基于单片机的超声波倒车雷达的实现.docx

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1、基于单片机超声波倒车雷达的设计与实现学生姓名：学号：班级:专业：学部：指导教师：摘要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atme1公司的AT89S51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳

2、定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。关键词：超声波；单片机；测距;AT89S51ABSTRACTU1trasonicwavehasstrongpointingtonature,s1ow1yenergyconsumption,propagatingdistancefarther,so,inuti1izingtheschemeofdistancefindingthatsensortechno1ogyandautomaticcontro1techno1ogycombinetogether,u1trasonicwavefindsrangetou

3、sethemostgenera1oneatpresent,itapp1iestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,water1eve1measuring,bui1dingconstructionsiteandsomeindustria1scenesextensive1y0Thissubjecthasintroducedprincip1eandcharacteristicoftheu1trasonicsensorindetai1,andtheperformanceandcharacteristicofone-chipcomputerAT89S51ofA

4、tme1Company,andonthebasisofana1yzingprincip1ethatu1trasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,provide1owcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,u1trasonicrangefinderofminiaturedigita1disp1ayandsoftwaredesignmethodtakingAT89S51asth

5、ecore,thiscircuitofsystemisreasonab1eindesign,workingstabi1ity,performancegoodmeasuringspeedingsoon,ca1cu1atingsimp1e,apttoaccomp1ishrea1-timecontro1,andcanreachindustry,spractica1demandinmeasuringtheprecision。KeyWords：U1trasonicwave;One-chipcomputer;Rangefinding;AT89S51目录摘要IIABSTRACTIII1绪论111课题设计的目

6、的和意义11.2国内应用现状113超声波测距系统介绍21.4本课题的研究内容和目标22系统方案设计32.1系统设计要求32.2系统构建32.3系统方案设计32.4本章小结73硬件部分设计83.1系统硬件设计思想83.2AT89S52单片机83.3超声波测距的系统及其组成93.4本章小结144软件部分设计144.1主体程序设计144.2超声波测距子程序及其流程图144.3超声波测距流程图185系统调试与误差分析195.1调试步骤195.2调试现象195.3误差分析196仿真和实物制作21结论26参考文献27致谢28附录A29附录B311绪论11课题设计的目的和意义传感器技术是现代信息技术的主要内

7、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。

8、通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。该设计可广泛应用在生活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在1ED数码管上。1.2国内应用现状近年来，由于在工业机器人的进行测距、跟踪导航上的应用和车间机械加工中的需求，设计一款智能测距装置已经非常的重要。而超声波测距法具有以下优势：(1)超声波有定向性较好、传输衰减小、能量集中、有较强的反射能力等优势。(2)和光学方法相比，超声波的传播速度较小，对于较近的目标可以直接测量。(

9、3)超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，目前对超声波的精度要求越来越大。超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足口益发展的社会需求。未来超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展。13超声波测距系统介绍基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，

10、使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形,控制单片机中断口。其系统框图如图1-1所示。图1-1基于单片机的超声波测距系统框图这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机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1ED显示。利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。1.4本课题的研究内容和目标本

11、次设计了一款基于单片机的超声波测距系统，系统以单片机作为微处理器，单片机的体积小，结构简单，非常适合用在测控系统中。在软件程序的设计上，为了使程序更加的灵活，我们采用C51语言，这样可以大大的简化程序的编写时间。在结合市场上已经存在的不少的超声波测距装置，本系统结构紧凑性好、成本低，可靠性好，能有效准确的测量出障碍物和传感器之间的距离，具有一定的市场价值。本次设计的主要目标是通过超声波传感器具有近距离测速功能，实现了当传感器靠近障碍物后进行报警的功能。报警的距离可以通过按键进行控制。测量距离可以通过1ED数码管显示器进行显示。2系统方案设计2.1 系统设计要求本次设计的超声波测距仪预警系统由三

12、个部分组成，分别为测距部分、控制系统部分和报警显示部分。本系统的主要功能是：当系统上点后，当超声波传感器距离障碍物的距离逐渐减小到小于设定的报警距离值的时候的时候，系统会发出报警提示，同时在1ED显示器上显示倒车距离。2.2 系统构建这里我们主要介绍系统的硬件部分，在硬件设计上我们采用模块化的设计思想。主要分成三个主要的模块：测距系统模块、控制系统模块和报警显示模块。倒车防撞系统根据“回波测距的原理设计的，整体框图如图2-1所示。图2-1超声波测距系统结构原理图各模块具体功能如下：(1)测距系统模块：针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。(2)控制系统模块：本系统

13、以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。(3)显示报警系统模块：显示最小距离及报警以提醒使用人员。2.3 系统方案设计2.4 3.1测距系统方案设计目前汽车倒车测距仪预警系统测距技术主要有激光、毫米波测距仪、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息判断前方车辆和本车间的相对距离，并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施。由于题目要求，本系统的测距模块采用的是超声波测距，其他测距方法不做过多说

14、明。所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到16-20千赫兹（KHZ）的声波，低于16千赫兹的声波称为亚声波，我们把超过20千赫兹的声波叫做超声波。超声波在空气中的传播速度约为340mso超声波具有能量消耗慢，传播距离远，并且超声波回检的速度快，计算方便。并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此智能的测距系统主要是通过超声波来实现的。综上所述，超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度，因此本次设计的汽车倒车防撞装置是通过超声波进行测距来实现的。本次设计使用了超声波传感器，它是通过超声波的一些特性而研制的一款传感器。超声波是一种机械波,振动频率高于声波通过改变芯片可以在电压的激

15、励下振动,它有一个高频率、波长、衍射现象,特别是定向好,可以成为射线和定向传输等。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。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。小功率超声探头多用作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前需要了解它的性能。超声波传感器的主要特性如下：（1）工作频率。压电晶片的共振频率就是工作频率。当晶片的共振频率和加到它两端的交流电压的频率相等时，灵敏度最高，输出的能量最大。（2）工作温度。由于其高居里温度压电材料一般比较,尤其是当诊断用超声波探头功率小,所以温度较低,你可以工作在很长一段时间没有失败。医疗使用的超声波探头的温度比较高,需要单独的制冷设备