 .42.1 超声波简介 .42.2 超声波测距原理 .4第 3 章 方案论证 .63.1 设计思路 .63.2 系统结构设计 .7第 4 章 硬件电路设计 .84.1 单片机 AT89S52.84.2 超声波测距模块 HY-SRF05.104.2.1 基本工作原理 .114.2.2 HY-SRF05 电气参数 .114.2.3 超声波时序图 .124.2.4 超声波应用电路图 .124.3 温度传感器 DS18B20 .134.4 LCD1602 液晶 .144.4.1 LCD1602 主要技术参数 .144.4.2 LCD1602 引脚功能 .144.4.3 LCD1602 应用电路图 .154.5 ISD1420 语音芯片 .164.5.1 特点 .164.5.2 电特性 .164.5.3 ISD1420 引脚功能 .164.5.4 ISD1420 语音电路 .17第 5 章 系统软件设计 .19河南城建学院本科毕业设计（论文） 目 录III5.1 主程序 .195.2 超声波测距子程序 .205.3 测温子程序 .21第 6 章 系统调试分析 .236.1 硬件电路测试 .236.2 软件调试 .236.3 误差分析 .24结 论 .26参考文献 .27致谢 .28附录 .29附录 A： 实物作品 .29附录 B: 原理图 .30附录 C: PCB 图 .31附录 D: 程序 .32河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪论0第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。因而倒车事故给车主带来的许多麻烦，有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷达的加装可以解决驾驶人员后顾之忧，大大降低倒车事故的发生。超声波倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达” ，也叫“泊车辅助装置” ，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。通过感应装置发射超声波，然后通过反射回来的超声波判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离。1.2 国内外研究现状 一般认为，关于超声波的研究最初起始于 1876 年 F.Galton 的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。法国人 Langevin 使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。 1929 年，Sokolov 首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔 2 年，1931 年 Mulhauser 获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。4 年之后，1934 年 sokolov 首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪论1一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人 Bergrnann 在他的论著ULTRASONIC中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。 美国的 Firestone 首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。 八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波测距设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。 目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波测距系统的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高，单数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。1.3 课题研究的意义在现实生活中，在某些特殊的场合，传统的测量距离的方法往往会存在一些河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪论2没办法克服的因素，像是在液面上做距离测量，用传统的方法，电极法首先采用差位的分布电极，再通过给脉冲或电来进行检测液面，由于电极需要长期浸泡于水中或其它液体中的原因，所以极易容易被腐蚀或是电解，从而导致降低灵敏性。但是如果使用超声波来测量距离的话，刚好可以很有效地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统由于价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于 AT89S51 单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 2 章 超声波测距原理3第 2 章 超声波测距原理2.1 超声波简介我们知道，当物体振动的时候便会产生声音。科学家们系统的把每秒钟振动的次数称之位声音的频率，单位称为赫兹（HZ） 。人类的耳朵可以听到声波的频率仅在 20 到 20000HZ 之间。如果声波的振动频率超过了 20000HZ 或是低于20HZ 时候，人们便没办法听见了。所以，通常超过 20000HZ 的声波我们将之称作“超声波” 。通常用于医学诊断的超声波的主要频率为 15 兆赫。超声波的优点是具有良好的方向性，它穿透的能力也非常强，可以很容易的获得比较集中的声能，水中的传播距离也比较远等特点。用途比较广泛，主要用于测量距离、测量速度、医学方面，军事方面，工业方面，和农业方面。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，由于在介质的质点振动频率相对于高，因此能量也是相对的大。如果冬天在北方的时候，如果往水罐中注入超声波的话，罐中的水会由于剧烈震动碎成大量的小雾滴，再把破碎的雾滴用风扇往室内吹的话，便使室内的空气湿度瞬间增加，这个原理便是超声波加湿器。对于气管炎疾病或咽喉炎疾病等等，药品很难随血流到达患病的部位。使用加湿器的原理，可以有效的雾化药液，让病人吸入，能够提高疗效。人体内的结石可以使用超声波的较大能量经过剧烈的受迫振动而破碎。2.2 超声波测距原理超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，超声波传感器将对准反射物并且发射超声波，此时便立即计时，超声波由于在空气的传播过程中碰到障碍物将会被反射回来，同时传感器的接收端将收到反射回来的脉冲后便会马上计时结束，便可以依据超声波在传播中的速度和时间计算出两端的相距距离。测量中的距离 D为（式 2.1）ct21D式中 c超声波的传播速度； 超声波从发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。河南城建学院本科毕业设计（论文） 第 2 章 超声波测距原理4由上式可知，主要由计时的精度和传播的