毕业设计超声波倒车探测系统设计.docx
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毕业设计超声波倒车探测系统设计
摘要
随着人民生活水平的提高，拥有汽车的人越来越多，当然随之而来的交通问题也越来越严峻。
本文所设计的超声波汽车倒车探测系统正是就安全问题而设计的。
本文利用Proteus进行绘图，用汇编语言进行编程。
本设计是以AT89C51单片机为核心的超声波测距仪，并有超声波处理模块TL082组成的发射接收电路。
该设计主要包括单片机控制系统、超声波发射电路、超声波接收电路、检测电路、LED显示电路。
本系统主要实现超声波测距功能，成本低廉，功能实用。
关键字：
AT89C51单片机;TL082;LM393;LED显示
ABSTRACT
Withthepeople'slivingstandardsimproving,moreandmorepeoplehavecars,ofcourse,followedbyincreasinglyseveretrafficproblems.Thisarticleisdesignedbackingcardetectionsystemisdesignedforsecurity.Inthispaper,thedrawingProteussimulationassemblylanguageprogramming.ThedesignisbasedonAT89C51microcontrollerasthecoreoftheultrasonicrangefinder,andthecompositionofultrasonictransmittingandreceivingmodulesTL082circuit.Thedesignincludessinglechipcontrolsystem,ultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivercircuit,detectioncircuit,LEDdisplaycircuit.Thefunctionofultrasonicdistancemeasurementsystemismainlytoachievelowcost,functionalandpractical.
Keywords:
AT89C51Microcontroller;TL082;LM393;LEDDisplay
目录
1绪论1
1.1课题研究意义1
1.2课题研究的目标1
1.3典型器件介绍2
1.4系统总体设计2
2系统硬件电路设计3
2.1AT89C51单片机简介3
2.2复位电路5
2.3AT89C51单片机的晶振电路5
2.4显示电路的设计6
2.4.1LED数码管6
2.4.2显示电路设计原理7
2.5发射电路的设计8
2.6接收电路的设计9
2.7检测电路10
3软件设计11
3.1程序设计流程图11
3.2程序设计12
3.3汇编部分源程序13
4系统调试与性能分析18
4.1系统硬件电路18
4.2调试仿真19
4.3性能指示20
5总结21
参考文献22
致谢23
1绪论
1.1课题研究意义
目前，我国经济发展迅速，许多家庭都拥有了汽车。
人们在享受驾驶乐趣的同时，更加重视行驶的安全问题。
同时我国的公路等级也在不断提高，特别是高速公路的发展，汽车的行驶速度越来越快，车流量也越来越大，汽车碰撞事故越来越多，因此，增强汽车的安全功能，尤其是增强大型、重型车辆的安全导航功能，对于提高行车安全显得十分重要。
目前，国内外都在研究如何利用先进的技术，即汽车避撞技术，辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危急情况下由系统主动干涉驾驶操纵，帮助驾驶者进行应急处理，防止汽车碰撞事故的发生。
在超声波测距系统中，测距是数据采集中要解决的一个主要问题。
虽然测距有多种方式,比如,微波测距、激光测距、红外线测距和超声波测距等，但由于超声波指向性强，是一种非接触式的测距方式，不受被测对象颜色、光线、等因素的影响，对于被测物处于烟雾、黑暗、电磁干扰等恶劣环境也有很好的适应能力，并且超声波的传播速度低，适用于测量较近的距离，同时超声波传感器体积小、结构简单、成本低，因此常被用于距离的测量。
利用超声波检测比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在精度测量方面也能达到工业实用的要求，在汽车安全，移动机器人，海洋测量等上都得到了广泛的应用。
因此超声波测距这一技术用于汽车导航系统有着非常重要的现实意义。
1.2课题研究的目标
超声波测距是一种利用超声波的可定向发射、指向性好等特性、结合电子计数等微电子技术来实现的非接触式检测方式。
在使用中不受光线、电磁波、粉尘等因素影响，加之信息处理简单、成本低、速度快，在避障、车辆的定位导航、液位测量等领域应用更为广泛。
本设计利用超声波的反射特性，结合单片机的定时器和中断功能，检测障碍物的距离并在数码管上显示，从而实现了一个超声波测距装置。
本课题的研究目标是利用超声波实现测距功能，并通过LED数码管显示出来，在到达安全距离范围之内，最大程度保证行车的安全问题。
在汽车倒车时，司机往往因为后视不良发生交通事故，本设计正是为了解决这一问题应运而生的。
在汽车倒车时，即使司机不朝后面看，仍然可以通过超声波倒车探测系统了解到汽车到后面障碍物的距离，从而对倒车做出迅速准确判断，使汽车在到达距离障碍物的安全范围内。
1.3典型器件介绍
超声波传感器有多种结构形式，可分为直探头接收纵波、斜探头接收横波、表面波探头接收表面波、收发一体接头、收发分体式双探头等。
超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。
一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。
其中收发一体式就是发送器和接收器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接收超声波，收发分体式是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多，频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨率也变高。
可根据实际情况进行选用。
本设计采用40KHZ收发分体式超声波传感器，由一支发射传感器MA40S2S和一支接收传感器MA40S2R组成。
1.4系统总体设计
本设计所研究的超声波汽车倒车探测系统实际上是一种近距离的雷达，它利用超声波测距原理，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，在发射的同时开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，当超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。
设超声波在空气中的传播速度为V，在空气中的传播时间为T，汽车离障碍物的距离为d，d=VT/2，这样就可以测出汽车与障碍物之间的实际距离，再在LED显示屏幕上显示出来，从而让司机作出准确有效的判断
本设计利用超声波的反射特性，结合单片机的中断和定时器功能，检测障碍物与车的距离，并将其显示在数码管上，从而实现一个简单的超声波测距装置。
本设计由单片机AT89C51编程产生40KHZ的方波，再由P1.7口输出经过放大电路驱动超声波发射探头发射超声波，发射出去的超声波经障碍物反射回来后,由超声波接收探头接收信号,通过接收电路的检波放大等一系列处理，送至单片机。
单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔，计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。
总体设计思路，单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。
计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播时间T，由此便可以计算出距离。
根据设计要求并综合各方面因素，该设计硬件主要包括5个部分：
AT89C51单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路和检测电路。
系统结构框图如图1-1所示。
发射电路采用单片机端口编程输出40KHZ左右的方波脉冲信号，同时开启内部定时器T0。
单片机的输出端口驱动能力一般比较弱，为增大测量距离能在发射电路上增加功率放大电路。
从接收传感器探头传来的超声回波很微弱（几十个mV级），同时又存在较强的噪声，所以必须增加放大电路和抑制噪声电路。
图1-1系统结构框图
放大电路输出的信号是一串连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号常常是下降沿脉冲信号，因此需要在放大电路后面增加一个比较电路，将正弦波信号转化成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，使得单片机知道已接收到超声波信号，内部计数器停止计时。
显示电路可采用多种方式，液晶、数码管等都可以，本设计采用4位动态显示，显示结果为XXXXmm。
2系统硬件电路设计
该系统硬件电路主要包括AT89C51单片机控制电路，LED显示电路，超声波发射电路，超声波接收电路和检测部分电路五部分组成。
2.1AT89C51单片机简介
AT89C51单片机的引脚及其功能介绍：
◆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，即地址/数据总线复用口。
◆P1口：
P1口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O，P1的输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门电路。
◆P2口：
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门电路。
◆P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门电路。
P3口除了一般的I/O线外，其更重要的用途是它的第二功能。
◆RST复位输入：
当振荡器工作时，RST引脚上出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
◆ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时，地址锁存允许ALE引脚输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
◆PSEN:
程序存储允许输出外部程序存储器的读选通信号。
当AT89C51由外部程序存储取指令时，每个机器周期两次PSEN有效，也即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不会出现。
◆EA/VPP外部访问允许：
欲使CPU仅访问外部程序存储器（其地址为0000H～FFFFH）EA端必需保持低电平（接地）。
◆XTAL1：
振荡器反相放大器以及内部时钟发生器的输入端。
◆XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
在Proteus中Vcc和Vss引脚不显示。
图2-1AT89C51单片机引脚图
2.2复位电路
本设计采用手动复位电路，增加了手动复位按钮，避免死机时通过关机复位造成的不良影响。
复位按钮按下时电容C1通过R1放电，当电容C1放电结束后，RST端的电位由R1、R2分压比决定。
由于R1<R1的作用在于限制按钮按下瞬间电容C1的放电电流，避免火花的产生，以保证按钮的触点。
这里的电源电压为5V。
图2-2手动复位电路
2.3AT89C51单片机的晶振电路
振荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容构成。
AT89C51芯片中的高增益反相放大器，其输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体和两只电容器（电容C1和C2一般取30pF）。
石英晶体为一感性元件，与电容构成振荡回路，为片内放大提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定地自激振荡器，如图2-3所示。
除使用石英晶体振荡器外，若对时钟频率要求不高，还可以用电感或陶瓷振荡器，但使用陶瓷振荡器时要把电容的容量稍微提高一些。
本设计采用石英晶体构成石英晶体振荡电路。
AT89C51单片机、复位电路和显示电路构成最小的单片机系统。
图2-3晶振电路
2.4显示电路的设计
2.4.1LED数码管
LED数码管引脚及其笔段排列（如图a）所示。
图2-4LED数码显示管
LED数码管是单片机控系统中最常用的显示器件之一。
LED数码管的外观如图a。
其中a、b......g段用于显示数字，字符的笔画，dp显示小数点，而3、8引脚连通，做为公共端。
根据LED数码管内各段LED发光二极管的连接方式，可以将LED数码管共阴和共阳两大类。
在共阴的LED数码管中，所有笔段的LED发光二极管的负极连在一起，如图b；而在共阳极LED数码管中，所有笔段的LED发光二极管的正极连接在一起，如图c。
根据显示驱动方式的不同，可将LED数码显示电路分为静态显示方式和动态显示方式。
在静态显示方式中，每个LED发光二极管工作电流在10～20mA之间；而在动态显示方式中，为了获得良好的亮度，LED发光二极管瞬时工作电流可以适当提高，一般取20～35mA之间。
本设计用到的数码管如图2-4所示。
2.4.2显示电路设计原理
图2-5显示电路
显示电路原理图如图2-5所示。
要同时使用多个LED数码管，可采用扫描方式显示，也就是将每个LED数码管的a、b......g都连接在一起，再使用晶体管分别驱动每个LED数码管的共同引脚com。
使用共阳八段LED数码管时，首先把com脚接+VCC，然后将每一只阴极引脚各接一个限流电阻，如图所示。
在数字或微型计算机电路里，限流电阻一般为200～300欧姆，电阻值越大亮度越弱、电阻越小电流越大。
若只使用一个限流电阻，则显示不同数字，将有不同的亮度。
本设计采用显示电路采用4个共阳极8段LED数码管动态显示。
显示方式将要显示的数据放到a、b......g总线上，然后将1110扫描信号送到4个晶体管的基极，即可显示第一个LED数码管；若要显示第二个数码管，同样将要显示的数据放到a、b......g总线上，然后将1101扫描信号送到4个晶体管的基极，即可显示第二个LED数码管；同理可将1011,0111扫描信号送到4个晶体管的基极，即可使三、第四个LED数码管显示。
扫一圈后，再从头开始扫描。
虽然任何一个时间里，只显示一个LED数码管，但只要从第一个到最后一个的扫描时间不超过16ms，则因人类的视觉瞬时现象而会同时看到这几个数字。
本设计中的电源电压为5V,限流电阻为200
。
超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45m/s，由单片机负责计时，单片机使用12MHZ晶振，所以系统测量精度理论上可达到毫米级。
数据XXXX表示XXXXmm。
2.5发射电路的设计
发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的电压及其功率。
本设计利用单片机P1.0引脚发射一组方波脉冲信号，其输出的波形稳定可靠，但输出电流和输出功率却比较低，便不能推动发射传感器发出足够强度的超声波信号，所以在此间加入了一单电源乙类功率放大电路，如图2-6所示。
图2-6发射电路
本设计VCC采用12V，用100UF～50F的电解电容，负载电阻为45
。
功率管用2SC1815,2SA1015两匹配三级管，耐压BVCEO为50V。
在放大电路中，当输入信号方波时，若晶体管在信号的整个周期内均导通（即导通角为
），则称之工作为甲类工作状态；若晶体管仅在信号的正半周或负半周导通（即导通角为
）；则称之为乙类工作状态；若晶体管的导通时间大于半周小于周期（即导通角为180
～360
），则称之为在甲乙类状态。
当P1.0输出高电平时，T1、T2管均导通，电源供电，当P1.7输出低电平时，T1、T2均不导通，因此是乙类工作状态。
单片机的输出端口一般驱动能力比较弱，为增大测量距离，因此在发射电路上增加了功率放大电路。
R7和C2构成低通滤波器。
由于一般情况下功率放大电路的负载电流很大，电容常选用几千微法，且为电解电容。
电容容量愈大，电路低频性将愈好。
但是，当电容容量增大到一定程度时，由于两个极板面积很大，且卷制而成，电解电容不再是纯电容，而存在漏阻和电感效应，低频特性将不会明显改善，一次选电容为100UF～50F。
本设计的采用乙类功率放大电路，其发射功率为0.8W。
本设计所才用的超声波传感器时压电式超声波换能器。
它利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部结构如图2-7所示，它有两个压电晶片和一个公振板。
当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。
超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
图2-7超声波换能器结构图
2.6接收电路的设计
接收电路原理图如图2-8所示。
接收电路主要包括两部分组成：
前置放大电路和带通滤波电路。
前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其他的噪声和干扰，从而达到最大信噪比。
本设计中取R8=1K
，R9=200K
，R10=1K
，即放大电路对信号放大200倍。
在传感器接收的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有干扰脉冲和杂波等环境噪声，前置放大电路在放大有用信号的同时，会将一部分的噪声信号同时放大，并没有提高输入信号的信噪比。
总噪声主要包括50HZ的工频干扰，及其在高频率段接收机内部的噪声，可用运算放大器构成一带通滤波器，保留40KHZ有用信号，滤除干扰。
图2-8接收电路
从工程实践方面考虑，与运放两个输入端相连的外接电阻必须满足平衡的条件，即R12与R13、R14并联。
本设计中R11=1K
，R12=8K
，R13=12.8K
，R14=21.3K
。
前置放大电路中的放大电路为反相比例放大电路。
这是一个典型的电压并联负反馈电路。
设输入电压为Ui，输出电压为U0，-Rf/R为比例系数，下面对前置放大电路的具做体的分析
输入电压Ui通过电阻R8作用于集成运放的反相输入端，故输出电压U0与Ui反相。
同相输入端通过电阻R10接地，R10为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为Ui=0（即将输入端接地）时反相输入端总等效电阻，即各支路电阻的并联，因此R10=R8//R9，从工程的角度考虑，R10近似为1K欧姆。
由U0=-R9Ui/R8，比例系数可以去大于、等于和小于1的任何值。
因为电路引入了深度负反馈，且1与AF的和为无穷。
所以输出电阻为零，电路带负载后运算关系不变。
本设计所用的反相比例放大器放大倍数为200倍。
带通滤波电路中R12=R13//R14，其中R12与C3、C4构成带通滤波器。
放大电路输出的是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号为下降沿脉冲信号，因此在放大电路后增加比较电路，将正弦波转化为方波信号，用方波的负跳变作为单片机的中断输入，从而使单片机知道已经接受到信号，计数器停止计时。
2.7检测电路
检测电路要求保证每次接收信号都能被准确地鉴别出来，通常利用比较器将输入信号与某一固定电平进行比较，输出不同的电平来产生上升或下降沿触发，转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚，检测电路如图2-9所示。
图2-9检测电路
由于LM393是开漏输出，所以在输出端加上上拉电阻R17。
电容C5起简单滤波作用。
R15、R16分压得到参考电压。
前级放大滤波电路输出是5V左右连续信号连续叠加，所以分别取R15=20K
，R16=1K
。
3软件设计
3.1程序设计流程图
系统软件主要实现以下三种功能：
信号的发射控制、数据存储处理和现实输出。
为了得到时间差，要读出此时计数器的计数值，但此值不能直接显示输出，计数值与实际的距离转换公式为：
S=0.5*V*T=0.5*344*T=172*T,其中，T为发射信号到接收之间经历的时间。
由于单片机是按照十六进制进行运算，所以得出的并不能直接显示，需要进行转换。
在这个部分中，信号处理主要包括计数值与距离值换算，以及二进制与十进制转换。
整个系统软件结构可以分为主程序、子程序、中断服务程序分别如图3-1、3-2、3-3所示。
在初始化以及调用发射子程序后打开定时器开始计时，程序进入中断响应的等待
图3-1主程序流程图图3-2定时中断流程图图3-3外部中断程序流程图
3.2程序设计
主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0的工作模式为16位定时/计数器模式，置位EA（总中断允许位）并对显示端口P0和P2进行清0处理；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。
为了避免超声波从发射器直接传到接收器而引起的直射波，需要进行延时，时间约为0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才可打开外中断0，接收返回的超声波信号。
因采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，便可将计数器T0值按式d=0.5*V*Tmm计算，即可得到被测物体与测距器之间的距离，理论上可测量精度达到毫米级。
设计取标准空气中的声速为331.45m/s，其中，T为计数器T0的计数值。
测出距离后，结果以十进制BCD码方式送往LED显示，约为0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
超声波发生子程序的作用就是通过P1.7端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率40KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开，超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确。
超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。
进入该中断后，就立即关闭计时器T0，此时停止计时，将测距成功值标志字赋值1.如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，将测距成功标识字赋值2，以表示本次测距不成功。
主程序，超声波发生子程序见源程序。
3.3汇编部分源程序
采用AT89C51单片机，12MHz晶振，共阳LED显示器，测试范围为0m～7m，显示缓冲单元在50H-53HH,内存54H～56H用于计算距离,堆栈在5F以上，20H单元用于显示标志位。
部分源程序如下：
VOUTEQUP1.7;脉冲输出端口
中断入口地址
*************************
ORG0000H
LJMPBEGIN
ORG0003H
LJMPPINT0
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG0013H
RETI
ORG001BH
LJMPINTT1
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
主程序
******************************
BEGIN:
MOVSP,#5FH
MOVR0,#50H;50H～53H显示数据存放单元（50H为最高位）
MOVR7,#0BH
CDISP:
MOV@R0,#00H
INCR0
DJNZR7,CDISP
MOV20H,#00H
MOVTMOD,#21H;T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器
MOVTH0,#00H;65ms初值
MOVTL0,#00H
MOVTH1,#0F2H;40kHz初值
MOVTL1,#0F2H
MOVP0,#0FFH
MOVP1,#0FFH
MOVP2,#0FFH
MOVP3,#0FFH
MOVR4,#04H;超声波脉冲个数控制（为赋值的一半）
SETBPX0
SETBET0
SETBEA
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