基于单片机超声波测距仪汽车防撞系统毕业设计-说明书论文

1、基于微控制器超声波测距仪的车辆防撞系统摘要随着汽车的不断普及，特别是中国汽车市场的不断扩大，汽车带来的一系列问题也一一暴露出来。本文介绍的防撞报警系统为汽车倒车报警装置的研究提供了一些可行的解决方案。 .本文设计的基于单片超声波测距仪的汽车防撞系统采用STC 89C52作为控制中心。超声波测距仪完成对距离的检测，测出距离后，将数据送至单片机处理计算（与设定的距离值比较）。判断），可通过按键设置距离值（有效范围为2cm-400cm），设置值大小由数码管显示，当测量距离小于设置值时，STC89C52会发出控制指令控制蜂鸣器发出报警声，从而达到报警和防撞的目的。由于超声波测距系统具有无接触、外界干扰

2、少等优点，在汽车倒车技术的开发中得到了广泛的应用。关键词： STC89C52超声波测距仪 汽车防撞报警器1简介1.1 选题背景超声波测距是一种非接触式检测技术，基本不受光线和被测物体颜色的影响。与其他仪器相比，更卫生，更耐潮湿和灰尘，以及高温和腐蚀性气体等恶劣因素，维护少，污染低。 ，可靠性高，寿命长等特点。因此可应用于造纸工业、矿山、电厂、水处理厂、环保检测、食品（饮料行业、食用油、添加剂、乳制品）、防洪、水文、空间定位、高速公路限行等行业.可在多种环境条件下进行距离在线校准，也可直接使用液位控制，并可设置差值直接显示液位罐的液位高度和料位高度。因此，超声波测距技术在空气测距的特殊环境中有着

3、广泛的应用。超声波检测将相对快速、方便、易于计算、易于实现实时控制，在测量精度上可以满足工业实用性的一般要求。获取距离障碍物随时间变化的位置信息（距离和方向）。因此，超声波测距技术在移动机器人研究中得到了广泛的应用。由于超声波测距系统具有以上优点，在汽车倒车雷达的研制中也得到了广泛的应用。2 方案设计与论证2.1 方案设计本设计包括硬件设计和软件设计。该模块分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。电路结构可分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。就本设计的核心模块而言，单片机是本设计的核心单元，因此本系统也是单片机应用系统的一个应用。 MCU应用系统也由硬件和软件组成。硬件包

4、括由单片机、输入/输出设备和外围应用电路组成的系统。软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的开发过程包括总体设计、硬件设计和软件设计等几个阶段。系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元。当测量距离小于设定距离时，主控芯片会将测量值与设定值进行比较。然后控制蜂鸣器报警。系统总体设计框图如图1所示。超声波传感器模块按键控制超声波传感器模块按键控制四位数码管显示四位数码管显示STC89C52主控制器模块STC89C52主控制器模块报警蜂鸣器电源报警蜂鸣器电源图1 系统框图3 硬件实现及单元电路设计3.1 主控模块主控最小系统电路如图2所示。图 2 最小系统整体设计如图3所示。从以上分析可知，

5、本设计采用了以下器件： STC 89C5 2 、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等外围设备单片机应用电路。 D1为电源工作指示灯。电路中使用了三个按键，一个是设置键，一个是加号键，一个是减号键。图3 整体设计电路图3.2 电源选择供电部分的设计采用3节AA电池为4.5V供电。3.3 超声波传感器模块超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，可提供2cm-400cm的非接触式测距功能，测距精度可达3mm。该模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。基本工作原理：使用IO口TRIG触发测距，给出至少10us的高电平信号；模块自动致8个40khz方波，自动检测是否有信号返回；如果有信号返回，

6、通过 IO 口输出一个高电压 ECHO 高电平的持续时间是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*音速（340M/S）/2。实物如图4所示，其中VCC为5V供电，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回波信号输出等四根线。图图4 超声波模块实物图超声波检测模块HC-SR04的使用如下：触发IO口，给Trig口至少10us的高电平，开始测量；模块自动致8个40Khz的方波，并自动检测是否有信号返回；如果有信号返回，则通过 IO 口 Echo 输出高电平。高电平持续时间是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*340）/2，单位为m。程序中的测试功能主要由两个功能完成

7、。在实现中，定时器0用于定时测量，除以8，TCNTT0的预设值为0XCE。当timer0溢出中断发生2500次时，为125ms。计算公式为（单位：ms）：T = (定时器 0 溢出次数 * (0XFF - 0XCE) / 1000定时器 0 的初值计算因分频不同而不同。3.1.1 超声波的特性声音是一种与人类生活密切相关的自然现象。当声音的频率超过人类听觉的频率极限时（根据大量实验数据统计，整数为20000赫兹），人们将无法检测到周围声音的存在，所以这种高频声音被称为“超音速”。 “声音。人类的听力周长如图5所示。图5 人类听力周长超声波的特点是：(1) 光束特性由于超声波的波长短，超声波可以

8、像光线一样被反射、折射和聚焦，并遵循几何光学的一切规律。也就是说，当超声波从材料表面反射时，入射角等于反射角。当光线穿过一种材料进入另一种不同密度的材料时，会发生折射，即改变其传播方向。物质的密度差异越大，折射率越大。(2) 吸收特性当声波在各种介质中传播时，其强度会随着传播距离的增加而逐渐减弱，因为介质会吸收其部分能量。对于同样的介质，声波的频率越高，介质的吸收越强。对于一定频率的声波，在气体中传播时吸收特别有害，在液体中传播时吸收相对较弱，在固体中传播时吸收最小。(3) 超声波的能量传递特性超声波之所以能广泛应用于各个工业领域的主要原因是它具有比声波强得多的功率。为什么会有如此强大的力量？

9、因为当声波进入某种介质时，材料中的分子由于声波的作用而发生振动。振动的频率与声波的频率相同。分子振动的频率决定了分子振动的频率。速度。频率越高，速度越大。物质分子因振动而获得的能量不仅与分子本身的质量有关，而且主要由分子振动速度的平方决定，所以如果声波的频率越高，即物质分子可以获得更高的能量。超声波的频率远高于普通声波，因此可以使物质分子获得大量能量；也就是说，超声波本身可以为材料分子提供足够的能量。(4)超声波的声压特性当声波进入物体时，由于声波的振动，材料分子被压缩而稀疏，这会改变材料上的压力。由声波振动引起的附加压力现象称为声压效应。3.1.2 超声波换能器完成产生超声波和接收超声波功能

10、的装置是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声波探头多用于检测。它有多种不同的结构，可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、面波探头（Surface Wave）、兰姆波探头（Lamb wave）、双探头（一探头反射、一探头接待）等待。超声波探头的核心是塑料或金属外壳中的压电晶片。构成晶片的材料可以有很多种。由于晶圆的大小，如直径、厚度等也不同，每个探针的性能也不同，使用前一定要了解探针的性能参数。超声波传感器的主要性能指标包括：(1)工作频率。工作频率是压电晶片的谐振频率。当施加在其上的交流电压的频率等于晶

11、片的谐振频率时，输出能量最大，灵敏度也最高。 (2)工作温度。由于压电材料的居里点一般都比较高，特别是诊断用超声波探头耗电少时，工作温度比较低，可以长时间工作而不会出现故障。医用超声探头的温度相对较高，需要单独的制冷设备。 (3) 灵敏度。主要取决于晶圆本身的制造。机电耦合系数大，灵敏度高。人类能听到的声音的频率范围是：20Hz到20kHz，也就是可听的声波。超出这个频率范围的声音，即频率低于20Hz的声音称为低频声波，频率高于20kHz的声音称为超声波。超声波以直线传播。频率越高，衍射能力越弱，但反射能力越强。因此，可以利用超声波的这一特性制作超声波传感器。另外，超声波在空气中的传播速度比较

12、慢，为340m/s，这使得超声波传感器的使用非常容易。我们选择压电超声波传感器。其探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它们是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转化为高频机械振动，从而产生超声波，可用作发射探头；而正压电效应将超声波振动波转换成电信号，可以作为接收探头使用。为了研究和利用超声波，人们设计制造了多种超声波发生器。一般来说，超声波发生器大致可以分为两类：一类是用电的方法产生超声波，一类是用机械的方法产生超声波。电气方式有压电式、磁致伸缩式和电式等；机械方法包括加德笛、液体哨和气流哨。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因此用于不同的目的。目前比较常用的

13、是压电式超声波发生器。图6 超声波传感器结构压电超声波发生器实际上是利用压电晶体的共振来工作的。超声波发生器的结构如图所示，它有两个压电晶片和一个谐振板。当一个脉冲信号加在它的两极上时，其频率等于压电晶片的固有振荡频率，压电晶片就会产生共振，驱动谐振板振动产生超声波。反之，如果两个电极之间不加电压，当谐振板接收到超声波时，会压缩压电晶片振动，将机械能转化为电信号，进而成为超声波接收器。如图 6 所示。3.4 超声波传感器原理市场上常见的超声波传感器多为开放式，其结构如图7所示。复合振动器灵活固定在底座上。复合振子是由谐振器、金属片和压电陶瓷片组成的双晶振子。谐振器呈喇叭状，目的是有效地辐射振动

14、产生的超声波，超声波可以有效地集中在振动器的中心部分。当对压电陶瓷施加电压时，会随着电压和频率的变化而发生机械变形。另一方面，当压电陶瓷振动时，会产生电荷。利用这一原理，当将电信号施加到由两个压电陶瓷或压电陶瓷和金属片组成的振动器，即所谓的双压电晶片元件上时，会因弯曲振动而发射超声波。相反，当对双晶片元件施加超声波振动时，会产生电信号。基于上述效果，压电陶瓷可用作超声波传感器。图 7 超声波部分的结构超声波是弹性介质中的一种机械振荡，其频率超过20KHz，有横向振荡和纵向振荡两种。超声波可以在气体、液体和固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射，传播过程中有衰减。超声波的基本特点如下：波长波

15、的传播速度用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度为3 10 8 m/s ，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s（20 ） 。在这种相对较低的传播速度下，波长非常短，这意味着可以获得高范围和方向分辨率。正是由于这种高分辨率特性，才能在进行测量时获得高精度。反射为了检测物体的存在，可以在物体上反射超声波。由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸张反射几乎 100 %的超声波，我们可以很容易地发现这些物体。因为布料、棉花、绒毛等都可以吸收超声波，所以用超声波很难检测出来。同时，由于不规则反射，可能难以检测表面不平整和倾斜表面的物体。这些因素决定了理想的超声波测试环境是在开阔的空间，测试对象必

16、须反射超声波。温度效应声波传播速度“ c ”可用下式表示。 c=331.5+0.607t（m/s）式中， t=温度（ ）即声音传播的速度随周围温度的变化而变化。因此，当您想要准确测量到物体的距离时，经常检查周围的温度是非常有必要的。尤其是冬季，室外温差较大，对超声波测距精度影响很大。此时可以使用18B20进行温度补偿。减少温度变化带来的测量误差，考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要用于测距功能，测量精度不高，所以温度效应对系统在这里。没有深入讨论。4. 衰减传播到空气中的超声波的强度随距离成比例地减小，这是由于衍射现象在球面上的扩散损失，以及由于介质吸收能量引起的吸收损失。如图8所示

17、，超声波的频率越高，衰减率越高，超声波的传播距离越短。可见，超声波的衰减特性直接影响超声波传感器的有效距离。图 8 不同距离声压衰减特性5、声压特性声压级(SPL)是表示音量的单位，由以下公式表示。= 20logP/Pre (dB)式中， “ P ”为有效声压（ bar ） ，“ Pre ”为参考声压（2 10-4bar ），如图6所示，若干常用的超声波传感器声压图。图9 超声波传感器声压图6、灵敏度特性灵敏度是表示声音接收电平的单位，使用以下公式表示。灵敏度= 20log E/P (dB)其中“ E”是产生的电压(Vrms) ，“ P ”是输入声压( bar) 。超声波传感器的灵敏度直接影响

18、系统的范围。图 7 显示了几种常见超声波传感器的灵敏度图。从图中可以发现，传感器的声压级在40KHz处最高，也就是说在40KHz处对应的声压级最高。最高灵敏度。图10 超声波传感器灵敏度示意图7. 辐射特性将超声波传感器安装在工作台上。然后，测量角度和声压（灵敏度）之间的关系。为了准确地表达辐射，声压（灵敏度）水平相对于前衰减6dB的角度称为半衰减角，用 1/2表示。超声波装置外表面的小尺寸使其易于获得精确的辐射角度。图11为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。图11 超声波传感器辐射特性示意图分析上述研究结果不难看出，超声波传感器在40KHz范围内工作时，声压级最大，灵敏度最高。3.5 测

19、距分析超声波发射器向一定方向发射超声波，与发射时间同时开始计时。超声波在空气中传播，途中遇到障碍物立即返回。超声波接收器收到反射波后立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s。根据定时器记录的时间t，可以计算出发射点到障碍物的距离（s），即：s=340t/2最常用的超声波测距法是回波检测法。超声波发射器向一定方向发射超声波，计数器与发射时间同时开始计时。超声波接收器在接收到反射的超声波后立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s。根据定时器记录的时间t ，可以计算出发射点到障碍物表面的距离s，即： s = 340 t /2。由于超声波也是一种声波，它的声速V与温度有关。在使

20、用中，如果传播介质的温度变化不大，则可以近似认为传播过程中超声波速度基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿对测量结果进行数值修正。声速确定后，只要测量超声波往返的时间，就可以得到距离。这是超声波测距仪的基本原理。如图 12 所示：超声波发射障碍物小号H超声波接收图12 超声波测距原理(3-1)(3-2)式中：L-两探头中心距的一半。也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的时间。将 (3-2) 和 (3-3) 代入 (3-1) 得到：(3-4)其中，超声波的传播速度v在一定温度下（例如温度T=30度，V=349m/s时）是一个常数；当

21、待测距离H远大于L时，则(3-4)变为：(3-5)因此，只要需要测量超声波传播时间t，就可以得到测量距离H。3.6 时钟电路设计XTAL1 和 XTAL2 分别是反相放大器的输入和输出。反相放大器可以配置为芯片振荡器。石晶振和瓷振都可以。如果使用外部时钟源驱动器件，则不应连接 XTAL2。因为一个机器周期包含6个状态周期，每个状态周期是2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期。如果外接石英晶振的振荡频率为12MHZ，则1个振荡周期为1/12 us ，则1个机器周期为1 us 。图13显示了时钟电路。图13时钟电路图3.7 复位电路设计复位方式一般包括上电自动复位和外接按键手动复位。单片机在时钟电路工作后，在RESET端持续给高电平2个机器周期后，即可完成复位操作。例如，晶振频率为12MHz时，复位信号的持续时间不应小于2us。本设计采用自动复位电路。图 14 显示了