论文汽车倒车超声波报警器的毕业设计

理工大学本科毕业论文（设计）题 目汽车倒车超声波报警器的设计与实现系 专业学 号 学生姓名 指导教师 起讫日期 工作地点 本科毕业论文（设计）I目 录绪论 .11 汽车倒车超声波报警器的设计背景 .21.1 汽车倒车超声波报警器的设计意义 .21.2 汽车倒车超声波报警器的发展 .21.3 课题的主要研究内容和目标 .22 超声波基本发展史及原理 .32.1 超声波发展简史 .32.2 超声波的应用 .32.3 超声波测距的方法 .53 系统整体设计 .73.1 系统整体设计框图 .73.2 硬件选型 .73.2.1 超声波探头的主要参数 .73.2.2 单片机的选择 .93.2.3 其他元器件的选择 .104 硬件电路设计 .114.1 单片机外围电路设计 .114.2 超声波发射接收电路 .114.2.1 超声波发射电路 .114.2.2 超声波接收电路设计 .124.2.3 超声波测距模块 .134.3 显示报警电路设计 .134.3.1 数码管显示电路设计 .134.3.2 报警模块电路设计 .145 系统软件设计 .155.1 主程序设计 .155.2 中断处理程序设计 .165.3 计算及显示模块程序设计 .175.4 报警模块程序设计 .176 系统调试 .18结论 .20参考文献 .21附录 程序代码 .22本科毕业论文（设计）II汽车倒车超声波报警器的设计与实现摘 要本文全面、深入、系统地介绍了汽车倒车超声波报警系统的设计。本设计主要是将超声波的特点和优势与单片机的特点和优势相结合，设计出的一种基于 STC89C51 单片机和 HC-SR04 超声波测距模块的汽车倒车超声波报警系统。其中用到的单片机是由全球微控制器研发制造领先企业美国 Atmel 公司生产的 STC89C51。本设计是将硬件结构和程序设计两个部分结合起来的。其中硬件部分分为六大块，分别为单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路、电源电路和报警电路。软件部分主要由主程序、超声波发射接收子程序、距离计算子程序及显示子程序等组成。本设计通过单片机控制时间、计数并利用超声波发射接收的时间和超声波在空气中的传播速度测算出仪器与障碍物之间的距离从而达到本设计的意图。本设计具有电路设计合理简单、性能稳定、测量速度快、测量结果精准等优点。论文主要介绍了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性，还对一些重要参数进行了讨论。【关键词】 STC89C51；单片机 ；HC-SR04 ；数码管 本科毕业论文（设计）IIIDesign and implementation of vehicle reversing ultrasonic alarmAbstractIn this paper, a comprehensive, in-depth, systematic introduction to the design of the car crash reversing ultrasonic ranging system. The design is mainly features and advantages of the ultrasonic and SCM features and advantages of combining design a microcontroller based STC89C51 and Ultrasonic Ranging Module HC-SR04 Ultrasonic Ranging car reversing Collision Avoidance System. Which uses a single-chip microcontroller is developed and manufactured by the worlds leader in the United States produced by Atmel STC89C51. This design is the design of the hardware structures and procedures to combine two parts. The hardware part is divided into six large pieces, respectively MCU control circuit, ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the digital display circuit, power supply circuit and alarm circuit. Software is mainly emitted by the main program, subroutines ultrasonic receiver, distance calculation subroutine and display routines and other components. The design of the control time through the microcontroller, and the count time by the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver in the air propagation speed of the instrument measure the distance between the obstacle and to achieve the intent of the design. This design has a simple circuit design reasonable, stable performance, high speed, accurate measurement results. Paper introduces the development and the basic principle of ultrasonic testing, on the principles and characteristics of ultrasonic sensors, but also on a number of important parameters are discussed, and based on the introduction of ultrasonic ranging system functions on the systems overall proposed constitution. Thesis by comparing a variety of programs to arrive at the most reasonable solution process were introduced.【Key words】 STC89C51； SCM ； HC-SR04 ； Digital本科毕业论文（设计）1绪论随着社会经济的不断发展，人们生活水平和质量的不断提高，汽车飞速普及，从而使交通业越来越兴旺发达。万物皆有两面性，汽车的普及在给人们带来方便的同时，也给我们的生活和安全带来了一定的负面影响，比如过多的汽车使得往日宽阔的街道、马路变的拥堵，在停车场、车库的停靠越来越麻烦。其中的安全倒车问题一直困扰着我们，因为在倒车时驾驶员从倒车镜中看到车后状况的视野毕竟有限，有时汽车后面的障碍物可能不足以通过后视镜传播到司机的视线，稍不注意就可能造成不必要的损失甚至危及他人的人身安全。据初步调查数据显示，15%的交通事故就是由于倒车时驾驶员的后视盲区造成的，所以人们迫切需要一种汽车倒车导航装置，希望这个装置能够解决倒车过程中的不利因素，能够安全准确的将车停靠到指定地点，从不避免不必要的麻烦。这正是本设计要解决的问题。本文介绍的汽车倒车超声波测距防撞系统与市面上的具有倒车雷达功能的汽车的原理相似，但本设计更为经济，电路设计更简单，测距更精准，可靠性和稳定性更高。本设计的超声波测距防撞系统由超声波传感器、单片机控制系统、LED 数码管和蜂鸣器组成。单片机通过超声波传感器传回的数据测算出汽车与障碍物的距离，并通过与可设置的安全距离相比较，但小于安全距离时，蜂鸣器报警提示驾驶员，从而提高了驾驶的安全性。本科毕业论文（设计）21 汽车倒车超声波报警器的设计背景1.1 汽车倒车超声波报警器的设计意义在人们对安全出行、安全驾驶的交通意识越来越强烈的今天，一种能保障驾驶员安全、准确倒车的响应快、可靠性高且经济的汽车倒车超声波报警器正是广大驾驶员所期望的。超声波测距报警器利用超声波测距原理检测车辆与障碍物的距离，并将测算数据实时显示在数码管上，同事驾驶员可设置安全距离，当小于安全距离时，装置将报警提示驾驶员提高警惕。相信，随着科技的不断发展汽车倒车超声波测距装置的功能也会越来越强大，为我们的生活带来更多的便捷。1.2 汽车倒车超声波报警器的发展汽车倒车超声波测距报警装置经过了多年的发展。其最初只是应用在奔驰、宝马等高档轿车上，后来由于科技的进步，经济社会的发展和开发成本的降低才逐渐成为普通汽车上的装置。时至今日，汽车倒车超声波测距报警器已经历了三代的技术和结构改良。第一代：倒车时喇叭提醒。这一代的汽车倒车装置只是在驾驶员挂上倒车档时，语音提示“请注意，倒车”以引起驾驶员和周围人的注意，现在这种装置只是使用在少部分大卡车和泥头车上。其并没有超声波测距装置，只是靠语音提示，因此，这种装置对安全倒车没有太大的帮助，也并不能称之为真正意义上的汽车倒车报警器。第二代：根据蜂鸣器发音的频率的不同来提醒。这才算是汽车倒车超声波测距报警器历史发展的真正的开始，因为超声波装置已应用到系统中。当在一定范围内有障碍物时，蜂鸣器就会报警，汽车距障碍物越近时，蜂鸣器的“嘀嘀”声就越急促，但这种装置不能实时显示汽车距障碍物的距离，对驾驶员的安全倒车的作用也不大。第三代：距离显示。这代较第二代有较大的进步，可以显示障碍物与车体间的距离有两种显示方式。一是通过数码管显示距离；二是通过颜色来提示，当在安全距离以上时显示绿色，当接近安全距离时，显示黄色警告，当在危险距离时，显示红色。这一代汽车倒车超声波测距报警器已经比较先进了，其缺点是不够经济，精度不高，安装不美观。1.3 课题的主要研究内容和目标本课题以汽车倒车超声波报警器的设计与实现为研究目标，从理论和实践两个方面对超声波测距技术的应用进行探讨。本课题着重对超声波的基本理论知识进行了介绍，阐述了汽车倒车超声波报警器的总体设计方案，同时详述了硬件电路的设计和软件设计，并论述了系统误差和改进的方法。本科毕业论文（设计）32 超声波基本发展史及原理2.1 超声波发展简史人类使用超声波技术造福人类是受到蝙蝠的启发。超声波是由意大利科学家斯帕拉捷发现的。斯帕拉捷习惯晚饭后到附近的街道散步。他经常看到很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从来不会撞到墙壁或树上。这个现象引起了他的好奇：蝙蝠凭什么本领可以在夜空中自由自在的飞行呢？为了弄清其中的原因，斯帕拉捷做了一系列的实验。首先它蒙上了蝙蝠的眼睛，发现蝙蝠仍然可以轻盈敏捷地来回飞翔，然后，他把蝙蝠的鼻子堵上，结果，蝙蝠在空中还是飞的那么敏捷、自由，于是他又捉来几只蝙蝠，用油漆涂满它们的全身，然而还是没有影响到它们的飞行，最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它们放到夜空中，这次，蝙蝠没了先前的神气，向无头苍蝇一样在空中东碰西撞，很快就跌落在地上。他发现蝙蝠是靠听觉来辨别方向，确认目标的。后来人们的继续研究弄清了其中的奥秘。原来，蝙蝠靠喉咙发出人耳听不到的超声波，这种声音沿着直线传播，一碰到物体就像光照到镜子上那样反社会来，蝙蝠的耳朵接受到这些超声波，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。正真超声波的研究和发展与媒质中超声波的发射和接收的研究密切相关。自 19 世纪末到 20 世纪初，在物理上发现了压电效应和反压电效应之后，人们找到了利用电子学产生超声波的办法，从此，超声波技术便迅速得到发展和推广。1883 年 Galton 首次制成超声波气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声波。此外，又出现了各种形式的机械型超声波换能器。20 世纪初电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917 年法国物理学家Langevin 用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功应用于水下探测潜艇。随着军事和国名经济各部门中超声应用的不断发展，又出现了更大功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型超声波换能器。人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中潜艇的位置及其状态。40年代末期超声波治疗在欧美兴起，医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构，以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。如今超声波被广泛应用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌、消毒等。超声波技术在军事、工业、农业、医学、科学研究等领域发挥着巨大的作用和价值。2.2 超声波的应用超声波因其独特的物理化学特性，其被广泛应用于许多方面。超声波应用主要在以下几个方面：（1）在检验方面的应用超声波波长短，方向性好，能透过不透明的物质，这些特性被广泛应用在超声波探伤、侧厚、测距、遥控、和超声波成像技术 1。超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。超声波测厚，是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度 1。超声波测距是通过测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的本科毕业论文（设计）4时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术，把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已。 （2）在超声处理方面的应用利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波焊接主要分超声波塑料焊接和超声波金属焊接，超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高、密封性好的优点；而超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。针对所有的应用市场，超音波焊接其特有的优点快捷、高效、清洁和牢固，赢得了各行各业的认可，在汽车、家电、包装、玩具业、电子等行业的应用也越来越广泛。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。超声波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清洁度高，不须人手接触清洗液，安全可靠，对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等诸多优点。超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂像一些表面凹凸不平、有盲孔的机械零部件，一些特别小而对请洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。超声波技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。超声波治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。超声波的机械作用可软化组织，增强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。超声波治疗以疗效独特，长期治疗无毒副作用的安全特性见长，在肢体运动康复、心脑血管疾病治疗方面有着独特的优势，其体外无创的物理治疗手段比较适合在社区、医院运用。（3）在基础研究方面的应用超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支 1。机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20 世纪 40 年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程（如分子的内、外自由度之间能量转换的热弛豫，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）及微观谐振本科毕业论文（设计）5过程（如铁磁、顺磁、核磁共振等）之间的关系，通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这些方面的研究构成了分子声学这一声学分支。随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能声子来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科量子声学也正在形成。超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、超声学材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声波应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断地向前发展着。2.3 超声波测距的方法超声波测距的方法主要有三种，为相位检测法、幅值检测法和渡越时间法。相位检测法检测精度高，但是检测距离有限，达不到本课题设计的要求。由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含量不同，衰减系数也不一样，声波幅值检测法的检测精度和稳定性受到很大的限制，所以此种方法不适合本课题的应用。而渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。但是由于气体介质对超声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减，超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。另一方便面超声波的最大检测距离与传感器的发射功率和电路的放大倍数有关，发射功率越大，电路的放大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。因此可以通过提高放大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。此外超声波在空气中的传播速度与