倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)論文一稿(共32頁)

1、 - 32 -基于超聲波雷達(dá)的倒車防撞系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì) 第一章 緒論(xln)1.1 課題研究(ynji)的意義 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車已逐漸成為人們出行主要的交通工具。由于汽車的日益增多，人為原因而產(chǎn)生的碰撞摩擦問題也日益突出，其中很大一部分是倒車碰撞所引起的。因此，增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測(cè)障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為了研究熱點(diǎn)。 倒車?yán)走_(dá)全稱叫“倒車防撞雷達(dá)”，也叫“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者顯示器的顯示通告司機(jī)車后的狀況，解除了司機(jī)泊車和啟動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的麻煩，并幫助司機(jī)解決由視覺引起的缺陷，提高駕駛的安全性1。倒車?yán)走_(dá)的原理與普通雷達(dá)是

2、一樣的，都是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會(huì)與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開發(fā)的。由于倒車?yán)走_(dá)體積大小及實(shí)用性的限制，目前其主要功能僅為判斷障礙物與車的距離，并做出提示。司機(jī)在倒車時(shí)，啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由車尾保險(xiǎn)杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，再由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號(hào)，從而使倒車時(shí)不至于發(fā)生事故。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外在超聲波檢測(cè)領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)展速度很快。國內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。隨著測(cè)距技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)

3、超聲測(cè)距系統(tǒng)功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲測(cè)距系統(tǒng)會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲測(cè)距儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的2000A型超聲分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量儀器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機(jī)打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開發(fā)2。與國內(nèi)同類產(chǎn)

4、品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。1.3 課題研究(ynji)內(nèi)容本文介紹以AT89C51單片機(jī)為核心控制芯片，研制(ynzh)一種高性價(jià)比的倒車?yán)走_(dá)，由單片機(jī)控制，計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間，利用聲波在空氣中的傳輸速度，從而得到實(shí)測(cè)距離，再根據(jù)障礙物與車尾的距離遠(yuǎn)近情況發(fā)出警報(bào)。這種倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)系統(tǒng)成型后，經(jīng)過專業(yè)(zhuny)技術(shù)人員論證后可推向市場(chǎng)3。硬件電路設(shè)計(jì)主要包括： （1）單片機(jī)系統(tǒng)電路 （2）顯示(xinsh)電路 （3）超聲波發(fā)射(fsh)電路 （4）超聲波接受(jishu)電路 2軟件程序設(shè)計(jì)主要包括：主程序、超聲波發(fā)射

5、子程序、 超聲波接收中斷程序以及顯示子程序等； 3選擇器件、焊接電路及運(yùn)行調(diào)試主要包括： 超聲波發(fā)射 與接收調(diào)試、顯示調(diào)試及總體系統(tǒng)調(diào)試等。參考文獻(xiàn)1韓贊東.超聲定位技術(shù)在汽車安全預(yù)警中的應(yīng)用.測(cè)控技術(shù),20022馬義德.汽車防撞系統(tǒng)的研究J.交通管理,20043王懿川.基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng).上海計(jì)量測(cè)試，2011年第5期：P45P47第三章 超聲波傳感器測(cè)距報(bào)警(bo jng)基本原理2.1 設(shè)計(jì)(shj)的控制核心AT89C51單片機(jī)1 402 393 384 375 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 3111 30 12 2913 28 14 27 15

6、26 16 25 17 24 18 2319 2220 21 AT89C51是一種(y zhn)帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案，如圖2.1所示。 P1.0 VCC P1.1 P0.0(AD0) P1.2 P0.1(AD1) P1.

7、3 P0.2(AD2) P1.4 P0.3(AD3) P1.5 P0.4(AD4) P1.6 P0.5(AD5) P1.7 P0.6(AD6) RST P0.7(AD7) (RXD)P3.0 EA/APP (TXD)P3.1 ALE/PROG (INT0)P3.2 PSEN (INT1)P3.3 P2.7(A15) (T0)P3.4 P2.6(A14) (T1)P3.5 P2.5(A13) (WR)P3.6 P2.4(A12) (RD)P3.7 P2.3(A11) XTAL2 P2.2(A10) XTAL1 P2.1(A9) GND P2.0(A8) 圖2.1 AT89C51管腳圖 1）主要(

8、zhyo)特性：與MCS-51兼容(jin rn)4K字節(jié)(z ji)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2）管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序(chngx)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為(zuwi)原碼輸

9、入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻(dinz)的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器

10、或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些(yxi)特殊功能口，如下所示：P3口管腳備選(bi xun)功能：P3.0RXD（串行輸入(shr)口）P3.

11、1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期 的高電平時(shí)間。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3）振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通

12、過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4）芯片(xn pin)擦除： 整個(gè)PEROM陣列(zhn li)和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成(wn chng)。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直

13、到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 2.2 超聲波傳感器介紹 超聲波是一種頻率超過 20kHz 的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦苑瓷?、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。超聲傳感器是一種將其他(qt)形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要

14、有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3 靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體(jngt)和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料

15、可以制成超聲傳感器。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用(ciyng)雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生

16、同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 共振板 電極(dinj) 壓電晶片 圖 2.2壓電式超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)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工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1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(diny)，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶

17、片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率f0。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率(pnl)要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可以防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)

18、作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。2.3 超聲波傳感器的特性(txng)超聲波傳感器的基本(jbn)特性有頻率特性和指向特性。頻率特性,圖2.3是超聲波發(fā)射(fsh)傳感器的頻率特性曲線。發(fā)射靈敏度（dB） 圖2.3 超聲波傳感器頻率特性曲線(qxin) 其中(qzhng)，f040KHz為超聲發(fā)射(fsh)傳感器的中心頻率，在f0處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在f0兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率f0的交流電壓來激勵(lì)。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在f0處曲線最尖

19、銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，即在f0處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R也有很大關(guān)系，如果R很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。指向(zh xin)特性 實(shí)際(shj)的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓

20、是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。2.4 超聲波測(cè)距的原理(yunl)與實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應(yīng)用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)4。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為 C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(S)，即： 其中，t0就是所謂的渡越時(shí)間。超聲波發(fā)射超聲波接收 放大 鍵盤控制比較 單 片 機(jī)LED數(shù)碼管顯示樂丁 圖2.4倒車

21、雷達(dá)系統(tǒng)的基本框圖可以看出主要(zhyo)部分有： 1) 供應(yīng)電能的脈沖(michng)發(fā)生器（發(fā)射電路）； 2) 使接收和發(fā)射(fsh)隔離的開關(guān)部分； 3) 轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器； 4) 接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)的接收傳感器； 5) 接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備； 記錄/控制設(shè)備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。 在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測(cè)量中，常使用 40KH

22、z 的超聲波。目前超聲波測(cè)量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內(nèi)測(cè)量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。 距離測(cè)量系統(tǒng)常用的頻率范圍為 25KHz300KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號(hào)以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強(qiáng)大的發(fā)射信號(hào)；記錄/控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并

23、將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄5。參考文獻(xiàn)4 張謙琳.超聲波檢測(cè)原理和方法(fngf)M.北京：中國科技大學(xué)出版社，1993.105童詩白，華成英，模擬電子(dinz)技術(shù)基礎(chǔ)M,第三版.北京：高等教育出版，2001.1工作(gngzu)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)(xtng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 障 礙 物超聲波發(fā)送模塊超聲波接收模塊AT89C51單片機(jī)數(shù)碼管顯示模塊不同頻率報(bào)警穩(wěn)壓電源 圖 3.1 系統(tǒng)總體(zngt)結(jié)構(gòu)框圖 按照系統(tǒng)所需功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以劃分為三大主要模塊：測(cè)距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及顯示和語音報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如3.1所示，其中測(cè)距系統(tǒng)有超聲波發(fā)射、接收子系統(tǒng)構(gòu)成；控

24、制部分以AT89C51單片機(jī)為核心，其P2.0口輸出10us的觸發(fā)信號(hào)制超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生40KHz的超聲波，利用外部中斷監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)；顯示報(bào)警部分由顯示系統(tǒng)及語音系統(tǒng)構(gòu)成，其中顯示系統(tǒng)采用簡單實(shí)用的3位共陽8段數(shù)碼管。3.2 硬件(yn jin)設(shè)計(jì)3.2.1 電源(dinyun)電路本設(shè)計(jì)使用汽車尾燈的12V電源(dinyun)為系統(tǒng)供電，但本系統(tǒng)適用電壓為5V，需設(shè)計(jì)電源電路將其轉(zhuǎn)化為5V電壓，電源電路如圖3.2所示。 +5V Vm Q1 7805 VCC 1 3 R15 1k12V D1 + + D1 2W10 C7 C6 C5 C4 S1 100UF104 100

25、uF 104POWER-CT 2 SW-DPDT 圖3.2 電源電路圖三端穩(wěn)壓集成電路7805：用7805三端穩(wěn)壓器組成穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定，電壓大小為+5V，滿足單片機(jī)的工作電源需求，7805所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜6。 橋堆2W10：將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。整流橋堆是由四只整流硅芯片作橋式連接，外用絕緣朔料封裝而成，大功率整流橋在絕緣層外添加鋅金屬殼包封，增強(qiáng)散熱。整流橋品種多：有扁形、圓形、方形、板凳形（分直插與貼片）等，有GPP與O/J結(jié)構(gòu)(jigu)之分。最大整流電流從0.5A到100A，最高反向峰值電壓從50V到

26、1600V。3.2.2 時(shí)鐘(shzhng)電路單片機(jī)各種功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量影響單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘電路有兩種設(shè)計(jì)方式，一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。我采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，其電路圖 如圖3.3所示 C1 Cap2XTAL2 30pF Y1 XTALXTAL1 1 C2 12M Cap 30pF 圖 3.3 時(shí)鐘電路圖單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為單片機(jī)的XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳外部跨接石英振蕩器Y1和

27、微調(diào)電容C1和C2，構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。而電容的大小會(huì)影響振蕩的頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，因此對(duì)于電容選擇是很關(guān)鍵的，我們這次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路采用了所提供的33pF電容可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器電路7。3.2.3 復(fù)位(f wi)電路復(fù)位電路(dinl)是采用手動(dòng)按鍵電平來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位的。復(fù)位電平是通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的其復(fù)位電路圖如圖3.4所示。S0VCCSW-PB R3RSTRes110KC3Cap10uF 圖3.4 復(fù)位(f wi)電路圖常見的復(fù)位電路為上電復(fù)位電路，它能有效的實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)為高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)

28、振蕩周期以上才能完成復(fù)位操作。在復(fù)位電路通電瞬間，由于RC的充電過程，在RST端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持一定寬度，就能使單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位。以上的復(fù)位(f wi)電路在通電時(shí)，是通過10uF的電容充電，并在復(fù)位端口和地之間加10k歐電阻從而使復(fù)位端口能夠保持高電平，并有效保持復(fù)位按鍵按下后能夠準(zhǔn)確復(fù)位。3.2.4 超聲波測(cè)距模塊(m kui)HC-SR04本系統(tǒng)(xtng)超聲波測(cè)距模塊采用HC-SR04測(cè)距模塊?；竟ぷ髟恚?）采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，,加至少10us的高電平信號(hào)；2）模塊自動(dòng)發(fā)生8個(gè)40KHZ的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； 3）有信號(hào)返回，通過IO口ECH

29、O輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2.HC-SR04的外型及引腳如圖3.5所示，HC-SR04的性能參數(shù)和引腳定義分別如表3.1和表3.2所示。 圖3.5HC-SR04超聲波測(cè)距模塊(m kui)外形圖 表3.1 HC-SR04性能參數(shù)工作頻率 40MHz工作電壓DC5V工作電流 15mA最遠(yuǎn)射程4m最近射程 2cm測(cè)量角度 15度輸入出發(fā)信號(hào)10us的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)，與射程成正比規(guī)格尺寸 40*20*15mm(寬*長*厚) 表 3.2 HC-SR04 引腳定義(dngy)引腳 功能VCC 5

30、V電源GND 地線GNDTRIG 觸發(fā)控制信號(hào)輸入ECHO 回路信號(hào)輸出3.2.5 74HC573芯片(xn pin)74HC573是高性能硅門CMOS器件，為八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明(tumng)鎖存器。當(dāng)鎖存使能引腳LE為高時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步），當(dāng)鎖存使能引腳LE變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保存時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存8。74HC573芯片的引腳圖如圖3.8所示，功能表如表3.3所示。 表 3.3 74HC573功能表輸入D輸出使能鎖存使能輸出QHLHHLLHLXLL不變XHX高阻1 202 193 184 175 166 157 148 139 1210 11 OE V

31、CC D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 GNDLE 圖3.6 74HC573芯片(xn pin)引腳圖 3.2.6 數(shù)碼管顯示(xinsh)及報(bào)警電路設(shè)計(jì)LED是發(fā)光二極管的縮寫(suxi)。LED數(shù)碼管里面有8只發(fā)光二極管，分別記作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp為小數(shù)點(diǎn)，每一只發(fā)光二極管都有一根電極引到外部引腳上，而另外一只引腳就連接在一起同樣也引到外部引腳上，記作公共端（COM），其中引腳的排列因不同的廠商而有所不同。LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位。根據(jù)LED數(shù)碼管

32、的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式9兩類。1）靜態(tài)顯示(xinsh)驅(qū)動(dòng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)(y )段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)位解碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O口多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5840個(gè)I/O口來驅(qū)動(dòng)，要知道(zh do)一個(gè)51單片機(jī)可用的I/O口才32個(gè)。故實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加解碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。2）動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示界面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃“a、b、c、d、e、f、g、

33、dp”的同名端連在一起，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。透過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1ms2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣

34、的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。動(dòng)態(tài)掃描顯示方式在數(shù)碼管應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用得最為廣泛，這也是我在本設(shè)計(jì)中的顯示方法。共陽極與共陰極這兩種方法難度(nd)差不多，考慮到我自己對(duì)于共陽極的編程更熟悉，因此在該設(shè)計(jì)中我也采用(ciyng)數(shù)碼管共陽極的接法。至于(zhy)語音報(bào)警，則采用一個(gè)簡單的蜂鳴器，利用單片機(jī)產(chǎn)生方波來控制。根據(jù)所測(cè)距離的長短來決定該方波的頻率，即蜂鳴器的報(bào)警頻率。語音報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路分別如圖3.7和圖3.8所示。 VCC R1 Res1 300 NPN R2 Q4 Res1 FM LS1 1K Speaker 圖 3.7 語音報(bào)警電路圖 0 0 0 a b c

35、d e f g dp 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 Res1 Res1 Res1 Res1 Res1Res1 Res1 Res1 180 180 180 180 180 180 180 180 a b c d e f g dp Q2 Q3 Q4 NPN NPN NPN R4 R5 R6 Res1 Res1 Res1 we1 we2 we3 VCC 圖 3.8 數(shù)碼管顯示(xinsh)電路圖3.3 軟件設(shè)計(jì)主程序?qū)ο到y(tǒng)環(huán)境初始化后，首先置位回波接收標(biāo)志和由單片機(jī)P2.0口輸出一個(gè)高電平以啟動(dòng)超聲波發(fā)射電路，同

36、時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T0。然后調(diào)用計(jì)算距離(jl)子程序，根據(jù)定時(shí)器T0記錄的時(shí)間計(jì)算出待測(cè)距離。接著調(diào)用顯示子程序，將測(cè)出距離以十進(jìn)制BCD碼方式送LED顯示，同時(shí)也調(diào)用聲音處理程序，控制蜂鳴器的發(fā)聲。最后主程序通過回波信號(hào)的接收；若標(biāo)志位清零，說明接收到回波信號(hào)，則主程序返回到起始端重新置位回波接收標(biāo)志位和在P2.0上發(fā)送高電平，如此(rc)往下運(yùn)行，循環(huán)往復(fù)10。系統(tǒng)主流程圖如圖 3.9所示 開始系統(tǒng)初始化 超聲波發(fā)生器復(fù)位，發(fā)射超聲波 接收到回波后啟動(dòng)T0，開中斷 接收完回波后關(guān)中斷 計(jì)算距離 顯示距離及指示蜂鳴器動(dòng)作 延時(shí) 圖 3.9 系統(tǒng)(xtng)主流程圖 本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的核心技術(shù)在于距離

37、的測(cè)量，精確的測(cè)距后通過單片機(jī)來處理數(shù)據(jù)是比較容易(rngy)實(shí)現(xiàn)的。各種信號(hào)都將干擾到測(cè)距，其中余波信號(hào)的干擾嚴(yán)重影響到本設(shè)計(jì)中精確的測(cè)距。接收回路中的超聲波信號(hào)共有兩個(gè)波束，第一個(gè)波束為余波信號(hào)，即超聲波接收探頭在發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)后，馬上就接收到了超聲波信號(hào)。另一個(gè)波束為有效信號(hào)，即經(jīng)過被物體表面反射的回波信號(hào)。 超聲波在測(cè)距時(shí)，需要測(cè)的是從開始發(fā)射到接收到信號(hào)的聲波往返的時(shí)間差，需要檢測(cè)的有效信號(hào)為反射物體反射的回波(hu b)信號(hào)，故要盡量避免檢測(cè)到余波信號(hào)11。所謂余波就是在剛發(fā)射超聲波時(shí)直接到達(dá)接受探頭的直達(dá)波，它是超聲波檢測(cè)中存在測(cè)量盲區(qū)的主要(zhyo)原因。 超聲波接收電路收

38、到回波后，比較器動(dòng)作，發(fā)出有效信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過外部中斷引腳感受回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，中斷發(fā)生后表示已接收到回波信號(hào)，此時(shí)停止計(jì)時(shí)，并讀取計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)值即為需要測(cè)量的時(shí)間差的數(shù)據(jù)。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，所以發(fā)射點(diǎn)距障礙物之間的距離為：S=340*t/2=170t由于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上是對(duì)機(jī)器周期T機(jī)的計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率fosc取12MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值N，則T=12/fosc=1ust=NT=N*10-6(m)S=170*N*T=170*N/10-6(m) 程序中對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)的處理方法是：距離按式進(jìn)行計(jì)算，其中，為計(jì)數(shù)器的值，此時(shí)聲速取為340m/s。在

39、系統(tǒng)初始化的過程中，主要是設(shè)定定時(shí)器0的工作方式，同時(shí)還要打開總中斷等。當(dāng)P2.0發(fā)出一個(gè)時(shí)長為10us的高電平，便可啟動(dòng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生40KHZ超聲波，同時(shí)打開定時(shí)器進(jìn)行及時(shí)。當(dāng)超聲波接收到回波信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平給INT0，之后進(jìn)入中斷處理程序。在主程序中又會(huì)恢復(fù)定時(shí)器的初值等，依次進(jìn)行循環(huán)。部分(b fen)源程序見附錄A。參考文獻(xiàn)6趙晶.電路設(shè)計(jì)與制版(zh bn)PROTEL99高級(jí)應(yīng)用(yngyng)M.北京:人民郵電出版社，2000，1-4057沈小豐.電子技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)M.清華大學(xué)出版社，2005.09，1301418沈紅衛(wèi).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析M.北京航空航天大學(xué)

40、出版社，2001（7）：2983129張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2001.39740710涂時(shí)亮.單片微機(jī)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)M.重慶:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，2003.7211邦田.電子電路實(shí)用抗干擾技術(shù)M.北京：人民郵電出版社，1994.34第四章 總結(jié)(zngji) 經(jīng)過查閱各種文檔資料，終于完成了超聲波倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保證(bozhng)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(jī)計(jì)算測(cè)量車與障礙物之間的往返時(shí)間然后再計(jì)算出車與障礙物的距離，并加入了軟件補(bǔ)償，提高了距離計(jì)算的精度，然后顯示在LED數(shù)碼管上，當(dāng)在探測(cè)的范圍有障礙物時(shí)，蜂鳴器提示報(bào)警，距離越近蜂鳴器的報(bào)警頻率也越大，當(dāng)距離小于最小安全距離時(shí)，蜂鳴器不間斷報(bào)警12。實(shí)際測(cè)試證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足一般(ybn)近距離測(cè)距要求，且成本低、有良好的性價(jià)比。該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定的時(shí)間，測(cè)得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中誤差為1cm可忽略不計(jì)，此電路具有設(shè)計(jì)簡單，價(jià)格便宜，測(cè)量精度比較高的優(yōu)點(diǎn)，將來可以向市場(chǎng)推廣。 參考文獻(xiàn)