量所无法实现的检测进行因能进行有效地测量，进一步扩大了测量的广度，而且超声波测量本身具有很高的测量精度，因此对精度的提高也起到了一定的作用。 智能型超声波测距系统是进行交通管理的有效手段和工具，它可提高车辆距离检测的准确性，有利于交通运输的科学管理，降低对驾驶人员本身的素质要求。除了能大大减少工作量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地对距离进行测量。 现代超声波测距仪的研究使用在我国汽车行业还为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在初级阶段，即使有些高档车配置有测距系统，也仅仅是少部分的进口车。 随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。将高新技术应用与汽车产业，实施实时监测已成为我国汽车工业以及交通部门的一项重要任务，是减少我国交通事故发生的重要措施之一。
本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，实时监控的作用。 目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占据重要地位。 1.3 超声波测距的基本原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波，具有波长指向性好，反射强，传播性极佳，强度随距离衰减等诸多优点，为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，超声波发生器;如没加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收转换器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳；同时为了方便处理，单片机发射的超声波滤被调制成40kHz左右，具有一定间隔的调制脉
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冲波信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。超声波传播速度对测距的影响很大，稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速 都将产生直接的影响。因此需对声速加以修正。对于测距而言，引起声速变化的主要原因是媒质温度的变化。本设计采用声速预置和媒质温度测量结合的方法对声速进行补偿，可有效地消除温度变化对精度的影响，可通过温度传感器DS18B20自动探测环境温度，确定计算距离时的波速
v?v01?Tm/s vo?340m/s 273同时利用单片机较精确地得出该环境下超声波经过的时间，提高了测量精确度。本设计的超声波测距系统主要由声波发射电路，回波接收电路以及温度检测电路，灵活性强，可靠性高，计算简单，成本低，易于做到实时控制等优点。得超声波往返的时间t，即可求得距离d?v?t/2,原理图如1所示：
DS18B20温测系统40khz方波AVR单片机控制系统比较电路功率放大单极性变双极性T40发射障碍物报警电路LC选频放大R40接收LED显示电路 图1单片机测距系统原理图
1.4 本课题的内容和任务
本论文主要研究基于单片机的超声波测距系统，分别对超声波发生电路、回波接收电路、数据采集电路、数码显示电路、报警电路及系统设备的软、硬件各个部分功能
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模块进行了研究。设计一种能够在精确度在0.01m，测距在4m左右的模型，其主要内容如下：
1、系统硬件电路的设计
1） 根据测距技术的特点，进行超声波测距系统的整体研究与设计。 2） 针对温度对超声波传播速度影响，测量环境温度，确定超声波传播速度。 3） 对超声波发生电路进行论证和设计，用于产生用于测量的超声波。 4） 对超声波接收电路进行论证和设计，用于接收反射回来的超声波。 5） 单片机对对发送和接收波的时间进行测量，用于计算有效距离。 6） LED数码显示测量的距离值，以数字显示的方式显示测量的距离。 7） 当测量之间的距离低于设定的最低值时，系统将进行自动报警。 2、系统软件的设计 1）系统主程序的设计。 2）温度测量程序设计。 3）发送、接收子程序的设计。 4）LED显示程序的设计。 5）报警程序的设计。
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第二章 AVR单片机介绍
AVR单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。RISC（精简指令系统计算机）是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC 优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于 AVR 采用了 RESC 的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。
AVR单片机吸收了 DSP 双总线的特点，采用 Harvard 总线结构，因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。
在 AVR单片机中，CPU 执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统 MCS51 系列单片机中多指令周期的出现。
传统的 MCS51 系列单片机所有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序存储器、数据存储器之间的数据转换就成了单片机的瓶颈；在 AVR 单片机中，寄存器由32个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。
AVR单片机具有良好的集成性能。AVR 系列的单片机都具备在线编程接口，其中的 Mega 系列还具备JTAG仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序 Flash、同步串行接口 SPI；多数 AVR 单片机还内嵌了 AD 转换器、EEPROM、摸拟比较器、PWM 定时计数器等多种功能；AVR 片机的 I/O 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。AVR单片机采用低功率、非挥发的 CMOS 工艺制造，除具有低功耗、高密度的特点外，还支持低电压的联机 Flash，EEPROM 写入功能。
AVR单片机还支持 Basic、C 等高级语言编程。采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植，并加快软件的开发过程。
AVR 单片机具有多个系列，包括 ATtiny、AT90、ATmega。每个系列又包括多个产品，它们在功能和存储器容量等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方也相同。
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产品特性
—低功耗的 8 位AVR 微处理器 —先进的RISC结构
—131 条指令 ，大多数指令执行时间为单个时钟周期 —32个8 位通用工作寄存器 —全静态工作
—工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS —只需两个时钟周期的硬件乘法器 —16K 字节的系统内可编程Flash —擦写寿命: 100,000 次
—可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 —JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) – 支持扩展的片内调试功能
– 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM编程 ? 外设特点
– 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 – 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 – 具有独立振荡器的实时计数器RTC – 四通道PWM – 8路10 位ADC – 面向字节的两线接口 – 两个可编程的串行USART
– 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 – 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 – 片内模拟比较器 ? 特殊的处理器特点
– 上电复位以及可编程的掉电检测 – 片内经过标定的RC 振荡器 – 片内/ 片外中断源
– 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式
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