汽車倒車系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

1、 畢業(yè)設(shè)計報告（論文）題 目： 汽車倒車系統(tǒng)的設(shè)計 所 屬 系： 自動化技術(shù)系 班 級： 電子0921班 摘 要 設(shè)計了一款基于單片機的汽車倒車系統(tǒng)。主要闡述了超聲波測距的工作原理、測量和控制方法、理論計算，分析了影響精度的因素，設(shè)計了單片機最小系統(tǒng)電路，超聲波接收以及超聲波發(fā)射電路、顯示電路、報警電路、溫度補償電路等。倒車系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、單片機模塊、顯示模塊、報警模塊、溫度補償模塊組成。超聲波接收模塊和超聲波發(fā)射模塊主要是實現(xiàn)計算車距的目的，單片機實現(xiàn)處理信號的功能，溫度補償模塊是利用溫度與聲速之間的關(guān)系，來消除溫度對聲速的影響。報警模塊用于實現(xiàn)倒車過程的報警提醒。

2、關(guān)鍵詞 汽車倒車 超聲波測距 單片機 溫度補償目 錄1 前言12 汽車倒車的工作原理12.1 超聲波測距工作原理12.1.1 測量與控制方法22.1.2 理論計算22.1.3 影響精度的因素分析32.2 系統(tǒng)工作原理43 單元電路設(shè)計43.1 單片機控制電路設(shè)計43.1.1 單片機的選擇43.1.2 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計53.2 超聲波接收和發(fā)射電路設(shè)計63.2.1 超聲波接收電路設(shè)計63.2.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計93.3 顯示電路的設(shè)計103.4 報警電路的設(shè)計113.5 溫度補償電路的設(shè)計113.6 輔助電源電路的設(shè)計124 軟件設(shè)計134.1 流程圖設(shè)計134.2 程序清單145 結(jié)

3、論24參考文獻24致謝251 前言據(jù)美國的最新統(tǒng)計表明，因各種原因造成的車輛倒車事故占公路交通事故總量的90%左右。因此，要降低公路交通事故，必須大力降低車輛倒車事故，而汽車倒車技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用有助于減少汽車倒車事故的發(fā)生。因此，國內(nèi)外都在研究如何利用先進的技術(shù)，即汽車倒車技術(shù)，輔助汽車駕駛者對影響公路交通安全的人、車、路環(huán)境進行實時監(jiān)控，在危急情況下由系統(tǒng)主動干涉駕駛操縱、輔助駕駛者進行應(yīng)急處理、防止汽車倒車事故的發(fā)生。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交通運輸車輛的不斷增多，由此產(chǎn)生的交通問題越來越成為人們關(guān)注的問題。其中倒車事故由于發(fā)生的頻率極高，已引起了社會和交通部門的高度重視。倒車事故發(fā)生的原

4、因是多方面的，倒車鏡有死角，駕車者目測距離有誤差，視線模糊等原因造成倒車時的事故率遠大于汽車前進時的事故率，尤其是非職業(yè)駕駛員以及女性更為突出。而倒車事故給車主帶來許多麻煩，例如撞上別人的車、消防水籠頭，如果傷及兒童更是不堪設(shè)想，有鑒于此，汽車高科技產(chǎn)品家族中，專為汽車倒車泊位設(shè)置的“倒車雷達”應(yīng)運而生，倒車雷達的加裝可以解決駕駛?cè)藛T的后顧之憂，大大降低倒車事故的發(fā)生。倒車雷達又稱泊車輔助系統(tǒng)，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。目前測定汽車

5、之間的安全距離一般有三種：超聲波測距、微波雷達測距、激光測距。本文著重研究超聲波測距。超聲波測距由于其能夠進行非接觸測量和相對較高的測量精度，越來越被人們所重視。就目前形勢來看，汽車市場的快速發(fā)展將帶動倒車雷達市場的繁榮。國內(nèi)倒車雷達主流市場已經(jīng)開始有進口高檔汽車向中低檔汽車發(fā)展。技術(shù)上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設(shè)備趨于小型化、人性化、智能化等方向發(fā)展。由此可見，超聲波汽車倒車雷達系統(tǒng)將會在人類今后的生活中扮演越來越重的角色，為人類的發(fā)展作出重要貢獻。超聲波倒車雷達系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器等部分組成，現(xiàn)在市場上的倒車雷達大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒

6、車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。2 汽車倒車的工作原理2.1 超聲波測距工作原理超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離s=ct/2，式中的c為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，

7、則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的原理。定時器顯示器振蕩器調(diào)制器接收檢測器電聲換能器計時器控制電聲換能器圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖2.1.1 測量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發(fā)生反射，反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。由于此超聲波測距儀可以實現(xiàn)雙向測距，所以需進行測距選擇，而這個測距選擇就以自動選擇功能來實現(xiàn)。2.1.2 理論計算t 2

8、t 1圖2 測距的原理如圖2所示為反射時間，是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間t利用公式：其中，s為被測距離、v為空氣中聲速、t為回波時間，可以計算出路程，這種 方法不受聲波強度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設(shè)置“時間門”來加以克服。這樣可以求出距離：2.1.3 影響精度的因素分析1）發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用tr40壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率40khz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于

9、接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)測量設(shè)備基準面距被測物距離為h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為：由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。2)當?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠遠要比收發(fā)時間的影響嚴重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度

10、、密度及氣體分子成分的影響，即：由上式知，在空氣中，當?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準確的當?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當?shù)芈曀俚墓饺缦拢菏街衏0=331.4m/s 。t為絕對溫度，單位k。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結(jié)果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1, 聲速將增加或者減少 0.607m /s ，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當?shù)芈曀佟?對于時間誤差主要由發(fā)送計時點和接收計時點準確性確定，為了能夠提高計時點選擇的準確性，本文提出了對發(fā)射信號和接收信號通過校正的方式來實現(xiàn)準確計時

11、。此外，當要求測距誤差小于1mm時，假定超聲波速度c=344m/s(20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。則測距誤差st0.000 002 907s，即2.907ms。根據(jù)以上過計算可知，在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12 mhz晶體作時鐘基準的at89c51單片機定時器能方便的計數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用at89c51的定一時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。 超聲波的傳播速度主要受空氣密度的影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。由此可見，測量精度與溫度有著直接

12、的關(guān)系，本文采用ds18b20溫度傳感器，對外界溫度進行測量，并在軟件中實現(xiàn)溫度補償。2.2 系統(tǒng)工作原理此次設(shè)計所采用的汽車倒車系統(tǒng)的電路模塊圖如圖3所示。從圖中可看出，該電路主由接收電路、單片機系統(tǒng)、發(fā)射電路、顯示電路、報警電路、溫度補償電路以及輔助電源等。單片機在超聲波信號發(fā)射的同時開始計時，超聲波信號在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號經(jīng)過處理后輸入到單片機產(chǎn)生中斷，計數(shù)器停止計數(shù)。通過計數(shù)器測得的脈沖數(shù)可得到超聲波信號往返所需要的時間，從而達到測距的目的。溫度補償電路利用聲速和溫度之間的關(guān)系對聲速進行校正，從而消除溫度對聲速的影響，報警電路可實現(xiàn)汽車倒車過程中的聲光報警。

13、輔助電源為系統(tǒng)元器件提供電源，單片機主要是接收信號、處理信號和輸出信號。電路的組成要考慮簡單實用，元器件選擇要考慮功耗問題，如單片機就需選擇低功耗的。障礙物超聲波接收電路超聲波發(fā)射電路單片機顯示電路聲光報警電路溫度補償電路系統(tǒng)輔助電源圖3 汽車倒車系統(tǒng)的工作原理圖3 單元電路設(shè)計3.1 單片機控制電路設(shè)計3.1.1 單片機的選擇現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的八位單片機是intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，具有很多優(yōu)點。51系列優(yōu)點之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)。它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳

14、送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應(yīng)手。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。51系列在片內(nèi)ram區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，十六個字節(jié)，單元地址20h2fh，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理（作位處理時，合128個位，相應(yīng)位地址為00h7fh），使用極為靈活。這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，因為一個較復(fù)雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關(guān)的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理（包括前面所有的位功能），只需用一條位操作指令即可。51系列

15、的另一個優(yōu)點是乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。八位除以八位的除法指令，商為八位，精度不夠，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其積為十六位，精度還是能滿足要求的，用的較多。作乘法時，只需一條指令就行了，即 mulab(兩個乘數(shù)分別在累加器a和寄存器b中。積的低位字節(jié)在累加器a中，高位字節(jié)在寄存器b中)。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。 在51系列中，還有一條二進制-十進制調(diào)整指令 da，能將二進制變?yōu)閎cd碼，這對于十進制的計量十分方便。而在其他的單片機中，則也需調(diào)用專用的子程序才行。 intel公司51系列的典型產(chǎn)品是8051，片內(nèi)有4k字節(jié)的

16、一次性程序存儲器（otp）。atmel公司就將其改為電可改寫的閃速存儲器（flash），容許改寫1000次以上，這給編程和調(diào)試帶來極大的便利，其產(chǎn)品at89c51、at89c52 等成為了當今最流行的八位單片機。 51系列的i/o腳的設(shè)置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各i/o口均置高電平）。當該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。低電平時，吸入電流可達20ma，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十微安甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力。其原因是高電平時該腳也同時作輸入腳使用，而輸入腳必須具有高的輸入阻抗，因

17、而上拉的電流必須很小才行。作輸出腳使用，欲進行高電平驅(qū)動時，得利用外電路來實現(xiàn)（見附圖），i/o腳不通，電流經(jīng)r驅(qū)動led發(fā)光；低電平時，i/o腳導(dǎo)通，電流由該腳入地，led滅（i/o腳導(dǎo)通時對地的電壓降小于1v，led的域值1.51.8v）。 基于以上51系列單片機的優(yōu)點，我選擇51單片機作為本課題的控制處理器。3.1.2 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計51系列單片機種類很多，此次我選用at89c51單片機。at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲器的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機。單片機最小系統(tǒng)基本電路由電源、復(fù)位及晶振電路組成。此系統(tǒng)采用單片機at89c51作為控制器，兼容r

18、s232標準的芯片max232單電源電平轉(zhuǎn)換芯片、d9插口實現(xiàn)串行輸入；復(fù)位電路采用手動復(fù)位方式，簡單方便；振蕩電路采用單片機引腳xtal1、xtal2跨接石英晶體振蕩器和30pf的微調(diào)電容，12mh晶振構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，使得單片機能夠以此作為時鐘控制信號。1）電源模塊的設(shè)計at89c51實驗開發(fā)板提供了一個9伏400毫安的外接交流電源，它能空載輸出12伏的直流電壓，穩(wěn)壓電源輸出的直流電壓通過專門的電源插座把直流電壓引入實驗開發(fā)板，左邊兩個是12伏的電源濾波電容，一般大電容旁邊并聯(lián)一個小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因為大的電解電容一般采用卷繞工藝制造，所以等效電感較大，小電容可以提供一個

19、小內(nèi)阻的高頻通道，降低電源全頻帶內(nèi)阻。（如圖4所示）圖4 電源模塊的設(shè)計一路直接提供12伏的直流電源，主要是提供給繼電器使用的，另一路通過三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給單片機系統(tǒng)使用，右邊兩個電容是5伏電源的濾波電容，電阻和綠色的led組成5伏電源的工作指示電路，只要電源部分正常，綠色的led就會點亮。2）復(fù)位電路的設(shè)計由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì),可以知道,當系統(tǒng)一上電,rst腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的rc值來決定.典型的51單片機當rst腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復(fù)位，所以,適當組合rc的取值就可以保證可靠的復(fù)位.一般

20、教科書推薦c 取10u,r取8.2k，當然也有其他取法的,原則就是要讓rc組合可以在rst腳上產(chǎn)生不少于2個機周期的高電平。3）晶振電路的設(shè)計at89c51單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，它的輸入端為芯片引腳xtal1,輸出端為引腳xtal2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，如電路原理圖所示在引腳xtal1和xtal2跨接晶振y1和微調(diào)電容c1和c6。電容一般選擇30pf，電容的大小會影響振蕩器頻率的高低，穩(wěn)定性和速度。晶振的頻率選擇12mhz。單片機最小系統(tǒng)如圖所示。圖5 單片機最小系統(tǒng)3.2 超聲波接收和發(fā)射電路設(shè)計3.2.1 超聲波接收

21、電路設(shè)計超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計采用與發(fā)射端同型號的壓電式超聲波傳感器，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路進行放大。超聲波接收部分采用集成芯片cx20106a，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。可以利用它作為超聲波檢測電路。1) 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超聲波在空氣中直線傳輸時，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害

22、，故反射回來的超聲波信號的幅值會有很大的變化。為了不使放大器的輸出信號過強而產(chǎn)生失真，集成塊內(nèi)部有自動電平限制電路，對前置放大器的增益進行自動限制。通過反饋將放大器設(shè)定于適當?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進行自動控制。2) 限度放大器：當信號太強時為了防止放大器過載，限制高電平振幅，同時也可消除寄生調(diào)幅干擾。3) 寬頻帶濾波器：其頻率范圍為30hz60hz，其中心頻率可調(diào)。4) 檢測器：將返回的超聲波的包絡(luò)解調(diào)回來。5) 積分濾波器與整形電路：檢測器輸出的信號經(jīng)積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信

23、號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準確的計時。cx20106a的外部接線圖如圖6所示。圖6 超聲波接收電路超聲波接收電路所采用的集成芯片cx20106a是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視紅外遙控器。常用的載波頻率38khz與測距的40khz較為相近，可以利用它來做接收電路。適當?shù)母淖僣3的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。cx20106a(國內(nèi)同類產(chǎn)品型號為d20106a)是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。這種ic性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號接收器ic相同

24、或相似，故可用來代換多種型號的遙控信號接收集成電路。cx20106a可用來完成遙控信號，cx20106a是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外解調(diào)集成電路，采用8腳單列直插式塑料超小型封裝，+5v供電，內(nèi)部含可前置放大、自動偏置、限幅放大、通帶攄波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路。其主要功能是從38khz紅外載波信號中，將編碼信號解調(diào)出來，并加以放大和整形，然后再送到微處理器(cpu)進行處理，以實現(xiàn)遙控操作功能。cx20106a的引腳注釋及引腳圖（如圖7所示）。1) l 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2) 2腳：該腳與gnd之間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部

25、分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r或減小c，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但c的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為r=4.7，c=3.3f。3) 3腳：該腳與gnd之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3f。4) 4腳：接地端。5) 5腳：該腳與電源端vcc接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取r=200k時，fn42khz，若取r=220k，則中心頻率f03

26、8khz。6) 6腳： 該腳與gnd之間接入一個積分電容，標準值為330pf，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7) 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8) 8腳： 電源正極，4.5v5v。圖7 cx20106a的引腳圖3.2.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個部分，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40khz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充

27、分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流100ma以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無需驅(qū)動電路，但缺點是靈活性低。本設(shè)計采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號。40khz的超聲波是利用lc震蕩電路振蕩產(chǎn)生的，其振蕩頻率計算公式如下：脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用at89s51的p1.0口發(fā)射40 khz的方波信號，經(jīng)過74hc04放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。74hc04是一個高速cmos六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，而相對于lsttl邏輯ic，它的功耗減少很多。對于hc類型，

28、其工作電壓為26 v，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入lsttl邏輯信號和cmos邏輯輸入等特點。本系統(tǒng)將40 khz方波信號分成兩路，分別由74hc04經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大(電路圖如圖8所示)。發(fā)射電路主要由反向器74hc04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機p1.0端口輸出40khz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力，上拉電阻r8、r9一方面可以提高反向器74hc04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一

29、方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標志。圖8 超聲波發(fā)射電路3.3 顯示電路的設(shè)計液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通用器件，如在計算器、萬用表、電子表及很

30、多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要數(shù)字是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出顯示方式有以下幾種：發(fā)光管、led數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和led數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：顯示質(zhì)量高：液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器(crt)那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方面。體積小、質(zhì)量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同

31、顯示面積的傳統(tǒng)顯示器輕得多。功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動ic上，因而耗電量比其他顯示器少的多。lcd液晶顯示電路采用lcd1602液晶顯示模塊，它可以顯示2行*16個字符，完全可以滿足我們的設(shè)計要求。它獨有的藍色背光電路可以在環(huán)境光線較弱的條件下應(yīng)用，顯示清晰，顏色靚麗，價格便宜的特點，是很好的顯示設(shè)備。同時，還能夠根據(jù)情況來調(diào)節(jié)顯示的亮度。由于本系統(tǒng)可以不用顯示漢字，介于設(shè)計成本上的需要，我們采用了這個顯示方案。圖9 液晶顯示電路3.4 報警電路的設(shè)計蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它。而且蜂

32、鳴器的工作電流一般比較大，單片機i/o引腳輸出的電流較小，單片機輸出的ttl電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要利用一個電流放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。如圖10所示，蜂鳴器的工作原理，當電流、電壓、溫度高于設(shè)置的上限或是低于設(shè)置的下限時，單片機控制器的p4.1口的就輸出高低電平的信號而使三極管集電極和基極導(dǎo)通從而讓蜂鳴器發(fā)出報警的聲音。而當電流、電壓被控制在一個范圍內(nèi)時，單片機的p口就發(fā)停止發(fā)出信號，而使蜂鳴器停止報警。發(fā)光二極管的工作原理，當電流、電壓、溫度高于設(shè)置的上限或是低于設(shè)置的下限時，單片機控制器的p4.1口的就輸出信號，使發(fā)光二極管發(fā)光。圖10 聲光報警電路3.

33、5 溫度補償電路的設(shè)計由于超聲波的傳播速度v受到空氣中的溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中溫度的影響最為突出，溫度每升高1，速度增加約0.6m/s。因此在測量精度要求很高的場合，應(yīng)通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正，以提高測量精度，減小誤差。溫度測控系統(tǒng)在檢測溫度時可利用一線性數(shù)字溫度計即集成溫度傳感器ds18b20和單片機，構(gòu)成一個高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。ds18b20數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度值，并且可根據(jù)實際要求，通過簡單的編程，實現(xiàn)912位的a/d轉(zhuǎn)換。因而，使用ds18b20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，同時可靠性更高。溫度測量范圍從-55+12

34、5，在-10+85檢測誤差不超過0.5，而在整個溫度測量范圍內(nèi)具有2的測量精度。本設(shè)計溫度測量選用dallas公司的ds18b20數(shù)字式溫度傳感器，獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電電源范圍為3.0v至5.5v無需備用電源。它通過輸出9位（二進制）數(shù)字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過ds18b20的數(shù)據(jù)總線直接輸入cpu,無需a/d轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令，溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入ds18b20。ds18b20數(shù)字溫度傳感器除了具有相當?shù)臏y量范圍和精度外，還具有溫度測量精度和不受外界干擾等的優(yōu)點。本系統(tǒng)采用外部電源供電方

35、式,即:ds18b20的1腳和3腳分別接地和vcc電源。2腳接一個5k的上拉電阻到vcc.這樣接法的好處是傳感器的檢測范圍更大。溫度補償電路如圖所示。圖11基于ds18b20的溫度檢測電路3.6 輔助電源電路的設(shè)計在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一的能量來源，穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將50hz 的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。其電路圖如圖12所示。其中，變壓器將交流電源（220v/50hz）變換位符 合整流電路所需要的交流電壓；整流電路是具有但方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷?，將交流電壓整流成單方向脈動

36、的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路是一種自動調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動或負載變化時，通過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。圖12 輔助電源電路4 軟件設(shè)計4.1 流程圖設(shè)計主程序是單片機程序的主體，整個單片機端系統(tǒng)軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號的過程，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都很判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序的流程。主流程圖如圖13所示：開始結(jié)束系統(tǒng)初始化發(fā)射方波脈沖計

37、時數(shù)據(jù)處理中斷報警執(zhí)行報警液晶顯示返回nyyn圖13 主程序流程圖設(shè)計4.2 程序清單#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit d8=p27;sbit d1=p20;sbit d2=p22;sbit d3=p24;sbit fang=p31;sbit ds=p14; /define ds18b20sbit lcden=p10;sbit lcdrs=p12;uchar table=tmp:;uchar table1=distance:;uchar table2=0123456789.cm;double tt;

38、float s6;uint temp,temp1,time,v,s;uint s53,temp23;uchar a1,a2,a3,s1,s2,s3,s4,timeh,timel,flag;/*延時*/void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); /*初始化ds18b20*/void dsreset()uint i;ds=0;i=103;while(i0) i-;ds=1;i=4;while(i0) i-;/*read a bit*/bit tmpreadbit()uint i;bit dat;ds=0;i+;ds=1

39、;i+;i+;dat=ds;i=8;while(i0) i-;return(dat);/*read a byte*/uchar tmpread()uchar i,j,dat;dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=tmpreadbit();dat=(j1);return(dat);/* write a byte */void tmpwritebyte(uchar dat)uint i;uchar j;bit testb;for(j=1;j1;if(testb)ds=0;i+;i+;ds=1;i=8;while(i0) i-; elseds=0;i=8;while(i0) i-;ds=1;

40、i+; i+;/*temchange 溫度轉(zhuǎn)換命令*/void tmpchange()dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0xcc);tmpwritebyte(0x44);/*get tmp*/uint gettmp()float tt;uchar a,b;dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0xcc);tmpwritebyte(0xbe);a=tmpread();b=tmpread();temp=b;temp=8;temp=temp|a;tt=temp*0.0625;temp=tt*10+0.5;return temp;/* fen l

41、i*/void display1(uint temp)a1=temp/100;a2=(temp%100)/10;a3=temp%10;void display2(uint s)s1=s/1000;s2=s%1000/100;s3=s%100/10; s4=s%10;/*write a data*/void write_data(uchar date)lcdrs=1; /rs =1p0=date;delay(5); lcden=1; delay(5);lcden=0;/*write a command*/void write_com(uchar com) lcdrs=0; p0=com; del

42、ay(5); lcden=1; delay(5);lcden=0; /*init lcd*/void init() uchar i;lcden=0;i+;i+;write_com(0x38); i+; i-;write_com(0x0e); i+;i-;write_com(0x06); i+;i-;write_com(0x01); i+;i-;void xianshi()uchar a;init();write_com(0x80+3);delay(5);for(a=0;a4;a+)write_data(tablea);delay(5);write_com(0x80+11);delay(5);f

43、or(a=11;a13;a+)write_data(table2a);delay(5);write_com(0x80+9);delay(5);write_data(table210);delay(5);write_com(0xc0);delay(5);for(a=0;a0)write_com(0xc0+9);delay(5);write_data(table2s1);delay(5);write_data(table2s2);delay(5);write_com(0xc0+12);delay(5);write_data(table2s3);delay(5);write_data(table2s

44、4);delay(5);elsewrite_com(0xc0+10);delay(5);write_data(table2s2);delay(5);write_com(0xc0+12);delay(5);write_data(table2s3);delay(5);write_data(table2s4);delay(5);void send()uchar i,j,k;ex1=0;th0=0; tl0=0x01; for(i=15;i0;i-) fang=1;j=5; while(j0) j-; fang=0;j=4; while(j0) j-; tr0=1; j=250; while(j0)

45、j-; ie1=0; ex1=1; for(k=2;k0;k-) for(i=255;i0;i-)for(j=255;j0;j-);void baojing()if(s6=1.0)d1=1;d2=0;if(s6=0.5)d1=1;d2=1;if(s60.5)d2=1;d1=0;void exter1(void) interrupt 2ex1=0;tr0=0;timeh=th0;timel=tl0;th0=0;tl0=0x01;d8=0;flag=1;void main()uchar i;ea=1;tmod=0x01;th0=0;tl0=0x01; ex1=0;it1=1; ie1=0; xia

46、nshi();while(1)for(i=0;i3;i+) ss:send();if(flag=0) goto ss;ex1=0;flag=0;time=timeh*256;time=time+timel;tt=(time*(0.0001);tmpchange(); temp2i=gettmp(); v=(33240+(6*temp2i);v=(v/200+0.5);s5i=(v*tt)+(0.5);v=0;tt=0;delay(200);for(i=0;i3;i+)temp1=(temp1)+temp2i;s=s+s5i;temp1=(temp1)/3+0.5; s=s/3+0.5;s=s+

47、3; s6=s*(0.01);display1(temp1);display2(s); d8=1;xianshi1(); baojing();temp1=0;s=0;delay(200);end 5 結(jié)論經(jīng)過兩個月的不斷設(shè)計制作，我們終于完成了我們的設(shè)計。超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器tct40-10f1（t發(fā)射）和tct40-10s1（r接收），中心頻率為40khz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波

48、電容c0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.075.5m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。本文所設(shè)計的倒車雷達系統(tǒng)是保證汽車安全的輔助系統(tǒng)。通過超聲波探頭反射超聲波，使用高速單片機計算測量車與障礙物之間的往返時間然后再計算出車與障礙物的距離，并加入了軟件補償，提高了距離計算的精度，然后顯示在led數(shù)碼管上，當在探測的范圍有障礙物時，蜂鳴器提示報警，距離越近蜂鳴器的報警頻率也越大，當距離小于最小安全距離時，蜂鳴器不間斷報警。實際測試證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足一般近距離測距要求，且成本低、有良好的性價比。該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定的時間，測得的距離有誤差，在汽車雷達應(yīng)用中誤差為1cm可忽略不計，由于此電路具有設(shè)計