基于单片机汽车倒车测距仪的设计.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 本科毕业论文（设计、创作）题目： 基于单片机汽车倒车测距仪的设计 学生姓名： 学号： 103402034 所在系院： 专业： 电子信息工程 入学时间： 2010 年 9 月导师姓名： 职称/学位： 副教授/硕士 导师所在单位： 完成时间： 2014 年 5 月安徽三联学院教务处 制专心-专注-专业基于单片机汽车倒车测距仪的设计摘要：在分析国内外基于单片机汽车倒车测距仪相关技术的基础上，结合最新的相关测距仪的研究成果，对超声波测距的汽车倒车测距系统进行了深入的探讨与研究。通过利用超声波传输中的距离与时间的关系，采用AT89S52单片机进行控制以及数据的处理,从而进行设

2、计的能精确测量汽车车尾与障碍物间点与点距离的超声波测距仪，其能够比较精确测量我们所需的车后障碍物的距离。系统可分为测距模块、系统控制模块与LED显示报警模块,分别对此系统进行方案分析，初步构建了单片机汽车倒车测距仪构架与设计方案,在其硬件电路中，分析了运用单片机技术实现的可视倒车预警系统，阐述并分析了以单片机为主控单元的系统软件与硬件设计，并对该系统进行了试验和误差分析，能够基本上满足设计的需求。关键字：测距仪； 单片机； 超声波传感器The design range finder of car parking based on microcomputer Abstract：In the an

3、alysis of domestic and foreign-based microcontroller car reversing range finder based on relevant technologies, combined with the latest research results on ultrasonic distance measuring system car reversing conducted in-depth discussion and research. Through the use of the relationship between the

4、distance between the ultrasonic transmission time using AT89S51 MCU control and data processing, and thus between the ultrasonic range finder designed to accurately measure the distance between points, which can more accurately measure the vehicle obstacle distance. The system can be divided ranging

5、 module, alarm system control module and display module and system solutions for this analysis were initially constructed single-chip architecture and design of the car parking finder program, in its hardware circuit, detailed account of the use of visual reversing warning system microcontroller tec

6、hnology, describes and analyzes the microcontroller as the main control unit system software and hardware design, and the system was tested and error analysis, Which can substantially meet the design, gives the corresponding stability and safety index of the system.Key words: range finder; MCU; Ultr

7、asonic sensors 目录 附录 A9第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着生活节奏的加快，汽车行业的逐渐普及，非职业汽车驾驶员渴望汽车倒车装置的出现，可以在一定程度上缓解驾驶员的一些担忧，从而提高了驾驶的安全性。此种需求可用单片机控制的汽车倒车测距仪来实现。本测距仪把单片机的各种功能及技术相结合，通 过 距 离 的 显 示 滴 答 报 警 等 ，在 听 觉 和 视 觉 上 共 同 达 到 驾 驶 员 的 要 求 ，有 利 的 缓解驾驶员在泊车和起动车辆时探视所引起的困扰，方 便 了 驾 驶 ，使 驾驶的安全率提高。 1.2 国内外研究现状 本文所设计的汽车倒车测距仪实现了各部件有

8、效的联系，具有精确测距及提示和报警的功能，且以蜂鸣器提示才真正开始的，因此很好操作。蜂鸣声的频率标志车辆离障碍物的远近。液晶荧屏动态显示能够有效地帮助驾驶员看清路况，因此作用明显。其 动态显示，直接粘贴在仪表盘上，安装很方便，色彩清晰漂亮，外表美观。但在灵敏度方面要求很高，所以在一定程度上容易产生误报的现象。魔幻镜倒车测距仪在目前测距仪市场上算是现在较先进的倒车测距仪，它是在取其精华，去其糟粕，综合前几代产品的优点，较 完 美 的 展 现 出 来 ，设 计 而 完 成的 。其 可有效地测量2米以内的障碍物，能 够 显 示 并 及 时 提醒驾驶员。把后视镜、温度显示、倒车雷达、免提电话和车内空气

9、污染显示等多项功能整合在一起的魔幻镜倒车雷达，还有语音功能。其安装方便且不占空间。颜色款式各异，可自由装饰调配。随电子技术的发展，其 相关技术日新月异，使高度信息化、电子化的车辆研制有了基础。该测距仪能通过测距、显示、报警、提示功能给司机提供优质服务，且不影响视觉效果，占用空间小。1.3 研究内容及论文构成 论文内容及构成主要由以下部分组成： 第1章 主要介绍了本研究测距仪的背景、意义及相关技术在国内外的研究现状。 第2章 论述了系统的总体方案设计。本 测距仪对测距系统传感器的选择、显示报警系统的方案设计的分析，并对本系统总的方案设计进行了模拟。 第3章 系统硬件设计。对 超声波传感器工作原理

10、的分析，讨论测距模块中电路硬件的设计，介绍了系统显示报警模块电路的设计。 第4章 系统软件设计。对 各 个 模 块 分别进行了软件设计。 第5章 硬件及其性能分析。先对系统进行硬件组装及连接，接 着 对系统的性能误差进行论述。 第6章 总结与展望。 先 对 论 文 总 体 进 行 概 括 ，继 而 进 行 总 结 ，最 后 做 了 预 测 。 第二章 系统总体设计 2.1 方案设计与论证 为实现汽车倒车防撞报警，本 设 计 方 案 需 要 解 决 的 方 案 ，测 量 的 器 件 ，显 示 器件 ，数 据 芯 片 的 选 择 。为达到所需精度则用传感器再经由合适的核心芯片处理，以 下 将 分

11、别 论述。 2.1.1 控制器的选择 52系统单片机具有优良的特点，目前其 技术也相当成熟且是一种功能强大的微控制器。总而言之，89S51有设计简单，体积小，安装简易，成本低等特点，所以此数据模块成为本系统进行设计的首选。 2.1.2 距离测量的器件选择关于测距传感器，现在主要有以下几种： （1）红外传感器。通过发出红外光，接收到前方物体的反射光，再 接收数据，计算距离后，依此判断障碍物距离。 （2）激光测距。由于激光的特性中单色抗干扰好且有较强的方向性，对于检测可实现高精度值计量。（3）超声波原理传感器，如蝙蝠。超声波传感器通过超声波的回波判断是否检测到物体。综合考虑时间干扰情况，此方案选用

12、超声波传感器。 2.1.3 显示子系统设计 显示器应用广泛，其 中 LED发光二极管，设计简单易安装，低成本。与此相比较，CRT监视器、屏幕较大的LCD液晶屏是复杂、较完整的显示器，其成本不等。为简单设计，本论文采用LED实现显示功能。 2.1.4 声音报警设计 本论文用单片机产生一方波来控制。本论文设计采用市场廉价蜂鸣器来完成声音报警功能。2.2 系统的总体结构 根据论文所需，系统硬件结构需要符合相关要求，因此系统总体结构框图如2.1所示。 图2.1 系统总体结构框图第三章 系统硬件设计 超声波传感器(俗称探头)、蜂鸣器、控制器和显示器成为此系统的组成部分。 控制器的控制，通过采用超声波测距

13、，由传感器发射超声波信号，产生回波信号的方法，当 遇 到障 碍 物 ，后经控制器进行综合数据处理，来 判断障碍物的位置，并显示距离以用来发出警报，最后用以达到安全泊车的效果。 3.1 单片机控制电路设计 本论文设计采用AT89S52作为系统控制器。 其 能 兼容标准8051指令系统及引脚，具有很大的实用性。且在编程方面非常的方便，AT89S51有很多标准功能。 图3.1 单片机最小系统空闲方式时停止CPU工作，但定时器（计数器），及中断系统还可以工作。单片机最小系统是指能让单片机工作时的最简单的电路，包括电源电路、振荡电路、复位电路，如图3.1。对于P0口，有两种不一样的功能。一是在8051不

14、带片外存储器时，此时，需要输出数据锁存， 不需外接专用锁存器，此 时 输入数据缓冲，增加数据输入可靠性。 二是8051带片外存储器，在CPU访问片外存储器时，随后传送CPU对片外存储器读写的数据。对比而言P2口也有类似的功能。3.2 超声波发射及接收电路设计 超声波测距原理（接收频率40KHZ左右)：超声波测距原理是利用已知超声波在空气传播速度，测量声波在发出遇到障碍物反射回来的时间，根据时间差计算距离。超声波传播轨迹是直线，且有较好的方向性、传播距离较远。利用超声波测量是一种非常有效的测距的方法。在超声波测距时，向设置的前方发射超声波，同时启动定时器开始计时，若出现回波，则立即就停止计时。用

15、时间t(s)。计算发射点（车距）距障碍物之间的距离为： L=340t(超声波在空气中的传播速度）/2=170t (1) 此定时器的计时方式是对机器周期T机的计数，时钟频率fosc取12MHz，设计数值N，则 T机12/fosc=1ms，t=NT机N10-6(s) S170NT机170N/106(m) 或 S=17N/103=0.017N(cm) (2) 程序中按式（2）计算距离。 3.2.1 超声波发射电路的设计 电路如图3.2所示。超声波发生器经由压电型超声换能器（相当于一只扬声器）把AT89S51产生的40Khz信号，由HCF4069六非门(反相器）放大经超声波发射模块转化为机械波向外界发

16、射。在操作时，单片机能由换能器转换为超声波向前方空间发射40KHZ标准超声波信号。 图3.2 超声波发生器在操作时，单片机能由换能器转换为超声波向前方空间发射信号。 3.2.2 超声波接收器超声波能量与空气中的传输距离远近成反比，因此在设计时要选择放大倍数较大的超声波接收电路，本文采用HCF4069ubc；为减小环境噪声对回波信号的干扰，回波易于被检测，选用带有良好滤波特性的电路。超声波接收电路则要具有完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能。 CX20106A为红外线遥控专用芯片，会对探头接到的信号进行滤波，放大总增益80DB。 图3.3 超声波接收机在工作时，发出声波后启动

17、中断，开始计收到时间，而后进行距离结果计算，再根据远近,控制LED显示和蜂鸣器报警。 3.3 LED显示及报警电路设计 发光二极管的缩写为LED。LED数码管由8只发光二极管组成，分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp为小数点。如图3.4所示，图3.5为其实物图，其引脚会有所不同。 图3.4 发光二极管引脚图 图3.5 LED实物图 图3.6 共阳二极管 图3.7 共阴二极管 利用人眼的“视觉暂留”特性，本 实 例 采 用 动 态 扫 描，这 种 显 示 方 式 无 需 存 储，且 AT89S51 本 例 资 源 足 够，故 选 用 此 动 态 显 示 方 法。3.4 本章小节 总

18、体硬件设计图如图3.8所示。 图3.8 总体硬件设计图如图3.8所示，根据如图进行电路的链接，其中P2.0接蜂鸣器，用于报警提示。 Vcc为5V电源，供电只在倒车时才有。第四章 系统软件设计 硬件和软件的结合才能发挥本设计的功能，因此在梳理硬件电路后，须配合软件，方能实现本系统的功能。本设计可分为发送超声波、计算测量距离、显示测量距离等。 软件包括四个主要模块组成分别是主程序、超声波发射子程序、INT0中断服务程序、定时器T0溢出中断程序。 4.1 主程序的设计 首先经过对主程序进行操作后，然后通过对系统环境初始化，去置位回波接收标志，P3.2口输出40KHZ驱动超声波的发射电路，然后启动定时

19、器T0。调用计算距离子程序，计算出待测距离，调用显示子程序，同时调用声音处理程序达到蜂鸣器的发声。最后通过回波信号接收，如此循环下去。 在测距时，超声波需要测的时间差为开始到结束的反射波，因 此 要避免检测到余波信号。余波是直达波，为超声测量的主因。 数据处理，按L=17N/103=0.017N(cm)来计算，其中，为计数器的值，声速取为340m/s。 系统主程序流程图，如图4.1所示。 图4.1 系统主程序流程图在系统初使化中，设定定时器0的工作方式是主要的，同时开总中断等。P2.3发出40KHz超声波，同时要打开定时器去计时。当回波信号接收时，则会把低电平给INT0后随后进入中断处理程序。

20、继而主程序恢复初值，随后循环进行。4.2 中断处理程序设计 中断服务程序INT0对距离进行计算，部分程序流程图如图2所示。 图4.2 中断处理程序流程图中断处理程序进行距离的计算。在定时器0里可知超声波的传播时间，从 而 算出 障碍物离车尾的距离，最后把距离值调到其它模块进行处理，随即完成此操作。4.3 测距模块设计 由L=17N/103=0.017N(cm)，算出距离数值，此 过 程 仅需知道从发送到接收到超声波定时器0的计数次数N。超声波发生器要得到主程序发送的信号，需打开总中断和定时器0。信号接收后INT0为低电平。停止定时器的计时在检测到该信号后，去统计定时器的计数次数，从而可得到以c

21、m为单位的距离值。 4.4 显示及报警模块设计 LED采用共阳极的连接方式且能够显示距离，同时与P0口连接进行段扫描。所以这个显示过程是在外部中断0发生后进行。 根据计算出的距离大小，来对蜂鸣器的频率进行控制。在距离小于某一特定距离时，距离越小蜂鸣器的鸣叫速度越快；在距离小于1.1m时，就会发出长鸣声，此过程可用AT89S51单片机来实现操作。 第五章 硬件组装与性能分析 超声波测距传感器为本设计的主体，硬件组装与连线如下： P0口接在四位八段数码管的8个引脚上，随后进行段扫描。 P2口的P2.1P2.4控制四位数码管片。 P3.6有控制声音的播报作用。 INT0接超声波接收器，可 用 来 判

22、断超声波接收到回波的信号，并可使计数器停止计时。接受到回波的时间差是测距时需要的关键数据，在检测有效信号时避免检测到余波信号的干扰，余波干扰也是超声测量的主要干扰。在理论上中本论文设计存在误差，一般可控范围是是20cm。这在一定程度上传感器的驱动功率、测量方法对超声波测距所能测的距离大小有关。由于器件选择，距离的计算，以及安装，环境影响会产生一定的误差，但我们要尽量减小误差，就可能产生误差的原因进行分析。 （1） 环境温度引起的误差 气候为误差产生的主因，声速V随环境温度T变化,其计算公式为： V=335.5+0.607T(m/s) (5-1) 根据数据计算，当温差30oC左右时，误差大概在1

23、8cm。本论文设计没有采用温度补偿，对近距离主要是起到警报的作用，故 没采用温度补偿来节约成本。 （2） 料质所带来的误差 表面光滑的材料比粗糙材质测量结果要好很多，在反射物体表面较粗糙时，会引起回波信号减弱，此时产生的测量数据就会有差异，则结果误差增大。（3） 对超声波波束入射角的影响 障碍物、探头、保险杠三者之间角度不到90度时，此时系统测量到的是障碍物与探头间的距离，但不是其与保险杠的垂直距离，此时则会造成测量上有一定的误差，给数据带来偏差。在障碍物的距离较小时，此将为距离测量误差来源的重要组成部分，误差减小，可 通过增加探头个数去减小误差。在一般情况下，汽车上会安装4个以上的探头。（4

24、） 直达波影响 直达波的干扰用软件来消除。自动忽略结果，则是在芯片一旦判定收到的超声波信号，且是声波衍射返回信号的时候，判断其否为有效，有则尽心处理，反之，则进行新一次的测量。 第六章 结论及展望 本设计是基于89S51单片机且是以超声波测距为主的报警系统。以单片机为控制核心，由超声波传感器采集数据，通过AT89S51快速计算出障碍物距离车尾的距离，并显示距离并及时的发出语音报警，不仅为安全泊车提供帮助， 也为当代司机大众提供安全的保障，更在一定程度上为治安、人民财产安全提供保障。此论文可在下面进行完善：(1) 基于探头的限制，高温高压等恶性环境，因此测量时误差会增大，可 更换合适的探头。 (

25、2) 动态性能不高，因 为 当被测物的速度较小时，此时实现跟踪测量，但当移动速度过快且大时，则测量误差随之增大。 (3)没有采用温度补偿，若系统中加入温度补偿的方法，则将使整个系统发展到另一个层次。 (4) 本设计技术一般，在加入模糊控制系统情况下，则会出现不一样的发展前景。汽车倒车测距仪的设计范围广泛，涉及面广，随着技术在不断的进步中，此设计会得到进一步发展致 谢首先，我感谢指导老师在我论文设计中的教导。本设计是在老师精心指导和耐心帮助下完成的。老师平日里工作繁多，但从各方面都对我们毕业进程进行督促和指导。我非常感谢老师。本课题在选题及设计过程中老师时常询问研究进程，并为我出谋划策，帮助我开

26、拓研究思路，悉心指导，并加以鼓励。老师求真务实的作风，严谨的态度，求实的精神，不仅在设计中授我以文，而且教我做人，给我的影响将是无穷的。在她的引导下，我有了设计的思路，极大的开拓了我的学习视野，也为我的毕业论文打下了理论基础。最后感谢四年来，老师们的教导，教会我知识的运用，更教会了我们做人的道理，同时感谢同学的帮助，教我懂得了互相帮助的可贵，在此也感谢在此写作中所借鉴的书籍创作老师们，谢谢你们的辛苦创作，为我的写作提供无尽的知识来源，丰富我的知识面。感谢大家。参考文献 1 胡汉才.单片机原理及接口技术M.北京:清华大学出版社,2004. 2 丁镇生.传感及遥控遥测技术应用M.北京:机械工业出版

27、社,2003. 3 房小翠.单片微型计算机与接口技术M.北京:国防工业出版社,2003. 4 张国熊.测控电路M.北京: 机械工业出版社, 2003. 5 童诗白.模拟电子技术基础（第3版）M.北京:高等教育出版社,2003. 6 阎石.数字电子技术基础（第5版）M.北京:高等教育出版社,2004. 7 侯媛彬等.凌阳单片机原理及其毕业设计精选M.科学出版社,2006. 8 罗亚非.凌阳十六位单片机应用M.北京：北京航空航天大学出版社,2003. 9 张毅刚等. MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈工大出版社，2004. 10 霍孟友等.单片机原理与应用M.北京：机械工业出版社，2004.

28、 11 霍孟友等.单片机原理与应用学习概要M.北京：机械工业出版社，2005. 12 许泳龙等，单片机原理及应用.北京：机械工业出版社，2005. 13 朱爱红,朱宁文.基于AT89C2051的超声波测距系统 J信息技术与信息化2006(5):4-614 张敏,寇为刚.基于超声波的自动测距系统设计 J自动化技术与应2011.30(4):20-2215 朱晓娥，常亮，谢慧才.氯离子环境下钢筋锈蚀概率模型探讨J.汕头大学学报2007,22(4):22-2516 魏泉.超声波测距技术在轨道吊防撞功能中的应用J.港口科技2009(7):10-12 17 Thom Hogan, The Programm

29、ers Sourcebook,Microsoft,1988. 18 Yang. Y., Yi. J. Optimum design for linearityand efficiency of microwave Doherty amplifier using a new load matching technique, Micro w. J., 2001. 19Vizimuller, P.:RF design guide-systems, circuits, and equations (ArtechHouse, Boston, MA, 1995). 20 Keil Software. Th

30、e Final World On the 8051.Germany；Keil Elektronik Gmbh and Keil software,1997.附录A 硬件电路连接图附录B 主要程序清单 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-); for(y=110;y0;y-); /*延时程序*/ void delay_20us() uchar a; for(a=0;a100;a+); /*20us的延时程序*/ /*以下为数

31、据显示程序*/ void Display(usigned char num) uchar code CODE1=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /*数字段码1；变量名CODE1*/ uchar code CODE2=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10; /*含有小数点的数码段2；变量名CODE2*/ int led0,led1,led2,led3,i led0=num%10; P0=CODE1led0; /*P0为段码扫描*/ P2=0x1D; /*数码管片选*

32、/ for(i=0;i100;i+)/*延时*/ led1=num/10%10; P0=CODE1led1; /* P0为段码扫描*/ P2=0x1B; /*数码管片选*/ for(i=0;i100;i+) led2=num/100%10; P0=CODE2led2; /* P0为段码扫描*/ P2=0x17; /* 数码管片选*/ for(i=0;i100;i+) led3=num/1000; P0=CODE1led3; /* P0为段码扫描*/ P2=0x0F; /*数码管片选*/ for(i=0;i100;i+) /*以下为声音报警程序*/ void baojin(usigned cha

33、r juli) unsigned char count; sbit PZ=P20; int sign if(juli =110) goto case1; /*当距离小于150cm时，发出频率为1Hz的声音*/ if(juli =70) goto case2; /*当距离小于110cm时，发出频率为2Hz的声音*/ if(juli =30) goto case3; /*当距离小于70cm时，发出频率为5Hz的声音*/ if(juli =10) /*计数值为10,从开始的10Hz得到1Hz的频率*/ count=0;/*给count恢复初值0*/ PZ=PZ; /*若已到500ms,就改变PZ电平

34、*/ Break; Case2:void InitTimer0(void) TMOD = 0x01; /*令T1为定时器方式1*/ TH1 = 0x3C; TL1 = 0xB0; /*装入定时初值*/ EA = 1; /*打开总中断*/ ET1 = 1; /*打开T1中断*/ TR1 = 1; /*启动T1计数*/ void main(void) InitTimer0(); while(1); void Timer0Interrupt(void) interrupt 1 TH1 = 0x3C; TL1 = 0xB0;/*计数结束后重装定时器初值*/ if(+count=5) /*计数值为5,从

35、开始的10Hz得到2Hz的频率*/ count=0;/*给count恢复初值0*/ PZ=PZ; /*若已到250ms,就改变PZ电平*/ Break; Case3: void InitTimer0(void) TMOD = 0x01; /*令T1为定时器方式1*/ TH1 = 0x3C; TL1 = 0xB0; /*装入定时初值*/ EA = 1; /*打开总中断*/ ET1 = 1; /*打开T1中断*/ TR1 = 1; /*启动T1计数*/ void main(void) InitTimer0(); while(1); void Timer0Interrupt(void) interr

36、upt 1 TH1 = 0x3C; TL1 = 0xB0;/*计数结束后重装定时器初值*/ if(+count=2) /*计数值为2,从开始的10Hz得到5Hz的频率*/ count=0;/*给count恢复初值0*/ PZ=PZ; /*若已到100ms,就改变PZ电平*/ Break; Case4: PZ=1;/*此时蜂鸣器连续发出声音*/ Break; void main() uint succeed_flag; uint time,timeH,timeL; uint distance; P1.0=1; /*首先拉高超声波发生器复位引脚*/ EA=1; /*打开总中断*/ TMOD=0x1

37、0; /*定时器0，16位工作方式*/ while(1) EA=0; /*关总中断*/ P1.0=0 ; /*超声波发生器复位有效*/ delay_20us();/*延时20us*/ P1.0=1; /*产生一个20us的脉冲*/ while(P3.2=0); /*等待接收到回波时的P3.2引脚变高电平*/ succeed_flag=0; /*清测量成功标志*/ EA=1; /*开总中断*/ EX0=1; /*打开外部中断0*/ TH0=0; /*定时器0清零*/ TL0=0; /*定时器0清零*/ TF0=0; /*计数溢出标志*/ TR0=1; /*启动定时器0*/ delay(20);

38、/*等待测量的结果*/ TR0=0; /*关闭定时器0*/ EX0=0; /*关闭外部中断0*/ if(succeed_flag=1) time=timeH*256+timeL; distance=time*0.017; /*厘米，便于数码管显示*/ display(distance); baojin (distance); void exter() interrupt 0/*外部中断0是0号*/ timeH =TH0; /*取出定时器的值*/ timeL =TL0; /*取出定时器的值*/ succeed_flag=1; /*修改成功测量的标志*/ EX0=0; /*关闭外部中断*/ void timer0() interrupt 3 TH1=0; TL1=0;/*将定时器0中的初值清零*/