超聲波測距離在汽車上的應(yīng)用

歡迎下載本文檔參考使用，如果有疑問或者需要CAD圖紙的請聯(lián)系q1484406321目 錄摘 要IXAbstractX第一章 緒論11.1課題背景11.2國內(nèi)汽車倒車?yán)走_預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀11.3本課題研究內(nèi)容2第二章 超聲波倒車?yán)走_測量儀的測量原理32.1超聲波32.1.1超聲波概念及特點32.1.2超聲波傳播速度32.1.3超聲波頻率32.2超聲波傳感器42.3超聲波倒車?yán)走_測量原理5第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1硬件電路整體結(jié)構(gòu)說明73.2電源設(shè)計73.2.1 復(fù)位電路設(shè)計83.3超聲波發(fā)射電路93.3.1 MSP430單片機93.3.2發(fā)射電路方案選擇103.4超聲波接收電路123.4.1運算放大器NE5532簡介133.4.2 LM567及鎖相環(huán)電路133.4.3光電隔離電路及光耦6N136153.5 溫度補償電路163.5.1數(shù)字溫度傳感器DS18B20163.5.2 DSl8B20工作過程及時序203.5.3 DS18B20與單片機接口電路223.6 LCD顯示電路233.6.1 LCD模塊LCM12864H233.6.2 LCM12864H與單片機接口電路243.7 語音提示電路25第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計284.1系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)284.2超聲波發(fā)射接收程序284.3溫度測量程序294.3.1溫度測量程序流程圖304.4液晶顯示程序314.5聲音提示程序31第五章 系統(tǒng)誤差分析33第六章 總結(jié)34參考文獻35附錄1：總電路圖36附錄2：翻譯37超聲波測距離在汽車上的應(yīng)用摘 要本文探討了超聲波測距離在汽車上的應(yīng)用問題，也就是我們常說的倒車?yán)走_，即一種汽車倒車?yán)走_測量預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)在常見的汽車倒車預(yù)警裝置的基礎(chǔ)上采用計算機控制技術(shù)和超聲波測距技術(shù)，通過顯示障礙物與汽車的距離并根據(jù)其距離遠近實時發(fā)出報警，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，提高了駕駛安全性。本文在研究汽車倒車?yán)走_測量預(yù)警系統(tǒng)過程中,運用理論分析，電路設(shè)計和計算機仿真等研究手段,完成了倒車?yán)走_預(yù)警系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計。該系統(tǒng)分為測距模塊、系統(tǒng)控制模塊和顯示報警模塊，并分別對其進行方案分析，構(gòu)建了倒車?yán)走_測量預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)架和設(shè)計方案。在硬件電路中詳細闡述了運用單片機技術(shù)實現(xiàn)的倒車?yán)走_預(yù)警系統(tǒng)的測距原理，分析了以MSP430單片機為主控單元的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計,并對該系統(tǒng)進行了試驗和誤差分析，給出了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)。試驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)對室內(nèi)有限距離的距離測量具有較高的精度，實現(xiàn)了倒車提示和距離報警功能。關(guān)鍵詞：超聲波；倒車?yán)走_；溫度補償；MSP430；距離測量Ultrasonic distance measurement in automotiveapplicationsAbstractThis article treats of ultrasonic pacing out distances in cars in which the application, we often say that a radar, reversing the car into reverse in the early warning radar system, in common the car into reverse warning apparatus on the basis of computer controlled by technology and ultrasound range of technical and obstacles to show the distance, according to its distance from far and near real-time a call the police, from parking and start when the vehicle and visit the trouble of driving security. Based on the research vehicle reversing early warning radar system process, the use of theoretical analysis, design and computer simulation, and other research tools, completed a reverse early warning radar system hardware and software design. Ranging module into the system, the system control module and display alarm module, respectively, and their program of construction of a reversing early warning radar system of systems architecture and design programs in the hardware circuit in detail the use of the SCM technology Visual reversing range early warning radar system to achieve the principle of a MSP430 MCU control unit for the system hardware and software design, and the system was tested and error analysis, given the stability of the system indicators The results show that the system of limited indoor range of distance measurement with higher precision, to achieve a prompt and distance, reversing alarm function.Keywords：Ultrasound；reversing radar； temperature compensation；MSP430；distance measurement59第一章 緒論1.1課題背景隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)增長和汽車價格的持續(xù)下降，越來越多的家庭擁有自己的汽車。在享受汽車給我們帶來的便利同時，由于倒車而產(chǎn)生的問題也日益突出。一方面汽車的數(shù)量逐年增加，公路、街道、停車場和車庫擁擠不堪，可轉(zhuǎn)動的空間越來越少；另一方面，新司機及非專職司機越來越多，因倒車引起的糾紛越來越多，車輛之間、車輛與人、車輛與墻壁等障礙物之間的碰撞時有發(fā)生。在2009年汽車事故的發(fā)生比例中，倒車引起的事故占28%，倒車己成為令人們頭痛的一項任務(wù)，即使是經(jīng)驗豐富的司機也在抱怨倒車是件費力費神的事。駕駛者只能依賴后視鏡觀察后方障礙物，后視鏡受其位置的限制，視野狹窄、清晰度差，根本無法達到倒車過程中后視的目的。其二是倒車時駕駛者同時要兼顧車輛前方、兩側(cè)的情況，必須扭身回頭觀察車輛后面的情況，體力和腦力消耗過大，易產(chǎn)生不安全因素。其三，倒車是一個復(fù)雜的工程，它依賴于駕駛者的駕駛經(jīng)驗、駕駛技巧及反應(yīng)靈敏程度，任意環(huán)節(jié)出問題都導(dǎo)致駕駛員無法快速準(zhǔn)確地完成倒車任務(wù)。解決汽車的倒車難問題目前有兩種思路：一是寄希望于汽車自動駕駛技術(shù)及其配套設(shè)施的日益成熟，目前這項技術(shù)只用于少量高檔豪華車上，短期內(nèi)未能全面推廣應(yīng)用；第二是采用簡單的汽車倒車預(yù)警系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)的汽車倒車預(yù)警系統(tǒng)的功能簡單，駕駛員仍然需要通過后視鏡去判斷車后的物體，以及通過估計汽車和車后障礙物的距離完成倒車任務(wù)。本文研究的汽車倒車預(yù)警系統(tǒng)屬于第二種思路，它在常見的汽車倒車預(yù)警裝置的基礎(chǔ)上進行改進，能在很大程度地解決倒車難題，同時也為汽車自動駕駛的研究應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)汽車倒車?yán)走_預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，近兩三年我國開始進入私家車時代，交通事故發(fā)生的頻率也在增加，為提高汽車運行的安全性。倒車?yán)走_預(yù)警系統(tǒng)不僅深受駕駛員的青睞，也逐漸成為汽車電子產(chǎn)業(yè)中新的增長點。尤其是近兩年來，倒車?yán)走_成了商家的電子新愛，眾多生產(chǎn)防盜器的廠家紛紛涉足倒車?yán)走_，處在我國汽車電子行業(yè)環(huán)境的繁榮背景下倒車?yán)走_已漸漸形成一個較大的行業(yè)，而且已呈現(xiàn)出一派激烈競爭的態(tài)勢。倒車?yán)走_系統(tǒng)經(jīng)歷了三個階段，六代的技術(shù)改良。從早期的倒車防撞儀，只能測試車后有限范圍的障礙物，并發(fā)出警報，發(fā)展到根據(jù)距離遠近程度分段報警，前兩個階段的倒車?yán)走_一般采用專用集成電路，功能較簡單。隨著人們對汽車駕駛輔助系統(tǒng)易用性要求的提高，以及單片機價格不斷下降和汽車電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求，新型的倒車?yán)走_都是以單片機為核心的智能測距傳感系統(tǒng)。要求倒車?yán)走_連續(xù)測距并顯示障礙物距離，并采用不同間歇鳴叫頻率的聲音報警提示距離，讓駕駛員全神貫注地注視場景。汽車電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展還要求作為駕駛輔助系統(tǒng)子系統(tǒng)的倒車?yán)走_具有通信功能，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車總線上。如最為先進的倒車?yán)走_系統(tǒng)為智能可視倒車?yán)走_系統(tǒng)，它在車尾部裝上針孔攝像頭，倒車時可以在顯示屏上顯示車后的真實圖像。在前段時間上市的由東風(fēng)日產(chǎn)汽車有限公司乘用車公司推出的全新一代藍鳥至尊，最引人注目的是它配備倒車影像顯示和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這兩項配置在同級別的轎車上可謂絕無僅有，有效提升了藍鳥的檔次。直接將高級別汽車的智能化從概念引入了應(yīng)用。在駕駛者掛入倒擋時，中控臺上的液晶顯示屏?xí)詣忧袚Q畫面，將車尾攝像頭拍下的環(huán)境狀況展示在駕駛者眼前，最大程度的方便泊車，這項功能在夜間尤其具有價值。而它的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，使日產(chǎn)成為繼豐田之后又一個將導(dǎo)航定位系統(tǒng)引入國內(nèi)的廠家。1.3本課題研究內(nèi)容本文采用脈沖回波法，選用TI公司的MSP430高速低功耗單片機作為整個測量系統(tǒng)的核心部件，并運用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行溫度補償，加以用液晶顯示模塊和聲音提示模塊，能夠直觀的顯示出測量內(nèi)容，設(shè)計出了結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，功能完善，性能穩(wěn)定的硬件結(jié)構(gòu)和較為合理的系統(tǒng)軟件，并對硬件和軟件進行了相關(guān)的測試。軟件編程采用通用性較強的C語言，基于程序設(shè)計功能模塊化的思想，設(shè)計出了超聲波發(fā)射和接收程序模塊，溫度測量程序模塊和液晶顯示程序模塊。第二章 超聲波倒車?yán)走_測量儀的測量原理2.1超聲波2.1.1超聲波概念及特點超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，是機械振動在媒介中的傳播過程，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、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波是人耳聽覺范圍值以上的振動，頻率范圍在 10kHz 到 1THz 之間，常用頻率大約在 10kHz 到 10MHz之間。超聲波的波型分縱波、橫波、瑞利波和表面波。超聲波按傳播方式可分為縱波和橫波?？v波的傳播方向與質(zhì)點的振動方向一致，縱波可以在氣液和固體中傳播。橫波的傳播方向垂直于質(zhì)點的振動方向橫波只能在固體中傳播。超聲波的物理性質(zhì)有：反射與折射、衰減與吸收、疊加與干涉等。2.1.2超聲波傳播速度由于超聲波也是一種聲波，超聲波在傳播介質(zhì)中的傳播的速度和介質(zhì)的特性有關(guān)。理論上，在13的海水里，聲音的傳播速度是1500m/s。在25的空氣中傳播的速度是344m/s，在溫度為0時的速度是334m/s。超聲波的傳輸速度和聲波一樣，超聲波在空氣中傳播時，空氣的溫度、大氣壓力、濕度等都對超聲波的聲速有影響，其中溫度對速度的影響最大。超聲波在空氣中傳播時，傳輸速度和溫度的關(guān)系可以由公式（2-1）來表示： （2-1）在測量過程中，如果溫度變化不大，則可以認為聲速是不變的。如果對測量精度要求較高，為了減小誤差，避免因環(huán)境溫度變化而帶來的偏差，必須對環(huán)境溫度進行檢測，通過溫度補償?shù)姆椒▽β曀龠M行校正，以實現(xiàn)能夠精確測量。2.1.3超聲波頻率超聲波在傳播過程中，衰減系數(shù)與聲波介質(zhì)以及頻率的關(guān)系為 （2-2）其中，a為衰減系數(shù)，b為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣中，。其物理意義為，聲波在空氣中傳播，由于空氣運動摩擦的原因，能量被吸收損耗。由公式（2-2）可知，超聲波的頻率越高，衰減也就越大，其傳播的距離也就越短。傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現(xiàn)象所導(dǎo)致的在地球表面上的擴散損失，也是因為介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖2-1所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，波的傳播距離也就越短。圖2-1 聲壓在不同距離下的衰減特性超聲波傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要參數(shù)，它直接影響超聲波的擴散和吸收損耗，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。對于不同占空比的超聲波，其發(fā)送接收效率不同，一般50%的占空比頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳。2.2超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。目前超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛型、液哨型和氣流旋笛型等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在超聲波測距的應(yīng)用中，最為常用的是壓電型傳感器。壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。其結(jié)構(gòu)原理如圖2-2所示 。圖2-2 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當(dāng)它的兩電極板加脈沖信號(觸發(fā)脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，電能轉(zhuǎn)換為機械能，此現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。機械能以波動的方式向外輻射傳播，產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，此時的傳感器就成了超聲波接收器。壓電型超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是諧振器以及由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體。諧振器呈喇叭形諧振器金屬片喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且壓電陶瓷可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。圖2-3 壓電型超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖2.3超聲波倒車?yán)走_測量原理通常，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時， 壓電晶片將會發(fā)生共振, 并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。在超聲波探測電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔，被測物距越遠，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響，精度不高。本文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其測量原理圖如圖2-4 所示。 圖2-4超聲波測距原理圖傳感器發(fā)出40KHz 超聲波, 但并不是單獨發(fā)射一個脈沖,而是一串的幾個脈沖, 并對測量邏輯電路提供一個短脈沖，開始計時,超聲波接收器接收到遇到障礙而返回的脈沖串前端, 同樣也對測量邏輯電路提供一個短脈沖,計時結(jié)束,這就得到了超聲波運行時間間隔t(s), 結(jié)合空氣中超聲波傳播速度v(m/s),根據(jù)運動定律, 我們便得到所要測量的目標(biāo)距離S(m) :S=Vt/2 (2-3)然而，超聲波在空氣中傳播的速度V 和空氣的溫度有關(guān)。溫度補償：在理想氣體中, 超聲波傳播速度可表述為: (2-4)其中, 為氣體的比熱值, R 為氣體常數(shù), T 為熱力學(xué)溫度, 為氣體的分子量。由(2-4)可知:聲速與熱力學(xué)溫度的平方根成正比, 溫度越高聲速越大。實驗表明, 實用的溫度值經(jīng)驗公式為: (2-5)對于T 值, 可使用溫度傳感器采集并送給單片機進行計算。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件電路整體結(jié)構(gòu)說明超聲波倒車?yán)走_測量系統(tǒng)框圖如圖3-1。液晶顯示、報警 MSP430F147單片機溫度檢測超聲波發(fā)射端及驅(qū)動電路超聲波接收端及放大鎖相電路圖3-1 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖系統(tǒng)主要由五個部分組成：單片機控制部分，液晶顯示、報警部分，溫度檢測部分，超聲波發(fā)射部分和超聲波接收部分。單片機控制部分用來產(chǎn)生40kHz的方波，并測量出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，驅(qū)動液晶顯示模塊，采集溫度測量部分的溫度信息以及進行數(shù)據(jù)的處理。溫度測量部分用來測量環(huán)境溫度，對溫度進行補償，來減少環(huán)境溫度變化對測量精度的影響。LCD部分用來顯示測量的結(jié)果，即可以顯示出距離。發(fā)射部分由單片機產(chǎn)生的40KHz方波信號作為控制信號，控制驅(qū)動電路使超聲波傳感器發(fā)射出超聲波。超聲波接收部分則負責(zé)對超聲波接收傳感器產(chǎn)生的電信號進行濾波放大，經(jīng)過檢波電路，產(chǎn)生接收中斷信號，使單片機能夠計算出超聲波發(fā)射到接收所消耗的時間。3.2電源設(shè)計在本系統(tǒng)中，使用到了多種電源，有+24V，12V，+5V，+3.3V及+3V。超聲波發(fā)射驅(qū)動電路使用到的是+24V，運算放大器NE5532使用的電源是12V，光耦6N136及集成鎖相環(huán)路解碼器LM567使用的是+5V的電源，聲音提示芯片ISD4004使用的是+3V的電源，而單片機MSP430F147和LCD模塊LCM12864H使用的是+3.3V。由于本課題設(shè)計的對象不是便攜式產(chǎn)品，使用的電源是汽車電瓶12V電壓。為了減少設(shè)計任務(wù)，本文選用的是獨立的開關(guān)電源模塊，能夠輸出12V和+5V的直流電。但要獲得+3.3V的電源，還需要進行電源的設(shè)計。獲得+3.3V電源的方法有多種，如用電阻分壓、使用電源芯片等。為了簡化電路，本系統(tǒng)采用的是電源管理芯片LD1117，輸出為+3.3V，如圖3-2所示。圖3-2 電源電路圖3.2.1 復(fù)位電路設(shè)計在單片機系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)在上電時進行初始化，同時也為了保證對電源的監(jiān)視，需要采用復(fù)位芯片，如圖3-3所示。 圖3-3 復(fù)位電路 3.3超聲波發(fā)射電路超聲波傳感器發(fā)出超聲波，需要40KHz的激勵信號源。在前面已經(jīng)提到過最好的激勵源是40KHz，占空比為50%的激勵源。而產(chǎn)生40KHz信號的方法有多種，如使用LC振蕩電路、555時鐘電路、單片機發(fā)生等等。由于前兩種方法產(chǎn)生40KHz的信號電路復(fù)雜，性能不夠穩(wěn)定，而本系統(tǒng)采用單片機，利用其定時器產(chǎn)生40KHz的方波。在單片機的選擇中，本系統(tǒng)選用的是MSP430147單片機，它較傳統(tǒng)使用的51單片機的最大優(yōu)點是高速低功耗，性能有極大的提高，開發(fā)成本低，下面就MSP430單片機進行簡單的介紹。3.3.1 MSP430單片機MSP430系列超低功耗單片機是TI公司推出的一種新型單片機。其外部引腳圖如圖3-4，主要功能部件有CPU：MSP430系列單片機的CPU和通用微處理器基本相同，只是在設(shè)計上采用了面向控制的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨而設(shè)計的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強了MSP430的實時處理能力。 存儲器：存儲程序、數(shù)據(jù)以及外圍模塊的運行控制信息。有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。對程序存儲器訪問總是以字的形式取得代碼，而對數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)方式訪問。其中MSP430各系列單片機的程序存儲器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。 外圍模塊：經(jīng)過MAB、MDB、中斷服務(wù)及請求線與CPU相連。MSP430不同系列產(chǎn)品所包含外圍模塊的種類及數(shù)目可能不同。它們分別是以下一些外圍模塊的組合：時鐘模塊、看門狗、定時器A、定時器B、比較器A、串口0、1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、端口、基本定時器、DMA控制器等。 MSP430特點有：(1)功耗低,典型功耗是:2.2V時時鐘頻率1MHz時，活動模式為200uA ，關(guān)閉模式時僅為0.1uA，且具有5種節(jié)能工作方式。(2)高效16位RISC結(jié)構(gòu)CPU,27條指令，8MHz時鐘頻率時指令周期時間125ns，絕大多數(shù)指令一個時鐘周期完成，32kHz時鐘頻率時16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片20MHz 時鐘頻率時的執(zhí)行速度。(3)低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.8V3.6V。(4)靈活的時鐘系統(tǒng)(兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘)。(5)低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信。(6) 具有串行在線編程能力。(7)強大的中斷功能。(8)喚醒時間短,從低功耗模式下喚醒僅需6us。(9) ESD保護： 抗干擾力強。基于以上特點，該系列單片機在便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制、家庭自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍。MSP430 產(chǎn)品系列可以提供多種存儲器容量組合的選擇，從14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)到液晶顯示器(LCD) 驅(qū)動電路的混合信號外設(shè)，可根據(jù)需要進行選擇，簡化了各類應(yīng)用的電路設(shè)計。且集成時鐘、集成LCD 驅(qū)動電路、集成A /D、D/A轉(zhuǎn)換器，使硬件簡化,所需外部元件極少。MSP430的16位定時器中斷可用于事件計數(shù)，時序發(fā)生，PWM 等；是應(yīng)用于工業(yè)控制的理想配置。DCO為單片機系統(tǒng)提供一個內(nèi)部時鐘源并具有鎖相環(huán)，當(dāng)XTALT2 沒有提供時，系統(tǒng)依靠DCO 運行，整個時鐘配置可以通過DCOCTL 、BCSCTL1、BCSCTL2 和SR 等控制寄存器中相應(yīng)的位來選擇和控制以滿足用戶對系統(tǒng)的要求。不同型號單片機的存儲器容量和外圍模塊各不相同，使用者可以根據(jù)需要具體選擇適應(yīng)工業(yè)級應(yīng)用環(huán)境。圖3-4 MSP430F147系列外部引腳圖3.3.2發(fā)射電路方案選擇單片機發(fā)出的信號是不能夠直接驅(qū)動超聲波傳感器的，還需加驅(qū)動電路。超聲波反射回后，能量會減弱，在距離較遠的情況下會減小的更弱。此時超聲波傳感器有可能檢測不到回波，或檢測到回波后發(fā)出的電信號只有毫伏級甚至是微伏級，這樣就影響測量范圍和測量精度。因此為了加大超聲波的測量范圍，驅(qū)動電路需要較大的驅(qū)動能力。超聲波發(fā)射驅(qū)動電路的方法有多種，常用到的驅(qū)動方法有如圖3-5所示四種。(a) (b) (c)(d)圖3-5 發(fā)射驅(qū)動電路圖其中圖3-5（a）、（c）所示電路所用元件較少，結(jié)構(gòu)也較簡單，但是它們的驅(qū)動能力有限，不能使超聲波傳感器發(fā)出較大的超聲波能量，只適用測量范圍較小的場合使用。圖3-5（b）所示電路中使用一個了變壓器，其體積較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是其有較強的驅(qū)動能力。而本系統(tǒng)設(shè)計的要求是電路結(jié)構(gòu)簡單，所以不予采用。圖3-5（d）所示電路選用的是常用的高速開關(guān)型的MOSFET IRF120，其體積較小，具有很高的工作電壓，導(dǎo)通時間比較快，導(dǎo)通電阻也比較小，因此比較適合使用在本系統(tǒng)中。經(jīng)過實驗證明，該驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動能力強，符合設(shè)計要求。所以整體發(fā)射電路如圖3-6所示。圖3-6 整體超聲波發(fā)射驅(qū)動電路圖3.4超聲波接收電路接收電路中，超聲波傳感器將接收到的超聲波能量轉(zhuǎn)換成電能，但其電能非常弱小。為了滿足后續(xù)信號處理的需求，必須對接收信號進行放大處理。接收部分主要由超聲波接收傳感器、放大電路、鎖相環(huán)電路等環(huán)節(jié)組成，如圖3-7所示。其中放大電路是一個放大倍數(shù)較高的兩級運算放大器，其功能是將從被測物體反射回來的微弱信號進行整形放大后送入鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)電路再根據(jù)放大后的信號進行檢測，若檢測到的信號為超聲波反射回來產(chǎn)生的信號，就會產(chǎn)生脈沖信號，送入計數(shù)控制電路部分。本文采用的是常用的運算放大器NE5532，其常用作音頻電路的前置放大。圖3-7 超聲波接收驅(qū)動電路圖3.4.1運算放大器NE5532簡介NE5532是高性能低噪聲運放，與很多標(biāo)準(zhǔn)運放相似，它具有較好的低噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號放大性能與電源帶寬，高信號響應(yīng)速率，還具有輸入保護二極管和輸出短路保護。其性能指標(biāo)如下：（1）小信號帶寬：10MHz；（2）輸出驅(qū)動能力：600，10V；（3）輸入噪聲電壓：5nV/HZ（典型值）；（4）DC電壓增益：50000；（5）AC電壓增益：10KHz時2200；（6）電源帶寬：140KHz；（7）轉(zhuǎn)換速率：9V/S；（8）大電源電壓范圍：320V。3.4.2 LM567及鎖相環(huán)電路本文設(shè)計的系統(tǒng)方案中，在放大電路后面還加入了鎖相環(huán)電路，集成鎖相環(huán)路解碼器LM567是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的56系列集成鎖相環(huán)路中的一種。其同類產(chǎn)品還有美國Signetics公司的SE567/INE567等。LM567是一個高穩(wěn)定性的低頻集成鎖相環(huán)路解碼器由于其良好的噪聲抑制能力和中心頻率穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備中的解碼以及AM、FM信號的解調(diào)電路中。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信、對講機亞音頻譯碼、遙控等。LM567為8腳直插式封裝，其引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。LM567內(nèi)部包含了兩個鑒相器PD1及PD2、放大器AMP、電壓控制振蕩器VCO等單元電路。鑒相器PD1、PD2均采用雙平衡模擬乘法器電路，在輸入小信號情況下(約幾十毫伏)，其輸出為正弦鑒相特性，而在輸入大信號情況下(幾百毫伏以上)，其輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性(三角)鑒相特性。鎖相環(huán)路輸出信號由電壓控制振蕩器VCO產(chǎn)生，電壓控制振蕩器的自由振蕩頻率(即無外加控制電壓時的振蕩頻率)與外接定時元件Rt、Ct的關(guān)系式為：Fo1/1.1Rt*Ct （3-1）圖3-8 LM567內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖LM567的工作電壓范圍是4.75-9V，工作頻率可達500KHz，靜態(tài)工作電流僅8mA，第3腳是信號輸入腳，要求輸入信號大于25mA，第8腳是邏輯輸出腳，允許最大灌電流為100mA，第5、6腳外接的電阻、電容決定了IC內(nèi)部壓控振蕩的中心頻率。第1、2腳通常是分別對地接電容，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路低通濾波網(wǎng)絡(luò)，其中2腳所接電容決定鎖相環(huán)的捕捉帶寬，電容數(shù)值越大，環(huán)路帶寬越窄。在輸入信號幅度小于200mV時，可用公式（3-2）計算，當(dāng)輸入信號幅度大于200mV之后，帶寬不會再增加。 （3-2）式中 ,Vi 為輸入信號的幅值(rms)，C2 為濾波電容的容量(單位為F)。鎖相環(huán)電路如圖3-9所示，鎖相環(huán)電路的作用是經(jīng)過放大后的接收信號從3腳輸入鎖相環(huán)電路，當(dāng)該信號為40KHz，即確定為接收到的回波信號，在8腳上將輸出低電平。而在平時8腳輸出的是高電平，當(dāng)單片機檢測到該腳上的輸出的電平由高到低的跳變時，將產(chǎn)生中斷，計算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間。圖3-9 鎖相環(huán)電路3.4.3光電隔離電路及光耦6N136本系統(tǒng)的設(shè)計思想是把本系統(tǒng)設(shè)計成兩大部分，一部分是主機部分，由單片機電路和按鍵顯示部分組成。另一部分是信號測量部分，由超聲波發(fā)射接收部分組成。主機部分放置在地面工作的地方，測量部分則安裝在車尾和車的側(cè)邊。由于兩部分傳輸距離較遠，因此在本系統(tǒng)中還應(yīng)用了光電隔離電路。其作用是能夠?qū)纹瑱C發(fā)出的40KHz脈沖波進行隔離并放大，使之能夠傳輸?shù)捷^遠的距離，采用的光耦是6N136。高速光耦6N136是日本東芝公司生產(chǎn)的具有優(yōu)良特性的光電耦合器件，它內(nèi)部封裝一個高度紅外光管和光敏三級管。圖3-10所示為6N136的管腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。6N136具有體積小、壽命長、抗干擾性強、隔離電壓高、高速度、與TTL邏輯電平兼容等優(yōu)點，可用于隔離線路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、長線傳輸、過流保護、高壓抑制、電平匹配、線性放大等方面。表3-1給出了6N136的主要性能參數(shù)。圖3-10 6N136結(jié)構(gòu)原理圖表3-1 6N136性能參數(shù)參數(shù)輸入特性輸出特性傳輸特性隔離特性最大工作電流正向壓降輸出電流工作電壓傳輸比隔離阻抗極間耐壓極間電容符號IFVFIOVCCCTRRI-OBVSCI-O單位mAVmAV%VnmsPF6N136251.6581518101225000.63.5 溫度補償電路從前文已知，溫度對超聲波速度的影響非常大，需要對測量系統(tǒng)進行溫度補償。本文采用的溫度傳感器是一線制數(shù)字集成溫度傳感器DS18B20。如圖3-11所示。圖3-11 溫度補償電路3.5.1數(shù)字溫度傳感器DS18B20DS18B20 是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司繼DS1820 之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms 內(nèi)完成9 位和12 位的數(shù)字量，而且從DS18B20 讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS18B20有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。DS18B20具有下列主要特性：(1) 獨特的單線接口方式: DS18B20 與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通訊。(2) 在使用中不需要任何外圍元件。(3) 可用數(shù)據(jù)線供電, 電壓范圍: + 3.0+ 5.5V。(4) 測溫范圍: - 55 + 125 。固有測溫分辨率為0.15 。(5) 通過編程可實現(xiàn)9 12 位的數(shù)字讀數(shù)方式。(6) 用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。(7) 支持多點組網(wǎng)功能, 多個DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上, 實現(xiàn)多點測溫。(8) 負壓特性, 電源極性接反時, 溫度計不會因發(fā)熱而燒毀, 但不能正常工作。DS18B20采用3腳PR235封裝或8腳SOIC封裝,管腳排列如圖3-12所示。圖中GND為地 ,DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出腳(單線接口,可作寄生供電),VDD為電源電壓。圖3-12 DS18B20的管腳排列DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。它主要由 64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器組成。圖3-13 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖激光ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該 DS18B20自身的序列號，最后8 位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC碼）。光刻 ROM 的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，用16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供以 0.062 5/LSB 形式表達，例如+125的數(shù)字輸出為 07D0H，+25.062 5的數(shù)字輸出為 0191H，-25.062 5的數(shù)字輸出為 FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H，如表3-2所列。表3-2 溫度值對照表溫度數(shù)字輸出量（二進制）數(shù)字輸出量（十六進制）+1250000 0111 1101 000007D0+25.06250000 0001 1001 00010191+10.1250000 0000 1010 001000A2+0.50000 0000 0000 1000000800000 0000 0000 00000000-0.51111 1111 1111 1000FFF8-10.1251111 1111 0101 1110FF5E-25.06251111 1110 0110 1111FF6F-551111 1100 1001 0000FC90DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH、TL（TH和TL分別為最高和最低檢測溫度）作比較。若TTH或TTL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行告警探索搜索。一旦某測溫點越限，主機利用告警搜索命令即可識別正在告警的器件，并讀出其序號，而不必考慮非告警器件。高低溫報警觸發(fā)器TH 和 TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的 EEPROM 組成，使用一個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。配置寄存器由R0和R1組成。R1、R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)R1R0=00，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時間93.75ms；R1R0=01，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時間187.5ms；R1R0=10，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時間375ms；R1R0=11，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時間750ms；未編程時默認為12位精度。分辨率設(shè)定及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后仍然保存。高速暫存器是一個9字節(jié)的存儲器，如表3-3所列。開始兩個字節(jié)包含被測溫度的數(shù)字量信息；第3、4、5 字節(jié)分別是TH、TL、配置寄存器的臨時復(fù)制，每一次上電復(fù)位時被刷新；第6字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第7、8字節(jié)為計數(shù)剩余值和每度計數(shù)值；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。表3-3 DS18B20高速暫存器分布暫存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度最高數(shù)字位0溫度最低數(shù)字位1高溫限值2低溫限值3配置寄存器4保留5計數(shù)剩余值6每度計數(shù)值7CRC校驗8DS18B20的測溫原理如圖3-14所示。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘脈沖信號通過由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被計數(shù)，通過該計數(shù)值來測量溫度。計數(shù)器被預(yù)置為與 - 55對應(yīng)的一個基數(shù)值 ,如果計數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結(jié)束前計數(shù)到零 ,表示測量的溫度高于 - 55 ,被預(yù)置在 - 55的溫度寄存器的值就增加一個增量 ,同時為了補償溫度振蕩器的拋物線特性 ,計數(shù)器被斜率累加器所決定的值進行預(yù)置 ,時鐘再次使計數(shù)器計數(shù)直至零 ,如果開通時間仍未結(jié)束 ,那么重復(fù)此過程 ,直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結(jié)束為止。這時溫度寄存器中的值就是被測的溫度值。圖3-14 DS18B20測溫原理圖3.5.2 DSl8B20工作過程及時序DSl8B20工作過程中的協(xié)議如下 初始化ROM操作命令存儲器操作命令處理數(shù)據(jù) 1、初始化 單總線上的所有處理均從初始化開始 2、ROM操作指令 總線主機檢測到DSl820的存在便可以發(fā)出ROM操作命令之一3、存儲器操作命令 指令代碼 Write Scratchpad(寫暫存存儲器) 4EH Read Scratchpad(讀暫存存儲器) BEH Copy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲器) 48H Convert Temperature(溫度變換) 44H Recall EPROM(重新調(diào)出) B8H Read Power supply(讀電源) B4H 4、時 序 主機使用時間隙(time slots)來讀寫DSl8B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位 (1) 初始化 主機總線在to時刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電平信號)接著在tl時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)DSl820在檢測到總線的上升沿之后等待15-60us接著DS18B20在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60-240 us)如圖3-15中虛線所示 。以下子程序在MCS51仿真機上通過其晶振為12M。 圖3-15初始化程序(2) 寫時間隙 當(dāng)主機總線to時刻從高拉至低電平時就產(chǎn)生寫時間隙見從to時刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DSl820在to后15-60us間對總線采樣，若低電平寫入位，那么高電平寫入的位從1連續(xù)寫2位間的間隙應(yīng)大于1us 。如圖3-16所示。圖3-16 寫0寫1時序(3) 讀時間隙 主機總線to時刻從高拉至低電平時，總線只須保持低電平，l 7ts之后在t1時刻將總線拉高產(chǎn)生讀時間隙，在t1時刻后t2時刻前有效t2距to為15 us也就是說在t2時刻前主機必須完成讀位并在to后的60us120us內(nèi)釋放總線 。如圖3-17所示。讀位子程序(讀得的位到C中) 圖3-17 讀時序3.5.3 DS18B20與單片機接口電路DS18B20與單片機有兩種接口方案，如圖3-18所示。（a）寄生電源工作方式（b）外部電源工作方式圖3-18 DS18B20溫度測量電路圖3-18（a）所示電路DS18B20采用寄生電源工作方式，采用寄生電源供電的優(yōu)點則在于節(jié)約一根導(dǎo)線。采用寄生電源供電時,總線發(fā)出“啟動溫度轉(zhuǎn)換”命令之后 ,DQ引腳必須置高,不得傳輸數(shù)據(jù),且不能同時進行溫度變換,所以省時效應(yīng)不明顯 ,且多用一個接口引腳。圖3-18（b）所示電路DS18B20采用外部電源工作方式。由外部電源供電實現(xiàn)的測溫系統(tǒng)中 ,主機在發(fā)出跳過 ROM命令之后,再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動碼,就可以實現(xiàn)所有DS1820 的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過1s 后就可以用很少的時間去讀取 ,節(jié)省了時間 ,這是外部電源供電的優(yōu)點。此時,GND引腳不得懸浮。3.6 LCD顯示電路現(xiàn)代智能化的儀器少不了顯示部分，常用的顯示部分有兩種LED數(shù)碼管顯示和LCD液晶顯示，而本系統(tǒng)采用的是液晶顯示，液晶顯示模塊采用的是LCM12864H。3.6.1 LCD模塊LCM12864HLCD液晶顯示器具有功耗低、體積小、重量輕、超薄、顯示信息量大和接口方便等優(yōu)點，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于計算機和數(shù)字式儀表等領(lǐng)域，成為測量結(jié)果顯示和人機對話的重要工具。液晶顯示器按其功能可分為三類：段位式LCD、字符式LCD和點陣式 LCD。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和數(shù)字的簡單顯示，對于較復(fù)雜的字符或圖形則無能為力。而點陣式LCD可以顯示各種各樣的字符、圖形、曲線及漢字，可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、分區(qū)開窗口、反轉(zhuǎn)、閃爍等功能，而且點陣液顯示模塊具有可編程能力，與單片機接口方便。由于以上優(yōu)點，點陣式LCD獲得了廣泛的應(yīng)用。LCD工作時，需要相應(yīng)的驅(qū)動、控制電路，由于其電路連接方式基本固定而且LCD本身引腳較多，所以制造商通常將LCD和驅(qū)動、控制電路做在一塊印制板上，即我們常見的液晶顯示模塊LCM(Liquid Crystal Module)。這種內(nèi)藏控制器的液晶顯示模塊所給出的接口可直接與微處理器MPU連接，這樣用戶就可把主要工作放在LCD顯示的軟件設(shè)計上。根據(jù)上面的介紹，LCM屬于MPU的IO接口設(shè)備，既受控于MPU，同時又操縱著LCD，以實現(xiàn)各種顯示功能。它的使用，使MPU擺脫了對LCD繁瑣的顯示控制，更適用于智能化、便攜式產(chǎn)品。LCM模塊的特點表現(xiàn)為：1)具有簡捷的MPU接口?？刂破鲗PU呈現(xiàn)一般通訊接口的通用特點； 2)具有顯示數(shù)據(jù)的傳輸和時序脈沖信號的發(fā)送能力，可直接控制液晶顯示驅(qū)動器； 3)具備功能齊全的控制指令集，可以方便地通過編程實現(xiàn)MPU對液晶顯示器的各種顯示功能的控制； 4)有完整的邏輯控制 電路和時序發(fā)生器可完成顯示緩沖區(qū)的管理功能 ，并實現(xiàn)對各種顯示功能的控制。 結(jié)構(gòu)上，LCM模塊由接口、控制、輸出三部分組成。本系統(tǒng)中的LCD模塊采用了北京青云科技有限公司生產(chǎn)的型號為LCM12864H的單色12864點陣液晶顯示模塊，其控制器為NT7532，可顯示4行8列共32個漢字，低電壓+2.43.5V驅(qū)動，并內(nèi)置負壓芯片，藍色背光，接口簡單，采用I2C總線進行數(shù)據(jù)的傳輸，占用單片機接口少。其外圍接口只有9個引腳，引腳說明如表3-4。表3-4 LCM12864接口信號說明引腳序號符號I/O引腳功能說明1CSBI片選信號，低有效2RESBI復(fù)位信號，低有效3D/CID/C為高，輸入為數(shù)據(jù)；D/C為低，輸入為指令4SCKI/O串行輸入時脈沖信號5SDAI/O串行輸入時數(shù)據(jù)信號6VCC3.0V，電源正極7GNDGround，電源負極8LED-背光負極9LED+3.0V，20mA，背光正極LCM12864H內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-19所示。圖3-19 LCM12864H內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.6.2 LCM12864H與單片機接口電路LCM1