超聲波實現(xiàn)無接觸測距的倒車雷達系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、. . . . 44 / 49超聲波實現(xiàn)無接觸測距的倒車雷達系統(tǒng)設計摘 要隨著整個國家生活水平的提高，購車族也日益增多，汽車早已成為人們生活的必需品，然而汽車給人們帶來方便快捷的同時，也出現(xiàn)了許許多多的交通事故，其中因倒車引起的剮蹭事件則數(shù)不勝數(shù)，給人們帶來了許多不必要的經(jīng)濟損失，盡管每輛車都有后視鏡，但是我們要知道后視盲區(qū)卻不可避免，針對這一問題，設計出一個響應快、靈敏度高的倒車雷達勢在必行。本文利用超聲波實現(xiàn)無接觸測距，設計出一種倒車雷達系統(tǒng)，本文主要是利用超聲波穿透性強，衰減小，反射能力強等特點，將超聲波的測距原理與STC89C52RC單片機結(jié)合起來，利用超聲波的發(fā)射與接收電路實現(xiàn)無接觸

2、測距。由于環(huán)境溫度對超聲波波速有影響，使用DS18B20構(gòu)成的溫度測量電路，通過溫度補償法對速度進行校正，直接讀取溫度值，從而得出超聲波在某一溫度下的波速，測得并顯示距離，再根據(jù)顯示的距離控制蜂鳴器的發(fā)聲頻率。論文在介紹超聲波測距的原理與發(fā)展的基礎上，設計STC89C52RC單片機的接口控制電路，對溫度信號、超聲波發(fā)射與接收信號進行采集與控制，實現(xiàn)溫度補償與距離報警，通過比較多種發(fā)射與接收電路方案，對系統(tǒng)的誤差進行分析，得出了最合理的控制方案，對系統(tǒng)的各個單元的原理與組成各系統(tǒng)電路的芯片原理進行介紹，論文也介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)更便攜、可靠和經(jīng)濟。關鍵字：超聲波測距；倒車雷達；STC89

3、C52RC；溫度補償Design to non-contact ultrasonic ranging reversing radar systemAbstractWith the improvement of living standards across the country, car buyers are increasing, car has become a necessity of life, cars bring the people convenient, but also appeared in many traffic accidents, which caused by

4、reversing rub cut events are numerous, gave rise to a lot of unnecessary economic losses, even though vehicle has rear-view mirror, but we need to know blind Spot was inevitable, to solve this problem, design a fast response, high sensitivity reversing radar imperative.In this paper, the use of ultr

5、asound to achieve non-contact distance measurement, design a reversing radar system, this paper is the use of ultrasound penetrating strong, low attenuation, high reflectance characteristics, the principle of ultrasonic distance measurement with STC89C52RC microcontroller combines the use of ultraso

6、und the transmitter and receiver circuits to achieve non-contact distance measurement. Ultrasonic velocity of the ambient temperature influence on the use DS18B20 temperature measurement circuit constituted by the temperature compensation method of the speed correction value is directly read the tem

7、perature, and thus the velocity of the ultrasonic wave at a certain temperature, and display the measured distance, then control the buzzer sound frequencies depending on the distance display.On the basis of the principles and development of ultrasonic ranging presentation on the design STC89C52RC m

8、icrocontroller interface control circuit of the temperature signal, the ultrasonic transmitter and receiver signal acquisition and control, temperature compensation and distance alarm, by comparing multiple transmit and receive circuit scheme, the error system were analyzed and the most reasonable c

9、ontrol scheme, the principles of the system and each unit consisting of the system circuit chip principles are introduced, the paper also describes the software architecture of the system, making the system more portable, reliable and economical.Key words: Ultrasonic Ranging; reversing radar; STC89C

10、52RC; temperature compensation目錄第1章緒論11.1 課題設計的實用價值和理論意義11.1.1 設計的實用價值11.1.2 設計的理論意義11.2 課題設計的國外應用現(xiàn)狀21.2.1 設計的國應用現(xiàn)狀21.2.2 設計的國外應用現(xiàn)狀21.3 論文的設計容與章節(jié)安排31.3.1 論文的研究容31.3.2 論文的章節(jié)安排3第2章超聲波測距簡介42.1 超聲波簡介42.1.1 超聲波與應用42.1.2 超聲波的基本性質(zhì)42.2 超聲波傳感器42.2.1 超聲波傳感器的分類與原理42.2.2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)52.3 超聲波測距原理與設計思路62.3.1 超聲波測距原理

11、62.3.2 系統(tǒng)設計思路7第3章系統(tǒng)元件介紹93.1 單片機STC89C52RC93.2 超聲波測距模塊113.2.1 產(chǎn)品特點113.2.2 實物圖113.2.3 電氣參數(shù)113.2.4 超聲波時序圖123.3 溫度傳感器DS18B20123.4 LCD1602液晶顯示器133.4.1 液晶顯示器的優(yōu)點133.4.2 液晶顯示器的優(yōu)點133.4.3 LCD1602基本參數(shù)與引腳功能13第4章系統(tǒng)硬件設計164.1超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)174.2 超聲波發(fā)射電路174.3 超聲波接收電路184.4 電源電路194.5 測溫電路194.6 顯示電路194.7 報警電路204.8 復位電路214.9

12、 串行口通信電平轉(zhuǎn)換模塊21第5章軟件設計225.1 主程序設計225.2 子程序設計235.2.1 距離計算子程序235.2.2 顯示子程序245.2.3 超聲波測距模塊啟動函數(shù)255.2.4 報警子程序265.2.5 獲得溫度子程序26第6章測量結(jié)果與誤差分析286.1 測量結(jié)果286.2 誤差分析286.3 提高測量精度方法29結(jié)論30參考文獻31致33附錄34附錄1 超聲波測距原理圖34附錄2 實物圖34附錄3 程序34在校學習期間獲獎評價45第1章 緒論1.1 課題設計的實用價值和理論意義1.1.1 設計的實用價值縱觀任何一個現(xiàn)代城市的鳥瞰圖，交通、建筑、環(huán)境是一個城市的靈魂，它們代

13、表了一個城市的發(fā)展，城市的交通，不僅是滿足一個城市里人員和貨物流動需要的產(chǎn)物，更是支持城市發(fā)展?jié)摿Φ幕A、促進城市現(xiàn)代化發(fā)展的關鍵1。俗話說不以規(guī)矩，不能成方圓，分析整個社會的發(fā)展狀況，可以看出，一個現(xiàn)代化的城市需要有自己的交通格局，來滿足現(xiàn)代化生活的需要、適應城市快速發(fā)展成的現(xiàn)代交通運輸體系2。隨著整個社會生活水平的提高，購車的家庭數(shù)量也日益增多，汽車已經(jīng)發(fā)展成為人們出行的必需品，然而她在給人們帶來出行方便快捷的同時，也不可避免的發(fā)生了許許多多的交通事故，其中因倒車引起的刮蹭事件更是不計其數(shù)，為了避免這種倒車事故，可以利用倒車雷達幫助車主掃除視線盲區(qū)，通過更為直觀的聲音、圖像或者其他數(shù)據(jù)等形

14、式，與時的為車主提供有效可靠的信息，使車主360°全方位無盲點的掌握四周的交通路況情況，進而避免不必要的交通事故，提高了駕駛的安全性，促進城市更穩(wěn)定的發(fā)展3。1.1.2 設計的理論意義倒車雷達系統(tǒng)又叫“倒車防撞雷達系統(tǒng)”，可以為駕駛員提供倒車路況信息，保障車輛安全。這一系統(tǒng)有效的解決了因倒車發(fā)生的剮蹭別的車輛事故，本論文是利用超聲波這一應用廣泛測量“工具”，實現(xiàn)一個無接觸測距的倒車雷達系統(tǒng)，通過LCD顯示屏把離障礙物準確的距離顯示出來，并有報警系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)更加人性化，本設計的實際意義在于：（1）倒車雷達自動化的發(fā)展改變了以前以“防撞”為目的，發(fā)展成為利用科技控制行駛方向；（2）避

15、免了駕駛員因駕駛失誤，或者方向性不強而發(fā)生的事故，讓駕駛員可以完全專注于在前方行車領域，沒有必要擔心周圍的汽車行駛條件，提高了停車、倒車的可靠性和安全性4；（3）準確與時、安全可靠地防碰撞警告，使駕駛者不因氣候、地域等外界環(huán)境的改變而出現(xiàn)不必要的損失，從而減輕了車主的腦力與體力勞動；（4）該系統(tǒng)經(jīng)濟性能好、價格便宜、容易普與，推動了汽車電子行業(yè)的發(fā)展，為將來汽車行業(yè)的智能行駛的研究產(chǎn)生了深遠積極的意義。1.2 課題設計的國外應用現(xiàn)狀1.2.1 設計的國應用現(xiàn)狀近年來，我國進入了汽車行業(yè)的高速發(fā)展時期，伴隨著汽車電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，倒車雷達報警系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展，是汽車電子產(chǎn)物中的佼佼者，深受

16、車主們的青睞，倒車雷達報警系統(tǒng)已發(fā)展成了一個較大的行業(yè)，并且在不同系統(tǒng)之間存在著激烈的競爭5。在國，倒車雷達系統(tǒng)總共經(jīng)歷了六次的技術革新，第一代倒車雷達是在倒車過程中按喇叭進行提醒。然而現(xiàn)在只有在小部分的大型車上還在使用，當駕駛員掛上倒檔，汽車的倒車喇叭就會響，現(xiàn)在想想這并不是真正意義上的倒車雷達，它只是起到讓周圍人能注意到駕駛員的倒車意圖，而對駕駛員了解周圍的障礙物沒起到一點的作用。第二代系統(tǒng)是使用蜂鳴器來提醒駕駛員，當汽車周圍存在障礙物時，蜂鳴器就會發(fā)出警報，距離越小，警報聲音就會越急促，但是即使駕駛員知道了周圍有障礙物，卻不知道距離障礙物實際有多遠。第三代的倒車雷達系統(tǒng)利用數(shù)碼管顯示車與

17、障礙物的大概距離但是并不精確，安裝也不美觀。第四代是液晶屏動態(tài)顯示障礙物與車體的距離，只要發(fā)動車體，液晶屏上就立即顯示出車子四周路況景象，和四周障礙物的位置，這一代的倒車雷達安裝方便不過很容易受到氣候天氣的干擾，所以很不穩(wěn)定6。第五代的采用仿生超聲的雷達技術，可以時刻的檢測到周圍障礙物的距離，它是由高速的電腦控制，以不同頻率的聲音來提醒駕駛員，人們稱這一代倒車雷達系統(tǒng)為魔幻鏡倒車雷達，它將倒車雷達、免提等多項人性化的功能結(jié)合到一起，功能多種多樣，但是價格也比較貴。第六代專為高檔的轎車所生產(chǎn)，在第五代的基礎上在顯示器上還可以看電影，在保證車子安全的同時又可以休閑娛樂。目前國市場中上倒車雷達品牌不

18、勝枚舉，價格也參差不齊，有的車主還根據(jù)自己的需求設計專門的倒車雷達。近幾年，國倒車雷達系統(tǒng)迅速發(fā)展，并且越來越向國際靠攏7。1.2.2 設計的國外應用現(xiàn)狀國外對汽車倒車雷達系統(tǒng)的研究也如火如荼，最早的采用紅外線原理，與超聲波不同的是，紅外線極易受到干擾，特別是深色的粗糙的物體，遇到障礙物時，整個系統(tǒng)的報警常常會亂鳴，此外，紅外線的接收器與發(fā)射器，只要任何一個受到干擾，整個系統(tǒng)就會崩潰8。近期歐美發(fā)明了一款新的利用電磁感應的倒車雷達系統(tǒng)，原理是在一線路上放置一個感應圈來感應車后物體，不過缺點是只能感應到動態(tài)物品，只有車體前進或者后退時，才能檢測到四周的障礙物，一旦車體靜止，就檢測不到任何周圍的障

19、礙物9。與此同時，日本、美國和歐洲經(jīng)濟實力比較強的國家也投入了巨大的人力、物力來研究更為先進的安全、穩(wěn)定的倒車雷達系統(tǒng)，根據(jù)資料顯示，戴姆勒克萊斯勒公司目前研制出了一款電子剎車系統(tǒng)，它的特點是在汽車的前方設置雷達感應器，感應車前物體的變化，并將這一信息傳輸至控制器上形成虛擬景象，最后利用系統(tǒng)程序來判斷汽車是否需要緊急剎車，但是這個系統(tǒng)花費特別大，昂貴的價格極有可能阻礙了它在普通汽車上的普與性。在底特律國際車展上，通用公司展示了它們新研制出來的后視鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個后視鏡和兩個外后視鏡組成，來全方位的檢測車體四周的路況條件，并在液晶屏上顯示，倒車時出現(xiàn)的障礙物會與時有效的傳達給駕駛者10。1.

20、3 論文的設計容與章節(jié)安排1.3.1 論文的研究容本設計利用超聲波反射原理實現(xiàn)無接觸測距，基于STC89C52RC單片機，目的旨在提高汽車在倒車、停車時的安全性。本文首先介紹了超聲波測距的基本原理、研究了超聲波的聲速與傳播距離、環(huán)境溫度等的關系，然后梳理整個倒車雷達系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，最后實現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件設計。本設計以STC89C52RC單片機作為整個倒車雷達測距系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，它控制整個測距系統(tǒng)的輸入、輸出信號以與把接收到的溫度信號、超聲波發(fā)射與接收信號進行采集與信息處理，最終實現(xiàn)測距與報警功能，另外，系統(tǒng)主要的電路由電源電路、超聲波發(fā)射與接收電路、LCD液晶顯示屏顯示電路、蜂鳴器報警電路構(gòu)成。

21、1.3.2 論文的章節(jié)安排本文章節(jié)安排如下:第1章為緒論，首先介紹了課題研究的背景、目的和意義，分析了國外研究現(xiàn)狀，最后總結(jié)了本文研究容與章節(jié)安排。第2章簡單介紹了超聲波測距相關概念、工作原理與系統(tǒng)設計思路。第3章是超聲波測距系統(tǒng)的主要元件介紹。第4章介紹了本設計的硬件部分。第5章介紹了本設計的軟件部分。第6章是測量結(jié)果與誤差分析。最后是論文結(jié)論、參考文獻、致和附錄。第2章 超聲波測距簡介2.1 超聲波簡介2.1.1 超聲波與應用眾所周知，物體振動會發(fā)出聲音，物理學上把單位時間完成振動的次數(shù)稱為頻率，然而不是所有的聲音頻率我們都能夠聽到，頻率低于20Hz的“次聲波”與高于20000Hz的“超聲

22、波”就是人耳聽不到的圍，在正常的生活中，我們?nèi)祟愃芊直娴念l率圍是20Hz至20000Hz。最近幾年，人們往往利用超聲波的強穿透能力、弱衰減性、強反射能力等特點，使其在交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等眾多的領域都發(fā)揮出與其重要的作用。與自然光、紅外光等在測量方面的作用相比較，超聲波介質(zhì)的穿透能力相當大，不管是液體還是固體中，超聲波可以達到十幾甚至幾十米的穿透深度，無論是氣體、液體還是固體對超聲波都沒有太大限制，所以超聲波測量不僅安全、可靠、穩(wěn)定，還可以節(jié)約成本，給人們帶來更大的方便11。2.1.2 超聲波的基本性質(zhì)（1）方向性強，方向性強主要體現(xiàn)在超聲波在傳播到過程中若遇到障礙物就很容易反射回去，這種特性在

23、超聲波倒車測距系統(tǒng)中起到了決定性的作用。（2）波長短，超聲波頻率超過20000Hz，因此其波長很短，由于波長越短方向性越強，這就有利于超聲波的發(fā)射與接收，也可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器；（3）傳播的能量大，振動頻率越大，其能量就越大，超聲波頻率超出人耳分辨的頻率，因此所攜帶的能量也相對更大。2.2 超聲波傳感器2.2.1 超聲波傳感器的分類與原理超聲波傳感器是利用計時超聲波在空氣中傳播的時間，進而可以計算距離特性而設計的一種裝置，又稱為探頭或換能器。探頭的功能就是發(fā)射與接收超聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播中遇到障礙物后利用它的強方向性立即返回，返回的超聲波被傳感器接收，然后將其轉(zhuǎn)換成電信號12。一般地

24、，超聲波發(fā)射與接收的常用頻率為40Hz，如果頻率高于40Hz，那么聲波在傳播的過程中衰減就比較大，如果頻率低于40Hz那么受外界雜音的干擾就會比較多。根據(jù)使用功能分類，超聲波傳感器可以分為：專用型與兼用型。我們市面上的專用型就是指超聲波傳感器只有一個發(fā)射或者接受功能，兩者不能同時兼?zhèn)?，而兼用型就很容易理解了，它可以只有發(fā)射或者接收功能，重要的是可以發(fā)射與接受同時兼有。超聲波傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理方便、價格便宜、實現(xiàn)簡單，因此廣泛應用于電子測距行業(yè)13。超聲波傳感器分為電磁式、壓電式、磁致伸縮式，這是根據(jù)它的工作原理分類的，其中壓電式的應用最廣。壓電式傳感器硬件構(gòu)成由壓電晶體、壓電瓷組

25、成，由這兩種材料組成的傳感器一般稱之為壓電式超聲波傳感器，它的示意圖如圖2-1所示。圖2-1 壓電式傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式傳感器的優(yōu)點是用料較少、價格適中，由于它是利用兩個壓電瓷芯片做成的所以十分適用于氣體、液體介質(zhì)中。正壓電效應（壓電材料受力后產(chǎn)生電荷）與逆壓電效應（壓電材料受到電場時，會變形產(chǎn)生機械效應），它們是壓電式傳感器的原理，當壓電瓷芯片受到一定頻率的電壓脈沖時，機械振動就會產(chǎn)生一樣的頻率，超聲波就是由這種振動生成的，相反，如果將超聲波施加在壓電瓷芯片上，由于逆壓電效應，芯片就會產(chǎn)生機械形變，因而芯片產(chǎn)生與施加在其上頻率一樣的電信號。由圖2-1所示，超聲波的振動就是由壓電瓷芯片上、下片之

26、間的作用產(chǎn)生的，在壓電瓷芯片的A、B兩端通上交流電壓，電場就此產(chǎn)生，若A端的壓電瓷芯片產(chǎn)生的電場與極化方向一樣，與之相反，B端的壓電瓷芯片兩者的方向就會相反，壓電瓷芯片的諧振頻率為，在超聲波產(chǎn)生并發(fā)射過程中,振幅最大的條件是施加在壓電瓷芯片的電壓頻率與它的諧振頻率相等；當接收反射回來的超聲波時,產(chǎn)生信號最大的條件是施加在在壓電瓷芯片上面的超聲波的頻率與它的諧振頻率相等，因此，超聲波傳感器的測量靈敏度才會很高如果不改變壓電瓷芯片的材料，傳感器大小形狀與尺寸變化，就可以很容易實現(xiàn)其諧振頻率的改變14。2.2.2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波傳感器主要由金屬殼、導電螺桿、壓電晶片、接線片等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意

27、圖如圖2-2所示。壓電瓷芯片的形狀大多數(shù)都是圓形芯片，產(chǎn)生的超聲波的頻率與壓電芯片的厚度成反比關系。另外，壓電芯片導電是靠貼在兩邊的鍍銀層實現(xiàn)。圖2-2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 2.3 超聲波測距原理與設計思路2.3.1 超聲波測距原理本系統(tǒng)的倒車雷達，采用超聲波進行測距，主要是利用聲波的反射的原理，縱觀整個系統(tǒng)，原理很簡單，可以把整個系統(tǒng)看成兩端，一端是超聲波的測距模塊，另一端就是能夠反射來超聲波的障礙物，具體的測距原理是：超聲波由超聲波測距模塊里的超聲波發(fā)射器發(fā)射出來，此時單片機的計時器開始計時，超聲波在空氣中傳播過程中遇到障礙物后被反射出來，反射出來的超聲波回波被超聲波接收器接收回來，此時系

28、統(tǒng)停止計時，然后由公式算出距離。設超聲波在空氣中傳播的速度為，超聲波從發(fā)射到返回之間的時間為，那么距離計算公式表達為：（2.1）式中乘以計算的是單程的距離。由測量距離公式2.1可知，想提高測量距離的精度，主要從兩方面入手，一是測量傳播時間的準確性、二是超聲波在當前環(huán)境下的傳播速度的準確性。超聲波測距系統(tǒng)的時間準確性主要由STC89C52RC的系統(tǒng)定時周期決定，傳播時間為系統(tǒng)周期乘以脈沖個數(shù)，為了提高測量準確度，本設計所選晶振的頻率為12MHz。對于超聲波傳播速度而言，由超聲波的性質(zhì)可知，超聲波的傳播速度與所處環(huán)境的溫度、傳播介質(zhì)密度以與大氣成分都有著密不可分的關系，具體公式為（2.2）式中，為

29、氣體定壓下與定容下熱容比，是通用氣體常數(shù)，是環(huán)境氣體的熱力學溫度，熱力學溫度與攝氏溫度的轉(zhuǎn)換公式為，是氣體相對分子質(zhì)量。在式2.2中，空氣定壓定容熱容比為1.40，數(shù)值為，是，那么式2.2可以轉(zhuǎn)化為式2.3，（2.3）其中，為在溫度為0時超聲波的傳播速度。分析關系式2.3式可知，超聲波的傳播速度，與環(huán)境溫度關系最大，速度與溫度的數(shù)值關系如表2-1所示，可以看出，超聲波傳播速度隨氣體溫度的升高而加快，且成線性關系，變化率固定，例如環(huán)境溫度為0時的速度為332m/s，20時的速度為344m/s，相差12m/s，在40時的速度為356m/s，與20時速度也相差12m/s。在大多數(shù)對聲波速度準確率要求

30、不高的情況下，我們設定聲速為340m/s，而在超聲波測距系統(tǒng)中，想要獲得更高的準確率，就要求提供準確的超聲波傳播速度。為解決溫度對聲波速度的影響，在這里，需要進行溫度補償，補償公式為(2.4)其中，為環(huán)境溫度（攝氏溫度）。表2-1 超聲波傳播速度與溫度關系表項目數(shù)值溫度（）-30-20-100102030405060100聲速(m/s)3133193253323383443503563613673882.3.2 系統(tǒng)設計思路在日常生活中，我們對距離的測量方法不勝枚舉，對近距離的物體我們直接用直尺，對遠距離物體，有激光測距、超聲波方法等先進的測距方法，不論什么測量方法，它們的目的都一樣，就是通過

31、障礙物返回的探測信息，立即判斷出障礙物與測量之間的距離，然后根據(jù)測量或者計算出的距離采取解決問題的措施。在本章中介紹了超聲波的性質(zhì)，由于超聲波的強導向性即遇到障礙物能立即返回，因此采用應用較為廣泛的超聲波進行倒車雷達測距，提高了整個系統(tǒng)的方便性和可靠性，更易于研究和控制整個系統(tǒng)15。目前比較普遍的測距原理：通過發(fā)射出超聲波，由于超聲波具有一定的特征頻率，當超聲波遇到障礙物時就被立即反射回去，超聲波傳感器感受到反射回來的超聲波，然后計算從發(fā)射到接收回來的時間，用時間乘以超聲波的波速，進而求出了測距點與障礙物之間的距離，目前用此原理研究出來的產(chǎn)品很多，例如超聲波測距模塊，超聲波汽車倒車雷達裝置等。

32、用超聲波方法測距設計簡單、數(shù)據(jù)處理方便，由于超聲波在空氣中傳播速度可近似為331.45米/秒，且單片機一般使用12.0MHz的晶振，所以用此系統(tǒng)測距精度可以達到毫米級，正常情況下能達到要求不過我國的超聲波測距電路大多是只有厘米級的測量精度。在本系統(tǒng)中，是通過超聲波測距的溫度補償法，最后把測量精度提高到了毫米級，進一步提高了系統(tǒng)的可讀性。51單片機系列硬件結(jié)構(gòu)功能齊全、易于下手等特點。與別的系列不同的是，除了具有8位核心的CPU外，它還擁有一個功能強的位處理器。超聲波測距的倒車雷達系統(tǒng)的設計要求，本系統(tǒng)我采用了STC89C52RC單片機作為整個系統(tǒng)的主控制器，它的作用是控制整個系統(tǒng)的運作，包括控

33、制超聲波發(fā)射與接收、計算發(fā)射與接收之間的時間差、測量整個運行環(huán)境的溫度、通過測得的時間計算距離、蜂鳴器報警、LCD液晶顯示屏顯示溫度與距離等模塊。對于超聲波的發(fā)射與接收，本系統(tǒng)用超聲波測距模塊，此模塊將超聲波接收器與發(fā)射器設置在同一個電路上，避免了超聲波接收器與發(fā)射器不在一起而引起的測量不穩(wěn)定的問題；測量環(huán)境溫度的主要原因是由于超聲波在空氣中傳播的時候受溫度的影響比較大，本系統(tǒng)中利用溫度補償法解決了此問題，提高了系統(tǒng)的精確度；與數(shù)碼管顯示不同的是，液晶顯示屏可以顯示多行，不僅顯示計算出來的距離，還可以顯示對超聲波影響較大的溫度因素，用LCD液晶顯示屏豐富了系統(tǒng)的整體功能；蜂鳴器報警模塊則是設置

34、一個警戒值，小于警戒值系統(tǒng)就會報警，提醒駕駛員注意安全。第3章 系統(tǒng)元件介紹3.1 單片機STC89C52RC單片機即單片微型計算機SCMC（Single Chip MicroComputer）。它集合了一臺標準計算機上的基本功能部件，如CPU（核心中央處理器）、RAM（隨機存儲器）、ROM（程序存儲）、I/O設備、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器等部件集中在同一塊芯片上，故又稱為微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。和普遍的微型機相比，單片機的最大的優(yōu)點就是體積小，這個有點可以讓單片機很容易的嵌入到別的儀器設備里，實現(xiàn)所能實現(xiàn)的功能，因此又被稱為嵌入式微控制器EMCU（Embedd

35、ed Microcontroller Unit)。主要功能包含32位引腳，看門狗電路，復位電路，且置8K存，512B運存，另外還包含3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu))，STC89C52單片機工作模式是全雙工模式。另一大優(yōu)點是單片機系統(tǒng)頻率可最低至0Hz，有兩種省電模式。在單片機閑置狀態(tài)時，處理器不再運行，但是可以保持運存、計數(shù)、通信、中斷等部件運行。當單片機進入掉電保護時，運行存的數(shù)據(jù)被記錄下來，晶振停止運行，在系統(tǒng)被復位或下一次中斷之前，整個系統(tǒng)都被終止運行18。示意圖如圖3-1。圖3-1 STC89C52RC的引腳圖STC89

36、C52RC的引腳功能有19：（1） 主電源引腳VSS第20腳，電路接地電平。VCC第40腳，一般運行時都是+5V的電壓。（2) 時鐘源第19腳，作為中反相器的輸入端，正常情況下與晶振的一個引腳相連。特殊情況下，如果采用外部信號時，那么這個引腳接地。第18腳，作為中反相器的輸出端。正常情況下與晶振的另一個引腳相連。特殊情況下，如果使用外部源，就與信號源相連，作為外部信號的輸入端使用。（3) 控制、復用和選通第30腳，該引腳是地址鎖存允許信號和編程脈沖輸入端信號。第9腳，RST/VPD是復位信號RESET的輸入端。一般情況下，滿足RST/VPD上連續(xù)施加兩個系統(tǒng)周期的復位信息，系統(tǒng)就進入復位狀態(tài)。

37、在電源信號無電時，RST/VPD就連通備用電，從而確保系統(tǒng)信息無損失。第29腳，外部ROM訪問選通信號。（4) 多功能I/O端口P0口第3239腳，8位真正的雙向數(shù)據(jù)I/O口。P1口第18腳，此端口是具8位準雙向的I/O端口并且含有上拉電阻。P2口第2128腳，與P1口一個功能類似，它是8位的雙向I/O口，并且含有上拉電阻。在兩種情況下P2口可作為高8位的地址總線，一種情況是單片機對存儲器訪問時，另一種情況是當對片的程序存儲器（EPROM型）程序編程與校驗時使用。P3口第1017腳，與P1端口和P2端口一樣，是8位的準雙向I/O口。但是與P1、P2不同的是，它還提供特殊的第二功能。而且每一個引

38、腳都可以單獨選擇任一功能使用。第二功能表的具體含義如表3-1：表3-1 P3口的第二功能表端口引腳第二功能端口引腳第二功能P3.1RXD（串行通訊輸入口）P3.5T0（定時/計數(shù)器0）P3.2TXD（串行通訊輸出口）P3.6T1（定時/計數(shù)器1）P3.3（外中斷0）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.4（外中斷1）P3.8（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）3.2 超聲波測距模塊3.2.1 產(chǎn)品特點該系統(tǒng)采用測距模塊為，的測量圍是4厘米至4米，準確度為3毫米，主要由三部分組成：發(fā)射部分，接收部分以與控制部分?；竟ぷ髟?0：（1）提供至少的高電平信號，就可以通過TRIG啟動測距功能；（2）啟動測距后，

39、發(fā)射器發(fā)射頻率為的超聲波信號，接收器會自動檢測反射回來的聲波；（3）當接收到反射信號時，經(jīng)過I/O端口給出高電平信號，直到接收完所有的反射信號。3.2.2 實物圖圖3-2 超聲波測距模塊實物圖從圖中可以看出，該模塊包含的引腳分別是電源、觸發(fā)、響應和接地。3.2.3 電氣參數(shù)表3-2 超聲波測距模塊電氣參數(shù)電氣參數(shù)HCSR04超聲波模塊工作電壓5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠射程4m最近射程4cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10µs的TTL脈沖輸出響應信號與傳播距離成正比的邏輯電平信號規(guī)格尺寸45*20*15mm3.2.4 超聲波時序圖圖3-3 超聲波時序圖從上圖可以看出，當外部

40、提供不小于的TTL信號時，超聲波發(fā)射模塊將依次發(fā)射8個40KHz的脈沖信號，遇到障礙物后信號反射回來，被接收模塊接收到并給出電平響應，相應電平輸出正比于測量的寬度。3.3 溫度傳感器DS18B20溫度傳感器主要組成單元是熱敏元件，熱敏元件是利用物體在不同溫度下其屬性會發(fā)生變化的原理制成。市場上的熱敏元件有很多種類，根據(jù)材料與性質(zhì)的不同，分為金屬熱電阻、熱電偶、半導體材料熱電阻等不同形式。在所有熱敏元件中，使用圍最為普與的當屬半導體材料熱敏元件，它與其他種類元件相比，優(yōu)點是尺寸小巧、反應速度快、準確性高、生產(chǎn)方便、成本低，適用圍廣。是美國一家公司最近研發(fā)的新型溫度傳感器，它最大的優(yōu)點是可以快速直

41、接的顯示出所測量的溫度值度。采用“一線總線”通信模式，測量圍更廣，精度更高，系統(tǒng)可靠性進一步提升。的特點簡單介紹如下21：(1)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓圍為3.05.5V；(2)每個芯片唯一編碼，零待機功耗，無需外部元件(3)可調(diào)的9至12位分辨率，可編程溫度為0.5，0.25，0.125，0.0625；(4)用戶可定義報警設置,測溫圍：-55125；(5)自我保護功能，可防止電源接反損壞傳感器；(6)封裝方式多樣，圖3-4展示了PR-35封裝圖。圖3-4 PR-35封裝圖3.4 LCD1602液晶顯示器在我們的日常生活學習中，液晶顯示屏的應用相當廣泛，在很多的家用電器、大街小巷里的廣告牌等都可

42、以看到液晶顯示器的身影，液晶顯示主要通過字符、圖像與數(shù)字的形式顯示出來。3.4.1 液晶顯示器的優(yōu)點（1）低功耗液晶顯示器的功耗主要體現(xiàn)在兩部分，一是部的電極，二是部的驅(qū)動，其他的顯示器則沒有此優(yōu)點，大大的節(jié)省了能源的消耗；（2）數(shù)字式接口數(shù)字式的接口是液晶顯示屏最為重要的優(yōu)點，液晶顯示器通過數(shù)字式的接口連接到與單片機上，這一優(yōu)點使得系統(tǒng)安全可靠，操作更加方便；（3）顯示清晰液晶顯示屏的顯示十分清晰，與其他顯示器額區(qū)別是，當液晶顯示器收到需要顯示的信號時，顯示屏上的任何一點會保持一定的色彩和亮度，不像其他顯示器，例如陰極射線管顯示器，需要系統(tǒng)不斷的刷新實現(xiàn)顯示功能；（4）重量輕液晶顯示器之所以

43、比其他顯示器輕，是因為它是通過電極來控制液晶分子的狀態(tài)，最終實現(xiàn)顯示功能；3.4.2 液晶顯示器的優(yōu)點液晶顯示器利用液晶的物理特性實現(xiàn)顯示功能的，如果系統(tǒng)上電，那么電壓就會對液晶顯示屏控制，從而實現(xiàn)顯示功能。本系統(tǒng)中主要是顯示字符，利用LCD液晶顯示屏來顯示一個或多個字符，如果液晶顯示器中沒有字符發(fā)生控制器，那么要點亮字符6×8或8×8點陣，首先要找到8個字節(jié)，這8個字節(jié)是在顯示屏上對應RAM區(qū)的，然后想點亮的位設為“1”，不點亮的為“0”，這樣的設置就可以在顯示屏上顯示出字符了。在本系統(tǒng)中利用LCD1602，在其部自帶的字符發(fā)生控制器，通過在LCD上的行號與列號，在與RA

44、M一一對應的地址上設置光標，通過軟件設計在光標處送去需要顯示的字符即可。3.4.3 LCD1602基本參數(shù)與引腳功能1602LCD可以分為兩種，一種是帶背光的另一種是不帶背光的，這兩個相比較，不帶背光的要比帶背光的薄，但是在實際的生活應有中，這兩種并無多大的差別，1602LCD具體尺寸如下圖3-5所示。圖3-5 1602LCD尺寸圖引腳功能說明：本系統(tǒng)超聲波測距的倒車雷達，采用帶背光的LCD1602，芯片上的16個引腳功能如表3-3所示:表3-3 LCD1602各個引腳說明引腳號符號引腳說明1VSS地電源2VDD接5V正電源3VL對比度調(diào)整端4RS寄存器選擇，高電平時為數(shù)據(jù)寄存器，低電平時為指

45、令寄存器5R/W讀寫信號，高電平進行讀操作，低電平進行寫操作6E使能端，高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令7D0D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線8D19D210D311D412D513D614D715BLA背光源正極16BLK背光源負極1602LCD主要技術參數(shù)：顯示容量:16×2個字符；芯片工作電壓:4.55.5V；工作電流:2.0mA（5.0V)；模塊最佳工作電壓:5.0V；字符尺寸:2.95×4.35（W×H)mm。3.5 USB轉(zhuǎn)串口集成塊PL23033.5.1 PL2303簡介PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器

46、，該芯片置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉(zhuǎn)換。通過利用USB塊傳輸模式，利用龐大的數(shù)據(jù)緩沖器和自動流量控制，PL2303能夠?qū)崿F(xiàn)更高的吞吐量比傳統(tǒng)的UART（通用異步收發(fā)器）端口,高達115200bps的波特率可用于更高的性能使用。3.5.2 PL2303產(chǎn)品特性1.片擁有USB1.1收發(fā)器，5V轉(zhuǎn)3.3V的穩(wěn)壓器，12MHz的晶體振蕩器；2.支持RS232這樣的串行接口；3.可配置的512個字節(jié)雙向數(shù)據(jù)緩沖器；4.支持從遠程輸入相關調(diào)制信號進行喚醒功能；5.兩個通用的I/O（GPIO）引腳；6

47、.該IC是SSOP封裝的小尺寸28引腳。3.5.2 PL2303引腳PL2303引腳圖如圖3-6所示：圖3-6 PL2303引腳圖芯片PL2303上的28個引腳功能如表3-4所示:表3-4 PL2303各個引腳說明引腳號引腳名類型引腳描述1TXD輸出數(shù)據(jù)輸出到串口2DTR_N輸出數(shù)據(jù)終端準備好，低電平有效3RST_N輸出發(fā)送請求，低電平有效4VDD_325電源RS232的電源，為串行端口信號的電源引腳；當串口為3.3V，這應該是3.3；當串行端口是2.5V，這應該是2.5V5RXD輸入串口數(shù)據(jù)輸入6RI_N輸入/輸出串行端口（環(huán)指示器）7GND電源接地8NC無連接9DSR_N輸入/輸出串行端口

48、(數(shù)據(jù)集就緒)10DCD_N輸入/輸出串行端口(數(shù)據(jù)載波檢測)11CTS_N輸入/輸出串行端口(清除發(fā)送)12SHTD_N輸出控制RS232收發(fā)器關機13EE_CLK輸入/輸出串行EEPROM時鐘14EE_DATA輸入/輸出串行EEPROM數(shù)據(jù)15DP輸入/輸出USB端口D+信號16DM輸入/輸出USB端口D-信號17VO_33常規(guī)3.3V電源輸出18GND接地19NC無連接20VDD_5電源USB端口的5V電壓電源21GND接地22GP0輸入/輸出通用I/O引腳023GP1輸入/輸出通用I/O引腳124NC無連接25GND_A模擬地鎖相環(huán)26PLL_TEST輸入PLL 鎖相環(huán)測試模式控制27

49、OSC1輸入晶體振蕩器輸入28OSC2輸入/輸出晶體振蕩器輸出第4章 系統(tǒng)硬件設計4.1超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以STC89C52RC為整個系統(tǒng)的核心，控制著超聲波倒車雷達系統(tǒng)的各個模塊的正常運行，超聲波的發(fā)射與接收模塊，可以比喻成單片機與障礙物之間的“信號員”；測溫和蜂鳴器報警電路則是輔助系統(tǒng)的完善性模塊，LCD液晶屏顯示模塊更加人性化顯示算出的距離和環(huán)境溫度；它們與復位電路、電源電路等組成了完整的超聲波倒車雷達測距系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。系統(tǒng)各個模塊的主要功能如下：（1）測距部分主要功能是發(fā)射和接收超聲波，系統(tǒng)利用測得的總時間與超聲波的波速，從而算出距離；（2）溫度模塊為系統(tǒng)提

50、供溫度補償，大大的提高了系統(tǒng)的測量精度；（3）LCD液晶顯示屏顯示距離、溫度；（4）系統(tǒng)設置警戒值，當計算出的距離低于設定警戒值時蜂鳴器報警16-17。圖4-1 超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.2 超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路包含的主要元器件是反相器、電阻和發(fā)射器，反相器是一個六非門反向器，本電路共包含有5個反相器，單片機的端口輸出脈沖信號，該信號的頻率是40kHz，然后由壓電瓷芯片振動產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)射器信號來源于兩條，其中一條信號通過和與并聯(lián)構(gòu)成的二級反相電路到達發(fā)射器的一個引腳，另一條信號通過與并聯(lián)構(gòu)成的反相電路到達發(fā)射器的另一引腳22。反相器可以放大超聲波信號的強度，系統(tǒng)中添加的電阻、的作用有兩個

51、，一個是增強了輸出信號，另一個作用是縮短了的自由振蕩時間，提高阻尼作用。圖4-2展示了發(fā)射電路原理。圖4-2 超聲波發(fā)射電路原理圖4.3 超聲波接收電路超聲波接收電路如下圖所示，它主要由一個超聲波接收器R40、兩個四路運算放大器LM324組成的兩級放大電路和一個鎖相環(huán)電路LM567構(gòu)成。超聲波接收器R40的作用是接收反射回來的超聲波信號，LM324的作用是構(gòu)成放大電路，增強返回的弱的超聲波信號。根據(jù)運放器虛短虛斷原理，一級放大電路放大倍數(shù)為倍（增益為dB），二級放大電路放大倍數(shù)為倍（增益為dB），總的放大倍數(shù)為100×10=1000倍（增益為40+20=60dB）。調(diào)整鎖相環(huán)電路，使

52、LM567頻率與超聲波頻率一致，這樣當鎖相環(huán)電路接收到符合標準的信號后，就從口向單片機發(fā)中斷請求，從而避免了其他不同頻率的信號對系統(tǒng)功能的影響23。超聲波接收電路如圖4-3所示。圖4-3 超聲波接收電路原理圖4.4 電源電路單片機STC89C52RC的驅(qū)動電源電壓為5V，本系統(tǒng)采用的電源為5V的USB接口供電，剛好滿足系統(tǒng)供電要求。電源電路原理圖如圖4-4所示。圖4-4 電源電路原理圖4.5 測溫電路由于超聲波的聲速在不同的溫度下有所不同，采用了溫度補償法，來提高整個系統(tǒng)的測量精度，這里采用的主要元器件是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、體積小、

53、線路簡單等優(yōu)點。將溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)線與連接到STC89C52RC單片機的口，就可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的溫度測量，原理圖如圖4-5所示。圖4-5 測溫電路原理圖4.6 顯示電路LCD顯示電路用的是LCD1602芯片，芯片介紹在第四章元件介紹里這里不再重復，環(huán)境溫度與測量的距離都是由LCD1602液晶顯示器顯示，由STC89C52RC的P0口輸出。顯示電路原理圖如圖4-6所示。4.7 報警電路當測量值低于事先設定的報警值時，利用單片機引腳來控制蜂鳴器報警，在本系統(tǒng)中設置的距離是0.5m，如果障礙物小于0.5m那么蜂鳴器將報警，當測量值高于設定的報警值時，停止發(fā)出報警聲響。報警電路原理圖如圖

54、4-7所示。圖4-6 顯示電路原理圖圖4-7 報警電路原理圖 圖4-8 復位電路原理圖4.8 復位電路單片機STC89C52RC復位引腳RESET，復位是指利用外界的因素強制性的把單片機恢復到系統(tǒng)沒有工作的狀態(tài)，使整個系統(tǒng)進入最初的轉(zhuǎn)改。它的工作原理是，通過外界因素對輸入一個正脈沖從而達到使單片機復位的功能。本系統(tǒng)的復位電路能夠在單片機開始運行的時候復位，也可以在運行過程中，通過復位按鈕，使程序強行停止并進入復位狀態(tài)。如圖4-8所示。4.9 串行口通信電平轉(zhuǎn)換模塊由于USB接口具有即插即用和熱拔插的優(yōu)越性，使用USB接口可以方便的和其他設備通信，因此，本設計利用USB接口，通過轉(zhuǎn)串口線，將信息

55、轉(zhuǎn)換到單片機STC89C52RC上，現(xiàn)選擇PL2303芯片上的連接STC89C52RC的（）引腳，連接STC89C52RC的（）引腳，其電路原理圖如圖4-9所示。圖4-9 通信模塊電路原理圖第5章 軟件設計5.1 主程序設計在整個主程序中，系統(tǒng)首先初始化，單片機的端口輸出信號用來激活超聲波發(fā)射電路，此時定時器開始計時，然后系統(tǒng)調(diào)用溫度轉(zhuǎn)換程序，獲得當前環(huán)境溫度，當超聲波接收模塊接收到反射回的超聲波時，停止計時，程序調(diào)用距離計算子程序和顯示子程序，LCD液晶顯示器顯示測得的溫度和所計算出的距離，并且比較所測量的距離和系統(tǒng)設定的報警值，如果測量距離小于0.5米，則蜂鳴器報警，否則不報警。通過主程序中的啟動功能模塊，實現(xiàn)程序循環(huán)運行實時進行距離測量。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖5-1所示：圖5-1 主程序流程圖5.2 子程序設計5.2.1 距離計算子程序從距離計算公式中可以很明顯看出來，如果想要得到具體的距離的值，一個是求出超聲波發(fā)射與接收所需要的時間，另一個就是求出超聲波的波速，由于超聲波的波速與溫度有關，所以在主函數(shù)中利用溫度補償公式（代表溫度）來提高測量精度。是從顯示緩沖區(qū)定義的距離。距離計算子程序代碼如下所示：void Conut(void)time=TH0*256+TL0;/計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成十進制TH0=0;TL0=0;S=(ti