基于单片机汽车倒车测距仪的设计
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淮北职业技术学院电子信息工程系
毕业设计说明书
题目：单片机汽车倒车测距仪
姓名：边姜晨
学号：139010107
专业：应用电子技术
指导教师：陈静
2016年4 月1 日
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毕业设计（论文）中文摘要
目录
1绪论 (1)
2 超声波传感器的介绍 (2)
2.1超声波传感器的概述 (2)
2.2 超声波传感器的特点 (3)
2.3超声效应 (3)
2.4超声波传感器的应用 (4)
3 单片机的介绍............................................................................... ..5 3.1 单片机的定义.. (5)
3.2 单片机的特点 (5)
3.3 单片机的应用 (5)
3.4 AT89C51单片机的介绍 (6)
4 汽车倒车测距仪的硬件设计 (9)
4.1 设计的思路 (9)
4.2 设计的重点与难点........................................................................ .9 4.3硬件设计的基本原理及原理图.. (9)
5超声波汽车倒车测距仪软件设计 (14)
5.1 主程序编制及流程图 (16)
5.2 中断服务程序的流程图及编制 (16)
5.3 显示距离子程序和延时子程序 (17)
5.4信号处理程序 (18)
5.5程序中有关存储器，寄存器及标志位的内容及用途............................... .21 结论 (23)
致谢 (25)
参考文献 (26)
1 绪论
汽车倒车测距仪能测量并显示车辆后部障碍物离车辆的距离,同时用间歇嘟嘟声报警,间歇时间随障碍物距离缩短而缩短。驾驶员不但可以直接观察被显示的距离,还可以用听觉判断车后障碍物距离的远近。特别适用于长车身车辆倒车。仪器共有三部分组成:监控器、接线盒与探测器。监控器由单片计算机为核心的集成电路组成,发射,并接收频率稳定的40kHz超声波,根据发射信号与回波信号之间的时间差计算障碍物与车辆后部的距离。监控器安装在驾驶室驾驶员便于观察的位置,面板上有3位LED数码管显示器,清晰悦目,小数点固定在第一位数后, 显示单位精确到厘米。接线盒包括电器盒主体，电器盒主体内设有电器插座，所述电器插座与电器盒主体。由于本实用新型中电器插座与电器盒主体之间为拆分式结构连接，根据车型需要，当汽车的电气电路或电气连接变更时，不用重新开发电器盒模具，只需拔掉电器插座，在其空位上安装另一个不同结构的电器插座，快速便捷。探测器是用来探测汽车后障碍物离车距离及时反馈给电路，保证倒车安全性。
利用超声测距技术与单片机设计制作出超声波汽车倒车测距仪。该系统在常见的汽车倒车预警装置的基础上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，提高了驾驶安全性。
目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且显示距离也比较困难，操作使用也不是很方便，而本设计研究的测距器成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义，在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车。本设计可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车。
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术更新快。在自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
2 超声波传感器的介绍
2.1 超声波传感器的概述
2.1.1 超声波传感器的含义
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。
2.1.2 超声波传感器及其测距原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
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的测量。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。
超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
2.2 超声波传感器的特点
超声波传感器实质上是一种可逆的换能器。一方面，它将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波;另一方面，它又将接收的超声波能量转变为电振荡。因此超声波传感器可分为发送器及接收器。典型的产品是在空气中传播的小型超声波传感器。
2.3 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：
1.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（见电介质物理学和磁致伸缩）。
2.空化作用。超声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。
3.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。
4.化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。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。
2.4 超声波传感器的应用
1.超声波距离传感器技术的应用
超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
2.超声波传感器在医学上的应用
超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。
3.超声波传感器在测量液位的应用
超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
4.超声波传感器在测距系统中的应用
超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
3 单片机的介绍
3.1单片机的定义
单片机是一种集成在电路芯片，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/计时器等功能（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计算机系统。
3.2 单片机的特点
系统单片机主要有如下特点：
1.有优异的性能价格比。
2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
3.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
5.外部总线增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）及SPI(Serial Peripheral Interface)等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
6.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用。3.3 单片机的应用
单片机的应用范围很广，在以下各个领域有广泛的应用：
1.工业自动化。主要是过程控制技术、数据采集、测控技术和机电一体化技术（机器人）。
2.智能仪器仪表。用于提高仪器的精度和准确度。
3.消费类电子产品。主要是家电领域。像洗衣机、电冰箱、空调、电视、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。
4.通信方面。用于调制解调器、程控交换技术以及各种通信设备。
5.武器装备。飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统等都有单片机深入其中。
6.终端机外部设备控制。计算机网络终端设备如银行终端以及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。
7.多机分布式系统。可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机进入了一个新的水平。
3.4 AT89C51单片机的介绍
3.4.1 系统概述
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 ? 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.4.2 AT89C51的特点
1.与MCS-51 兼容
2.4K字节可编程闪烁存储器
3.寿命：1000写/擦循环
4.数据保留时间：10年
5.全静态工作：0Hz-24Hz
6.三级程序存储器锁定
7.128*8位内部RAM
8.32可编程I/O线
9.两个16位定时器/计数器
10.5个中断源
11.可编程串行通道
3.4.3AT89C51单片机的优越性
内部程序存储器ROM：4K的flash程序存储器；
内部数据存储器RAM：256B（128B的RAM+21B的SFR）；
寄存器区：4个寄存器区，每个区有R0-R7八个工作寄存器；
8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3；
定时/计数器：2个16位的定时/计数器 T0、T1；
串型口：全双工串行端口（RXD：接收端、TXD发送端）；
中断系统：设有5个中断源（T0、T1、Int0、Int1、ES）；
系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM；
堆栈：设在RAM单元、位置可以浮动（通过指针SP来确定堆栈在RAM中的位置）系统复位时SP=07H；
布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算；
指令系统：111条指令。按功能可分为数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移和布尔操作5大类。
3.4.4 AT89C51单片机的引脚图
图3.1 AT89C51单片机的引脚图
3.4.5AT89C51单片机引脚和封装定义
表3．2为AT89C51单片机引脚和封装定义表格
4 汽车倒车测距仪的硬件设计
4.1 设计的思路
本系统的设计思想是采用以AT89C51单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。
超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。限制的最大可测距离存有四个因素:超声波的幅度，反射面的质地，反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。
4.2 设计的重点与难点
本设计的任务是设计一个超声波测距仪，可以应用于汽车倒车位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。测量范围在0.10-4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，能够手工设定报警量值。
系统组成的设计：各部分硬件的选取很有讲究，要十分合理。
设计的难点是：
1．超声波信号的接收、发射的设计
2．显示电路设计
3．流程图及程序的设计
4.3 硬件设计的基本原理及原理图
4.3.1 超声波发生器
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。