基于超声波测距的倒车雷达设计毕业论文.doc

Xxxxx大学 本科毕业设计（论文）基于超声波测距的倒车雷达设计学 部 机电与信息工程学部 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 摘 要：随着现代科技的发展，私家车慢慢地进入每家每户，同时催生了汽车电子行业的发展，为了更好解决驾驶员倒车时的视角问题，制作了倒后车雷达。汽车倒车装置上主要采用了超声波测距技术和微机控制技术，同时根据车辆所处位置到障碍物的距离进行测量和显示距离，并通过与预置的安全距离进行比较达到实时报警的目的，很好地解决了驾驶员倒后车时遇到视角问题。 本设计主要由测距，控制，提示等模块构成，而且多构思不同的倒车雷达系统的装置构架和设计方案，择优选用和分析，如何运用单片机技术实现的超声波测距在汽车上的应用原理，介绍了以STC12C5A60S单片机为主控子模块的系统硬件和软件设计。关键词：STC12C5A60S2；超声波测距；倒车；雷达 Ultrasonic ranging system designAbstract:With the development of modern technology, private car slowly into every household, and gave birth to the development of automotive electronics industry, in order to better solve the problem of the driver when reversing perspective, made after reversing radar. Car reversing system mainly uses ultrasonic ranging technology and computer control technology, and according to the location of the vehicle to measure the distance to the obstacle and display the distance, through the preset safety distance to compare the purpose of real-time alarm, well solution to the car after the driver fell perspective encountered problems. This design is mainly composed of distance, control, tips, modules, and device architecture and design ideas different reversing radar system, merit-based selection and analysis, briefly explain how to use micro-controller technology ultrasonic distance measurement in the car the application of the principle analyzed to STC12C5A60S -master sub-module system hardware and software design.Keywords: STC12C5A60S2,；Ultrasonic,；reversing,；radar目 录目 录1 绪论12 方案设计和选择221 系统方案选择22.1.1 测距系统方案22.1.2 超声波测距方案选择52.1.3 超声波中央控制方案选择72.1.4 系统探测范围的确定82.2 本章回顾93 系统硬件设计93.1系统硬件设计思想103.2 测距系统设计113.2.1 超声波发射电路113.2.2 超声波检测接收电路123.2.3 测距系统工作原理133.2.4 测渡越时间测量法143.2.5 超声波的衰减143.3 控制系统电路153.3.1 STC12C5A60S2单片机最小系统设计153.4 蜂鸣器电路163.5 测距误差分析163.6 本章小结174 系统软件设计174.1软件总体流程设计174.1.1 编程语言的选择174.1.2 程序需要完成的功能174.1.1系统软件实现原理184.1.2 系统程序构建184.2 软件程序模块化设计194.2.1初始化模块194.2.2延时处理模块204.2.3系统测距模块204.2.4 中断检测模块214.3 本章小结225 系统调试及成品225.1 硬件调试225.2 软件调试246 设计总结25致 谢25参考文献25附 录26附录A：电路图26附录B：程序清单28正 文基于超声波测距的倒车雷达设计 1 绪论（1）背景与目的 近年来，人们的生活质量不断提高，代步工具需求量急剧上涨，尤其是私家车，因此也为倒车带来严重的交通问题。同时由于城市道路的发展空间和有限，车辆在驾驶或倒车时引发的交通事故屡见不鲜，市场上急需一种方案解决现状，因此随着市场消费的需求，超声波倒车雷达系统应运而生。该系统主要为了解决倒车时，由于驾驶者所处的驾驶位置受到来自车箱中座位和车位的视线阻挡，而无法独自完成安全倒车所设计的。本系统的设计主要利用超声波测距技术，微机数字处理技术和液晶显示技术相结合，达到测量车后、尾与后方障碍物距离的目的，并及时告诉驾驶员距离的大小，从而完成安全倒车的操作。 自1978年改革开放以来，中国国民的经济得到了迅速的增长，人民群众的收入大幅地提高，生活质量不断地改善。众多的消费者从得到满足的传统消费领域上将目光转移到汽车奢侈品消费，因此我国的汽车市场呈现出一片欣欣向荣的景象。同时，在全国，与汽车息息相关的附加性产品行业也如雨后春笋般地蓬勃发展起来，如汽车电子行业。汽车的便捷性给人们带来舒适的感觉，亦同时加剧了车祸的严重性。日益增长的汽车数量需求与公路、街道、停车场和车库可转动空间的矛盾是一个原因，另一个原因，由于新手司机驾驶经验的缺乏，因倒后车引起的矛盾纠纷越来越多。因此，要么就提高驾驶员的驾驶技术，要么就寻求适合的装置进行对驾驶者的技术辅助，从实际方案上看利用装置进行辅助比较易于实现，毕竟驾驶员的技术非一朝一夕就能提高的，是长期驾驶总结的经验技术。而有效的装置能够辅助驾驶者，使他能够及时知道后方情况，便于有效安全地进行操作。（2）倒车雷达在国内外的发展状况 经过多年的技术革新改良，从初期的人工辅助式倒车发展到现在可以利用摄像头直接观察车后方状况的倒车装置。现在发展的倒车六代装置，不仅外观结构，还是性能都与以往的大大不相同，也是各有千秋的。一般流行的有毫米波级雷达，高清显示屏监控倒车雷达。 最早期人们一般是要两个人合作完成倒后车的操作，一个人负责控制汽车，另外的一个人负责发号指示，驾驶员只能通过指示人员的指令进行倒车，这虽然准确，但是耗费人力，一旦独自一人则无法安全完成倒后车的操作。经过一段时间的发展，人们制造出一种提醒装置，当车再后退的时候会发出“请注意”的提示语，但是这种只能对行人或者后方车辆进行提醒，无法实现驾驶员独自倒车。后来国外将红外线技术应用于测量距离的装置上，当由于红外线自身抗干扰能力差，不适合在天气较差的环境下，最终还是遭受到市场的淘汰。相继之后，欧美国家又研发了电磁感应倒车雷达，虽然价格中等，但是安装麻烦不易于普及，实用性受到限制。而现在，日，美，欧等国家的著名品牌汽车公司采用了先进的毫米波级雷达，CCD摄像仪，高级微机和卫星导航仪等一系列制作的安全提示装置，安装在其研发的高档轿车上，但其价格相对昂贵。在中国最近有东风汽车公司研发的新一代“蓝鸟至尊”，其产品的热卖点在于倒车影像显示和NAVI的导航仪，提升了汽车的档次。目前中国市场上倒车雷达在市场上的品牌繁多，例如：铁将军、豪迪俊邦等几十种品牌，售价各不相同，此外，还可以根据自身实际需求，设计专用的倒车雷达。2 方案设计和选择21 系统方案选择 超声波的发射、接收以及处理数据芯片选用的不同都会造成设计性能的差异，由于要考虑设计的制作成本，以及运行的稳定性，所以综合市场上常见的制作方案进行一一比较。2.1.1 测距系统方案 经过一番资料收集，查阅，大概总结出了5种不同的测量方案，因为不同的测量方式与它们的工作原理和过程有关，几乎都是殊途同归的，都是根据返回前方探测的信息做出对应的操作。一般常见的测量方式有激光，毫米波，摄像，红外线，超声波这5种方式。下面对5种不同的测距技术方案进行介绍和比较。方案一：激光测距 激光测距仪是一种光子雷达系统，它是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。 若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等，它是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备 。 但是由于受到天气条件制约的因素，抗震能力差，而且反射镜表面易磨损，易污染，因此难以在实际的城市交通道路上使用。方案二：毫米波测距 毫米波是指频率范围在26.5300GHZ，带宽高达273.5GHZ具有高精度分辨能力；与激光相比，它的传播受到天气影响较小，可以进行全天候工作，探测性能稳定；在超高速的短距离传播通信中，能够精确地测量目标物距离，因此在军事领域上得到广泛的应用。但是由于国内行业对毫米波测距认识不足，只能局限于军事应用领域上，市场缺乏可靠，成熟的民用解决方案，而且毫米波测距要求技术难度较大，与实际应用的整合复杂，所以目前国内难以得到有效的普及。其测量距离的原理与激光测量大致相同。方案三：CDD摄像机CDD摄像机也就电荷耦合器摄像机，它是一种半导体成像器件，具有精度高、抗强光、体积小、寿命长的特点。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与拍摄图像一样的视频图像汽车的后方安装摄像系统。由于它是根据人的双眼原理模拟测量的，所以测量精度高，但目前价格较高，而且技术和硬件设施发展尚未成熟，一般成像速度较慢。方案四：红外线测距 通常人们把波长为0.751000um的光波成为红外线，这是一种肉眼看不见的光，具有显著的热效应和穿透云雾的能力，而且任何物体都能够反射红外线，由于红外线有极强的隐蔽性，一般不能直接被人眼识别，所以红外线广泛应用在军事领域上，但在实际应用中红外线容易受到光源和热源的影响，所以发展空间有限。方案五：超声波测距 通常将频率大于40HZ的声波成为超声波，它具有指向性强，衰减小，反射能力强的特点。在介质能传输较远的距离，而且利用超声波进行测距、测量的仪器计算简单，操作方便，能做到实时的控制，因此在工业应用领域上得到广泛的使用。通过超声波的发生器沿介质中某一方向发射超声波，在发射机械波的同时，中央处理器记录这一个时刻，当超声波在介质中传播直到遇到障碍物，反射回波，当接收器检测到回波后，马上记录这一时刻，通过发射与接收前后的时间，得出两者的时间差t。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。超声波在传输的过程中会受到温度、湿度、压强等因素影响，所以不同天气环境下，其传播速度也不一样。但由于超声波测量装置制作简单，在短距离测量精准所以被广泛应用在实际生活中。各种方案的性能如下表2-1所示： 表 2-1 各种测距方式的比较表 因为本设计主要在南方地区使用，所以主要受到的影响的温度和湿度，加上综合价格和制作工艺的复杂程度的考虑，本次设计最后采用了超声波作为测量距离的主要手段。2.1.2 超声波测距方案选择超声波的换能器一般工作频率为40HZ，因此需要产生一个40HZ频率的方波驱动换能器工作。通常要产生超声波的方法主要有两种，一就是通过硬件电路产生，二就是通过程序设计产生。方案一：可以使用超声波专用的555定时器产生40Hz的方波，制作过程简单，将4脚设置为超声波发射输入端，用排针引出，用单片机进行控制，为了使555定时器有足够电压进行驱动，输入了12V的电源电压，当4脚为低电平时，555定时器输出震荡脉冲，当4脚为高电平时，定时器清零。【1】如下图所示：图 2-1 555定时器图方案二：编写单片机程序，通过超声波子程序产生40HZ的方波脉冲信号，通过单片机的P3口输出，编写程序简易，成本价格低，但输出信号不稳定。因此，最后选择555定时器的超声波产生方案，作为超声波脉冲方波的产生信号源。超声波接收方案选择： 超声波遇到障碍物反弹后，回波会经过超声波的换能接受探头将回波转换成正弦信号，但单片机不能识别正弦信号，所以需要一种电路将正弦信号转换为变化的电平信号。方案一：单稳式超声波接收电路电路将接收到的回波信号进行选频，将40kHz以外的干扰信号滤除，将吻合谐振的40kHz信号送到VT1VT3组成的高通放大器放大通过C5和VD1检出电流的直流分量，控制VT4,VT5电子开关驱动继电器K工作,电路工作电压为3V。【2】 图 2-2 单稳式超声波接收器方案二：CX20106A芯片是一款红外线载波专用接收芯片，其载波频率为38kHz与超声波的频率相接近，因此可以利用它作为超声波检测接受集成电路。而且该集成电路具有很强的抗干扰能力和和灵敏度，只要适当地对芯片上1脚的电容进行调节，就可以控制其灵敏度。图 2-3 CX20106A电路原理图因此，由于CX20106A集成电路电路简单，抗干扰能力强，价格实惠，所以在超声波的接收电路上选用方案二较为合理。2.1.3 超声波中央控制方案选择考虑到整个系统的设计要求对数据进行收集，处理，实行实时性的控制，因此在控制系统方面选用微控制器，因为微控制系统不仅能有效地使整个装置微型化，而且电路简单，成本低，功耗小。此外，装置需要进行一个时间的记录，所以控制器内部需要有计时器，而且控制器还要求对实时收集的数据进行处理，因此其运行的速度一定要快，且抗干扰能力要强。 方案一：的控制系统 在工业上通常用上、下位机控制。这是一种通过现场检测给类传感器，收集所需的数据参数，把数据参数输送到下位机系统的数据采集单元中，再经过主机对参数进行一系列的数字化处理，最后就是通过网络的总线将处理得到的数据输送到上位工业控制计算机，但是遗憾的是通过这种方式采集的数据，一般用于实际工业生产中，因为其装置体积大，安装复杂，花费的成本比较高。不符合本次课题成本的要求。 图 2-4 上位、下位机的控制系统方案二：DSP控制系统由图2-5所示，DSP控制器TMS320LF2407片内含有32字的FLASH程序存储器，和高达1SK字的数据程序RAM，还有544字双口DRAM和 2K字的单口SARAM；为了供电的电压降为3.3伏，降低了拉制器的功耗所以采用了静态CMOS技术；缩短执行指令周期，因而提升了控制器的实时控制能力，但由于外接硬件电路较多，体积将会增大，在系统安装上有些不方便，相比之下亦成本要有所增加，其成本价格是单片机的5倍。图 2-5 DSP控制器 方案三：STC12C5A60S芯片 STC12C5A60S具有1个时钟周期，处理速度快，高可靠，抗干扰能力强，8路10位高速A/D转换，加密性强，解密难度高。这是一个兼容STC89C52RC芯片、性能高的、微机控制器,加上其外围接口电路简易 。性能与价格的比值高，耗费小，其价钱只是DSP的1/5，所以是一种功能丰富的小型控制器，为许多嵌入式控制应用开辟了一条崭新的解决之路。 经过以上方案的一系列比较，基于本次系统体积，成本和其控制器的运行速度的考虑，选用方案三更加适合本课题的要求，因为不仅其设计简单，而且体积小，成本低，芯片运行速度快，更加符合数据的实时操作需求。2.1.4 系统探测范围的确定 驾驶员的安全是至关重要的，超声波传感器的最大探测范围为10米，因此将本次所制作的系统的测量范围精确到04cm，此外，超声波还会受到其他因素的干扰，例如仪器所处环境的情况，所以选择一个适当的位置安装传感器是必不可少的。灵敏度高、可靠性、抗高温、耐低温，抗振动，这些都组成了超声波传感器的特点，所以本课题选择超声波测距传感器，3m是最大能够探测的距离。2.2 本章回顾 本章主要讲述了超声波的产生电路，超声波回波检测电路和超声波中央控制模块的方案选择比较，介绍了超声波的探测范围。3 系统硬件设计 硬件电路和软件程序共同构成了系统设计的主要两个部分。由电源电路、显示电路、单片机电路、发射电路、接收电路组建了硬件电路的主要部分，此外还包含了复位电路等。经过一番的调查研究，STC12C5A60S2单片机以其价格成本低廉、高精度作为超声波倒车雷达系统的硬件电路的核心元件。采用优化式的模块设计，将整体硬件电路分为供电、显示，还有信号的接收和发射等模块。超声波信号会由发射探头内部产生，经过放大和检波等电路后发送出去，此时单片机内部的计时器自动开始计时，当发射出去的超声波遇到前方障碍物后，按照原来路径返回，再次经过另一个接收探头中的放大、带通、滤波、整形等工序后被单片机接收，同一时间计数器停止工作并马上读取时间参数。通过预先写入的程序对此时的测出的速度进行一系列的误差校正，结合两者之间的相互作用实现超声波测量距离功能。经过上述各个步骤的测量与计算校正，将得出的速度数据与程序中设定好的安全距离进行比较，若测得的数据参数小于程序预先设定的安全参数，则超声波倒车雷达系统会发出“哔哔哔”的响声，这时说明将遇到障碍物，使用者需要注意距离，反之，则没有该现象的出现。 软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除接收探头对发射和接收超声波的影响，具体放在论文第章中介绍。图 3-1 系统硬件原理框图3.1系统硬件设计思想 硬件的整体设计以单片机STC12C5A60S2为核心，由芯片产生的40HZ电频信号可能波形不稳，所以在发射和接收电路中加入对信号的整形和放大电路，使所得到的的结果更加趋向实际。将超声波的发射和接收传感器探头与0UT口相连接进行超声波的发射和接收。硬件的整体结构包括超声波的发射和接收电路啊，单片机电路，报警电路和显示电路等几个主要的模块组成3。如图3-1所示：整个系统由由单片机控制，根据“回波测距”的原理，首先单片机发出40kHZ的电平信号，经放大电路后通过超声波发射器发射到空气中；超声波在空气中传播直至遇到障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，输入到微处理器的外部中断口INT0处产生中断，计数器停止计数，测得时差为t，再将时刻差与声速相乘，得出距离数值并送LED显示。4如图3-2所示：图 3-2 超声波发射和接受框图3.2 测距系统设计 对于超声波测距技术前人已经有了几年的研究经验和发展，并且出台了许多比较完善的技术，本设计通过借鉴了前人的宝贵资料，加上自己的想法，对自己的电路设计有了很大的帮助。3.2.1 超声波发射电路为了使发射距离大于1.5m同时又要保证电路简单实用，所以超声波发射电路要求功率尽量大。下面是我参考的电路图，如图3-1,3-2,3-3。汲取它们优秀的方面，注意避开它们的不足之处，然后结合分析设计超声波的发射与接收电路。40kHZ超声波发射电路之一，这个电路主要由晶体管VT1、VT2核心元件，他们构成了电路的强反馈稳频振荡器，由这个振荡器产生的频率与超声波换能器相等。T40-16是耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。按一下电源开关S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。电路工作电压9V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。电路不需调试即可工作。这样电路很简单与实用。如图3-3所示：图 3-3 超声波发射电路原理图(一) 40kHZ超声波发射电路之二如图，该电路同样是以VT1、VT2为核心元件可以适合用于312V电压电路，且频率不变。加上5.1mh的电感元件和电容组成电路滤波部分。工作电流大概是25mA，发射超声波信号大于8m。如图3-4所示：图 3-4 超声波发射电路原理图（二）40kHZ超声波发射电路之三，该电路主要以74LS04反向器为主，可以将方波信号传送到超声波换能器两端，加强发射强度，通过上拉电阻的作用提高输出高电平的能力，增加换能器阻尼效果，缩短振荡时间。如图3-5所示：图 3-5 超声波发射电路原理图（三） 通过一轮的深思熟虑的分析，最后选择使用电路三作为40kHz频率信号的发射电路。 3.2.2 超声波检测接收电路 超声波检测接收电路由集成电路CX20106A专用芯片和换能器构成，如图所示。集成电路CX20106A是一种常用于电视遥控的红外线检波接收芯片，因为红外遥控的载波频率与超声波报警器所用超声波频率很接近，故可以用于超声波接收电路。用CX20106A接收超声波具有很高的灵敏度和很强的抗干扰能力，总放大增益为80dB，脉冲幅度在3.55.5V之间。电路中芯片2脚中GND与RC组成了负反馈电路，改变其数值会改变前置放大器的频率特性以及增益。电路中R3的取值影响带通的中心频率，用220K欧姆使中心频率接近40KHz,就符合设计的要求。电容C1的大小取值对检测接收电路的灵敏度和抗干扰能力影响很大，故数值一定要适合。由于设计的特殊，2脚连接的器件选择和R3的大小选取，如果不恰当，到最后实物应用过程中可能会出现报警器误报的情况。如图3-6所示：图 3-6 超声波检测电路图3.2.3 测距系统工作原理 当超声波发射器沿某一方向发射声波的同时，单片机内部的定时器开始计时，在空气中传播的声波遇到障碍物后马上折返，当接收器检测到回波后马上停止计时。已知声音在空气中的传播速度为340m/s，根据超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波速度-时间公式，可以计算出装置到障碍物的距离（s），即：s=340t/2。 只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图3-7所示： 图3-7 超声波的测距原理图 如图3-7所示，H为装置到障碍物的水平距离，S为超声波装置到障碍物的发射路径，为入射角，根据余弦定理可得： （3-1） （3-2）式中:L-两探头之间中心距离的1/2.又知道超声波传播的距离为: (3-3)式中:v超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间.将（32）、（33）代入（3-1）中得： ( 3-4) 其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(34)变为: ( 3-5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.3.2.4 测渡越时间测量法 在一定时间段内发射10个超声波脉冲，当发射第一个脉冲信号时开始计时，直到接收器接收到最后一个脉冲信号停止定时器。单片机定时器所计时间，即为传播渡越时间。超声波是一种声波，而且声音的传播受到温度的影响，根据：V=331.45+0.607t,t为摄氏温度，声速高低影响距离值。3.2.5 超声波的衰减超声波也有其自身的一些特质，在传输的过程中，它的传播速度不仅与自身的性质有关，而且还与超声波传输过程中所处的介质特性有关。根据相关资料研究发现，超声波在传输过程中会与大气，温度，湿度，压强的物理因素有关。在众多的因素当中温度对速度的影响几乎与其他影响的物理因素一样。据统计归纳得出：超声波在空气中传输的速度与空气中温度的关系可以用以下公式表示：c=331.45+0.61t（m/s）。在使用时，如果温度处于一个稳定值，则可认为声速是基本不变的。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫超声波的衰减。【5】3.3 控制系统电路3.3.1 STC12C5A60S2单片机最小系统设计STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的新一代8051单片机，在设计的整个系统中其的核心的作用。它的引脚功能以及芯片内部固有功能，在编译码下载就能实现设计所要求的功能。由于单片机要作为控制中心，其具有高速的特点能够尽可能快的处理分析数据，以及及时的做出判断，控制进行下一步的操作。STC12C5A60S2系列单片机的指令代码完全兼容传统的8051单片机【6】,但比51单片机功能更加强，运算能力更快，稳定性更好。其内部集成MAX810专用复位电路,片上集成1280字节RAM，工作频率范围为035MHz。通用I/O口数量一样，每个I/O口驱动能力比传统的强。这个单片机为了不被过大的电流必须总体控制在120mA以下。在系统和应用都可编程，无需专用编程器，不用专用的仿真器，通过串口就能直接下载用户程序。如图3-8所示，9脚RST为复位输入，复位时保持高电平。30脚ALE/PROG当访问外部存储时地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。图 3-8 STC12C5A60S2引脚图 3.4 蜂鸣器电路 蜂鸣器电路由电源、电阻等构成，如图3-9所示。 其中RBELL=10K；RB=0。超声波报警器根据对环境状况的分析，出现情况，利用单片机的处理，最终达到报警的目的，具体的是蜂鸣器发出刺耳的声音。7图 3-9 蜂鸣器电路图 3.5 测距误差分析 在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，对超声波传播速度加以修正，以减小误差。下面公式是超声波传播速度与空气温度的关系:V=331.4+0.607t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m/s。8如下表2-1所示：表 0-1 超声波波速与温度系数表温度（）-30 -20 -10 0 102030100声速（m/s）3133193253233383443493863.6 本章小结本章首先介绍了系统的硬件设计思想，然后分析了超声波传感器的结构、工作原理和工作方式，最后根据超声波测距的工作原理和理论分析，对超声波、发射模块、超声波接收模块的硬件电路设计进行了详细的阐述，并对本系统硬件设计过程中采取的硬件抗干扰措施进行了介绍。4 系统软件设计4.1软件总体流程设计 本设计硬件是作为基础部分，最主要的是软件编写，因为从超声波的产生到数据的处理，一直到最终的显示都是程序占主导的地位，因此这部分是至关重要的。4.1.1 编程语言的选择 C语言9是一种兼顾了多种高级语言的编译型的程序设计语言，并具有汇编语言的功能。C语言不仅拥有丰富的库函数，处理编译速效高和良好的可移植性，而且能够直接实现对系统硬件的操控。同时在开发编写程序的过程中可以借鉴到前人的经验，提高了程序的正确性。 因此，采用语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。4.1.2 程序需要完成的功能（1）控制超声波的发射与接收（2）消除余振（3）检测回波信号（4）数据的换算处理（5）距离的显示（6）对距离进行判断4.1.1系统软件实现原理 按照该系统的测距设计要求，主要是记录时间T，再与超声波在介质中的传输速度V进行运算的得到系统到障碍物的距离S。当单片机的振荡电路产生40khz的脉冲串后，由驱动超声波的换能器发射超声波，同时内部的定时器开始工作，一旦当超声波接收器接收到回波信号时，定时器停止工作，得到超声波的传输时间T。再根据测温模块所记录的温度数据，利用计算公式：V=331.4+0.607t计算得到超声波的传输速度。再根据2S=VT 可以求出系统到障碍物的距离S。 4.1.2 系统程序构建 由于超声波防盗报警器设计中部分滤波电路在硬件中不行完成，只能利用软件设计完成滤波，以便提高实物的性能，所以本设计方案中软件设计有一定难度。程序的设计要完成超声波发射与接收的控制，对回波信号进行检测，消除余震，测量距离的换算和距离的判断，液晶的驱动和显示等。软件分为主程序和中断服务程序两个部分。主程序总体框图如下图一所示：图 4-1 程序总框图 根据该软件系统结构框图，得到系统的主程序实现流程如图所示：图 4-2 程序运行框图4.2 软件程序模块化设计4.2.1初始化模块 系统主程序首先是对硬件系统初始化，将定时器设置为定时计数模式。然后通过超声波发生子程序送出超声波脉冲，为了避免超声波引起的直射波触发，需要延时约0.1ms，才打开外中断接收返回的超声波信号。由于本方案设计中采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1s。 产生超声波的子程序和中断程序的框图如图所示。其中超声波发生子程序的作用是使系统设计选择的端口发送2个频率约为40KHZ的超声波脉冲信号，其脉冲宽度为12s左右，此外计数器亦同时打开进行计时。虽然超声波发生子程序较简单，却能使增加测量精准性，因此要求程序运行必须准确，否则程序必须要重新更改。具体工作过程如图4-3所示： 图 4-3 初始化程序流程框图4.2.2延时处理模块 防止在单片机上电瞬问，发射的控制的电平输出为“1”可能会瞬间引发振荡电路工作，从而使得超声波开始发射的工作，当实际想让超声波发射的时候，可能接收器已经接收到刚才不小心引发而发射的声波信号，因此程序需要延长2秒的时间。 4.2.3系统测距模块 装置主要以定时器为核心，测距模块首先设置两个16位计数器初值，分别完成20ms和200us两种计数器溢出中断，20ms中断用来控制选择工作的通道，对P00，P01置位完成控制信号，然后由选中的通道发送出可以控制脉冲个数的40kHz的脉冲群，发送完成后对回波信号进行接收，开AD采样，在接收回波后，或等待一定的时间后（没有回波），记录下CPU计时器时问，然后选择下一个通道进行工作。如图4-4所示：图 4-4 回波判断框图 4.2.4 中断检测模块中断检测模块是在中断后根据需要，对特殊寄存器及数据进行的相关处理g：（1）T0中断T0初值是TH0 TL0分别是0，直到INT0中断，读取时间，直到中断INT0发生中断停止，时间表示如图4-5所示：图 4-5 延时波形图 （2）T1是用于波特率发生器，禁止中断。本系统是采用12M晶振，即机器周期是1us，波特率设定为2400bit/s INT0中断。 （3）在启动发射脉冲的同时，STC12C5A60S2的内部计数器T0开始计数。T0的作用就是测量从超声波发射至接收到叫波的时间。外部中断的中断源INT0接收超声波接收电路的输出比较器LM393的1端的下降沿中断，进入外部中断处理子程序。4.3 本章小结本章主要介绍了程序设计思路的操作，以及程序设计的总体框图和主要部分的流程图，另外，介绍了如何作出干扰措施的处理。最后对设计的多个模块分别进行了详尽的阐述。5 系统调试及成品5.1 硬件调试 这次超声波防盗报警器设计制作中硬件的问题只要小心谨慎，很多问题就会避免发生。实际调试中遇到的问题如下： 装置中换能器的发射源用T表示，R代表接收，安装时这两个换能器中心轴线距离的变化以及位置平行的选择对12864液晶显示的数据差别有点大，故焊接时这两个换能器的位置一定要选择好，并且必须足够固定，不然数据变化明显，影响报警器的精确度。 最后进过仔细矫正校对，最后将发射探头和接收探头的中心距离设置为2.5cm较为合理，如下图5-1所示： 图 5-1 探头间距离建立简单的模型对设计进行调试，将设计的报警距离设置未15cm（在实际应用中应设置为1m），首先将设计平放在桌面上，再将直尺水平放置在桌面上，直尺的顶端与设计的边沿相接，用小纸盒模拟成小车后方的障碍物并放在离设计的25cm处，再将电源接上。当一起准备工作完成后，开启设计的电源开关，观察液晶显示屏，此时所测得数据是25cm，测量结果如图5-2所示。关闭电源开关，将障碍物放置在离设计17cm处，再开启开关，观察此时的数据，得到距离值为17cm，如图5-3所示，重复多次这样的试验，发现由于直尺最前端处和最后端处没有刻度，所以设计存在误差约为4cm。如表5-1所示：表5-1 调试数据表实际值（cm）5045403530252015测量值（cm）5349443934292418 图 5-2 调试图（一 ） 图 5-3 调试图（二 ） 其中当障碍物停放在离设计15cm处时，蜂鸣器会发出报警的声音，提醒使用者，障碍物已经进入安全距离范围内，应该马上停止向后移动，调试过程如图5-4所示。图 5-4 调试图（三）5.2 软件调试将编译好的程序下载到已经调节好的硬件中，由于软件设计编译需要很多的字符之类的，大量这种东西，很容易出现错误。所以编写是必须要求细心、耐心。由于具体的场景不同，可以改变超声波子程序发送脉冲的宽度和时间间隔。同时，根据判断报警距离修改，也可以改变报警器的报警条件。其中在编写过程过中，遇到比较麻烦是延时模块的程序，因为当延时时间短，设计会因为反应过快而无法显示清楚的距离值，距离数值会不停地跳动，难以读出数据，观察现象如图5-5所示。图 5-5 调试图（四）6 设计总结 通过这次比较完整地给超声波倒车雷达设计，从枯燥的理论知识，和亲身动手实践的结合，综合运用所学专业的基础知识，切实解决设计过程中遇到的实际问题，同时通过查阅文献资料、设计规划，大大提升电脑制图等专业能力水平，而且通过对整个设计的规划，和对细节的处理，使我得到丰富的实践经验，意志力以及耐心也得到了不同程度的提升。虽然毕业设计内容简单，但实际操作起来还是要注意不少的细节，通过这次毕业设计让我学习到不少新的知识，这是很珍贵的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力和理解力。致 谢 通过这次毕业的课程设计，使我从中学到了不少书本上没有的东西，在实际的操作过程中有时也会遇到难以用个人力量解决的问题，但这些问题幸好有杨建华老师、陈景华老师和小组同学的帮助，因此能够顺利解决。在大学的四年里，我始终怀着对老师们敬爱之心，同时也能时刻感受到老师课堂上的谆谆教导和无微不至的关心，从每个老师身上都能学习到不同知识，使我受益匪浅，也给我日后的人生路起到一些指引性的建议，在这里我要衷心地向老师们致以深深的感谢和崇高的敬意，也非常感谢陈景华老师对我毕业论文的悉心指导。 参考文献1 阎石,数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2004.6.157-174页.2 康华光,模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2004.1.237-244页.3 瞿金辉,周蓉生,超声波测距系统的设计J. 中国仪器仪表, 2007 .8.254-256页.4 牛余朋,成曙,基于单片机的超声波测距系统M.北京：兵工自动化,2005.2.78-88页.5 苏伟,巩壁建,超声波检测距误差分析M.传感器技术，2004.57-74页.6 姜道连,宁延一,袁世良,用AT89C2051设计超声波测距仪N.TI:国外电子元器件,2000,第12月.312-314页. 7 袁佑新, 吴妍, 刘苏敏, 等,可视汽车倒车雷达预警系统设计J. 微计算机信息，2006.10.78-88页.8 胜全,D18B20数字温度计在微机温度采集系统中的序编制C.南京：南京大学出版社1998.3.13-27页.9 张培仁.基于C语言编程的MCS-52单片机原理与应用M. 北京：清华大学出版社,2003.4.67-70页.10 Luke Welling, (2002) Delphi and MySQL Web Development, Third Edition 11Roberto Cristi,(2003) Modern Digital Signal Processing12AhoAV,HopcroftJE,UllmanJD.DataStructuresandAlgorithms.Addison-WeslePublishing Company,inc.,1986附 录附录A：电路图图 A-1 MUC上层原理图图 A-2 MUC上层PCB图图 A-3 MUC下层原理图图 A-4 MUC下层PCB图图 A-5 超声波模块原理图图 A-6 超声波模块PCB图附录B：程序清单/超声波测距系统 12M晶振/ #include #include #include12864.h #includedelay_1.h #includeds18b20.h #define uchar unsigned char #define uint unsigned int extern void cs_t(void); /超声发生子程序（12M晶振38.5Hz） extern void delay(uint);/延时100机器周期*参数（165535） data uchar succeed_flag; data ulong time,speed=340; /定义测距时间 float cm; uchar send=0; uchar TL,TH,TN; uchar