超声波倒车报警系统毕业设计南京理工大学紫金学院

南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者 : 学 号：系 ： 电子工程与光电技术系专 业 : 电子信息工程题 目 : 超声波倒车报警系统设计指导者： 高级硬件研发工程师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2013 年 5 月南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语学生姓名： 班级、学号：题 目： 超 声 波 倒 车 报 警 系 统 设 计 综合成绩： 指导者评语：超声波倒车报警系统是满足在倒车时测定障碍物与车辆的安全距离,防止倒车时对距离判断不清导致的车辆受损。该生能够充分利用超声这一方式设计倒车报警系统，思路比较清晰， 设计比较严谨。同时论文对相应的理论和相应的设计逻辑清晰合理。对相应的设计电路与软件能够进行严格的验证，并能够做出相应的实物。该生能够充分理解电子工程的相关基础理论，同时在设计过程中学习和补充其它的高级电子设计知识，完满完成了该设计。建议该生进行并通过毕业论文答辩。指导者(签字) ：2013 年 5 月 14 日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语评阅者评语：评阅者( 签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语：答辩委员会（小组）负责人( 签字)： 年 月 日毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要超声波技术是一门通用技术，它包括超声波产生、传播以及接收等物理过程。目前超声波技术广泛应用于超声波探测、超声焊接、超声检测和超声医疗方面。本系统设计利用 STC89C52RC 单片机为主控芯片，利用单片机程序产生频率为40KHz 方波信号，通过推挽放大驱动超声波发射器向外发射超声波信号，同时开始计时，超声波信号经障碍物反射后被超声波接收器接收，利用接收芯片接收并将信号传至单片机，停止计时，单片机计算超声波发射与接收之间的时间差，即可计算障碍物的距离。并通过利用四位数码管将探测结果直观显示出来。基于单片机的超声波测距系统易实现、成本低、精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性。 关键词 单片机 超声波 测距毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title The design of a Silent Wave Measure Distance AbstractUltrasonic technology is a general technology have to be used, it comprises an ultrasonic generation, propagation and receiving physical process .Currently, the ultrasonic technology is widely used in ultrasonic detection, ultrasonic welding, ultrasonic testing and ultrasonic medical. This system is designed by using STC89C52RC as the main control chip. Using the single chip microcomputer program to generate 40 kHz square wave signals. Through the push-pull amplifier drive ultrasonic emitter to the launch ultrasonic signal, at the same time start the timer. The ultrasonic signal reflected by an obstacle, receiving by ultrasonic receiver. The receiver receives and transmit signals to the microcontroller, stop the clock. Single chip microcomputer calculate the time differences between the transmitter and receiver, can calculate the distance to the obstacle. And through four digital tube display detection results. Microcontroller-based ultrasonic system is easy to implement, low cost, high accuracy and easy to do real-time control, with strong practicality.Keywords microcontroller ultrasound ranging本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共 页 目 录1 引言 .11.1 选题背景及研究意义 .11.2 超声波的国内研究现状 .11.3 超声波的国外研究现状 .21.4 超声波测距的实现主要技术 .31.5 研究步骤与方法 .52 超声波测距原理 .62.1 超声波测距系统分析 .62.2 压电式超声波发生器的基本原理 .62.3 超声波测距误差分析 .72.4 系统整体方案的论证 .82.5 系统整体方案设计 .83 系统硬件电路设计 .83.1 系统工作原理分析 .83.2 单片机简介 .103.3 时钟电路 .123.4 复位电路 .133.5 电源电路 .133.6 单片机程序 ISP 下载接口 .143.7 超声波发射电路 .143.8 超声波接收电路 .153.9 HC-SR04 超声波传感器 .163.10 显示电路 .174 系统的软件设计 .184.1 软件设计的整体方案分析 .184.2 主程序 .194.3 中断服务程序 .204.4 距离计算子程序 .214.5 显示子程序 .225 调试与结果分析 .245.1 软件调试 .245.2 遇到的问题与解决方法 .245.3 测量结果对比分析 .24本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 II 页 共 页 6 制作的实物 .25结 论 .27致 谢 .28参 考 文 献 .29附录 A：程序 .30本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 32 页 1 引言随着科学技术广泛地使用及科技成果的迅速发展，给人民的日常生活增添许多方便。本着这个宗旨，超声波测距仪就是利用超声波功能为我们测距服务。只有在20Hz - 20kHz 频率范围的声音人耳才能听见，人类听不见的声音可分为高于频率20kHz 的超声波和低于频率 20Hz 的次声波。超声波频率在几千赫兹到几十兆赫兹不等。超声波这些性能特点往往用于距离测量。由于超声波具有波长短，方向性好以及能穿透物体等特点，所以在超声波检测和工业生产等领域得到广泛地运用。该设计利用提供了 LED 数码管显示电路的小型单片机开发板以及配合独立的 HC-SR04 超声波传感器模块实现测距功能。超声波传感器模块上面具有发送和接收端口，工作时发送端口发送超声波脉冲，脉冲在空气中传输直至遇到障碍物反射回接收端口。以超声波传播的速度和传播的时间间隔来计算出距离。考虑到该电路的硬件系统易于实现，成本低廉，能够稳定可靠的实现基本功能，在此基础上可以做出适当的拓展。数码管显示值能够根据超声波传感器的测得距离的变化作出相应的改变。利用超声波技术能够准确、方便、快捷地测得测距仪到被测物体间的距离。测距仪在日常的生活和生产中也有广泛的应用，本文是将超声波测距技术运用到倒车报警系统中，减小因人眼盲区给用户带来的不必要损失。1.1 选题背景及研究意义 由于超声波具有能耗慢，波长短，方向性好以及能穿透物体等特点，因此在测距仪和液位测量等中得到广泛地使用。在生活，军事以及其他领域超声波测距仪都具有广泛的实际应用，如日常交通中的超声波倒车报警系统。由于该设计是超声波倒车报警系统，因此这种测距必须是非接触式的。设计者需要拥有扎实的数、模电知识，单片机编程能力，超声波发射与接收知识，以及能将这几方面的知识进行有机结合的能力。通过单片机的计算和处理，最后将被测物体的距离结果能够清晰的，稳定的显示在 LED 数码管上。感应角度：不大于 15 度；测量范围：2cm450cm；精度 0.2cm。1.2 超声波的国内研究现状 近十年来，国内科研人员进行了大量理论分析与研究主要包括：超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发和超声波发射脉冲选取等方面，同时提出温度本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 32 页 补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施来减少实际的误差。超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣主要受到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度的影响，同时超声波探测定位系统的精度和反应速度也受此影响。消除由于回波信号强弱变化而造成的测量时间的误差主要是通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，从而能够使测量精度得到进一步提高，将超声波在空气中近距离测量达到厘米级的精度。 目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，超声波探测定位的关键技术仍将是作为一个重要的研究方向。 随着超声波发射和回波信号的处理方法不断完善，为了进一步拓宽超声波测距的应用空间，当前主要集中在如何研发新型、高性能超声波换能器两个问题上。 同时，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。 现金市场上所销售的超声波测距系统，大都采用发射单超声脉冲的方法，但是当它采用较高频率超声波时，有效测量距离会因空气吸收而较快衰减从而导致精度降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽 1。1.3 超声波的国外研究现状一般认为，人类首次有效产生的高频声波即超声波的研究最初起始于 1876 年F.Galton 的气哨实验。在之后的三十年中，超声波始终是一个鲜为人知的东西，对超声波的研究主要受到了当时电子技术发展缓慢一定程度的影响 2。1925 年，Pie