基于超聲波的汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、1 1 緒論緒論 曾幾何時(shí)，汽車對(duì)很多家庭來(lái)說(shuō)是不敢想象的。但隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和經(jīng)濟(jì) 水平的大幅度提高，讓百姓的收入日益鼓脹，解決了溫飽問(wèn)題的家庭開(kāi)始走向小康， 表現(xiàn)得最明顯的是交通工具的升級(jí)換代上：一些家庭開(kāi)始購(gòu)買汽車作為自己的代步工 具。 近幾年我國(guó)汽車保有量逐年增加，2009年的保有量為6300萬(wàn)輛，2010年達(dá)到7400 多萬(wàn)輛。按保守估計(jì)，未來(lái)國(guó)內(nèi)汽車保有量能夠達(dá)到4.9億輛左右，即大約350輛/千人。 對(duì)于汽車數(shù)量的大副度攀升，盡管國(guó)家在公路設(shè)施上不斷地改進(jìn)，但道路上的車輛仍 然還是越來(lái)越多，尤其在上下班時(shí)段完全避免不了公路上汽車擁擠的現(xiàn)狀。再加上在 汽車設(shè)計(jì)上車速的不斷提高，

2、雖然公路上各路段都有限速，但撞車事件仍然在廣大人 民的生活中屢屢發(fā)生，給人們帶來(lái)了巨大的人身傷亡和社會(huì)財(cái)產(chǎn)的損失。 針對(duì)汽車擁擠的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種反應(yīng)快，穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的汽車防撞報(bào)警 系統(tǒng)對(duì)當(dāng)今現(xiàn)狀是勢(shì)在必行的。汽車防撞系統(tǒng)是一種向司機(jī)的報(bào)警裝置，此防撞報(bào)警 系統(tǒng)能將在汽車行駛和倒車過(guò)程中自動(dòng)檢測(cè)障礙物，然后通過(guò)超聲波測(cè)距原理測(cè)出汽 車與障礙物之間的距離，并將距離顯示出來(lái)，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離達(dá)到極限時(shí)。 系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，達(dá)到提醒司機(jī)防止撞車的目的。 2 2 課題簡(jiǎn)介及其發(fā)展現(xiàn)狀課題簡(jiǎn)介及其發(fā)展現(xiàn)狀 2 21 1 課題研究現(xiàn)狀及其發(fā)展意義課題研究現(xiàn)狀及其發(fā)展意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不

3、斷進(jìn)步，汽車的數(shù)量逐年增加，汽車擁擠的現(xiàn)狀不可避免， 而在汽車擁擠的情況下，惡性事故屢屢發(fā)生，時(shí)刻威脅著人們的安全。我國(guó)交通事故 的年死亡人數(shù)遠(yuǎn)高于他國(guó)，分別是美國(guó)的 2.3 倍、德國(guó)的 18.4 倍、日本的 13.4 倍。 當(dāng)現(xiàn)代家庭充分的享受汽車帶來(lái)方便的同時(shí)，也為此付出了沉重的代價(jià)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我 國(guó)自 2010 年至 2010 年，已有 150 多萬(wàn)人死于道路交通事故，其中大部分的道路交通 事故為汽車追尾碰撞事故。面對(duì)當(dāng)今這種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種反應(yīng)快，穩(wěn)定性好而且經(jīng) 濟(jì)實(shí)用的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。 防撞預(yù)警自動(dòng)測(cè)量的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，尤其非接觸式測(cè)量技術(shù)發(fā)展卓越。在大多情 況下，測(cè)量與障礙物

4、之間的距離是不能夠接觸到障礙物的，在這種時(shí)候就會(huì)用到非接 觸式測(cè)量設(shè)備。在物理學(xué)中人們發(fā)現(xiàn)了電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的超聲波后，從此超聲波技術(shù) 在測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，尤其是在超聲波測(cè)距方面，結(jié)合了其他技術(shù)，用超聲 波測(cè)距變得十分常用。 超聲波在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，分辨力較高，且能量消耗小，利用超聲波測(cè)距 比較方便而且速度快計(jì)算簡(jiǎn)單，容易做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度好，都能夠達(dá)到工 業(yè)測(cè)量的需要。因此超聲測(cè)距廣泛應(yīng)用于當(dāng)今生活中，特別是應(yīng)用于超聲波測(cè)距方面。 超聲波測(cè)距利用的是聲波反射原理，聲波在空氣中傳播避免了與介質(zhì)接觸。 與其它測(cè)距方式相比，超聲測(cè)距不受顏色、光線和電、磁場(chǎng)的影響，使他受到干 擾

5、的可能大幅度減少。它還具有可靠性能高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 也能夠測(cè)量處于黑暗、煙霧、有灰塵、電磁干擾等惡劣環(huán)境中的障礙物。但由于超聲 波傳播時(shí)溫度對(duì)聲速影響比較大，使超聲測(cè)距的精確度到了影響，在這里可以采用溫 度補(bǔ)償進(jìn)行校正，能夠消除溫度對(duì)其的影響。 2 22 2 汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 國(guó)際上對(duì)汽車防撞的研究開(kāi)始于二十世紀(jì)六十年代，以德、美、日為代表的西方 國(guó)家內(nèi)開(kāi)始研究，與眾多汽車制造廠商合作，制造出世界上第一批汽車防撞報(bào)警器。 但局限于當(dāng)時(shí)器件的發(fā)展水平和單片機(jī)成本過(guò)高，導(dǎo)致報(bào)警器難以做到體積輕巧、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。些外，報(bào)警器的干擾因素很多，

6、在實(shí)驗(yàn)室制造的樣機(jī)，對(duì)許多干 擾因素考慮不全面，使在實(shí)際得應(yīng)用中，防撞效果并不讓眾多研究者滿意。 二十世紀(jì)末，奔馳公司組織，計(jì)劃將組合通信、傳感器、智能技術(shù)結(jié)合于于一個(gè) 系統(tǒng)中，改進(jìn)了汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性和有效性，在這次研究中研制出了性能優(yōu)良的 汽車防撞報(bào)警器，能夠幫助駕駛員避免發(fā)生交通事故。使得制造出低成主本、高性能 的汽車防撞雷達(dá)成為可能。 歐盟RadarNet研究項(xiàng)目整合己有研究成果，研制新型多功能汽車防撞雷達(dá)。其中， 德國(guó)的汽車生產(chǎn)廠商奔馳公司和英國(guó)的電子生產(chǎn)廠商勞倫斯電子公司強(qiáng)強(qiáng)連和，成功 研制出了超聲波頻率為35G赫茲可報(bào)警距離為150米的汽車防撞報(bào)警雷達(dá)，系統(tǒng)能夠智 能計(jì)算出汽車

7、與前方障礙物的距離和兩者之間的相對(duì)運(yùn)行速度，并且根據(jù)自身行駛速 度計(jì)算出汽車與障礙物之間的安全距離，當(dāng)汽車與障礙物之間或與前車之間的距離小 于計(jì)算出的安全距離時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)，提醒司機(jī)避開(kāi)障礙物或者 緊急停車。這種預(yù)警雷達(dá)適合于在轎車、客車上使用，應(yīng)用了汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠 對(duì)于惡性交通事故的發(fā)生起到了較好的預(yù)防作用。 2 23 3 超聲波簡(jiǎn)介超聲波簡(jiǎn)介 眾所周知，當(dāng)物體在振動(dòng)的時(shí)候就能夠發(fā)出聲音。但是人類耳朵只能聽(tīng)到頻率為 2020000赫茲的聲波。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率不在這個(gè)范圍時(shí)的聲音人類是聽(tīng)不見(jiàn)的。根 據(jù)這種情況，人們規(guī)定把聲波頻率高于20KHZ的聲波稱為“超聲波” 。由于

8、超聲波具有 方向性好，抗干擾能力強(qiáng)，穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)生活中有著不可替代的作用它 常用于清洗，測(cè)距，測(cè)速等。 實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn),相同振幅下, 振動(dòng)頻率和物體振動(dòng)的能量是成正比的,當(dāng)超聲波傳 播時(shí),聲波振動(dòng)頻率很高,物體的震動(dòng)能量也很大。在現(xiàn)實(shí)生活中我們充分的利用了這 些能量，例如超聲波加濕器，它是把超聲波發(fā)射到水罐中,物體震動(dòng)的巨大能量能夠使 水罐中的水升華成霧氣,在把霧氣吹入到空氣中,這樣就使空氣的濕度增加。除此之外 應(yīng)用超聲波還可以做很多方便現(xiàn)實(shí)生活的實(shí)用工具，本文介紹的汽車防撞裝置也是應(yīng) 用超聲波的原理制成的。 超聲波是聲波大家族中的一員。聲波指的是物體在機(jī)械振動(dòng)下，物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其 平

9、衡位置進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如鼓經(jīng)過(guò)敲打之后，鼓面就會(huì)上下振動(dòng)，振動(dòng)通過(guò) 空氣向四面八方進(jìn)行傳播，這就是聲波。超聲波就使頻率很高的聲波。超聲波在現(xiàn)實(shí) 生活中能夠光泛應(yīng)用，是因?yàn)槌暡ㄓ幸韵聨追N特性，它能夠在氣體、固體、液體、 等介質(zhì)中進(jìn)行傳播，能夠傳遞巨大的能量，能夠發(fā)生反射、干涉和共振的現(xiàn)象，并且 超聲波在液體中進(jìn)行傳播時(shí)，可以產(chǎn)生劇烈的空化和沖擊的現(xiàn)象。 雖然人類的耳朵聽(tīng)不見(jiàn)超聲波，但是不少動(dòng)物卻擁有此項(xiàng)能力。他們就是利用超 聲波來(lái)捕捉獵物，并且能夠避開(kāi)障礙物。好多人們疑問(wèn)為什么蝙蝠能夠在完全黑暗的 情況下還能夠分析在哪能夠捕食和避開(kāi)障礙物。其實(shí)蝙蝠就是利用它聽(tīng)到的超聲波而 進(jìn)行在黑暗中自

10、己定位的。蝙蝠通過(guò)自己的嗓子發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)出之后四面八 方的發(fā)射出去，當(dāng)超聲波遇到障礙物之后發(fā)生反射，這種反射回來(lái)的超聲波進(jìn)入到蝙 蝠的耳朵中，蝙蝠聽(tīng)到超聲波后，就能自己判斷出障礙物或者獵物的位置。然后快速 的判斷出來(lái)從而能夠自在的在空中飛翔。 國(guó)內(nèi)的超聲波研究照比其它國(guó)家起步較晚，人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 之后，超聲波才逐漸應(yīng)用于電子行業(yè)、清洗機(jī)械器件、軍事、塑料焊接、金屬焊接、 醫(yī)學(xué)等等領(lǐng)域。尤其在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用尤為廣泛，超聲波在人體里傳播時(shí)，當(dāng)超聲波 在人體內(nèi)的傳播時(shí)如果遇到障礙物，超聲波便會(huì)發(fā)生反射和折射。由于每個(gè)人的組織 結(jié)構(gòu)都是不同的所以他們對(duì)于超聲波的吸收能力也不同

11、。這種差別在通過(guò)儀器設(shè)備把 他們顯示出來(lái)，醫(yī)生便能通過(guò)這種差別便能夠判斷出身體是否發(fā)出病變。 3 3 總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)是指在汽車行駛過(guò)程中防止汽車發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報(bào) 警裝置。它能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)可能與汽車發(fā)生碰撞的障礙物體，并且同時(shí)檢測(cè)汽車與障礙物 之間的距離，到達(dá)極限距離時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)以避免碰撞的發(fā)生。根據(jù)題目要求，汽車 防撞報(bào)警器的功能主要有兩個(gè)：判斷汽車與障礙物之間的距離和當(dāng)汽車與障礙物之間 的距離到達(dá)臨界距離時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 3 31 1 設(shè)計(jì)總體思路概況設(shè)計(jì)總體思路概況 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計(jì)時(shí)器計(jì)出超聲波從發(fā) 射到接收到遇到障

12、礙物后反射聲波的時(shí)間通過(guò)公式計(jì)算出汽車與障礙物之間的距離。 在實(shí)際生活中常用的測(cè)距方法主要有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端設(shè)置發(fā)射 裝置，一端設(shè)置接收裝置，利用公式得出測(cè)量的距離。這種測(cè)量方式特別適用于vtS 測(cè)量身高；另一種是本次設(shè)計(jì)采用的方式，利用超聲波遇到障礙物后反射得出距離。 汽車防撞系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢 測(cè)接收電路及顯示電路三部分。單片機(jī)采用的是 AT89C51 系列。為了獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘 頻率而采用了高精度的晶振，這樣極大的減小測(cè)量距離的誤差。用單片機(jī) P1.0 端口輸 出超聲波發(fā)射器所需要的 40kHz 的方波信號(hào)，使用外中斷 0 口檢

13、測(cè)接收超聲波的反射 信號(hào)。顯示電路裝置用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜的 4 位 LED 數(shù)碼管來(lái)顯示距離。 超聲波的發(fā)射裝置主要是由反相器 74LS04 和發(fā)射傳感器構(gòu)成。AT89C51 單片機(jī) P1.0 引腳輸出 40k 赫茲的間斷方波信號(hào)分成 2 路，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)反向器后到達(dá) TCT40 一個(gè)引腳，另一路通過(guò)兩個(gè)反向器后到 TCT40 的另一個(gè)引腳，用這種形式將 P1.0 發(fā)出 的單片機(jī) P1.0 端口發(fā)出的間斷方波信號(hào)加到 TCT40 的兩端上，用這種推換形式將間斷 的方波信號(hào)連接到超聲波傳感器的兩個(gè)引腳上，這樣能夠增強(qiáng)超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。在 加載反波信號(hào)時(shí)使用兩個(gè) 74LS04 并聯(lián)，是它的驅(qū)

14、動(dòng)能力得到了很大的提高。而電阻 R11、R12 增大超聲波傳感器的阻尼效果，縮短了震蕩時(shí)間，使超聲波傳感器輸出高電 平的能力大大增加。 超聲波接收采用 CX20106A 集成電路模塊，根據(jù)電路圖可以看出，集成芯片 CX20106 在接收裝置電路中的作用很大。CX20106 是一款紅外線檢波接收的芯片，他常 用于現(xiàn)實(shí)生活中，而且價(jià)格便宜。由于紅外線波的頻率為 38 kHz，與測(cè)距使用的超聲 波頻率接近。并且 CX20106 芯片的內(nèi)部設(shè)置比較好，由于設(shè)計(jì)中芯片的 f5 角連接了一 個(gè)外接電阻，此電阻使他濾波器的中心頻率能夠調(diào)節(jié)，當(dāng) R21 的阻值越大濾波器的中 心頻率就越低，變化范圍在 3060

15、 kHz 之間。此次設(shè)計(jì)證明用 CX20106A 接收超聲波 信號(hào)具有優(yōu)秀的靈敏特性和較強(qiáng)的抗干擾能力。 超聲波測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷 子程序和數(shù)碼顯示子程序等。超聲波測(cè)距預(yù)計(jì)能夠系統(tǒng)主程序第一步是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初 始化，初始化定時(shí)器 T0 為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作模式。全局中斷打開(kāi)并給顯示端口 清 0。在調(diào)用超聲波的發(fā)生子程序發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖，在發(fā)射過(guò)程中延時(shí)約 0.1 ms，避免聲波信號(hào)從發(fā)射器發(fā)出后直接傳送到接收器而引起直射波觸發(fā)，然后在使用 外中斷接收遇到物體后返回聲波信號(hào)。我采用了 12 MHz 的晶振，計(jì)數(shù)器每次計(jì)數(shù)間隔 是 1s，當(dāng)主程

16、序接收到成功的信號(hào)后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)計(jì)算，即得出與障礙物之 間的距離，測(cè)出距離后將結(jié)果送往 LED 顯示，這就是超聲波測(cè)距的過(guò)程。 在系統(tǒng)調(diào)試方面，由于設(shè)計(jì)的電路由很多集成電路構(gòu)成。外圍元件很少，所以調(diào) 試不太難。只要焊接的電路沒(méi)有錯(cuò)誤，簡(jiǎn)單調(diào)試一下就能夠正常使用了。電路設(shè)計(jì)中 除了集成電路，對(duì)其它電子元件也沒(méi)專業(yè)要求?？梢愿鶕?jù)測(cè)量距離的差異，調(diào)整與接 收換能器濾波電容就能得到適合靈敏度和超聲波抗干擾能力。 3 32 2 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距是通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射回來(lái)的回波，從而測(cè)出超 聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差T,然后根據(jù)公司，即可算出汽車與被測(cè)物體的

17、距離。2/CTS S為汽車與障礙物之間的距離,C為超聲波在空氣中的傳播速度。因?yàn)槁曀貱受溫度的影 響很大，我們采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒p小誤差。表3-1中列出了不同溫度下的超聲波聲速。 T為超聲波發(fā)射到接收到超聲波所用時(shí)間，計(jì)時(shí)是由單片機(jī)的定時(shí)功能計(jì)出從超聲波的 發(fā)射到檢測(cè)到超聲波信號(hào)得的時(shí)間。 表 3-1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表 溫度（） -30-20-100102030100 聲速（ms） 313319325323338344349386 利用超聲波的測(cè)距的原理圖如框圖 3-1 所示，單片機(jī)發(fā)出 40kHZ 的信號(hào)，經(jīng)放大 后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，

18、用鎖 相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、 計(jì)算，得出距離數(shù)。 超聲波發(fā)射器放大電路 放大電路 數(shù)據(jù)顯示定時(shí)器單片機(jī)控制 超聲波接收器 圖 3-1 超聲波測(cè)距原理圖 3 33 3 超聲波傳感器超聲波傳感器 為了利用超聲波方便人們的生活，科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計(jì)制做了很多的超聲波傳感器。 超聲傳感器指的是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)或?qū)⑼饨绲穆暡ㄐ?號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器件。 超聲波是聲波中的一種。超聲波就使頻率很高的聲波。超聲波在現(xiàn)實(shí)生活中能夠 光泛應(yīng)用，是因?yàn)槌暡ㄓ幸韵聨追N特性，它能夠在氣體、固體、液體、等介質(zhì)中進(jìn) 行傳播，能夠傳遞巨大的能量

19、，能夠發(fā)生反射、干涉和共振的現(xiàn)象。這些優(yōu)點(diǎn)使超聲 波換能器的研究勢(shì)在必行。 大體上講，超聲波的發(fā)生器可分為兩類：一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，一類是 用電氣方式產(chǎn)生超聲波。兩種方式產(chǎn)生的超聲波功率、頻率和聲波的特性都不相同， 因此不同的用途采用不同的方式產(chǎn)生超聲波。而我在此次設(shè)計(jì)中采用電氣方式產(chǎn)生超 聲波，使用目前在理論研究和實(shí)際生活中最為常用的壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波傳感器裝置是根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換原理制成的，他又稱超聲波探頭或者超 聲波換能器。超聲波換能器有兩種，一種是超聲波發(fā)射換能器，另一種是超聲波接收 換能器。壓電式超聲波換能器的原理是依靠壓電晶體的諧振來(lái)進(jìn)行工作的。超聲波換 能器的內(nèi)

20、部由一個(gè)換能板和兩個(gè)壓電晶片構(gòu)成。這種超聲換能器需要的壓電材料很少 并且價(jià)格便宜，并且很適用于氣體介質(zhì)中。當(dāng)壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵(lì)后即可產(chǎn) 生振動(dòng)，發(fā)射聲波脈沖，是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)用于超聲波的發(fā)射。當(dāng)外界的超 聲波作用于壓電晶片時(shí)，晶片被迫發(fā)生振動(dòng)引起形變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這是正壓電效應(yīng)。 正壓電效應(yīng)應(yīng)用于超聲波的接收。 在換能器的兩極引腳加上大小和方向不斷變化的交流電壓，就能使壓電晶片產(chǎn)生 機(jī)械變形，當(dāng)引腳的頻率和壓電晶片上的振蕩頻率相同時(shí)，就能帶動(dòng)共振板發(fā)生共振 產(chǎn)生超聲波。 超聲波換能器的工作原理是把40kHz的間斷方波信號(hào)分成2路，一路經(jīng)一級(jí)反向器 后到達(dá)TCT40一個(gè)電極，另一

21、路通過(guò)兩級(jí)反向器后到TCT40的另一個(gè)電極，用這種形式 將P1.0發(fā)出的方波信號(hào)加到TCT40的兩端上，然后產(chǎn)生諧振后經(jīng)輻射器將振動(dòng)信號(hào)向四 面八法傳播出去。當(dāng)超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)傳播后如果遇到障礙物之后就會(huì)發(fā)生光波折射， 在傳播回來(lái)，由接收換能器進(jìn)行接收。 3 34 4 控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖 超聲波防撞控制系統(tǒng)圖如框圖 3-2 所示。該系統(tǒng)全部都由單片機(jī)進(jìn)行控制，單盤 機(jī)發(fā)出 40Hz 的方波脈沖，經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)射電路發(fā)射出超聲波。超聲波在遇到障礙物之 后反射射回來(lái)再由接收電路接收反射聲波信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行分析，計(jì)算出汽車與障 礙物之間的距離，將處理后的結(jié)果送入顯示電路經(jīng)過(guò)數(shù)碼顯示管顯示出距

22、離，如果距 離達(dá)到安全的極限距離著由報(bào)警電路通過(guò)蜂鳴器發(fā)車報(bào)警，提示司機(jī)躲避障礙物。 超聲波接收 超聲波發(fā)射 溫度傳感器 單 片 機(jī) 控 制 顯示距離 報(bào)警器 圖 3-2 超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)圖 3 35 5 超聲波發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射裝置的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射器包括兩個(gè)部分：超聲波產(chǎn)生電路部分和超聲波發(fā)射控制電路部分。 超聲波探頭采用TCT40。 超聲波接收 單片機(jī)P1.0端口輸出40KHz的超聲波信號(hào)，此時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。通過(guò)輸出引腳輸 入，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波，此方法充分利用了軟件控制，靈活性好。超 聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)圖如圖3-3所示。 圖 3-3 超聲波發(fā)射裝置設(shè)計(jì)圖 本次設(shè)計(jì)采

23、用的是壓電式超聲波傳感器，它是根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換原理制成的。超聲波 換能器有兩種類型，一種是超聲波發(fā)射換能器，另一種則是超聲波接收換能器。壓電 式超聲波換能器的原理是依靠壓電晶體的諧振來(lái)進(jìn)行工作的。超聲波換能器的內(nèi)部由 一個(gè)換能板和兩個(gè)壓電晶片構(gòu)成。這種超聲換能器需要的壓電材料很少而且它的價(jià)格 便宜經(jīng)濟(jì)實(shí)用，還很適用于氣體介質(zhì)中使用。當(dāng)壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵(lì)后即可 產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)射聲波脈沖，是逆壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)用于超聲波的發(fā)射。正壓電效 應(yīng)和逆壓電效應(yīng)正好相反，當(dāng)外界的超聲波的聲波信號(hào)作用于超聲波換能器的壓電晶 片時(shí)，晶片將會(huì)被迫發(fā)生振動(dòng)而引起形變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這個(gè)過(guò)程就是正壓電效應(yīng)， 正壓電

24、效應(yīng)應(yīng)用于超聲波的接收。 超聲波的發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和發(fā)射換能器構(gòu)成。AT89C51 單片機(jī) P1.0 口輸出的 40kHz 的間斷方波信號(hào)分成 2 路，一路經(jīng)一級(jí)反向器后到達(dá) TCT40 一個(gè)電極， 另一路通過(guò)兩級(jí)反向器后到 TCT40 的另一個(gè)電極，用這種形式將 P1.0 發(fā)出的方波信號(hào) 加到 TCT40 的兩端上，這樣能夠增強(qiáng)超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。在加載反波信號(hào)時(shí)使用兩個(gè) 74LS04 并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。而電阻 R11、R12 可以增加超聲波換能器的阻尼效果， 縮短了震蕩時(shí)間，還可以提高換能器輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力。 3 36 6 超聲波接收裝置的設(shè)計(jì)超聲波接收裝置的設(shè)

25、計(jì) 超聲波接收器包括接收發(fā)射探頭、信號(hào)放大電路和波形變換電路三個(gè)部分。超 聲波探頭采用RCT40。 按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。接收裝置的設(shè)計(jì)可用 CX20106A來(lái)完成。在空氣中傳播超聲波的其能量的衰減與距離是成正比的，距離越小、 衰減越少，距離越大、衰減越多，通常都在1V之內(nèi)。 圖 3-4 超聲波接收裝置設(shè)計(jì)圖 超聲波的接收裝置如圖3-4超聲波接收裝置圖所示。超聲波的接收采用CX20106A集 成電路模塊，根據(jù)電路圖可以看出，集成芯片CX20106在接收裝置電路中的作用很大。 CX20106是一款紅外線檢波接收的芯片，他常用于現(xiàn)實(shí)生活中，而且價(jià)格便宜。由于紅 外線波

26、的頻率為38 kHz，與測(cè)距使用的超聲波頻率接近。 ，并且CX20106芯片的內(nèi)部設(shè) 置比較好，由于設(shè)計(jì)中芯片的f5角連接了一個(gè)外接電阻，此電阻使他濾波器的中心頻 率能夠調(diào)節(jié)，當(dāng)R21的阻值越大濾波器的中心頻率就越低，變化范圍在3060 kHz之間。 CX20106對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波的作用。當(dāng)接收到的聲波信號(hào)經(jīng)由放大器， 調(diào)整信號(hào)的頻率，然后濾波消除干擾信號(hào)，最后再經(jīng)過(guò)整形，輸出到CX20106的7腳輸 出。當(dāng)接收到的聲波信號(hào)與CX20106的中心頻率相符時(shí)，它的7腳就會(huì)低電平輸出，而7 腳接到INT0引腳上，這樣就會(huì)中斷。若頻率和CX20106的中心頻率不同時(shí)，即可調(diào)節(jié) R21，使濾

27、波器的中心頻率與超聲波測(cè)距的頻率相符。 CX20106有8個(gè)引腳管腳1是超聲波信號(hào)輸入端；管腳2的電阻和電容決定接收換能 器的總增益，通過(guò)增大或者減小電阻電容，確定放大倍數(shù)。管腳3與GND之間連接的電 容起到檢波作用；管腳5上的連接一個(gè)，這個(gè)電阻用來(lái)設(shè)置濾波器的中心頻率；管腳6 與GND之間接入一個(gè)電容，該電容確定探測(cè)距離；管腳7是集電極開(kāi)路輸出端：管腳8接 電源正極。 3 37 7 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 溫度對(duì)超聲波的影響是很大的，如果能夠知道溫度，則可求出超聲波的聲速，從 而能夠得到較高的精度。而問(wèn)題在于用什么方法獲得溫度數(shù)據(jù)。為了方便對(duì)溫度信號(hào) 進(jìn)行采集和處理，我用了 DALASS 公司的

28、DS18B20 集成溫度傳感器對(duì)超聲波的傳播速 度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。DS18B20 采用了 1-WIRE 總線技術(shù)，能夠只占單片機(jī)一個(gè) I/O 接口 的情況下進(jìn)行工作，方便了使用者對(duì)其的調(diào)試使用，而且它在零下十?dāng)z氏度到八十五 攝氏度的工作環(huán)境下能夠保持 0.005 的精度，足以為超聲波測(cè)距裝置提供精度范圍。 圖 3-5 所示為溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)圖。兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)用于控制測(cè)量的開(kāi)始與結(jié)束之間的 切換。DS18B20 硬件性能穩(wěn)定，接口簡(jiǎn)單，只需一根接口線就能連接起來(lái)。 DS18B20 溫度傳感器里面有兩個(gè)晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。低溫度 系數(shù)晶振的振蕩頻率隨外界溫度的變化基本上沒(méi)有影響，所以低溫

29、度系數(shù)的晶振產(chǎn)生 的信號(hào)是固定頻率的，這樣便把它產(chǎn)生信號(hào)發(fā)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振和低溫度 系數(shù)晶振正好相反，它在溫度變化很大的時(shí)候,它的振蕩頻率隨著溫度發(fā)生很大的變化， 所以計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入信號(hào)我們使用高溫度系數(shù)的信號(hào)輸入。由于計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫 度系數(shù)晶振的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的值減少到 0 時(shí)，溫度寄存器的數(shù) 值就加 1，計(jì)數(shù)器 1 的數(shù)值就回重新裝入，計(jì)數(shù)器 1 在重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生 的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣一直循環(huán)，一直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止對(duì)溫度寄存 器數(shù)值的累加，這時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。 圖 3-5 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)圖

30、 3 38 8 顯示電路的設(shè)計(jì)顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示電路中顯示測(cè)量距離我使用的是4位共陽(yáng)的LED數(shù)碼管，它簡(jiǎn)單實(shí)用并且價(jià)格 便宜。段碼使用74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，位碼使用四個(gè)PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，顯示電路設(shè)計(jì)圖 如圖3-6顯示電路設(shè)計(jì)圖所示。 74LS245 芯片是我們新是生活中最為常用的芯片。它是 8 路同相三態(tài)雙向總線的收 發(fā)器，它可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管或者一些其他的設(shè)備。它具有雙向的三態(tài)功能，這使他 能夠雙向的傳輸數(shù)據(jù)，既可以輸入數(shù)據(jù)，也可以輸出數(shù)據(jù)。 圖 3-6 顯示電路設(shè)計(jì)圖 在 74LS245 芯片端低電平有效時(shí)，當(dāng) DIR=“0”時(shí)，信號(hào)由 B 向 A 傳輸；當(dāng) CE DIR=“1”時(shí)，

31、信號(hào)由 A 向 B 傳輸；當(dāng)為高電平時(shí)，A、B 兩端均為高阻態(tài)。 CE 在生活中最常見(jiàn)到的 LED 數(shù)碼管是八段和七段的，八段式原理圖的如圖 3-8 所示。 本次設(shè)計(jì)中采用的是八段式的數(shù)碼管。八段式的與七段式的相比，他們各部分結(jié)構(gòu)大 體相同，八段只比七段式的多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管里都是由 LED 發(fā)光二極管發(fā)光單 片機(jī)控制 LED 的滅亮顯示出不同的形狀從而顯示出數(shù)字，八段式的數(shù)碼管與七段式的 主要區(qū)別就在于八段式的數(shù)碼管中有八個(gè)發(fā)光二極管，而七段式的數(shù)碼管中有七個(gè)發(fā) 光二極管，兩種之間只差一個(gè)點(diǎn)。 數(shù)碼管又分為兩種類型，共陽(yáng)極型和共陰極型。原理圖如圖 3-7 共陽(yáng)極型和共陰 極型原理圖所示。

32、共陽(yáng)極型就是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陽(yáng)極都接在一起并且接到電 源上，連接好之后把其中任何哪個(gè)發(fā)光二極管的陰極接到地線上，它就會(huì)發(fā)光。共陰 極型則是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陰極都接在一起并且接到地線上，連接好之后把其 中任何哪個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到電源上，它就會(huì)發(fā)光。 圖 3-7 共陰極型和共陽(yáng)極型原理圖 a b e g f c d abgf e dc dp dp com com 圖 3-8 數(shù)碼顯示管引腳圖 如圖 3-8 數(shù)碼顯示管引腳圖所示，把兩個(gè) COM 引腳連接起來(lái)，作為數(shù)碼管的公共 端，數(shù)碼管共陰端要接地，共陽(yáng)端接電源。一個(gè)二極管是一位，八個(gè)管子即 a,b,c,d,e,f,g 還有 dp，

33、拼成個(gè) 8 字列在一起就構(gòu)成了一個(gè) 8 位的數(shù)碼顯示管。一個(gè) 八段式的數(shù)碼顯示管的每個(gè)顯示管連在一起，每個(gè)二極管的公共端稱為位選線。在數(shù) 碼管顯示數(shù)字是，一個(gè)二極管對(duì)應(yīng)一條直線，a 對(duì)應(yīng)的是首位，dp 對(duì)應(yīng)最后位。例如， 當(dāng)數(shù)碼管顯示管顯示數(shù)字 0 時(shí)，那么共陰極數(shù)碼顯示管的編碼就為 00111111，十六進(jìn) 制數(shù)為 0 x3f，而共陽(yáng)極的數(shù)碼顯示管的編碼就是 11000000，十六進(jìn)制數(shù)為 0 xc0。通過(guò) 這個(gè)例子可以看的出來(lái)共陰極數(shù)碼顯示管和共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管的編碼各個(gè)位事相反的。 3 39 9 報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì) 報(bào)警部分采用一個(gè)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，利用單片機(jī)控制輸出一個(gè)一定頻率的

34、信號(hào)。 信號(hào)通過(guò)一個(gè)三極管，把信號(hào)放大，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。然后將放大之后的信號(hào)連接到 蜂鳴器上，報(bào)警部分裝置的設(shè)計(jì)圖如圖 3-9 所示。 圖 3-9 報(bào)警裝置設(shè)計(jì)圖 蜂鳴器是使用直流電源進(jìn)行供電，它廣泛應(yīng)用于當(dāng)今生活中，尤其在計(jì)算機(jī)、報(bào) 警器、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、電子玩具、汽車電子設(shè)備、 機(jī)等電子設(shè)備制造中作為發(fā)聲 的器件而廣泛應(yīng)用。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子發(fā)聲器，它分為兩種類型，一種 是壓電式蜂鳴器另一種是電磁式蜂鳴器。 壓電式蜂鳴器主要由壓電蜂鳴片、多諧振蕩器、共鳴箱阻及抗匹配器還有外殼等 部分組成。壓電蜂鳴片是由鈮鎂酸鉛或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制造而成。我把在陶瓷 片的表面鍍上金屬電極，經(jīng)過(guò)

35、極化處理和老化處理之后，再與不銹鋼鋼片粘貼在一起 就制成了壓電蜂鳴片。而多諧振蕩器由集成電路或者晶體管構(gòu)造而成。當(dāng)電極兩端接 通電源以后,多諧振蕩器開(kāi)始振動(dòng),輸出音頻信號(hào)，然后阻抗匹配器便能推動(dòng)壓電蜂鳴 片發(fā)出聲音。電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、磁鐵、振動(dòng)膜片、電磁線圈和外殼等部分 組成。在兩極接通電源之后，振蕩器能夠產(chǎn)生的音頻信號(hào)，信號(hào)通過(guò)電磁線圈，便會(huì) 使電磁線圈生成磁場(chǎng)。這樣振動(dòng)膜片便會(huì)在磁鐵和電磁線圈的作用下，周期性反復(fù)地 振動(dòng)從而發(fā)出聲音。 4 4 軟件的設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷 子程序和數(shù)碼顯示子程序等。 4 41 1 軟件

36、工作過(guò)程軟件工作過(guò)程 按下控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，當(dāng)主程序完成初始化后調(diào)用發(fā)射子程 序，由 P1.0 口發(fā)射出1 個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波，并且計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì) 時(shí)。利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄到超聲波發(fā)射到接受所用的時(shí)間當(dāng)超聲波接收器接收 到超聲波后，接收電路輸出端輸出一個(gè)跳變信號(hào)，在INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷的信號(hào)，得 到超聲波的時(shí)間差。 計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 T1 的值減少到 0 時(shí)，溫度寄存器的數(shù)值就加 T1，計(jì)數(shù)器 T1 在重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信 號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，一直循環(huán)到計(jì)數(shù)器 T2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，

37、這時(shí)即可 讀取此時(shí)溫度值。根據(jù)上文中表 3-1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表，即可知道超聲波精 準(zhǔn)的聲波速度。 知道了時(shí)間和超聲波的聲波速度后，通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算得出距離，顯示出來(lái)，到 達(dá)距離極限時(shí)，啟用報(bào)警模塊。 4 42 2 算法的軟件設(shè)計(jì)算法的軟件設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距是通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射回來(lái)的回波，從而測(cè)出從 發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)的時(shí)間間隔,然后求出距離由 S=CT/2 即可算出汽車 與被測(cè)物體的距離。 其中，S 為測(cè)量的距離,C 為超聲波在空氣中的傳播速度。T 從發(fā)出超聲波信號(hào)到接 收到返回信號(hào)的時(shí)間間隔。 在啟動(dòng)發(fā)射電路發(fā)射超聲波的同時(shí)開(kāi)啟單片機(jī) AT89C51 內(nèi)

38、 的定時(shí)器 T0，通過(guò)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能記錄下來(lái)超聲波發(fā)射的時(shí)間和接收到超 聲波的時(shí)間。當(dāng)接收電路收到超聲波時(shí)，接收電路的輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 端能夠產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求后執(zhí)行外部中斷子程序，讀取出 來(lái)時(shí)間間隔，計(jì)算出距離。 4 43 3 主程序流程圖主程序流程圖 開(kāi)始 延時(shí) 1ms 調(diào)試測(cè)距子程序 調(diào)用顯示、報(bào)警子程序 調(diào)用溫度檢測(cè)子程序 系統(tǒng)初始化 結(jié)束 適合溫度修正超聲波 溫度計(jì)算測(cè)量結(jié)果 圖 4-1 主程序流程圖 主程序流程圖如圖 4-1 所示。主程序第一步是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化定時(shí)器 T0 為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作模式。全局中斷打開(kāi)并給顯示

39、端口清 0。在調(diào)用超聲波的 發(fā)生子程序發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖，在發(fā)射過(guò)程中延時(shí)約 0.1 ms，避免聲波信號(hào)從發(fā)射 器發(fā)出后直接傳送到接收器而引起直射波觸發(fā)，然后在使用外中斷接收遇到物體后返 回聲波信號(hào)。我采用了 12 MHz 的晶振，計(jì)數(shù)器每次計(jì)數(shù)間隔是 1s，當(dāng)主程序接收到 成功的信號(hào)后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)計(jì)算，即得出與障礙物之間的距離，測(cè)出距離后將 結(jié)果送往 LED 顯示，這就是超聲波測(cè)距的過(guò)程。 4 44 4 超聲波的發(fā)生子程序和中斷程序超聲波的發(fā)生子程序和中斷程序 超聲波發(fā)生子程序是通過(guò) P1.0 端口發(fā)出頻率約 40kHz 的方波脈沖信號(hào)，在發(fā)出脈 沖的同時(shí)，打開(kāi)計(jì)數(shù)器 T0 開(kāi)始

40、計(jì)時(shí)。 測(cè)距主程序是利用外中斷 T0 檢測(cè)到遇到障礙物后返射回來(lái)的聲波信號(hào)，一旦接收 到信號(hào)，馬上進(jìn)入中斷程序。中斷開(kāi)始后立刻讓計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，此時(shí)測(cè)距成功。如 果在計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還沒(méi)有檢測(cè)到反射的聲波信號(hào)，此時(shí)測(cè)距不成功。 開(kāi)始 關(guān) T0，開(kāi) T1 按下功能鍵 修改完畢 開(kāi) T0，關(guān) T1，計(jì)時(shí) 結(jié)束 圖 4-2 中斷處理流程圖 4 45 5 顯示部分顯示部分 顯示電路中顯示距離我使用的是 4 位共陽(yáng)的 LED 數(shù)碼管，它簡(jiǎn)單實(shí)用并且價(jià)格便 宜。段碼使用 74LS245 芯片驅(qū)動(dòng)，位碼使用四個(gè) PNP 三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)。在 74LS245 芯片 端低電平有效時(shí)，當(dāng) DIR=“0”時(shí)，信號(hào)由 B 向

41、 A 傳輸；當(dāng) DIR=“1”時(shí)，信號(hào)CE 由 A 向 B 傳輸；當(dāng)為高電平時(shí)，A、B 兩端均為高阻態(tài)。CE 最常見(jiàn)到的 LED 數(shù)碼管是八段和七段的。本次設(shè)計(jì)中采用的是八段式的數(shù)碼管。 八段式的與七段式的相比，他們各部分結(jié)構(gòu)大體相同，八段只比七段式的多了一個(gè)小 數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管里都是由 LED 發(fā)光二極管發(fā)光單片機(jī)控制 LED 的滅亮顯示出不同的形狀 從而顯示出數(shù)字，八段式的數(shù)碼管與七段式的主要區(qū)別就在于八段式的數(shù)碼管中有八 個(gè)發(fā)光二極管，而七段式的數(shù)碼管中有七個(gè)發(fā)光二極管，兩種之間只差一個(gè)點(diǎn)。 數(shù)碼管又分為兩種類型，共陽(yáng)極型和共陰極型。共陽(yáng)極型就是將數(shù)碼管中發(fā)光二 極管的陽(yáng)極都接在一起并且接到

42、電源上，連接好之后把其中任何哪個(gè)發(fā)光二極管的陰 極接到地線上，它就會(huì)發(fā)光。共陰極型則是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陰極都接在一起 并且接到地線上，連接好之后把其中任何哪個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到電源上，它就會(huì) 發(fā)光。 5 5 硬件的設(shè)計(jì)和制作硬件的設(shè)計(jì)和制作 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括三部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、顯示電路、超聲波的發(fā)射和檢測(cè) 接收電路。在本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用AT89C51。還采用了12MHz高精度的晶振，以減小 測(cè)量誤的差。用AT89C51的P1.0端口輸出所需的40kHz的方波信號(hào)，采用AT89C51實(shí)現(xiàn)對(duì) TCT40超聲波轉(zhuǎn)換模塊和CX20106A芯片的控制。 5 51 1 芯片的功能及其測(cè)距原

43、理芯片的功能及其測(cè)距原理 5.1.1 AT89C51 的功能特點(diǎn) AT89C51 單片機(jī)主要由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等組成。中央處理器是 單片機(jī)的核心部分，它的主要作用是完成運(yùn)算和控制功能。程序存儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)功能， 使應(yīng)用程序在開(kāi)發(fā)調(diào)試后永久性的存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中。 AT89C51 控制著超聲波的發(fā)送和接收,串行口發(fā)送數(shù)據(jù) ,及溫度采樣頻率,并內(nèi)部計(jì) 算轉(zhuǎn)變成溫度數(shù)據(jù)，使在不同溫度下的誤差最小。LED 顯示是共陽(yáng)極接法的動(dòng)態(tài)循環(huán)顯 示.利用 DS18B20 取得外界溫度后,利于單片機(jī)校正不同溫度下測(cè)距的回波數(shù)值.接收電 路接收超聲波遇到物體后反射回來(lái)的回波信號(hào)。該芯片包括了限幅放大、

44、前置放大、 整形和輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，這樣方便了檢測(cè)判斷回波的數(shù)據(jù)是否正確, 并且能夠通過(guò)計(jì)算 得出距離值. AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓， 8 位高性能的 CMOS 微處 理器，叫做單片機(jī)。該單片機(jī)采用的制造技術(shù)是 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造成的， 它能夠與達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出管腳和 MCS-51 指令集相兼容。由于它將 8 位多功能 CPU 處理器和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,AT89C51 是一種高效微控制器外形及引腳排列 如圖 5-1 所

45、示。 圖 5-1 AT89C51 控制器 AT89C51 有兩種可用軟件來(lái)選擇的省電方式：空閑工作方式和掉電工作方式。當(dāng)處 于空閑方式時(shí) CPU 處于睡眠狀態(tài)，但片內(nèi)的其他部件仍然繼續(xù)工作，而且片內(nèi) RAM 的 內(nèi)容和所有專用寄存器的內(nèi)容在空閑方式期間都被保留起來(lái)。當(dāng)處于掉電方式時(shí)保存 了 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停止震蕩，禁止芯片其它功能直到下一次硬件復(fù)位才能使用。 AT89C51 為許多器材的制造提供了十分靈活和低成本的解決辦法。充分的利用了單 片機(jī)的片內(nèi)資源，使我們可以在較少使用外圍電路的情況下完成超聲波測(cè)距。 5.1.2 CX20106 功能特點(diǎn) CX20106對(duì)收到的信號(hào)有放大和濾波的

46、作用。如圖5-2所示，CX20106芯片的接口圖。 CX20106有8個(gè)引腳，管腳1是超聲波信號(hào)輸入端；管腳2的電阻和電容決定接收換能器 的總增益，通過(guò)增大或者減小電阻電容，確定放大倍數(shù)，改變放大器的頻率。管腳3與 GND之間連接的電容起到檢波作用；管腳5上的連接一個(gè)電阻，這個(gè)電阻用來(lái)設(shè)置濾波 器的中心頻率；管腳6與GND之間接入一個(gè)電容，該電容確定探測(cè)距離；管腳7是集電極 開(kāi)路輸出端：管腳8接電源正極。 IN GND 3 2 5 6 OUT VDD CX20106A 圖 5-2 CX20106 芯片接口圖 5.1.3 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的原理 如圖 5-3 所示為超聲波的傳播圖，利用聲波發(fā)出到接

47、收的時(shí)間來(lái)測(cè)量?jī)烧唛g距離 的。 圖 5-3 超聲波傳播圖 因?yàn)樵谥袩o(wú)介質(zhì)，我們可認(rèn)為超聲波空氣中的聲速為常數(shù)，測(cè)量出聲波傳播時(shí)間 T ，利用公式 5-1 即可算出與障礙物之間的距離。 (5-1) 2 T CS 其中，S 為汽車與障礙物距離、V 為超聲波在空氣中傳播聲速、T 為超聲波從發(fā)射到 接收到反射聲波所用的時(shí)間。 5.1.4 系統(tǒng)的特點(diǎn) 基于超聲波技術(shù)的汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于使用單片機(jī)作為控制元件控制整個(gè) 系統(tǒng)電路，致使系統(tǒng)操作方便、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且能夠自動(dòng)控制該系統(tǒng)的的運(yùn) 行，能夠自己檢測(cè)障礙物。對(duì)于當(dāng)今社會(huì)汽車擁擠的這一現(xiàn)狀，此項(xiàng)研究對(duì)于防止交 通事故的發(fā)生具有預(yù)防作用。 總體

48、說(shuō)來(lái)，本次設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)距的功能，報(bào)警距離可以人工智能控制，能夠產(chǎn) 生方向性好，抗干擾能力強(qiáng)，穿透能力強(qiáng)的聲波信號(hào)，能夠在事故發(fā)生前提示報(bào)警。 5 52 2 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)和和 PCBPCB 板的制作板的制作 Proteus軟件是英國(guó)Labcenter開(kāi)發(fā)出版的一款電路分析與實(shí)物仿真的軟件。它能 夠分析、仿真各種芯片和電路。它實(shí)現(xiàn)了SPICE電路仿真和單片機(jī)仿真相結(jié)合。具有數(shù) 字電路仿真、模擬電路仿真、外圍電路仿真、I2C調(diào)試器、RS232動(dòng)態(tài)仿真、SPI調(diào)試器 和數(shù)碼管仿真的功能。并且它可以進(jìn)行單片機(jī)的仿真。它支持大多數(shù)單片機(jī)的仿真， 例如PIC18系列、8051系列、AVR系列、

49、PIC12系列等以及各種外圍芯片的仿真。 與其它仿真軟件相比它不僅具有大眾的電路仿真功能，Proteus還能夠進(jìn)行軟件調(diào) 試。它有單步、設(shè)置斷點(diǎn)、全速等功能，他可以同時(shí)觀察各個(gè)器件的狀態(tài)。同時(shí)他還 支持別的軟件編譯。并且它的原理圖繪制功能也是非常強(qiáng)大大。 并且還能仿真單片機(jī)及一些外圍器件。雖然Proteus在中國(guó)剛剛推廣，但它已受到 單片機(jī)研究者的一致好評(píng)。它是當(dāng)前仿真領(lǐng)域上最好用的仿真工具。它能夠從原理圖、 調(diào)試、仿真，一直到PCB板設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造的一系列程序?？傮w來(lái) 說(shuō)，Proteus是一款功能強(qiáng)大并且把單片機(jī)和SPICE分析集于一體的仿真軟件。它使實(shí) 現(xiàn)汽車無(wú)人駕駛成為

50、可能。 安裝好 Proteus 后，運(yùn)行 ISUS。出現(xiàn)對(duì)話框。Proteus ISIS 窗口包括標(biāo)題欄、標(biāo) 準(zhǔn)工具欄、狀態(tài)欄、主菜單、對(duì)象選擇按鈕、預(yù)覽窗口、繪圖工具欄、預(yù)覽對(duì)象方位 控制按鈕、圖形編輯窗口。仿真進(jìn)程控制按鈕、對(duì)象選擇器窗口等等。 在畫電路圖時(shí)，先在對(duì)話框窗口中點(diǎn)擊工具箱的元器件按鈕，在點(diǎn)擊左上方的 P 按鈕，就會(huì)彈出原器件選擇的“Pick Devices” 對(duì)話框，在對(duì)話框中我們可以吧自己 所需要的元器件選擇出來(lái)，點(diǎn)擊確定就會(huì)把器件添加到已使用過(guò)的元器件窗口。然后 輸入所需原件的名稱，這樣就能把原件從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出來(lái)，把所有應(yīng)用到的元器件都 找到后，按照電路圖開(kāi)始連接電路圖。

51、 在畫電路圖是我們能夠發(fā)現(xiàn)有很多器件沒(méi)有電源和地線的引腳，其實(shí)并不是沒(méi)有 引腳而是把引腳隱藏了起來(lái)，這樣在使用時(shí)極大方便了使用者，并且電路也會(huì)看起來(lái) 簡(jiǎn)單明了。如果在電路設(shè)計(jì)中需要自己加電源和地線，可點(diǎn)擊窗口中的雙箭標(biāo)選擇添 加。如圖5-4所示。 圖 5-4 Proteus 窗口 超聲波測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)硬件部分由超聲波的接收電路、顯示電路、超聲波的發(fā)射電 路和單片機(jī)的外圍電路等各部分組成。 使用單片機(jī)的P1.0口輸出40KHZ的方波信號(hào)，經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，以達(dá) 到超聲波換能器所需的震蕩條件。利用中斷口INT0檢測(cè)超聲波接收電路接收到的返回 信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)INT0引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)超

52、聲波就已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器計(jì)出超聲 波傳播所用的時(shí)間，然后算就能夠得到與障礙物之間的距離大小。顯示電路采用結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單的4位LED數(shù)碼管把測(cè)量的距離顯示出來(lái)，段碼采用74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，位碼用4個(gè) PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)。 超聲波測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射接，并自動(dòng)計(jì)時(shí)得出超聲波 的往返時(shí)間，單片機(jī)采用的是 AT89C51，這種單片機(jī)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。并且單片機(jī) 內(nèi)有 4K 的 ROM，方便于編程。 這時(shí)就可以使用單片機(jī)把各部分設(shè)計(jì)好的電路圖連接起來(lái)進(jìn)行仿真了。超聲波預(yù)警 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)圖如附錄一汽車預(yù)警系統(tǒng)原理圖所示。 5 53 3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)元器件清單超聲波測(cè)距系統(tǒng)元器件清單

53、 在本次設(shè)計(jì)中使用的元器件主要有單片機(jī) AT89C51，CX20106A,超聲波探頭，蜂鳴 器，數(shù)碼顯示管等，所用元器件詳細(xì)清單如表 5-1 所示。 表 5-1 元器件清單 元件名稱規(guī)格單位個(gè)數(shù) 電組 1K 只 4 電阻 10K 只 1 電阻 2K 只 5 電阻 200K 只 2 電阻 4.7R 只 1 磁片電容 30P 只 2 磁片電容 330 只 1 磁片電容 104 只 2 磁片電容 473 只 1 二極管 LED 只 2 電解電容 4.7uf 只 3 蜂鳴器蜂鳴器只 1 超聲波探頭 40T 只 2 三極管 9012 只 5 電源插座電源插座只 1 數(shù)碼管數(shù)碼管只 4 集成電路 74HC

54、04 塊 1 晶振 12M 只 1 集成電路 CX20106A 塊 1 單片機(jī) AT89C51 塊 1 開(kāi)關(guān) RST 只 1 5 54 4 汽車防撞系統(tǒng)實(shí)物制作汽車防撞系統(tǒng)實(shí)物制作 電路圖經(jīng)過(guò)仿真成功后，制作成 PCB 板。 PCB 的制造很復(fù)雜，一般都要經(jīng)過(guò)制版、 圖形轉(zhuǎn)移、光學(xué)蝕刻、過(guò)孔和銅箔處理、助焊和阻焊處理等過(guò)程。由于設(shè)備的不足， 在這次設(shè)計(jì)中，電路板的制作我沒(méi)有能夠親自參與，由制板公司代為制做，感覺(jué)很遺 憾。電路板制作成功之后，其他元件也都成功買到。在焊接制作工程中，遇到了很多 苦難，由于對(duì)器件的不了解，造成了多次焊接錯(cuò)誤，在改正錯(cuò)誤的過(guò)程中了解了很多 的器件，尤為一提的便是焊接技

55、術(shù)。在這次焊接中，自己專業(yè)的學(xué)習(xí)了焊接技術(shù)，大 大增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力。 在焊接中，焊點(diǎn)的最佳狀態(tài)是焊點(diǎn)為等腰三角形，兩腰要略凹，并且焊點(diǎn)表面要 光滑并且焊點(diǎn)布滿焊盤。在焊接時(shí)首先要準(zhǔn)備好焊錫絲和烙鐵。在加熱焊件之前確保 烙鐵的熱度足夠，并且烙鐵頭部要干凈。然后開(kāi)始加熱焊件，把烙鐵接觸到焊接點(diǎn)要 保證烙鐵讓整個(gè)焊件加熱，然后放焊錫絲，當(dāng)焊錫絲融化滿焊盤后，先將焊錫絲移開(kāi)， 最后在移開(kāi)烙鐵。 圖 5-5 汽車防撞系統(tǒng)實(shí)物圖 6 6 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 在本次設(shè)計(jì)中，除了硬件和軟件的設(shè)計(jì)可行之外，軟件和硬件的調(diào)試也是本次設(shè) 計(jì)中的重要部分。如果設(shè)計(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)軟件和硬件的調(diào)試可能會(huì)直

56、接導(dǎo)致本次設(shè)計(jì)的失敗。 6 61 1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 根據(jù)本設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊的原理設(shè)計(jì)出電路圖，用仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真成功后 根據(jù)仿真圖生成 PCB 圖，然后制作出來(lái)電路板。在制作之前，電路板的檢查是很重要 的，在檢查中先仔細(xì)檢查印制板上印制的線條有沒(méi)有斷路和毛刺，焊盤有沒(méi)有脫落， 是否和別的線粘連等等。然后用萬(wàn)用表檢測(cè)看起來(lái)可疑連接線或者連接點(diǎn)，看它們是 否和設(shè)計(jì)中規(guī)定的一樣。用萬(wàn)能表檢查每個(gè)電源線與地線之間的鏈接，看有沒(méi)有出現(xiàn) 短路現(xiàn)象。短路一定要在器件安裝之前及時(shí)的檢查出來(lái)。安裝完元器件后接通電源， 感覺(jué)一下芯片有沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，如果出現(xiàn)就要立即關(guān)掉電源，檢測(cè)一次。硬件 調(diào)試需要經(jīng)

57、過(guò)反復(fù)的調(diào)試，直到各個(gè)模塊通過(guò)檢測(cè)沒(méi)有問(wèn)題，通過(guò)反復(fù)檢查之后硬件 調(diào)試完畢。 6 62 2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試 軟件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中也是很重要的部分，它是使電路實(shí)現(xiàn)功能最為關(guān)鍵的部分。硬 件電路制作完成并且調(diào)試好后，就可以將編譯好的程序下載到單片機(jī)上。在調(diào)試中必 須先對(duì)程序進(jìn)行檢查，不要直接下載到單片機(jī)上，先把程序檢查一遍。仔細(xì)地檢查程 序的語(yǔ)法錯(cuò)誤，看是否有漏寫東西的地方，通過(guò)仔細(xì)的檢查，把錯(cuò)誤改正過(guò)來(lái)。在檢 查之后，在進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試中根據(jù)提示錯(cuò)誤的信息把錯(cuò)誤的地方找出來(lái)并改正。把 沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤的程序通過(guò)電腦下載到單片機(jī)上調(diào)試。先把每一個(gè)模塊單獨(dú) 的調(diào)試好，最后再把所有的程序整體調(diào)試。

58、 結(jié) 論 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計(jì)時(shí)器計(jì)出超聲波從發(fā) 射到接收到遇到障礙物后反射聲波的時(shí)間通過(guò)公式計(jì)算出汽車與障礙物之間的距離。 它的硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路及 顯示電路三部分。單片機(jī)采用的是AT89C51系列。超聲波的發(fā)射電路主要由反相器 74LS04和發(fā)射換能器構(gòu)成，用單片機(jī)P1.0端口輸出超聲波發(fā)射器所需要的40kHz的方波 信號(hào)。超聲波的接收采用CX20106A集成電路模塊進(jìn)行。超聲波測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序和數(shù)碼顯示子程序。 在本次設(shè)計(jì)中，與以前的汽車防撞預(yù)

59、警系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的抗干擾能力有了很大的 提高。本設(shè)計(jì)采用溫度傳感器DS18B20對(duì)汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，消除了溫度 對(duì)于超聲波聲速的影響。由于溫度對(duì)超聲波聲速的影響很大，這一改進(jìn)大大提高了系 統(tǒng)的抗干擾能力。 雖然在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中已經(jīng)通過(guò)認(rèn)真的思考，但是還有很多不足的地方。在本設(shè) 計(jì)中沒(méi)有把汽車速度的測(cè)量設(shè)計(jì)到汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)中去，對(duì)于這一方面還沒(méi)有充分 的研究。對(duì)于測(cè)速的初步想法就是利用多普勒效應(yīng)測(cè)出汽車的行駛速度，然后根據(jù)測(cè) 出的速度確定汽車與障礙物之間的極限安全距離在由單片機(jī)智能控制發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 致 謝 四年的大學(xué)時(shí)光轉(zhuǎn)眼即逝，經(jīng)過(guò)四年的刻苦學(xué)習(xí)，半年多的精心準(zhǔn)備，畢業(yè)設(shè)計(jì) 最

60、終圓滿完成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于知識(shí)學(xué)的不透徹，致使壓力很大，每一次在圖書 館中學(xué)習(xí)，每一次在網(wǎng)上收集最新研究動(dòng)態(tài)，都極大擴(kuò)展了自己的知識(shí)面。 感謝我的指導(dǎo)老師趙老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我的悉心指導(dǎo)。這次畢業(yè)論設(shè)計(jì)沒(méi) 有你對(duì)我專業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)，我不會(huì)這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。借此機(jī)會(huì)，向你表示 由衷的感謝。感謝電科專業(yè)的同學(xué)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中你們給我提出很多寶貴的意見(jiàn)， 在此真誠(chéng)謝謝你們的幫助。感謝我的室友們，為我創(chuàng)造一個(gè)和諧融洽，相互促進(jìn)的學(xué) 習(xí)環(huán)境中，祝她們?cè)谝院蟮墓ぷ骱蜕钪幸磺许樌?最后我要深深地感謝我的家人，無(wú)論我身處順境還是逆境，你們都給予我無(wú)限的 理解和支持，你們是我的堅(jiān)強(qiáng)后盾，正是