課程設(shè)計(jì)（論文）車距自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄 摘要摘要 .2 2 1.1.設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 .3 3 2.2.設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 .3 3 2.1 超聲波傳感器及其測距原理.3 3 3.3.系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 .5 5 3.1 硬件部分.5 5 3.2 軟件部分.6 6 4.4.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .6 6 4.1 超聲波檢測接受電路.8 8 5.5.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) .9 9 5.1 超聲波測距器的算法設(shè)計(jì).9 9 5.2 主程序.1111 5.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序.1212 6.6.軟硬件調(diào)試及性能軟硬件調(diào)試及性能 .1111 設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié) .1212 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .1313 附錄

2、附錄 .1414 車距自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 為減少汽車碰撞事故的發(fā)生,汽車碰撞技術(shù)在近年發(fā)展很快。汽車 避撞技術(shù)首先需要解決的問題是汽車之間的安全距離,當(dāng)汽車與汽車之 間的距離小于安全距離時(shí),就應(yīng)該能夠自動(dòng)報(bào)警。本文給出了高速防撞 器的核心部分：車距報(bào)警器的設(shè)計(jì)方法。我設(shè)計(jì)了一款安裝于車前車 尾的便攜式系統(tǒng),能在汽車停車、倒車以及行使過程中自動(dòng)監(jiān)控汽車與 其它汽車、人和障礙物之間的距離,如果距離小于規(guī)定的 1.5 米安全距 離則報(bào)警,防止惡性事故的發(fā)生。 1.設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)車距自動(dòng)測距器，要求測量范圍在 0.10-3.00m，測量精度 1cm，測量時(shí)與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯

3、示測量結(jié)果。 2.設(shè)計(jì)思路 2.1 超聲波傳感器及其測距原理 超聲波是指頻率高于 20khz 的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段， 必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器， 習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收 器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波 傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲 波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲 振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法 tof（timeofflight） 。首 先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，

4、再乘以超聲波的 速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測 距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空 氣中的傳播速度為 331.45 米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 12.0m 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。由于超聲 波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用 于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡 單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類 是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用

5、常用的壓 電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用 at89s51 單片機(jī)作為主 控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) led 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的 定時(shí)器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 1 1 2 2 3 3 4 4 dd cc bb aa title numberrevisionsize a4 date:2008-1-9sheet of file:e:屈0123qht.schdocdrawn by: q1q4q3q2 100pf c? cap semi 100pf c2 12 12kz p00 39 int2 12 int1 13 p01 38 p02

6、37 p05 34 p03 36 p06 33 p07 32 p04 35 p23 24 p21 22 p22 23 p24 25 p25 26 p26 27 p20 21 p27 28 rxd 10 txd 11 ale 30 psen 29 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 t1 15 t0 14 reset 9 ea/vp 31 x1 19 x2 18 rd 17 wr 16 89s51 r1r2r3r4 vcc 100pf c1 100pf c0 1k r0 vcc 圖 2.1 超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 3.系統(tǒng)組成 3.1

7、 硬件部分 主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收 電路三部分組成。采用 at89s51 來實(shí)現(xiàn)對(duì) cx20106a 紅外接收芯片和 tct40-10 系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過 p1.0 引腳經(jīng)反相器 來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測 int0 引腳，當(dāng) int0 引腳 的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù) 據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間 的距離。 3.2 軟件部分 主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子 程序等部分。 4.4.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)采用 89

8、s51 或其兼容系列。采用 12mhz 高精度的晶振，以 獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 p1.0 端口輸出超聲 波轉(zhuǎn)化器所需的 40khz 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口檢測超聲波接受電路 輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的 4 位共陽 led 數(shù)碼管，段碼 用 74ls244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 pnp 三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下 圖所示 1 1 2 2 3 3 4 4 dd cc bb aa title numberrevisionsize a4 date:2008-1-9sheet of file:e:屈0123qht.schdocdrawn by: q1q4q3q

9、2 100pf c? cap semi 100pf c2 12 12kz p00 39 int2 12 int1 13 p01 38 p02 37 p05 34 p03 36 p06 33 p07 32 p04 35 p23 24 p21 22 p22 23 p24 25 p25 26 p26 27 p20 21 p27 28 rxd 10 txd 11 ale 30 psen 29 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 t1 15 t0 14 reset 9 ea/vp 31 x1 19 x2 18 rd 17 wr 16 89s51

10、 r1r2r3r4 vcc 100pf c1 100pf c0 1k r0 vcc 圖 4.1 單片機(jī)及顯示電路原理圖 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖所示： 1 1 2 2 3 3 4 4 dd cc bb aa title numberrevisionsize a4 date:2008-1-9sheet of file:e:屈0123qht2.schdocdrawn by: 100pf c2 330pf c1 1uf 1uf 1k r1 1k r2 1k r3 ls 6 2 3 4 5 71 8 cx20106a 1k r2 1k r1 ls vcc p1.0 74ls04 74ls04 74ls

11、04 74ls04 74ls04 圖 4.2 超聲波發(fā)射電路原理圖 壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其 頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng) 共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當(dāng) 共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換 器其結(jié)構(gòu)稍有不同。 4.1 超聲波檢測接受電路 紅外轉(zhuǎn)化接收的電路采用集成電路 cx20106a，這是一款紅外線檢 波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙

12、控接收器?？紤]到紅外遙控常 用的載波頻率 38khz 與測距超聲波頻率 40khz 較為接近，可以利用它作 為超聲波檢測電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 適當(dāng)改變 c4 的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。 1 1 2 2 3 3 4 4 dd cc bb aa title numberrevisionsize a4 date:2008-1-9sheet of file:sheet1.schdocdrawn by: 100pf c2 330pf c1 1uf 1uf 1k r1 1k r2 1k r3 ls 6 2 3 4 5 71 8 cx20106a int0

13、圖 4.3 超聲波接收電路圖 5.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 超聲波測距軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波 接受中斷程序及顯示子程序組成。下面對(duì)超聲波測距器的算法，主程序， 超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。 5.1 超聲波測距器的算法設(shè)計(jì) 超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器 t 在某一時(shí)刻發(fā)出的一個(gè)超 聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 r 所接受。這樣只要計(jì)算出發(fā)生信號(hào)到接受返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可 算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 距離計(jì)算公式：d=s/2=(c*t)/2 *d 為被測物與測距器的距離，s 為聲波的來回路程，c 為聲速，t 為聲波來回所用

14、的時(shí)間 ,聲速 c 與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可 認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償 的方法加以校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返時(shí)間，即可求得 距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可進(jìn)行溫度被償。這 里可以用 ds18b20 測量環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定一聲速提 高測距的穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用抗干擾 措施。 不同溫度下的超聲波聲速表 溫度/ -30-20-100102030100 聲速 c(m/s) 313319325323338344349386 5.2 主程序 主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 t0 工作模式為

15、16 位的 定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 ea 并給顯示端口 p0 和 p2 清 0。 然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射 器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 0.1ms(這也就是測距 器會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因)后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲 波信號(hào)。由于采用 12mhz 的晶振，機(jī)器周期為 1us,當(dāng)主程序檢測到接 收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 t0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間） 按下式計(jì)算即可測得被測物體與測距儀之間的距離,設(shè)計(jì)時(shí)取 20時(shí)的 聲速為 344m/s 則有： d=(c*t0)/2=172t0/10000cm（其中 t0 為計(jì)

16、數(shù)器 t0 的計(jì)數(shù)值） 測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 bcd 碼方式 led,然后再發(fā)超聲波脈沖 重復(fù)測量過程。主程序框圖如下 系統(tǒng)初始化 發(fā)送超聲波脈沖 等待發(fā)送超聲波 計(jì)算距離 顯示結(jié)果 0.5s 開始 圖 5.1 主程序框圖 5.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 p1.0 端口發(fā)送 2 個(gè)左右的超聲波 信號(hào)頻率約 40khz 的方波，脈沖寬度為 12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 t0 打 開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測距器主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號(hào)， 一旦接收到返回超聲波信號(hào)（int0 引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程 序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器

17、t0 停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志 字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 t0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次 測距不成功。 開始 單片機(jī)初始化 定時(shí)中斷子程序 有回波？ 外部中斷子程序 定時(shí)中斷入口 發(fā)射超聲波 定時(shí)器初始化 三方向發(fā)射完否？ 停止發(fā)射 返回 圖 1 主程序流程圖 圖 2 定時(shí)中斷服務(wù)子程序 外部中斷 入口 關(guān)外部中 斷 讀取時(shí)間 值 計(jì)算距離 結(jié)果輸出 開外部中 斷 返回 圖 5.2 外部中斷服務(wù)子程序 6.6.軟硬件調(diào)試及性能軟硬件調(diào)試及性能 超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 的 超聲波

18、換能器 tct40-10f1（t 發(fā)射）和 tct40-10s1（r 接收） ，中心頻 率為 40khz，安裝時(shí)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(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的 濾波電容 c4 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(jī)試 運(yùn)行。根據(jù)實(shí)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(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)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

19、誤差不超 過 1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析， 不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。 后續(xù)工作需實(shí)驗(yàn)后才能驗(yàn)證。 根據(jù)參考電路和集成的電路器件測距范圍有限 10m 以內(nèi)為好。 設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié) 本設(shè)計(jì)硬件簡單，容易實(shí)現(xiàn)，測距范圍適中。 測量誤差可以控制在4cm 左右。超聲測距系統(tǒng)顯示單元和數(shù)據(jù)采 集相互獨(dú)立，可以同時(shí)進(jìn)行，保證了測距數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。 簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，良好的電磁抗干擾能力，特別是新穎的前方障礙 物自動(dòng)檢測功能。 上述類型的汽車車距檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是微控制器和超聲波傳感器 相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù),是提高駕駛安全與體驗(yàn)的一個(gè)解決方案。由于系統(tǒng) 可以識(shí)別駕駛盲

20、區(qū)內(nèi)的障礙物，司機(jī)駕駛起來會(huì)更加得心應(yīng)手。 通過方案比較,該基于微控制器技術(shù)倒車障礙物撿測系統(tǒng)比單純用 硬件電路系統(tǒng)。方便靈活得多,因?yàn)榭捎贸浞职l(fā)揮軟件技術(shù)的優(yōu)勢,既可 根據(jù)運(yùn)行與泊車環(huán)境需要增加功能又替代很多硬件電路。 參考文獻(xiàn) 1張培仁，等. 基于 c 語言編程 mcs- 51 單片機(jī)原理與應(yīng)用. 北京: 清華大學(xué)出版社，2002. 2. 康華光，等.電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京: 高等教育出版社，1998. 3. 何希才傳感器技術(shù)及其應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社 2005 附錄 以下是用匯編語言編寫的超聲波測距控制源程序： 采用 at89s51 12z 晶振 顯示緩沖單元在，使用內(nèi)存 44h、4

21、5h、46h 用于計(jì)算距 離 20h 用于標(biāo)志 中斷入口程序 vout equ p1.0 ;脈沖輸出端口 org 0000h ljmp start org 0003h ljmp pint0 org 000bh ljmp intt0 org 0013h reti org 001bh ljmp intt1 org 0023h reti org 002bh reti 主程序 start: mov sp, #4fh mov r0, #40h ;4043h 為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40 為最高位） mov r7,#0bh cleardisp:mov r0, #00h inc r0 djnz r7, clea

22、rdisp mov 20h, #00h mov tmod, #21h ;t1 為 8 位自動(dòng)重裝模式，t0 為 16 位定時(shí)器 mov th0, #00h ;65ms 初值 mov tl0, #00h ;40khz 初值 mov th1, #0f2h mov tl1, #0f2h mov p0, #0ffh mov p1, #0ffh mov p2, #0ffh mov p3, #0ffh mov r4, #04h ；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制（為賦值 的一半） setb px0 setb et0 steb ea clr 00h setb tr0 ;開啟測距定時(shí)器 start1: lcall disp

23、lay jnb 00h, start1 ;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為 1 clr ea lcall work ；計(jì)算距離子程序 setb ea clr 00h setb tr0 ；重新開啟測距定時(shí)器 mov r2, #64h ； 測量間隔控制（約 4*100=400ms） loop: lcall display djnz r2, loop sjmp start 1 中斷程序 ;t0 中斷，65ms 中斷一次 intt0: clr ea clr tr0 mov th0, #00h mov tl0, #00h setb et1 setb ea setb tr0 ;啟動(dòng)計(jì)時(shí)器 t0，用以計(jì)算 超聲波來回

24、時(shí)間 setb tr1 ;開啟發(fā)超聲波用定時(shí)器 t1 out: reti ;t1 中斷，發(fā)超聲波用 intt1: cpl vout djnz r4,retiout clr tr1 ；超聲波發(fā)送完畢，關(guān) t1 clr et1 mov r4,#04h setb ex0 ；開啟接收回波中斷 retiout: reti ;外中斷 0，收到回波時(shí)進(jìn)入 pint0: clr tr0 ；關(guān)計(jì)數(shù)器 clr tr1 clr et1 clr ea clr ex0 mov 44h, tl0 ；將計(jì)數(shù)值移入處理單元 mov 45h, th0 setb 00h ；接收成功標(biāo)志 reti *延時(shí)程序* dl1ms: mo

25、v r6, #14h dl1: mov r7, #19h dl2: djnz r6, dl2 djnz r6, dl1 ret 顯示程序 ;40h 為最高位，43h 為最低位，先掃描高位 display：mov r1, #40h;g mov r5,#0f7h;g play:mov a, r5 mov p0, #0ffh mov p2, a mov a, r1 mov dptr, #tab movca, a+dptr mov p0, a lcall dlims incr1 mov a, r5 jnb acc.0, endout;g rra mov r5, a ajmpplay endout;mo

26、v p2, #0ffh mov p0, #0ffh ret tab; db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h,0f fh,88h,0bfh ；共陽數(shù)碼管 0 ,1, 2,3,4,5,6,7,8,9,不亮，a, *距離計(jì)算程序(=計(jì)算值17/1000cm) 近似 work:pushacc pushpsw pushb movpsw, #18h movr3, 45h movr2, 44h movr1, #00d movr0, #17d lcall mul2by2 movr3, #03h movr2, #0e8h lcalldiv4by2 lca

27、lldiv4by2 mov40h, r4 mova, 40h jnzjj0 mov40h, #0ah ;最高位為 0，不點(diǎn)亮 jj0:movar0 movr4, a movar1 movr5 a mov r3, #00d movr2, #100d lcalldiv4by2 mov41h, r4 mova, 41h jnzjj1 mova, 40h ；此高位為 0，先看最高位是否為不 亮 subba, #0ah jnzjj1 mov41h, #0ah ； 最高位不亮，次高位也不亮 jj1:mova, r0 movr4, a mova, r1 movr5, a movr3, #00d movr2,

28、 #10d lcall div4by2 mov42h, r4 mova42h jnzjj2 mova, 41h ;次高位為 0，先看次高位是否為不 亮 subba, #0ah jnzjj2 mov42h, #0ah ；次高位不亮，次高位也不亮 jj2:mov43h, r0 popb poppsw popacc ret *兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)乘法程序 mul2by2:clra movr7, a movr6, a mov r5, a movr4, a mov46h, #10h mulloop1:clrc mova, r4 rlca movr4, a mova, r5 rlca movr5, a mova

29、, r6 rlca movr6, a mova, r7 rlca mov r7, a mov a, r0 rlc a movr0, a mova, r1 rlca movr1, a jncmulloop2 mova, r4 adda, r2 movr4, a mova, r5 addca, r3 movr5, a mova, r6 addca, #00h movr6, a mova, r7 addca, #00h movr7, a mulloop2:djnz46h, mulloop1 ret 四字節(jié)/兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)除法程序 div4by2:mov46h, #20h movr0, #00h movr1, #