单片机课程设计_智能超声波测距小车设计

单片机课程设计_智能超声波测距小车设计单片机系统课程设计成绩评定表设计课题：智能超声波测距小车设计学院名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：设计时间：单片机系统课程设计设计课题：智能超声波测距小车设计学院名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：课程设计地点：课程设计时间：单片机系统课程设计任务书目录1概述(4)1.1应用情况及主要功能(4)1.2技术指标(5)2总体方案设计及分析(6)2.1总体方案设计(6)2.2系统方案(7)3硬件电路设计(7)3.151单片机系统(10)3.2超声波发射和接收模块(11)3.31602液晶显示屏(13)3.4电源电路(14)3.5电机驱动模块(14)3.6小车骨架(15)4系统软件设计(15)4.1主程序设计(15)4.2定义延时程序头文件(16)4.3电机运动控制模块(17)4.4液晶屏显示模块(18)4.5测距模块(18)5总结(19)参考文献(20)附录A系统原理图(21)附录B源程序(21)1.概述本文所介绍的超声波测距报警系统在测距的时候采用的是两个超声波探头分别进行超声波发射和接收来进行距离的测量的。本设计的汽车防撞系统能测量出倒车方向的障碍物与汽车之间的距离,并通过液晶屏显示单元模块显示两者之间的距离。本系统利用一片89C51单片机对超声波信号循环不断地进行采集。系统包括超声波测距单元（超声波集成模块）、89C51单片机控制、电机控制模块和液晶屏显示模块。这个设计的汽车倒车雷达要能够连续测距，数据经过单片机的处理后，用液晶屏显示所测量得到的距离。1．1应用情况及主要功能当前.经济的不断发展和工业科学技术的不断提高，汽车已逐渐进入不少百姓家。汽车使用数量的不断增加，从而由此导致的倒车交通安全问题也非常严重，道路交通压力增加，交通安全问题也是面临严峻挑战。在面临如此严峻的交通安全问题，许多涉及安全问题的汽车辅助系统也纷纷现世。而本设计就是利用单片机知识、传感器知识等，进行的汽车防撞装置的设计，在汽车倒车时，这种装置可以在驾驶员对车尾与障碍物体的距离远近无法目测和判断时进行报警。倒车雷达系统的开始是以蜂鸣器报警为标志的。汽车离障碍物距离越近，蜂鸣器报警声越急，蜂鸣器报警虽然使驾驶员知道有障碍物的存在，但却不能确定汽车车尾离障碍物有多远，所以，蜂鸣器报警对驾驶员帮助不是很大；之后一个质的飞跃就是液晶屏显示的出现，特别是液晶显示开始出现动态显示系统，驾驶员就是只要发动车辆，而且不用挂倒挡，液晶显示器上就会出现汽车图案以及汽车与周围的障碍物的距离，液晶显示是动态显示，液晶显示器的外表美观，显示的色彩也很清晰，而且可以直接粘贴在仪表盘上，安装也很方便。不过由于液晶显示的灵敏度比较高，而且它的抗干扰能力也不是很强，所以误报的情况也较多。现在市面上的魔幻镜倒车雷达应该算是比较先进的倒车雷达了，它结合了前几代产品的优点，并采用了最新仿生超声雷达技术，并用高速电脑控制，可全天准确地进行探测2m以内的障碍物，并以不同的声音提示和直观的距离显示来提醒驾驶员；魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气温度显示等多项功能整合在一起[1]，并设计了语音功能，因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，可以直接安装在车内倒视镜的位置，而且它样式种类繁多，可以按照个人需求和车内装饰选配，当然它的价格也是比较贵的。最新的一代倒车雷达是整合影音系统，除了具备前几代倒车雷达的功能外还兼有影音系统。随着科学技术水平的迅速发展，相关电子技术也是飞跃前进，当然，汽车电子产业也得到飞速发展，电子产业的飞速发展使得车载电子安全产品有很大的发展前景。倒车雷达当然是每辆车必备的电子安全产品，如今市面上的主流的汽车倒车雷达基本都是以单片机芯片为控制核心的智能测距报警系统。这些的倒车雷达能够连续测距并显示汽车与障碍物之间的距离，而且采用蜂鸣器的不同频率的鸣叫声进行报警提示和距离显示提示，从而能够尽量不占用驾驶员的视觉空间。此外，汽车电子系统的网络化的发展还要求作为汽车行驶安全辅助系统的倒车雷达要具有通信功能，并能够把数据发送到汽车总线上去。1.2技术指标超声波测距模块：1、典型工作用电压：5V2、超小静态工作电流：小于5mA3、感应角度(R3电阻越大,增益越高,探测角度越大)：R3电阻为392,不大于15度R3电阻为472,不大于30度4、探测距离(R3电阻可调节增益,即调节探测距离)：R3电阻为3922cm-450cmR3电阻为4722cm-700cm5、高精度：可达0.3cm6、盲区（2cm）超近液晶显示模块：2.总体方案设计及分析2.1总体方案设计超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。2.2系统方案此方案选择51单片机作为控制核心，所测得的距离数值由1602液晶显示屏显示，超声波发射信号由51单片机的P3.3口送出到超声波发射电路，将超声波发送出去，超声波接收电路由EM78P153芯片和超声波接收探头组成的电路构成，显示系统由液晶屏显示器电路构成。本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很好的提高系统的可靠性。本设计的汽车防撞装置的系统框图如图1所示。本设计由Keil编程软件对51单片机进行编程，51单片机在执行程序后由P0.1端口产生40kHz的脉冲信号通过74LS04电路进行放大并送到到超声波发射探头，产生超声波。在超声波发射电路启动的同时单片机启动中断定时器，利用其计数的功能记录超声波发射超声波到接收到超声波回波的时间。当接收回射的超声波时，接收电路的输出端产生负跳变输出到单片机产生中断申请，执行外部中断子程序计算距离。结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料，选择了超声波测距传感器TR40-16Q（其中T表示超声波发射探头，R表示超声波接收探头），综合考虑设计的要求出于简便角度，选用了HC-SR04超声波集成模块。此超声波模块的最大探测距离为5m，精度可以达到0.3cm，盲区为2cm，而且发射扩散角不大于15°，更有利于测距的准确性。而且，此模块的工作频率范围为39kHz～41kHz左右，完全能在40kHz工作频率工作。由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的，所以发射探头和接收探头必须在同一条水平行直线上，这样才能准确地接收反射的回波。而由于测量的距离不同和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传播的过程中的超声波衰减问题，发射探头和接收探头距离不可以太远，而且还要避免发射探头对接收探头在接收信号时产生的干扰，所以二者又不能靠得太近。根据对相关资料查阅，将两探头之间的距离定在5cm～8cm最为合适。本设计所用的HC-SR04模块的超声波探头之间的距离大约在6cm左右。3硬件电路设计本设计的汽车防撞装置由51单片机、超声波发射和接收探头、1602液晶显示屏、电源电路和电机模块组成。汽车防撞系统的测距是利用超声波测距的原理，在单片机内部程序的控制下，由超声波发射探头发射超声波，在超声波遇到障碍物时反射到超声波接收探头，由此回应到单片机，由单片机进行中断处理和数据的处理，计算出距离，由液晶屏显示距离。本设计的硬件电路分为六部分：51单片机、超声波发射和接收探头、1602液晶显示屏、电源电路、电机模块和小车骨架组成。3.151单片机系统一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有[5]：（1）单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。（2）单片机的某些增强的功能。（3）单片机的存储介质。例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。（4）单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。（5）单片机对工作的温度范围的要求。例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。（6）单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用STC的单片机是最合适的。（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面与标准的52系列的单片机可以完全的兼容。51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户的资源[5]。根据本系统设计的实际要求，选择AT89S51单片机做为本设计的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS8位单片机。89S51单片机具有以下几个性能特点：4k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。51单片机外部有40个引脚，很好记忆这些管脚的功能。IO口共32个，晶振2个，复位1个，电源2个，还有三个分别是EA/VP、ALE/PROG、PSEN引脚。如图2所示。单片机最小系统如图3所示。图280C51芯片原理图图3单片机最小系统原理图3.2超声波发射和接收模块超声波是一种振动频率超过20kHz的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面。而且，超声波的测量是一种比较理想的非接触式的测距方法。当进行距离的测量时，由安装在同一水平线上的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，并且同时启动定时器进行计数。首先由超声波发射探头向倒车的方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在空气中传播的途中一旦遇到障碍物后就会被反射回来，当接收探头收到反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时。这样，定时器就能够准确的记录下了超声波发射点至障碍物之间往返传播所用的时间t（s）。由于在常温下超声波在空气中的传播速度大约为340m/s，所以障碍物到发射探头之间的距离为：S=340×t/2=170×t因为单片机内部定时器的计时实际上就是对机器周期T的计数，而本设计中时钟频率fosc取12MHz，设计数值N，则：T＝12/fosc=1μst=N×T＝N×0.000001（s）S＝170×N×T＝170×N/1000000（m）在程序中按式S＝170×N×T＝170×N/1000000计算距离。本设计方案中使用的是由超声波发射和接收探头组成的HC-SR04模块。图4HC-SR04内部结构图3.31602液晶显示屏1602液晶模块，显示屏是蓝色背光白色字体。字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)其控制原理与14脚的LCD