带语音播报功能的倒车雷达预警系统.docx

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带语音播报功能的倒车雷达预警系统

唐山学院

毕业设计

设计题目：

超声测距单片机控制系统设计

机电工程系

09测控1班

系别：

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班级：

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姓　　名：

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指导教师：

________________________

2013年5月30日

超声测距单片机控制系统设计

摘要

随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量大幅攀升，交通事故频发，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。

控制系统核心部分就是超声波测距仪和语音播报模块。

本次设计所采用的单片机是STC89C52，它的CPU是8位的，具有体积小，精度高，价格便宜的优点。

超声测距模块采用的是HC_SR04，语音播报模块采用的是ISD1820。

整个电路采用模块化设计，由主程序模块，显示模块，语音播报模块，超声波测距模块，延时模块等组成。

由单片机提供10us以上的TTL电平触发超声波测距模块，由单片机计算超声波从发射到接收的时间差，从而计算出距离值，根据单片机设定的报警范围决定是显示距离还是进行相应的语音播报。

最后通过硬件和软件设计实现了各个模块的功能。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

最终结果表明，此设计能很好地完成汽车倒车预警的任务，并能正常显示距离和进行相应的语音提示，能较好地运用到实际生活当中。

关键词：

超声波传感器；单片机；安全预警系统

DesignofUltrasonicRangeControlSystembasedonSingle-chipMicrocomputer

Abstract

Associalandeconomicdevelopmentofthetransportindustrybooming,thenumberofcarsrosesharply,andfrequenttrafficaccidentshappened.Forthissituation,designingafastresponse,highreliabilityandmoreeconomicalvehiclecollisionavoidancewarningsystemisimperative,ultrasonicrangingmethodisthemostcommonformofdistancerangingmethod.Thethesisdesignsareversingcollisionalarmsystembasedonanultrasonicdistancemeasurementmethod.Controlsystemconsistsoftheultrasonicrangefinderandvoicebroadcastmodule.

Micro-controllerSTC89C52isusedinthedesign,itisan8-bitCPU,withsmallsize,highaccuracy,lowpriceadvantages.UltrasonicRangingModuleusesHC_SR04andvoicebroadcastmoduleusesISD1820.Theentirecircuitismodularindesign,containingthemainprogrammodule,displaymodule,voicebroadcastmodule,ultrasonicrangingmodule,thedelaymoduleandothercomponents.Themicro-controllerprovidesmorethan10usTTLleveltotriggerultrasonicrangingmodule.Thetimedifferencefromthetransmittertothereceiveriscalculatedbythemicro-controllerandthenmicro-controllercalculatesthedistancevalue.Whetherdisplayorvoicebroadcastisaccordingtoalarmrangesetbythechip.Finally,weachievethefunctionofeachmodulebythedesignofhardwareandsoftware.Therelevantpartisaccompaniedbythehardwarecircuitandprogramflowchart.

Finalresultsshowthatthisdesigncanwellaccomplishthetaskofvehiclereversingwarning,andcanproperlydisplaythedistance.Thedesigncanbewellappliedtoreallifewithachievingthecorrespondingvoiceprompts.

KeyWord:

ultrasonicsensor;single-chipmicrocomputer;safetyearlywarningsystem

1绪论1

1.1论文研究目的及意义1

1.2国内外研究发展情况1

1.3论文研究内容3

2控制系统主要硬件的介绍4

2.1单片机STC89C52选型4

2.1.1STC89C52简介4

2.1.2STC89C52引脚介绍5

2.2超声波测距模块选型7

2.2.1HC-SR04介绍7

2.2.2超声测距模块构成10

2.3显示器件的选型11

2.3.1数码管的选型12

2.4ISD1820语音芯片介绍14

2.4.1　管脚排列图14

2.4.2芯片录音时间介绍14

2.4.3实物图及使用说明15

3硬件电路设计17

3.1单片机最小系统设计17

3.2超声波测距显示电路系统设计18

3.3超声波系统设计19

3.4语音系统设计20

4系统软件部分设计21

4.1预警系统主体部分流程图21

4.2主程序及启动超声测距部分23

4.2.1主程序的初始化23

4.2.2启动超声测距模块及调用计算24

4.3延时子程序24

4.4数码管扫描显示程序24

4.5中断子程序25

4.5.1定时器T0计数溢出程序设计25

4.5.2定时器T1中断扫描和启动模块25

4.6距离计算和语音报警子程序26

5实物性能测试28

5.1单片机测试28

5.2程序调试28

6编程和下载软件的介绍29

6.1Keil的简介29

6.2AltiumDesigner9.0的简介36

6.3STC_ISP_V480的简介40

7结论42

谢辞43

参考文献43

附录1源程序45

附录2电气原理图48

1绪论

1.1论文研究目的及意义

汽车倒车系统即俗称的倒车雷达，是辅助泊车装置。

在各种汽车倒车的时候，通过超声测距的原理，当遇到障碍物的时候，能反射相应的信号，根据单片机内部设定的程序，计算出相应的距离，并进行相应的语音提示【1】。

在日常的生活中，我们经常能看到小汽车的各种磕磕碰碰的事情发生，安全距离控制不当甚至有可能产生非常严重的后果，所以开发一种语音报警的汽车防撞预警系统势在必行，也是此次设计的主要努力方向，希望自己的产品有一天能真正应用到生活实际，造福全社会。

无论是在施工的工地上，还是在日常的停车场中，司机经常能听到各种相应的提示声音，比如，很快就到了，再倒一点，就差一点，从而对司机进行相应的指导，使司机师傅能正常的停在所在的位置，不至于造成不必要的损害。

随着社会的发展，有车一族的发展势不可挡，尤其现在的女司机也是越来越多，由于女性开车本来就小心翼翼，而且驾车技术相比于男性还是有一定的差距，并且出于对妇女权益的保护，本设计还具有一定的人文情怀，从此出发点考虑，无论是在小汽车，还是在大客车，以至于在军事用途上都可以得到相应的应用和发展。

有需求，就有市场，就可以大规模的生产，所以此次研究具有一定的探索意义，对以后倒车雷达的发展具有开创性的意义，但本次设计只是从简单的设计角度出发，很多器件的选择不够精确，发展还有很多前景可挖掘。

相信本设计在以后的实际生活中将会发生举足轻重的作用，对社会交通安全发展也将有开创性的意义，对于日益频发的交通事故有一定的抑制作用。

系统电路主要采用集成器件构成，调试方便、外围元件少，成本低、电路简洁，利于商品化生产。

1.2国内外研究发展情况

倒车雷达，是汽车停车的时候一种辅助泊车装置，由探头、控制芯片和显示器件（或蜂鸣器）等部分组成。

它能以语音提示告知驾车者周边被测物的情况，消除了驾车者开车、停车的时候所引起的不便，改善驾驶的安全性能。

现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，启动倒车雷达，在控制芯片的作用下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物后，产生向回传的一个信号，传感器接收到此信号后经控制器进行数据处理，近而计算出车与被测物体之间的距离，判断此物的位置，再由显示器显示距离并发出相应的语音提示，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。

整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。

超声的研究和发展,与媒质中超声波的产生以及接收的研究有着密切的关系。

1883年Galton首次制成了超声气哨,其基本原理是经压缩的气体通过一次狭缝喷嘴就会形成气流,圆形刀口由于气流的振动形成共振腔,就会产生超声波。

自此之后，各种各样的汽笛和液哨等机械型超声换能器开始陆续出现。

这类换能器成本比较低,所以经过不断改进,至今仍在超声处理技术中广泛应用。

由于超声波的速度相对于光速要小的多,其传播时间就比较容易检测,并且易于定向发射,方向性好,强度好控制,因而人类采用仿真技能利用超声波测距。

超声波测距是一种利用声波特性，电子计数，光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法，它在很多距离探测应用中有很重要的用途,包括非损害测量，过程检测，机器人检测和定位以及流体液面高度测量等。

在未来的发展中，超声波传感器作为一种新型的非常重要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多功能的方向发展，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。

超声波传感器是本倒车雷达的核心部分，对倒车雷达预警系统的研究发展具有决定性的意义。

目前市场上倒车雷达品牌多达二十几种，价格从上百元到一两千元不等，选购倒车雷达可以从如下方面考虑：

功能、性能、外观、质量、安装、价格等。

1.3论文研究内容

在本次倒车雷达的预警系统的研究工作中，核心部分是超声波测距系统、语音播报系统，另外自己添加温度检测系统，主要是考虑到人们出行，或是在车内休息时候经常关住温度变化。

另外自己选择的语音模块还可以进行任意录音和播放，可以循环播放，点动播放等，还可以外接功率更大的喇叭，选择直通模式，直接进行喊话功能，用于提示车外的行人，可以像警察那样喊话，给有个性的年轻人一个张扬个性的机会。

本文主要的工作有以下几个方面：

（1）绪论部分主要阐述论文研究的目的和意义，国内外倒车雷达预警系统的发展情况，使读者对所研究的问题有初步的认识，更好的理解本文做好铺垫工作。

（2）控制系统主要硬件的介绍，相当于介绍一个系统的主要外壳是如何构建的，主要包括单片机的选型以及STC89C52单片机的介绍，超声波测距模块HC_SR04的尺寸和性能的介绍，语音播报模块ISD1820的使用方法和功能的介绍，外加温度传感器DS18B20，用于测量车内温度，给车主更人性化的提示。

另外，还有四位一体数码管的引脚和使用情况的介绍，对显示系统有详细介绍，让使用者更加了解其相应的功能。

（3）系统软件部分介绍，主要包括使用到的软件工具和编程思路的简单介绍，对使用的画图软件AD9、编程调试软件KEIL、程序下载软件STC_ISP的简单介绍。

（4）对本次设计进行总结，对所有给予过帮助的老师同学致谢。

2控制系统主要硬件的介绍

本次硬件电路的设计采用模块化设计思想，主要是由于在初次采用分立元件进行焊接的时候，最终没能完成自己设想的功能，在仔细分析各方面问题之后，还是没能找出问题的症结，后来自己进行第二次尝试采用模块化的设计思想后，一次成功，所以最终自己设计出来的产品是各种模块的组合，同时也为后面的软件提供了方便，不用把各个部分全部编译，只需要主驱动程序即可。

下面首先介绍自己各种硬件芯片的选型问题，有些选型是在实际中经常用到的，在此不再赘述，只是介绍主要的硬件。

2.1单片机STC89C52选型

2.1.1STC89C52简介

虽然STC89C52与AT89C52是兼容的，但是后者已经停产，并且前者价格便宜，适合学生使用，稳定性及可操作性都比后者要好，所以选择后者，而且后者是在市场上比较流行的一种再用的芯片。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52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。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

其PDIP封装如图2-1。

图2-1STC89C52PDIP封装图

2.1.2STC89C52引脚介绍

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

I/O口引脚：

1P0口：

8位漏极开路的双向I/O口。

P0口作为地址总线（低8位）以及数据总线的分时复用端口。

P0口也可以作为通用的I/O口使用，但需加上拉电阻，P0口可以驱动8个LS型TTL负载。

这次设计中用P0口作为数码管段码的发送端。

2P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

3P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

在本次设计当中利用P2.2-P2.5口四个端口作为四个数码管的位选信号发射端。

4P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

P3.2口作为报警上下限值调整信号产生中断的端口。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

管脚备选功能如下：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.2超声波测距模块选型

2.2.1HC-SR04介绍

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：

超声波测距模块HC-SR04可以提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测量精度可达高3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理

（1）给trig口最少10us的高电平，用于触发测距，。

（2）触发模块后自动发送8个40khz的方波，自动检测信号是否返回。

（3）当有信号返回时，IO口ECHO就会输出一个高电平，当超声波返回后，ECHO由高电平变为低电平，超声波从发射到返回的时间就是ECHO高电平持续的时间。

测试距离=（ECHO保持高电平时间*声速（350m/s））/2。

超声波电气参数

电气参数

HC-SR04超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40kHz

最远射程