【毕业学位论文】（Word原稿）基于52单片机的车用超声波测距系统设计与实现-电气工程及其自动化

本科生 毕业 设计 基于 52 单片机的车用超声波测距系统设计与实现 2 ar 生 姓名 所在专业 电气工程及其自动化 所在班级 申请学位 工学学士 指导教师 职称 副教授 副指导教师 职称 答辩时间 2012 年 6 月 2 日 目 录 目 录 设计总说明 . I . 设计的研究背景及意义 . 1 内应用于汽车测距地方法对比 . 1 2 整体方案设计及器件的选择 . 1 声波测距的原理 . 1 . 2 据处理的核心： . 3 . 5 音报警模块 板载 . 6 3 超声波电路测距系统的硬件设计 . 7 体电路设计 . 7 声波模块电路 . 7 声波显示电路设计 . 9 声波温度补偿的电路设计 . 10 警电路设计 语音报警模块 板载 . 10 4 超声波测距的软件系统设计 . 11 件设计分析 . 11 件设计思路 . 11 程序 . 11 度补偿流程图 . 13 5 调试及误差分析 . 13 件调试 . 13 声波发射启动： . 14 声波模块工作 . 14 距计算 . 15 离溢出处理及报警 . 15 试分析 . 16 差分析 . 17 鸣 谢 . 18 参考文献 . 19 设计总说明 I 设计总说明 随着汽车产业的快速发展和人们生活水平的不断提高， 我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也 逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生事故。据相关调查统计， 15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此 ,增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车 报警装置 便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。国内外的学者开始逐步重视倒车报警器在实际方面的应用，在低成本的基础上力求高精度，这对于降低生产成本、促进技术发展和普及倒车雷达具有很重要的意 义 1。 本设计采用 片为核心 ，三个 声波测距模块为采样对象，显示模块。三个超声波模块分别位于汽车的后方的左中右，实时把汽车后部距离障碍物的距离显示给驾驶员，当某个距离少于 10音报警模块播报录音对驾驶员提出预警。 经试验证明，这套系统软硬件设计合理，抗干扰能力强，实时性能好，可以有效地解决汽车倒车碰撞，能让汽车停靠的更加整齐，驾驶员更加轻松、安全地倒车。 关键词： （ 52单片机 ； 汽车倒车 ；超声波模块 ） I of in s in of by in it is to 5% to is So is If ar to in My is at as a as in of to to at of is 0on s is it it is a to be 52 东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 1 基于 52单片机的车用超声波测距系统设计与实现 电气工程及其自动化， 指导教师： 毕业设计说明书 1 设计的 研究背景及意义 超声波是指频率高于 20于机械波的范畴，遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质中的 分界面处发生的反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生的衰减等，正是因为有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量，随着经济的发展 ，科技水平的不断提高，电子测量技术应用越来越广泛，超声波测量精度高，成本低，性能稳定则备受青睐，所以超声波测距技术被广泛应用于人们的生活和工作中1。 超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、 被测对象颜色的影响，比其他仪器更加卫生，具有不污染、高可靠、寿命长等特点，被广泛应用于纸业、矿业等行业中，可在不同环境中进行距离测量的准确度的在线标定，可直接用于水、酒精、等液位控制，能达到工业实用的指标要求。因为超声波测距具有以上的这些特点，使得其在汽车防碰撞方面有广泛的应用 1。 内应用于汽车测距地方法对比 目前，运用于汽车的测距的主要有以下四种方式：超声波测距、 毫米波雷达测距、摄像系统测距、激光测距。雷达测距能够探测多目标，精度高，受天气影响较少，已达到实用水平。作为车载雷达，却存在着电磁波的干扰问题，必须防止因雷达间以及其他通讯设施的电磁波干扰而发生的误动作。目前，车载雷达测距主要作为防撞雷达，防止在高速公路上发生的追尾碰撞。 摄像系统测距模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前 价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。 激光测距仪虽然具有测量时间短，量程大、精度高等优点，但同样被高昂的价格制约着他的发展。 超声波测距原理简单，制作方便，成本较低， 虽然受环境因素不能用于远距离和高精度测量，但由于其理想的测量距离为 4于汽车的倒车防碰撞刚好合适 1。 2 整体方案设计及器件的选择 声波测距的原理 谐振频率高于 20声波称为超声波。超声波 为直线传播方式，频率越高，反射广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 2 能力越强，而绕射能力越弱。利用超声波这种特性，常常利用检测其发射时间进行测量。其工作原 理是：超声波模块向介质发射超声波，声波遇到目标后必然有反射回波 作用在模块上。若已知介质中胜诉为 c，回波到达时刻与发射波的时间差为 t，就可以算出发射点与反射点的距离为 s： s=c*t/2. 2 式中的 C 为超声波在空气中的传播速度 340m/s，其与温度有关。如果环境温度变化显著，必须考虑进行温度补偿。空气中声速与温度的关系可以表示为： c=2 原理及参数 图 2声波集成模块正面外观图 图 2声波集成模块背面外观图 声波测距模块 可提供 2非接触式距离感应测距功能，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 基本工作原理： （ 1）、采用 发测距，至少给出 10高电平信号； （ 2）、模块自动发送 8 个 40波，自动检测是都有信号返回； （ 3）、有信号返回，通过 出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离 =（高电平时间 *声速（ 340m/s） /2； 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 3 据处理的核心： 片 图 2片机引脚图及实物图 性能 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 储器。使用 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。片上 许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 3。 ： 是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8个 辑电平。对 口写 “1” 时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， 也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下， 具有内部上拉电阻。 在 程时， 也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 4 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写 “1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 装 4 个 辑电平。对 口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电 流（ 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 时， 送出高八位地址。在这种应用中， 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 问外部数据存储器时， 输出 存器的内容。 在 程和校验时， 也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写 “1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为 输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 二功能）使用，如下表所示。 在 4。 第二功能： 行输入口） 行输出口） 中断 0） 中断 1） 时 /计数器 0） 时计数器 1） 部数据存储器写选 通） 部数据存储器读选通） 当访问外部程序存储器或数据存储器时， 址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下， 以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 冲。对 储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ 中的 8元的 置位，可禁止 作。该位置位后，只有一条 能将 活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 止位无效 5。 程序储存允许（ 出是外部程序存储器的读选通信号，当 数据）时，每个机器周期两次 效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 号。 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 5 外部访问允许，欲使 访问外部程序存储器（地址为0000 必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 编程，复位时内部会锁存 状态。如 为高电平（接 ）， 执行内部程序存储器的指令。 储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 振荡器反相放大器的输出端 6。 由于考虑到汽车倒车环境的复杂性，对声速进行温度补偿将大大提高数据的准确性。 字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型 号多种多样，有 等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的 用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域 11。 图 2引脚图及实物图 特点 :独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为 至 无需 备用电源 测量温度范围为 C 至 +125 。华氏相当于是 F 到 257 华氏度 C 至 +85 C 范围内精度为 C 温度传感器可编程的分辨率为 912 位 温度转换为 12 位数字格式最大值为750 毫秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工业系统， 消费电子产品 温度计，或任何热敏感系统 描述该 数字温度计提供 9 至 12 位（可编程设备温度读数。信息被发送到 /从 过 1 线接口，所以 中央微处理器 与 有一个一条广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 6 口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。 因为每一个 包含一个独特的序号，多个 以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物 内温设备或机器，并进行过程监测和控制 18。 音报警 模块 板载 片 板载 音模块具有接线简单，容易控制等特点，只需在 脚上连上单片机的某个 ，当给出一个有效电平时，语音模块即可播放预先录制的声音。 1、板载咪头，可以直接录音 2、可以进行 10秒左右的语音录放 3、高质量自然的语音还原，可用作喊话器模块 4、带循环播放，点动播放，单遍播放功能 5、芯片主要的引脚已经引出，可以通过单片机控制操作 6、工作电压： 3 5V 图 2板载 片 模块的正面实物图 整体电路的控制核心为单片机 个超声波发射和接收模块 汽车的左、中、右数据进行采集并发送到芯片处理。 对实时温度采集保证声速误差尽量减少。所测得的数据全部显示在 面，当某个数据显示的距离少于10 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 7 3 超声波电路测距系统的硬件设计 体电路设计 图 3 整体电路设计系统框图 三个 声波模块发出 40信号，遇到障碍物后返回并发给单片机一个有效电平，单片机内部定时器记录期间的时间 T，结合被 正了的 声速计算出距离并显示在 同显示的还有实时的温度。当某个测量距离少于 10， 声波模块电路 示 音报警 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 8 图 3超声波模块发射电路 图 3 超声波 模块接收电路 图 3超声波时序图 以上时序图表明只要提供一个 10上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个 40旦检测到有回波信号则输出 回响 信号。 回响信号的脉冲宽度与所测距离成正比。由此通过发射信号到回收的回响信号时间间隔可以计算得到距离。 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 9 声波显示电路设计 图 3 块正面图 图 3块的电路引脚接线 由于本设计连接三个超声波模块，一个温度检测芯片，要显示的内容较多，综合考虑采用 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等 的 点阵 型 液晶模块它有若干个 5者 5点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用 。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ 经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等 。 1602采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚： 电源地 第 2 脚： 5V 电源正极 第 3 脚： 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 10 调整对比度）。 第 4 脚： 寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5 脚： 读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6 脚： E(或 为使能 (。 第 7 14 脚： 8 位双向数据端。 第 15 16 脚：空脚或背灯电源。 15 脚背光正极， 16 脚背光负极。 声波温度补偿的电路设计 出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可以根据实际要求通过简单的编程实现 9以在 750完成 9 位和 12 位 的数字量，并且从出的信息或写入 信息仅需要一根接线的读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本线也可以向所挂接的 电，无需额外电源。因而使用以使系统结构更加简单，可靠性更高。由于声速受气温的影响比较大，所以通过 量减少 测距中的误差。 图 3引脚接线 警电路设计 语音报警 模块 板载 片 图 3音报警模块的引脚接线 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 11 当测量的距离少于系统设定的值（本系统预设值为 10给 脚一个高低电平（专门用于出发 语音芯片收到信号，开始播报 预先录制的音乐。 语音报警模块 板载 部电路 图 3音报警模块的内部结构 4 超声波测距的软件系统设计 件设计分析 完成了系统的硬件设计之后，接下来就是系统的软件设计，此设计所需要完成的主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。由以上所述系 统硬件设计和各个电路功能，系统软件需要实现以下功能： 1. 信号控制。在系统硬件中，已经完成了 单片机的连接。在系统 软件 设计中只需要 完成循环控制触发或接收各个超声波模块的信号。 2. 数据的存储。测量系统中需要得到发射信号和接收回波的时间差，需要读出计数器的值，然后存储在 ，在发射下一个信号前，需要对定时器以及存储参数清零。 3. 数据处理以及显示。 的计数值通过程序得到真实值 *通过 示出来，必要时启动语音芯片。 软件设计思路 程序 主程序的流程图如下图所示。主程序 首先对系统各个连接的硬件进行初始化，包括设置 工作方式，开中断， 1602 的初始化等。然后控制给超声波模块触发管脚一个个持续 10有效信号， 超声波模块开始发射 8 个 40周期电平信号， 一旦检测到有回波信号则输出 回响 信号。 回响信号的脉冲宽度与所测距离成正比。回响信号刚变高电平时，开启定时器，等到电平拉低，关闭定时器并 记录时间 T。程序进入计算子程序，中间首先执行记速程序，利用 正当时速度。通过一系列判断（超过 4m 发生溢出 ,低于设定的 10动语音报警）显示在 面。 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 12 图 4 系统程序流程图 开始 系统初始化 1602 初始显示 超声波发射子程序 启动温度修正程序 判断距离 循环计算三个模块的距离 显示 示距离 显示距离 启动语音报警 结束 超出 4m 少于 10东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 13 度补偿流程图 图 4温度补偿流程图 考虑到温度对声速的影响，程序在一开始就进行温度采集，在关闭定时器后，修正声速后再进行数据处理。 5 调试及误差分析 件调试 由于本设计采用的是模块连接，连接前首先保证 已连接，有万用表可以测试一下它们是否已经有效连接。连接前，可以先测试各 个模块是否能够工作，其功能能否达到要求。 硬件测试好后，便可以将程序便已下载到单片机中试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的时间间隔，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测量的范围为 距仪最大的误差不应超过 1统调试完后 应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用效果要求。本设计使用 广东海洋大学 2012 届 本科生毕业 设计 14 图 5 程序编译界面 设计采用调用多个头文件的方法，这样层次和思路比较清晰，其中的包括 让调用起来比较节省时间，修改也很方便。 声波发射 启动 ： /启动模块 1 ; ; /启动一次模块 ;00)|1) /超出测量范围显示“ -” ; , 1, 1); , 1, 0); /显示 点 , 1, 1); , 1, 1); , 1, 2); /显示 M =S%1000/100; /定义距离数组 =S%1000%100/10; =S%1000%10 %10; , 1, ); , 1, 0); /显示点 , 1, ); , 1, ); , 1, 2); /显示 M S1=*10+; 1 /主体程序 #, , , , /*/ /断用来计数器溢出 ,超过测距范围 ; /中断溢出标志 /*/ ; /启动等待，等 ; /; /延时片刻 (可不要 ) ; ; X 480us ; 4);/;/受到回应 0); ; /*1820 读时序 */ i; ; i=0;i1; _; _; _; 附 录 27 _; if(dt=0);/ /*1820的写时序 */ d) i; i=0;dq=d&0 0); ; d=d1; /*温度转换 */ ; 00); ; ; ; if(6) 附 录 28 ;/零下温度 ; ; ;/向 /对零下温度取反加一 t=60+ /*数据处理 */ /i; if(3; 1; t/100%10; t%100/10; ge=t%10; ;/读取温度 ;/数据处理 0,1