單片機(jī)的智能汽車(chē)防撞畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、目 錄1 引言11.1 選題研究背景、目的及意義12 總體方案論證42.1 測(cè)距系統(tǒng)方案比較與選擇42.2 測(cè)速系統(tǒng)方案的確定52.3 汽車(chē)防撞報(bào)警器的總體方案設(shè)計(jì)62.4 汽車(chē)防撞安全模型的建立73 超聲波測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)介93.1 超聲波的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀93.2 超聲波測(cè)距的工作方式93.3 超聲波測(cè)距原理104 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)124.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具平臺(tái)簡(jiǎn)介124.2 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì)145 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)225.1 系統(tǒng)軟件原理及程序流程圖225.2 各部分電路程序設(shè)計(jì)236 總 結(jié)29參考文獻(xiàn)31謝 辭32附錄一33附錄二471 引言1.1 選題研究背景、目的及意義1.1.1

2、課題研究背景據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)交通事故造成的人員死亡在這100年內(nèi)大約有2千多萬(wàn)人。這個(gè)數(shù)字比第一次世界大戰(zhàn)死亡人數(shù)1700萬(wàn)超出300多萬(wàn)人，是第二次世界大戰(zhàn)死亡人數(shù)3760萬(wàn)的一半多。在美國(guó)，從1872年埃巴斯生產(chǎn)蒸汽汽車(chē)以來(lái)至1994年共有304萬(wàn)人死于汽車(chē)交通事故，這個(gè)數(shù)據(jù)約為美國(guó)1872年以來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中死亡人數(shù)（117.5萬(wàn)人)的3倍，同期汽車(chē)交通事故中受傷3億人，是過(guò)去200年間在戰(zhàn)爭(zhēng)中受傷人數(shù)(145萬(wàn)人)的200多倍。1990年全球有統(tǒng)計(jì)紀(jì)錄的汽車(chē)交通事故損失為1370億美元，1993年達(dá)5000億美元，相比之下1995年日本的阪神大地震經(jīng)濟(jì)損失為1000億美元?？梢?jiàn)對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，汽車(chē)

3、交通事故的總體傷害與經(jīng)濟(jì)損失規(guī)模已大于任何一種自然或其它社會(huì)災(zāi)害所造成的損失規(guī)模。全球道路安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻。2004年，在法國(guó)舉行的由世界衛(wèi)生組織組辦的世界衛(wèi)生日首次以道路交通安全為主題。目前，全世界每年死于車(chē)禍的人數(shù)達(dá)120萬(wàn)人，傷殘5000萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失5000多億美元。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，道路交通死亡人數(shù)將達(dá)234萬(wàn)人，道路交通傷害在人類(lèi)死亡和致病原因中排名第三，遠(yuǎn)在艾滋病、結(jié)核病、上呼吸道感染等疾病之前。值得指出的是，在所有道路交通傷害事故中，中等和低收入國(guó)家占90%，而且這一趨勢(shì)還在繼續(xù)上升。法國(guó)人驚呼，車(chē)禍這種“城市文明病”每年可以摧毀一座尼斯城。1986年圣誕節(jié)前夕，巴黎市

4、發(fā)出了“救救巴黎”新方案，即巴黎副市長(zhǎng)勃羅什提出的解決巴黎交通計(jì)劃。日本則把城市車(chē)禍稱為“交通地獄”。與世界各國(guó)相比，我國(guó)的道路交通事故就更為嚴(yán)重。20002003年，汽車(chē)保有量按年均近500萬(wàn)量的數(shù)目增長(zhǎng)，道路交通死亡人數(shù)年均超過(guò)10萬(wàn)，年均受傷人數(shù)50多萬(wàn)，年均經(jīng)濟(jì)損失約30億人民幣，下面是2001年以來(lái)全國(guó)交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：2001年，全國(guó)公安交通管理部門(mén)共受理道路交通事故案件75.5萬(wàn)起，事故共造成10.6萬(wàn)人死亡，平均每天因交通事故死亡的人數(shù)已達(dá)300人，直接經(jīng)濟(jì)損失30.9億元。 2002年，中國(guó)共發(fā)生道路交通事故77.3萬(wàn)起，造成10.9萬(wàn)人死亡、56.2萬(wàn)人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失3

5、3.2億元。 2003年，全國(guó)共受理一般以上道路交通事故66.75萬(wàn)起，這些事故造成10.4萬(wàn)人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失33.7億元。03年死傷人數(shù)出現(xiàn)了10年以來(lái)的首次下降，其中“非典”期間事故下降明顯。 2004年，中國(guó)道路交通事故死亡人數(shù)達(dá)9.4萬(wàn)人，居世界第一。因駕駛員因素導(dǎo)致的交通事故占總數(shù)的89.8%，造成的死亡人數(shù)、受傷人數(shù)分別占到了總數(shù)的87.4%和90.6%。 2005年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故450254起，比2004年減少67635起，下降13.1%；造成9.9萬(wàn)人死亡，同比減少8339人，下降7.8%；造成469911人受傷，同比減少10953人，下降2.3%；直接財(cái)產(chǎn)損失1

6、8.8億元，同比減少5.1億元，下降21.2%。2006年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故378781起，比上年下降15.9%。自2000年以來(lái)，道路交通事故死亡人數(shù)首次回落到9萬(wàn)人以下，共造成89455人死亡，比上年下降9.4%。2007年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故327209起，造成81649人死亡、380442人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失12億元。由此可見(jiàn)，隨著交通工具的現(xiàn)代化和絕對(duì)數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，汽車(chē)交通事故已成為嚴(yán)峻的全球性社會(huì)問(wèn)題。雖然近兩年有所下降，但是總體數(shù)目還是觸目驚心。世界上各發(fā)達(dá)的汽車(chē)工業(yè)國(guó)都在大力發(fā)展車(chē)輛安全技術(shù)，以減少車(chē)輛交通事故或避免車(chē)輛交通事故的發(fā)生。所以研究智能汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)刻

7、不容緩。1.1.2 選題的目的及意義在過(guò)去2030年中，人們主要把精力集中于汽車(chē)的被動(dòng)安全性方面，汽車(chē)被動(dòng)安全性能的提高，雖然明顯地減少了乘員的受傷程度和財(cái)產(chǎn)損失程度，但并不能從根本上避免交通事故的發(fā)生和真正解決道路交通安全問(wèn)題。完善道路交通安全設(shè)施，健全道路交通法規(guī)，加強(qiáng)道路交通安全管理，以及提高交通參與者的安全意識(shí)等措施雖然也能夠改善交通安全狀況，但防患于未然的主動(dòng)安全措施則無(wú)疑是最好的安全措施，方能真正的治理交通安全問(wèn)題。 而當(dāng)今隨著城市車(chē)輛，尤其是私家車(chē)的增多，現(xiàn)代生活節(jié)奏加快，交通事故發(fā)生的頻率也隨之增加，為提高汽車(chē)運(yùn)行的安全性，本文介紹一種單片機(jī)控制的汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)。該裝置具有將

8、單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)處理功能，與超聲波的測(cè)距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，可檢測(cè)汽車(chē)運(yùn)行中后方障礙物與汽車(chē)的距離及汽車(chē)車(chē)速，通過(guò)數(shù)顯裝置顯示距離，并由發(fā)聲電路根據(jù)距離遠(yuǎn)近情況發(fā)出警告聲。從而達(dá)到主動(dòng)防范交通事故的發(fā)生，從本質(zhì)上降低交通事故。本文研究的汽車(chē)防撞控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，它通過(guò)超聲波對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中的各種對(duì)車(chē)輛有危險(xiǎn)的障礙物進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)控制單元對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)碰撞做出相應(yīng)的判斷并實(shí)施報(bào)警，以幫助駕駛員處理行駛過(guò)程中所遇到的危險(xiǎn)碰撞問(wèn)題。當(dāng)探測(cè)到存在潛在碰撞危險(xiǎn)時(shí)向駕駛員發(fā)出警報(bào)信號(hào)以提醒駕駛員采用轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、減速等措施。確保了防撞控制的可靠性。2 總體方案論證2.1 測(cè)距系統(tǒng)方案比較

9、與選擇準(zhǔn)確地測(cè)量車(chē)與障礙物間距離是智能汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的第一步，提高車(chē)間距離測(cè)量的精度是整個(gè)防撞系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的距離測(cè)量裝置安裝到了汽車(chē)上，先后出現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)、激光雷達(dá)、紅外線及超聲波等測(cè)距方式，這些傳感器均可對(duì)周邊的環(huán)境進(jìn)行非接觸探測(cè)，以獲取周邊其他車(chē)輛或障礙物的距離、速度等信息。但是由于各個(gè)測(cè)距傳感器的最大測(cè)量距離、方向性、響應(yīng)時(shí)間、成本、尺寸、環(huán)境適應(yīng)性等各不相同，因此必須仔細(xì)研究以選擇合適的測(cè)量方式。1）機(jī)器視覺(jué)測(cè)距用視頻成像系統(tǒng)是以CCD(Charge Coupled Device電荷耦合器件)攝像機(jī)觀測(cè)物體移動(dòng)為基礎(chǔ)的。物體在被觀測(cè)區(qū)域橫向或上下

10、方向移動(dòng)就決定了物體的位置。通常物體上需要有給圖象處理軟件提供物體行蹤的可視條(如白色十字)。實(shí)際距離的測(cè)量取決于預(yù)先輸入的詳細(xì)的所跟蹤物體的幾何信息。它主要的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣、檢測(cè)信息量大、能夠遙測(cè)等，但是計(jì)算量大、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，易受環(huán)境、氣候影響、無(wú)法獲得深度信息。這種方式主要用于路徑識(shí)別與跟蹤、障礙物識(shí)別、駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)、駕駛員視角增強(qiáng)等。由于成本高，對(duì)外界環(huán)境敏感，故在許多場(chǎng)合都不可能采用此項(xiàng)技術(shù)。2）激光雷達(dá)激光雷達(dá)有脈沖式和連續(xù)波式兩種。脈沖式激光雷達(dá)采用短的、大功率紅外光脈沖，根據(jù)光脈沖所需的傳播時(shí)間確定被測(cè)距離。連續(xù)波激光雷達(dá)是把光調(diào)幅在約100MHz的正弦波上，根據(jù)發(fā)射光

11、與反射光之間的相位差來(lái)推算被測(cè)距離(也稱作相位法測(cè)距)。脈沖激光雷達(dá)信號(hào)處理比較容易，其應(yīng)用也最為普遍。由于光束一般很集中，激光雷達(dá)主要用于大范圍直線距離的測(cè)量。激光雷達(dá)量程大、方向強(qiáng)且響應(yīng)時(shí)間快，但成本高，易受外界環(huán)境(如能見(jiàn)度低、傳感器表面有泥土等)影響。同時(shí)，激光能量必須限制在人眼安全水平范圍之內(nèi)。3）紅外線紅外線對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，體積小，重量輕，功耗低。但它不能很準(zhǔn)確地確定物體的距離，分辨率低，響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此主要用于障礙物探測(cè)，紅外成像，紅外夜視等。響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使駕駛員得到的提前報(bào)警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車(chē)輛碰撞報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用。紅外線式傳感器是基于測(cè)量傳感器附近物體所發(fā)射

12、的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。紅外線測(cè)距跟其它測(cè)距原理相同，都是根據(jù)發(fā)射波和反射波的總時(shí)間來(lái)確定障礙物的距離的，相比之下，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)距系統(tǒng)的成本也比較低廉。但是對(duì)障礙物位置的準(zhǔn)確判斷還存在隱患，在惡劣天氣和長(zhǎng)距離探測(cè)方面仍然不能滿足公路防撞的要求，所以從性能上來(lái)看，紅外測(cè)距是很不可取的。本文開(kāi)發(fā)的是適應(yīng)能力強(qiáng)，能受到大眾普遍接受的智能汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)，考慮到高速公路上霧天和雨天發(fā)生的交通事故比較多，所選用的距離傳感器必須在雨天、霧天和晴天都能夠全天候的工作。激光雷達(dá)、機(jī)器視覺(jué)探測(cè)方式雖然都能滿足要求，但是從成本角度考慮的話都不適合，普遍推廣難度有點(diǎn)大。超聲波是指頻率在20kHz以上的機(jī)械振動(dòng)波，

13、它是針對(duì)障礙物測(cè)距的特殊要求而發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)距方法。超聲波距離傳感器一般采用獨(dú)立的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器由高頻信號(hào)(4080kHz)來(lái)激勵(lì)。測(cè)量發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖至接收到反射信號(hào)所用的時(shí)間間隔，便可簡(jiǎn)單地估計(jì)出被測(cè)物體的距離。數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、快速，價(jià)格低。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確

14、度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。所以用超聲波測(cè)距完全符合我們的要求。2.2 測(cè)速系統(tǒng)方案的確定自車(chē)速度通過(guò)自車(chē)上的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得。在整個(gè)系統(tǒng)中精確地測(cè)量汽車(chē)的轉(zhuǎn)速是提高系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。由于汽車(chē)自身所帶的轉(zhuǎn)速表測(cè)量精度很差，故應(yīng)對(duì)其轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行必要的選擇和設(shè)計(jì)。根據(jù)不同類(lèi)型轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)大小的不同，可以采用不同方法將結(jié)果給單片機(jī)。轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是模擬電壓量;而數(shù)字式可以采用光碼器、光電式、圓光柵、霍爾元件等為檢測(cè)元件，得到的是脈沖信號(hào)。由于此系統(tǒng)的車(chē)速傳感器的工作條件十分惡劣，發(fā)動(dòng)

15、機(jī)的熱源、汽油、水、電火花放射以及其它的電磁波形成的電氣環(huán)境較差，光電式、光碼器、圓光柵易受到干擾，穩(wěn)定性變差。而霍爾轉(zhuǎn)速傳感器得到的是數(shù)字信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，故本系統(tǒng)采用霍爾效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器。霍爾集成元件作為傳感器具有精度高、靈敏度高、線性度好、體積小、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故其測(cè)量變速器的轉(zhuǎn)速是合適的。將傳感器的輸入軸與汽車(chē)車(chē)速表驅(qū)動(dòng)軸連接，該軸通過(guò)軟軸與汽車(chē)變速器第二軸后端的車(chē)速里程表驅(qū)動(dòng)渦輪軸相連，磁鋼均勻地分布在傳感器輸入軸的周?chē)８鶕?jù)霍爾效應(yīng)，在控制電流恒定條件下，當(dāng)傳感器輸入軸上的每個(gè)磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾感應(yīng)元件時(shí)，由于改變了磁通密度，便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，將變速器輸出軸的

16、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖序列。該脈沖經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)理后，可直接送入單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后，可得到變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。2.3 汽車(chē)防撞報(bào)警器的總體方案設(shè)計(jì)汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)是智能車(chē)輛的重要組成部分，是車(chē)載附加安全裝置之一。本系統(tǒng)以AT89C2051作為系統(tǒng)的主要控制單元，完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理。該報(bào)警器由控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、接收電路、測(cè)速電路、報(bào)警電路、LED顯示電路組成，電路原理框圖見(jiàn)圖2-1 圖2-1 系統(tǒng)總原理框圖系統(tǒng)通過(guò)安裝在汽車(chē)前部的超聲波發(fā)射探頭測(cè)量自車(chē)與前方障礙物的距離，將距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的控制單元，控制單元同時(shí)收集自車(chē)車(chē)速信

17、息，并結(jié)合自車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)辨別目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(靜止或運(yùn)動(dòng))，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出汽車(chē)此時(shí)應(yīng)保持的安全距離，并與實(shí)測(cè)距離進(jìn)行比較，一旦實(shí)測(cè)距離小于安全距離，則啟動(dòng)相關(guān)的報(bào)警單元，提醒駕駛員采取正確措施，避免碰撞事故發(fā)生。本系統(tǒng)采用單片機(jī)通過(guò)計(jì)算測(cè)量模型提醒報(bào)警距離與實(shí)測(cè)距離進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)測(cè)距離值小于報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警;當(dāng)實(shí)測(cè)距離大于報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)不發(fā)出報(bào)警。在這兩種情況下，同時(shí)顯示屏顯示自車(chē)與前方障礙物的距離和自車(chē)的速度。但是在一些不必要的場(chǎng)合，系統(tǒng)的警報(bào)應(yīng)當(dāng)抑制，如汽車(chē)處于轉(zhuǎn)彎、低速、超車(chē)和己制動(dòng)的情況下應(yīng)抑制報(bào)警。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎時(shí)，頻繁的報(bào)警會(huì)引起駕駛員的厭煩;在低速行駛時(shí)，發(fā)

18、生重大交通事故的可能性很低；車(chē)時(shí)，由于超聲波會(huì)探測(cè)到高速公路護(hù)欄，系統(tǒng)不易鑒別，可能會(huì)產(chǎn)生虛警;已采取制動(dòng)時(shí)，事故的可能性己大大地減少，出現(xiàn)惡性事故的可能性更小，因而上述三種情況應(yīng)抑制報(bào)警。2.4 汽車(chē)防撞安全模型的建立在超聲波測(cè)距中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是超聲波往返距離的測(cè)定，而測(cè)量過(guò)程是以用戶設(shè)置的時(shí)間間隔為周期循環(huán)進(jìn)行的，每次的測(cè)量周期，需要進(jìn)行的步驟是：l 測(cè)量傳播時(shí)間；l 計(jì)算測(cè)量距離。 在每個(gè)測(cè)量周期中，單片機(jī)根據(jù)設(shè)置的輸入信號(hào)處理參數(shù)值，評(píng)估每次測(cè)量是否合理，有問(wèn)題的測(cè)量結(jié)果將被剔除，并用上一次周期的測(cè)量結(jié)果替代，在每一次測(cè)量周期結(jié)束后，CPU處于等待狀態(tài)直至下一個(gè)測(cè)量周期的到來(lái)。傳

19、播時(shí)間的測(cè)量如下：l 單片機(jī)復(fù)位清零；l 清零傳播時(shí)間計(jì)數(shù)器；l 單片機(jī)給出發(fā)射信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，發(fā)出超聲波，同時(shí)啟動(dòng)傳播時(shí)間計(jì)數(shù)器；l 接收換能器將接收到的超聲波脈沖轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到接收回路；l 接收電路判斷輸入脈沖是否檢測(cè)電波的第一個(gè)脈沖沿；l 校驗(yàn)接收到的信號(hào)特征是否符合；l 確定該信號(hào)是所測(cè)信號(hào)時(shí)停止傳播時(shí)間計(jì)數(shù)器；l 如果在當(dāng)前最大估算時(shí)間沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)，則復(fù)位所有標(biāo)志位，重新測(cè)量；根據(jù)確定的測(cè)量時(shí)間，就可以進(jìn)行距離計(jì)算了，而測(cè)量時(shí)間的確定，還與具體的硬件電路設(shè)置有關(guān)，為了提高測(cè)量時(shí)間的精確性，則要采用比較好的算法。系統(tǒng)檢測(cè)距離的原理是通過(guò)單片機(jī)發(fā)出40kHz的方波串后，檢測(cè)接

20、收端是否接收遇障礙物反射的回波，同時(shí)利用單片機(jī)計(jì)算出收到回波所用的時(shí)間和確定超聲波在空中傳播的速度。則障礙物到汽車(chē)距離為根據(jù)測(cè)出來(lái)的相應(yīng)距離，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算后判斷作出報(bào)警響應(yīng)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地測(cè)出障礙物到汽車(chē)的距離，盡量減少誤差，采取算法為：兩對(duì)超聲波收發(fā)傳感器分別安裝在車(chē)前，兩者相隔1.6m，如圖2-2所示，、分別代表兩對(duì)超聲波收發(fā)器，=1.6m假設(shè)代表障礙物，聲波的傳播速為，由于聲波傳播是來(lái)回反射的，則，也就是只要把時(shí)間與確定下來(lái)就可以計(jì)算出與，然后利用海倫公式，設(shè)，有，這就可以求出的面積為，則其中就是汽車(chē)前方與障礙物之間的距離。ABFt1t2E 圖2-2 測(cè)距算法幾何圖3 超聲波測(cè)距系

21、統(tǒng)簡(jiǎn)介3.1 超聲波的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀眾所周知，超聲波測(cè)距技術(shù)由來(lái)已久，已在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如利用超聲波技術(shù)的自動(dòng)測(cè)距照相機(jī)、建筑上使用的手持式墻面測(cè)距儀。這些儀器的組成是較為簡(jiǎn)單的，通常由超聲波測(cè)距傳感器（分為收、發(fā)分體式和一體式）和電子元器件組成。由于這樣的儀器功能不強(qiáng)，現(xiàn)在已逐漸淡出人們的生產(chǎn)生活中。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的小型價(jià)廉的微處理器（單片機(jī)）的出現(xiàn)，使超聲波測(cè)距傳感器的功能得到了提升。有了微處理器不僅使測(cè)距的精度大為提高，而且為超聲波測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟更大的空間。人們首先設(shè)計(jì)出了基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)如雨后春筍般層出不窮，國(guó)內(nèi)外的許多科研單位、廠家研制

22、生產(chǎn)了這樣的測(cè)距儀。但有些場(chǎng)合，只裝備單個(gè)傳感器系統(tǒng)已不能滿足人們的需要了，于是就有了多個(gè)傳感器組成的列陣。支持這類(lèi)系統(tǒng)的技術(shù)是近年來(lái)從軍事上發(fā)展的多傳感器信息融合技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)。國(guó)內(nèi)的科研單位也在進(jìn)行這方面的科研工作。例如：北京中科院自動(dòng)化研究所的研制基于DSP（Digital Signal Processing數(shù)字信號(hào)處理）的多超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息工程院將多超聲波傳感器列陣應(yīng)用于礦井下的機(jī)器人；國(guó)防科技大學(xué)自控系設(shè)計(jì)用于自主車(chē)?yán)@障的超聲傳感器線陣。而這些系統(tǒng)大多是為自主移動(dòng)機(jī)器人而開(kāi)發(fā)的。另外，在國(guó)外改進(jìn)超聲波傳感器的工作也有所進(jìn)展，

23、在美國(guó)已經(jīng)有人采用光纖傳感器來(lái)收集超聲波傳感器列陣的龐大信息。3.2 超聲波測(cè)距的工作方式大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文超聲波發(fā)生器主要包括兩大類(lèi)，一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型；另一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生，包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛。目前較為常用的是壓電型超聲波發(fā)生器。超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜，在這里使用脈沖反射式。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1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)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，

24、當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。在超聲探測(cè)電路中，在發(fā)射端得到的輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時(shí)間間隔，顯然被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖的個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。圖3-1 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。發(fā)射超聲波時(shí)，壓電傳感器中的壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。接收超聲波時(shí)，兩電極間未外加電，共振波接收到超聲波，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。3.3 超聲

25、波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理是，通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差，然后求出距離，其中，為超聲波波速。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。在超聲波測(cè)距中，雖然可以通過(guò)分析波形頻率、相位等特征通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)得到要測(cè)量的距離值，但更為一般的是通過(guò)分析發(fā)射波與回波的時(shí)間差來(lái)獲取距離值，這也就是一般所說(shuō)的聲納原理。由系統(tǒng)控制單元送出的40 KHz超聲波頻率信號(hào)經(jīng)放大推動(dòng)輸出給升壓變壓器初級(jí)，通過(guò)由變壓器副邊和壓電換能晶片構(gòu)成的LC振蕩電路轉(zhuǎn)換成40KHz頻率的超聲波，組成 (周期)為一超聲波發(fā)射波束，波束時(shí)間長(zhǎng)度為0.5ms()，壓電換

26、能晶片可將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射到被檢測(cè)物體，或把被檢測(cè)物體反射的聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。換能晶片在系統(tǒng)控制單元送出的40 KHz信號(hào)起振，推動(dòng)空氣發(fā)出超聲波，超聲波能在固體、液體和氣體類(lèi)的彈性介質(zhì)中傳播，因而具有不怕雨、水和塵等，能在空氣中穩(wěn)定傳播，且不易受外界聲音的干擾等特性。換能晶片發(fā)出的超聲波自振效應(yīng)越短越好，因此要給LC振蕩電路加阻尼電阻，降低LC振蕩電路的值，使發(fā)出超聲波波束后的阻尼振蕩波快速衰減，以等待接收障礙物反射回饋的超聲波束信號(hào)。在超聲波傳感器發(fā)出的聲波碰到障礙物后反射到換能晶片，在壓電反應(yīng)下產(chǎn)生一振蕩電壓送運(yùn)算放大器電路進(jìn)行運(yùn)算放大并整形后送主機(jī)控制單元，主機(jī)根據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)的

27、時(shí)間差及相應(yīng)的那個(gè)US回波，就能得出距離。超聲波信號(hào)經(jīng)超聲波傳感器發(fā)出去以后，遇到固體或者液面等障礙物后會(huì)反射回來(lái)，超聲波接收器接收到反射回來(lái)的超聲波，并且將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)測(cè)出，根據(jù)接收到的發(fā)射波與發(fā)射波的時(shí)間差，就可以算出所測(cè)的距離，距離計(jì)算公式是： 其中：是所測(cè)得的距離，是超聲波在空氣中的傳播速度，其試驗(yàn)值等于331.45m/s，是超聲波從發(fā)射到接收到第一個(gè)回波經(jīng)過(guò)的時(shí)間。對(duì)上式進(jìn)行全微分，得到如下關(guān)系式： 由此可以知道，由于速率的變化或者測(cè)量誤差、時(shí)間的測(cè)量誤差都會(huì)給所測(cè)得的距離帶來(lái)誤差，其中，是由于速率的變化引起的誤差，而則是由于計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確引起的誤差。4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)控

28、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具平臺(tái)簡(jiǎn)介4.1.1 系統(tǒng)模塊的組成及各部分的功能碰撞報(bào)警控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)的基本系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、接收電路、測(cè)速電路、報(bào)警電路、LED顯示電路組成。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，單片機(jī)是主要的智能單元，控制方案通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)參數(shù)。測(cè)量控制系統(tǒng)面板上的LED顯示器顯示車(chē)與障礙物之間的距離和自車(chē)的速度，便于駕駛員及時(shí)了解汽車(chē)的運(yùn)行情況，必要的時(shí)候?qū)嵤┳詣?dòng)報(bào)警。4.1.2 單片機(jī)的選擇單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集器的核心，因此單片機(jī)的選型很重要。在單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，Intel公司扮演了重要角色。從1980年以來(lái)，Intel

29、公司在MCS-48系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上又推出了MCS-518位的高檔單片機(jī)以及今天的MCS96系列及各種CMOS系列，使單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善。無(wú)論是哪一種位數(shù)的單片機(jī)，哪一系列的單片機(jī)，都為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)的研制、智能控制器的研究等，創(chuàng)造了極其有力的硬件環(huán)境。目前世界各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的4位、8位、16位、32位通用型以及衍生出的五花/又門(mén)的系列及型號(hào)，使單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用己達(dá)到了無(wú)孔不入的地步。但是在國(guó)內(nèi)，單片機(jī)使用量最大的還是8位單片機(jī)，應(yīng)用范圍最廣的也是8位單片機(jī)。目前世界各生產(chǎn)單片機(jī)的公司都在努力提高時(shí)鐘頻率，以提高單片機(jī)速度；精簡(jiǎn)指令，采用多級(jí)流水線操作方式以提高指令的執(zhí)行速度，擴(kuò)

30、大尋址能力;擴(kuò)大片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量，并在結(jié)構(gòu)上細(xì)致化、智能化、密切化，以增加片內(nèi)功能；盡量減少外部接口芯片，提供與主機(jī)的接口，降低單片機(jī)的功耗，提高寬電源的適應(yīng)能力，增加高噪聲容限，并使其具有更好的電磁兼容性。面向應(yīng)用對(duì)象的多功能多品種的增強(qiáng)型單片機(jī)將不斷出現(xiàn)。本系統(tǒng)的主控單元采用了MCS-51系列的AT89C2051單片機(jī)，主要考慮到這種單片機(jī)操作相對(duì)簡(jiǎn)單， 同時(shí)價(jià)格也較便宜，便于實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。充分運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部資源，對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)速、顯示和串口通信進(jìn)行了研究。4.1.3 AT89C2051的特點(diǎn)與功能 AT89C2051是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS 8位微處理器，與MCS-51系列

31、指令集和引腳兼容，具有以下特點(diǎn)：128 bytes內(nèi)部RAM，2Kbytes EPROM，15根I/O線，2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，5個(gè)兩級(jí)中斷源，1個(gè)全雙工串行口，一個(gè)片內(nèi)精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，低功耗的閑置和掉電模式。工作電壓范圍4.25V5.5V，工作頻率取12MHz。AT89C2051中的兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器T0和T1，作定時(shí)器時(shí)，可計(jì)數(shù)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12；作計(jì)數(shù)器時(shí)，可對(duì)外部輸入引腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時(shí)增1，計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的1/24。AT89C2051明細(xì)如圖4-1所示。 圖4-1 AT89C2051芯片引腳圖AT89C2

32、051芯片的20個(gè)引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓 2. GND：地 3. P1口：P1口是8位雙向I/O口。P1口引腳P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉電阻。P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫(xiě)入“1”時(shí)，其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流()。P1口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。4. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向I/0引

33、腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為通用I/O引腳而不可訪問(wèn)。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口引腳寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí)，被外部拉低的P3口引腳將用上拉電阻而流出電流()。此外P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的功能：P3.0：RXD(串行輸入端口)P3.1：TXD(串行輸出端口)P3.2：INT0(外中斷0)P3.3：INT1(外中斷1)P3.4：TO(定時(shí)器0外部輸入)P3.5：T1(定時(shí)器1外部輸入)5. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 6. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。從上述引

34、腳說(shuō)明可看出，AT89C2051沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)，因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT89C2051之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。4.1.4 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括軟件和硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，兩者之間互相影響。一般設(shè)計(jì)原則是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)(采用功能較強(qiáng)的芯片以簡(jiǎn)化電路，增強(qiáng)可靠性);冗余技術(shù)設(shè)計(jì)(提高系統(tǒng)可靠性和便于維修);以軟代硬(在速度允許的條件下，能用軟件的盡量不用硬件)，如用軟件低通濾波代替硬件低通濾波，用軟件中斷代替硬件中斷等。硬件設(shè)計(jì)一般包括單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)和單片機(jī)作用

35、對(duì)象設(shè)計(jì)。在硬件電路的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量的軟件可使系統(tǒng)的性能大大地提高，其中包含:中斷控制、定時(shí)、顯示、數(shù)碼轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、處理、輸出等程序。在設(shè)計(jì)時(shí)，較多的使用硬件來(lái)完成一些功能，可以提高工作速度，減少軟件工作量;較多的使用軟件來(lái)完成一些功能，則可以降低成本，簡(jiǎn)化電路，但是增加了編程的工作量。因此，在綜合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)研制的周期和市場(chǎng)狀況來(lái)進(jìn)行合理的分配。4.2 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì)4.2.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路由NE555時(shí)基電路和超聲波發(fā)射探頭組成。單片機(jī)AT89C2051的P1.7引腳控制NE555時(shí)基電路產(chǎn)生40kHz的頻率信號(hào)給超聲波發(fā)生器，由超聲波探頭發(fā)射的超聲波

36、射向障礙物。利用超聲波測(cè)距具有以下特點(diǎn)：測(cè)量靈敏度高，穿透力強(qiáng)，測(cè)量速度快，測(cè)量角度大，可對(duì)較大范圍內(nèi)的物體進(jìn)行檢測(cè)。其原理圖如圖4-2所示。 圖4-2 超聲波發(fā)射電路原理圖用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的40KHz的方波由一片NE555搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的PLUS_EN信號(hào)（即AT89C2051的P1.7引腳）；40KHz的方波經(jīng)CD4049（驅(qū)動(dòng)功能的反相器）調(diào)理后，成為振幅18V的方波，提高發(fā)射功率。4.2.2 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收電路由超聲波接收探頭、放大器和整形器組成。由障礙物反射回來(lái)的超聲波經(jīng)接收探頭，變換為電脈沖信號(hào)，再由放大器、整形器放大和整形后送入到單片機(jī)AT

37、89C2051的P3.2引腳。放大器宜選用有足夠增益和較低噪聲的寬帶放大器，以保持脈沖信號(hào)尤其是前沿不發(fā)生畸變，提高測(cè)距的精度。其原理圖如圖4-3所示。圖4-3 超聲波接收電路原理圖發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后，反射到接收頭，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波處理電路中，把接收到的波形放大了5000倍，用的是NE5532搭成的兩級(jí)交流放大電路。經(jīng)放大后的波形送入，LM311比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波，可送給AT89C2051的P3.2引腳。在此模塊電路的設(shè)計(jì)中，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間存在一些干擾。一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有5cm的距離

38、。而在發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的3ms內(nèi)，接收頭會(huì)一直接收到發(fā)射頭傳過(guò)來(lái)的非反射波，這是干擾波，在后面的軟件處理的時(shí)候?qū)?huì)清除這些干擾。4.2.3 門(mén)控電路（觸發(fā)器）設(shè)計(jì)為了在本超聲波測(cè)距電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，必須在電路中加入門(mén)控電路。下面結(jié)合系統(tǒng)總原理圖（見(jiàn)附錄）解釋一下該門(mén)控電路的作用。由式中是所測(cè)得的距離，是超聲波在空氣中的傳播速度，是超聲波從發(fā)射到接收到第一個(gè)回波經(jīng)過(guò)的時(shí)間。如果已知，距離便可確定，如何測(cè)量時(shí)間呢？把輸出脈沖作為一閘門(mén)信號(hào)，讓已知頻率的脈沖恰好能通過(guò)閘門(mén)，那么：式中，為已知脈沖的周期；為脈沖周期的個(gè)數(shù)或脈沖的個(gè)數(shù)。閘門(mén)信號(hào)與已知脈沖信號(hào)的關(guān)系如圖4-4所示。

39、圖4-4 閘門(mén)信號(hào)與已知脈沖信號(hào)的關(guān)系在本電路設(shè)計(jì)中門(mén)控電路由觸發(fā)器來(lái)完成，而觸發(fā)器是用觸發(fā)器CD4013來(lái)完成。當(dāng)時(shí)復(fù)位，即；時(shí)置位，即,在原理分析中，就利用它的這一特性。當(dāng)上電復(fù)位時(shí)，觸發(fā)器CD4013的腳輸出低電平加到單片機(jī)的P3.3口，不啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器，處于等待狀態(tài)。4.2.4 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)報(bào)警電路由語(yǔ)音集成電路、放大電路和揚(yáng)聲器組成。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，AT89C2051的P1.6產(chǎn)生一定頻率的低電平信號(hào)，使電路導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。原理圖如圖4-5所示。圖4-5 語(yǔ)音報(bào)警電路原理圖當(dāng)車(chē)前方有障礙物時(shí)，反射回來(lái)的超聲波信號(hào)經(jīng)超聲波接收器US2接收并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片

40、處理后從P1.6以低電平信號(hào)輸出，三級(jí)管導(dǎo)通，語(yǔ)音集成電路（HFC5214）開(kāi)始工作，然后再經(jīng)過(guò)LM386，LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)放大后由揚(yáng)聲器發(fā)出“嘟嘟，請(qǐng)注意！”的語(yǔ)言提示！同時(shí)二極管發(fā)光，實(shí)現(xiàn)聲光同時(shí)報(bào)警提示！4.2.5 測(cè)速電路設(shè)計(jì)測(cè)速電路由傳感器、倍頻電路組成?；魻柤蓚鞲衅鲗④?chē)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)變成脈沖信號(hào)輸出，經(jīng)放大、整形電路后送入倍頻電路，送入單片機(jī)AT89C2051的P3.5引腳，控制T1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)。轉(zhuǎn)速傳感器由霍爾開(kāi)關(guān)元件，帶磁鋼圓盤(pán)（裝在汽車(chē)車(chē)軸上的）及電平轉(zhuǎn)換電

41、路組成。構(gòu)成原理框圖如圖4-6所示。當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁塊與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化，磁塊靠近霍爾元件時(shí)，磁場(chǎng)增強(qiáng)，霍爾元件輸出低電平，相反則輸出高電平，因此車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號(hào)，通過(guò)整形送單片機(jī)，根據(jù)具體要求進(jìn)行信號(hào)處理計(jì)算?；魻杺鞲衅鬟x用霍尼韋爾公司的SS41型霍爾位置傳感器/開(kāi)關(guān)輸出。它尺寸小，有靈敏的磁特性，響應(yīng)速度快，工作頻率從0100kHz，完全滿足采樣時(shí)間的要求?？刹捎脝?V電源供電，輸出電壓值小于0.4V，故與微機(jī)接口時(shí)，需有后續(xù)電路放大脈沖信號(hào)。 圖4-6 測(cè)速原理框圖轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的硬件包括脈沖發(fā)生部分以及脈沖信號(hào)與微機(jī)的接口電路兩部分。脈沖的形成是基于霍爾效應(yīng)原理

42、。車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾元件輸出的脈沖信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比，由于圓盤(pán)上貼有60 塊（為了計(jì)算方便，選用60片小磁塊）磁塊，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)小磁片經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器便產(chǎn)生一個(gè)脈沖。車(chē)輪每轉(zhuǎn)一周，霍爾元件輸出60個(gè)脈沖。若轉(zhuǎn)速傳感器輸出頻率為，則汽車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)速為： 因此轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)頻率即為車(chē)輪每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。磁片選用SH30型，將60塊磁片粘貼于非磁性圓盤(pán)上，注意辨別每個(gè)磁片的N、S 極，(N 極貼向轉(zhuǎn)動(dòng)軸，S 極朝向霍爾傳感器)。其原理圖如下圖所示，其中SH30是粘貼于非磁性圓盤(pán)上的小磁片。 圖4-7 霍爾傳感器測(cè)速電路原理圖微機(jī)接口電路將傳感器輸出的微弱的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值為+5V的單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)

43、輸入信號(hào)。用LM311比較器實(shí)現(xiàn)。實(shí)際電路如圖4-7所示。R18、R21用于調(diào)整比較器的基準(zhǔn)電壓，設(shè)定為0.25V。當(dāng)傳感器的輸出電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出+5V的高電平，反之則輸出為0V的低電平。比較器上拉電阻的大小會(huì)影響輸出幅度，由500改為15k后，使輸出幅值增大。D2用作限幅保護(hù)。經(jīng)該電路輸出波形規(guī)則穩(wěn)定。測(cè)速算法由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。4.2.6 倍頻電路設(shè)計(jì)為了滿足對(duì)測(cè)速精度的更高要求，可將上述脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻后，再送到單片機(jī)處理。下圖為利用高速CMOS單片鎖相環(huán)電路芯片4046實(shí)現(xiàn)的二倍頻電路。原理圖如圖4-8所示。 圖4-8 倍頻電路原理圖4046由相位比較器和壓控振蕩器組成，外

44、接低通濾波器。相位比較器的輸出正比于輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位差。經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后的電壓作為壓控振蕩器的控制電壓。在的作用下，壓控振蕩器輸出的頻率發(fā)生相應(yīng)的變化，并反饋到相位比較器，構(gòu)成1個(gè)反饋系統(tǒng)，最終使得輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位之差趨于常數(shù)，頻率之差趨于零，鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，此時(shí)，與信號(hào)的頻率相等，相位差為常數(shù)。芯片4046的相位比較器和壓控振蕩器在片內(nèi)有相連，因而可以靈活使用。根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，在這兩個(gè)部件之間，插入1個(gè)分頻電路，就可以實(shí)現(xiàn)倍頻功能。若的頻率為，的頻率為，則鎖相環(huán)鎖定后，。觸發(fā)器74LS74實(shí)現(xiàn)2分頻器的功能。芯片4046內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的相位比較器，它

45、們有共同的信號(hào)輸入端AIN(14腳)和比較輸入端(反饋輸入)BIN(3腳)，但它們的輸出PC1(2腳)和PC2(13腳)是獨(dú)立的。只使用比較器2，將PC2與壓控振蕩器的控制電壓輸入端VCIN連接。CA(6腳)與CB(7腳)之間接壓控振蕩器的定時(shí)電容，R1(11腳)接壓控振蕩器的定時(shí)電阻到接地端。脈沖發(fā)生器的信號(hào)送給芯片4046根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，容易實(shí)現(xiàn)高于2倍頻的電路設(shè)計(jì)。也可以根據(jù)測(cè)量要求，追加一控制信號(hào)選擇對(duì)圖4-6輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻或不倍頻。4.2.7 顯示電路的設(shè)計(jì)LED顯示電路由數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)電路組成。將用到兩片數(shù)碼管顯示，一片顯示距離，一片顯示速度。數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示，由芯片MC

46、14499驅(qū)動(dòng)顯示。MC14499是一個(gè)CMOS LED譯碼驅(qū)動(dòng)器，片內(nèi)主要包括一個(gè)20位移位寄存器、一個(gè)鎖存器、一個(gè)多路輸出器，由多路輸出器輸出的BCD碼經(jīng)段譯碼器譯碼后，送到段驅(qū)動(dòng)器輸出(a、b、c、d、e、f、g)和小數(shù)點(diǎn)DP。另外，由片內(nèi)振蕩器經(jīng)過(guò)四分頻的信號(hào)，經(jīng)位譯碼后提供4個(gè)位控信號(hào)，經(jīng)位驅(qū)動(dòng)器至四位控制線(S1、S2、S3、S4)。由于MC14499片內(nèi)具有BCD譯碼器和串行接口，所以它幾乎可以與任何單片機(jī)接口相連。芯片主要控制信號(hào)為D：串行數(shù)據(jù)輸入端；a、b、c、d、e、f、g：七段顯示輸出；S1、S2、S3、S4：字位選擇端，用來(lái)產(chǎn)生LED選通信號(hào)；OSC：振蕩器外接電容端，

47、外接電容使片內(nèi)振蕩器產(chǎn)生200800Hz掃描信號(hào)以防LED顯示器閃爍；CLK：時(shí)鐘輸入端，用以提供串行接收的控制時(shí)鐘，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為250kHz；EN：使能端，為0時(shí)，MC14499允許接收串行數(shù)據(jù)輸入，為1時(shí)，片內(nèi)的移位寄存器將數(shù)據(jù)送入鎖存器中鎖存。MC14499管腳配置如圖4-9所示。圖4-9 MC14499芯片引腳圖MC14499的DI，CLK和EN連接，分別接P1.0，P1.1和 P1.2。其接口電路如圖4-9所示。顯示程序作為子程序，在AT89C2051的RAM區(qū)設(shè)置顯示緩沖區(qū)，調(diào)用顯示子程序前，將顯示數(shù)據(jù)(20位)以壓縮BCD碼存儲(chǔ)在顯示緩沖區(qū)中，并設(shè)置一個(gè)發(fā)送計(jì)數(shù)器T，計(jì)數(shù)長(zhǎng)度為

48、20，P1.1用軟件模擬出一個(gè)發(fā)送時(shí)鐘脈沖，每送一位前將其置1，送后再將其復(fù)位。圖4-10是距離顯示模塊，為了更精確的顯示距離，故采用了四位顯示。速度顯示模塊和距離顯示模塊原理基本相同，只是速度顯示中MC14499的DI，CLK和EN與AT89C2051的P1.3，P1.4和P1.5連接，原理圖略。 圖4-10 顯示原理圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)軟件原理及程序流程圖本裝置的控制軟件要完成系統(tǒng)的初始化，控制觸發(fā)脈沖信號(hào)的發(fā)射與接收，根據(jù)定時(shí)時(shí)間計(jì)算障礙物的距離，根據(jù)計(jì)數(shù)頻率計(jì)算汽車(chē)車(chē)速，判斷所測(cè)距離是否在車(chē)速所對(duì)應(yīng)的安全范圍內(nèi)，并根據(jù)計(jì)算和判斷結(jié)果產(chǎn)生BCD碼和相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)顯示

49、電路和發(fā)聲電路。實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的主流程圖如圖5-1所示。圖5-1 系統(tǒng)主程序流程圖5.2 各部分電路程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：測(cè)距部分程序設(shè)計(jì)、測(cè)速部分程序設(shè)計(jì)、報(bào)警部分程序設(shè)計(jì)、顯示部分程序設(shè)計(jì)組成。5.2.1 測(cè)距部分程序設(shè)計(jì)測(cè)距主程序流程圖如圖5-2。初始化檢測(cè)位置脈沖計(jì)時(shí)開(kāi)始盲區(qū)延時(shí)數(shù)據(jù)處理開(kāi)中斷檢測(cè)回波脈沖顯示NY停止計(jì)時(shí)圖5-2 測(cè)距主程序流程圖根據(jù)模塊設(shè)計(jì)的功能要求，測(cè)距系統(tǒng)需要有顯示數(shù)據(jù)的功能，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也正是據(jù)此而設(shè)計(jì)的；測(cè)距主程序作為整個(gè)程序的入口，可以配合系統(tǒng)主程序?qū)嵤┏暡y(cè)距的功能實(shí)現(xiàn)。     超聲波測(cè)距，最重要的就是發(fā)射的控制

50、及接收測(cè)量的時(shí)機(jī)的控制。而在本系統(tǒng)中，測(cè)距功能函數(shù)要和16Hz的中斷、P3.2外部中斷進(jìn)行配合測(cè)距的；下面分別給出三個(gè)流程圖。 開(kāi) 始超時(shí)出錯(cuò)處理返 回判斷上次測(cè)量是否超時(shí)啟動(dòng)一次新的測(cè)量NY 圖5-3 16Hz時(shí)基中斷流程圖 開(kāi) 始關(guān)外部中斷INT0，部分標(biāo)志清零讀取本次測(cè)量值存入緩存，并進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理返 回 圖5-4 P3.2外部中斷流程圖開(kāi) 始使16Hz時(shí)基中斷，以控制發(fā)射信號(hào)返 回當(dāng)次信號(hào)發(fā)射后是否超過(guò)4ms數(shù)據(jù)處理使INT0外部中斷等待檢測(cè)回波信號(hào)本次測(cè)距的四次測(cè)量是否結(jié)束NNY Y 圖5-5 超聲波發(fā)射控制流程圖在設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的40KHz是以14個(gè)脈沖的序列發(fā)射出去的

51、，也就是說(shuō)是以脈沖的形式進(jìn)行發(fā)射的。超聲波測(cè)距模塊中有40KHz方波的產(chǎn)生電路，所以在AT89C2051對(duì)發(fā)射的控制也就是對(duì)40KHz方波產(chǎn)生電路的使能控制；14個(gè)40KHz的脈沖序列的時(shí)間為350us，在程序是用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。    用戶每查詢一次距離，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)為要進(jìn)行四次的測(cè)量；這四次測(cè)量的間隔時(shí)間用16Hz的時(shí)基中斷來(lái)控制的。每一次測(cè)量，先發(fā)射14個(gè)40KHz脈沖，然后時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)發(fā)射時(shí)間過(guò)4ms時(shí)，才打開(kāi)外部中斷P3.2，等待回波反射到接收頭。發(fā)射后等待4ms是因?yàn)椋簤弘娛降碾娐晜鞲衅饕话愣紩?huì)存在余波干擾，而有部份聲波會(huì)沿電路板直接傳到接

52、收頭，經(jīng)接收電路的5000倍放大后，系統(tǒng)就有可能會(huì)把它誤認(rèn)為反射回來(lái)的回波信號(hào)。而指向性也是超聲波傳換能器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，指向性不好的換能器在狹小且復(fù)雜的環(huán)境是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的。所以，傳感器的特性決定了本系統(tǒng)的最小測(cè)距為：70cm。本文主要給出測(cè)距部分程序流圖，說(shuō)明編程思路，以及采用AT89C2051處理器的計(jì)時(shí)部分的程序。5.2.2 測(cè)速部分程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用兩個(gè)中斷子程序,外部中斷INT0（其功能是來(lái)一個(gè)脈沖就產(chǎn)生中斷,并調(diào)用除法子程序,計(jì)算轉(zhuǎn)速）及定時(shí)中斷T0。（計(jì)周期,定時(shí)器定時(shí)136s,并計(jì)數(shù)在一個(gè)脈沖內(nèi)有x個(gè)136s)其主程序框圖,如圖5-6所示。在此僅給出程序流程圖，詳細(xì)程序見(jiàn)

53、附錄。顯示位置初值計(jì)數(shù)器清零內(nèi)部RAM初始化中斷初始化中斷置初值顯示器初始化開(kāi)計(jì)時(shí)器中斷Out為0，不計(jì)數(shù)Out t為1，未將十進(jìn)制轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)為二進(jìn)制轉(zhuǎn)速若out t=0顯示位置初值低8位、高8位清0二進(jìn)制轉(zhuǎn)速低8位送p1口二進(jìn)制轉(zhuǎn)速高8位送p3口 等待中斷圖5-6 測(cè)速模塊程序流程圖5.2.3 報(bào)警電路部分程序設(shè)計(jì)報(bào) 警 器 的 軟 件 采用C語(yǔ)言編譯。系 統(tǒng) 聯(lián) 調(diào) 時(shí) 發(fā) 現(xiàn) ，當(dāng) 檢 測(cè) 環(huán) 境 比 較 復(fù) 雜 時(shí) ，檢 測(cè) 值 會(huì) 出 現(xiàn) 常 數(shù) 0或 隨 機(jī) 數(shù) 的 現(xiàn) 象 ，因 此 ，實(shí) 際 檢 測(cè) 并 不 是 以 一 次 檢 測(cè) 值 進(jìn) 行 計(jì) 算 的 ，而 是 將 本 次 檢 測(cè)

54、 值 與之 前 連 續(xù)9 次 的 檢 測(cè) 值（ 共10次 ）進(jìn) 行 比 較（ 取 平 均值 ），從 而 得 出 一 個(gè) 最 終 檢 測(cè) 結(jié) 果 ，再 計(jì) 算 出 距 離 ，根據(jù) 距 離 所 屬 的 范 圍 報(bào) 警 。檢 測(cè) 一 次 所 需 時(shí) 間 為50ms。初始化發(fā)射脈沖監(jiān)測(cè)處理器管腳是否低電平計(jì) 時(shí)計(jì)時(shí)是否超時(shí)報(bào) 警數(shù)據(jù)處理N Y N Y 圖5-7 報(bào)警模塊程序流程圖一 般 報(bào) 警 程 序 中 所 需 的 時(shí) 間 參 數(shù) 都 是 由 定 時(shí) 器通 過(guò) 硬 件 計(jì) 數(shù) 進(jìn) 行 中 斷 控 制 ，但 是 超 聲 波 檢 測(cè) 中 ，在發(fā) 射 信 號(hào) 期 間 不 允 許 中 斷 ，否 則 導(dǎo) 致

55、發(fā) 射 信 號(hào) 頻 率 不 精 確 ；同 時(shí) 在 檢 測(cè) 過(guò) 程 中 如 果 產(chǎn) 生 定 時(shí) 器 中 斷 ，也 會(huì) 給 計(jì) 數(shù) 帶 來(lái) 誤 差 。 因 此 ， 報(bào) 警 程 序 不 采 用 中 斷 方 式 ，而 是 將 檢 測(cè) 報(bào) 警 所 需 的 時(shí) 間 參 數(shù) 與 單 次 檢 測(cè) 時(shí) 間（50ms）結(jié) 合 起 來(lái) ，將 蜂 鳴 器 的 鳴 響 頻 率 和 LED的 閃 動(dòng) 頻 率 規(guī) 定 為500ms，即 檢 測(cè)10次 的 時(shí) 間 ，相關(guān)程序見(jiàn)附錄5.2.4 顯示部分程序設(shè)計(jì)。MC14499每次可接收的串行數(shù)據(jù)最多為20位，而AT89C2051單片機(jī)由于是8位機(jī)，每次送出的數(shù)據(jù)并非一定是20位

56、。當(dāng)AT89C2051單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)多于20位時(shí)，MC14499接收的將是最后20位數(shù)據(jù)，20位以前多余的數(shù)據(jù)在移位過(guò)程中被后來(lái)的數(shù)據(jù)擠出；當(dāng)AT89C2051單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)少于20位時(shí)，MC14499在接收移位過(guò)程中將保留一部分移位寄存器中原來(lái)的數(shù)據(jù)。 AT89C2051單片機(jī)每次發(fā)送完數(shù)據(jù)后，必須將MC14499使能端置位。這是因?yàn)镸C14499進(jìn)行譯碼輸出的并非是其移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，而是其鎖存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。將使能端置位有兩個(gè)作用：第一，禁止MC14499再接收外來(lái)數(shù)據(jù)；第二，將移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)送入鎖存器中，以提供譯碼輸出 6 總 結(jié)通過(guò)這個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)到了很多東西。這也是我大學(xué)以來(lái)第