1、本科毕业设计（20 届）基于单片机的超声波倒车雷达设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 福建师范大学 2010 级毕业设计1 2基于单片机的超声波倒车雷达设计摘 要：超声波是频率高于 20KHZ 的声波具有指向性强，能量消耗很缓慢，在介质中传播的距离较远，因此超声波经常用于距离的测量，例如测距仪和物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、高效、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。因此在液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域也得到了广泛的应用。基于此，本次设计尝试使用AT89S
2、52 与 HC-SR04 模块来实现超声波的测量，结合外围电路模块实现距离显示和报警构成超声波测距系统。本次超声波测距系统由单片机计时及控制电路、超声波发射接收模块、测量距离显示电路、报警电路等部分组成。详细介绍了超声波测距模块及 AT89S52 单片机的测距原理。以 HC-SR04 超声波测距模块为核心实现超声波的发射与接收。显示电路采用数码管以及三极管显示控制，报警电路由蜂鸣器与三极管组成。整体电路结构简单，成本低廉，工作稳定，测量精度也达到实际应用要求。关键词: AT89C52，HC-SR04，超声波，测距福建师范大学 2010 级毕业设计3目录摘要11 绪论21.1 项目研究背景及意义
3、21.2 论文结构22 总体设计方案及论证22.1 总体方案设计23 硬件实现及单元电路设计33.1 主控制模块33.2 电源设计43.3 超声波测试模块43.3.1 超声波的特性53.3.2 超声波换能器63.4 超声波传感器原理83.5 测 距 分 析 1236 单片机AT89C52133.7 声音报警电路的设计143.8 显示模块144 软件设计154.1 主程序工作流程图155 总结176 参考文献17附 录18附件 A：实物作品操作18附件 1：原理图21附件 2：程序22附件 3：元件清单29福建师范大学 2010 级毕业设计4福建师范大学 2010 级毕业设计51 绪论1.1 项
4、目研究背景及意义超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等优点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测等行业中。可用于不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可以进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。所以，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。依据超它在实际检测中方便、迅速、计算简单、容易实现实时控制，并且它在测量当中能够达到工业方面的精度实指标要求。因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍
5、物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取本身距障碍物的位置信息（距离和方向） 。毋庸置疑，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。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。1.2 论文结构第 1 章 论文对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。第 2 章 总体设计方案及论证，并得出了系统结构框图。第 3 章 硬件实现及单元电路设计。介绍了设计中需要用到的主要器件，从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。
6、第 4 章 系统软件设计第 5 章 结论2 总体设计方案及论证2.1 总体方案设计目前超声波测距已得到广泛应用，国内一般使用专用的集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用的集成电路成本花费较高并且功能较为单一。但是以单片机为主要核心的测距仪器可以完成预置、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。以 8052 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。此外，除了 8 位 CPU，还具备一个很强的位处理器，实际上它是一个很完整的位微计算机，即包含了完整的位 CPU，位 RAM、ROM，位寻址寄存器、I/O 口和指令集。所以，8
7、052 是双 CPU 的单片机。位处理在开关决策、逻福建师范大学 2010 级毕业设计6辑电路仿真、过程测控等等，这些方面极为有效；而 8 位处理则在数据采集和处理等也方面具有明显长处。根据设计要求并综合以上各方面因素，可以采用 AT89C52 单片机作为主控制器，它可以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。再利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，然后经驱动器驱动后推动探头产生超声波；超声波信号的接收可以采用锁相环 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，则其输出引脚的电平将从“
8、1”变为“0”，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；AT89C52 还控制显示电路，用 LCD1602 液晶显示器显示。本设计包括硬件和软件设计两个部分。主要模块划分为：数据采集、按键控制、LCD1602 液晶显示器、蜂鸣器报警等子模块。电路结构可划分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以这个系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是由硬件和软件组成。硬件由单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机
9、应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。此设计采用 STC89C52 单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。然后控制蜂鸣器报警。 系统总体的设计方框图如图 2-1 所示。STC89C52主控制模块超声波传感器模块数据采集按键控制电源模块数据显示模块蜂鸣器模块图 2-1 系统方框图 福建师范大学 2010 级毕业设计73 硬件实现及单元电路设计3.1 主控制模块主 控 制 最 小 系 统 电 路 如 图 3-1 所 示 :P.024568RST9(XD)INWALGE/OVCUYMuFKJrigcho图 3-1 主 控
10、 制 最 小 系 统 电 路 硬件电路总设计见图 3-1-2，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： STC89C52、超声波传感器、按键、LCD1602 液晶显示器、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。其中 D1 为电源工作指示灯。电路中用到 3 个按键，一个是设定键, 一个加键，一个减键。福建师范大学 2010 级毕业设计8图 3-1-2 总设计电路图3.2 电源设计电源的设计采用 3 节 5 号干电池 4.5V 供电。3.3 超声波测试模块超声波测试模块采用现成的超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的不触碰式的距离感应并测量功能，测距精度误差不超过到 3mm。它其中包括接收器、
11、超声波发射器与控制电路。实际的工作原理采用 IO 口 TRIG 触发式测距，供应至少 10us 的高电平信号；它自动发送 8 个 40khz 的方波，并且自动检测有没有信号返回并接受；如果有相对应的信号返回时，通过 IO 口 ECHO 输出一个对应的高电平，此时超声波从发射到返回的时间正是对应高电平持续的时间。根据测试距离运算公式，测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。实物如下图 3-3。供电电源 VCC 供 5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。福建师范大学 2010 级毕业设计9超声波探测模块 HC-SR04 的使用如下：IO
12、口触发，给 Trig 口至少 10us 的高电平，启动测量后，模块自动发送 8 个 40Khz 的方波，自动检测是否有信号返回；若有信号返回，通过 IO 口 Echo 输出一个高电平，则高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，根据公式，测试距离=（高电平时间*340）/ 2，单位为 m。程序中测试功能主要由这两个函数完成。实现中采用定时器 0 进行定时测量时，8 分频，TCNTT0 预设值 0XCE，当 timer0 溢出中断发生 2500 次时为 125ms，计算公式为（单位：ms）：T = （定时器 0 溢出次数 * （0XFF - 0XCE）/ 1000 其中定时器 0 初值计算依
13、据分频不同而会有差异。3.3.1 超声波的特性声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声音的频率达到或者超过人耳的听觉频率极限时，人们就会觉察不出周围声音的存在，所以这种频率的声音被称为超声波。人类的听觉范围如图 3-3-1 所示。图 3-3-1 人的听觉范围 超声波具有以下几点特性：图 3-3 超声波模块实物图福建师范大学 2010 级毕业设计10（1）束射特性超声波射线能够被反射、折射，还可以聚焦，并且从几何光学上的定律来说：当超声波的射线被某种物质表面反射时，此时它的入射角度等于它的反射角。但是当射线透过某种物质然后进入到另一种密度不相同的物质时，此时射线就会产生折射的现象，它就会改变
14、它的传播方向。这两种物质的密度差别得愈大，则折射率也愈大。这就是它的束射特性。（2）吸收特性当声波在介质中传播时，它的强度会随着传播距离的增加而逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。在同一介质传播时，介质吸收能力的强弱，取决于声音频率的高低。但是频率相同的声波，它传播在固体中被吸收的量是最弱的，在气体中传播时被吸收的尤为强，它在液体中传播时被吸收就比较弱。（3）能量传递的特性之所以超声波能在各个工业部门中被广泛的应用，最主要原因是因为它具有强大的功率。它能有这么大的功率，是因为在它进入某一介质中时，声波的作用使物质中的分子跟着它振动，并且它们的振动频率和声波频率样。分子的振动速度的平方和
15、分子本身的质量有关外决定了物资分子所获得的能量。所以声波的频率越高，物质分子能够得到越高的能量，它们之间的关系是成正比的。 （4）声压特性当声波通过传播进入某一介质物体时,声波的振动会使得物质中的分子产生稀疏和压缩的作用，从而使物质所受到的压力也发生变化。由声波振动引起附加压力现象叫声压作用。3.3.2 超声波换能器完成超声波产生和接收的装置被称为超声波传感器，也可以叫做超声波探头，或者超声换能器。它可以接收超声波，也能够发射超声波，它由压电晶片组成。功率较小的超声探头主要用于测距和探测方面。它们的组成结构也不一样，根据它们的结构可分斜探头、直探头、兰姆波探头、双探头、表面波探头等等。超声探头中金属外套或者塑料外套中的压电晶片就是其的核心部件。晶片可以由很多种材料构成。其中晶片的实际大小，例如它的厚度和直径也是不相同，所以每个超声波探头它们的结构不同，它们的性能也就不一样了。所以我们在使用之前，应该提前了解我们所使用的探头，它们的性能参数。主要性能指标：（1）工作频率：当它灵敏度最高和输出的能量最大时，此时它的晶片的共振频率和两端的交流电压的频率相同。此时压电晶片的共振频率就称为超声波的工作频率。
