毕业论文-超声波倒车报警系统设计.doc

南京理工大学紫金学院 毕业设计说明书(论文) 作作 者者: 学学 号：号： 系系：电子工程与光电技术系 专专 业业: 电子信息工程 题题 目目:超声波倒车报警系统设计 指导者：指导者： 高级硬件研发工程师 (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：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 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 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 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 Title The design of a Silent Wave Measure Distance Abstract Ultrasonic 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 I 页 共 页 目目 录录 1 引言 .1 1.1 选题背景及研究意义 1 1.2 超声波的国内研究现状 1 1.3 超声波的国外研究现状 2 1.4 超声波测距的实现主要技术 3 1.5 研究步骤与方法 5 2 超声波测距原理 .6 2.1 超声波测距系统分析 6 2.2 压电式超声波发生器的基本原理 6 2.3 超声波测距误差分析 7 2.4 系统整体方案的论证 8 2.5 系统整体方案设计 8 3 系统硬件电路设计 .8 3.1 系统工作原理分析 8 3.2 单片机简介 .10 3.3 时钟电路 .12 3.4 复位电路 .13 3.5 电源电路 .13 3.6 单片机程序 ISP 下载接口 .14 3.7 超声波发射电路 .14 3.8 超声波接收电路 .15 3.9 HC-SR04 超声波传感器16 3.10 显示电路 17 4 系统的软件设计 18 4.1 软件设计的整体方案分析 .18 4.2 主程序 .19 4.3 中断服务程序 .20 4.4 距离计算子程序 .21 4.5 显示子程序 .22 5 调试与结果分析 24 5.1 软件调试 .24 5.2 遇到的问题与解决方法 .24 5.3 测量结果对比分析 .24 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 32 页 1 1 引言引言 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。 1.11.1 选题背景及研究意义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：2cm 450cm；精度 0.2cm。 1.21.2 超声波的国内研究现状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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 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。 1.31.3 超声波的国外研究现状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，Pierce 使用石英传感器和镍传感器来产生和探测超声波，而且频率扩 展到兆赫级；至此，Debye,Sears,Lcas 分别发现了超声波的衍射光栅，用超声波来 研究液体和气体的声学特性方法得到稳定发展。 1927 年 Hantalnnn 和 Tro11e 解决了超声汽笛的许多细节问题，这些汽笛被证明 在流体中最高功率可达 50W。 1929 年，用超声波探查金属物内部缺陷的建议由 Sokolov 首先提出。 1931 年，Mulhauser 获得关于检测超声方法的一项专利。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 32 页 Sokolov 在 1934 年，首次发表关于在液体槽子里利用穿透法作实物试验的参数 结果，他尝试各种方法做了这方面的相关实验，检测穿过试验物体的超声波能量， 其中就有利用光学法观察由超声波在液体表面形成波纹的实验。德国 Bergrnann 在 著作ULTRASONIC中，阐述了大量早期关于超声波的详尽的资料，该论著一直被 认为是该领域的经典之作3。 继 1950 年后，雷达技术的发展大大促进了超声波探伤技术发展，由于电子计算 机、激光技术等新技术的快速发展，不仅加速了雷达技术的发展，同时也加速了超 声波技术的发展。超声波的脉冲调制技术在无损探测、医疗诊断及各种工业控制也 得到了广泛地应用。 1965 年，在深入研究了新材料、新技术以及微波传播的相关理论之后，可以产 生频率超过 100GHz 的超声波。继此之后，超高频的超声波开始应用于物理学基础研 究、通信和计算机技术等领域中。 1980 年，美国国家仪器有限公司(NationalInstruments)研发出丰富的软件技术 来进行超声波相关参数方面的测试及测量。 1992 年由 FigneroaJ.F 提出一种新型超声波回波计时法，该方法得到的回波时 延是利用峰值和相位相加；这种方法能达到的精度指标为：18 一 34 米，误差精度 2%。 Kimiyuki 等人于 1997 年提出一种新的超声波传感器，并证明出它的可行性，该 传感器是基于像散焦点差的探测理论。 HanneSElmer 于 2007 年提出实现超声波测距的高分辨率的方法,并且利用编码信 号对高精度的超声波测距系统进行了研究和探索。 2008 年，美国普力塞思测距仪公司在基于超声波测距原理的前提下推出了一系 列的，体积相对较小、更加易于携带，可以用于不同程度的测高检测3。 近些年，伴随着压电陶瓷材料的迅速发展以及电子技术的进一步普及，超声波 相关方面的检测技术也得到进一步的发展。美国 APRESYS 测距仪公司已经研制出一 系列的能够满足各种不同要求的超声波测距仪，实现了更加高速和精确的长宽高等 单一元素的测量及面积等符合元素的测量。新型超声检测仪接连不断的出现，使该 技术在无损探伤、测温、测距、流量测量、液体成分测量等方面的应用领域得到不 断的扩大。 1.41.4 超声波测距的实现主要技术超声波测距的实现主要技术 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 32 页 超声波测距实现技术的关键技术包括数字信号处理 DSP（Digital Signal Processing ）技术、现场可编程门阵列 FPGA（FieldProgrammable Gate Array ）技术、单片机技术等。 数字信号处理（DSP）是将电子信号通过处理转换成数字方式表示并处理的理论 和技术。其中主要包括数字信号处理与模拟信号处理是信号处理。 数字信号处理主要是对连续的模拟信号进行滤波处理或者精确测量。所以需要 将所要处理的信号在模拟域和数字域之间进行转换才能对其进行数字信号处理，这 通常是需要通过 A/D 转换器来实现的。但是最终还是将经过数字信号处理过的输出 结果变换到模拟域，这就需要通过 D/A 转换器来实现。 数字信号处理的算法往往需要利用计算机方面的设备或者专门用于处理 DPS 的 设备，如数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）等。数字信号处理技术及 设备具有灵活性强、精确度高、抗干扰能力强、设备尺寸小、造价低、速度快等突 出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。 现场可编程门阵列（FPGA）是将可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的 I/O 单元阵列集成化的技术，一片 FPGA 包含丰富的逻辑门功能、寄存器和 I/O 资源。单 片 FPGA 芯片就足以实现数百片甚至成千上万个标准数字集成电路能实现的系统。 FPGA 内部结构由于具有相当高的灵活性，因此用户可以根据自己的需要对逻辑 单元、可编程内部连线和 I/O 单元进行编辑，而且可以实现的逻辑功能更加广泛， 基本上可以满足用户的各种设计需求。其速度快，功耗低，通用性强，在复杂的系 统设计中得到广泛地使用。FPGA 还可以实现在线系统、重构动态的配置及硬件通过 程序软化、软件通过硬件进行硬件化等功能。 我们在基于传统试验及控制器的研制过程中，把微机技术和 FPGA 技术两者做了 有机的集合，全方位的提升控制器系统的性能，使整体的工作的效率、电气系统的 可靠性以及控制精度参数方面都得到了很大的提高，并且达到了操作简便而又不缺 乏先进的技术性，从而避免了由于高频疲劳试验机控制器控制规模上的庞大，功能 复杂等缺点4。 单片微型计算机简称单片机 ，单片机的电路芯片大部分采用超大规模集成技术， 它把中央处理器 CPU、只读存储器 ROM、随机存储器 RAM、定时器/计时器等功能 （可能还包括显示驱动电路、多路模拟转换器、脉宽调制电路、A/D 转换器等电路 ） 、 多种 I/O 口和中断系统集成到一块小硅片上而构成的一个小而完善的微型计算机系 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 32 页 统 ，尤其是在工业控制领域的得到了相当广泛地应用。在软件的控制下，这些电路 能够准确地、快速地、高效地完成程序设计者预先规定好的任务6。 因此，单片机的最大的特征就是它可以单独地现代化工业生产控制中所要求的 智能化的控制功能，而这些能力恰恰是普通的微处理器所不能及的。 由于单片机的结构形式及其所采取的半导体工艺，使之具有很多显著的特点， 因而在各个领域都得到了迅猛的发展。其主要特点可归纳如下：高性价格比。高集 成度、所占空间小、高可靠性，由于单片机把各个功能模块集成在单片芯片上，且 其内部采用总线结构，大大的减少了各芯片之间的连线，极大的提高了单片机工作 的的可靠性与抗干扰能力；另外，由于单片机体积小的优点，在强磁场环境下容易 于采取屏蔽干扰措施，在环境恶劣的情况下也能较好的工作。控制能力强，单片机 上的指令系统均含有丰富的转移操作指令、I/O 口的逻辑操作指令以及位处理功能的 能力；为了能满足更高要求的逻辑控制功能以及运行速度，单片机对二者的要求是 均高于同档次的微机。能耗低、工作电压低，便于公司大规模的生产便携式的产品。 外部总线增设 SPI 及 I2C 等串行总线的工作方式，从而缩小单片机的体积及结构的 简化。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系统。 综上所述，局限于开发环境并且切合于毕业设计的实际条件情况的多方面考虑 因素，本设计采用单片机开发技术来实现。 1.51.5 研究步骤与方法研究步骤与方法 1.5.1 硬件电路的设计 超声波测距的硬件系统主要由单片机硬件系统、超声波发射模块、超声波接收 模块及数码管显示电路组成。超声波传感器分为集成与独立的发送和接收到两种。 本设计采用超声波传感器发射接受分离式。单片机的应用及语言：比较常用的单片 机有 INTEL 公司的 MCS-51 系列单片机，有两大系列 MCS-51 子系列和 MCS-52 子 系列及 ATMEL 公司 AT89C 系列单片机。软件的实现何以用 C 语言或汇编语言来实 现。本设计考虑到功能和成本选取了 STC89C52RC 单片机做控制器。显示器：液晶显 示我们可以使用北京精电蓬远显示技术有限公司的 MDLS16265B 液晶 LCD 显示器或 者八段数码管 LED。本设计选用八段数码管 LED 做显示器件。超声波测距的范围和 精度：由于实际需要和传感器的性能限制，测距都要有一定的范围和精度，所以在 设计测距仪时应该考虑这两方面的技术要求。本设计选取的传感器要能达到要求的 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 32 页 测量范围和精度。 1.5.2 软件的设计 由主程序，超声波发射子程序，接收中断子程序以及显示子程序四个主要部分 组成超声波测距仪的软件系统。我们知道，C 语言程序有利于更复杂的算法，汇编 语言编程效率高，精确计算运行时间，汇编语言程序设计简单。 2 2 超声波测距原理超声波测距原理 2.12.1 超声波测距系统分析超声波测距系统分析 在超声波探测电路中，由于输出脉冲的个数与被测的距离成正比，即被测量的 距离越大，那么它的脉冲宽度就越宽，这个脉冲宽度就是发射超声波的时间间隔。 超声波测距主要有以下两种方法：一种是根据输出脉冲的宽度，就是发射超声波与 接收超声波的时间间隔 t；另一种就是根据输出脉冲的平均值电压与测量的距离成正 比的关系得到测量结果。 本系统的测量采用第一种方案。由于超声波的传播速度与传播媒介的温度有关， 当然如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通 过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声 波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0MHz 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级5。 假定 S 为超声波测距模块到被测物体之间的距离，被测时间为 t（s） ，超声波的 传播速度为 v（m/s）表示，则有关系式(2.1) S=vt2 (2.1) 在考虑到温度在精度要求较高的情况下的影响，按式(2.2)为了减小误差，在此 对超声波在空气中的传播速度加以修正。温度与声速的关系参照表 2.1。 v=3314+0607T (2.2) 式中：T 为实际温度，单位为； v 为超声波在介质中的传播速度单位为 ms。 考虑到实际环境的温度变化不是很大，以及技术有限，所以本设计使用关系式 （2.1）作为参考公式。 表 2.1 一些温度下的声速 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 32 页 温度与声速参照表 温度 T （） -30-20-100102030 声速 v （m/s) 313319322332337344350 2.22.2 压电式超声波发生器的基本原理压电式超声波发生器的基本原理 压电式超声波发生器由两个压电晶片以及一个共振板组成，并且它是利用压电 晶体的谐振方式来进行工作的。其内部结构如图 2.1 所示。 图 2.1 超声波发生器的内部结构 施加在压电晶体两端的电压为交流电时，当交流电的频率与谐振频率相等的情况 下，压电晶体就会产生共振效应，继而产生超声波。若没有电压施加在压电晶体的 两极，且压电晶体能感受到空气中有声压，就会产生一个电压输出，这个就是压电 效应。所以此时只能做超声波接收器了。 2.32.3 超声波测距误差分析超声波测距误差分析 根据超声波测距公式 S=VT (2.3) 可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 2.3.1 时间误差 当要求测量误差小于 1mm 时，现在假设超声波的传播速度为 C=344m/s (20室 温)，忽略声速的在空气中的传播误差。在测距上的误差为：St /器件配置文件 #include /定义字符数组 sbit RX=P11; /P1.1 为超声波接收端 sbit TX =P12; /P1.2 为超声波发送端 unsigned int time=0; unsigned int timer=0; unsigned char posit=0; unsigned long S=0; /定义距离 S 为 32 位长整型变量 bit flag =0; /中断溢出标志位 unsigned char const discode = 0x03,0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,0x41,0x1F,0 x01,0x09,0xfd;/STC89C52RC 开发板断选码 unsigned char const positon4= 0xe1,0xd1,0xb1,0x71; /位选码 unsigned char disbuff5= 0,0,0,0,0; void Display(void) /扫描数码管 if(posit=0) P0=(discodedisbuffposit) /上电复位初始化，显示“0000” else P0=discodedisbuffposit