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1、河北大学2009届本科生毕业论文（设计）基于单片机与超声波测距技术的行车安全辅助系统摘 要单片机的应用和发展是计算机技术自桌面技术和网络技术之后，IT产业和IT技术的又一个新的重大进展。在日常生活中，单片机技术和其他技术相结合，可以很大程度的发挥嵌入式系统的优势。即快速，准确，高效。文章主要介绍了嵌入式系统与超声波测距技术结合并应用于汽车领域的实例。详细阐述超声波测距仪的设计原理。该系统的硬件电路的核心是AT89S51单片机，其他主要功能模块包括超声波发射电路，超声波接受电路。此设计着重考虑了系统的可行性、实用性、方便性。而且该系统有着很强的可拓展性，在实际应用中，有着很广泛的适用性。关键词：
2、AT89S51单片机 超声波测距 超声波传感器ABSTRACTThe use and development of SCM technology from the desktop computer technology and network technology,a new and significat process in IT.Indailylife,single-chip technolopy and other technolopy can play a large extent the advantages of embedded systems. The embedded sys
3、tem is very fast,accurate and efficient.The paper introduced the embedded systems technology and ultrasonic range applied an example of the automtive sector.Ultrasonic range finder on the design principle in detail.The system is the core of the hardware circuit At89S51 microcontroller,the other majo
4、r functional modules,including ultrasonic trandmitter and ultrasonic ciruit to receive.Focus on the design of the system to consider the feasibility,practicality and conwvenience.And the system can have a strong expansion in the practical application,has a broad applicability.Keywords:Single-chip AT
5、89S51 Ultrasonic Distance Measurement Ultrasonic sensor 目 录一 前言1二 探测仪测距原理及实现22.1测距原理22.2测距仪硬件实现框图2三 超声波发射器33.1发射器技术参数33.2发射器电路3四 超声波接受模块44.1超声波接受模块电路44.2LM567音频译码器5五 AT89S51单片机75.1单片机功能基本介绍7六 报警电路及时钟电路106.1报警电路106.2时钟电路11七 整体电路127.1系统电路图11八 编码实现及软件流程图138.1部分代码138.2 软件流程图14九 结论15谢辞16参考文献17 河北大学2009届本
6、科生毕业论文（设计）一 前言据统计2007年，全国共发生道路交通事故327209起,造成81649人死亡、380442人受伤，直接财产损失12亿元，我国有世界上1.5%的汽车，但交通事故数量却占到了全世界的15%，可以说我国的交通安全问题十分严重。我所研究的课题正是基于这样的问题，在夜间或恶劣天气行车时，能够比较准确的判断出盲区车辆的位置和距离，为司机提供一些参考，来帮助减少交通事故的发生。在高速路行驶时，司机往往需要在左侧前方速度较慢的车辆进行超越，如果在可见度很高的晴朗天气，司机可以通过后视镜对侧向进行观测。但是，在雨天的时候，后视镜上布满了雨滴，形成了漫反射，司机在后视镜中看到的景象是十
7、分模糊的。这样的情况下，完全凭感觉超车、并道是十分危险的。该系统将对汽车两侧的盲区及盲区以外5米之内的范围额进行探测，将采集到的数据及时准确的传递给单片机进行分析。如果在被测区域探测到有其他车辆，则系统自动进行报警，报警的方式是语音提醒。此时，司机就不会盲目的进行超车动作。当报警结束的时候，方可以进行超车。另外，对于车长较长的货车来讲，就更需要这样的系统来进行报警提示。货车在转弯的时候，需要的转弯半径是很大的，但司机的视野有时会被车身所遮挡，这种情况是相当危险的。如果打开了该系统，在转弯时，系统对于左右两侧盲区及附近区域进行探测，并把结果反馈给司机，司机就可以根据实际情况进行相应的操作，以减少
8、交通事故的发生。对于实际使用来讲，该系统并没有采用世界上先进的红外探测成像技术，而是采用了简单易行的超声波探测技术，目的在于，在保证安全实用的情况下尽量降低成本。该系统的报警系统采用语音系统，在不分散司机视觉注意力的前提下，能够给予帮助。这一点更体现了设计者的人性化设计。 二 探测仪测距原理及实现2.1测距原理对于测距问题，方法有很多种。我们最早接触的可能就是蝙蝠即使在漆黑的夜也能看清楚物体，当然，这就是利用超声波定位的技术。超声波是指频率高于20KHZ的机械波，为了以超声波作为测距手段，就必须有产生和接受超声波的工具。完成这种功能的工具是超声波传感器，它不仅能产生超声波，也能接受超声波。超声
9、波传感器利用的是压电效应的原理，将电能超声波相互转换。即在发射的时候，将电能转化为超声波；在接受的时候，将超声波信号转变为电信号。超声波测距的原理是渡越时间法。首先测出超声波从发射到被物体反弹回来，并被接收器接受到的时间t，注意的是，这里的时间是超声波往返的时间。因此，以超声波的速度乘以这段时间的二分之一，便是声源与障碍物之间的距离，即距离S=1/2*声速*t其中，声速是受温度和传播介质影响的，不同的温度和传播介质会改变声波的传播速度。但是在本系统中，传播介质就是空气，温度取常温25摄氏度，故声速为常数340秒/米。2.2测距仪硬件实现框图图2-1测距硬件实现框图三 超声波发射器3.1发射器技
10、术参数在本系统中，超声波发射器采用T/R40系列。T/R40系列是收发一体的超声波换能器，其中T系列表示发射器，R表示接收器。其中本系统的发射器采用的器件具体技术参数见表3-1。表3-1 发射器技术参数表型号工作温度频率(KHz)阻抗()MAX余振时间(ms)MAX灵敏度(mV)静电电容T40-14C-408039.740.58001.02504001.62.0nF正因为余震时间的存在，所以该系统并不能够在超声波发射器发射超声波之后，就马上记录时间。因此该系统存在着一个理论上的最小测距距离。根据声波的传播速度340米/秒，可以计算出最小的测距距离为17cm。3.2发射器电路图3-1 发射器电路
11、图在图3-1中，由单片机发射脉冲信号，由于发射器的工作频率是40KHZ，所以，单片机输出40KHZ的脉冲信号，经三极管放大后对发射器进行共振。产生预期的脉冲信号。四 超声波接受模块4.1超声波接受模块电路图4-1 超声波接受模块电路图在图4-1所示电路中，接收头采用与发射器相匹配的R40-14C,将超声波调制信号脉冲变为交变电压信号，因为接收头接收到的电压信号是非常微弱的，不能被单片机所测量，所以要经过运算放大器DC1A和DC1B两级放大后加至DC2。运算放大器的放大倍数分别由R3,R4和R5,R6决定。本系统采用的是反向放大器。DC2是带有锁相环的音频译码集成块LM567，其内部的压控振荡器
12、的中心频率fo=1/1.1*R8*C3,电容C4决定其带宽。调节R8到一个合适的电阻，则LM567输入信号大于25mV,输出端8脚由高电平越变为低电平，这样产生一个跳变，触发器下降沿有效，作为中断请求信号，送至单片机处理并执行中断程序。测距电路的输出端接至单片机的INTO端口。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 4.2 LM567音频译码器图4-2 LM567音频译码
13、器图LM567的主要技术参数见表4-1表4-1 LM567的主要技术参数中心频率电源电压静态工作电流最高工作频率8脚最大吸收电流0.01500KHz5V18V8mA500KHz100mALM567由相位比较器、压控振荡器、正交相位检波器、逻辑输出放大器等几部分构成。有三种基本功能，分别是选频、调制和解调。在本系统中，用到了它的选频功能。具体引脚连接见图4-3。图4-3 LM567引脚连接图如果在第3脚输入音频信号的调制信号，且调制信号的中心频率fo与LM567内部压控震荡器中心频率fo相同，第2脚将输出调制信号的解调信号。内部压控震荡中心频率fo1/1.1*R*C。其中R表示5脚外接电阻，C表
14、示6脚外接电容。因为本系统的超声波换能器的中心震荡频率是40KHz，所以fo=40KHz.其脚脚通常分别通过电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。脚是输入端，要求输入信号25mV。脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大电流为100mA。LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。五 AT89S51单片机5.1单片机功能基本介绍AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4k bytes的
15、可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚.它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。具体引脚图见图5-1。图5-1 AT89S51引脚图AT89S51芯片的40个引脚功能为：VCC 电源电压。GND 接地。RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISKRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。XTAL1 反向振荡放大器
16、的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。P0口 一组8位漏极开路型双向I/O口。也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口 一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口
17、。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P1口部分端口引脚及功能如表5-1所示。表5-1 P1口特殊功能P1口引脚特殊功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MOSI（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口 一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序
18、存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。Flash编程和程序校验期间，P2亦接收低8位地址。P3口 一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写“1”时，它们被内部的上拉电阻把拉到高电并可作输入端口。作输入端口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表5-2所示。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验期间的控制信号。表5-2P3口引脚特殊
19、功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通） 程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51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。当访问外部数据存储器，没有两次有效的信号。 外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器，端必须保持低电平，需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存端状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP
20、。六 报警电路及电源电路6.1报警电路当单片机检测到在被检测区域有车辆时，就是要对驾驶员进行语音提醒，该系统采用最简单的“滴、滴”声报警，当被检测区域没有车辆时，报警关闭。具体电路见图6-1。图6-1报警电路图6.2时钟电路单片机工作需要一个稳定的时钟频率，具体的时钟电路见图6-2，其中电阻R10取10欧姆，电容C8取10uF。图6-2时钟电路图七 整体电路7.1系统电路图该系统的全部功能部件连接图，见图7-1。 图7-1 整体电路图八 编码实现及软件流程图8.1部分代码40KHz 脉冲的产生与超声波发射。测距系统中的超声波传感器采用T/R40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40KHz的脉冲信
21、号，这由单片机执行下面程序来产生。puzel： mov 14h, #12h；超声波发射持续200mshere： cpl p1.0 ；输出40kHz方波nop ；nop ；nop ；djnz 14h，here；ret前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40KHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头，发出40KHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。超声波的接收与处理接收头采用R40，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器DC1A和DC1B两极放大后加至带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/
22、1.1*R8*C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。 receive1：push psw push accclr ex1 ；关外部中断1jnb p1.1, right ；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序jnb p1.2, left ；P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序return：SETB EX1；开外部中断1pop Accpop pswreti right： . ；右测距电路中断服务程序入口ajmp Returnleft：. ；左测距电路中断服务程序入口a
23、jmp Return计算超声波传播时间在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下：RECEIVE0：PUSH PSWPUSH ACCCLR EX0 ；关外部中断0MOV R7, TH0 ；读取时间值MOV R6, TL0 CLR CMOV A, R6SUBB A, #0BBH；计算时间差MOV 31H, A ；存储结果MOV A, R7SUBB A, #3CH
24、MOV 30H, A SETB EX0 ；开外部中断0POP ACC POP PSWRETI8.2软件流程图图8-2 软件流程图九 结论本系统基本实现了对于汽车盲区有无车辆，以及车辆距离的探测任务。但是在设计上，由于能力的限制还存在着一些问题，对于正常情况下，声波的传播速度是340米/秒，但是随着温度的变化，声波的传播速度是会改变的，然而在该系统中并没有加入一个温度补偿模块，可能在应用中会存在着一些微小的误差。另外，该系统有着很强的功能扩展性，例如在车身的不同位置，安装若干个超声波探测器，就可以对车辆进行全方位的探测。这些探测器不仅能够识别其他车辆的位置，还可以探测出现行的速度。然后把这些信息
25、汇总，传输给单片机进行分析。再根据设计好的模型来判断，自身车辆的危险系数。如果危险系数过大，该系统将强行对车速进行限制，反之则不做任何限制。这样的话，汽车的智能化水平将大大提升，人为失误造成的车祸将减少。总之，单片机技术的发展将是朝着智能化的目标前进，而遥感探测技术是智能化发展的坚实基础，这两项技术的结合对于科技的发展起着重要的作用。谢 辞毕业设计是对大学四年所学的一次全面的总结，在将近半年的设计工作中，出现了许许多多的问题和疑难情况，这些问题如果没有老师和同学们的帮助，是很难在短时间内克服的。通过本次毕业设计，我认识到了自身存在的很多的问题，以前的学习注重书本上条条框框，只是单纯的记住就觉得
26、可以完成任务了，但是现在看来，书本上的知识和实例并不一定就是最好的，它只是一个例子而已，具体的问题还需要自己在课下进行深入的思考。尤其是要联系实际，多和有经验的设计人员或爱好者进行沟通。实际的问题总是错综复杂，自己的设计虽然能完成任务，但这还不是“科学技术转化为生产力”，还必须要考虑如何精简电路，降低功耗，降低生产成本以及提高使用寿命等实际问题，这对自己的提升是非常有帮助的。在这次毕业设计中，我充分的体会到了独立思考的乐趣，把一个原本不会的问题，通过网上查资料，请教老师的方式弄明白之后的那种心情，是我难以用语言表达的。我要真诚的感谢我的辅导老师，管印超老师，没有他的大力帮助和细心的辅导本次毕业
27、设计是不会和大家见面的。参考文献1 徐安，陈耀，李锐华等.微型计算机控制.科学出版社，2004年4月2 杨德麟，红外测距仪及检测.中国测绘出版社,1995年6月,350页356页3 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001年1月，446页456页4 王秀杰，张畴光.模拟集成电路应用.西北工业大学出版社，1994年5月，154页160页5 邱关源.电路.北京：高等教育出版社，1999年6月，231页257页6 赵晓安.MCS-51单片机原理及应用.天津：天津大学出版社，2001年8月7 徐爱钧. Keil C51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践.电子工业出版社，2004年7月.8 Mo,Chuanmeng，Feng,Xiaoyun. Double CAN communicating building block based on embedded system C/OS-.9 周坚.单片机轻松入门.北京航空航天大学出版社，2007年5月10 孙传友. 感应技术基础.电子工业出版社，2002年1月16