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1、车距自动检测及报警系统设计院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 摘 要距离的自动检测主要是主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。超声波在测距方面应用十分广泛。比如测量水的深度，水中鱼群的位置，金属探伤，测厚，还有汽车倒车防撞等等。本设计主要要求实现车距的自动检测与报警功能的设计，经过比较，决定使用超声波传感器来实现测量。系统在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。设计了一套超声波检测系统，该系统是一种基于AT89C52单片机的超声波测距系统，它根据超声波在空气中传播的反射原理,以超声波传感器为接口部件，应用单片机技术和
2、超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块和报警模块等五个模块构成。设计利用51单片机系统的I/O口，使超声波传感器发出40KHz的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入单片机，比较调试后确定其对应的距离，完成测距。可实现5米内测距，盲区7厘米，使用LED显示测量距离，当距离小于一定值时发出报警的声音。基于单片机控制的超声波测距系统，增强了超声波的抗干扰能力，减少了人为计算给测距带来的误差，简化了外围接口电路，解决了生活中测距方面带来的不便。关键字：超声波传感器；AT89C52单片机；LED显示单元；报警单元Abstrac
3、tThe automatic measuring of distance is mainly used in measuring the distance of Car Backing reminding, construction sites, industrial site, etc. The application of ultrasonic testing the distance is very widely. such as the measure of the depth of the water, the place of the fish in the sea, the me
4、tal detection 、the measure of the thickness and the reverse in case of the car clashing and so on. The design is required to full fill the automatic detection and the alarm function. After a series of comparison, the proposal of using ultrasonic sensors to implement the measure. Base on the analysis
5、 of the feasibility and the reliability, and the reference of the method of engineering design, the system establishes the thinking of structural design. In this paper, I design a set of Ultrasonic Testing System which is an ultrasonic distance measurement system based on AT89C52 SCM (Single Chip Mi
6、crocosm). It according to the reflection principle of ultrasonic spreading in air, with the interface component Ultrasonic Sensor, the application of SCM technology and time difference of ultrasonic in the air to measure the distance. This system mainly composed by the five modules, namely central p
7、rocessing module、the ultrasonic emission/reception module、display module and alarm module. The design use the I/O interface component of 51 SCM system, making Ultrasonic Sensor send 40KHz ultrasonic wave, and the ultrasonic wave of reflecting back, which through the amplifier and shaping circuit int
8、o SCM, then after comparing and debugging, to determine the corresponding distance. It can be realized within five meters range, the blind area of 7 cm, with LED display. At the same time it has manually adjusting function, the alarm system begins to work when the distance is less than.Such kind of
9、SCM ultrasonic distance measuring strengthen the anti-interference capability of the ultrasonic, reduce the error of the measurement made by man, simplify the external interface circuit and solute the inconvenience of the distance measure in daily life.Key words: Ultrasonic Sensor; AT89C52 SCM; LED
10、display unit; Alarm unit目 录引言.11 绪论.2 1.1 课题背景和意义. 1.2 论文研究内容 2 系统设计的总体方案.32.1 超声波的理论基础32.2 超声波的测距原理和工作方式 .82.3 超声波测距系统的设计2.4 模块方案比较102.5 设计的总体构想153 系统硬件电路的设计.15 3.1 单片机控制系统设计（AT89C52）.183.2 LED显示电路设计203.3 超声波发射电路设计223.4 超声波检测接受电路设计263.5 报警电路设计283.6 本章小结304 系统程序设计30 4.1 超声波测距的算法设计304.2 主程序设计304.3 超声
11、波发生子程序和超声波接收中断程序314.4 报警电路程序设计304.5 本章小结315 电路板的制作32 5.1 原理图绘制 .32 5.2 PCB图的生成 32 5.3 电路板的印制和焊接33 5.4 本章小结33 6 调试与性能分析.33.1 调试.33.2 性能指标.34 结论34谢辞.35参考文献36附录.37引言 近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器（单片机）的出现，使超声波测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高，而且为超声波测距技术的应用开辟更大的空间。 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传
12、感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采
13、用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置
14、上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 利用超声波制作汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。下面我们就使用超声波传感器测距及报警系统为例，具体的说明它的应用。1 绪论进入21世纪后，随着传感技术的发展，传感器已经成为各个应用领域，特别是自动检测，自动控制系统中不可缺少的重要技术工具。伴随着微机（单片机）的发展，传感技术的应用已经逐步得到更广泛的认同，应用于现在各个高科技的行业，而超声波传感器技术应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声
15、清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，取得了很好的社会效益和经济效益。1.1 课题背景和意义 随着科技的高速发展，一种新的测量方法已经产生，那就是利用微机控制超声波传感器自动测距，把这样的一种装置安装在汽车上，就可以给司机以提醒，预防意外的发生，尽可能的减少交通事故。因此，我们就可以在汽车上安装测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。 本课题设计是基于AT89C52单片机进行的。单片机技术的应用，是许多领域的技术水平和自动化程度得以大大提高。当今世界也正面临着一场以单片机技术为标志的新革命，人们渴望迅速进入单片机应用与开发的大门。随着人们物质文化的丰富，各种电子
16、产品开发也越来越先进，越来越迅速。在超声波测距领域，为缩短开发周期、提高测距精度，单片机因为具有集成度高、运算速度快、体积小、运行速度快、体积小、运行可靠、工耗低等无与伦比的优势，以得到了广泛的应用。当前，微型控制器正向两个方向发展，一个是高功能，多功能方向。从这个方向取得的成就使得微型控制器逐步代替了价格昂，功能优越的中小型机；另一个是价格低廉，功能单一的方向，这个方向的发展是微型控制器在生产领域、服务部门和日常生活得到越来越广泛的应用。本课题的研究内容也适用于各种测距的场合，比如说短距离的无接触的测量两个物体之间的距离、矿场、建筑等的距离都可以使用，所以本课题的研究很有必要，有意义。1.2
17、 论文研究内容设计一个单片机系统，用以车距自动检测系统的设计，运用51系列单片机来计算和控制计数器最后通过液晶显示屏或者LED的7段数码管完成，编制程序进行功能的控制，完成该多功能的来电显示电路模型的设计、制作与调试工作。要求有复位和手动调节功能，并要求显示的完整性，动态性，稳定性。本课题研究的就是要在车上安装的车距自动检测和语言报警系统，以尽可能减少发生交通事故的可能性，保障人与车的安全。本文一共分为五章。第1章为绪论，主要介绍本课题研究的背景和意义以及要研究的主要内容，指出了单片微机和传感技术的发展给本课题的研究指明了方向，阐明课题研究的必要性。第2章介绍系统总体方案的设计，各个部分的设计
18、内容，主要分为五个部分，即超声波的发射部分设计、接收部分设计、显示部分设计、报警部分设计和控制部分设计五个方面，从理论上简述基本的设计。第3章主要阐述各个部分硬件电路的设计，分析各个部分所用元器件的性能参数，在本次电路设计中的作用。第4章主要介绍系统程序的设计，主要是单片机程序控制超声波的发射接收，以及计算测量的距离通过LED数码管显示出来，当距离小于一定值（大于盲区）时，由程序控制报警电路发出报警的声音。第5章主要说明硬件软件的调试过程，以及调试的结果，检查本设计是否符合最初的要求，是否完成导师布置的内容等等。2 系统设计的总体方案我们都知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的
19、距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。本文主要介绍超声波在汽车防撞报警系统中的应用，以AT89C52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的硬件电路和软件设计方法。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。2.1 超声波的理论基础超声波是声波大家族中的一员。声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人
20、在自然环境下无法听到和感受到的声波。 频率高于人的听觉上限（约为20000赫兹）的声波，称为超声波，或称为超声。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的
21、功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 频率高于2104赫兹的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生
22、器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。 超声效应 当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下4种效应： 机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化。 空化作用。超声
23、波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸汽或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。 热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。 化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某
24、些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。超声应用 超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面： 超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。 超声成像是利用超声波呈现不透明物
25、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。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相
26、干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现象，通常用摄像机和电视机作实时观察。 超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、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。 基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性
27、和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。 普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在1012赫兹以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的，称为声子。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域量子声学。超声波传感器T/R40-16外形图如下图2-1所示，而外形尺寸如下图2-2所示，具体内部结构图如下图2-3所示 图 2-1 超声波实物图 图 2-
28、2 超声波外观尺寸图图 2-3 超声波转化结构图超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，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成回波，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
29、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，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于
30、压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 具体数据如下表所示表2-1 T/R40-16性能指标数据表性能要求标称频率（KHz）40发射电压at40KHz(0dB=0.2mPa)min117dB接收灵敏度at40KHz(0dB=V/Pa)min65dB静电容量at1KHz,1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能引脚功能说明 Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0
