毕业设计论文基于单片机超声波倒车防撞系统的设计.docx

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毕业设计论文基于单片机超声波倒车防撞系统的设计

1绪论

1.1超声波检测发展概述

现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过：

“无损检测能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。

没有它，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。

”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。

超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。

由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。

八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。

目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并成为超声波检测的发展方向。

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。

国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。

随着检测技术研究的不断深入，对超声波检测仪器的功能要求也越来越高。

由于单数码显示的超声检测仪会给测读带来较大的测试误差，因此要求以后生产的超声检测仪能够具有双显及其内部带有单片机的微处理功能。

随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象。

目前，计算机市场价格大幅下降，若采用非一体化超声波检测仪器，则计算机可发挥它一机多用的各种功能，这实际上是最大的节约。

过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。

高智能化检测仪器只能满足检测条件，当使用环境，重复性测试内容等基本情况一样时，才可充分发挥其特有功能。

仪器的设计也应从实际情况出发，来满足用户的要求。

综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。

1.2设计的背景、目的和意义

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。

信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。

比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。

利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。

超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：

液位、井深、管道长度等场合。

因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。

对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。

1.3设计的主要内容

以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。

本课题研究的超声波倒车防撞报警系统就是用单片机控制的。

通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，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V，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。

本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。

接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。

系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给LED显示。

2单片机超声波测距报警系统总体设计

该超声波测距报警系统初步计划是小范围的测距。

本章从整体结构角度讨论了测距系统的组成及一些系统主要参数。

2.1超声波测距系统的总体方案

系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的，系统结构如图2-1所示。

图2-1超声波测距报警硬件电路图

发射电路通常有调谐式和非调谐式。

在调谐电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄。

在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。

为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其震动发出超声。

电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。

发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一个发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。

但是，每一个实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可回复的损害。

因此，工作电压不能超过这个极限值。

同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。

通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。

电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。

电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。

发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。

接收部分就是主要由放大电路，检波电路构成的，其中包括杂波抑制电路。

最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

但是由于超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响。

2.2系统主要参数考虑

系统的主要参数有传感器的指向角、测距的工作频率、声速、脉冲宽度、测量盲区等，下面做介绍并阐述。

2.2.1传感器的指向角Ө

传感器的指向角是声束半功率的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。

对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径r有关。

（720°/λ）*r*sin（θ/2）=1.615（2-1）

选f0=40KHz时，λ=C/f0=8.5mm。

当f0选定后，指向角θ近似与传感器半径成反比。

指向角θ越小，空间分辨率越高，则要求传感器半径r越大。

鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故θ=2*arcsin（1.615λ/720°*r）=75°[1]。

2.2.2测距仪的工作频率

空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz左右。

太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。

传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。

工作频率的确定主要基于以下几点考虑：

第一、如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减少声波的传播损失，就必须降低工作频率。

第二、工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

第三、从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。

综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz，定为44KHz。

这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

2.2.3声速

由公式（2-1），声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。

传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。

声速随温度变化公式为：

V=331.4+0.607T（mm/ms）（2-2）

式中T是温度。

由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。

在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算为340mm/ms。

2.2.4发射脉冲宽度

发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。

根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。

但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。

在具体设计中，比较了24微秒（一个40KHz脉冲方波），120微秒（5个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度。

此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。

2.2.5测量盲区

在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。

此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。

不同的检测仪阻塞程度不一样。

根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。

由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下：

当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性左右）。

因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平VM；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头越来越远，接收和发射信号相隔时间越来越长，其幅值也越来越小。

在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。

为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阀值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阀值才能使接收放大器有输入信号。

3单片机倒车防撞报警系统各组成单元方案设计

3.1发射电路的设计

由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，图3-1为发射电路图。

图3-1发射电路

74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。

74HC04的管脚如图3-2所示。

图3-274HC04管脚图

3.2接收电路的设计

超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。

本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图3-3所示。

图3-3接收电路

超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40kHz。

该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。

LM741是一单运放集成芯片，图3-4为LM741管脚图。

图3-4LM741管脚图

3.3显示模块的设计

显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。

最简单的显示器可以是LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。

综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的LED驱动输出设备。

由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管表示距离的cm数值。

在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式：

静态显示驱动和动态显示驱动。

所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。

单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。

因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。

当需要显示位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。

而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。

考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。

本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。

8155的PA口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS06以提高驱动能力。

图3-5系统显示电路

3.4系统报警电路设计

系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。

R25的阻值1K，R26的阻值为10K。

对于二级运算放大，都采用F007芯片。

两级放大电路均是负反馈接法，即反相比例运算电路。

而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地。

根据“虚短”和“虚断”的特点，即u-=u+，i-=i+=0。

可得u+=0。

而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0趋近与无穷。

所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，即Uid=u+≈0。

即u-=u+，而u0具有一定值。

由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称“虚短”。

而“虚断”是由于理性集成运放的输入电阻Rid趋近与无穷，故可以认为输入端不取电流，即i-=i+≈0。

这样，输入端相当于断路，而又不是断开，故称“虚断”。

而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况称为“虚地”。

所以iI=uI/RI，iF=（u_-u0）/Rf=_u0/Rf,因为i-=0,iI=if，可得u0=-Rf*uI/Ri。

故可将信号进行放大。

图3-6系统报警电路

当单片机AT89C51通过P1.0，P1.1，P1.2三个I/O口，发射出超声波的信号，即输出一个高电平给这三个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。

则信号经过三极管T1，T2，T3进行放大。

使电流达到T40-16的工作电流，从而发射出超声波。

当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给LM567的输入端，当LM567的输入端电流大于25mA时，其8号输出引脚会产生一个信号，使得单片机AT89C51产生一个中断。

这样，计数器便停止计数。

单片机把计得的时间差进行运算，根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。

如果距离小于0.5m，则单片机AT89C51便给P1.5口一个信号，使得报警电路工作，实现报警[2]。

3.5单片机复位电路

在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。

为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。

只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。

单片机复位电路通常采用一下几种方式：

第一、上电自动复位

在通电瞬间，由于RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

图3-7上电复位电路

第二、按键电平复位

通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。

图3-8晶振电路

电路中的C1和C2一般取30PF左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.2~12MHz，而电路中采用6MHz，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。

4系统硬件及软件实现

4.1单片机硬件介绍

4.1.1单片机基础知识

单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller）。

单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

4.1.2单片机内部结构

单片机内部结构如图4-1所示。

图4-1单片机内部结构

与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。

它是由中央处理器（CPU）芯片、ROM芯片、RAM芯片和I/O接口芯片等通过印刷电路板上总线（地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB）连成一体的完整计算机系统。

其中，中央处理器（CPU）的字长长，功能强大；ROM和RAM的容量很大；I/O接口的功能也大，这是单片机无法比拟的。

因此，单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。

由图4-1可见，中央处理器（CPU）是通过内部总线与ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。

为此，在分析单片机工作原理前，先对图4-1中各部件作一基本介绍是十分必要的。

第一、存储器

在单片机内部，ROM和RAM存储器是分开制造的。

通常，ROM存储器容量较大，RAM存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。

（1）ROM

ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）一般为1~32K字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。

由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。

为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中，根据片内ROM的结构，单片机又可分为无ROM型、ROM型和EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory,可擦除可编程只读存储器）型三类。

近年来，又出现了EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory,电擦除可编程只读存储器）和Flash型ROM存储器。

无ROM型单片机特点是片内不集成ROM存储器，故应用程序必须固化到外接的ROM存储器芯片中，才能构成有完整功能的单片机应用系统。

ROM型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的，程序一旦固化进去便永远不能修改。

EPROM型单片机内部的程序存储器是采用特殊FAMOS管构成的，程序一旦写入，也可以通过特殊手段加以修改。

因此，EPROM型单片机是深受研制人员欢迎的。

（2）RAM

通常，单片机片内RAM（RandomAccessMemory，随机存取存储器）容量为

64～256字节，最多可达48K字节。

RAM主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。

第二、中央处理器（CPU）

中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理图来加以分析介绍是根本不可能的。

下面简单概述一下几个主要部分的工作原理。

（1）运算器

运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行。

运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成。

（2）累加器

累加器A（Accumulator）是一个具有输入/输出能力的移位寄存器，由8个触发器组成。

TR（TemporaryRegister,暂存器）也是一个8位寄存器，用于暂存另一操作数。

ALU（ArithmeticandLogicalUnit，算术逻辑单元）主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。

PSW（ProgramStatusWord，程序状态字）也由8位触发器组成，用于存放ALU操作过程中形成的状态。

（3）控制器

控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。

控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。

指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。

指令是一种能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。

时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。

微操作控制部件可以为ID（InstructionDecoder，指令译码器）输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可与外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。

第三、内部总线

单片机内部总线是CPU连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共通道。

内部总线主要由三种不同性质的连线组成，它们是地址线、数据线和控制线/状态线。

地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由CPU发出并被存储器或I/O接口电路所接收。

数据线用来传送CPU写入存储器或经I/O接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经I/O接口读入的数据。

因此，数据线通常是双向信号线。

控制/状态线有两类：

一类是CPU发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求、存储器忙和系统复位信号等。

第四、I/O接口和特殊功能部件

I/O接口电路有串行和并行两种。

串行I/O用于串行通信，它可以把单片机内部的并行8位数据（8位机）变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给CPU处理。

并行I/O口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据（8位机）。

4.1.3单片机的基本工作原理

单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。

因此，单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理。

为此，先从指令程序谈起。

第一、单片机的指令系统和程序编制

指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码（InstructionCode）。

指令码由操作码（OperationCode）和地址码（AddressCode）构成：

操作码用于指示机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的数在哪里。

其格式为：

操作码

地址码

指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符形式来表示，表4-1所列。

表4-1指令的三种形式

指令的二进制形式

指令的十六进制形式

指令的汇编形式

01110100data1

74data1

MOVA,#data1;A←data1

00100100data2

24data2

ADDA,#data2;A←data1+data2

100000001111110

80FE

SJMP$;停机

指令的集合或指令的全体称为“指令系统”（InstructionSystem）。

微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。

所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排列起来的有序指令的集合。

程序的编制称为“程序设计”。

通常，设计人员采用指令的汇编符（即助记符）形式编程，这种程序设计称为“汇编语言程序设计”。

显然，设计人员如果不熟悉机器的指令系统是无法编出优质高效的程序的。

第二、单片机执行程序的过程

为了弄清单片机的工作原理，现以如下的Y=5+10求和程序来说明单片机的工作过程。

7405HMOVA，#05H；A←05H

240AHADDA，#0AH；A←5+10

80F