基于单片机的智能倒车系统设计

本科生毕业设计（论文）摘 要随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。这些事故常常给驾驶员带来许多的麻烦，针对国外先进的视频监控车载倒车系统，同时更好地满足驾驶员的需要，跟踪当代汽车电子发展的趋势，在现有车载语音和数码管监视的基础上，基于微型化、低功耗、高速度、高清晰、高扩展性的设计原则，运用先进的传感器技术、现代液晶显示技术、微电子技术、设计一种新型的车载高速倒车图像监视系统。本文研究了一种智能倒车安全系统的设计，该系统是由单片机控制电路、超声波发送与接收电路、超声波传感器、显示电路及语音报警电路组成。当汽车挂上倒档时，把由摄像头采集的障碍物图像和由超声波测距模块测得的障碍物距离值通过显示终端显示障碍物的准确信息。系统以直观准确的方式提醒汽车驾驶员更好地完成倒车动作。显示于液晶显示屏上，让你准确把握后方路况。本文对以上各个部分的软硬件设计作了详细的阐述，介绍了核心芯片的选型，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件程序。让你安全的、快速的完成倒车动作。关键词：AT89S52；摄像头；超声波测距；液晶显示AbstractWith the rapid development of economy of our country, more and more people have owed their cars, at the same time, more and more accidents occur because of parking and reversing. carries the back-draft system in view of the overseas advanced video frequency monitoring vehicle, simultaneously meets pilots needs well, the track present age automobile electron development tendency, the present paper, in the existing vehicle carries the pronunciation and in the nixietube surveillance foundation, based on microminiaturization, low power loss, high velocity, high clear, high extended principle of design, utilizes the advanced sensor technology, the modern liquid crystal display technology, the microelectronic technology, the signal processing technology and the computer control technology, designs one kind of new Che Zai the high speed back-draft image supervisory system.The thesis introduces a kind of Car Intelligent back-draft safety systems design, This system is by the monolithic integrated circuit control circuit, the ultrasonic wave transmission and the accepting circuit, the ultrasonic sensor, the display circuit and the pronunciation alarm circuit is composed. When the automobile hangs up the reverse gear, obtains by the ultrasonic ranging module is away from the value by the camera gathering obstacle image and the obstacle which through the alphanumeric display terminal demonstration obstacle accurate information. The system completes the back-draft movement well by the direct-viewing accurate way reminder automobile pilot. The demonstration on the liquid crystal display monitor, lets behind your accurate assurance the state of roads.This article has made the detailed elaboration to above each part of software and hardware design, introduced the core chip shaping, peripheral circuits connection, between the chip and the chip junction circuit, the programming method and the corresponding software routine. Let you safe, fast complete the back-draft movement.Key words：AT89S52；Camera；Ultrasonic ranging；Liquid crystal display目 录第1章 绪 论11.1 智能倒车的概述11.1.1 智能倒车的国外现状11.1.2 智能倒车的国内现状21.2 智能倒车的意义3第2章 系统整体方案论证42.1 测距系统的方案设计42.2 控制系统的方案设计62.3 报警显示方案设计82.4 系统整体方案设计8第3章 系统硬件设计93.1 测距系统模块的设计93.1.1 超声波传感器的结构93.1.2 超声波传感器的布点设计113.1.3 超声波发射电路的设计113.1.4 超声波接收电路的设计123.1.5 测温电路的设计123.2 控制系统的设计153.2.1 AT89S52单片机153.2.2 单片机复位电路的设计173.2.3 时钟电路的设计183.2.4 电源电路的选取193.3 换向选通电路的设计193.4 显示报警模块的设计203.4.1 显示电路设计203.4.2 语音报警电路设计213.4.3 摄像头的选取22第4章 系统软件设计244.1 软件总体流程设计244.1.1 系统软件实现原理244.1.2 系统程序的构建244.2 智能倒车的意义264.3 智能倒车的意义26参考文献28致 谢29附 录30IV第1章 绪 论1.1 智能倒车的概述1.1.1 智能倒车的国外现状汽车电子产品生产是信息产业与汽车制造业融合后新成的新兴产业。汽车电子产品主要包括发动机电子、底盘电子、车身电子和汽车通讯和娱乐系统等四大类，像人们比较熟悉车载GPS导航系统、防盗系统、汽车空调、汽车音响、安全气囊、车载电话、倒车雷达、电视及中控锁等等。几乎所有的电子信息产品都可以应用于汽车整车，汽车领域70%的技术革新来自汽车电子产品。随着我国汽车工业的飞速发展，智能倒车作为一种安全类汽车电子产品已广泛应用于各种中高档汽车，形成了我国一个新兴的行业。 智能倒车由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。系统采用超声波测距原理，在控制器的控制下，由传感器发射超声波信号，当遇到障碍物时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理、判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出其他警示信号，得到及时警示，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。智能倒车按提示方式可分为数码显示、液晶、后视镜、可视雷达、语言和声音提示几种；目前使用较多的是数码显示、液晶显示和语音三种提示功能。按信号的接收方式倒车雷达又可分为无线传输和有线传输两种。无线倒车雷达是近年来随着无线传输技术的应用快速发展起来的新一代产品，就产品本身功能上来说，与有线倒车雷达的基本相同，没有什么突破，但该类产品最突出的卖点是在具有有线倒车雷达相同功能的前提下，在安装过程中避免了对汽车内饰结构改动而导致的破坏，缩短等候时间，因此该类产品严格意义上来说是一种意识创新、观念创新、服务创新的新产品。国外汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，不属于雷达(无线电波)的产品，最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪或泥尘覆盖，系统就会失效。最近在欧美出现的一种电磁感应倒车雷达。在一线路套上一环型的感应圈，以感应车后物体的有无。此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装困难(必须卸下保险杠贴在内侧)，而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停下再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。德国大众公司已经将超声波测距技术，应用在倒车雷达上，并且具有前视和后视功能，采用自举升压的方式驱动8路超声波传感器，目前国内引进车型对这一技术尚不能国产化，仍需要引进德国原厂成品安装。因此，实用性也相当有限。日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。据海外媒体报道，戴姆勒一克莱斯勒公司日前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，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由一控制器加上处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判断所发生状况是否需要利用刹车。未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，其过高的成本限制了它应用的普遍性。在底特律国际车展上，通用公司的Precept概念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有消火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓。1.1.2 智能倒车的国内现状随着我国汽车产业的高速发展，尤其是近两三年我国开始进入私家车时代，汽车电子产业成了新的增长点，汽车电子产品的高利润和市场广阔性倍受商家关注，音响和防盗器就是明证，近两年来，倒车雷达成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达，可以这么说，几乎生产防盗器的厂家都在生产倒车雷达。市场上经销的倒车雷达品牌多达几十种，在全国零售市场上销售的主要有固地、铁将军、伊莱、豪迪、奇贞、铭品、全安、佐敦、永泰和、俊邦视宝等品牌，基本上国产品牌占90%，而进口产品在终端市场上零售的较少。处在我国汽车用品大行业环境的繁荣背景下倒车雷达已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派激烈竞争的态势。这是我们表面上所能看到的行业现状。但倒车雷达作为一种特殊的电子类消费品，整个行业的发展与汽车工业的发展水平、汽车的消费趋势、汽车整车技术的更新速度密切相关，同时倒车雷达的销售市场存在于汽车生产企业到汽车购买用户这一条产业链的各环节。由于我国的倒车雷达产业是近两年才发展起来的，有相当一部分倒车雷达生产企业是从生产防盗器的厂家转行而来，因此起步晚，起点低，企业的规模小，资金和技术实力比较弱，所生产的产品技术含量低、功能单一、性能不稳定、产品的质量和外观方面也处于低水平层次，大部分企业及产品缺乏与倒车雷达安装配置率最高的中高档车整车生产企业的配套能力。所以与国外产品相比，无论在技术含量、产品功能质量、性能的稳定性方面，还是在产品的外观、品牌口碑、返修率等方面缺乏竞争力。国内倒车雷达产品的销售目前主要面向中低档市场，即以大众化终端消费市场为主。进入整车配套市场、中高档车4S店市场的倒车雷达一般是进口产品和少数国产品牌。1.2 智能倒车的意义随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。在享受汽车给我们带来的便利同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越来越少；另一方面，新司机及非专职司机越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。在以往的汽车事故的发生比例中，倒车引起的事故占28%，倒车已成为人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员本秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30%，路面相关事故的50%,迎面撞车事故的60%，改善倒车遇到的窘境被越来越少的人所关注，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可将车快速准确的停放到指定位置。汽车倒车中存在的困难，其一是来自于驾驶者坐在驾驶座位上无法了解汽车四周特别是后方的环境。驾驶者只能依赖后视镜观察后方障碍物，后视镜受其位置的限制，视野狭窄、清晰度差，根本无法达到倒车中后视的目的。其二是倒车驾驶者同时要兼顾前方、两侧的情况，必须扭身回头观察车辆后面的情况，体力和脑力消耗过大，易产生不安全因素。其三，倒车是一个复杂的工程，它依赖于驾驶者的驾驶经验、驾驶技巧及反应灵敏程度，任一环节出问题都导致驾驶员无法快速准确地完成倒车任务。本设计能够解决汽车的这种难题，当汽车挂上倒档时，把由摄像头采集的障碍物图像和由超声波测距模块测得的障碍物距离值通过显示终端显示障碍物的准确信息。系统以直观准确的方式提醒汽车驾驶员更好地完成倒车动作。显示于液晶显示屏上，让你准确把握后方路况。第2章 系统整体方案论证2.1 测距系统的方案设计目前智能倒车系统测距技术主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息判断前方车辆和本车的相对距离，并根据两车间危险性程度做出相应的预防措施。下面对其三种不同的测距技术方案进行介绍和比较。方案一 激光测距激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域中得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是：从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。在汽车测距系统中，激光测距的应用具有局限性、造价低、速度快、稳定性高等特点。但由于激光雷达测距仪器工作环境处于高速运动的车体中，震动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时激光测距方式受天气状态、汽车的震动及反射镜表面磨损、污染等因素影响较大，测距精度难以保证。所以在汽车防撞领域激光测距方式没有得到发展。方案二 红外线测距红外线测距和激光、超声波测距在原理上基本相同，均是根据发射波和反射时间来判断目标的距离，车载仪器通过发射并接收前方物体反射回来的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及汽车的距离。红外线的最大探测距离为10m，测距时响应的时间较慢，约为。红外线测距在技术上难度不大，构成的测距系统成本低，但是在恶劣的天气和长距离探测方面仍然不能满足汽车防撞的要求。同时，红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，有显著地热效应和较强的穿透云雾的能力。由于任何物体在任何时候都会发出红外线，而且人类肉眼感知不到红外线，具有较强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距的工作，故该种测距方法广泛应用在军用汽车上。方案三 超声波测距超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。在弹性煤质中，如果波源所激起的纵波的频率在20HZ到20000HZ之间，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动称为声振动，声振动所引起的纵波称为声波。频率高于20000HZ的机械波称为超声波，频率低于20HZ的机械波称为次声波。与光波不同，超声波式一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。电磁波的传播速度为，超声波在空气中的传播速度约为340（常温下），其速度与电磁波相差5个等级，其速度相对电磁波是非常慢的。由于超声波指定性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，并且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，因超声波经常用于多距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现，在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。由上述可知，超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度，一般应用在汽车倒车系统上。从以上三种测距技术方案的介绍可以看出各个传感器的优点和缺点：超声波技术主要用于短距离探测，成本低，制作安装简便，适应恶劣环境；红外线技术一般用于夜间环境，对环境适应性差；激光技术受天气影响较为严重。表2.1各种传感器性能比较 超声波 红外线 激光最大探测距离 10m 10m 可达150m响应时间 较快，约为15 慢， 较快，约为10探头磨损，污染 几乎没有影响 影响不大 很大 探头约20元一支成本比较 工作机理简易 约80元 约500元 探头易安装环境适应性 好，可以在恶劣 差，但在能见度低时 差，受恶劣环境 环境中 比其它光学系统好 影响综合以上考虑和实际应用条件，本系统的测距模块采用第五种方案。2.2 控制系统的方案设计在控制系统选择上，由于整个系统的设计涉及到数据处理，控制实时性等问题，选用基于微控制系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩小整个系统的体积。本系统是精密实时采集传输系统，需要控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据。方案一：采用上位、下位机的控制系统上、下位机技术（PC-PLC）是基于工业控制领域广泛应用得可编程序控制器（PLC）控制程序发展而来的。可编程控制器在PC-PLC技术中作为下位机，其运行可靠性得到了一致认可，PLC在系统中的作用是PLC系统的数据采集单元，现场数据采集单元利用网络技术将数据送到PLC控制主机，由PLC的主机（CPU）对数据进行处理，最后通过总线网络送至上位工业控制计算机PC。但是用可编程控制器PLC通过数据采集卡控制多个传感器的方式，这种方式多用于工业生产中，体积大，安装不方便，而且成本高。如图所示，计算机PC可编程控制器PLC继电器信号处理发送传感器发送传感器发送传感器发送传感器接收传感器发送传感器接收传感器发送传感器接收传感器发送传感器接收传感器发送传感器图2.2.1 上位、下位机的控制系统框图方案二：选用TI公司DSP控制器TMS320LF2407作为控制系统DSP控制发送传感器发送传感器发送传感器发送传感器发送传感器发送传感器图2.2.2 DSP控制系统框图如图所示，DSP控制器片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1SK字的数据/程序RAM，544字双口RAM和2K字的单口RAM；它采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得周期缩短33ns从而提高了控制器的实时控制能力，其可扩展的外部存储器总共192K字空间和高达40个可单独编程或复用的通用I/O引脚，五个外部中断，但外接硬件电路较多，体积将会增加，在系统安装上有些不便，相比之下成本要有所增加，其价格是单片机的五倍。方案三：微控制器选用ATMEL公司的AT89S52单片机的控制系统AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用ATMEL 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程FLASH使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节FLASH，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 FLASH AT89S52系统。综上所述选用方案三。2.3 报警显示方案设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用时极其广泛的，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED发光二极管，设计简单，易于安装，成本只要几元，但给出只是一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏，其成本则高一些。综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源，本系统采用LCD输出设备，由于全程显示的距离范围最大探测范围为10米之内，也要求显示出障碍物，所以采用显示屏加摄像头即可视倒车系统，可以让你更加智能的完成倒车动作。语音提示中的语音资源、程序代码都存放在AT89S52中的片内中， 当语音播报时，如检测到左后方有障碍物，则用语音播放：“左后方”；如右后方有障碍物，则语音播放：“右后方”；当检查到中间的传感器探测范围内有障碍特时，语音播放：“后方”。而连续播放提示的间隔，要大于或等于 3 秒，以免过于频繁的播报语音。本设计显示屏采用7寸头枕式支架式两用车载触摸液晶显示器，型号是D700T。语音提示则是用扬声器。2.4 系统整体方案设计本论文采用AT89S52单片机作为控制器，超声波发送与接收电路、显示电路及语音报警电路组成。单片机是整个系统的核心部件，协调各部分的电路的工作，单片机在超声波信号开始发射的同时开始计时，超声波信号在空气中传播遇到障碍物后发生反射，反射的回波信号经过处理后输入到单片机的INT1端产生中断，计数器停止计数，通过计数器测得的脉冲数可得到超声波信号往返所需要的时间，从而达到测距的目的。当汽车挂上倒档时，把由摄像头采集的障碍物图像和由超声波测距模块测得的障碍物距离值通过显示终端显示障碍物的准确信息。系统以直观准确的方式提醒汽车驾驶员更好地完成倒车动作。显示于液晶显示屏上，让你准确把握后方路况。系统整体框图如图所示，障碍物超声波传感器超声波发送模块超声波接收模块CPU倒车信号语音报警显示模块摄像头图2.4系统整体结构框图第3章 系统硬件设计3.1 测距系统模块的设计3.1.1 超声波传感器的结构利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。人们为研究和应用超声波，已发明和设计了许多类型的超声波发生器：机械方式和电气方式产生的超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率的声波特性都不相同。超声波传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2米，工作频率在60-300KHZ之间；中量程探测距离约为2-10米，工作频率在40-60KHZ之间；小量程探测距离约为20-50米，工作频率在16-30KHZ之间。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸被陶瓷复合晶体等。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声波传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体中。它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波传感器有两片压电陶瓷晶片和一块共振版。当在两电极加交变脉冲信号时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振版振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两片压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。通过对此信号的分析处理，可实现各种检测。压电陶瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率也要与它的固有谐振频率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波发射器才有较高的发射效率，接收器才有较好的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可方便地改变其固有频率。利用这一特性可制成各种频率的超声波传感器。用于遥控的超声波传感器的中心频率一般为40KHZ。本文采用的超声波发射器和接收器：UCMT40K1和UCMR40K1。测距系统的工作原理系统采用超声波测距原理。超声波是指振动频率在20以上的机械波。超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理器三部分组成。工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收遇到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到遇到障碍物反射返回的时间，根据超声波在介质中的传播速度，可以计算出障碍物距离。由于超声波也是一种波，其声速与温度有关，下表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。如图所示，温度 -30 -20 -10 0 10 20 30 10声速 313 319 325 323 338 344 349 386 温度与声速之间的关系3.1.2 超声波传感器的布点设计单传感器在应用中存在以下缺陷：(1)传感器扩散角小，导致传感器对空间信息检测的盲区大； (2)传感器工作周期较长，造成系统时域盲区大，实时性差。因此，传感器的数量选择要保证在获取环境信息的同时达到信息的最小化，在选定数量的前提下，尽量保证时间适用度参数达到最大值。考虑到汽车的形体、行驶的需求和程序控制的输入输出点数，按设计要求，本系统在汽车尾部安装多个超声波传感器，根据一般要求装4-6个较合适，本系统设计成4个测量通道，具体安装在汽车两侧中后部各安装一个传感器，尾部安装三个传感器，4个距离值由单片机进行处理运算。考虑汽车倒车雷达预警系统有4个测量通道，对4个探头采用扫描工作法，可以共用一个信号处理电路，达到降低成本的目的。3.1.3 超声波发射电路的设计超声波传感器采用UCM40T的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号。为了驱动UCM40T，电路的输入端接单片机扩展端口PB0，单片机执行输入的程序后，在PB0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过LM386放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。它是一个三级放大电路。当1脚和8脚之间开路时，电压增益为26DB；若在1脚和8脚之间接阻容串联元件，则增益可达46DB，改变阻容值则增益可在26DB-46DB之间任意选取，电阻值越小增益越大。电源电压 Vcc在4-12 V之间，输出功率Po为325mW，帯宽BW在1脚和8脚断开时为300kHZ。超声波传感器发射部分硬件电路如图3.1.3所示。 图3.1.3 超声波传感器发射部分的硬件电路3.1.4 超声波接收电路的设计接收探头采用与发射头配对的UCM40R，图3.1.4为超声波接收电路。CMOS非门D1 D3由R1偏置为线性放大器，总增益可达60bB以上，由于CMOS电路的输入阻抗较高，故能够很好与超声接收器件匹配。放大后的信号由C1耦合给锁相环译码器LM567的输入端3脚。当输入信号的频率落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平变为低电平，接到单片机的外部中断INT1上。图3.1.4 超声波传感器接收部分的硬件电路LM567 为通用锁相环电路音调译码器，用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。1、2脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。2脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽，电容值越大，环路带宽越窄。1脚所接电容的容量应至少是2脚电容的2倍。3脚是输入端，要求输入信号25mV。5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f21/1.1RC。8脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。3.1.5 测温电路的设计温度传感器的选择1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。传统的分立式温度传感器热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量，特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。2.模拟集成温度传感器。模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此又称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。3.虚拟温度传感器和网络温度传感器 1)虚拟传感器虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标。最近，美国BK公司已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。2)网络温度传感器网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用(Plug&PlAy)”，这样就极大地方便了用户。4.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。综上所述，本系统采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本论文的测温系统则是用测温器件DS18B20与AT89S52共同组成了最小的测温系统。(1) DS18B20简介DSl8820是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器。它的测温范围从-55到+125。分辨率为0.0625，在一10至+85范围内其测温准确度为。它体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结。它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根I/O口线。其供电电源可来源于单片机I/O口数据线，而无需额外电源。每片DSl8B20都有全球惟一的识别号。因而特别适合于构成多路多点温度测量系统。DSl8B20有3个管脚，分别是GND为地，DQ为数据输入输出端，该引脚漏极开路输出。常态下呈高电平。VDD不用时应接地。(2) 利用单片机AT89S52与DS18B20构成最小测温系统在该最小测温系统中，温度值存在单片机的内存中，需要时可以读出。AT89S521的RD用来与DSl8B20通信，接10k的上拉电阻以增加该I/O的驱动能力，只需一片AT89S52就可实现DSl8B20的温度读取。简化了硬件电路，提高了系统的可靠性而且还大大地降低了系统的硬件成本。AT89S52初始化后对DSl8B20发出转换温度值命令后，等待750ms(DS18B20最长转换时间)， 从RD口读出温度值，对读的温度值做相应的数据处理，然后实时将计算出来的某温度下超声波在介质中的速度值通过串口提供给AT89852单片机。图3.1.5 测温电路表3.1.5 温度一速度一变换速度一十进制一十六进制转换关系表温度速度32.768*B1十进制十六进制温度速度32.768*B1十进制十六进制0331.610865.8688108662A7217341.91911204.0018112042BC41332.20710885.759108862A8618342.511223.89112242BD82332.81410905.6492109062A9219343.111243.78112442BEC3333.42110925.5393109262AAE20343.711263.67112642C004334.02810945.4295109452AC121344.311283.56112842C145334.63510965.3197109652AD52234511303.45113032C276335.24210985.2099109852AE923345.611323.34113232C3B7335.84911005.1110052AFD24346.211343.23113432C4F8336.45611024.9902110252B1125346.811363.12113632C639337.06311044.8804110452B2526347.3811383.0134113832C7710337.6711064.7706110652B3927347.9911402.9036114032C8B11338.27711084.6607110852B4D28348.611422.7937114232C9F12338.88411104.5509111052B6129349.211442.6839114632CB313339.49111124.4411111242B7430349.8111462.5741114822CC714340.09811144.3313111442B8831350.4211482.4643115022CDA15340.70511164.2214111642B9C32351.0311502.3544115222CEE16341.31211184.1116111842BB033351.6211522.2446115422D023.2 控制系统的设计3.2.1 AT89S52单片机1. 主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作：0Hz33Hz 、 三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。2. 功能特性描述 AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。3.2.2 单片机复位电路的设计复位电路目的：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环。复位电路有各种各样，但是工作环境恶劣，复位电路要求严格，本系统中采用MAX5045芯片专做复位芯片。采用5045最主要特点有：(1) 512字节串行EEPROM；(2)集成了可编程看门狗定时器(可设定看门狗超时时间，典型时间200ms、600ms、1.4s或禁止)；(3)上电复位及低电压检测，即在上电和VCC低于检测门限时，输出复位信号。X5045输出复位高电平有效，确保直至VCC=1V复位信号仍有效；(4)编程的复位门限。需加高