基于51单片机的超声波倒车雷达测距Word文档下载推荐.docx

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基于51单片机的超声波倒车雷达测距Word文档下载推荐.docx

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Thisultrasonicdistancemeasurementsystembysingle-chiptiminganddisplaycircuitofthecontrolcircuits,ultrasoundmodules,measuringdistances,voicecircuitsandothercomponents.DetailstheultrasonicrangefinderandAT89S52microcontrollermodulelocation.CorerealizationofultrasonicHY-SRF05ultrasonicdistancemeasurementmodulesfortransmitandreceive.Awholecircuitofsimplestructure,lowcost,stable,measurementprecisiontoreachtheactualapplicationrequirements.

Keywords:

Ultrasonicwave；

Measuredistance

第1章绪论

1.1课题研究的背景

随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。

其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。

倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。

因而倒车事故给车主带来的许多麻烦，有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷达的加装可以解决驾驶人员后顾之忧，大大降低倒车事故的发生。

超声波倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

倒车雷达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。

通过感应装置发射超声波，然后通过反射回来的超声波判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。

只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离。

1.2国内外研究现状

一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。

在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。

在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。

法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。

他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。

1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。

相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。

4年之后，1934年sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。

德国人Bergrnann在他的论著《ULTRASONIC》中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。

美国的Firestone首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。

在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。

这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。

目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。

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测距设备，并已成为超声波检测的发展方向。

厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。

该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。

另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。

这些处理方法都取得了较好的效果。

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波测距系统的发展速度很快。

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。

随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高，单数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

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。

其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。

与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

1.3课题研究的意义

在现实生活中，在某些特殊的场合，传统的测量距离的方法往往会存在一些没办法克服的因素，像是在液面上做距离测量，用传统的方法，电极法首先采用差位的分布电极，再通过给脉冲或电来进行检测液面，由于电极需要长期浸泡于水中或其它液体中的原因，所以极易容易被腐蚀或是电解，从而导致降低灵敏性。

但是如果使用超声波来测量距离的话，刚好可以很有效地解决这一问题。

目前市面上常见的超声波测距系统由于价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。

为解决这一系列难题，本文设计了一款基于AT89S51单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。

第2章超声波测距原理

2.1超声波简介

我们知道，当物体振动的时候便会产生声音。

科学家们系统的把每秒钟振动的次数称之位声音的频率，单位称为赫兹（HZ）。

人类的耳朵可以听到声波的频率仅在20到20000HZ之间。

如果声波的振动频率超过了20000HZ或是低于20HZ时候，人们便没办法听见了。

所以，通常超过20000HZ的声波我们将之称作“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波的主要频率为1～5兆赫。

超声波的优点是具有良好的方向性，它穿透的能力也非常强，可以很容易的获得比较集中的声能，水中的传播距离也比较远等特点。

用途比较广泛，主要用于测量距离、测量速度、医学方面，军事方面，工业方面，和农业方面。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，由于在介质的质点振动频率相对于高，因此能量也是相对的大。

如果冬天在北方的时候，如果往水罐中注入超声波的话，罐中的水会由于剧烈震动碎成大量的小雾滴，再把破碎的雾滴用风扇往室内吹的话，便使室内的空气湿度瞬间增加，这个原理便是超声波加湿器。

对于气管炎疾病或咽喉炎疾病等等，药品很难随血流到达患病的部位。

使用加湿器的原理，可以有效的雾化药液，让病人吸入，能够提高疗效。

人体内的结石可以使用超声波的较大能量经过剧烈的受迫振动而破碎。

2.2超声波测距原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。

测量距离时，超声波传感器将对准反射物并且发射超声波，此时便立即计时，超声波由于在空气的传播过程中碰到障碍物将会被反射回来，同时传感器的接收端将收到反射回来的脉冲后便会马上计时结束，便可以依据超声波在传播中的速度和时间计算出两端的相距距离。

测量中的距离D为

（式2.1）

式中c——超声波的传播速度；

——超声波从发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。

由上式可知，主要由计时的精度和传播的速度这两方面来决定距离测量的精度。

计时的精度主要是由单片机的定时器起决定的作用，定时时间是指机器周期和计数次数两个的乘积，可以选用12MHz的晶振，这样可以使机器周期精确到1µ

s,便不会使累积误差产生，使得定时间可达到1µ

s。

对于超声波的传播速度c来说是会改变的，传播速度受到空气的密度、气体的分子成分和温度的影响，关系式为

（式2.2）

式中

——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40

R——气体普适常数，为8.314kg/mol

T——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t

M——气体相对分子质量，空气为

kg/mol

——0℃时的声波速度，为331.4m/s

由上式可见，温度是超声波在空气中传播时影响最大的因素，由表达式可计算出波速与温度之间的关系，如表2.1所示。

如果温度值越高，传播的速度将越快，并且温度不同的话，传播的速度的差异也很大，像在0℃时的传播速度为332m/s，但是30℃时的传播速度为350m/s，相差18m/s。

因此，需要测量的精度较高的时候，进行温度补偿是最有效的措施。

对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。

表2.1超声波传播速度与温度关系表

项目

数值

温度

-30

-20

-10

100

声速/（m

s）

313

319

325

332

338

344

350

356

361

367

388

第3章方案论证

3.1设计思路

有许多种测量距离的方法，如果是短距离的话可以用尺，远距离可以使用激光测距等，高精度中长距离的测量则可以使用超声波测距。

由于超声波在标准的空气中传播时，速度是为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机是使用12MHz晶振，因此这个系统的测量精度理论上即达到毫米级。

目前比较普遍的测量距离原理：

通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标进行的探测，通过发射出特征频率的超声波和接收到反射回特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，有超声波测厚，超声波汽车测距报警装置等。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离测量。

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要求。

由于超声波具有易于定向发射、定向方向性好、强度容易控制、和被测物体不用直接的接触的优点，被当认为是液体高度测量的最佳手段。

在目前我国的超声波测距的专用集成电路中都是只有到达厘米级别的测量精度，但是在精密的液体测量中往往都需要毫米级别的测量精度。

通过进行检测超声波测距误差的产生原因，从而提高所测量时间差的精度到微秒级别，同时用温度传感器处理声波传播速度的补偿之后，我们设计出的高精度超声波测距仪可达到毫米级的测量精度了。

目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本花费较高并且功能较为单一。

不过以单片机为主要核心的测距仪器可完成预置、多个端口进行检测、显示和报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定、可靠。

以8051为内核的单片机系列，其硬件结构具有功能部件齐全、功能强等特点。

尤其值得一提的是，除8位CPU外，还具备一个很强大的位处理器，它实际上是一个完整的位微计算机，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位寻址寄存器、I/O口和指令集。

所以，8051是双CPU的单片机。

位处理在开关决策、逻辑电路仿真、过程测控等方面极为有效；

而8位处理则在数据采集和处理等方面具有明显长处。

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。

利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波；

超声波信号的接收采用锁相环LM567对放大后的信号进行频率监视和控制。

一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。

可对测得数据优化处理，并采用温度补偿，使测量误差降到更低限度；

AT89S52还控制显示电路，用动态扫描法实现LCD-1602显示。

3.2系统结构设计

超声波测距仪系统结构如图3.1所示。

它主要由单片机、超声波传感器、温度传感器、键盘、LCD显示电路及语音播报电路组成。

系统主要功能包括：

超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；

检测空气温度用于距离计算的补偿；

LCD显示器显示距离、温度；

语音系统播报测量距离；

键盘接收用户命令并处理；

图3.1超声波测距仪系统结构框图

第4章硬件电路设计

4.1单片机AT89S52

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicrocontrollerUnit）。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52即能按照正常的方法进行编程，也可在线进行编程。

它是把通用的Flash存储器和微处理器结合在一起的，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

其引脚图如图4.1所示

（1）主电源引脚

GND——第20脚，电路接地电平。

VCC——第40脚，正常运行和编程校验+5V电源。

（2）时钟源

XTAL1——第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。

当直接采用外部信号时，此引脚应接地。

XTAL2——第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。

当采用外部振荡信号源时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。

图4.1AT89S52引脚图

（3）控制、选通或复用

RST/VPD——第9脚，RESET复位信号输入端口。

当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为2个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。

在VCC掉电期间，此引脚（即VPD）可接通备用电源，以保持片内RAM信息不受破坏。

——第30脚，输出允许地址锁存信号。

当单片机进行访问其外部存储器的同时，则ALE信号地负跳变会把P0口上的低8位地址传送到锁存器。

并且在非访问外部存储器的期间，ALE仍以1/6振荡频率是固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。

需要注意的问题是：

每次访问外部存储器的时候会跃过一个ALE脉冲。

为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。

——第29脚，外部程序存储器选通信号，低电平有效。

当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当进行访问外部的数据存储器时，这两次有效的

信号不出现。

/VPP：

第31脚，外部访问允许。

如果使CPU访问其外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），则

端将必须为低电平（接地）。

需注意的是：

要是加密位LBI被编程，进行复位的时候内部将会锁存

端的状态。

当Flash存储器进行编程时，其引脚需加+12V地编程允许的电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

（4）多功能I/O端口

P0口——第32~39脚，是8位的漏极开路双向I/O端口。

当作输出口使用的时候，每一位能够吸收电流地方式来驱动8个TTL逻辑门电路，如端口写“1”可当作为高阻抗的输入端用。

在进行访问程序和数据两个存储器时，这组口线将分时的转换地址总线与数据总线的复用，并在访问的期间将激活内部的上拉电阻。

P1口——第1~8脚，具有内部的上拉电阻的8位准双向I/O端口。

在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，用做低8位地址总线。

P2口——第21~28脚，具有内部的上拉电阻的8位准双向I/O端口。

当单

片机访问存储器时，用做高8位地址总线；

在对片内程序存储器（EPROM型）进行程序编程和校验时，亦用做高8位地址总线。

P3口——第10~17脚，具有内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表4.1所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表4.1P3口的第二变异功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

4.2超声波测距模块HY-SRF05

HY-SRF05超声波测距模块可提供2cm-450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm;

模块包括超声波发射器、超声波接收器与控制电路。

4.2.1基本工作原理

（1）采用I0口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;

（2）模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过I0口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波发射返回的时间。

引脚定义：

如图：

4.2所示接线

图4.2HY-SRF05

VCC为电源端

TRIG触发控制，信号输入

ECHO回响信号输出

OUT开关量输出（当报警模块使用）

GND为地线

4.2.2HY-SRF05电气参数

HY-SRF05模块参数如下表4-2所示。

表4.2模块参数

电气参数

HY-SRF05超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40Hz

最远射程

4.5m