51超声波测距报警器

课程设计说明书

题 目： 51超声波测距报警器

课 程 名 称 单片机设计 专 业 班 级 电自11101 学 生 姓 名 宋鹏飞 班 级 学 号 43811614 指 导 教 师 牛少杰 日 期 2014.6.25

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摘要

本文是基于STC89C51单片机为核心的车载防撞报警器的设计，分析了汽车倒车防撞系统的基本的设计原理。主要是利用了超声波的特点与优势，还将超声波的测距系统与STC89C51单片机结合于一体。该系统采用软、硬件结合的方式，硬件部分主要是由单片机硬件接口电路与超声波发射电路、超声波接收电路与数码管显示电路、电源电路与报警电路组成的，软件部分主要是由主程序和超声波发射接收中断程序、距离计算子程序和显示报警子程序等部分组成的具有模块化与多用化的特点。驾驶者只需要坐在汽车驾驶室就可以做到心里有数，极大地提高泊车和倒车的时候安全性与效率。

关键词：单片机；防撞报警；超声波；

II

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目 录

1 绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1

项目背景及设计目标 ....................................................................................................... 1

2 超声波概述 .............................................................................................................................. 2 2.1

超声波基本理论 ............................................................................................................... 2

超声波发展史 ............................................................................................................ 2 超声波的本质 ............................................................................................................ 2 超声波的应用 ............................................................................................................ 3

2.1.1 2.1.2 2.1.3

3 超声波测距方法与原理.......................................................................................................... 4 3.1 3.2

超声波测距方法 ............................................................................................................... 5

方法种类介绍和说明 ................................................................................................ 5 超声波测距原理 ........................................................................................................ 6 超声波测距原理与超声波传感器 ................................................................................... 6 3.1.1 3.2.1

4 系统电路设计 .......................................................................................................................... 9 4.1

电路设计 ........................................................................................................................... 9

发射与接收电路设计方案 ........................................................................................ 9 显示电路设计方案 .................................................................................................. 10 报警电路设计方案 .................................................................................................. 12 系统复位电路设计 .................................................................................................. 13 硬件设计 .................................................................................................................. 14 软件设计 .................................................................................................................. 16

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2

、硬件与软件设计 ......................................................................................................... 14

5 6 7 8

总结 ........................................................................................................................................ 18 参考文献 ................................................................................................................................ 18 附录1系统原理图................................................................................................................ 19 附录2实物图 ........................................................................................................................ 19

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1 绪论

1.1 项目背景及设计目标

现代社会的汽车工业飞速发展，拥有私家轿车的人越来越多，带来的交通问题也日益严重。其中安全倒车是驾车技术水平不高或没有安全意识的开车人士最为担心的交通问题之一，如果稍不留神不仅会给自己或别人带来财产损失，还会造成激烈的争吵与纠纷，甚至也威胁到了驾驶员的生命安全。面对这样的情况与问题，倒车防撞报警器就被人们设计出来， 依据声源或以直观的显示提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了驾驶员倒车和启动轿车时前后左右探视所引起的问题，并帮助驾驶员扫除了视觉死角和视野模糊的不足，提高了倒车安全性。

第一代：倒车时通过人工智能声呐提醒。现在这样的倒车雷达只有小部分卡车与泥头车使用。司机只要挂倒车档，人工智能声呐就会响起，告知周围的人注意。某种意义上说，这样对司机毫无直接的帮助，这不是真正的倒车雷达系统，单纯地告知路人小心。该类产品价格低廉，但基本是淘汰的产品。

第二代：使用蜂鸣器产生多种声音来告知驾驶员。在倒车时，蜂鸣器会发出“嘀、嘀、嘀”的响声，这便是倒车雷达真正的开始。如果倒车时车后一定距离内存在障碍物，蜂鸣器马上工作，蜂鸣声音越急，代表车辆离障碍物越近。因为蜂鸣器没有语音提示与距离显示，即使司机知道存在障碍物，也不能确定障碍物到底离车体有多远，所以对驾驶员帮助作用不大。

第三代：数码波段显示倒车系统。这代产品相对于前系带比较，有显示车后障碍物离车辆距离的能力。显示车后障碍物与车辆两者距离方式有两种：一是数字显示方式；这种方式通过使用LED显示车辆与障碍物两者距离；二是用颜色来区别：绿色表示安全距离，黄色表示警告距离，红色表示危险距离。第三代的倒车雷达系统就比较先进了，但缺点为精确度较低、安装设计单一。

第四代：液晶荧的屏动态显示。这代倒车雷达系统有质的飞跃，可以看清车体与障碍物两者实际距离与其图像。这类倒车雷达不需挂倒车档，一发动汽车，显示器会显现汽车图案与车体附近障碍物的距离，颜色清晰，外表美观，能直接地粘贴在仪表盘上，安装也很便利。但这一代倒车雷达灵敏度较低，抗干扰能力较弱，产生误报也频繁等。

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2 超声波概述

2.1 超声波基本理论

2.1.1 超声波发展史

意大利科学家斯帕拉捷习惯晚饭后到附近的街道上散步。他常常看到，很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从不会撞到墙壁上。这个现象引起了他的好奇：蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢？为了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列试验。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能准确地分辨障碍物。只有当耳朵被堵住时，蝙蝠就不能分辨障碍物。斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密。后来人们继续研究，终于弄清了蝙蝠飞行奥秘。发现，它们依靠喉咙发出让人听不见的“超声波”，声音沿直线传播，碰到物体后就就好像光在镜子上产生反射现象。它们的耳朵接受到这种“超声波”，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。

2.1.2 超声波的本质

声波是声音的类别之一，属于机械波，是人们能感觉得到的纵波，频率大小范围为16Hz-20KHz。当声波的频率小于16Hz时就称为次声波，大于20KHz则叫做超声波。其中超声波是种波动形式，它能作为探测和负载信息的载体；超声波也是种能量形式，如果其强度超过一定程度时，它能与传播超声波媒质的相互作用，去影响，甚至破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。

超声波的反射、折射、衍射、散射在媒质中等传播规律，和可听声波的传播规律没有本质区别。但超声波波长短，达到厘米，甚至达到毫米。与可听声波相对比，超声波有多奇异特点：?传播特性─超声波波长短，通常障碍物尺寸比超声波的波长长好多倍，因此超声波衍射本事极差，在均匀的介质里可以沿着直线传播，它波长越短，这特性就越明显。?功率特性─声音在空气中直线传播的时侯，让空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率表示声波做功的快慢。在同条件下，频率高，所拥有功率就大。因为频率高，所以超声波与平常声波对比，超声波的功率较高。?空化作用─超声波在液体中传播的时侯，因为液体微粒的剧烈振动，所以在液体的内部制造出小空洞。这些小空洞迅速胀大与闭合，

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使液体的微粒之间产生猛烈撞击作用，进而产生几千个至上万个大气压压强。微粒这种剧烈的相互作用，让液体的温度升高，有了很好的搅拌作用，让两种不相溶的液体之间（如水和油）发生变化，而且加速溶质的深度溶解，加快化学的反应。这种因为超声波作用使液体里所引起各种效应称为超声波空化作用。

2.1.3 超声波的应用

正因为超声波在物理化学方面的独特特性，因此，超声波在许多方面都有广泛的应用。归结起来，超声波主要应用在以下几个方面：

(1) 在检验方面的应用

超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。

超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。超声波的测厚，是依据超声波的脉冲反射原理进行厚度测量的，每当探头的发射超声波脉冲穿透被测物体到达材料分界面时侯，脉冲就反射回至探头，通过准确测量超声波在材料中传播的时间来计算出被测材料的厚度。

超声波的测距原理是采用了超声波在空气中的传播速度为已知条件，测量的声波在发射后碰到障碍物反射的回来的时间，用发射和接收的时间差确定出发射点至障碍物的实际测量距离。超声波的测距主要应用在倒车提醒、工业现场等距离测量，虽然目前测距量程上能有百米，但测量精度只可以到厘米的数量级。

超声成像是采用超声波表现出不透明物的内部形象技术，能从换能器的发射出超声波到达声透镜聚焦到不透明的试样中，能从试样透射出的超声波里有被照部位资料，经过声透镜汇聚到压电接收器，所得出电信号的放大器，使用扫描系统能够把不透明的试样形象显现在荧光屏中。这样的装置叫做超声显微镜。超声成像电子技术能在医疗检查方面获得普遍的使用，如在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查和在材料科学中用来显现合金中的不同组分区域与晶粒间界。声全息术是使用超声波干涉原理记录与重现不透明物立体图像声成像电子技术，它们工作原理和光波全息术有相同之处，只是其记录方

式有各自的差异而已。

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(2) 在超声处理方面的应用

利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波焊接主要分超声波塑料焊接和超声波金属焊接，超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高、密封性好的优点；而超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。针对所有的应用市场，超音波焊接其特有的优点——快捷、高效、清洁和牢固，赢得了各行各业的认可，在汽车、家电、包装、玩具业、电子等行业的应用也越来越广泛。

超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。超声波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清洁度高，不须人手接触清洗液，安全可靠，对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等诸多优点。超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂像一些表面凹凸不平、有盲孔的机械零部件，一些特别小而对请洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。

超声波技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。超声波治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。超声波机械作用能够使组织软化，增强渗透，提高代谢，促进身体血液的循环，提高神经系统与其细胞的功能，为此拥有超声波的独特治疗的作用。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。超声波治疗以疗效独特，长期治疗无毒副作用的安全特性见长，在肢体运动康复、心脑血管疾病治疗方面有着独特的优势，其体外无创的物理治疗手段比较适合在社区、医院运用。

3 超声波测距方法与原理

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3.1 超声波测距方法

3.1.1 方法种类介绍和说明

目前，市场上利用超声波测距原理制成的测距系统种类繁多，但是超声波的测距方案总下来有下面几种：

（1）相位的检测法

相位的检测法可分2种：一方法是用发射不同频率超声波来显现的。先开始发射波长为?1的超声波。检测出回波相位为?1 。假设所用的波周期数m ,则能求的目标物体的距离为：

??L??m?12??

???1? (3-1)

???2? (3-2)

同样道理可以算出第二束波形测距的计算公式为：

??L??n?22??

其中：?2 为第二束波的相位角，?2 是波长，n 是周期数。又由于m 和n 都为正数,与此同时再一次进行时间补偿算法，可准确求目标距离值。但是因为超声波探头是有固定频率，假设改变频率，系统衰减会大，需要两套信号的检测电路，实施难度加大，不适宜采用。

二方法是使用单一超声波的探头来进行相位的检测法检测，这种方法是待测距离在一个周期内使用，若过选用40kHz超声波为传播介质，一个周期对应检测距离为

L?340?0.000025?0.0085?m??8.5mm ，因此，这种方法的准确度很高。

（2）幅值的检测法

幅值德检测法是开始发射固定频率的超声波，接着使用反射或对射法的检测接收得到的超声波脉冲的强度，从超声波回波衰减理论，认真对回波脉冲强度的进行分析，从而求得目标距离。

（3）渡越时间法

渡越时间意思是开始从传感器发射出超声波开始计时，经气体的介质传播，达到传感器接收到回波时计时的停止。因为在一定的环境下，温度不会变化，或变化较缓慢，可近似认为常数，这时声速是保持不变的。所以能通过检测渡越的时间，结合现场声速，从而

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求得传感器和目标之间的距离。

3.2 超声波测距原理与超声波传感器

3.2.1 超声波测距原理

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。

超声波遥控近距离遥控中的一种的实际方法，人们可以听到的声音的频率估算为20Hz~20kHz，低于20Hz和高于20kHz的声音，人耳一般都听不到，人把高于20kHz声波叫做超声波。它属于一种机械振动波，能够在气体与液体、固体中传播，它在空气中的传播的速度是340m/s，与光波及电磁波相比较是极度缓慢的。超声波拥有方向性，即传播能量相对于其他波而言很集中，这一点和可听见声波相异。另外，超声波在传播途中若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。超声波测距从原理上可有共振式与脉冲反射式两种。因为应用要求十分限定，这里用脉冲反射式，即是利用超声的反射的特性。超声波测距的原理是经过超声波发射传感器向某方向发射出超声波，在发射的时刻同时开始计时间，超声波在空气传播，途中要是遇到障碍物立即返回，当超声波接收器收到反射波时就停止计时。平常温度下超声波在空气中传播速度是 C=340m/s，依据计时器记录时间 t，就能计算到发射点距离障碍物距离(S)，即为S=C*t/2=C*t0，其中，t0 就是所谓渡越的时间。能够看出主要的部分有[8]：

(1) 供应的电能脉冲发生器（发射电路）； (2) 使接收和发射的隔离开关的部分；

(3) 转换的电能为声能，并将声能透射得到介质中的发射传感器； (4) 接收的反射声能（回波）与转换的声能是电信号的接收传感器；

(5) 接收放大器，能够使微弱回声放大到一定的幅度，且使回声的激发记录设备； (6) 记录/控制的设备，平常控制发射到传感器里的电能，且控制声能脉冲发射到记录回波时间，还能存储要求的数据，且将时间间隔转成距离.

在超声波测量的系统中，若频率取得太低，外界杂音干扰的较多；若频率取得太高，在传播的过程中衰减得较大。所以在超声波测量中，常使用 40KHz 的一种超声波。现在

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超声波测量的距离一般是几米至几十米，是种适合室内的测量方式。因为超声波的发射与接收器件拥有固有频率的特性，有很高抗干扰的性能。

距离测量的系统常用频率的范围为 25KHz～300KHz 的脉冲压力波，发射与接收的传感器有时侯共用一个，或两个分开使用。发射电路是由振荡和功放两部分组成的，能够向传感器输出一个有一定的宽度的高压脉冲串，并让传感器转变成声能发射出去；接收放大器用在放大的回声信号方便记录，与此同时，为使它有接收具有一定的频带的宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带的宽度；收/发隔离要使接收的装置避开强大发射信号；记录/控制部分启动或者关闭发射电路且记录发射瞬时和接收瞬时，能将时差换算为距离读数并且加以显示或者记录[8]。所谓的超声波测距的原理属于一种种时间差测距法，超声波发射器向某方向发射出超声波，在发射的时刻的同时计算传播时间，超声波在空气中传播，若是遇到障碍物会返回来，每当超声波接收器收到反射波就立即停止计时[10]。超声波在空气中的传播速度是340m/s,根据计时器记录时间t，就能够计算出发射点距离障碍物的距离（s),即为：s=340t/2.超声波测距原理是采用超声波在于空气中传播的速度为已知条件，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算发射点到障碍物的实际距离。 引脚功能

如下图接线：

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 OUT开关量输出（当报警模块使用）

图3-1 HY-SRF05引脚示意图

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电气参数

HY-SRF05超声波模块工作电压为直流电压5伏特。电流15毫安。频率为40赫兹。射程范围为2cm~4.5cm。测量角度为15度。当高平电信号10us的TTL脉冲输入，会产生回响信号。规格尺寸为45*20*15mm。详见下表3-1。

表3-1电气参数

电气参数 工作电压 工作电流 工作频率 最远射程 最近射程 测量角度 输入触发信号 输出回响信号 规格尺寸 HY-SRF05超声波模块 DC5V 15mA 40Hz 4.5m 2cm 15度 10us的TTL脉冲 输出TTL电平信号，与射程成比例 45*20*15mm

超声波时序图

以下时序图表明只需有一个10us以上脉冲触发信号，此模块的内部将会自动发出8个40KHZ周期电平并且检测回波。一旦检测得到有回波的信号则输出回响信号。回响信的号的脉冲宽度与所测的距离会是正比关系，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

公式：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2 (3-3) 注：此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作；测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。

图3-2时序图

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4 系统电路设计

4.1 电路设计

该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、复位电路、显示报警电路组成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用性能较好的STC89C51单片机。

4.1.1 发射与接收电路设计方案

对于本系统的设计，其难点在于40KHz信号的产生。由于超声波传感器的中心工作频率为40KHz，当偏离这个频率时，其接收器的灵敏度将明显降低，具体可以从超声波传器的特性曲线中得知。当发送40KHz的频率时，接收到的信号最强，因此距离也就最大，而当偏离时，探测距离也将缩短，这一点是本设计总的设计思路。对于产生40KHz的驱动信号，方法有多种，可以选用电感、电容振荡元件来完成驱动信号的发生器，但是其频率稳定性较差，不容易调准，因此制作成功的可能性相对较小。本设计中，选用了单片机作为信号的发生电路，由于采用了频率稳定性好的晶振作为系统的时钟，因此有极高的稳定性，由此产生的驱动信号也较为稳定，当编制不同的程序时，可以得到不同的频率输出。 电路中以接收到的信号强度值作为障碍物的判断依据，因此对起控点的选择也是本设计制作成功非常关键性的一部分。由于反射回来的超声波信号的强弱与环境因素有关，因此在调试时必须非常细心，注意收集在改变距离时，实际的直流控制电压的大小，合理地选择好电压比较环节的起控点，从而达到距离小于设定值时的报警。

启动的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便记录超声波的发射时间与受到反射波时间。每当收到一个超声波反射波的时侯，接收电路的输出端产生出一个负跳变，并在或端产生出一个中断的请求信号，单片机响应这个外部中断请求，自动执行外部中断的服务子程序，并读取时间差与计算距离。

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图4-1发射与接收电路

4.1.2 显示电路设计方案

显示器是一个典型的输出设备且实际应用广泛，几乎所有电子产品都会使用显示器，各自的差别仅仅在于是显示器结构类型相异而已。其中，最简单的显示器能够使LED发光二极管，并给出一个简单开关的信息，但复杂且较完整的显示器应是CRT监视器或屏幕里较大的LCD液晶屏。综合一些实际要求和考虑单片机的接口资源，采用串行的方式显示的LED驱动输出设备。由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管显示距离的cm数值。

在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式；静态显示驱动和动态显示驱动。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通过恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，在发送新的自行段码。因此，使用这种方法单片机中的CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、编译码等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需要的期间和连线也应该增加，成本也增加。而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这是LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。本设计选用8155芯片作为单片机应用系统拓展的I/O口。PA口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动；PC口作为

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LED的为选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8端全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反应驱动器74LS06以提高驱动能力。

图4-2 显示电路

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4.1.3 报警电路设计方案

系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K，R26的阻值为10K。对于二级运算放大，都采用F007芯片，两级放大电路均是负反馈接法，即反相比例运算电路，而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地，根据“虚短”和“虚断”的特点。即u =u+，i =i+=0，而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0→∞。所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，即Uid=u =+≈0，即u =u+,而u0具有一定值。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。而“虚短”是由于理想集成运放的输入电阻Rid→∞，故可以认为输入端不取电流，即i =i+≈0，这样输入端相当于断路，而不是断开，成为“虚断”。而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况成为“需地”。所以iI=iF=

u_?u0?u0Rf=，因为i_=0，iI=if，则可得u0=uI，故可将信号进行放大。 RfRiRfuI，RI

图4-3 报警电路

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4.1.4 系统复位电路设计

在单片机日常工作时，除了系统正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为解决这个问题，也需要复位致使其重新启动。所以，系统复位电路显得尤为重要。

单片机复位全靠外部电路实现，每当在时钟电路工作后时，一旦在单片夹中的RST引脚上表现出24个时钟振荡脉冲以上高电平，单片机就会实现初始化状态的复位。为了保证并可靠复位，在设计复位电路时，RST须高电平。只要RST电平不变，单片机就循环复位。

单片机复位电路通常采用以下几种方式： （1）上电自动复位

在通电瞬间，由于R?C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

图4-4 上电复位电路

（2）按键电平复位

通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。

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（3）在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这种特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统由多个复位端时，能保证可靠地同步复位。

4.2 、硬件与软件设计

4.2.1 硬件设计

STC89C51是一个低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含4KB可反复擦写的Flash只读程序存储器与128B随机存取数据的存储器（RAM），器件采用由ATMEL公司高密与非易失性存储的技术产生，能够兼容标准的MCS-51指令系统，片内还置有通用8位中央处理器与Flash存储单元，内置功能齐全的微型计算机STC89C51提供了高性价比的解决的方案，STC89C51是个低功耗高性能的单片机，有40个引脚和32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含有2个外中断口，两个16位可编程的定时计数器，两个全双工的串行通信口，STC89C51能够照常规方法进行一定的编程，也能够在线编程。它通用的微处理器与Flash存储器结合在一起，特别是反复式擦写的Flash存储器可有效节省开发的成本。

I/O的端口编程实际为根据应用电路的功能与对I/O的寄存器进行编程。具体的步骤如下：

（1）根据实际的电路要求，选择采用哪些的I/O端口，且用EQU伪指令去定义自身所相对应的寄存器；

（2）初始化的端口数据输出的寄存器，应该避免端口作为输出的时侯，开始阶段显现不确定的状态，影响到外围的电路正常工作；

（3）根据外围的电路功能，确定I/O端口id方向，初始化的端口数据方向寄存器。把用作输入的端口可以不用考虑其方向的初始化，因为I/O复位缺省值是输入；

（4）对于用作输入的I/O管脚，如需上拉，再经过输入上拉让其能寄存器为它内部配置个上拉电阻；

（5）最后对I/O的端口进行输出（写数据输出的寄存器）与输入（读端口）编程，完成对外围的电路的相应功能。

根据系统设计要求，各接口功能如下：

P1.0：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于后方的测距电路） P1.1：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于右侧的测距电路）

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[8]

[3]

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P1.2：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于左侧的测距电路） INT0：产生中断请求，接后方测距电路。 INT1：产生中断请求，接后方测距电路。 P1.3：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P1.4：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P0.0~P0.7：用于显示输出，接显示器。 P2.7：接报警电路。 P2.0：接报警电路。 P2.1：接报警电路。

XTAL1：接入外部晶振的引脚。在单片机的内部，它是一个反相放大器的输入端， 这一个放大器构成出片内振荡器。采用外部振荡器的时侯，有些引脚应该接地。

XTAL2：接入外部晶振的引脚。在片内接到振荡器反相放大器输出端与内部时钟发生器的输入端。当采用外部振荡器的时侯，此引脚接外部振荡的信号输入。

RST：STC89C51复位信号的输入引脚，高电位的工作，当要对芯片复位的时侯，只须将此引脚电位提至高电位，并且持续不变两个机器的周期以上时间，STC89C51就能完成系统的复位各项工作，使内部特殊的功能寄存器内部都被设成已知状态。

图5-1 单片机硬件设计

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4.2.2 软件设计

主程序为单片机程序主体，整一个单片机端的系统的软件功能的实现都在其中完成，在此过程里主程序调用子程序和中断服务程序。程序第一步完成初始化过程，第二步是一个重复控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，并且次次发射的周期结束会判断在发射的信号后延时等待过程中是否会发生； 中断，即是否回波的产生判断程序的流程。

单片机初始化定时器初始化定时子程序发射超声有回波吗NY外部中断子程序三方向是否发射完？停止发射返回

图5-2 单片机软件主程序流程

外部中断入口进入外部中断0读取THO*256时间值+TLOY计算距离结果送显示并报警提示开外部中断返回

图5-3(a) 单片机软件子程序流程图

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功能说明：TH0*256时间值+TLO中读取出来的时间差数据并不能作为距离值直接显示输出，因为时间差值与实际的距离值之间转换公式为Outcome=TH0*256+TL0; Outcome=(Outcome*1.7)/100。其中，V为声音在常温下的传播速度，T为发射信号到接收之间经历的时间，在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。

在系统硬件表现出的超声波测距基本功能的同时，系统软件所实现功能主要是系统功能的实现和数据处理与应用。根据上节所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要 实现以下功能：

一、信号控制

在系统的硬件中，已完成的发射电路、接收电路、检测电路、显示电路等设计。在系统软件里，要完成出增益控制信号与门控信号、发射脉冲信号与峰值采集信号及远近控制信号的时序及输出。 二、数据存储

为得到发射信号和接收回波两者之间时间差，须读出此刻计数器里的计数值，接着存储在 RAM 中，并且每次的发射周期的开始，必须对计数器进行清零操作，以备后续的处理。

三、信号处理

RAM 里存储的计数值不能作为距离值的直接地显示输出，计数值和实际距离值之间转换

公式为：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2 (5-1) 四、数据传输与显示

通过软件的处理得到距离送显示输出，用三位 LED 显示。因为采用单片机STC89C51并且考虑了系统的控制流程，所以整一个系统软件都是 STC89C51系列单片机的汇编语言实现。由于距离值的得出和显示是在中断子程序里完成的，因此在初始化的发射程序后进入到中断响应的等待过程。继中断响应后，原始数据经过计数值和距离值换算子程序与二进制和十进制转换子程序之后显示输出。整一个系统软件的功能实现可以分为主程序、中断服务程序等主要的部分。

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5 总结

本文在分析了汽车业现状的基础上，提出了汽车防撞报警设计及其重要性。文中对超声波测距的原理和实现进行了详细论述，详细介绍了STC89C51的内部结构以及各管脚的功能。在此理论知识基础上，本文利用STC89C51单片机对系统发射与接收、显示报警及复位等硬件电路进行了设计，并对设计电路作了分析。通过掌握了系统的工作流程，设计了该系统的主程序、显示子程序和蜂鸣报警程序。

文中对车载防撞报警系统的设计可应用在汽车倒车等多种场合，用于告知驾驶者在倒车的时候能准确的避开可能对倒车过程中有着的危害和障碍物与行人，有一定较强实用性，提高驾驶员的安全性。

但是，这个系统的测量距离有限定，只有在0-100cm距离的情况下可表现出明显的线性关系。另外，每当测距的障碍物时斜面或者是其它的复杂界面也会影响测量的准确性，以上不足需要进一步改进，相信未来随着科学的不断完善发展，倒车防撞系统可完美的实现在驾驶工作中。

6 参考文献

[1] 陈雪丽. 单片机原理及应用 张毅刚 彭喜元 彭宇 高等教育出版社,2006

[2] 薛均义，张彦斌.MCS-51系列单片微型计算机及其应用.西安：西安交通大学出版社，2008.

[3] 唐颖，程菊花，任条娟.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：北京大学出版社，2011

[4] 余成波 传感器与自动检测技术 高等教育出版社2014

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7 附录1系统原理图

8 附录2实物图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k5z7.html