毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的超声波倒车测距报警系统.doc
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1、北京联合大学 毕业设计摘 要随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺,汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重,撞车事件屡屡发生,造成了不可避免的人身伤亡和经济损失,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。论文的内容是基于AT89C51单片机倒车防撞系统的设计,主要是利用超声波的特点和优势,将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体,设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法,具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声
2、波检测的发展及基本原理,阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论,并且在介绍超声波测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较,得出了最佳设计方案,并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍,并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构,通过编程来实现系统功能。最后,通过对系统的误差分析,给出了系统的改进方案。关键字:单片机 超声波 AT89C51 AbstractIs day by day prosperous along with the social economy development trans
3、portation shipping industry, the automobile quantity climbs in the first mate. Traffic congestion condition also day by day serious, the collision event occurred repeatedly, has caused the inevitable person casualties and the economic loss, in view of this kind of situation, designed one kind to res
4、pond quickly, the reliability was high also a more economical automobile guards against hits the early warning system imperative, the ultrasonic wave range finding was the most common one distance range finder method, this article introduces is guards against using the ultrasonic wave range finding
5、design one kind of back-draft hits the alarm system.The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 m
6、onolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. The paper outlines the development and the basic principles
7、of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comparison, t
8、he best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function. Finally, th
9、rough the analysis of system error, giving the system improvement programme. Key word:monolithic integrated circuit;ultrasonic wave;AT89C51目 录摘 要Abstract引 言1第1章 绪论11.1 超声检测发展综述11.2 论文主要内容和章节安排3第2章 超声波测距原理52.1 超声波传感器介绍52.1.1 超声波传感器特性62.2 超声波检测概述72.2.1 超声探伤82.3 超声测距原理及实现 9第3章 单片机超声波测距系统构想113.1 超声波测距系统
10、总体方案113.2 系统主要参数考虑123.2.1 传感器指向角123.2.2 测距仪的工作频率133.2.3 声速133.2.4 发射脉冲宽度133.2.5 测量盲区14第4章 单片机倒车防撞报警系统各组成单元方案设计154.1 发射接收电路方案设计15 4.1.1 超声波发射电路154.1.2 超声波接收电路154.2 显示报警单元方案设计164.2.1 系统显示电路设计164.2.2 系统报警电路设计174.3 单片机复位电路184.4 时钟电路19 4.5 稳压电源20第5章 系统硬件及软件实现225.1 单片机硬件介绍225.1.1 单片机AT89C51介绍225.1.2 8155芯
11、片介绍245.1.3 74LS244芯片介绍245.1.4 74LS06芯片介绍 255.2 运算放大器265.3 LM567芯片介绍275.4 探头UCM介绍 285.5 系统软件结构 295.5.1 主程序 295.5.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序 32第6章 系统误差分析及改进346.1 误差产生原因分析346.1.1 温度对超声声速的影响346.1.2 回波检测对时间测量的影响356.1.3 超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响356.2 针对误差产生原因的系统改进方案35结 论37致 谢38参考文献37附 录3734引 言随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺,汽车的数量在
12、大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重,撞车事件屡屡发生,造成了不可避免的人身伤亡和经济损失,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报警系统势在必行,超声波测距法是最常见的一种距离测距方法,应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离,低速状况,以及在汽车倒车防撞报警系统中,超声波作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性折射,反射,干涉,衍射,散射。超声波测距即是利用其反射特性,当车辆后退时,超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置,并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员,起到安全的作用。 第1章 绪 论1.1 主要任务与目的 本设计基于AT89C
13、51单片机及外围接口通过超声波测距实现倒车防撞系统的设计,主要利用超声波的特点和优势,将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体,设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞报警系统。可完成测距、显示、报警等多项功能。1.2 超声波测距的发展及在倒车测距报警系统中的应用 关于超声波的研究起始于1876年,这是人类首次有效产生的高频声波,这些年来,随着超声波技术的不断深入,再加上其具有高精度,无损,非接触等优点,超声波的应用变得越来越普及,多年来已在一些领域的要应用,而用于汽车防装却是近年的事情。这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些
14、无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段,也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波,借助空气媒质传播由被呆捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法。由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,其传播时间就比较容易检测,并且易于定位发射,方向性好,轻度好控制,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、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,且方便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
15、非接触式距离测量的方法。汽车倒车防撞测距报警器,是我国八五期间需重点开发的重大科研项目之一,也是汽车六大类汽车电子产品中的一种。以往的汽车倒车报警器可分为四大类,即嘀嘀声加闪光,音乐声加闪光,语言声加闪光和倒车至危险距离(如015m)时发出报警声的超声波倒车报警器。本研究综合了第3、4类报警器各功能,并将第4类报警器加以改进、发展,使其不仅可发出警告行人的语言声,而且还能在整个倒车过程中自动测量车尾与最近障碍物之间的距离,并用数字显示出来,在倒车至极限安全距离(如016m)时,会发出急促的警告声,提醒驾驶员注意刹车。另外当蓄电池电压过低时,还会发出声光警告,提醒驾驶员及时充电,以保证仪器及汽车
16、正常工作等。 2 单片机超声波倒车防撞报警系统的构想本设计是基于51单片机的超声波倒车测距报警系统设计,系统可分为软件部分和硬件部分两大部分。在软件部分主要实现超声波的发射接受计算距离及对数码管显示、蜂鸣报警器的控制。硬件部分主要分为超声波发射接收、数码管显示等6大模块。2.1超声波测距倒车防撞报警系统的总体方案系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的,系统结构如图2-1 所示。LED显示AT89C51信号放大电路超声波发射探头按键系统前置放大电路超声波接收探头带通滤波整形电路稳压电源蜂鸣器图 2-1 超声波测距硬件电路图电子市场上常见的超声探头是收发分体式,一般频率为 40KHz。如果
17、需要更高频率的超声探头,比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率,就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件,拟选用的探头是 40KHz 的超声传感器,有一支接收传感器 SZW-R40-10P和一支发射传感器SZW-S40-12M,其特性参数如表 3.1所示。表3.1传感器特性参数发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈(有时装在探头内),谐振频率由调谐电路的电感、电容决定,发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件,发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定,频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端,使其振动发出超声。电路频率的选择应
18、该满足发射传感器的固有频率 40KHz,这样才能使其工作在谐振频率,达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一支发射传感器而言,电压越高,发射的超声功率就越大,这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大,对于接收电路的设计就相对简单一些。但是,每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值,即当工作电压超过了这个极限值之后,会对传感器的内部电路造成不可回复的损害。因此,工作电压不能超过这个极限值。同时,发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小,发射强度大,仪器分辨率低,适宜于探测厚度大,对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大
19、,分辨率高,在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。发射部分的点脉冲电压很高,但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏,要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是由三级放大电路,检波电路及门限判别电路构成的,其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测,产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。但是由于超声传感器固有特性,即盲区的存在,对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响。2.2系统主要参数考虑系统的主要参数有传感器的指向角、测距的工作频率、声速、脉冲宽度、测量盲区等,下面做介绍并阐述。2.2.1 测距仪的工作频率由文献5知,空气中
20、超声波的衰减系数为=as=Af2+Bf4。所以,空气中超声波的衰减对频率很敏感,要求合理选择超声波频率,一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数,它直接影响超声波的扩散和吸收损失,障碍物反射损失,背景噪声,并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑:(1) 如果测距的能力要求很大,声波传播损失就相对增加,由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比,为减小声波的传播损失,就必须降低工作频率。(2) 工作频率越高,对相同尺寸的换能器来说,传感器的方向性越尖锐,测量障碍物复杂表面越准,而且波长短,尺寸分辨率高,“细节
21、”容易辨识清楚,因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看,工作频率要求提高。(3) 从传感器设计角度看,工作频率越低,传感器尺寸就越大,制造和安装就越困难。综上所述,由于本测距仪最大测量量程不大,因而选择测距仪工作频率在 40KHz,定为 44KHz。这样传感器方向性尖锐,且避开了噪声,提高了信噪比;虽然传播损失相对低频有所增加,但不会给发射和接收带来困难。2.2.2 声速由公式(2-1),声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度,杂质含量,和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为V=331.40.607T(m/s) (3-2) 式中,T 是温度。由于该测
22、距系统用于室内测量,且量程也不大,温度可以看作定值。在常温下,声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 m/s。2.2.3发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区,也影响测量精度,同时与信号的发射能量有关。根据资料,减小发射脉冲宽度,可以提高测量精度,减小测量盲区,但同时也减小了发射能量,对接收回波不利。但是根据实际的经验,过宽的脉冲宽度会增加测量盲区,对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中,比较了 24s (1 个 40KHz 脉冲方波),120s( 5 个 40KHz 脉冲方波),240s (10 个 40KHz 脉冲方波),720s( 30 个 40KHz 脉冲方
23、波)的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号,最终选用 120s (5 个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。此时,从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。2.2.4测量盲区在以传感器脉冲反射方式工作的情况下,电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时,在短时间内放大器的放大倍数会降低,甚至没有放大作用,这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低,有时甚至不能发现障碍物,这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度,加上放大器有阻塞问题,在靠近发射脉冲一段时间范围内,所要求发现的缺陷往往不能被发现,这段
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