目 录
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1 绪论 ............................................................................................................................................................. 1 2 课题简介及其发展现状 ............................................................................................................................. 2 2．1 课题研究现状及其发展意义 ............................................................................................................... 2
2．2 超声波简介 ................................................................................................................................... 3 3 总体设计方案 ............................................................................................................................................. 4
3．1 设计总体思路概况 ....................................................................................................................... 4 3．2 超声波测距原理 ........................................................................................................................... 6 3．3 超声波传感器 ............................................................................................................................... 6 3．4 控制系统框图 ............................................................................................................................... 8 3．5 超声波发射装置设计 ................................................................................................................... 8 3．6 超声波接收装置设计 ................................................................................................................. 10 3．7 温度补偿 ..................................................................................................................................... 12 3．8 显示电路设计 ............................................................................................................................. 13 3．9 报警装置设计 ............................................................................................................................. 16 4 软件设计 ................................................................................................................................................... 17
4．1 软件工作流程 ............................................................................................................................. 17 4．2 主程序流程图 ............................................................................................................................. 18 4．3 超声波的发生子程序和中断程序 ............................................................................................. 18 5 硬件设计 ................................................................................................................................................... 19
5．1 芯片的功能及其测距原理 ......................................................................................................... 19
5.1.1 AT89C51的功能特点 ......................................................................................................... 19 5.1.2 单片机实现测距的原理 ..................................................................................................... 20 5.1.3 系统的特点 ......................................................................................................................... 21 5．2 超声波测距系统元器件清单 ..................................................................................................... 21 结束语 ............................................................................................................................................................. 23 参 考 文 献 ................................................................................................................................................... 24 附 录 ............................................................................................................................................................... 19
附录1 汽车防撞测距仪原理图 .......................................................................................................... 24 附录2 程序清单 .................................................................................................................................. 25
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1 绪论
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曾几何时，汽车对很多家庭来说是不敢想象的。但随着社会生产力的发展和经济水平的大幅度提高，百姓的收入日益增加，解决了温饱问题的家庭开始奔向小康，表现最明显的是交通工具的升级换代：一些家庭开始购买汽车作为代步工具。
近几年我国汽车保有量逐年增加，2009年的保有量为6300万辆，2010年达到7400多万辆。按保守估计，未来国内汽车保有量将达到4.9亿辆左右，即大约350辆/千人。对于汽车数量的大副度攀升，尽管国家在公路设施上不断地改进，但道路上的车辆仍然还是越来越多，尤其在上下班时段完全避免不了汽车拥挤的现状。再加上汽车设计中车速的不断提高，虽然公路上各路段都有限速，但撞车事件仍然在广大人民的生活中屡屡发生，给人们带来巨大的人身伤亡和社会财产损失。
针对汽车拥挤的现状，设计一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞测距仪对当今汽车行驶安全现状势在必行。汽车防撞测距仪是一种向驾驶员报警的装置，此汽车防撞测距仪能在汽车行驶和倒车过程中自动检测障碍物，然后通过超声波测距原理测出汽车与障碍物之间的距离，并将距离显示出来。当汽车与障碍物之间的距离达到极限时，系统发出声光报警，达到提醒司机防止撞车的目的。
该汽车防撞测距仪，要求测量范围在30~50m，测量精度1~2m，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。
功能说明：汽车倒车时，检测车辆后方障碍物位置,并利用LED显示屏将车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶员，同时启动扬声器报警起到防撞的作用。系统能够在高速行驶时，较准确测量与前方障碍物的距离，并在车辆行驶到危险距离时，发出急促的报警提醒驾驶员注意刹车。
2 课题简介及其发展现状
2．1 课题研究现状及其发展意义
随着社会经济发展的不断进步，汽车的数量逐年增加，汽车拥挤的现状不可避免，而在汽车拥挤的情况下，恶性事故屡屡发生，时刻威胁着人们的安全。我国交通事故的
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年死亡人数远高于他国，分别是美国的2.3倍、德国的18.4倍、日本的13.4倍。当现代家庭充分的享受汽车带来方便的同时，也为此付出了沉重的代价。据统计，我国自2010年至2010年，已有150多万人死于道路交通事故，其中大部分的道路交通事故为汽车追尾碰撞事故。面对当今这种现状，设计出一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞测距仪势在必行。
防撞预警自动测量技术应运而生，尤其非接触式测量技术发展卓越。在大多情况下，测量与障碍物之间的距离是不能够接触到障碍物的，在这种时候就会用到非接触式测量设备。在物理学中人们发现了电子学技术产生的超声波后，从此超声波技术在测量领域得到了广泛的运用，尤其是在超声波测距方面，结合了其他技术，用超声波测距变得十分常用。
超声波在介质中传播的距离较远，分辨力较高，且能量消耗小，利用超声波测距比较方便而且速度快、计算简单，容易做到实时控制，并且测量精度好，都能够达到工业测量的需要错误!未定义书签。。因此超声测距广泛应用于当今生活中，特别是应用于超声波测距方面。超声波测距利用的是声波反射原理，声波在空气中传播避免了与介质接触。
与其它测距方式相比，超声测距不受颜色、光线和电、磁场的影响，使他受到干扰的可能大幅度减少。它还具有可靠性能高、结构简单、价格便宜、安装方便等优点。也能够测量处于黑暗、烟雾、有灰尘、电磁干扰等恶劣环境中的障碍物。但由于超声波传播时温度对声速影响比较大，使超声测距的精确度到了影响，在这里可以采用温度补偿进行校正，能够消除温度对其的影响。 2．2 超声波简介
众所周知，当物体在振动的时候就能够发出声音。但是人类耳朵只能听到频率为20～20000赫兹的声波。当声波的振动频率不在这个范围时的声音人类是听不见的。根据这种情况，人们规定把声波频率高于20KHZ的声波称为“超声波”。由于超声波具有方向性好，抗干扰能力强，穿透能力强等优点。在现实生活中有着不可替代的作用它常用于清洗，测距，测速等。
超声波是声波大家族中的一员。声波指的是物体在机械振动下，物质的质点在其平
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衡位置进行的往返运动状态。例如，鼓被敲打之后，鼓面就会上下振动，振动通过空气向四面八方进行传播，这就是声波，超声波就是频率很高的声波。超声波在现实生活中能够广泛应用，是因为超声波有以下几种特性，它能够在气体、固体、液体、等介质中进行传播，能够传递巨大的能量，能够发生反射、干涉和共振的现象，并且超声波在液体中进行传播时，可以产生剧烈的空化和冲击的现象6。
国内的超声波研究比其它国家起步晚，人们在发现正压电效应和逆压电效应之后，超声波才逐渐应用于电子行业、清洗机械器件、军事、塑料焊接、金属焊接、医学等等领域。
3 总体设计方案
汽车防撞测距仪是指在汽车行驶过程中防止汽车发生碰撞障碍物的一种智能报警装置。它能自动发现可能与汽车发生碰撞的障碍物体，并且同时检测汽车与障碍物之间的距离，到达极限距离时发出报警信号以避免碰撞的发生。根据题目要求，汽车防撞报警器的功能主要有两个：判断汽车与障碍物之间的距离和当汽车与障碍物之间的距离到达临界距离时发出报警信号错误!未定义书签。。 3．1 设计总体思路概况
汽车防撞测距仪的原理是利用超声波的发射和接收，用计时器计出超声波从发射到接收到遇到障碍物后反射声波的时间通过公式计算出汽车与障碍物之间的距离[1]。在实际生活中常用的测距方法主要有两种，一种是在被测距离的两端，一端设置发射装置，一端设置接收装置，利用公式Svt得出测量的距离。这种测量方式特别适用于测量身高；另一种是本次设计采用的方式，利用超声波遇到障碍物后反射得出距离。
汽车防撞测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路和超声波检测接收电路及显示报警电路三部分。单片机采用的是AT89C51系列。为了获得较稳定时钟频率而采用了高精度的晶振，这样极大的减小测量距离的误差。用单片机P1.0端口输出超声波发射器所需要的40kHz的方波信号，使用外中断0口检测接收超声波的反射信号。显示电路装置通过结构简单价格便宜的4位LED数码管显示距离错误!未定义书签。。
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超声波的发射装置主要是由反相器74LS04和发射传感器构成。AT89C51单片机P1.0引脚输出40k赫兹的间断方波信号分成2路，一路信号经过一个反向器后到达TCT40一个引脚，另一路通过两个反向器后到TCT40的另一个引脚，用这种形式将P1.0发出的单片机P1.0端口发出的间断方波信号加到TCT40的两端上，用这种推换形式将间断的方波信号连接到超声波传感器的两个引脚上，这样能够增强超声波的发射强度。在加载方波信号时使用两个74LS04并联，使它的驱动能力得到了很大的提高。而电阻R11、R12增大超声波传感器的阻尼效果，缩短了震荡时间，使超声波传感器输出高电平的能力大大增加。
超声波接收采用CX20106A集成电路模块，集成芯片CX20106在接收装置电路中的作用很大。CX20106是一款红外线检波接收的芯片，他常用于现实生活中，而且价格便宜。由于红外线波的频率为38 kHz，与测距使用的超声波频率接近。并且CX20106芯片的内部设置比较好，由于设计中芯片的5脚连接了一个外接电阻，此电阻使得滤波器的中心频率能够调节，当R21的阻值越大滤波器的中心频率就越低，变化范围在30～60 kHz之间。此次设计证明用CX20106A接收超声波信号具有优秀的灵敏特性和较强的抗干扰能力。
超声波测距预警系统主要包括主程序、发射子程序、温度采集子程序、外部中断子程序和数码显示子程序等。超声波测距预警系统主程序第一步是对系统进行初始化，初始化定时器T0为16位定时计数器的工作模式。全局中断打开并给显示端口清0。再调用超声波的发生子程序发出一个超声波脉冲，在发射过程中延时约0.1 ms，避免声波信号从发射器发出后直接传送到接收器而引起直射波触发，然后在使用外中断接收遇到物体后返回的声波信号。设计中采用了12MHz的晶振，计数器每次计数间隔是1μs，当主程序接收到成功的信号后，将计数器T0中的数计算，即得出与障碍物之间的距离，测出距离后将结果送往LED显示，这就是超声波测距的过程。
在系统调试方面，由于设计的电路由很多集成电路构成。外围元件很少，所以调试不太难。只要焊接的电路没有错误，简单调试一下就能够正常使用了。电路设计中除了集成电路，对其它电子元件也没专业要求。可以根据测量距离的差异，调整与接收换能器滤波电容就能得到适合灵敏度和超声波抗干扰能力[2]。
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3．2 超声波测距原理
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超声波测距是通过检测超声波发射后遇到障碍物所反射回来的回波，从而测出超声波发射和接收的时间差T,然后根据公式SCT/2，即可算出汽车与被测物体的距离。S为汽车与障碍物之间的距离,C为超声波在空气中的传播速度错误!未定义书签。。因为声速C受温度的影响很大，我们采用温度补偿的方法减小误差。表3-1中列出了不同温度下的超声波声速。T为超声波发射到接收到超声波所用时间，计时是由单片机的定时功能计出从超声波的发射到检测到超声波信号的时间。
表3-1 超声波波速与温度的关系表
温度（℃） 声速（m／s） -30 313 -20 319 -10 325 0 323 10 338 20 344 30 349 100 386
超声波的测距原理，如下图3-1所示。单片机发出40kHZ的信号，经放大电路放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数。
超声波接收器 放大电路 定时器 单片机控制 数据显示 超声波发射器 放大电路 图3-1 超声波测距原理图
3．3 超声波传感器
超声传感器指的是在超声波频率范围内将交变电信号转换成声波信号或将外界的声波信号转换成电信号的转换器件。
大体上讲，超声波的发生器可分为两类：一类是用机械方式产生超声波，一类是用
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电气方式产生超声波。两种方式产生的超声波功率、频率和声波的特性都不相同。因此不同的用途采用不同的方式产生超声波。而在此次设计中采用电气方式产生超声波，使用目前在理论研究和实际生活中最为常用的压电式超声波发生器。
压电式超声波传感器装置是根据声电转换原理制成的，它又称为超声波探头或者超声波换能器。超声波换能器有两种，一种是超声波发射换能器，另一种是超声波接收换能器。压电式超声波换能器的原理是依靠压电晶体的谐振来进行工作的。超声波换能器的内部由一个换能板和两个压电晶片构成。这种超声换能器需要的压电材料很少并且价格便宜，并且很适用于气体介质中。当压电晶片受到发射电脉冲激励后即可产生振动，发射声波脉冲，是逆压电效应。逆压电效应用于超声波的发射。当外界的超声波作用于压电晶片时，晶片被迫发生振动引起形变转换成电信号，这是正压电效应[3]。正压电效应应用于超声波的接收。
在换能器的两极引脚加上大小和方向不断变化的交流电压，就能使压电晶片产生机械变形，当引脚的频率和压电晶片上的振荡频率相同时，就能带动共振板发生共振产生超声波。
图3-2 超声波换能器内部结构图
超声波换能器的工作原理是把40kHz的间断方波信号分成2路，一路经一级反向器后到达TCT40一个电极，另一路通过两级反向器后到达TCT40的另一个电极，用这种形式将P1.0发出的方波信号加到达TCT40的两端上，产生谐振后经辐射器将振动信号向四面八法传播出去。当超声波信号经过传播后如果遇到障碍物之后就会发生光波折射，再传播回来，由接收换能器进行接收。
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3．4 控制系统框图
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超声波防撞控制系统如图3-3所示。该系统全部都由单片机进行控制，单片机发出40Hz的方波脉冲，经过超声波发射电路发射出超声波。超声波在遇到障碍物之后反射回来再由接收电路接收反射超声波信号送入单片机进行分析，计算出汽车与障碍物之间的距离，将处理后的结果送入显示电路经过数码显示管显示出距离，如果距离达到安全的极限距离则由报警电路通过蜂鸣器发车报警，提示司机躲避障碍物。
超声波接收 超声波发射 温度传感器 单片机控制显示距离 图3-3 超声波测距报警系统图
报警器
3．5 超声波发射装置设计
超声波发射装置包括两个部分：超声波产生电路部分和超声波发射控制电路部分。超声波探头采用TCT40。
单片机P1.0端口输出40KHz的超声波信号，此时定时器开始计时。通过输出引脚输入，经驱动后推动发射探头产生超声波，此方法充分利用了软件控制，灵活性好。超声波发射电路设计图如图3-4所示，超声波发射装置仿真图如图3-5所示。
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图3-4 超声波发射装置设计图
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图3-5 超声波发射装置仿真图
超声波的发射电路主要由反相器74LS04[[4]]和发射换能器TCT40-16构成。AT89C51单片机P1.0口输出的40kHz的间断方波信号分成2路，一路经一级反向器后到达TCT40一个电极，另一路通过两级反向器后到TCT40的另一个电极，用这种形式将P1.0发出的方波信号加到TCT40的两端上，能够增强超声波的发射强度。在加载方波信号时使用两个74LS04并联，可以提高驱动能力。而电阻R11、R12可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短了震荡时间，还可以提高换能器输出高电平的驱动能力。 3．6 超声波接收装置设计
超声波接收装置包括接收探头、信号放大电路和波形变换电路三个部分。超声波探头采用RCT40。
按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。接收装置的设计可用CX20106A来完成。在空气中传播的超声波，其能量的衰减与距离是成正比的，距离越小、衰减越少，距离越大、衰减越多，通常都在1V之内[6]。
[5]
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图3-6 超声波接收装置设计图
超声波的接收装置如图3-6所示，超声波的接收采用CX20106A集成电路模块。CX20106是一款红外线检波接收的芯片，他常用于现实生活中，而且价格便宜。由于红外线波的频率为38 kHz，与测距使用的超声波频率接近。，并且CX20106芯片的内部设置比较好，由于设计中芯片的5脚连接了一个外接电阻，此电阻使得滤波器的中心频率能够调节，R21的阻值越大滤波器的中心频率就越低，变化范围在30～60 kHz之间。
接收到的声波信号经由放大器，调整信号的频率，然后滤波消除干扰信号，最后再经过整形，输出到CX20106的7脚输出。当接收到的声波信号与CX20106的中心频率相符时，它的7脚就会低电平输出，而7脚接到INT0引脚上，这样就会中断。若频率和CX20106的中心频率不同时，即可调节R21，使滤波器的中心频率与超声波测距的频率相符。
CX20106引脚图[7]如图3-7所示，CX20106有8个引脚管脚1是超声波信号输入端；管脚2的电阻和电容决定接收换能器的总增益，通过增大或者减小电阻电容，确定放大倍数；管脚3与GND之间连接的电容起到检波作用；管脚5上的连接一个外接电阻，这个电阻用来设置滤波器的中心频率；管脚6与GND之间接入一个电容，该电容确定探测距离；管脚7是集电极开路输出端：管脚8接电源正极。
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图3-7 CX20106引脚图
3．7 温度补偿
温度对超声波的影响是很大的，如果能够知道温度，则可求出超声波的声速，从而能够得到较高的精度[8]。而问题在于用什么方法获得温度数据。为了方便对温度信号进行采集和处理，设计中采用了DALASS 公司的 DS18B20 集成温度传感器对超声波的传播速度进行温度补偿[9]。DS18B20采用1-WIRE 总线技术，能够在只占单片机一个 I/O 接口的情况下进行工作，方便了使用者对其的调试使用，而且它在零下十摄氏度到八十五摄氏度的工作环境下能够保持± 0.005的精度，足以为超声波测距装置提供精度范围。
图3-8所示为温度补偿设计图。两个按键开关用于控制测量的开始与结束之间的切换。DS18B20硬件性能稳定，接口简单，只需一根接口线就能连接起来。
DS18B20温度传感器里面有两个晶振，低温度系数晶振和高温度系数晶振。低温度系数晶振的振荡频率随外界温度的变化基本上没有影响，所以低温度系数的晶振产生的信号是固定频率的，这样便把它产生信号发送给计数器1。高温度系数晶振和低温度系数晶振正好相反，它在温度变化很大的时候,它的振荡频率随着温度发生很大的变化，所以计数器2的脉冲输入信号我们使用高温度系数的信号输入。由于计数器1对低温度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的值减少到0时，温度寄存器的数值就加1，计数器1的数值就会重新装入，计数器1再重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，这样一直循环，一直到计数器2计数到0时，停止对温度寄存器数值的累加，这时温度寄存器中的数值即为所测温度。
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图3-8 温度补偿电路设计图
3．8 显示电路设计
显示电路中显示测量距离使用的是4位共阳的LED数码管，它简单实用并且价格便宜。LED显示是共阳极接法的动态循环显示，段码使用74LS245芯片驱动，位码使用四个PNP三极管来驱动，显示电路设计图如图3-9所示。
74LS245芯片是生活中最为常用的芯片。它是8路同相三态双向总线的收发器，它可以用来驱动数码管或者一些其他的设备。它具有双向的三态功能，这使得它能够双向的传输数据，既可以输入数据，也可以输出数据。
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图3-9 显示电路设计图
在74LS245芯片CE端低电平有效时，当DIR=“0”时，信号由 B 向 A 传输；当 DIR=“1”时，信号由 A 向 B 传输；当CE为高电平时，A、B两端均为高阻态。
在生活中最常见的LED数码管是八段和七段的，八段式原理图的如图3-11所示。本次设计中采用的是八段式的数码管。八段式的与七段式的相比，他们各部分结构大体相同，八段只比七段式的多了一个小数点。数码管都是由LED发光二极管发光单片机控制LED的灭亮显示出不同的形状从而显示出数字。
数码管又分为两种类型，共阳极型和共阴极型，原理图如图3-10所示。共阳极型就是将数码管中发光二极管的阳极都接在一起并且接到电源上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阴极接到地线上，它就会发光。共阴极型则是将数码管中发光二极管的阴极都接在一起并且接到地线上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阳极接到电源上，它就会发光。
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图3-10 共阴极型和共阳极型原理图
g f com a b
a f g b e c dp d e d com c dp
图3-11 数码显示管引脚图
如图3-11数码显示管引脚图所示，把两个COM引脚连接起来，作为数码管的公共端，数码管共阴端要接地，共阳端接电源。一个二极管是一位，八个管子即a,b,c,d,e,f,g
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还有dp，拼成个8字列在一起就构成了一个8位的数码显示管。一个八段式的数码显示管的每个显示管连在一起，每个二极管的公共端称为位选线。在数码管显示数字时，一个二极管对应一条直线，a对应的是首位，dp对应最后位。例如，当数码管显示管显示数字0时，那么共阴极数码显示管的编码就为00111111，十六进制数为0x3f，而共阳极的数码显示管的编码就是11000000，十六进制数为0xC0。通过这个例子可以看出来共阴极数码显示管和共阳极数码显示管的编码各个位是相反的。 3．9 报警装置设计
报警部分采用一个蜂鸣器进行报警，利用单片机控制输出一个一定频率的信号。信号通过一个三极管，把信号放大，以增强驱动能力。然后将放大之后的信号连接到蜂鸣器上，报警部分装置如图3-12所示。
图3-12 报警装置设计图
蜂鸣器使用直流电源进行供电，广泛应用于当今生活中，尤其在计算机、报警器、汽车电子设备、电话机等电子设备制造中作为发声的器件而广泛应用。蜂鸣器是一种一体化结构的电子发声器，它分为两种类型，一种是压电式蜂鸣器，另一种是电磁式蜂鸣器[10]。
压电式蜂鸣器主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、共鸣箱及阻抗匹配器和外壳等部分组成。压电蜂鸣片是由铌镁酸铅或锆钛酸铅压电陶瓷材料制造而成。在陶瓷片的表面镀上金属电极，经过极化处理和老化处理之后，再与不锈钢钢片粘贴在一起就制成了压电
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蜂鸣片。而多谐振荡器由集成电路或者晶体管构造而成。当电极两端接通电源以后,多谐振荡器开始振动,输出音频信号，然后阻抗匹配器便能推动压电蜂鸣片发出声音。电磁式蜂鸣器主要由振荡器、磁铁、振动膜片、电磁线圈和外壳等部分组成。在两极接通电源之后，振荡器能够产生音频信号，信号通过电磁线圈，便会使电磁线圈生成磁场。这样振动膜片便会在磁铁和电磁线圈的作用下，周期性地反复振动从而发出声音。
4 软件设计
超声波测距预警系统主要包括主程序、发射子程序、温度采集子程序、外部中断子程序和数码显示子程序等。 4．1 软件工作流程
按下控制系统的开关，进行系统的初始化，当主程序完成初始化后调用发射子程序，由 P1.0 口发射出1个脉冲，驱动超声波换能器发射超声波，并且计数器开始计时。利用定时器的计数功能记录超声波从发射到接收所用的时间。当超声波接收器接收到超声波后，接收电路输出端输出一个跳变信号，在INT0端产生一个中断的信号，单片机响应中断请求后执行外部中断子程序，读取出来时间间隔，得到超声波的时间差。
计数器1对低温度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器T1的值减少到0时，温度寄存器的数值就加1，计数器T1再重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，一直循环到计数器T2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，这时即可读取此时温度值。根据上文中表3-1 超声波波速与温度的关系表，即可知道超声波精准的声波速度。
知道了时间和超声波的声波速度后，由S=CT/2算出汽车与被测物体的距离。
其中，S为测量的距离,C为超声波在空气中的传播速度。T为从发出超声波信号到接收到返回信号的时间间隔。通过单片机的计算得出距离，显示出来，到达距离极限时，启用报警模块。
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4．2 主程序流程图
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开始 系统初始化 调用温度检测子程序 延时1ms 适合温度修正超声波 温度计算测量结果 调试测距子程序 调用显示、报警子程序 结束
图4-1 主程序流程图
主程序流程图如图4-1所示。主程序第一步是对系统进行初始化，初始化定时器T0为16位定时计数器的工作模式。全局中断打开并给显示端口清0。再调用超声波的发生子程序发出一个超声波脉冲，在发射过程中延时约0.1ms，避免声波信号从发射器发出后直接传送到接收器而引起直射波触发，然后使用外中断接收遇到物体后返回的超声波信号。设计中采用了12 MHz的晶振，计数器每次计数间隔是1μs，当主程序接收到成功的信号后，将计数器T0中的数计算，即得出与障碍物之间的距离。测出距离后将结果送往LED显示，跳出程序，结束测量。 4．3 超声波的发生子程序和中断程序
超声波发生子程序是通过P1.0端口发出频率约40kHz的方波脉冲信号，在发出脉冲的同时，打开计数器T0开始计时。
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测距主程序是利用外中断T0检测遇到障碍物后反射回来的声波信号，一旦接收到信号，马上进入中断程序。中断开始后立刻让计时器停止计时，此时测距成功。如果在计时器溢出时还没有检测到反射的超声波信号，此时测距不成功。
开始 按下功能键 关T0，开T1 修改完毕 开T0，关T1，计时 结束 图4-2 中断处理流程图 5 硬件设计
硬件电路的设计主要包括三部分：单片机系统、显示电路、超声波的发射和检测接收电路。在本次设计中单片机采用AT89C51。还采用了12MHz高精度的晶振，以减小测量误的差[11]。用AT89C51的P1.0端口输出所需的40kHz的方波信号，采用AT89C51实现对TCT40超声波转换模块和CX20106A芯片的控制。 5．1 芯片的功能及其测距原理 5.1.1 AT89C51的功能特点
AT89C51单片机主要由中央处理器、存储器、输入输出接口等组成。中央处理器是
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使应用程序在开发调试后永久性的存储在程序存储器中。
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单片机的核心部分，它的主要作用是完成运算和控制功能。程序存储器具有存储功能，
AT89C51控制着超声波的发送和接收,串行口发送数据,及温度采样频率,并在内部计算转变成温度数据，使在不同温度下的误差最小。该芯片包括了限幅放大、前置放大、整形和输出数据信号。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除存储器
（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）[12]。8位高性能的CMOS微处理器，叫做单片机。该单片机采用ATMEL高密度非易失存储器制造，它能够与达到工业标准的输出管脚和MCS-51指令集相兼容[13]。它将8位多功能CPU处理器和闪烁存储器组合在单个芯片中,AT89C51是一种高效微控制器，其外形及引脚排列如图5-1所示。
图5-1 AT89C51控制器
AT89C51有两种可用软件来选择的省电方式：空闲工作方式和掉电工作方式。当处于空闲方式时CPU处于睡眠状态，但片内的其他部件仍然继续工作，而且片内RAM的内容和所有专用寄存器的内容在空闲方式期间都被保留起来。当处于掉电方式时保存了RAM的内容，振荡器停止震荡，禁止芯片其它功能直到下一次硬件复位才能使用。 5.1.2 单片机实现测距的原理
如图5-3所示为超声波传播图，利用声波发出到接收的时间来测量两者间的距离。
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图5-3 超声波传播图
因为在中无介质，我们可认为超声波空气中的声速为常数，测量出声波传播时间T ，利用公式5-1即可算出与障碍物之间的距离。
SCT (5-1) 2其中，S 为汽车与障碍物距离、V 为超声波在空气中传播声速、T 为超声波从发射到接收到反射声波所用的时间。 5.1.3 系统的特点
基于超声波技术的汽车防撞测距仪的设计，由于使用单片机作为控制元件控制整个系统电路，致使系统操作方便、可靠性高、结构简单并且能够自动控制该系统的的运行，能够自己检测障碍物。对于当今社会汽车拥挤的这一现状，此项研究对于防止交通事故的发生具有预防作用。
总体说来，本次设计能够实现测距的功能，报警距离可以人工智能控制，能够产生方向性好，抗干扰能力强，穿透能力强的声波信号，能够在事故发生前提示报警。 5．2 超声波测距系统元器件清单
在本次设计中使用的元器件主要有单片机AT89C51，CX20106A,超声波探头，蜂鸣器，数码显示管等，所用元器件详细清单如表5-1所示。
表5-1 元器件清单
元件名称 规格 单位 个数 本 科 专 业 课 课 程 设 计
电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 磁片电容 磁片电容 磁片电容 磁片电容 二极管 电解电容 蜂鸣器 超声波探头 三极管 电源插座 数码管 集成电路 晶振 集成电路 单片机 开关 1K 10K 2K 200K 4.7R 30P 330P 1.0P 4.7P LED 4.7uf 蜂鸣器 40T 9012 电源插座 数码管 74HC04 12M CX20106A AT89C51 RST 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 块 只 块 块 只 第 22 页 共 33 页
4 1 5 2 1 2 1 2 1 2 3 1 2 5 1 4 1 1 1 1 1 本 科 专 业 课 课 程 设 计
结束语
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汽车防撞测距仪的原理是利用超声波的发射和接收，用计时器计算出从发射到接收到遇到障碍物后反射声波的时间，再通过公式计算出汽车与障碍物之间的距离。它的硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路和超声波检测接收电路及显示报警电路三部分。单片机采用的是AT89C51系列，超声波发射电路主要由反相器74LS04和发射换能器构成，用单片机P1.0端口输出超声波发射器所需要的40kHz的方波信号。超声波的接收采用CX20106A集成电路模块进行。超声波测距预警系统软件设计主要包括主程序、发射子程序、温度采集子程序、外部中断子程序和数码显示报警子程序。
在本次设计中，与已有的汽车防撞测距仪相比，系统的抗干扰能力有了很大的提高。本设计采用温度传感器DS18B20对汽车防撞测距仪进行温度补偿，消除了温度对于超声波声速的影响。由于温度对超声波声速的影响很大，这一改进大大提高了系统的抗干扰能力。
虽然在本次毕业设计中已经通过认真的思考，但是还有很多不足的地方。在本设计中没有把汽车速度的测量设计到汽车防撞测距仪中去，对于这一方面还没有充分的研究。对于测速的初步想法就是利用多普勒效应测出汽车的行驶速度，然后根据测出的速度确定汽车与障碍物之间的极限安全距离再由单片机智能控制发出报警信号。
在设计过程中，由于知识学得不透彻，导致压力很大，每一次在图书馆中学习，每一次在网上收集最新研究动态，都极大地扩展了自己的知识面。
感谢我的指导老师王老师、何老师在这次毕业设计中对我的悉心指导。这次课程设计没有您们对我专业知识上的指导，我不会这么顺利的完成课程设计。借此机会，向您们表示由衷的感谢。感谢我的同组同学们，为我创造一个和谐融洽，相互促进的学习环境，使得我们能够顺利地完成课程设计，祝他们在以后的工作和生活中一切顺利。
最后我要深深地感谢我的家人，无论我身处顺境还是逆境，你们都给予我无限的理解和支持，你们是我的坚强后盾，正是你们的支持，才使我有足够的勇气战胜成长路上的一切困难。
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参 考 文 献
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附录
附录1：汽车防撞测距仪原理图
汽车防撞测距仪原理图
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附录2: 程序清单
ORG
LJMP
ORG
LJMP
ORG ORG
RETI
ORG
LJMP
ORG
RETI
ORG
RETI
****************主程序**************** START: MOV MOV MOV INC DJNZ MOV MOV
SP, #4FH
R0, #40H ;40H~43H为显示数据存放单元（40H为最高位） R7, #0BH R0
R7,CLEARDISP 20H,#00H
TMOD,#21H; T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器
002BH
001BH 0023H INTT1
0000H 0003H 000BH 0013H
START PINT0
LJMP INTT0
CLEARDISP: MOV @R0, #00H
MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H MOV MOV MOV
TL1, #0F2H; P0, #0FFH P1, #0FFH
;40KHz初值
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MOV MOV MOV SETB SETB SETB SETB START1:
LCALL
P2, #0FFH P3, #0FFH
R4,#04H ;超声波脉冲个数控制（为赋值的一半） PX0 ET0 EA TR0; DISPLAY
00H,START1; ；收到反射信号是标志为1 EA
MATH; ；计算距离子程序
；开启测距定时器
JNB CLR
LCALL
SETB EA
00H
CLR
SETB TR0; ；重新开启测距定时器
R2,#64H; ；测量间隔控制（约4ms×100=400ms） DISPLAY
MOV LOOP: LCALL
DJNZ R2,LOOP SJMP START1 **************显示程序************** DISPLAY: MOV MOV PLAY: MOV
MOV MOV MOV MOV
MOVC LCALL INC
MOV
R1,#40H ;40H为最高位，43H为最低位，先扫描高位 R5,#0F7H A,R5 P0,#0FFH P2,A A,@R1 DPTR,#TAB A,@A+DPTR P0,A DL1MS R1 A,R5
MOV
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JNB ACC.0,ENDOUT RR
A R5,A PLAY P2,#0FFH P0,#0FFH
MOV AJMP
MOV RET
MOV
ENDOUT:
TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH ;共阳段码表 “0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“不亮”，“A”，“—”
****************中断程序**************** INTT0: CLR CLR MOV MOV SETB SETB
SETB
EA TR0 TH0,#00H TL0,#00H ET1 EA
TR0 ;启动计数器T0，用以计算超声来回时间 TR1 ;开启发超声波用定时器T1
;T0中断，65ms中断一次
SETB OUT: RETI
INTT1: CPL DJNZ CLR
CLR
VOUT ;T1中断，发超声波用
R4,RETIOUT
TR1 ;超声波发送完毕，关T1 ET1 R4,#04H
EX0 ;开启接收回波中断
MOV SETB RETIOUT: RETI PINT0: CLR
TR0 ;外中断0，收到回波时进入，关计数器
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CLR CLR CLR CLR MOV MOV SETB RETI
TR1 ET1 EA EX0
44H,TL0 ;将计数值移入处理单元 45H,TH0
00H ;接收成功标志
*************延时程序************* DL1MS: DL: DL1:
MOV
R6,#14H R7,#19H R7,DL1 R6,DL
MOV
DJNZ DJNZ
RET
************距离计算程序（距离=计数值×17／1000Cm ********************** MATH:
PUSH
ACC PSW B PSW,#18H R3,45H R2,44H R1,#00D R0,#17D R3,#03H R2,#0E8H
PUSH PUSH MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV
LCALL MUL2BY2
LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV MOV JNZ
40H,R4 A,40H J0
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MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV 40H,#0AH A,R0 R4,A A,R1 R5,A R3,#00D R2,#100D ;最高位为0，不点亮
J0:
J1:
J2:
LCALL MOV MOV JNZ MOV SUBB JNZ MOV
MOV MOV MOV MOV
MOV
MOV LCALL MOV MOV JNZ MOV SUBB
JNZ
MOV MOV POP
DIV4BY2
41H,R4 A,41H J1
A,40H ;次高位为0，先看最高位是否为不亮 A, #0AH J1
41H,#0AH;
；最高位不亮，次高位也不亮
A, R0 R4, A A, R1 R5, A R3, #00D R2, #10D DIV4BY2
42H, R4 A, 42H J2
A,41H; ；次次高位为0，先看次高位是否为不亮 A, #0AH J2
42H,#0AH;
；次高位不亮，次次高位也不亮
43H, R0 B
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POP POP RET
PSW ACC
*************************2字节无符号数乘法程序************************** MUL2BY2: CLR MOV MOV A R7, A R6, A MULLOOP1:
MOV R5, A MOV R4, A MOV
46H, #10H CLR
C MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A JNC MULLOOP2 MOV A, R4 ADD
A, R2
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MOV MOV ADDC MOV MOV ADDC MOV MOV ADDC MOV
DJNZ
RET
R4, A A, R5 A, R3 R5, A A, R6 A, #00H R6, A A, R7 A, #00H R7, A
46H, MULLOOP1
MULLOOP2:
**********************4字节／2字节无符号数除发程序*********************** DIV4BY2:
MOV
46H, #20H R0, #00H R1, #00H A, R4 A R4, A A, R5 A R5, A A, R6 A A, R7 A R7, A A, R0 A R0, A A, R1
MOV MOV
MOV
RLC MOV MOV RLC MOV MOV RLC MOV RLC MOV MOV RLC MOV MOV
DIVLOOP1:
MOV R6, A
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RLC MOV CLR MOV SUBB MOV MOV A R1, A C A, R0 A, R2 B, A A, R1 DIVLOOP2:
SUBB A, R3 JC
DIVLOOP2 MOV R0, B MOV
R1, A CPL
C
DJNZ 46H, DIVLOOP1 MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A RET END;
；程序结束
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