电气工程及其自动化专业【毕业设计 文献综述 开题报告】汽车倒车防撞报警系统软件设计

电气工程及其自动化专业【毕业设计+文献综述+开题报告】汽车倒车防撞报警系统软件设计 （20_ _届）本科毕业设计汽车倒车防撞报警系统软件设计摘 要本文开始就此次选题的背景和意义做了说明，以及针对倒车雷达在国内外的研究现状作了较详细的分析。本文详细介绍了此次基于AT89C51单片机的超声波脉冲测距倒车雷达系统，它是利用超声波在空气中的传播速度为已知条件，通过超声波反射回来的时间来测量距离。本文描述了系统设计的理论基础以及超声波传感器部分的电路设计。论文简述了超声波测距的发展和基本原理，并且介绍了超声波传感器的原理及它所具有的特性，还对超声波的发射、接收信号电路及报警电路做了概述。在单片机方面论文介绍了AT89C51单片机的芯片结构和引脚功能，并对单片机与超声波测距结合作了有关介绍。本文还论证了倒车雷达系统的实用性，分析了几种可能会影响超声波测距精度的因素，阐述了如何应对的一些方法。关键词：单片机，超声波，测距The Hardware Design of Anti-collision Alarm System for Auto ReversingAbstract The beginning of the topic to the background and significance of this was illustrated,and it made a more detailed analysis for reversing radar research status at home and abroad. This paper describes the AT89C51 microcontroller based ultrasonic pulse ranging reversing radar system, It is the use of ultrasonic propagation velocity in the air which path is known, reflected back by the time ultrasound to measure the distance. This article describes the theoretical basis of system design and the ultrasonic sensor part of the circuit design. Paper outlines the development and the basic principles of the ultrasonic distance measurement, And introduced the principle of ultrasonic sensors and it has the features, but also on the ultrasound transmitting and receiving signal circuits and alarm circuits were outlined. This paper introduces the SCM AT89C51 microcontroller chip architecture and pin functions, and the combination of microcontroller and ultrasonic distance measurement made on introduction. This article also demonstrates the practicality of reversing radar system, analysis of several that may affect the accuracy of ultrasonic ranging factors ,and it explained how to deal with the methods.朗读显示对应的拉丁字符的拼音Keywords: SCM,Ultrasonic, measure distance目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1选题的背景与意义11.2汽车雷达国内外发展现状21.2.1 汽车雷达的历代变革21.2.2 汽车雷达的国内研究31.2.3 汽车雷达的国外研究31.3课题研究的主要内容42系统方案设计52.1系统方案设计52.2系统方案评价53 超声波测距原理73.1超声波及其基本性质73.2 超声波传感器93.3 超声波测距原理103.4 温度对超声波测距精度的影响114 AT89C51单片机介绍134.1 89C51单片机芯片内部结构及特点134.2 89C51单片机引脚及功能145系统的硬件设计165.1 主要器件选择和介绍165.2超声波发射电路设计和接收检测电路185.3显示电路、温度补偿及报警电路设计196 系统的软件设计226.1 结构化程序设计226.2 超声波测距仪的软件规划226.3 主程序及其流程图236.4 温度检测电路256.5 超声测距测量与显示电路程序设计297 超声测距系统误差分析327.1 超声测距误差原因及解决方案32总结34参考文献35致谢37附 录381 绪论1.1选题的背景与意义从1886年世界上第一辆汽车诞生至今，随着科学技术的不断进步，汽车制造业迅猛发展，汽车的价格也越来越便宜，这使得越来越多的人拥有汽车。亚洲制造业协会首席执行官兼秘书长罗军二十四日透露，到2010年，全球汽车保有量将达到十亿辆，中国将突破七千万辆。当然有一个问题不能忽视，在我们享受汽车给我们带来便利的同时，汽车的交通安全问题也越来越突显。目前，在每年的车祸中有120多万人死亡，1200多万人伤残，全球50%的交通事故受害者年龄在1524岁，每年交通事故造成的经济损失达5180亿多美元，相当于每年发生两次日本广岛核爆炸12。美国高速公路交通安全管理局NHTSA表示，每年因倒车事故导致的平均死亡人数达292人3。伴随着汽车保有量的增加和城市布局的日益密集化，汽车的活动空间越来越小，特别是汽车倒车时司机由于视野不能很好的达到后面加上车后的盲区，使得倒车事故逐年上升。对于公路交通事故的分析表明，超过65%的交通事故属于追尾相撞，80%以上的交通事故是驾驶员由于反应不及时引起的4。一项由Mercedes Benz主导的研究发现，只要增加0.5秒警示时间，就能避免60%的追撞事故；如果警示时间增加至1.5秒，更能提高到90%5。汽车倒车防撞系统是一种安装在汽车上实时进行汽车与障碍物距离检测的装置，一旦发现障碍物与汽车的距离小于安全距离就发出警报来提醒司机。因此，根据目前汽车防撞系统研发的现实意义和长远的汽车应用前景上考虑，越来越多的汽车生产厂家和科研院所以及一些大学投人大量的人力和物力来研究汽车倒车防撞系统。本课题研究的意义在于通过对汽车倒车防撞系统的研究使得汽车在白天和晚上倒车时都能很好的实现安全倒车防止碰撞，而且应用单片机和超声波技术汽车倒车防撞系统的可靠性和经济性都大大提高，从被动的防撞到主动防撞。而针对多种测距的方法，我发现由于超声波指向性强，因而对于距离的测量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，所以本次课题我采用超声波测距结合单片机技术来实现汽车倒车防撞报警系统。1.2汽车雷达国内外发展现状1.2.1 汽车雷达的历代变革从二十世纪六十年代对汽车防撞雷达的研究开始，汽车雷达可以说是经历了一代又一代的变革与发展，起初人们对于交通事故中车后撞车的问题开始兴起对汽车防撞的研究。汽车倒车防撞的研究可以分为六代6。第一代是倒车喇叭。相信大家都记忆犹新，记得小时候，每当有汽车倒车时总会有“倒车，请注意!”的提示音来提醒汽车旁或汽车后面的行人，从而确保汽车倒车时的安全，对于那个时候的倒车防撞系统而言是相当先进的了。但这种倒车喇叭不能使司机很好的起到观察车后的作用，毕竟这只对人而言能有效地防止碰撞，可是如果遇到车后有障碍物时就没有多大作用。第二代是倒车蜂鸣器。它的原理是事先先设计障碍物与车尾的碰撞距离，当障碍物离汽车尾部越来越近时，蜂鸣器的叫声尖锐程度会越来越大，以此来提醒司机注意倒车速度与车距。但是，我们知道光从蜂鸣器的叫声来判断车后的障碍物到底有多远，能不能再往后倒点等事项上还是有很大的不足的。第三代是数码波段显示7。相对于第一、第二代产品而言，第三代产品在汽车倒车防撞上起到很大的作用。它有两种显示方式，数码显示和波段显示。数码显示是产品能够显示距离数字。而波段显示由三种颜色来区别：绿色代表车后障碍物或人与车的距离在安全范围意外;黄色代表障碍物已经进入与车的警示距离，需要引起司机的注意；红色代表的是障碍物与车的距离已经超出警示距离，司机必须格外的小心。第四代是液晶荧屏显示。它使得只要汽车一经启动就可以让司机能够看到显示器上出现的汽车图案与障碍物的距离，以及车的周围障碍物的距离。但液晶荧屏显示的不足是它的抗干扰能力不强，误报出现的次数也多。第五代是魔幻镜倒车雷达8。结合了前几代产品的优点，采用了最新放声超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多功能整合在一起，并设计了语音功能。因为其外形就是一块倒车镜，可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。 第六代是无线倒车雷达。全新无线液晶倒车雷达，融无线连接、倒车雷达、彩色液晶显示、BP警示音于一体。由于普通倒车雷达安装时，从车后雷达主机到车前仪表台上显示器要布一条线，这样要拆除车内的装饰板、胶条等，非常不方便。现在最新推出的新六代无线液晶倒车雷达，一举解决此问题，车后主机和显示器之间无线连接，方便快捷。更可在大巴、卡车等车身长的车上使用，使安装更容易。雷达测距数码显示，无线连接（主机和显示器之间无线连接）。彩屏显示，BiBiBi三级跳报警音，动感车模（车后探头方位闪动，智辨左右），全天候设计，可以适应不同的环境9。1.2.2 汽车雷达的国内研究在国内的一些汽车倒车防撞系统研究中，已经开始使用了数字无盲区可视倒车雷达系统，比如尼桑天籁就采用了倒车影像设计，做到真正无盲区探测，声音和图像，倒车显示屏显示。成都泰信电子科技有限公司研发的“探路神”倒车雷达系统，填补了货运车无倒车雷达的空白10。又如广东铁将军红蝙蝠倒车雷达3066采用3CPU（外理器）设计，厘米能精密探测，防水、防霜、防风沙，探测器探头自检，异常提示11。还有清华同方LED三色灯报警显示雷达（四个探头）CRD-H01通过装在车尾部的超声波探测器，探测汽车尾部与障碍物之间的距离，并提供LED三色灯报警显示和数码距离显示，三级警报提示音。其他一些汽车厂商在汽车倒车防撞雷达研究中也有不错的汽车产品，如上海通用06款别克凯越系列除三厢1.6LX MT之外，其余车型都加装了倒车雷达。此外，还有许多厂家在新推出的中低档车型中安装了倒车雷达，如：北京现代的伊兰特、索纳塔、途胜；上海通用的别克LaCROSSE君越；东南汽车的三菱戈蓝、三菱蓝瑟；上海大众的帕萨特增值版POLO劲情；广州本田的雅阁、奥德赛、两厢飞度；神龙汽车的东风雪铁龙C6、新萨拉?毕加索、爱丽舍、塞纳；江淮汽车的瑞风?祥和；奇瑞汽车的A5 1.6；千里马汽车的RIO千里马；长安福特汽车的蒙迪欧、两厢福克斯等12。1.2.3 汽车雷达的国外研究在国外，日本马自达汽车公司研制的扫描激光雷达和超声波传感器，可以检测到前方是否有行人和在斜角方向是否有车驶来，以避免事故发生13。美国通用汽车公司于1997年研制成一种为“视控雷达”的防撞装置，车载电脑根据脉冲多普勒雷达原理来测两车距离和相对速度、本车信号，最后于雷达测出的实际距离作比较14。德尔福于1998年SAE年会上推出了“防撞系统”15。它采用雷达及超声波技术，来提高汽车的安全性。作为汽车技术较先进的戴姆勒-克莱斯勒公司成功开发出供商用车（尤指卡车）使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察周围环境，并将所有收集的信息交由一控制器加工处理，形成一虚拟景象16。1.3课题研究的主要内容 本课题主要是研究如何避免汽车在倒车的情况下发生碰撞而引起交通事故，由于汽车倒车时车的后视镜只能观察到车尾部两边的车况而不能看到尾部正后方的情况，所以在这种情况下很容易发生碰撞事故。本课题通过安置在车尾部的超声波测距器不断的发射超声波和接收超声波来告知驾驶者车后是否有障碍物并且显示具体的距离，这样驾驶者就可以更清楚的了解到车后的情况从而避免碰撞事故的发生。本课题通过超声波测距器与AT89C51单片机的结合来达到测距与显示和报警的效果。首先我们要针对超声波测距来制作超声波发射电路和超声波接收电路，测距开始时发出一连串脉冲信号，单片机开启计数器，当单片机接收到反射回来的回波后，运行中断程序来关闭计数器，根据计数周期T，得到过渡时间TL NT，NTL的乘积的一半。2系统方案设计2.1系统方案设计 本设计用AT89C51单片机，采用12MHz高精度的晶振，来获得稳定的时钟频率。通过定时器来输出与超声波传感器所匹配的40KHz超声波脉冲，再通过超声波传感器的发射探头输出超声波来进行探测障碍物并进行反射回波，与此同时单片机内的计数器开始计数，当另一个超声波传感器的接收探头检测到有超声波返回时，单片机的中断程序开始执行，它关闭计数器。于是，单片机内开始执行事先编写好的距离计算程序，再将计算结果显示在4位LED数码管上。由于超声波的声速与温度有关，因此，在本设计中专门增加了DS18B20数字温度传感器，它能起到实时检测环境温度的作用，使超声测距更加准确。本系统还设置了一个安全距离报警模块，当车与障碍物距离小于3m时安全报警模块启动。系统总体设计框图如2-1所示。图2-1系统总体设计框图2.2系统方案评价通过查阅超声波测距的相关书籍与论文所知，超声波的指向性非常强，能量消耗慢，并且它在介质中传播的距离也较远，因而用超声波来进行本设计的测距是最合适的选择。更重要的一个方面是利用超声波测距设计比较方便，它的计算处理也简单，这对于本设计的可行性而言是很关键的。 超声波发生器发展到现在也已比较完善，特别是近距离测量方面较为常用的压电式超声波换能器，它在超声波发射与接收时都有很好的性能。本设计中的温度传感模块DS18B20它本身就具有A/D转换功能，这样的话根据本系统的实际情况，它使89C51的引脚使用量大大减少了，从而可以闲出多余的引脚来用于LED显示与其他模块的使用。 3 超声波测距原理3.1超声波及其基本性质各种各样的声信号存在于我们的生活中，在声学中将频率高于人类听觉上限频率（约20000Hz）的声波，称为超声波，或称超声。而人类能产生超声的核心部件是超声传感器，也称超声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能，也可以把声能转化为光能的装置。波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质17,18：（1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能焦聚，因此可进行定位、测量、探伤等； （2）超声波发射的波长很短，由超声波发射器发射出来的超声波不会乱发散，它的方向性很强，当波长越短时它的方向性愈强，所以超声技术可用于水下探测、探伤； （3）超声波能发出窄的脉冲波。为了能让探测分辨率和精度有所提高，就要求超声波发射器发出脉冲非常窄，由于超声波的波长较短，故可作为超声波窄脉冲发生器来发射窄脉冲； （4）功率大，超声波本身能够传送很大的能量。当超声波作用在物体上时，物体中的一些分子也会随着超声波的频率而运动，它们的振动频率和作用在物体上的声波频率相同，当超声波的频率愈高，物体中的分子运动就愈来愈快。由物理知识可知，任何声波在真空是不能运动的，它们需要通过液体、固体、气体或者是它们三个的组合体作为传播媒介才能正常传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344。超声波的传播特性： （1）声速超声波在介质中传输的速度即介质的声速，用C表示。它是一秒钟超声波等相面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。对于液体介质，只能传播纵波，以CL表示。 （3-）K-介质的体积弹性模量; -介质的密度。声速是随着介质及其状态（如温度）的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为334，在水中的声速约为1440，而在钢铁中约为5000。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。（2）（3-）（3）（1）（2）（3）（3-）（3-）式中 p0-距离声源X 0处的声音的压强； I0-距离声源X 0处的声音的强度； -衰减系数，（奈培/厘米）；超声波三种衰减为吸收衰减、散射衰减和扩散衰减20：（1）吸收衰减。在介质中传播的超声波，质点由于介质的粘滞特性会产生内摩擦，这样就会有一些声能转化为势能；而且热传导性也是介质的一种特性，介质的稀疏和稠密两部分之间会进行某种程度的热交换，因此声能的损耗也就随之产生。（2）散射衰减。超声波在介质中传播遇到障碍物，当阻碍物的尺寸与超声波长可相比或更小时会产生散射衰减。产生散射衰减的因素很多，总的来说是由于介质阻抗的不连续性造成的。（3）扩散衰减。由于声束的扩散，随着传播距离的增加，波束界面愈来愈大，从而使单位面积上的能量逐渐减少。3.2 超声波传感器 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。它的结构原理图如图3-1所示。图3-1 超声换能器原理图 超声波发生器是一个具有超声频率的电子振荡器，当把振荡器上产生的超声频电压加到超声发生器的压电晶体上时，压电晶体部件就开始在电场的作用下产生纵向运动。压电部件振动时，其振幅很小，约为（110）（10103）g （3-）V为超声波的波速，常温下取344。在测量距离时要求有一个远限，原因在于接收信号时的幅值至少要大于规定的阀值（又叫临界值）。而这个阀值取决于对信噪比的要求。信噪比，即SNR Signal to Noise Ratio ，又称为讯噪比。它是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。因此如果想增大要测的距离，就要从两个方面来解决，一方面尽量降低噪声，另一方面尽可能增大发射信号的幅值。本系统在测距开始时，由单片机开始发出指令使超声波发生器发出一串脉冲，与此同时单片机开启计数器，当检测到回波信号后，单片机又执行中断功能来关闭计数器，根据计数脉冲的重复周期T，得到过渡时间TL nT，nTL实际上就可变成读出距离计数器的数码值n。目标距离L与计数器读数n之间的关系式为： （3-）（3-）f为计数脉冲的重复频率，计数脉冲频率f越高，测距精度越高21。 3.4 温度对超声波测距精度的影响 超声波是一种声波，故声速C为： （3-8）上式中为气体的绝热体积系数（空气为1.4），P为气体的气压（海平面为），为气体的密度（空气为1.29）。对于1mol空气，质量为m，体积为V，则密度应为，故 （3-9） 0时，空气中C0 331.45。对于任意温度下，有： （3-10）因此，超声波在理想气体条件下空气中传播速度可表示为： （3-11）下表3-1为超声波在不同温度下对应的速度：表3-1 不同温度下超声波声速表22温度（）-30-20-10010203050声速（m/s）313319325323338344349361由于温度不是一个固定的值，由于它的不确定性，所以需要有一个温度传感系统来对温度进行实时监测，从而保证测距的精确。本设计中的温度测量电路基于DS18B20一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路如图3-2所示。DS18B20是美国DALLS公司推出的DS1820的替代产品22。具有9、10、11和12位转换精度，未编程时默认精度为12位，测量精度一般为0.5，软件处理后可达0.1。温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625/LSB形式表达。 DS18B20的引脚判断方法是：字面朝人，从左到右分别是1（GND）2（输入/输出）、3（VDD）R8为上拉电阻，阻值可选为5左右23。 1 2 3 +5 P1.7 R8 图3-2 温度测量电路4 AT89C51单片机介绍4.1 89C51单片机芯片内部结构及特点4.1.1单片机基本结构框图介绍24 图4-1所示为89C51带闪存（Flash ROM） 图4-1 89C51单片机结构框图89C51单片机芯片内包括：一个8位的80C51微处理器（CPU）256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。片内4KB程序存储器Flash ROM,用以存放程序、一些原始数据和表格。4个8位并行I/O端口P0P316位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHz。89C51单片机与8051相比，具有节电工作方式，即休闲方式及掉电方式。4.2 89C51单片机引脚及功能图4-2为89C51的引脚图，是双列直插封装（DIP）图4-2 89C51单片机引脚图1、电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）：电源端，为+5V。 VSS 20脚 ：接地端。2、外界晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL2（18脚）：接外接晶体和微调电容的一端。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。3、控制信号引脚RST、ALE、和RST（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。ALE（30脚）：地址锁存允许信号端。 29脚 ：程序存储器允许输出信号端。 31脚 ：外部程序存储器地址允许输入端。4、输入/输出端口P0、P1、P2、P3P0端口（P0.0P0.7，3932脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。P1端口（P1.0P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3端口（P3.0P3.7）：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在89C51中，P3端口还用于一些复用功能。其复用功能如表4-1所示。表4-1 P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0 外部中断0 P3.3INT1 外部中断1 P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）5系统的硬件设计5.1 主要器件选择和介绍1、4 图5-1 七段数字显示器发光段组合图 （a）分段布置图 （b）段组合图 共阳极电路中，七个发光二极管的阳极连在一起接高电平，需要某一段发光，就将相应二极管的阳极接低电平。如图5-2所示为二极管显示器共阳极等效电路25。 a b c d e f g 图5-2 二极管共阳极显示器等效电路2、74LS244缓冲器、NPN三极管8550 74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244没有锁存的功能。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。8086/8088数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线既传输数据又传输地址。它主要用于三态输出，作为地址驱动器，时钟驱动器和总线驱动器，定向发送器等。其真值表如表5-1所示。 表5-1 74LS244真值表 输入 输出 G A Y L L L L H H H X Z 三极管由两个PN结的三层半导体制成的。中间是一块N型半导体。从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区26。图5-3为NPN型BJT的示意图和表示符号。 C集电极 c N 集电区 集电结 B基极 P基区 b N发射区 发射结 E发射极 e a 结构示意图 b 表示符号 图5-3 NPN型BJT的示意图和表示符号3、集成电路CX20106A芯片 CX20106A是一款由日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成芯片。CX20106A通过外部所接电阻，可以将内部带通滤波电路的中心频率f0设置成40 kHz，那么就能接收放大的超声波电信号，整形后输出负脉冲电压。图5-4为CX20106A的结构框图。 图5-4 CX20106A芯片结构框图4、 DS18B20DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量16位符号扩展的二进制补码读数形式提供图5-6 超声波发射电路 2、超声波检测接收电路设计超声波检测接收电路中，我用到了集成电路CX20106A芯片，CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片。因为红外线遥控常用的载波频率38KHz与本次测距的超声波频率40KHz接近，所以可用它制作超声波检测接收电路。超声波检测接收电路如图5-7所示。图5-7 超声波检测接收电路5.3显示电路、温度补偿及报警电路设计1、显示电路设计 本设计中的单片机选用的型号是AT89C51单片机，该单片机的芯片特性和引脚功能已在论文的前面作了详细的介绍。单片机的复位操作有两种方式即上电自动复位和按键手动复位24。本设计采用上电自动复位，它是在加电瞬间电容通过充电来实现的，其电路如图5-8所示。VCC VCC C + 22F TST/VPD R 1 VSS图5-8为自动复位在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，用以复位。只要电源VCC的上升时间不超过1，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。关于参数的选定，在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间（即正脉冲宽度）大于2个机器周期。当采用晶体频率为6MHZ时，可取C 22，R 1;当采用晶体为12MHZ时可取C 10，R 8.2。根据本次设计的实际情况，取C 20，R 10。 单片机用P1.0端口输出超声传感器所需要的40KHZ的方波信号，通过利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。本设计的显示电路用了4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用NPN三极管8550驱动。该单片机系统及显示电路如图5-9所示。 图5-9 单片机及显示系统电路图2、温度补偿电路及系统报警电路设计 DS18B20温度传感器将被测环境温度转换成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），温度补偿电路如图5-10所示。图5-10温度补偿电路系统报警电路是由一个运算放大器、一个发光二极管和一个蜂鸣器组成。R19 1，R18 10，此次的运算放大器采用F007芯片，两级放大电路均是负反馈的接法，而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同时输入端接地。系统报警电路如图5-11所示。图5-11 系统报警电路6 系统的软件设计6.1 结构化程序设计结构化程序设计方法是公认的面向过程编程应遵循的基本方法和原则。结构化程序设计方法主要包括：1、只采用三种基本的程序控制结构来编制程序，从而使程序具有良好的结构；2、程序设计自顶而下；3、用结构化程序设计流程图表示算法。 结构化程序设计的总体思想是采用模块化结构，自上而下，逐步求精。即首先把一个复杂的大问题分解为一些单独的小问题。在设计时若小问题还是难以解决，那么可以继续把刚才分的小问题继续不断的分解，直到使这些问题能直接用程序的三种基本结构法表达为止。然后，针对各小问题来编辑程序模块，最后把解决的模块再重新组合在一起。这就是自上而下的程序设计方法。 一个优秀的程序编写者应该有良好的程序设计风格，而拥有一个良好的程序设计风格就要注意以下几点： 1 语句形式化。程序语言是标准的形式化语言，要做到准确，无二义性。所以，形式呆板、内容活泼一直是软件行业的风范； 2 程序一致性。保持程序中的各部分风格一致，文档格式一致； 3 结构规范化。程序结构、数据结构、甚至软件的体系结构要符合结构化程序设计原则； 4 适当使用注释。注释是帮助程序员理解程序，提高程序可读性的重要手段，对某段程序或某行程序可适当加上注释； 5 标识符贴近实际。程序中数据、变量和函数等的命名原则是：选择有实际意义标识符，以易于识别和理解。6.2 超声波测距仪的软件规划超声波测距仪的程序主要包括以下几个功能模块：DS18B20温度传感器模块，分为初始化子程序、写入子程序及读取子程序等部分；距离计算模块，分为超声波发射控制程序、接收处理子程序及距离计算子程序部分；主模块，分为系统的初始化及各子程序调度管理部分。图6-1为各程序模块功能及相互关系。 图6-1 各程序模块功能及相互关系本次设计中控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。因为汇编语言它容易精确计算程序运行时间且有很高的效率，而C语言则有利于一些复杂的算法编写。6.3主程序及其流程图系统上电后，初始化单片机中各寄存器，使单片机AT89C51中的定时/计数器T0装入65ms的计数值。定时/计数器T0的数初值为TH0 00H，TL0 00H。安装汽车尾部的超声波收发装置，当定时/计数器T0产生65ms中断时，单片机的P1.0口经定时器T1产生一个40KHZ的超声波脉冲，此时计数器T0开始计数，当单片机的外部中断脚P3.2端口接收到了发射脉冲的反射波时T0计数器便停止计时，通过单片机中的距离计算程序和温度检测程序来计算障碍物与超声波测距器的距离，系统中以障碍物与汽车之间3m的距离为报警信号，当距离小于3m时，启动声光报警，同时LED数码显示管显示汽车与障碍物的距离图6-2为主程序流程图。 图 6-2 主程序流程图部分程序代码: INTT0: Clr tr0 Mov th0, #00h Mov tl0, #00h Setb et1 Setb ea Setb tr0 ;启动计数器t0，用以计算超声来回时间 Setb tr1 ;开启发超声波用定时器t1 OUT: retI ;t1中断，发超声波用INTT1: JNB TF1， $ ;T1没有溢出等待 CLR TF1 ;产生溢出，清标志位 cpl VOUT ;P1.0取反输出一个完整的40KHz的超声波 Djnz r4, retiVOUT ;发送4个超声波脉冲 Clr tr1 ;超声波发送完毕，关t1 Clr et1 Mov r4, #04h ;超声波脉冲个数控制 Setb ex0 ;开启接收回波中断 RETIOUT: reti ;外中断0，收到回波时进入 PINT0: clr tr0 ;关计数器 Clr tr1 Clr et1 Clr ea Clr ex0 Setb 20h ;接收成功标志 Reti 6.4 温度检测电路温度接收电路主要是针对开始测距时，我们首先要对DS18B20的接口进行程序设计，DS18B20的一线工作协议流程为，初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。其工作顺序包括：初始化时序、写时序和读时序。1.DS18B20初始化 DS18B20初始化是使得DS18B20复位，主要通过判断存在脉冲的形式来实现。首先主机发复位脉冲，即宽度范围是的负脉冲，拉高以延时等待，然后通过输入/输出线读存在脉冲，如果返回的是低电平则说明存在，复位成功。DS18B20_RST: CLR WDIO ;发复位信号 MOV R7, #33 ;延时500 LCALL DELAY15US SETB WDIO ;恢复 MOV R7, #4 ;等待60 LCALL DELAY15US CLR EXIST ;清存在标志 JB WDIO, DS18B20_RST_0 ; 1，则不存在，跳转 SETB EXIST ;存在，则置位标志 MOV R7, #28 ;数据线持续低电平420 LCALL DELAY15USDS18B20_RST_0: RET字节写DS18B20程序字节写为拉低输入/输出线至少15以作为起始信号，接着芯片按从低位到高位顺序取出欲写字节中的1位数据，写入输入/输出线中，延时等待15后再将输入/输出线拉高作为停止信号，以等待下一位写入。DS18B20_WRITE: CLR C MOV R1, #8 ;1字节8位DS18B20_WR_1: CLR WDIO ;产生写信号 MOV R7, #1 LCALL DELAY15US RRC A ;取出待写位 MOV WDIO, C ;写入DS18B20 MOV R7, #1 LCALL DELAY15US SETB WDIO ;停止 NOP DJNZ R1, DS18B20_WR_1;1字节写完否 SETB WDIO ;写完后恢复返回 RET字读DS18B20程序 字读DS18B20的程序设计思想为DS18B20连续读2字节子程序，读出值存储在全局变量：TEMP,TEMP+1。DS18B20_READ:CLR CMOV R1, #2 ;连读2字节MOV R0, #TEMP ;读数据存储区首址DS18B20_RD_1:MOV R, #8 ;1字节8位DS18B20_RD_2: SETB WDIONOPNOP CLR WDIO ;产生读信号 NOP NOP SETB WDIO ;准备读入数据 MOV R7, #1 ;等待15 LCALL DELAY15US MOV C, WDIO ;读入数据 RRC A ;右移以拼接数据字节 DJNZ R2, DS18B20_RD_2 MOV R0, A ;1字节读完后存入相应单元 INC R0 ;指向下一存储单元 DJNZ R1, DS18B20_RD_1 RET ;2字节读完后返回4.启动DS18B20转换子程序：DS18B20_START: LCALL DS18B20_RST ;DS18B20复位JNB EXIST, DS18B20_ST_0 ;DS18B20不存在则直接返回MOV A, #0CCH ;发跳过ROM命令 LCALL DS18B20_WRITEMOV A, #44H ;发启动转换命令LCALL DS18B20_WRITEDS18B20_ST_0:RET5.DS18B20读取温度子程序：DS18B20_GET:LCALL DS18B20_RST ;复位MOV A, #0CCH ;单个DS18B20，跳过多传感器检测LCALL DS18B20_WRITE MOV A, #0BEH ;发读DS18B20命令LCALL DS18B20_WRITELCALL DS18B20_READ ;读取高低温度字节RETEND以下是对DS18B20进行温度读取操作的流程框图如图6-3所示：图 6-3 DS18B20操作流程图6.5 超声测距测量与显示电路程序设计超声波测距主程序利用外中断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器T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T溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值以表示此次测距不成功 N Y图 6-4 超声测距流程图部分源程序如下： 7 超声测距系统误差分析7.1 超声测距误差原因及解决方案超声测距中主要引起误差的原因有两个：一个是温度对声速的影响从而对测距产生误差；还有一个是盲区会对超声测距产生影响。1.温度对声速的影响及解决方法本设计在第二章中已详细介绍温度对声速的影响，从式7-1中就可知： （7-1）式中声速跟空气中的温度有关，因此实时的检测温度并传送至单片机来修改测距计算中的声速非常必要的。为此本设计中采用了DS18B20温度传感器来对温度进行实时检测来做到温度补偿。表7-1为温度与声速的二维关系表，它是为了方便起见，在表格中的声速值乘以机器周期1再乘以100得到折合后的声速值。因为机器周期为常数，因此将乘法运算直接设计在表格中，避免了程序中的乘法运算。这里乘以100是从精度和运算复杂性两者结合起来考虑，这样既保证了2位精度，同时又能进行2字节与2字节的乘法运算。 表7-1 温度与声速的二维关系表温度声速（m/s）折合后的声速对应的十六进制数-30313313007A44H-20319319007C9CH-10325325007EF4H03323320081B0H10338338008408H20344344008660H30349349008854H40355355008AACH50361361008D04H2.盲区对超声测距的影响及解决方法当采用车尾后中部安装一套超声波测距装置时，由于超声波覆盖范围有限，比如车的两侧和车尾后下方就不能被超声波探及，这些不能被探及的地方就是盲区。正因为有盲区的存在使得超声测距有很多不确定性。为了解决盲区给超声测距带来的不良影响，我们采取的方案是在车尾中部和两侧及车尾靠下方各装设超声波测距器。我们把倒车测距器设计成4测量通道，实际显示的是汽车与障碍物之间的距离是4个超声测距器与障碍物之间的距离的最小值。考虑到倒车测距器有4个测量通道，因而对4个探头采用扫描工作法，工作时可以共用一个信号处理电路，从而达到降低成本的目的。总结 本次毕业设计由于时间和其它客观上的原因，没有做出实物。但是我想它对设计却是一个非常好的理论基础。此设计的最终结果是使超声波测距器能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量车尾与障碍物的距离，以数字LED的形式显示测量距离并在危险距离时发出声光报警。超声波测距的原理是利用超声波发射和，根据超声波传播的时间来计算出距离。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路超声波检测接收电路部分。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，位码用PNP三极管8550驱动段码用74LS244驱动。超声波74LS04和超声波发射换能器T构成，利用推挽方式将方波信号加到超声波换能器上，可以有效地提高超声波的发射强度。超声波检测接收电路CX20106A组成，它是一款红外线检波接收的专用芯片。因为红外遥控常用的载波频率为38KHz与测距的超声波频率40KHz很接近，所以这次选用它作为超声波的接收芯片。超声波测距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显示子程序组成。超声波测距主程序利用外中断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。参考文献1 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