单片机的倒车测距仪设计
目录
一、引言 1
（一）课题的背景 1
（二）国内外研究现状 1
（三）设计内容 1
二、系统总体方案及元器件介绍 3
（一）方案选择 3
（二）AT89C51单片机概述 4
（三）超声波传感器 6
三、系统硬件设计 9
（一）原理图设计 9
（二） AT89C51单片机最小系统设计 9
（三）测距模块电路设计 10
（四）蜂鸣器模块电路设计 11
（五）LCD1602液晶显示器模块电路设计 11
四、系统软件设计 13
（一）主程序流程图设计 13
（二）子程序流程图设计 14
五、调试 17
总结 18
致谢 19
参考文献 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 元器件清单 23
附录四 程序 24
第一章 引言
（一）课题的背景
随着中国经济的迅猛发展，国民生活质量得到大幅度的提升，私家车已经成为一个普遍的现象，然而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 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
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。
（二）国内外研究现状
目前国外对超声波测距仪的研究已经非常深入，大多采用多传感器的智能感控技术，将各种功能的小型传感器安装在测距仪的表面或者内部，通过对障碍物的形状、大小、体积以及距离参数进行采集，将数据传给嵌入在保护仪内部的微处理机进行处理，从而实现对司机的语音提醒、电源关闭、建议等功能，使得事故能够大幅降低。而在国内，对于超声波测距仪的研究也渗入了各个高等院校，由于单片机以及智能技术在中国的普及，对于设计一种简单有效的超声波测距仪已经不是难事。
（三）设计内容
此次设计的内容为“基于AT89C51的超声波测距仪”，主要设计一个使用超声波技术来测量汽车后方距离障碍物的距离，当距离越来越近时发出“嘟嘟嘟”报警信号的仪器。其主要能够实现当汽车尾部距离障碍物少于50cm时，AT89C51单片机驱动蜂鸣器发出“嘟嘟嘟”声进行报警，并且随着距离的越来越近，“嘟嘟”声的频率越来越高；而当小车距离障碍物多于50cm时，测距仪处于待机状态。在此系统中，超声波传感器是其中不可缺少的距离采集模块，超声波在测距时能够得到精确的距离。超声波和光线一样，同样具有散射和反射特性，当由超声波传感器发出的超声波遇到障碍时会发生多次的反射，当超声波再回到传感器时，将会有一个糟糕的距离差，这个距离差会严重影响超声波的工作，但是可以利用软件校准来减少影响，从而实现准确的定位。
本文选用T/R-40-12小型超声波传感器模块作为本系统的探测模块，并配合显示模块、报警模块与51单片机最小系统组成本超声波避障系统。首先通过单片机的定时器产生一个脉冲信号来驱动超声波传感器模块，使其开始对外连续发送40kHz的超声波，并且单片机的计时器开始计时。当超声波遇障被返回时，超声波的接受器接收到该超声波，并且计时器停止计时，并将计时值保存下来并通过液晶显示器显示出来。与此同时，单片机根据测到的距离来判断距离是否安全，当不安全时，通过蜂鸣器发出报警提示。
第二章 系统总体方案及元器件介绍
（一）方案选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。另外其开发资料片目前较少，不利于系统的开发。
方案二：采用FPGA或者CPLD芯片作为控制核心，片外结合T/R-40-12小型超声波传感器模块、LCD1602液晶显示器模块、报警模块、晶振电路模块以及复位电路等模块而构成。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的超声波测距仪对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
方案三：采用51单片机作为控制核心，配合片外结合T/R-40-12小型超声波传感器模块、LCD1602液晶显示器模块、报警模块、晶振电路模块以及复位电路等模块而构成，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述三个方案的分析，可以发现采用DSP作为主控芯片时有一种大材小用的感觉，不但其高速地处理速度得不到应用，并且其内部丰富的资源也将被浪费；而采用FPGA或者CPLD时，其上百M的主频无疑会使得保护仪的稳定性下降；而51单片机不但性能稳定，其成本也是本次设计所能接受的，因此本次设计采用方案三作为超声波测距仪的最终设计方案。
本超声波测距仪采用AT89C51单片机作为控制核心，它通过超声波传感器发出和接收的信号来计算出汽车尾部距离障碍物的距离，通过LCD1602液晶显示器将参数显示出来。当距离少于50cm时，测距仪发出警报提醒司机；当距离多于50cm时，保护仪无动作处于待机模式。下图2-1为本设计的大体结构框图：
图2-1 超声波测距仪总框图
上图的框图可以描述为，AT89C51单片机和复位电路以及晶振电路组成单片机最小系统，单片机控制超声波传感器采集距离数据并对器进行判断，当距离过小时通过蜂鸣器报警模块进行报警，并且将距离数据显示在LCD1602液晶显示器上。
（二）AT89C51单片机概述
AT89C51单片机组成
图2-2 AT89C51内部结构
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的单片机，它是一种能在低电压场合工作的高性能CMOS类型的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。另外这种类型的单片机已经采用了高密度的非易失储存器的制造技术，AT89C51单片机的通用IO管脚能够和工业上广泛采用的MCS-51类型的指令集能够完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图如3-3所示：
一、引言 1
（一）课题的背景 1
（二）国内外研究现状 1
（三）设计内容 1
二、系统总体方案及元器件介绍 3
（一）方案选择 3
（二）AT89C51单片机概述 4
（三）超声波传感器 6
三、系统硬件设计 9
（一）原理图设计 9
（二） AT89C51单片机最小系统设计 9
（三）测距模块电路设计 10
（四）蜂鸣器模块电路设计 11
（五）LCD1602液晶显示器模块电路设计 11
四、系统软件设计 13
（一）主程序流程图设计 13
（二）子程序流程图设计 14
五、调试 17
总结 18
致谢 19
参考文献 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 元器件清单 23
附录四 程序 24
第一章 引言
（一）课题的背景
随着中国经济的迅猛发展，国民生活质量得到大幅度的提升，私家车已经成为一个普遍的现象，然而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 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
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。
（二）国内外研究现状
目前国外对超声波测距仪的研究已经非常深入，大多采用多传感器的智能感控技术，将各种功能的小型传感器安装在测距仪的表面或者内部，通过对障碍物的形状、大小、体积以及距离参数进行采集，将数据传给嵌入在保护仪内部的微处理机进行处理，从而实现对司机的语音提醒、电源关闭、建议等功能，使得事故能够大幅降低。而在国内，对于超声波测距仪的研究也渗入了各个高等院校，由于单片机以及智能技术在中国的普及，对于设计一种简单有效的超声波测距仪已经不是难事。
（三）设计内容
此次设计的内容为“基于AT89C51的超声波测距仪”，主要设计一个使用超声波技术来测量汽车后方距离障碍物的距离，当距离越来越近时发出“嘟嘟嘟”报警信号的仪器。其主要能够实现当汽车尾部距离障碍物少于50cm时，AT89C51单片机驱动蜂鸣器发出“嘟嘟嘟”声进行报警，并且随着距离的越来越近，“嘟嘟”声的频率越来越高；而当小车距离障碍物多于50cm时，测距仪处于待机状态。在此系统中，超声波传感器是其中不可缺少的距离采集模块，超声波在测距时能够得到精确的距离。超声波和光线一样，同样具有散射和反射特性，当由超声波传感器发出的超声波遇到障碍时会发生多次的反射，当超声波再回到传感器时，将会有一个糟糕的距离差，这个距离差会严重影响超声波的工作，但是可以利用软件校准来减少影响，从而实现准确的定位。
本文选用T/R-40-12小型超声波传感器模块作为本系统的探测模块，并配合显示模块、报警模块与51单片机最小系统组成本超声波避障系统。首先通过单片机的定时器产生一个脉冲信号来驱动超声波传感器模块，使其开始对外连续发送40kHz的超声波，并且单片机的计时器开始计时。当超声波遇障被返回时，超声波的接受器接收到该超声波，并且计时器停止计时，并将计时值保存下来并通过液晶显示器显示出来。与此同时，单片机根据测到的距离来判断距离是否安全，当不安全时，通过蜂鸣器发出报警提示。
第二章 系统总体方案及元器件介绍
（一）方案选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。另外其开发资料片目前较少，不利于系统的开发。
方案二：采用FPGA或者CPLD芯片作为控制核心，片外结合T/R-40-12小型超声波传感器模块、LCD1602液晶显示器模块、报警模块、晶振电路模块以及复位电路等模块而构成。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的超声波测距仪对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
方案三：采用51单片机作为控制核心，配合片外结合T/R-40-12小型超声波传感器模块、LCD1602液晶显示器模块、报警模块、晶振电路模块以及复位电路等模块而构成，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述三个方案的分析，可以发现采用DSP作为主控芯片时有一种大材小用的感觉，不但其高速地处理速度得不到应用，并且其内部丰富的资源也将被浪费；而采用FPGA或者CPLD时，其上百M的主频无疑会使得保护仪的稳定性下降；而51单片机不但性能稳定，其成本也是本次设计所能接受的，因此本次设计采用方案三作为超声波测距仪的最终设计方案。
本超声波测距仪采用AT89C51单片机作为控制核心，它通过超声波传感器发出和接收的信号来计算出汽车尾部距离障碍物的距离，通过LCD1602液晶显示器将参数显示出来。当距离少于50cm时，测距仪发出警报提醒司机；当距离多于50cm时，保护仪无动作处于待机模式。下图2-1为本设计的大体结构框图：
图2-1 超声波测距仪总框图
上图的框图可以描述为，AT89C51单片机和复位电路以及晶振电路组成单片机最小系统，单片机控制超声波传感器采集距离数据并对器进行判断，当距离过小时通过蜂鸣器报警模块进行报警，并且将距离数据显示在LCD1602液晶显示器上。
（二）AT89C51单片机概述
AT89C51单片机组成
图2-2 AT89C51内部结构
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的单片机，它是一种能在低电压场合工作的高性能CMOS类型的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。另外这种类型的单片机已经采用了高密度的非易失储存器的制造技术，AT89C51单片机的通用IO管脚能够和工业上广泛采用的MCS-51类型的指令集能够完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图如3-3所示：
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