汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計模板

汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計資料內(nèi)容僅供參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系本人改正或者刪除。摘要伴隨著中國汽車行業(yè)的高速發(fā)展,特別是近幾年來,開始進(jìn)入私家車時代,汽車的數(shù)量正在逐步增加,造成交通越來越擁擠。駕駛員開始越來越擔(dān)心行車安全,其中倒車最為典型。同時汽車駕駛員中非職業(yè)汽車駕駛員的比例也在逐年增加。在公路、街道、停車場、車庫等擁擠狹窄的地方倒車時,駕駛員既要前瞻,又要后顧,稍微不小心就會發(fā)生追尾事件。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計調(diào)查表明:七分之一的汽車碰撞事故是因汽車倒車時汽車的后視能力不足造成的。本文設(shè)計的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)就是針對汽車倒車時人無法目測車尾與障礙物的距離而設(shè)計的距離顯示系統(tǒng)。本系統(tǒng)是將微計算機技術(shù)與超聲波的測距技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)等相結(jié)合,能夠檢測到汽車倒車時障礙物與車尾的距離,經(jīng)過液晶顯示屏顯示距離,并根據(jù)實際距離發(fā)出報警等級。駕駛員只要在駕駛室里就能做到心中有數(shù),極大的提高了停車和倒車時的安全和效率。本設(shè)計主要由超聲波發(fā)射、接收電路、單片機處理模塊、LED數(shù)碼顯示以及聲光報警等部分組成,在論文中主要介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分,其次就是對超聲波測距的原理及方法也做了較為詳細(xì)的介紹。論文首先描述本設(shè)計的整體思路,然后介紹各個部分設(shè)計中的細(xì)節(jié)問題。最終實現(xiàn)了能夠探測車后0.35~1.5M內(nèi)的障礙物的要求。關(guān)鍵詞:超聲波倒車?yán)走_(dá)距離顯示單片機目錄1緒論 11.1倒車?yán)走_(dá)的產(chǎn)生背景 11.2設(shè)計的意義及要求 11.3倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展史 21.4論文的結(jié)構(gòu)組成 32倒車?yán)走_(dá)的總體設(shè)計方案 42.1超聲波測距 42.1 42.測與控方法 52.1.3理計算 52.4量盲區(qū) 62.2超聲波傳感器 621超波傳器原及結(jié)構(gòu) 62.2聲波感器應(yīng)用 73硬件設(shè)計 83.1超聲發(fā)射電路 83.1聲波收電路 93.1.2超聲波報警電路 103.2超聲波顯示及控制部分電路 103.2.1對AT89C51的描述及其功能特性 103.2A91片機原理工作點 113.2.3單片機實現(xiàn)測距原理 123.2.4穩(wěn)壓電源電路 123.2.5顯示電路原理 133.2.6溫度測量電路 144軟件設(shè)計 164.1軟件設(shè)計的要求 174.2超聲波測距的算法設(shè)計 174.3主程序 184.4超聲波發(fā)送及接收中斷程序 194.5顯示子程序和報警子程序 204.6報警刷新程序 21總結(jié) 23致謝 24參考文獻(xiàn) 25附錄1:系統(tǒng)總電路 26附錄2:部分程序 271緒論隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展,汽車這一交通工具正在為越來越多的人所使用,可是隨之而來的問題也顯而易見,那就是隨著車輛的增多,交通事故的頻繁發(fā)生,由此導(dǎo)致的人員傷亡和財產(chǎn)損失數(shù)目驚人。對于公路交通事故的分析表明,八成以上的車禍?zhǔn)掠捎隈{駛員反應(yīng)不及所引起的,超過六成的車輛相撞屬于追尾相撞,其余則屬于側(cè)面相撞。奔馳汽車公司對各類交通事故的研究表明:若駕駛員能夠提早一秒意識到有事故危險并采取相應(yīng)的正確措施,則絕大多數(shù)的交通事故都能夠避免。因此,大力研究開發(fā)如汽車防撞裝置等主動式汽車輔助安全裝置,減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯誤,對于提高交通安全將起到重要的作用。顯然,此類產(chǎn)品的研究開發(fā)具有極大的實現(xiàn)意義和廣闊的應(yīng)用前景。1.1倒車?yán)走_(dá)的產(chǎn)生背景倒車?yán)走_(dá)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線模糊的缺陷提高了安全性。超聲波測距由于其能夠進(jìn)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。就當(dāng)前形勢來看,汽車市場的快速發(fā)展將帶動倒車?yán)走_(dá)市場的繁榮。國內(nèi)倒車?yán)走_(dá)主流市場已經(jīng)開始有進(jìn)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?yán)走_(dá)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(xiàn)。1.2設(shè)計的意義及要求隨著汽車的迅速增加停車難已經(jīng)是不爭的事實狹小的停車場地常常令有車一族無所適從稍不慎則闖禍很不方便雖然每輛車都有后視鏡但不可避免的都存在一個后視盲區(qū)。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車或倒車時的安全輔助裝置能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員駕駛車輛周圍障礙物的情況解除了駕駛員倒車時前后左右探視所引起的困擾并幫助駕駛員掃除了使用死和視線模糊的缺陷提高駕駛的安全性倒車?yán)走_(dá)的廣泛使用是迫在眉睫的,是當(dāng)今汽車必不可少的設(shè)備。1.3倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展史一般,倒車?yán)走_(dá)由超聲波傳感器(俗稱探頭)、控制器和顯示器(或蜂鳴器)等部分組成。倒車?yán)走_(dá)一般采用超聲波測距原理,在控制器的控制下,由傳感器發(fā)射超聲波信號,當(dāng)遇到障礙物時,產(chǎn)生回波信號,傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進(jìn)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)出其它警示信號,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。在幾年的時間里,隨著技術(shù)發(fā)展和用戶需求的變化,倒車?yán)走_(dá)經(jīng)過了大致六代的發(fā)展。

第一代:倒車時經(jīng)過喇叭提醒?！钡管囌堊⒁狻?想必不少人還記得這種聲音,這就是倒車?yán)走_(dá)的第一代產(chǎn)品,現(xiàn)在只有小部分商用車還在使用。只要司機掛上倒檔,它就會響起,提醒周圍的人注意。從某種意義上說,它對司機并沒有直接的幫助,不是真正的倒車?yán)走_(dá)。價格便宜,基本屬于淘汰產(chǎn)品。

第二代:采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。倒車時,如果車后1.8米-1.5米處有障礙物,蜂鳴器就會開始工作。蜂鳴聲越急,表示車輛離障礙物越近。但沒有語音提示,也沒有距離顯示,雖然司機知道有障礙物,但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn),對駕駛員幫助不大。

第三代:數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離范圍。這代產(chǎn)品比第二代進(jìn)步很多,能夠顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體,在1.8米開始顯示;如果是人,在0.9米左右的距離開始顯示。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式,數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字,而波段顯示產(chǎn)品由三種顏色來區(qū)別:綠色代表安全距離,;黃色代表警告距離,;紅色代表危險距離,必須停止倒車。第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起,但比較實用,但安裝在車內(nèi)不太美觀。

第四代:液晶熒屏動態(tài)顯示。這一代產(chǎn)品有一個質(zhì)的飛躍,特別是屏幕顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔,只要發(fā)動汽車,顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離,色彩清晰漂亮,外表美觀,能夠直接粘貼在儀表盤上,安裝很方便。不過液晶顯示器外觀雖精巧,但靈敏度較高,抗干擾能力不強,因此誤報也較多。

第五代:魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點,采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù),配以高速電腦控制,可全天候準(zhǔn)確地測知2米以內(nèi)的障礙物,并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)能夠把后視鏡、倒車?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項功能整合在一起,并設(shè)計了語音功能。因為其外形就是一塊倒車鏡,因此能夠不占用車內(nèi)空間,直接安裝在車內(nèi)后視鏡的位置。而且顏色款式多樣,能夠按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配。

第六代:整合影音系統(tǒng)。它在第五代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上新增了很多功能,屬于第六代產(chǎn)品,是專門為高檔轎車生產(chǎn)的。從外觀上來看,這套系統(tǒng)比第五代產(chǎn)品更為精致典雅;從功能上來看,它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外,還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng),能夠在顯示器上觀看DVD影像。

當(dāng)前市場上倒車?yán)走_(dá)品牌多達(dá)二十幾種,價格從上百元到一兩千元不等,選購倒車?yán)走_(dá)能夠從如下方面考慮:功能、性能、外觀、質(zhì)量、安裝、價格等。1.4論文的結(jié)構(gòu)組成該論文主要包括倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生的背景、總體方案、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計四個大部分。第一部分對倒車?yán)走_(dá)的產(chǎn)生背景,設(shè)計的意義和其發(fā)展史做了簡單敘述。第二部分主要介紹了超聲波測距的原理和超聲波傳感器。第三部分也是該設(shè)計的核心部分,對硬件系統(tǒng)中的每一部分都做了較為詳細(xì)的介紹。第四部分則為軟件設(shè)計環(huán)節(jié),主要說明了產(chǎn)品內(nèi)部的一些應(yīng)用程序。2倒車?yán)走_(dá)的總體設(shè)計方案LED數(shù)碼顯示管LED數(shù)碼顯示管單片機比較電壓放大超聲波接收超聲波發(fā)射圖2-1倒車?yán)走_(dá)總圖如上圖2-1所示為超聲波為超聲波倒車?yán)走_(dá)的總體設(shè)計方案,當(dāng)超聲波接收電路接收到距離信號時,又經(jīng)過運算放大器轉(zhuǎn)化為直流電壓信號與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,當(dāng)信號電壓大于基準(zhǔn)電壓時,比較器輸出正脈沖,傳給單片機,將距離數(shù)字顯示在LED數(shù)碼顯示管上,電壓信號再轉(zhuǎn)化為聲音信號經(jīng)過超聲波發(fā)射電路以聲音的形式發(fā)射,提醒駕駛員。2.1超聲波測距2.1經(jīng)過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波,根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就能夠知道距離了。這與雷達(dá)測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,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立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就能夠計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2)即為超聲波測距的具體流程圖。圖2-2超聲波測距流程圖2.1.2測量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)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(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間能夠測量得到從聲波到目標(biāo)的距離就能夠精確地計算出來。就是本系統(tǒng)的測量原理。由于此超聲波測距儀能夠?qū)崿F(xiàn)雙向測距因此需進(jìn)行測距選擇而這個測距選擇就以自動選擇功能來實.2.1.3T2T1T2T1圖2-3測距的原理如圖2-3所示為反射時是利用檢測聲波發(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(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù),我們經(jīng)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為回波時間能夠計算出路程,這種方法不受聲波強度的影響,直接耦合信號的影響也能夠經(jīng)過設(shè)置”時間門”來加以克服。這樣能夠求出距離:555時基電路振蕩產(chǎn)生40Hz的超聲波信號。其振蕩頻率計算公式如下:2.1.4測量盲區(qū)在以傳感器脈反射方式工作的情況下電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進(jìn)入接收部分此時在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低甚至沒有放大作用這種現(xiàn)象稱為阻塞不同的檢測儀阻塞程度不一樣根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價會使結(jié)果偏低,有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物,這時需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬帶,加上放大器有阻塞問題,在靠近發(fā)射脈一段時間范圍內(nèi)所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)這段距離,稱為盲區(qū),具體分析如下:當(dāng)發(fā)射超聲波時發(fā)射信號雖然只維持一個極短的時間但停止施加發(fā)射信號后,探頭上還存在一定余振(由于機械慣性作用。因此,在一段較長的時間內(nèi)加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定的幅值高度能夠達(dá)到限幅電路的限電平另一方面接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小即使是離探頭較近的表面反射回來的信號也達(dá)不到限幅電路的限幅電平當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長其幅值也愈來愈小在超聲波檢測接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值V亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號放大器有輸入信號。2.2超聲波傳感器21超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波,由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的,它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉(zhuǎn)變成電能,因此它能夠分成發(fā)送器或接收器。超聲波傳感器包括三個部分:超聲換能器、處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵,其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)(相當(dāng)于一個麥克風(fēng)),處理單元對接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析,判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測量超聲波的行程時間,根據(jù)測量的時間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準(zhǔn)被測物變化方向發(fā)射超聲波,就可測量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器內(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防止外界力量對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)作用的但不影響發(fā)射與接收超聲波2.2超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波,由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的,它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本事很大,特別是在陽光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

3硬件設(shè)計超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計有超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路電源電路溫度補償電路、聲報警電路單片機硬件接口電路及顯示報警電路組成該系統(tǒng)的核心部分為性能較好的89C51單片機。3.1超聲波發(fā)射電路本設(shè)計是利用超聲波專業(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。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:電路圖如圖3-1所示。發(fā)射電路主要由SN74LS00的兩個與非門A、B與電阻、電容組成的多諧振蕩器,調(diào)節(jié)RC選頻網(wǎng)絡(luò)的電位器RP1可調(diào)節(jié)諧振頻率。單片機的P2.4端口控制多諧振蕩器的起振,當(dāng)P2.4輸出高電平時,電路振蕩,發(fā)射由震蕩電路產(chǎn)生的40kHz超聲波,同時單片機的定時器/計數(shù)器開始計時;當(dāng)P2.4輸出低電平時,電路停止發(fā)射超聲波信號。圖3-1超聲波發(fā)射電路3.1圖3-2所示為超聲波的接收電路。電路由LM324的三個運算放大器A、B、C組成信號放大電路。電感L1和電容C9組成選頻電路,濾除40kHz以外的干擾信號。二極管VD2和電容C12組成信號半波整流濾波電路,將接收到40kHz反射波交流信號轉(zhuǎn)化為近似的直流電壓信號。運算放大器D為電壓比較器,40kHz反射波交流信號轉(zhuǎn)化的近似直流電壓信號與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓比較,當(dāng)信號電壓大于基準(zhǔn)電壓時,比較器輸出正脈沖,三極管VT1導(dǎo)通,單片機并行口P1.0接收負(fù)脈沖信號,同時定時器、計數(shù)器產(chǎn)生定時中斷,記錄發(fā)射信號與接收信號的時間間隔,并轉(zhuǎn)換為距離。 圖3-2超聲波檢測接收電路圖3.1.2圖3-3所示為超聲波報警電路,封裝為SN74LS00的兩個與非門C、D組成的多諧振蕩器,輸出諧振頻率約為800Hz的信號,經(jīng)集成功率放大器LM386放大后,驅(qū)動揚聲器發(fā)出嘟聲作為報警。P2.5控制多諧振蕩器振蕩,高電平時起振,低電平時停振。單片機根據(jù)距離遠(yuǎn)近控制P2.5輸出方波的頻率,即控制嘟聲的間隙時間,發(fā)出不同的報警音。距離越近,報警音越急。

圖3-3超聲波聲光報警電路3.2超聲波顯示及控制部分電路3.2.1AT89C51是一個低電壓,高性能CMOS8位單片機帶有4K字節(jié)的可重復(fù)擦寫的程序存儲器(PENROM)。和128字節(jié)的存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),這種器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丟失存儲技術(shù)生產(chǎn),而且能夠與MCS-51系列的單片機兼容。片內(nèi)含有8位中央處理器和閃爍存儲單元,有較強的功能的AT89C51單片機能夠被應(yīng)用到控制領(lǐng)域中。AT89C51提供以下的功能標(biāo)準(zhǔn):4K字節(jié)閃爍存儲器,128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器,32個I/O口,2個16位定時/計數(shù)器,1個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu),1個串行通信口,片內(nèi)震蕩器和時鐘電路。另外,AT89C51還能夠進(jìn)行0HZ的靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件的節(jié)電模式。閑散方式停止中央處理器的工作,能夠允許隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存隨機存取數(shù)據(jù)存儲器中的內(nèi)容,但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個復(fù)位。3.25l系列單片機中典型芯(89C51采用40引腳雙列直插封(P形式,內(nèi)部由CP4kB的O256B的R2個16b的定時／計數(shù)器0和1,4個8b的O端:P0,P1,P2,P3,一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的Fsh可編程、可擦除只讀存儲(~PO,使其在實際中有著十分廣泛的用途在便攜式省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖3-4所示。圖3-4AT89C51單片機結(jié)構(gòu)及引腳圖5l系列單片機提供以下功能:4kB存儲器;256BRAM;32條I/O線;2個16b定時／計數(shù)器;5個2級中斷源;1個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式:CPU停止工作,而讓RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式:保存RAM的內(nèi)容,振蕩器停振,禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用她的片內(nèi)資源,即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。3.2.3單片機實現(xiàn)測距原理單片機發(fā)出超聲波測距是經(jīng)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tr,然后求出距離S＝Ct/2,式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素:超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差,可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。由于超聲波屬于聲波范圍,其波速C與溫度有關(guān)。3.2.4穩(wěn)壓電源電路在各種電子設(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(fù)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3-5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(fù)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(fù)載變化時,經(jīng)過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。20V交流電經(jīng)過電源變壓器變換成交流低壓電源,再經(jīng)過橋式整流電路D1~D4和濾波電容的整理和濾波,在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和電容濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直接輸出電壓。如3-7所示的電路為輸出電壓為+5V、輸出的電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器,橋式整流電路D1~D4,濾波電容C7、C8,防止自激電容C15、C16和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)組成。圖3-5電源電路3.2.5顯示電路原理超聲波測距儀顯示模塊電路如圖3-6所示。經(jīng)過單片機的25、26、27、28四個管腳的信號控制四個三極管的B極,利用三極管的開關(guān)特性,實現(xiàn)數(shù)碼管的點亮,從而實現(xiàn)動態(tài)顯示。采用LED動態(tài)顯示,數(shù)據(jù)經(jīng)過PIC芯片的計算后傳到LED上,顯示精度是厘米。單片機AT89C51采用12MHz高精度的晶振,以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率,減少測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40KHz方波信號,利用外中斷0口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數(shù)碼管用于顯示車尾障礙物的距離,由單片機P0.0—P0.7接LED的a~dp八個筆段,經(jīng)過軟件以動態(tài)掃描方式顯示。段碼用74LS244驅(qū)動。圖3-6單片機及顯示系統(tǒng)電路圖3.2.6溫度測量電路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)經(jīng)過溫度補償對超聲波的傳播速度進(jìn)行校正,以提高測量精度,減小誤差。當(dāng)前,大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在檢測溫度時,都采用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量,經(jīng)信號放大電路放大到適當(dāng)?shù)姆秶?再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來完成。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)試繁雜,精度易受元器件參數(shù)的影響。為此,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,而且可根據(jù)實際要求,經(jīng)過簡單的編程,實現(xiàn)9～12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～+125℃,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。它經(jīng)過輸出9位(二進(jìn)制)數(shù)字來直接表示所測量的溫度值,溫度值是經(jīng)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)換指令都是經(jīng)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(dāng)?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。其電路連接如圖3-7溫度測量電路所示。圖3-7溫度測量電路4軟件設(shè)計超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、INT0超聲波接收中斷程序、顯示子程序、報警程序及報警刷新程序六個主要模塊組成。軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1系統(tǒng)各功能模塊系統(tǒng)各功能模塊系統(tǒng)初始化程序數(shù)碼管顯示模塊發(fā)射接收控制模塊運算結(jié)果處理模塊聲光報警模塊圖4-1系統(tǒng)模塊框圖(1)系統(tǒng)初始化模塊:即系統(tǒng)剛上電的時候?qū)ο到y(tǒng)的各個引腳的電平分配和對各寄存器的初值賦值。(2)數(shù)碼管顯示模塊:經(jīng)過該模塊的設(shè)計能夠讓所測得的距離顯示在數(shù)碼管上。(3)發(fā)射接收控制模塊:發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲脈沖啟動定時器工作,同時啟動接收電路工作,當(dāng)接收電路有信號輸入時,對輸入信號進(jìn)行處理。(4)運算結(jié)果處理模塊:運算結(jié)果處理模塊將多次所測得時間進(jìn)行處理,進(jìn)行軟件取大值工作,根據(jù)公式計算出距離,然后再對計算得出的結(jié)果進(jìn)行修正處理,數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼顯示模塊。(5)聲光報警模塊:當(dāng)所測距離小于一定值時,經(jīng)過聲光報警來提醒駕駛員。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法,匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運行的時間,而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算(計算距離時),又要求精細(xì)計算程序運行時間(超聲波測距時),因此控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。

主程序除了完成定時器T0、中斷源TNT0初始化外,主要實現(xiàn)超聲波的巡回發(fā)射(調(diào)用超聲波發(fā)射程序)和距離的動態(tài)掃描顯示;INT0中斷服務(wù)程序計算車尾距離障礙物的距離數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)一方面交由主程序顯示,另一方面與設(shè)定值(比如1m)進(jìn)行比較,如小于1.5m,接蜂鳴器報警,否則關(guān)閉報警;如果車尾距離障礙物的距離較遠(yuǎn),超聲波往返時間就會超過了定時器T一次性最長的定時時間,則T0發(fā)生溢出而中斷,這時進(jìn)行距離計算,并顯示”O(jiān)FF”,以示車后無障礙物,可放心倒車。4.1軟件設(shè)計的要求本系統(tǒng)的設(shè)計要求是利用超聲波測距原理設(shè)計一個車用的倒車?yán)走_(dá)。要求經(jīng)過設(shè)計能夠測出并顯示車與障礙物的距離,并能在距離小于1m的時候根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行聲光報警。4.2超聲波測距的算法設(shè)計超聲波測距的原理:經(jīng)過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波,根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就能夠知道距離了。這與雷達(dá)測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,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立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就能夠計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2)在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0,利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時,接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變,在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號,單片機響應(yīng)外部中斷請求,執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序,讀取時間差,計算距離。在使用時,如果溫度變化不大,則能夠認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高,則應(yīng)經(jīng)過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＦ洳糠衷闯绦蛉缦?RECEIVE0:PUSHPSWPUSHACCCLREX0//關(guān)外部中斷0MOVR7,TH0//讀取時間值MOVR6,TL0CLRCMOVA,R6SUBBA,#0BBH//計算時間差MOV31H,A//存儲結(jié)果MOVA,R7SUBBA,#3CHMOV30H,ASETBEX0//開外部中斷0POPACCPOPPSWRETI4.3主程序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。工作時,微處理器AT89C51先把p1.0置0,啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波,同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后1.4毫秒才能夠檢測,這樣就能夠抑制輸出的干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號馬上返回,微處理器不停的掃描int0引腳,如果int0接收的信號有高電平變?yōu)榈碗娖?此時表明信號已經(jīng)返回,微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就能夠得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。然后再根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行聲光報警。下圖4-2為主程序流程框圖; 圖4-2主程序流程框圖4.4超聲波發(fā)送及接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是經(jīng)過P1.1端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號(頻率約40kHz的方波),脈沖寬度為12μs左右,同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。主程序利用為中斷0檢測返回超聲波信號,一旦接收到返回超聲波信號(INT0引腳出現(xiàn)低電平),立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時,并將測距成功標(biāo)志字賦值1即X=1。如果當(dāng)計時器溢出是還未檢測到超聲波返回信號,則定時器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,及X=2以表示此次測距失敗。超聲波發(fā)射程序比較簡單,主要包括T0中斷服務(wù)程序和超聲波接收中斷服務(wù)程序。圖4-3T0中斷子程序圖4-4超聲波接收中斷子程序4.5顯示子程序和報警子程序先進(jìn)行動態(tài)顯示初始化將指針指向緩沖區(qū)首地址,然后去顯示位指針,取要顯示的數(shù),再將數(shù)變成段碼,然后將段碼送段控制器,位碼送位控制器,在延時,然后判斷是否是最后一位,是否顯示完畢,沒有的話修改該緩沖區(qū)指針和位碼,直到顯示完畢。顯示及報警子程序框圖:報警子程序外部中斷入報警子程序外部中斷入修正段碼指針位選左移一位顯示完畢查表送段碼開位選初始化修正段碼指針位選左移一位顯示完畢查表送段碼開位選初始化取測量值取測量值LED顯示LED顯示距離小于1.5m距離小于1.5m Y N報警返回N報警返回 圖4-6報警子程序框圖Y返回返回圖4-5顯示子程序框圖4.6報警刷新程序在本設(shè)計中,使用單片機的三個端口控制三個發(fā)光二極管作為顯示,每一個LED對應(yīng)一個超聲波測距模組,當(dāng)探測到0.35~1.5M的范圍內(nèi)沒有障礙物時,對應(yīng)的LED是長滅的;當(dāng)探測到0.35~1.5M范圍內(nèi)有障礙物時,對應(yīng)的LED則以一定頻率閃爍,而且距離越近則閃爍的頻率越高。系統(tǒng)以1HZ中斷對顯示進(jìn)行掃描,并設(shè)置有三個變量保存對應(yīng)傳感器模組的頻率設(shè)置數(shù)據(jù),即Show-Freq-Set(0)、Show-Freq-Set(1)、Show-Freq-Set(2)。當(dāng)頻率設(shè)置數(shù)據(jù)為0時,系統(tǒng)則不對應(yīng)的LED進(jìn)行顯示翻轉(zhuǎn),則對應(yīng)的LED不會閃爍;另外,系統(tǒng)還定義有三個變量(Show-Counter-1HZ(x),x=0~2)作為1KHZ的計數(shù)器,對應(yīng)三個LED,而當(dāng)頻率設(shè)置數(shù)據(jù)不為0時,計數(shù)器會不斷地計數(shù)(以1KHZ),當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)值累加到與頻率設(shè)置數(shù)據(jù)一樣時,則會使對應(yīng)的LED顯示狀態(tài)進(jìn)行輸出翻轉(zhuǎn),并對計數(shù)器進(jìn)行清零,周而復(fù)始。由此可知,當(dāng)頻率設(shè)置數(shù)據(jù)非零時,該數(shù)據(jù)越小,則對應(yīng)的LED閃爍頻率越高。開始Show-Freq-Set(0)開始Show-Freq-Set(0)=0?Show-Counter-1HZ(0),x=0Show-Counter-1HZ(x0)Show-Freq-Set(0)對應(yīng)端口狀態(tài)翻轉(zhuǎn)Show-Counter-1HZ(0)=0結(jié)束NY圖4-7報警刷新程序框圖總結(jié)本文所設(shè)計的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保證汽車安全的輔助系統(tǒng)經(jīng)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LD數(shù)碼管上當(dāng)在探測的范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(dāng)距離小于最小安全距離時蜂鳴器不間斷報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?yán)走_(dá)應(yīng)用中誤差為1cm可忽略不計,由于此電路具有設(shè)計簡單,價格便宜,測量精度比較高的優(yōu)點。超聲波測距是一種非接觸測距,在很多應(yīng)用場合有其它方式不可比擬的優(yōu)越性。本文在研究超聲波測距原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套基于AT89C51單片機的低成本、高精度超聲波汽車倒車探測器。本設(shè)計雖然做了很多改進(jìn)和創(chuàng)新,可是還是存在一些問題。比如很難消除惡劣天氣及復(fù)雜路況的影響。解決這樣的問題就需要采用多傳感器融合技術(shù)。經(jīng)過老師的幫助和借鑒經(jīng)驗人士的思想和電路以及自己的創(chuàng)新順利設(shè)計出能夠滿足設(shè)計要求的超聲波汽車倒車探測器。。軟件設(shè)計中采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法,結(jié)構(gòu)簡潔。較好的完成此次設(shè)計任務(wù)。致謝本論文的順利完成首先我要感謝我的指導(dǎo)老師李想老師在畢業(yè)設(shè)計中對我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求。在我畢業(yè)論文寫作期間,李老師給我提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo),沒有李老師的幫助,我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計,借此機會,向您表示由衷的感謝!其次,我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)們。在畢業(yè)設(shè)計的短短一個多月的時間里,你們給我提出很多寶貴的意見,給了我不少幫助還有工作上的支持,在此也真誠的謝謝你們。同時,我還要感謝我的寢室同學(xué)和身邊的朋友,正是在這樣一個團(tuán)結(jié)友愛,相互促進(jìn)的環(huán)境中,在和她們的相互幫助和啟發(fā)中,才使我的畢業(yè)設(shè)計圓滿完成。最后我要深深地感謝我的家人,正是她們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人,在生活和學(xué)習(xí)上給予我無盡的愛、理解和支持,才使我時刻充滿信心和勇氣,克服成長路上的種種困難,順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。還有許許多多給予我學(xué)業(yè)上鼓勵和幫助的朋友,真誠的祝福她們。也祝福老師事業(yè)蒸蒸日上,母校的明天更加美好!