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211汽车倒车超声波报警器的设计意义212汽车倒车超声波报警器的发展213课题的主要研究内容和目标22超声波基本发展史及原理321超声波发展简史322超声波的应用323超声波测距的方法53系统整体设计731系统整体设计框图732硬件选型7321超声波探头的主要参数7322单片机的选择9323其他元器件的选择104硬件电路设计1141单片机外围电路设计1142超声波发射接收电路11421超声波发射电路11422超声波接收电路设计12423超声波测距模块1343显示报警电路设计13431数码管显示电路设计13432报警模块电路设计145系统软件设计1551主程序设计1552中断处理程序设计1653计算及显示模块程序设计1754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HCSR04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；HCSR04；数码管本科毕业论文（设计）IIIDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFVEHICLEREVERSINGULTRASONICALARMABSTRACTINTHISPAPER,ACOMPREHENSIVE,INDEPTH,SYSTEMATICINTRODUCTIONTOTHEDESIGNOFTHECARCRASHREVERSINGULTRASONICRANGINGSYSTEMTHEDESIGNISMAINLYFEATURESANDADVANTAGESOFTHEULTRASONICANDSCMFEATURESANDADVANTAGESOFCOMBININGDESIGNAMICROCONTROLLERBASEDSTC89C51ANDULTRASONICRANGINGMODULEHCSR04ULTRASONICRANGINGCARREVERSINGCOLLISIONAVOIDANCESYSTEMWHICHUSESASINGLECHIPMICROCONTROLLERISDEVELOPEDANDMANUFACTUREDBYTHEWORLDSLEADERINTHEUNITEDSTATESPRODUCEDBYATMELSTC89C51THISDESIGNISTHEDESIGNOFTHEHARDWARESTRUCTURESANDPROCEDURESTOCOMBINETWOPARTSTHEHARDWAREPARTISDIVIDEDINTOSIXLARGEPIECES,RESPECTIVELYMCUCONTROLCIRCUIT,ULTRASONICTRANSMITTERCIRCUIT,ULTRASONICRECEIVERCIRCUIT,THEDIGITALDISPLAYCIRCUIT,POWERSUPPLYCIRCUITANDALARMCIRCUITSOFTWAREISMAINLYEMITTEDBYTHEMAINPROGRAM,SUBROUTINESULTRASONICRECEIVER,DISTANCECALCULATIONSUBROUTINEANDDISPLAYROUTINESANDOTHERCOMPONENTSTHEDESIGNOFTHECONTROLTIMETHROUGHTHEMICROCONTROLLER,ANDTHECOUNTTIMEBYTHEULTRASONICTRANSMITTERANDTHEULTRASONICRECEIVERINTHEAIRPROPAGATIONSPEEDOFTHEINSTRUMENTMEASURETHEDISTANCEBETWEENTHEOBSTACLEANDTOACHIEVETHEINTENTOFTHEDESIGNTHISDESIGNHASASIMPLECIRCUITDESIGNREASONABLE,STABLEPERFORMANCE,HIGHSPEED,ACCURATEMEASUREMENTRESULTSPAPERINTRODUCESTHEDEVELOPMENTANDTHEBASICPRINCIPLEOFULTRASONICTESTING,ONTHEPRINCIPLESANDCHARACTERISTICSOFULTRASONICSENSORS,BUTALSOONANUMBEROFIMPORTANTPARAMETERSAREDISCUSSED,ANDBASEDONTHEINTRODUCTIONOFULTRASONICRANGINGSYSTEMFUNCTIONSONTHESYSTEMSOVERALLPROPOSEDCONSTITUTIONTHESISBYCOMPARINGAVARIETYOFPROGRAMSTOARRIVEATTHEMOSTREASONABLESOLUTIONPROCESSWEREINTRODUCED【KEYWORDS】STC89C51；SCM；HCSR04；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11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。12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。13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21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。22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。23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温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿，而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现2。综上，本设计的测距方法采用渡越时间法。具体测距原理阐述如下。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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S340T/2最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离S，即S340T/2由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的2。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，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。如图所示本科毕业论文（设计）6超声波发射超声波接收VTSH图21超声波发射接收图21COSHS22LARTG式中，为两探头之间中心距离的一半。L可知，超声波传播的距离为232SVT式中，为超声波在介质中的传播速度；V式中，为超声波从发射到接收所需时间；T将式（22）、（23）代入（21）中得（24）1COS2LHVTARTGH其中，超声波的传播速度在一定温度下是个常数（例如，在温度T20时，340M/S）；当需要测量的距离远大于时，则式24变为V2512VT所以，只需测出超声波的传播时间，就可得出测量的距离TH本科毕业论文（设计）73系统整体设计31系统整体设计框图本设计以STC89C51单片机为核心，由HCSR04超声波模块发出40KHZ的超声波方波信号，同时启动T1计数器来测量超声波信号从发射到接收所需的时间，定时器T0产生方波驱动信号3。超声波换能器接受到的经障碍物反射回的信号经放大电路放大后，由P17来接收超声波反射信号，关闭计数器T1，记下此时的时间，转入执行计算距离子程序，由子程序计算距离，并启动数码管显示数值，同时，超过限定范围之后，蜂鸣器报警。整个系统框架图如图所示电源电路键盘电路复位电路报警电路超声波发射电路数码管显示电路超声波接收电路STC89C51单片机图31系统框图32硬件选型321超声波探头的主要参数（1）中心频率中心频率，即压电晶片的谐振频率，当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。本设计采用40KHZ的探头HCSR04（2）灵敏度灵敏度的单位是分贝DB，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。（3）指向角指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般为几度至几十度。（4）工作温度工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。以石英晶片为例，当温度达至时灵敏度可降低6。一旦达到居里温度点,290C573C就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感器温度较高，必须采取207C冷却降温措施。本科毕业论文（设计）8HCSR04的指向性如图所示图32HCSR04的指向性HCSR04的电气参数如表所示表31HCSR04电气参数电气参数HCSR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15MA工作频率40KHZ最远射程4M最近射程2CM测量角度15度输入触发信号10US的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸452015MM超声波时序如图所示本科毕业论文（设计）910US的TTL触发信号模块内部发出信号循环发出8个40KHZ脉冲回响电平输出与检测距离成比例输出回响信号图33超声波时序图一个10US以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHZ周期电平并检测回波。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的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。图34HCSR04实物图322单片机的选择单片机是系统软件的载体，是控制系统的核心。因此其性能将直接影响系统的稳定性。选择好的单片机不仅关系到系统的精度、稳定性，而且还有利于减少系统成本3。本科毕业论文（设计）10根据系统设计的要求以及总体设计思路对所选择的单片机要求进行进一步的概括。本设计由于超声波采用软件驱动，仅需要一个定时器，一个计数器，常用的51系列单片机满足需要。因此，选用STC89C51单片机。323其他元器件的选择显示部分是采用七段四位数码管，选用共阴极接法，CD4511控制段选码，74LS138控制位选信号。单片机的外围电路元件选用110592MHZ的晶振，选用蜂鸣器报警。本科毕业论文（设计）114硬件电路设计41单片机外围电路设计单片机外围电路主要有键盘电路、电源电路、复位电路、时钟电路、串口电路。键盘电路主要控制单片机执行指令的状态，可对安全距离进行加减设置，当超出范围时蜂蜜器报警。时钟电路、电源电路、复位电路构成单片机的最小系统。两个LED灯，一个为上限报警一个为下限报警。数码管显示当前距离，单位为CM，进入设置上下限时显示设置状态，当超出设定范围时蜂鸣器报警。四个按键，S1为进入设置报警距离的功能键，S2加，S3减，S4确定，上限设置完毕后，按下S4自动跳到下限设置。单片机外围电路4如图所示图41汽车倒车超声波报警器单片机外围电路42超声波发射接收电路超声波是一种振动频率超过20KHZ的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面5。而且，超声波的测量是一种比较理想的的非接触式的测距方法。421超声波发射电路超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40KHZ的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，超声波放大电路如图所示本科毕业论文（设计）12图42超声波放大电路工作时，由单片机产生40KHZ的脉冲从P01口向超声波的发射电路部分发出信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。422超声波接收电路设计由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理6。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的7。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。超声波接收电路如图所示本科毕业论文（设计）13图43超声波接收电路423超声波测距模块HCSR04超声波测距模块可提供2CM400CM的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3MM,模块包括发射器、接收器与控制电路。基本工作原理采用IO口TRIG触发测距，至少给10UM高电平信号；（1）模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回，；（2）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的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超声波测距模块电路如图所示图44超声波测距模块43显示报警电路设计431数码管显示电路设计发光二极管的缩写是LED，在每个数码管里面都有8只发光二极管，它们分别记作本科毕业论文（设计）14A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP是小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部的引脚上，而另外一只二极管的引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，此引脚就记作公共端COM。市面上常用的LED数码管有两种即共阳极数码管与共阴极数码管。共阳极是数码管里面的发光二极的阳极接在一起作为公共引脚即公共阳极，在使用时此公共引脚接到电源正极。相反，共阴极就是数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚即公共阴极，在使用时此引脚接到电源负极7。单片机对数码管的显示可以分为静态显示和动态显示，静态显示能够稳定地显示数值，但是搭建电路时比较烦索，而动态显示是数码管轮流显示再利用人眼的“视觉暂留”特性，这样看出来的就是在显示不同数值。数码管的动态显示比较实用，电路构建简单，所以本设计采用动态扫描的方法显示测量距离，只要轮流显示的速度足够快的时候就能够实现测量数值的显示8。显示模块选用4位共阳极数码管进行动态扫描，此扫描方式能完全达到显示要求。数码管显示模块电路图如图所示图44数码管显示模块电路设计432报警模块电路设计报警模块通过单片机给定不同频率利用蜂鸣器发出不同声音。报警模块电路设计如图45所示图45报警模块电路设计本科毕业论文（设计）155系统软件设计本设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序，程序主要由系统主程序和中断程序构成。主程序完成单片机的初始化，超声波的发射和接收、计算超声波发射点与障碍物之间的距离、数码管显示和蜂鸣器报警等。系统程序设计的主要的功能是发射超声波、接受超声波、计算测量距离、数据计算、蜂鸣器报警和数码管显示。51主程序设计主程序对整个单片机系统进行初始化后，先将超声波的回波接收标志位置位并且使单片机P10端口输出一个低电平用来启动超声波发射电路，同时将定时器T0启动，然后调用距离计算的子程序，再根据定时器T0记录的时间计算出所需要测量的距离，然后再调用显示子程序，再将测出的距离以十进制的形式送到数码管显示，同时调用声音处理程序来控制蜂鸣器进行报警。最后主程序通过对回波信号的接收，完成后续的工作，假如标志位清零则说明接收到了回波信号，那么主程序就返回到初始端重新将回波接收标志位置位并且在单片机的P01端口上发送低电平到超声波发射电路，就这样，连续不断地运行，循环不断地工作用来实现测距9。整个系统的设计的关键是对距离进行测量的，然后通过单片机来处理测量数据是比较容易实现的，能精确的实现测距。在测距中，各种信号包括温度对声速的影响都将干扰到测距的准确性，其中超声波的余波信号对整个设计中测距的精确度的干扰的影响比较大。超声波接收回路中的超声波信号一共有两种波信号第一种波信号为余波信号就是当发射探头发射出信号之后，超声波接收探头马上就接收到的超声波信号，实际就是超声波的发射信号；另一种波信号就是有效信号，即经过障碍物表面反射回来的超声波回波信号，也是所需要测量的距离数值。在进行超声波测距时，实际上测距就是记录从超声波发射电路发射超声波信号开始到接收到信号的声波的往返时间差，然后通过数据计算出距离，对于回波信号需要进行检测的有效信号是反射物体反射的回波信号，所以要尽量避免在检测时候检测到余波信号。余波就是在发射超声波时超声波信号直接到达接受探头的波信号，同时余波信号也是超声波测量时存在测量盲区的最主要的原因。超声波接收电路在接收到超声波回波后，通过CX20106A电路进行检波整形比较，并向单片机发出有效信号，单片机通过外部中断的改变记录回波信号的到达时间，中断发生之后就是表示已经接收到了回波信号，这个时候停止计时，并且读取计数器中的数值，这个数值就是需要进行测量的时间差的数据10。程序中对测距距离的计算方法是按S17N/10000017NCM进行计算的，其中，N为计数器的值，声速的值取为340M/S。综合以上的分析可得到系统主程序流程图，系统主程序的流程图如图所示本科毕业论文（设计）16开始参数初始化是否收到回波发射超声波、启动定时器数据处理计算距离是否在报警距离报警显示距离YNYN图51程序流程图52中断处理程序设计负责计算车尾与障碍物之间的距离是/INT0的中断程序。根据前面的对超声接收电路的分析，在超声波集成模块接收到超声波回波信号后，超声波接收电路就会产生一个低电平送至单片机的P00引脚，使系统中断，则系统转入中断处理程序。进入中断处理后，定时器T0和外部中断0就立即被关闭，同时读取时间值，并给回波接收标志位清零即成功接收到回波信号11。中断处理程序的程序流程图如图所示本科毕业论文（设计）17计时停止指定的报警声开启中断关闭返回距离计算处理显示距离并根据距离判断是否报警YN图52中断处理程序流程图在中断处理程序过程中，对距离数据的计算是比较关键的。首先是从定时器0得到超声波传播中往返所用的时间，再运用公式计算得出障碍物与车尾之间的距离，然后再将测得的距离值传到其他功能模块进行其他功能的处理11。53计算及显示模块程序设计从距离计算公式S17N/10000017NCM中可以很明显看出来，如果想要得到具体的距离的值，就只需要得到从超声波发送开始到接收到超声波这个过程中定时器0的计数的次数。本设计中，采用了4位共阳极连接的数码管显示来显示与障碍物之间的距离，同时数码管与P1口连接进行动态的段扫描。由于这个距离值是不断变化的，所以，这个数码管的显示的过程是在外部中断0发生后才进行的。所以当主程序给超声波发生器发送了信号后，此时中断和定时器0就已经被打开，并开始计时了。当超声波接收电路接收了到回波信号的同时时，电路便会产生一个低电平到单片机的P00端口，在单片机检测到该信号后，定时器计时就将停止，同时定时器的计数的次数将被提取出来，这样就可以得到以CM为单位的测量的距离值12。54报警模块程序设计主程序根据距离计算公式计算数据即距离结果的远近，通过数码管显示，并且同时控制蜂鸣器的鸣叫的频率。在本设计中，利用的是单片机P10引脚来产生不同频率的方波来控制蜂鸣器产生不同频率的“滴滴”声，且是在离障碍物距离越近鸣叫频率越低。本科毕业论文（设计）186系统调试本汽车倒车超声波测距报警装置以HCSR04型的超声波测距传感器模块为主体，中心频率是基本稳定在40KHZ，安装时保持模块平整摆放即使两超声波探头的中心轴线平行9。其它硬件的组装和连线焊接如下P2口分别接到四位八段的共阳数码管的A、B、C、D、E、F、G、DP引脚上，用来进行动态的段扫描；P1口的P12、P14、P16、P17控制四位数码管的片选；P1口的P10通过一个三极管连接到蜂鸣器上，构成蜂鸣器报警电路，进行蜂鸣器鸣叫报警；P10端口接超声波模块的发射端；P00端口接超声波接收端，用作判断超声波是否接收到了回波的信号，并控制计数器停止计时13。超声波测距时需要测的是从发射开始到接收到回波信号的这段时间里的声波往返的时间差，由于需要对接收到的回波信号进行检测，而检测的有效信号为反射的回波信号，所以应该要尽量避免检测到余波信号而超声波检测中最小测量盲区存在的主要原因也是因为余波干扰的缘故10。因为超声波测距所能测的距离的大小与传感器的驱动功率、测量方法有很大关系，而从理论上来讲，本设计系统采用的超声波模块测距时存在的盲区大约为2CM左右，而且本设计理论上的测量距离范围为2CM5M，测量的误差比较小，测量显示值稳定，可以精确到03CM，能满足设计要求。实际测量情况如图所示图61现场测试图本系统在设计和数据的计算过程中无可避免地会产生一定的误差，以下对可能产生误差的原因进行分析（1）环境的温度所引起的误差环境温度的影响是本设计在不同的温度条件下测量数据存在误差的主要原因，根据有关资料，在当温差较大时，前后两次测距的误差肯定前后相差也比较大。而本设计中并没有温度补偿模块，主要是本设计做为倒车雷达使用对精确的距离的要求不是很高主要是起到警报的作用而已，所以本设计并没有采用温度补偿模块进行设计。（2）不同障碍物表面材料的不同介质引起的误差因为表面粗糙的障碍物介质要比光滑介质的测量结果要差，如果障碍物的发射面比较粗糙会引起发射信号散射开那么回波信号就会减弱，这样就会导致测量结果的误差增大。本科毕业论文（设计）19（3）超声波模块的感应角的影响两个超声波探头即发射探头和接收探头和障碍物之间存在一个几何角度，反射波入射到探头存在一定的角度，当这个角度过大时，这就会造成测量较大的误差，或者说根本接收不到回波信号14。特别是在障碍物的距离较小的时候这个误差就成为了距离测量的主要误差的原因，但是这种误差是可以尽量减小的，利用发射能力强、散射小的探头，或者多用几个探头。（4）余波信号的影响在测量时有一部分的声波是从发射探头直接转收到接收探头的，这部分声波即是余波信号，这种余波对测量的干扰是挺大的。但是这种干扰能够通过别的方法进行处理，比如软件算法的方法去消除直达波的干扰15。当芯片收到信号波时自动判定收到的超声波信号是发射的声波衍射而返回来的信号时就会自动忽略掉，继续去等待检测在这个工作周期内是否有有效反射波反射回来，如果有就进行处理，没有就进行新的一次测量16。本科毕业论文（设计）20结论这个汽车倒车超声波测距报警装置的设计主要是基于STC89S51单片机控制核心的，同时以超声波测距为主的显示报警系统。通过对理论和实际情况的分析，本设计的设计方案是基本可行。实现了以单片机为主要的控制核心，本系统在工作时是通过测距传感器采集数据，由单片机控制核心快速地计算出距障碍物距离并通过数码管显示结果同时利用用蜂鸣器鸣叫进行声音报警提示，从而达到汽车防撞的目的。本设计还可以在几个方面进行修改完善，进而使得本设计的测距仪功能更加完善，如（1）因为超声波探头的限制，防装装置在温度不同的环境下测量误差也不一样，所以要根据实际情况对探头进行合适的更换。（2）系统动态性能不高，当与向障碍物移动速度小的时侯，能够稳定测量并稳定显示，但是如果移动速度太大就会使误差也逐渐增大。（3）本设计中并没有温度补偿模块，主要是本设计做为倒车雷达使用对精确的距离要求不高主要是起到警报的作用，所以没有采用温度补偿模块进行设计。如果在设计中考虑到温度补偿这个模块，并添加到设计中去，那么整个系统将会更完善。（4）整个设计利用的是超声波模块设计，电路简单，编程容易，完全能实现功能要求。汽车倒车雷达所涉及的学科的内容比较多，诸如传感器、单片机等，现在各个学科还在不断的发展之中，相信也将推动这个系统功能的更加完善，并且应用将更为广泛。本科毕业论文（设计）21参考文献1鞠永胜基于嵌入式系统汽车倒车雷达系统的设计与实现M山东山东大学出版社，2010，10132戴曰章基于AT89C51单片机的超声波测距系统J电气时代，2005年第七期3丁元杰单片微机原理及应用M北京机械工业出版社，20051001034张伟,王力PROTEL2004入门与提高M北京人民邮电出版社，200522255丁镇生传感器及遥测技术M北京电子工业出版社，19981081136阎石数字电子技术基础M北京高等教育出版社，19982082097童诗白模拟电子技术基础M北京高等教育出版社，200113218李伯成微型计算机原理与接口技术M北京清华大学出版社，2005399魏小龙MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例M北京北京航空航天大学出版社，2002454710胡大可MSP430超低功耗16位单片机原理与应用M北京北京航空航天大学出版社，200013313711胡大可MSP430系列单片机C语言程序设计与开发M北京北京航空航天大学出版社，2003444612沈建华,杨艳琴,翟骁曙MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M北京清华大学出版社，200414915513童诗白,华成英模拟电子技术基础（第四版M北京高等教育出版社，2003565914俞志根传感器与检测技术第二版M北京科学出版社，2004798515ARMLIMITEDCORTEXM3TECHNICALREFERENCEMANUAL200616NXPLIMITEDUM10360LPC17XXUSERMANUALREV22010本科毕业论文（设计）22附录程序代码INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEULONGUNSIGNEDLONGDEFINELEDP0/数据端口VOIDCONVERTUINTDAT/数据转换函数声明SBITTRIGP26SBITECHOP27ULONGTIME0/超声波往返的时间UCHARTIMER0/400MS定时ULONGS0/距离值BITFLAG0/溢出标记BITFLAG10UCHARCODEDISPLAY0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90,0XBF,0XFF,0X7F/数码管驱动信号09,灭,点SBITWEI4P25SBITWEI3P24SBIT