基于超声波的汽车防撞系统设计

本科学生毕业设计基于超声波的汽车防撞系统设计基于超声波的汽车防撞系统设计系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Design of The AutomotiveAnti-collision Systen Based on The UltrasonicDepartment：Automotive Engineering Specialty：Vehicle EngineeringClass:B06-7 The Students Name: Qi GuodongSupervisor：Lv DegangTitles：LecturerHeilongjiang Institute of Technology2010-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计I摘 要近年来我国高速公路追尾碰撞事故频繁发生，而车载追尾碰撞预警系统在解决高速公路行车安全中具有良好的前景，因此引起了研究人员的广泛关注。根据超声波测量距离系统，给出了汽车测距防撞报警系统的设计。该系统能在汽车行驶以及倒车过程中自动检测，出汽车与最近障碍物之间的距离( 或行车中的车距) 并通过L E D 显示出来， 当到达极限距离时 系统能发出声光报警 进而提醒司机雌防撞车。 在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。 超声波一般指频率在 20 kHz 以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为 45 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于 STC89C52 单片机的超声波测距器。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。超声波发射模块中采用 555 定时器构成的时基电路，接收电路使用 SONY 公司的 CX20106A 红外检测专用芯片，该芯片常用于 38kHz 的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对 40kHz 超声波检波的硬件电路，并且增益可调，与传统超声波检波电路相比，电路变得精简，调试变得相对容易。测距器使用数码管显示目标物的距离。关键词： 汽车防撞报警系统； 单片机；STC89C52；超声波；测距黑龙江工程学院本科生毕业设计IIABSTRACTThe accident of automobile rear-end collision has taken place frequently in recent years，and rear-end collision warning system has good use in improving expressway traffic safety，so the warning system has been paid more attention in the world.The vehicle collision avoidance alarm apparatus system was introdued according to the ultrasonic measurement distances system . The system can automaticanlly xeamine the distance between the back and the nearest obstacle ( or the distance among cars ) whicwould be demonstarted through LED that when it arrives the limit distance ,the systemb can send out the warning and reminds the driver for preventing the vehicle colliding . The experimental results showed that , the system illustrates a good prospect of application and xetensionHighways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur. According to related statistics, 15% of motor vehicle collisions when the vehicle is reversing, as the capacity of the latter caused by bad.So after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. Security to avoid obstacles on the premise that the rapid and accurate measurement of obstructions and the distance between motor vehicles. To this end, the design of a single-chip microcomputer as the core, the use of ultrasonic ranging to achieve non-contact reversing radar system. Generally refers to ultrasonic frequencies above 20 kHz mechanical waves, with penetrating, and attenuation of small, reflecting the ability and so on. Work, the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. Finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range; In addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 4 5 m, thus 黑龙江工程学院本科生毕业设计IIIreversing radar are used in cars, such as close range in this paper, according to the spread of sound waves in air reflection to ultrasonic transducer interface components, based on MCU STC89C52 ultrasonic range-finder. Designed by the ultrasonic transmitter module, receiver module, single-chip processing module, a digital display and alarm sound and light display module, such as parts, the text in detail the range of hardware devices, detection theory, methods and software architecture. The use of ultrasonic transmitter module consisting of 555 time-base timer circuit, receiving circuit using the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38kHz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, and compared to conventional ultrasonic detection circuit, the circuit has become streamlined and easier to debug. The use of digital rangefinder display the distance between objects.Key words：Automotive anti-collision alarm system; Singlechip; STC89C52; Silent Wave; Measure Distance黑龙江工程学院本科生毕业设计目 录摘 要.IAbstract.II第 1 章 绪论.11.1 课题研究的现状和发展历史及意义.11.2 汽车防撞系统的发展现状.21.3 本课题的主要研究内容.3第 2 章 系统的总体设计与分析.42.1 超声波测距原理.42.2 超声波发生器.42.3 压电式超声波发生器原理.42.4 测量与控制方法.52.5 控制系统方框图.52.6 超声波发射部分的设计.62.7 超声波接收器的设计.62.8 理论计算.82.9 影响精度的因素分析.82.10 提高精度的方案及系统设计.92.11 本章小结.11第 3 章 系统的硬件结构设计 .123.1 系列单片机的功能特点及测距原理.123.1.1 52 系列单片机的功能特点.123.1.2 52 单片机实现测距原理.133.2 超声波发射电路.133.3 超声波检测接收电路.143.4 超声波测距系统的硬件电路设计.153.5 本章小结.17黑龙江工程学院本科生毕业设计第 4 章 系统的软件设计.184.1 软件设计.184.2 超声波测距仪的算法设计.194.3 主程序流程图.204.4 超声波发生子程序和超声波接收中断程序.224.5 系统的软硬件的调试.234.6 本章小结.23结 论.24参考文献.26致 谢.28附 录.29黑龙江工程学院本科生毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 课题研究的现状和发展历史及意义随着科技发展的不断进步，自动测量的技术不断更新，非接触式测量技术也有了长足的发展。在很多工控场合，测量的物体是不能够直接接触到的，或者是测量物体不宜直接接触, 这个时候就要用到非接触式的测量仪器。自物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此超声波技术得到广泛运用，而在超声波测量领域，尤其是在测距领域，结合各种其他技术的应用，超声波测量变得十分普及。当人类社会充分享受汽车带来的诸多好处的同时，也为此付出了沉重的生命和财产代价。据不完全统计，我国自 1997 年至 2007 年，累计已有 1551038 人死于道路交通事故，其中仅 2007 年，道路交通事故就造成 81649 人死亡。道路交通事故中有86.3%均为汽车追尾碰撞事故。表 1.1 列出了我国 1997 年2007 年逐年的交通事故次数、死亡人数、受伤人数和直接经济损失。表 1.1 我国历年道路交通事故统计(19972007)交通事故死亡人数受伤人数经济损失年份(起)递增(人)递增(人)递增亿元递增19973042175.75738610.281901288.9918.467.45199834612913.78780675.6922272117.1419.304.55199941286019.28835297.0028608028.4521.2410.05200061697149.449385312.3641872146.3726.6925.66200175491922.2410593012.8754648530.5130.8815.7020027731372.411093813.265620742.8533.247.642003667507-13.7104372-4.6494174-12.133.71.42004567753-14.999217-4.9451810-8.627.7-17.62005450254-13.198738-97.8469911-2.318.8-21.22006378781-15.989455-9.4431139-8.314.9-20.92007327209-13.681649-8.7380442-11.83.0-19.5黑龙江工程学院本科生毕业设计2 由表 1.1 可以看出，进行高速公路防碰撞报警系统开发研究的必要性和紧迫性，本文对汽车防碰撞系统的研究主要基于以下原因：由于超声波在空气中波速较慢，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。因此超声测距广泛应用于倒车雷达、物体识别等方面，特别是应用于空气测距。超声波测距利用声波反射原理，避免传感器直接与介质接触，是一种传统而实用的非接触测量方法。与红外、激光及无线电测距相比，它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性。在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响和指向性强的优点，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低。但由于超声波传播时难于精确捕捉，温度对声速影响等原因，使超声测距的精度受到很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用。1.2 汽车防撞系统的发展现状 国际上对汽车防撞雷达的研究始于 20 世纪 60 年代，在此后的 10 多年内，以德国、美国、日本为代表的主要西方国家内形成了一股研究热潮，众多研究机构和汽车制造厂家合作，有多台样机问世，并有一些相应的实验结果和论文发表，但是，局限于当时的微波理论及器件的发展水平，加上系统其他硬件成本居高不下，导致雷达难于做到结构简单、体积轻巧、成本低廉，些外，汽车防撞雷达的工作环境恶劣，干扰因素众多，科研工作者在实验室制造样机时，对许多因素考虑并不全面，造成在实际应用中，防撞雷达的工作效果并不理想。 1986年，奔驰公司发起，包括遍及欧洲的17家主要汽车生产厂和50多个研究所，制订了“Promtheus”计划，将组合传感器、通信、人工智能技术于一个系统中，其目的是改进汽车的安全性、经济性和有效性，其中研制出的性能优良的汽车防撞雷达，帮助驾驶员避免发生交通事故，是该计划的一个重要组成部份，该计划，随着微波器件及其集成技术的高速发展，以及微处理器性能价格比的突飞猛进，使得制造出低成主本、高性能的汽车防撞雷达成为可能，进入90年代后，德国在这方面的研究工作处于领先地位。20世纪90年代中期以后，一些公司开始将注意力转向汽车的新型防撞雷达，这种新型防撞雷达应用于高速公路，称为“AICC，即自主智能巡航控制。是汽车雷达发展的高级阶段，就实际情况看，国际上研制出的用于高速公路的防撞达基本上都只需黑龙江工程学院本科生毕业设计3完成向驾驶员提供危险警报功能，为驾驶员争取一定的反映时间。欧盟RadarNet研究项目整合己有研究成果，研制新型多功能汽车防撞雷达，其中，德国奔驰公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞雷达工作于35GHz，探测距离150米，信号处理系统可以计算出前方车辆或障碍物的距离及相对速度，并根据后车速度计算出必要的安全距离，当两车距离小于安全距离时发出灯光和声音报警信号，安装在轿车、客车上试用，效果较好。美国防撞技术研究起步较晚，但目前已处于世界领先水平。主要代表有福特和Eaton orad公司开发的汽车防撞雷达系统，其前方探测距离106米，可在探测范围内跟踪20多个目标，工作频率24.725GHz，雷达功率SmW a国内对汽车防撞装置的研究相对比较晚，整体水平也相对较低。具有代表性是有:上海汽车电子工程中心研制的SAE-100型毫米波汽车防撞雷达样机，采用LFMCW制式，工作频率35GHz，测距范围大于100米，测速范围大于100km/h采用增益为26dB的喇叭天线，发射功率405mW，以DSP为中央处理器。1.3 本课题的主要研究内容（1）研究国内外汽车防撞系统研究现状及发展历史，理解本课题研究的意义；（2）分析各种汽车防撞系统的基本原理和优缺点；（3）提出改进汽车防撞系统的对策（4）设计一种新型的汽车防撞系统，给出设计电路图。黑龙江工程学院本科生毕业设计4第 2 章 系统的总体设计与分析2.1 超声波测距原理超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t,然后求出距离 S=Ct/2，式中的 C 为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表 1 列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。图 2.1 即为超声波测距的具体流程图。 定时器显示器振荡器调制器接收检测器电声换能器计时器控制电声换能器 图 2.1 系统总体设计流程图2.2 超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2.3 压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便黑龙江工程学院本科生毕业设计5产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。2.4 测量与控制方法声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体 阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波传感器的结构如图 2.2 所示 图 2.2 超声波传感器结构2.5 控制系统方框图超声波汽车防撞控制系统方框图如图 2.3 所示。该系统全部由单片机控制，超声波发射电路能在单片机的控制下发出超声波。接收电路接收到信号之后送入单片机进行处理，算出车尾与障碍物之间的距离，将处理结果送入显示电路进行显示，再按照技术指标的要求由声光报警电路进行报警。图 2.3 超声波汽车防撞控制系统方框图黑龙江工程学院本科生毕业设计62.6 超声波发射部分的设计超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头的型号选用CSB40T，采用软件发生法产生40Kz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，这种方法充分利用软件，灵活性好。超声波发送器设计图如图2.4所示。图 2.4 超声波发送电路图2.7 超声波接收器的设计超声波接收器包括超声波接受探头，信号放大电路及波形变换电路3部分。超声波接收器设计图如图2.5所示。按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。接收电路的设计可采用通用电路来实现。超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与距离成正比，距离越近、信号越强，距离越远、信号越弱，通常在lmv1V之间。放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用一片HD74HC04P通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。为满足交流信号的需要，每一级放大器均采用电容电路进行电平偏移，对交流信号而言，电容为短路，前三级放大电路的放大增益均为10。实验中发现，距离较近时，两级放大的增益能输出足够强度的信号，在第3级有可能出现信号饱和，但距离较远时，必须采用三级放大电路。合理调节电位器R10，选择比较基准电压，使测量更加准确和稳定。实验证明，比较参考黑龙江工程学院本科生毕业设计7电压的选取非常关键，它与测量灵敏度、系统鲁棒性都有关联。选小可提高测量灵敏度，但鲁棒性下降，容易出现虚假回波被捕捉的情况，选大则情况相反图 2.5 超声波接收电路图2. 8 理论计算T 2T 1图 2.6 测距的原理黑龙江工程学院本科生毕业设计8如图 2.6 所示为反射时间 ，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的 时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式 （2-2TCS1）其中，S 为被 测距离、V 为空气中声速、T 为回波时间， （2-21TTT2）可以计算出路程，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以 克服。这样可以求出距离： （2-221TTCS3）本次设计是用 555 时基电路振荡产生 40Hz 的超声波信号。其振荡频率计算公式如下： （2-5109243. 1CRRf4）2.9 影响精度的因素分析 1） 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为： （2- kht +ktet +kt20AAcosAcos5）由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，黑龙江工程学院本科生毕业设计9但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 2）当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： （2-6）sRTCM由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下： （2-7）0CC1 T 273式中 C0=331.4m/s ； T 为绝对温度，单位 K 。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1oC, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm 时，假定超声波速度 C=344 ms(20室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差 st0.000 002 907 s，即 2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于 1 mm 的误差。使用的 12 MHz 晶体作时钟基准的 89C51 单片机定时器能方便的计数到 1s 的精度，因此系统采用 AT89S51 的定一时器能保证时间误差在 1 mm 的测量范围内。超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。由此可见，测量精度与温度有着直接的关系，本文采用 DS18B20 温度传感器，对外界温度进行测量，并在软件中实现温度补偿。2.10 提高精度的方案及系统设计 1）温度校正的方法提高测距精度 黑龙江工程学院本科生毕业设计10由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 总线专利技术，能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电） ，极大的方便了使用者的调试使用，而且其在 10oC 85oC 的工作环境下可以保持 0.5% 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。 通过 DS18B20 芯片获得的数据信号经由 1-WIRE 总线传至 MCU ，由软件进行声速换算。为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 单片机实现超声波测距的各项功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持 48MHz 前提下能够实现 1 个时钟 / 机械周期运行速度。由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪设计要求。 2）标杆校正的方法提高测距精度 在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。标杆校正的示意图如图 2.4 所示。 T R 基平面（标杆）超声波测距装置被测物图 2.7 标杆校正的示意图超声波测距装置首先测量距离已知为 h 的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离 h 根据公式 求出当地声速。通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。因此，只用为测距设备设定“标定”和“测量”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。2.11 本章小结黑龙江工程学院本科生毕业设计11通过确定系统的总体结构和工作原理，在数学建模的理论基础之上对汽车防碰撞系统的安全车距模型进行了分析，结合汽车追尾事故的起因，以数学模型的形式设计出了合理的安全车距模型。第 3 章 系统的硬件结构设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用 AT89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4 位共阳 LED 数码管，段码用 74LS244 驱动，位码用 PNP 三极管 8550 驱动。3.1 52 系列单片机的功能特点及测距原理 3.1.1 52 系列单片机的功能特点52 系列单片机中典型芯片(AT89C52)采用 40 引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 个 16b 的定时计数器 TO 和 T1，4 个 8 b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的 Flash 可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图 2-1 所示。黑龙江工程学院本科生毕业设计12图 3.1 51 系列单片机封装图5l 系列单片机提供以下功能：4 kB 存储器；256 BRAM；32 条工O 线；2 个 16b 定时计数器；5 个 2 级中断源；1 个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU 停止工作，而让 RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存 RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。52 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。3.1.2 单片机实现测距原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 tr，然后求出距离 SCt2，式中的 C 为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速 C 与温度有关。3.2 超声波发射电路黑龙江工程学院本科生毕业设计13超声波发射电路原理图如图 3.2 所示。发射电路主要由反相器 74LS04 和超声波发射换能器 T 构成，单片机 P1.0 端口输出的 40kHz 的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。3.3 超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图2.3)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。图 3.2 超声波发射电路原理图 黑龙江工程学院本科生毕业设计14图 3.3 超声波检测接收电路3.4 超声波测距系统的硬件电路设计CJ-1 超声波学习板采用 STC89C52 单片机，用 P1.0 口输出超声波换能器所需的40K 方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号，显示电路采用简单的 4 位共阳 LED 数码管，断码用 P0 口驱动，位码用 9012 驱动。主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。 采用 STC89C52 来实现对 CX20106A 红外接收芯片和超声波转换模块的控制。单片机通过 P1.0 引脚经反相器来控制超声波的发送，然后利用单片机的 INT0，当INT0 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用 STC89C52，经济易用，且片内有 4K 的 ROM，便于编程。电路原理图如图3.4 所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。黑龙江工程学院本科生毕业设计15 图 3.4 主机电陆设计图黑龙江工程学院本科生毕业设计16图 3.5 超声波测距电路原理图黑龙江工程学院本科生毕业设计173.5 本章小结结合大学所学的单片机知识以及系统的要求选定选定了 AT89C-51 单片机为本系统的主控制单元，并且给出了接口协议和性能参数等。结合系统的要求选定测距传感器为本系统的测距传感器，并且给出了工作原理、参数和电路。本结一并介绍了系统的其他传感器的选择原则，通过硬件的选定设计出了整个系统的电路图。并且尽自己的能力设计了硬件系统的防干扰的方法。黑龙江工程学院本科生毕业设计18第 4 章 系统软件的设计超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道 C 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时） ，又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时） ，所以控制程序可采用 C 语言和汇编语言混合编程。4.1 软件的设计软件执行的工作过程如下：(1)当系统按下控制开关键后，对系统进行初始化，采取主程序循环方式。(2)读取温度温度值，将 P24 置“0”，选通 AD 转换芯片 ADC0804 使其进人工作，同时 P2.5 与 ADC0804 的 INTR 端连接，当 INTR 端输出高电平则可以读取此时温度值。为了方便计算波速与温度对应表改为近似范围对应，速度与温度近似对应关系如表 1 所示。表 1 温度与速度近似对应关系温度/ 2010 100 010 1020 2030 3040 4050波速/(m.s-1) 322 328 335 341 346 352 358(3)测出相应的波速值后将其存储，并将 P25 口置“1”停止 ADC0804 进行温度采样，然后通过 PZ0 口发出 1O 个周期 40 kHz 方波脉冲串，总时间为 250 s。需要注意的是在设计程序过程中，每条指令执行的机器周期为 1 s 或 2 s，所以应该考虑这些时间的损耗，也就是说需要输出比较准确的周期方波。(4)当发送完 1O 个方波脉冲串后，就马上启动计数器 T1 进行计数，而计数器计数最长时间为 65536 ms，这种超声波收发传感器范围控制在 8 m 范围内，从而计数器设定的溢出时间为 47 ms(因为声波收发是来回时间的，所以设定为(8340)21 000 ms：47 ms)，当溢出的话就重发方波脉冲串，直到接收器受到信号为止。(5)超声波接收器接收到的反射信号通过放大经过锁相环芯片 LM567 输出，分别接在 INT 和 INT。端，为了不受优先级影响，只要设寄存器 IP=00 H 则 INT。与INT 可以按照先收到信号的先执行中断处理服务，后收到者后处理，不分高低中断优先级口。 但这里要注意，因为会遇到如下两种情况。1)当收到第一个中断并处理完后才收到第二个中断则按如下顺序进行处理，即收黑龙江工程学院本科生毕业设计19到第一个中断后，就读取计数寄存器 TH 与 TL 的计数值并存储后跳出中断服务，继续计数，等待下一个中断到来，当收到第二个中断时就再次读取此时计数器的 TH 与 TI 的计数值，并加上在第一个中断执行指令时所损耗的时间并存储，这样就得出两个声波传播的时间值 与 ，则 BF= VT1 2，AF=VT22，这样就确定了BF 与 F 的距离。2)当进行第一个中断处理时又同时收到第二个中断信号的时候按如下进行处理，即收到第一个中断后，就读取计数寄存器 TH 与 TL 的计数值并存储起来，为 t 。但是在处理第一个中断服务时已经收到第二个中断，因为第二个时间时不知道的，所以只能取近似值，为了减少误差，则第二次时间值取为 tz 加上第一次执行指令时间的12。(6)存储了两个时间值 t1 与 t2。后，进行数值处理后确定出距离进行比较后并存储数据，根据比较出来的结果，调用 LCD 显示子程序，作出相应的 LCD 显示要求和是否执行警报处理 。然后重新从步骤 2 开始执行。4.2 超声波测距仪的算法设计 超声波测距的原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为： d=s/2=(ct)/2 （4-1） 其中，d 为被测物与测距仪的距离，s 为声波的来回的路程，c 为声速，t 为声波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；关外部中断 0 ? MOV R7, TH0 ；读取时间值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 黑龙江工程学院本科生毕业设计20SUBB A, #0BBH；计算时间差 MOV 31H, A ；存储结果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；开外部中断 0 POP ACC? POP PSW RETI 4.3 主程序流程图数码管显示* 中断入口程序 * ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH reti ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI 黑龙江工程学院本科生毕业设计21 图 4.1 主程序流程图主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计数器模式。置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P1 清 0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约 0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断 0 接收返回的超声波信号。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，计数器每计一个数就是 1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的数（即是否是否是上电复位延时等待蜂鸣器响 200ms定时器 0初始化中断 0初始化全局中断打开报警设定模式设定报警值发送 4 个超声波等待接收接收标志位显示 0数码管显示距离超过限制蜂鸣器报警黑龙江工程学院本科生毕业设计22超声波来回所用的时间）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取 20时的声速为 344 m/s 则有： d=(ct)/2=172T0/10000cm (2)其中，T0 为计数器 T0 的计算值。 测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送往 LED 显示约 0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用 C 语言编写。4.4 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 P1.0 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号（频率约 40kHz 的方波） ，脉冲宽度为 12s 左右，同时把计数器 T0 打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。 超声波测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器 T0 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3和 P1.4 接到 IC3A 的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下： receive1：push psw push acc clr ex1 ；关外部中断 1 jnb p1.1, right ；P1.1 引脚为 0,转至右测距电路中断服务程序jnb p1.2, left ；P1.2 引脚为 0,转至左测距电路中断服务程序 return：SETB EX1；开外部中断 1 pop. acc pop. psw reti right： .；右测距电路中断服务程序入口 ajmp. return 黑龙江工程学院本科生毕业设计23left：. ；左测距电路中断服务程序入口 4.5 系统的软硬件的调试超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40-10F1（T 发射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心频率为 40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容 C0 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.075.5m，测距仪最大误差不超过 1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。软件的调试程序见附录一4.6 本章小结利用 C52 系列单片机的功能开发出来的产品，经过一系列的测试与调节，具有比较高的准确性，适合大众化汽车使用，其检测范围在 8O3 m 之间，误差可以控制在 4-o05 m，这个误差在实际使用是可以接受的。若想得到更高的精度，可要选用处理速度高的 DSP 芯片或高频率的 MCU 运算芯片、灵敏度比较高的锁定信号芯片、响应速度快的超声波收发传感器，而这些芯片一般应用在机器人设计的场合比较多。黑龙江工程学院本科生毕业设计24结 论超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用 STC89C52 或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4 位共阳 LED 数码管，段码用 74LS244 驱动，位码用 PNP 三极管 8550 驱动。超声波发射电路主要由反相器 74LS04 和超声波发射换能器 T 构成，单片机 P1.0端口输出的 40kHz 的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一