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随着社会经济的发展，私人拥有的汽车数量在持续上升。随之而来的就是因为汽车过多而产生的问题。交通拥挤的状况越来越严重严重，因为汽车而产生的人身财产损失也越来越多。安全驾驶越来越受到人们的关注。各式各样的汽车安全辅助工具开始被设计制造生产出来，倒车防撞系统就是其中的一种。

在汽车行驶过程中系统通过超声波测距原理，计算距离，提醒报警，防止汽车碰撞到障碍物。硬件系统能够实现以单片机及其最小系统为中心实时控制超声波模块，数码管显示电路，蜂鸣器报警电路等协同工作。同时实现处理定时器数据，计算距离信息等功能。软件程序则使用Keil uVision4开发环境进行编写，并生成可执行工程文件下载到单片机中。程序中包括了完整的与硬件系统相对应的程序模块，将整套系统的超声波测距技术和单片机控制技术结合，一起实现完整的功能。这种系统运用了软硬件结合，以功能为指标分块设计的思维原则。

关键词：超声波；单片机；测距；倒车防撞

第二章 设计方案

2.1测距方案
2.1.1红外线测距
红外线测距的原理是当红外线经过障碍物会反射回来，而且不同的距离反射的强度也会不同。利用这个原理就能进行距离的测量。它的优点是精确度不够，而且发射回来的方向不确定。
2.1.2激光测距
脉冲法和相位法是激光测距的主要方法。脉冲法的工作原理就是测距仪发射激光，激光被障碍物反射回来，测距仪再次接收激光并记录激光的往返时间。最后光速乘以记录时间的一半计算出距离。
相位法是采用无线电波的频率，然后对激光束进行幅度调制。用这种方法来测量调制光往返时产生的相位延迟。并以调制光的波长计算对应的相位延迟所代表的距离。激光测量的优点是测量距离远，速度很快，精度比较高。但缺点也很明显，就是成本比较高。
2.1.3超声波测距
这种方法的原理就是记录超声波从发射到碰到障碍物后反射，这之间的时间长短的一半乘以超声波在当时的环境中的声速就可以得到超声波仪器与障碍物的距离。在中等和长距离的测量中，超声波测量的精度比红外线高。而且在方向控制，能量消耗上，超声波测量比红外线更有优势。成本上，超声波测距属于中等，但更安全。所以我从上述方案中选择了用超声波测距[16]。
2.2超声波测距
2.2.1超声波简介
我们知道，物体每秒振动次数高到一定程度就能让我们人耳听见。而物体每秒振动的次数被定义为声音的频率。单位记为赫兹。人类的耳朵能感应的声音频率范围是20Hz~20000Hz。当声音频率超过这个范围的时候，人类就无法感应到。超过20000Hz的声音被称作超声波。低于20Hz的声音被称为次声波。

图2.1 人耳听觉范围
声波一种是物体物理振动并给它一致的方向产生的传播形式。振动就是物体的质量中心在他的平衡位置附近上下地做有规律的往返运动。超声波和人耳听见的声音在本质上是相同的，区别就在于频率的不同。
2.2.3超声波传感器
为了以超声波作为测距的形式，就必须设计一种装置来产生和接收超声波。这种仪器就被称为超声波传感器，也就是俗称的超声波换能器或者超声波探头。结构上，有纵波的直探头，横波的斜探头，表面波探头，兰姆波探头，双探头等。
超声波传感器有两大类，一种是机械方式，另一种是电气方式。本质上也可以看成是一种换能器。发射端的功能就是把电能或机械能转换成声能。接收端就是将声能转换成电信号。本次的系统设计采用的是电气方式下的压电超声波换能器，利用压电晶体的谐振进行工作。超声波装置的核心是其中的压电晶片。构成压电晶片的材料是很广泛的。常用的材料是压电晶体和压电陶瓷（石英、铌酸锂、锆钛酸铅、钛酸钡等），并利用他们的压电效应实现功能。而且传感器的性能因为晶片的大小、厚度、直径不同而不同。开放型的超声波装置占主要的市场比重，结构如图所示。一个由多个零件组成的振动器被固定在底座上，但振动器还可以灵活活动。振动器中包括电信号转机械信号的谐振器，一个金属片，一个压电陶瓷片。谐振器被设计成扩音器的形状，目的就是想让产生的超声波具有更集中的方向，并且可以有效地使超声波在发射时具有足够高的能量，不能让在发射的时候就分散了太多的能量。
当压电材料上通过导线施加非直流电压的时候，这种特殊材料会随着电压频率的变化产生机械形变。然后就会产生相应频率的声波。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，只有让交变电压的频率和固有频率一致时，传感器的灵敏度才会符合要求。

图2.2 超声波发生器

第三章 硬件设计

3.1整体硬件设计
为了提高基于超声波的倒车防撞系统的实用性能，并能够使其工作更加稳定。对该系统进行了模块化的设计方案。
模块化的设计思路就是将硬件以不同的功能划分成不同的部分。其中核心部分就是作为主控芯片的AT89S51。它控制其他模块完成各种功能操作。外围电路包括归纳为几大类。第一类是单片机本身的最小电路组成部分，它包括复位电路部分，晶振电路部分。第二类就是属于外围功能模块的超声波测距电路，其中分为发射电路和接收电路。第三类是报警显示模块，由数码管显示模块和蜂鸣器电路组成。最后为了实现超声波测量距离变化的需求加入了按键控制模块。下面的框图表示了硬件系统的主要部分。

图3.1 硬件模块
3.2整体硬件设计思想
系统硬件电路图如图所示，设计中采用AT89S51作为设计的主控芯片。P3.2端口接超声波模块的输入端口，超声波的返回信号通过P3.3端口送入到单片机中。P2.3端口接蜂鸣器电路。单片机的RST引脚接复位电路，当硬件系统工作产生问题或软件执行错误时，可以通过闭合复位按钮来重新开始工作。单片机是系统的核心，系统的所有功能都和它有紧密联系。它要输出超声波模块的启动信号，模块发射超声波。并在遇到障碍物的时候返回。超声波模块给单片机一个高电平返回信号。高电平的上升沿时，单片机内部启动中断程序，单片机的内置计时器开始计时。高电平的时间就是超声波传播的时间。之后单片机开始运算处理数据，进行距离分析。把距离信息传送给数码管显示模块。如果距离在设置的安全距离内，蜂鸣器不报警。当超过设定距离时，单片机给蜂鸣器电路发送信号，发出报警声音，提示司机注意障碍物。

图3.2 系统硬件电路原理图

第四章 软件编程

4.1程序设计思想及整体流程
在系统硬件上完成了系统需要的功能结构之后，系统的软件需要完成的任务主要就是实现硬件功能和数据的处理应用。

图4.1 程序整体思路设计

第五章 系统调试

5.1软件编写调试
软件的调试部分主要就是在Keil uVision4软件中进行编写。之后的运行编译也是用软件实现的。首先我们要建立一个工程文件，在软件的菜单栏里点击Project新建工程。然后会跳出一个CPU的选择界面。软件能够兼容足够多的主流芯片。在这里面我们找到系统设计中使用的AT89S51单片机，然后点击确定即可。
然后我们新建文件，并以.c为后缀保存。这就是我们编写的C语言程序文件。打开文件后，就可以开始程序的编写了。一开始我们要给单片机中使用的引脚定义变量，方便在程序中进行数据的处理。
程序可以从各个子模块开始写起，比如超声波发射模块，数码管显示模块和蜂鸣器模块等。这些模块子程序也可以进行编译。当出现错误的时候，按照提示去修改。程序写完后要生成放到proteus中可以进行仿真和下载到单片机中的执行文件，这个文件是以.hex作为后缀的。点击软件菜单中的Target Options，能够出现下图中的对话框，把Creat Hex File选项勾选，点击确定。单片机的执行文件就自动生成了。

图5.1 单片机程序文件的创建
当在proteus软件中进行部分模块的仿真调试时，双击原理图中的单片机元器件。出现单片机的属性设置对话框。在里面有一个程序文件选项，这就是将生成的软件执行文件添加进去的路径。

图5.2 添加程序执行文件
在proteus中，我们可以一一验证我们的模块程序能否按照我们的逻辑思路进行执行。这种方法不仅能降低程序出错的几率，还能提高我们编程的效率。模块化的程序可读性也更高。当出现问题时，更容易找到问题的原因。
5.2硬件系统调试
5.2.1Protel DXP软件硬件原理图的绘制
1.打开Protel DXP软件，执行文件–新建–项目–PCB项目–追加新文件到项目中–schemaric–保存
2.寻找并放置元器件，点击右侧的元件库，找到需要的元器件，点击Place，移动鼠标到原理图上，点击鼠标左键放置。点击右键完成。如果你知道元器件的英文名称也可以直接搜索，这种方法更加快一点。
3.有一些找不到的原件就需要自己绘制。鼠标右击工程名，追加新文件到项目中。选择schemaric library。然后右击添加矩形，将一个角放在坐标轴的原点上，拖动矩形使其大小合适。然后放置引脚，并且双击引脚可以进行参数设置，更改方向，标示符，符号和显示名称等。
4.画完元件后要对其追加PCB封装，在这里还要给它绘制PCB元件库。同样追加新文件到项目中，选择PCB Library，然后点击工具中的新元件，进入元件封装向导。在这里设置焊盘的参数，还有引脚数量等。这是一种方便，快速绘制封装的一种方法。最后记得要把Library文件保存在工程项目中。
5.等给元件追加完封装后，就可以在元件库中选用自己绘制的元件了。选用的方法和其他元件是一样的。
6.元件选择完毕后，就开始连线，布局。双击元件，给他们设置不同的标示符、参数和名称。
7.在连线方面可以使用网络标签，这样不需要用线连接起来。只要是相同的网络标签就代表他们是默认连接的。
8.然后就是将原理图上的元件转到PCB上，我们点击设计中的第一项，即更新PCB文件。然后会弹出工程变化订单的对话框。
9.我们先后点击使变化生效和执行变化按钮，就可以实现将原理图的元件变成PCB板上封装的元件。
10.现在我们要做的就是调整元件的位置，让PCB板的制作成本更低，更符合实际情况，让连线更加清晰有条理。
11.我选择直接自动布线的方式，然后自己再做细节上的调整。让整个布线图更加规整。我们点击自动布线按钮，选择全部对象，最后点击全部布线即可。然后有的连线会突出整个布局，这就是我们要调整的部分。还有可能是元器件放置的位置不合理导致的，我们需要一一调整。
12.最后保存，完成整个原理图的绘制。
5.2.2硬件焊接
当对设计的原理图中的各元器件参数和连线接口熟悉后，就可以在网上购买所需要的硬件元件，进行焊接了。在以前的学期中，学习过基本的焊接方法。但经验依旧缺乏。所以在焊接之前还要稍微复习一下焊接的技巧。但这依旧不能保证焊接成功。
在收到购买的各种零件后，我在网上找了很多的视频学习资料进行学习，观摩。在了解了主要的过程之后。我先开始对元器件在万用板上进行排布。因为好的布局不仅可以让成果看起来更加美观更加有条理，还能让焊接过程更加简单，方便。其实这一步的工作还是很简单的。因为我们在绘制电路原理图的时候就可以考虑到这些问题。让电路图的连线减少不必要的交叉，飞线，绕线等情况。
零件齐全后，我们还需要一些工具。比如说电烙铁，这个可以自己购买，也可以跟实验室的老师借。万用表是非常实用的工具，在焊接的过程中经常用来检测焊接情况。焊锡和导线是属于耗材类的，不算贵，也可以在实验室找到。剪刀，剥线钳能够让处理导线的部分省时省力。等这些工具准备好就可以开始焊接了。

图5.3 全部零件

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