自動化-超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

.z摘要采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時(shí)，將汽車的擋位推到R擋，啟動倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險(xiǎn)扛上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物的位置，再由LED顯示器和蜂鳴器聲發(fā)出警示信號，從而使駕駛者倒車時(shí)不至于撞上障礙物。整個(gè)過程，駕駛者無須回頭便可知車后的情況，使停車和倒車更容易，更平安。本文在查閱、分析國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的根底上，結(jié)合最新研究成果，對基于超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的研制進(jìn)展了深入探討和研究。該系統(tǒng)分為測距模塊、系統(tǒng)控制模塊和顯示報(bào)警模塊，并分別對其進(jìn)展方案分析，構(gòu)建了倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架和設(shè)計(jì)方案；在硬件電路中，詳細(xì)闡述了運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可視倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的測距實(shí)現(xiàn)原理，分析了以AT89S52單片機(jī)為主控單元的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并通過系統(tǒng)仿真研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和可行性。關(guān)鍵字：超聲波；倒車?yán)走_(dá)；傳感器；AT89S52單片機(jī)ABSTRACTTheultrasonicdistanceprinciple,driversinreverse,thegearstopushthecarbackandstartagainstRradar,underthecontrolofthecontroller,thedevicetocarryontherearinsurancesendultrasonicprobe,obstacle,sensor,echosignalafterreceivingechosignalcontroller,whichcalculateddataprocessing,thedistancebetweenthebodyandtheobstaclesandobstacles,thenLEDbyawarningsignalandnoise,thusmakethedriversreversenotmaskobstacles.Thewholeprocess,withoutturningandcardriversthatafter,parkingandreverseeasier,moresafety.Basedontheanalysisofdomesticconsulting,reverseradarsystemonthebasisofrelevanttechnology,biningthelatestresearchresultsofthebasedonultrasonicrangingback-draftradarwarningsystemisdiscussedandstudied.Thissystemisdividedintorangefindermodule,thesystemcontrolmoduleanddisplayalarmingmodule,andcarriesontheanalysis,toconstructthebackingoftheearly-warningradarsystemarchitectureanddesignscheme,Inthehardwarecircuit,thispapere*poundstheapplicationofvisualizationtechnologyrealizationoflocationback-draftradarwarningsystem,andanalyzestherealizationprincipleforthecontrolunitofAT89S52SCMsystemhardwareandsoftwaredesign,andthroughthesystemsimulationverifiedthefeasibilityandreliabilityofthesystem.Keywords:ultrasonicsensors,radar,reversingAT89S52SCM.目錄1緒論11.1倒車?yán)走_(dá)防撞的意義11.2倒車?yán)走_(dá)的開展過程21.3本文主要內(nèi)容42系統(tǒng)構(gòu)建與方案設(shè)計(jì)52.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求52.2系統(tǒng)構(gòu)建52.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)6測距系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)6控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)10顯示報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)11系統(tǒng)探測*圍及傳感器布點(diǎn)確實(shí)定112.4本章小結(jié)133系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)143.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想143.2測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)15超聲波發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)15超聲波接收模塊電路設(shè)計(jì)18測溫電路設(shè)計(jì)213.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)233.3.1AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)24串行通信接口設(shè)計(jì)25換向選通電路設(shè)計(jì)26電源模塊電路設(shè)計(jì)273.3顯示報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)29顯示模塊電路設(shè)計(jì)29報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)303.4本章小結(jié)313仿真324.1系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)334.2建立輸出與輸入變量的數(shù)學(xué)關(guān)系模型364.3SIMULINK仿真及參數(shù)的調(diào)整384.4仿真效果分析394.5本章小結(jié)415總結(jié)與展望42致謝43參考文獻(xiàn)44附錄46-.z1緒論自2002年以來，家用轎車成為繼購房之后的又一大消費(fèi)熱點(diǎn)。據(jù)新華社報(bào)道，2003年4月份中國轎車產(chǎn)量高達(dá)16.69萬輛，同比增長83％；中國國家汽車行業(yè)“十五〞規(guī)劃研究組預(yù)測，2005年和2010年，全國轎車總有量將分別到達(dá)843—869萬輛和1423—1542萬輛，轎車需求量為110—121萬輛和193—220萬輛；國際汽車制造商協(xié)會也在最近預(yù)測，中國今年將成為第三大汽車市場，同時(shí)也證明中國將成為全球汽車配套效勞產(chǎn)業(yè)的第四大市場，汽車用品及效勞行業(yè)正趕上歷史上從未有過的空前繁榮期。另據(jù)有關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，目前有車一族用于每輛新購汽車的平均裝潢費(fèi)用4500元。現(xiàn)在是汽車越來越多，車位越來越多，泊位越來越小，新司機(jī)越來越多，女司機(jī)越來越多，刮蹭等倒車事故越來越多，因倒車事故引發(fā)的糾紛越來越多。以上的事實(shí)及數(shù)字讀起來索然無味，但卻實(shí)實(shí)在在地告訴我們一種消費(fèi)的趨勢正在形成，一片近乎空白的市場已凸現(xiàn)眼前?，F(xiàn)在汽車出廠大多都不配備倒車?yán)走_(dá)，有安裝倒車?yán)走_(dá)的車也是和倒車?yán)走_(dá)廠家合作生產(chǎn)，基于此，方案自主設(shè)計(jì)開發(fā)一種主要用于售后市場的、構(gòu)造簡單、制作方便、本錢低廉的倒車?yán)走_(dá)。1.1倒車?yán)走_(dá)防撞的意義“往后倒一點(diǎn)，再往后，打方向盤，打多了，回一點(diǎn)再倒，好，停。〞相信一般的車主在停車場泊位時(shí)，都會遇到車輛保管員的“熱情招呼〞。車技純熟的倒也與人工提示配合默契；車技一般、方向感較差的，就經(jīng)常使負(fù)責(zé)指揮的那位人士高度緊*，脾氣急躁的還少不了擠兌車主幾句?？墒牵⒉皇撬熊囍鞫加行业玫饺斯さ管囍敢?，比方，有時(shí)回家晚了，一個(gè)人慢慢倒車，不小心還真容易磕磕碰碰，更有甚者，倒車時(shí)沒注意到車后有個(gè)小孩老人什么的，后果就會比較嚴(yán)重。有鑒于此，汽車高科技產(chǎn)品家族中，專為汽車倒車泊位設(shè)置的“倒車?yán)走_(dá)〞因此應(yīng)運(yùn)而生，而且，越來越先進(jìn)的產(chǎn)品電投放到市場中，廣為人知。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車平安輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動車輛對前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的平安性。1.2倒車?yán)走_(dá)的開展過程倒車?yán)走_(dá)，又稱泊車輔助系統(tǒng)，或稱倒車電腦警示系統(tǒng)。它是汽車泊車或者倒車時(shí)的平安輔助裝置，由超聲波傳感器〔俗稱探頭〕、控制器和顯示器〔或蜂鳴器〕等局部組成。它能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和啟動車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的平安性?，F(xiàn)在市面上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時(shí)，將汽車的擋位推到R擋，啟動倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險(xiǎn)杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物的位置，再由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，從而使駕駛者倒車時(shí)不至于撞上障礙物。整個(gè)過程，駕駛者無須回頭便可知車后的情況，使停車和倒車更容易、更平安。具體地說，倒車?yán)走_(dá)的工作原理為：首先連接電源并翻開，車輛進(jìn)入倒擋時(shí)，探測器主機(jī)自動進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)顯示器波段亮起。然后，用專用鉆頭在保險(xiǎn)杠上開孔，并將探測器分別裝入孔內(nèi)。根據(jù)車主倒車和停車的習(xí)慣，四個(gè)探頭探測器分別安裝在汽車的尾部或者兩側(cè)安裝兩個(gè)。安裝好探測器主機(jī)在適當(dāng)?shù)奈恢?，將顯示器夾在車內(nèi)后視鏡上，就開場正常工作。通常，倒車?yán)走_(dá)由超聲波傳感器(俗稱探頭)、控制器和顯示器(或蜂鳴器)等局部組成。倒車?yán)走_(dá)一般采用超聲波測距原理，在控制器的控制下，由傳感器發(fā)射超聲波信號，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進(jìn)展數(shù)據(jù)處理、判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出其他警示信號，得到及時(shí)警示，從而使駕駛者倒車時(shí)做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。在幾年的時(shí)間里，隨著技術(shù)開展和用戶需求的變化，倒車?yán)走_(dá)經(jīng)過了大致六代的開展。第一代：倒車時(shí)通過喇叭提醒?！暗管囌堊⒁猕曄氡夭簧偃诉€記得這種聲音，這就是倒車?yán)走_(dá)的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有小局部商用車還在使用。只要司機(jī)掛上倒檔，它就會響起，提醒周圍的人注意。從*種意義上說，它對司機(jī)并沒有直接的幫助，不是真正的倒車?yán)走_(dá)。價(jià)格廉價(jià)，根本屬于淘汰產(chǎn)品。第二代：采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開場。倒車時(shí)，如果車后1.8米—1.5米處有障礙物，蜂鳴器就會開場工作。蜂鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。但沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn)，對駕駛員幫助不大。第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離*圍。這代產(chǎn)品比第二代進(jìn)步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在1.8米開場顯示；如果是人，在0.9米左右的距離開場顯示。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由三種顏色來區(qū)別：綠色代表平安距離，黃色代表警告距離，紅色代表危險(xiǎn)距離必須停頓倒車。第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，但比較實(shí)用，但安裝在車內(nèi)不太美觀。第四代：液晶熒屏動態(tài)顯示。這一代產(chǎn)品有一個(gè)質(zhì)的飛躍，特別是屏幕顯示開場出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。第五代：魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測知2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)可以把后視鏡、倒車?yán)走_(dá)、免提、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項(xiàng)功能整合在一起，并設(shè)計(jì)了語音功能。因?yàn)槠渫庑尉褪且粔K倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)后視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個(gè)人需求和車內(nèi)裝飾選配。第六代：整合影音系統(tǒng)。它在第五代產(chǎn)品的根底上新增了很多功能，屬于第六代產(chǎn)品，是專門為高檔轎車生產(chǎn)的。從外觀上來看，這套系統(tǒng)比第五代產(chǎn)品更為精致典雅；從功能上來看，它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看DVD影像。目前市場上倒車?yán)走_(dá)品牌多達(dá)二十幾種，價(jià)格從上百元到一兩千元不等，選購倒車?yán)走_(dá)可以從如下方面考慮：功能、性能、外觀、質(zhì)量、安裝、價(jià)格等。1.3本文主要內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容是汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及在此根底上進(jìn)展系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和有效性。論文共分5章，各章主要內(nèi)容如下：第l章緒論。包括倒車?yán)走_(dá)的意義和開展過程。第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。首先介紹課題的設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)介紹系統(tǒng)測距模塊、控制模塊和顯示報(bào)警模塊的方案設(shè)計(jì)，然后提出本系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)并分析影響超聲波傳感器工作的多種因素。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)討論了系統(tǒng)測距模塊、控制模塊、顯示報(bào)警模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，具體討論測距模塊中的超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)和超聲波接收電路設(shè)計(jì)。第4章仿真。通過MATLAB對該設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)展計(jì)算機(jī)仿真，證明該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。第5章總結(jié)和展望。對全文進(jìn)展總結(jié)，指出缺乏之處，對倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的開展前景進(jìn)展展望。2系統(tǒng)構(gòu)建與方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)由三個(gè)局部組成，分別為測距局部、控制系統(tǒng)局部和顯示報(bào)警局部。本系統(tǒng)的主要功能是：當(dāng)車掛入倒檔后，蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為1HZ的BiBi聲；在汽車距障礙物距離小于0.60米時(shí)，報(bào)警指示燈亮，同時(shí)在顯示屏上顯示最小車距以提醒駕駛者。2.2系統(tǒng)構(gòu)建按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)介紹硬件局部，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化思想。系統(tǒng)硬件構(gòu)造分為三個(gè)主要模塊：測距系統(tǒng)模塊、控制系統(tǒng)模塊和顯示報(bào)警系統(tǒng)模塊。并對該系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)展了倒車仿真試驗(yàn)研究，以提供較為可靠的方法給駕駛者完成倒車任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)“回波測距〞的原理設(shè)計(jì)的，其構(gòu)造框圖如圖2-1所示?？乜刂葡到y(tǒng)發(fā)射模塊接收模塊數(shù)據(jù)顯示蜂鳴器圖2-1汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)造原理圖各模塊所完成的具體功能如下：(1)測距系統(tǒng)模塊：針對超聲波傳感器設(shè)計(jì)的發(fā)送模塊、接收模塊和控制系統(tǒng)共同完成測距功能。(2)控制系統(tǒng)模塊：本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對各個(gè)接口電路進(jìn)展控制，發(fā)射脈沖，檢測到回波后，進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，測出從超聲波發(fā)射到接收回波信號的時(shí)刻差，從而測出距離。(3)顯示報(bào)警系統(tǒng)模塊：顯示最小距離及報(bào)警以提醒駕駛員。除此之外，系統(tǒng)探測*圍及傳感器的布點(diǎn)對倒車也有很大的影響，如果系統(tǒng)探測*圍及傳感器的布點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，則就容易出現(xiàn)盲區(qū)，對汽車周圍的障礙物探測不出，容易出現(xiàn)倒車事故。而且在有的環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況。2.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)目前汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)測距技術(shù)主要有激光、毫米波雷達(dá)、攝像系統(tǒng)、紅外線、超聲波等一些測距技術(shù)，不同的目標(biāo)探測方式其工作過程和原理有不同之處，但它們的主要目的都是通過前方返回的探測信息判斷前方車輛和本車間的相對距離，并根據(jù)兩車間的危險(xiǎn)性程度做出相應(yīng)的預(yù)防措施。由于題目要求，本系統(tǒng)的測距模塊采用的是超聲波測距，其他測距方法不做過多說明。所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺可以聽到16-20千赫茲〔KHZ〕的聲波，低于16千赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過20千赫茲的聲波稱為超聲波。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。電磁波的傳播速度為3×10m/s，超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s(常溫下)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，并且利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能到達(dá)工業(yè)實(shí)用的要求，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。由上述表達(dá)可知，超聲波測量能夠到達(dá)系統(tǒng)中所要求的測量精度，一般應(yīng)用在汽車倒車系統(tǒng)上。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的鼓勵(lì)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(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測作用。它有許多不同的構(gòu)造，可分直探頭〔縱波〕、斜探頭〔橫波〕、外表波探頭〔外表波〕、蘭姆波探頭〔蘭姆波〕、雙探頭〔一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收〕等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不一樣，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：〔1〕工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。〔2〕工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。〔3〕靈敏度。主要取決于壓電晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動壓電陶瓷時(shí)，則會產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號時(shí)，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)電信號?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。如超聲波傳感器，一個(gè)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(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個(gè)結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進(jìn)展覆蓋。對應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的超聲波傳感器而言，要求其準(zhǔn)確度要到達(dá)1mm，并且具有較強(qiáng)的超聲波輻射。圖2-2超聲波探頭的構(gòu)造圖其原理為：在超聲波發(fā)射器兩端輸入40KHZ脈沖串，脈沖信號經(jīng)過超聲波內(nèi)部振子，振蕩產(chǎn)生機(jī)械波，并通過空氣介質(zhì)傳播到被測面，由被測面反射到超聲波接收器接收，在超聲波接收器兩端，信號是毫伏級的正弦波信號，超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即為往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。而所測距離為聲波傳輸距離的一半，其關(guān)系式可由公式(1-1)表示：L=CT/2(1-1)〔1-1〕式中，L為待測距離，C為超波的聲速，T為往返時(shí)間。采用微處理器脈沖計(jì)數(shù)的方法，可以準(zhǔn)確地測出T的值。假設(shè)微處理器的周期為t，則T=Nt，則探測距離可由公式(1-2)表示：L=CT/2=t/2〔1-2〕因?yàn)槌暡ㄖ赶蛐詮?qiáng)，所以超聲波對障礙物面的入射角對超聲波電子倒車?yán)走_(dá)的靈敏度影響較大。理想的情況是讓超聲波垂直于入射面，可最大限度地接收反射回波以防止可能使超聲波電子倒車?yán)走_(dá)失靈〔進(jìn)入超聲測距盲區(qū)〕的情況出現(xiàn)。圖2-3是超聲波測距的原理圖。超聲波探頭超聲波探頭發(fā)射波反射波障礙物tV發(fā)射波反射波圖2-3超聲波測距的原理圖控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)的方案選擇上，由于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到數(shù)據(jù)處理，控制實(shí)時(shí)性等問題，選用基于微控制器的系統(tǒng)，電路的實(shí)現(xiàn)不僅簡單而且本錢低、功耗低、能大大縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積。本系統(tǒng)是精細(xì)實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng)，需要微控制器有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且要求微控制器內(nèi)部有看門狗定時(shí)器，以便在程序走飛時(shí)能自動復(fù)位；執(zhí)行指令速度要快，以便能高速處理采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。所以微控制器選用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)的控制系統(tǒng)。發(fā)射電路發(fā)射電路接收電路顯示距離報(bào)警電路單片機(jī)控制發(fā)射傳感器接收傳感器圖2-4單片機(jī)控制系統(tǒng)AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在線可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷構(gòu)造，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停頓工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停頓，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。顯示報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)顯示器應(yīng)用極為廣泛，是一種輸出設(shè)備，綜合課題的實(shí)際要求、本錢以及考慮單片機(jī)的接口資源，本設(shè)計(jì)使用三個(gè)DPY_7-SEG_DP共陰二極管顯示器，由于倒車時(shí)距離障礙物的距離本來就比較近，大概在3米以內(nèi)，所以一個(gè)三位的LED顯示器就可以到達(dá)要求。報(bào)警裝置采用的是有源蜂嗚器，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)展報(bào)警，以提示駕駛員。系統(tǒng)探測*圍及傳感器布點(diǎn)確實(shí)定超聲波傳感器發(fā)射超聲波有一定的角度*圍，以下列圖為常用超聲波傳感器的探測角度：圖2-4探測角度圖2-4探測角度影響超聲波探測的因素以上陰影區(qū)只是超聲波傳感器發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)，而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物是否能被探測到，則與以下因素有關(guān)：1．從物理學(xué)的反射原理可知：超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角，因此，反射波是否能被超聲波傳感器捕捉，與反射面的角度有關(guān)。2．反射面的大小不同，也會影響反射波的強(qiáng)度。3．另外，障礙物會吸收掉一局部超聲波，反射回去的只是其中一局部，而吸收多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和外表處理相關(guān)。疏松、多孔的外表較易吸收音波而導(dǎo)致反射效率較低，不易被偵測。4．超聲波在空氣中傳輸時(shí)也會衰減，所以同一個(gè)反射面，同樣的角度，距離越遠(yuǎn)，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不易被測到。5．以上幾點(diǎn)簡單的說就是：角度、大小、外表材質(zhì)和距離這些因素綜合起來，決定障礙物是否會被探測到。根據(jù)以上原理可知，在以下環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況：1．鐵絲網(wǎng)、繩索類細(xì)小物體。2．于草地行車或崎嶇不平路面。3．棉質(zhì)或外表易吸收聲波之物質(zhì)。4．傳感器外表附著異物。5．同頻率(40KHZ)之超聲波雜音，如金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車?yán)日龑鞲衅鼬Q叫時(shí)。6．障礙物為銳角反射體，錐狀物體。為了滿足平安距離的要求，超聲波傳感器的最大探測*圍為10米，本系統(tǒng)測距的*圍是0～8米。由于汽車工作環(huán)境的惡劣和各種干擾，選擇適宜的傳感器和在車體安裝適當(dāng)?shù)奈恢檬呛苤匾?。根?jù)超聲波傳感器的靈敏度高，可靠性和穩(wěn)定性好，耐上下溫，振動等特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇超聲波測距傳感器UCM-T40KI、UCM-R40KI(T表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器)，最大探測距離為10m，發(fā)射擴(kuò)散角為60度?？紤]到汽車的形體、行駛的需求和程序控制的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，按設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)在汽車尾部安裝多個(gè)超聲波傳感器，根據(jù)一般要求裝4—6個(gè)較適宜，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成4個(gè)測量通道，具體安裝在汽車兩側(cè)中后部各安裝一個(gè)傳感器，尾部安裝兩個(gè)傳感器，4個(gè)距離值由單片機(jī)進(jìn)展處理運(yùn)算。2.4本章小結(jié)本章首先根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，介紹了系統(tǒng)構(gòu)建，然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的三個(gè)模塊：測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示報(bào)警系統(tǒng)分別方案設(shè)計(jì)，確定了本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，以UCM-T40KI、UCM-R40KI為超聲波發(fā)射、接收器的汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)并分析影響超聲波傳感器工作的多種因素。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章講述倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和主要元器件的介紹。包括測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)(超聲波發(fā)送接收系統(tǒng))、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊構(gòu)成；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要對AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)展設(shè)計(jì)；顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)差要對數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、蜂鳴器和靜態(tài)顯示電路進(jìn)展設(shè)計(jì)。以下就各模塊的電路圖、功能及設(shè)計(jì)思路作詳細(xì)說明。3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想其硬件構(gòu)造圖如圖3-1所示。單單片機(jī)發(fā)射電路發(fā)射傳感器報(bào)警電路測溫電路顯示電路接收電路承受傳感器障礙物圖3-1系統(tǒng)硬件構(gòu)造圖40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號由微處理器的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖群，信號經(jīng)過放大，再經(jīng)過驅(qū)動電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭，使發(fā)射換能器接收高電壓。其內(nèi)部的壓電晶片開場震動，經(jīng)過換能器發(fā)出40kHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物發(fā)生反射，反射波(回波)返回到超聲波傳感器上。反射回的正弦波信號經(jīng)過放大、濾波、整形后輸入單片機(jī)的INT0端，產(chǎn)生中斷。計(jì)數(shù)器停頓計(jì)數(shù)，測出從超聲波發(fā)射脈沖群時(shí)刻到接收回波信號時(shí)刻差，超聲波在同溫同介質(zhì)中的傳播速度由測溫系統(tǒng)得知，將時(shí)刻差與聲速相乘，得出距離，并顯示。3.2測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)模塊由超聲波發(fā)射與回波接收電路組成，其主要作用是提高驅(qū)動超聲波傳感器的脈沖電壓輻值，有效地進(jìn)展電\聲轉(zhuǎn)換，增大超聲波的發(fā)射距離。并通過收發(fā)一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉(zhuǎn)變成微弱的電信號，供單片機(jī)進(jìn)展處理。超聲波的傳播速度一般來說只跟介質(zhì)有關(guān)，一樣的介質(zhì)在不同的條件下傳播速度會有一些不同，比方溫度不同它的傳播速度也不一樣，由于本設(shè)計(jì)中距離障礙物的距離很近，所以必須考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響。超聲波發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)發(fā)射電路的實(shí)現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號。要求蕩電路振蕩頻率可調(diào)，同時(shí)具有一定的驅(qū)動能力可以驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)出超聲波。振蕩電路的目的是為超聲波傳感器提供40KHz脈沖。用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如下列圖。接通電源后，電容C被充電，當(dāng)V上升到2V/3時(shí)，使V為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通。此時(shí)電容C通過R和T放電，V下降。當(dāng)V下降到V/3時(shí)，V翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為t=RCln2=0.7RC當(dāng)放點(diǎn)完畢時(shí)，T截止，V將通過R、R向電容器C充電，V由V/3上升到2V/3所需的時(shí)間為t=〔R+R〕Cln2=0.7〔R+R〕C當(dāng)V上升到2V/3時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就一個(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為f=圖3-2震蕩電路在控制信號P1.0為高電平時(shí)，此振蕩電路啟振，調(diào)節(jié)到R、R、C可得到40kHz左右的振蕩頻率。聲波在空氣中的傳播速度受空氣介質(zhì)影響，距離越遠(yuǎn)，衰減越大。為能夠接收遠(yuǎn)距離的回波，所以要增加驅(qū)動電路來增大功率。驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號。驅(qū)動電路要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲波電脈沖去鼓勵(lì)超聲波發(fā)射器，由超聲波發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。本文采用S芯片CD4049組成超聲波驅(qū)動電路圖，芯片CD4049的引腳圖如下列圖：13、16引出端是空腳，與內(nèi)部電路無連接。V接地，V接9V電壓。圖3-3CD4049引腳圖為了增加驅(qū)動能力，把3個(gè)非門并列起來。要求6個(gè)非門都來自同一個(gè)芯片上，以保證信號的上升沿和下降沿的同步。在非門輸出的兩端直接接上一個(gè)電容是為了防止直流直接加載在超聲波發(fā)射器上而導(dǎo)致其損壞。其電路圖如圖3-4所示：測距系統(tǒng)所用的超聲波探頭UCM-T40KI在頻率40KHz，幅值9V(可調(diào))的電壓驅(qū)動下，各種性能到達(dá)最正確，所以通過單片機(jī)AT89S52的P1．0管腳輸出脈沖信號給振蕩電路。由振蕩電路發(fā)出40KHz的脈沖信號給驅(qū)動電路。由于單片機(jī)AT89S52的P1口的輸出電壓只有5V，其驅(qū)動能力達(dá)不到要求，所以用一個(gè)CMOS芯片CD4069來驅(qū)動超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。它的工作原理是：幾個(gè)非門并接，即可提供較大的驅(qū)動功率，而且到達(dá)發(fā)射器兩端的信號是反向的，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。圖3-4CD4069芯片組成超聲波驅(qū)動電路超聲波接收模塊電路設(shè)計(jì)因?yàn)槌暡y距只用于近距離，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，衰減較為嚴(yán)重，反射回來的信號相對也比較微弱。因此接收端應(yīng)先設(shè)置一個(gè)放大電路，然后通過檢波電路對其輸出信號進(jìn)展解調(diào)，最后把檢波輸出的信號送入電壓比較器進(jìn)展比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入單片機(jī)的INT0中斷口，產(chǎn)生中斷，停頓計(jì)時(shí)，在進(jìn)展數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。其過程如下列圖：+5V+5V+5V+5V-5V-5V-5V圖3-5接收電路信號變化關(guān)系圖如上圖所示：微弱信號放大信號整形信號(1)放大電路的設(shè)計(jì)放大電路的目的：把超聲波探頭接收到的微弱信號進(jìn)展放大。為了提高抗干擾性，濾波電路要針對40kHz信號進(jìn)展高帶通濾波，并對該頻率信號進(jìn)展放大增益。如圖：圖3-6運(yùn)放構(gòu)成接收電路圖電路由集成運(yùn)放A1、A2構(gòu)成二級放大電路，R、C為無源濾波網(wǎng)絡(luò)，二極管、R9為檢波網(wǎng)絡(luò)。在回波信號的放大過程中，由于干擾信號的存在，為防止將干擾信號放大而產(chǎn)生回波誤識別，必須將干擾信號去除，即回波信號放大過程中必須設(shè)計(jì)帶通濾波器，只對有效頻帶內(nèi)的超聲波信號進(jìn)展選擇放大。濾波器的功能是讓一定頻率*圍內(nèi)的信號通過，而把此頻率*圍以外的信號加以抑制或使其急劇衰減。當(dāng)干擾信號與有用信號不在同一頻率*圍之內(nèi)時(shí)，可使用濾波器有效的抑制干擾。由于超聲波回波信號具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用RC無源濾波方式，用于微弱回波信號的放大。集成運(yùn)放主要是把所得到的有用信號進(jìn)展一定倍數(shù)的放大。由二極管和電容組成的檢波網(wǎng)絡(luò)的主要功能是通過二階帶通濾波網(wǎng)絡(luò)，檢測到系統(tǒng)所需要的40KHZ頻率信號。(2)比較電路的設(shè)計(jì)比較電路的目的：將放大電路放大、濾波得到的40KHZ頻率信號整形成能為單片機(jī)的INT0口辨識的脈沖信號，也就是將正弦波整形成方波。采用集成電壓比較器LM393來實(shí)現(xiàn)這一功能，LM393的內(nèi)部構(gòu)造如圖：圖3-7LM393的內(nèi)部構(gòu)造如圖在本文中只用一組比較器，另一組比較器的三個(gè)管腳必須接地，V接9V電壓，GND接地。由LM393構(gòu)成的比較電路如下列圖：圖3-8LM393構(gòu)成比較電路如下列圖，放大后的信號由LM393第2腳進(jìn)入，由于R2電阻可調(diào)，即根據(jù)輸入的信號可以調(diào)節(jié)滯回電壓。可以有效地防止干擾。LM393是+9V(可調(diào))供電，需要在輸出端口接上一個(gè)上拉電阻10K，該電阻由+5V供電，將+9V高電平拉低到+5V高電平，供單片機(jī)INT0端口識別。測溫電路設(shè)計(jì)超聲波的傳播速度一般來說只跟介質(zhì)有關(guān)，一樣的介質(zhì)在不同的條件下傳播速度會有一些不同，比方溫度不同它的傳播速度也不一樣，由于本設(shè)計(jì)中距離障礙物的距離很近，所以必須考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響。超聲波是一種能量傳播。一般來說，傳播的距離大或是速度慢，能量消耗就大，倘假設(shè)聲波的能量全部消耗在傳播途中或是聲波改變方向，則超聲波探頭就承受不到信號了。而聲波傳播的速度與彈性介質(zhì)的種類和狀況關(guān)系極大，通常說的聲速每秒340米，其傳播介質(zhì)是15℃的標(biāo)準(zhǔn)空氣。事實(shí)上，我們身邊的空氣是不可能“標(biāo)準(zhǔn)〞的，它的狀況與各種氣象要素的組合〔也就是天氣的狀況〕密不可分。研究說明，聲音的傳播速度與溫度是成正比的，溫度越高,空氣中分子密度越小,而空氣作為聲音傳播介質(zhì),則聲音傳播速度會有所增強(qiáng)。反之溫度越低,空氣中分子密度越大,而空氣作為聲音傳播介質(zhì),則聲音傳播速度會有所減小。聲波與速度的關(guān)系，如表3-1所示。表3-1聲波與速度的關(guān)系溫度℃速度m/s溫度℃速度m/s溫度℃速度m/s0331.417341.8343521332.118342.435352.62332.61934336353.23332.820343.637353.8433421344.238354.45334.622344.8393556335.223345.440355.67335.82434641356.28336.425346.642356.8933726347.243357.410337.627347.84435811338.228348.445358.612338.82934946359.213339.430349.647359.81434031350.248360.415340.632350.84936116341.233351.450361.6通過超聲波的聲速與溫度的理論分析，設(shè)計(jì)溫度測量電路?！?〕DSl8B20簡介DSl8B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，他具有獨(dú)特的單線總線接口方式。它體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器連結(jié)。它無需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)展溫度測量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I/O線。DS18B20的供電方式有兩種：寄生供電和外部電源。寄生供電就是從DQ數(shù)據(jù)獲取電源，采用這種方式供電時(shí)，需要V接地，這種供電方式可能使得DQ線沒有足夠的驅(qū)動能力，因此本文使用的是第二種供電方式，即將V直接接外部電源〔3～5.5V〕。DSl8B20的管腳圖如以下列圖所示：DSl8B20DSl8B20123GNDDQVCC圖3-9DSl8B20的管腳圖DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出端，GND接地，V接高電平，同時(shí)接10k的上拉電阻以增加該I／O的驅(qū)動能力。圖3-10測溫電路電路圖3.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，一切命令的發(fā)出、承受、處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算都是在這局部中完成的。3.3.1AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89S52單片機(jī)及其外圍電路組成，是整個(gè)超聲波測距儀的核心電路。一般包括晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路：每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)根底上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。復(fù)位電路目的：在需要的時(shí)候，單片機(jī)復(fù)位，保證正常的工作循環(huán)。圖3-11單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖AT89S52單片機(jī)在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性好。AT89S52單片機(jī)對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高靈活有效的解決方案。它的作用使形成用于產(chǎn)生超聲波的40KHZ信號、形成必要的時(shí)序、控制LCD字符的顯示、控制繼電器通斷以及對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展運(yùn)算。AT89S52單片機(jī)各個(gè)引腳分布如下列圖，P10為控制超聲波發(fā)射；INT0為接收超聲波回波信號；*1和*2為單片機(jī)自身的12MHZ晶振；RESET是復(fù)位信號；P21接溫度傳感器DS18B20，測量溫度，實(shí)時(shí)計(jì)算出距離；P00一P07引腳對應(yīng)LED顯示器，控制LED顯示器的寫入字符；T*D、R*D引腳控制寫入下載程序；P20引腳輸出報(bào)警信號；當(dāng)距離到達(dá)限定值就啟動蜂鳴器，開場嗚叫報(bào)警，以提醒駕駛員注意倒車情況。串行通信接口設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU和外部通信有兩種通信方式：并行通信和串行通信。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。按照串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘控制方式,串行通信可分為同步通信和異步通信兩類。1.串行通信電路串行接口電路的種類和型號很多。能夠完成異步通信的硬件電路稱為UART，即通用異步接收器/發(fā)送器；能夠完成同步通信的硬件電路稱為USRT；既能夠完成異步又能同步通信的硬件電路稱為USART。從本質(zhì)上說，所有的串行接口電路都是以并行數(shù)據(jù)形式與CPU接口，以串行數(shù)據(jù)形式與外部邏輯接口。它們的根本功能都是從外部邏輯接收串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后傳送給CPU，或從CPU接收并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后輸出到外部邏輯。2.接口電路PC機(jī)與單片機(jī)之間可以由RS-232C、RS-422或RS-423等接口相連，關(guān)于這些標(biāo)準(zhǔn)接口的特征我們已經(jīng)在前面的篇幅中介紹過。在PC機(jī)系統(tǒng)內(nèi)都裝有異步通信適配器，利用它可以實(shí)現(xiàn)異步串行通信。該適配器的核心元件是可編程的Intel8250芯片，它使PC機(jī)有能力與其他具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C接口的計(jì)算機(jī)或設(shè)備進(jìn)展通信。而AT89S52單片機(jī)本身具有一個(gè)全雙工的串行口，因此只要配以電平轉(zhuǎn)換的驅(qū)動電路、隔離電路就可組成一個(gè)簡單可行的通信接口。同樣，PC機(jī)和單片機(jī)之間的通信也分為雙機(jī)通信和多機(jī)通信。PC機(jī)和單片機(jī)最簡單的連接是零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型。這是進(jìn)展全雙工通信所必須的最少線路。因?yàn)锳T89S52單片機(jī)輸入、輸出電平為TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口，二者的電氣規(guī)*不同，所以要加電平轉(zhuǎn)換電路。常用的有MC1488、MC1489和MA*232，以下列圖給出了采用MA*232芯片的PC機(jī)和單片機(jī)串行通信接口電路,與PC機(jī)相連采用9芯標(biāo)準(zhǔn)插座。圖3-12PC機(jī)和單片機(jī)串行通信接口換向選通電路設(shè)計(jì)換向選通電路目的：實(shí)時(shí)選通不同方向的信號，能多方向測距。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的發(fā)射和接收電路各有4路，連接4個(gè)收發(fā)一體的超聲波探頭。假設(shè)采用多收／發(fā)器同步發(fā)射／接收的工作方式，就存在收／發(fā)器間信號串?dāng)_的問題。如收／發(fā)器的發(fā)射信號通過側(cè)面空間直接被收／發(fā)器2接收，并被誤作為回波信號，產(chǎn)生錯(cuò)誤測距。因此，系統(tǒng)采用了時(shí)分復(fù)用的工作方式，即讓每一收／發(fā)器分時(shí)工作，每次單獨(dú)完成一個(gè)測距周期。在電路上，只需單片微型計(jì)算機(jī)對多個(gè)收／發(fā)器分時(shí)施加發(fā)射脈沖串，并接通相應(yīng)的收／發(fā)器選擇開關(guān)。時(shí)分復(fù)用的工作方式不僅抑制了多收／發(fā)器間的信號串?dāng)_，而且還簡化了信號處理電路，可以通過多路選擇開關(guān)共享局部硬件資源，這樣不但可以降低硬件本錢，還可以提高各回路測量結(jié)果之問的可比性。收發(fā)控制電路示意圖如以下列圖所示，控制電路選用CD4052多路選擇開關(guān)，AB為4種組合，一種組合對應(yīng)一路探頭工作。4個(gè)探頭輪流工作，4個(gè)探頭檢測完成構(gòu)成1個(gè)檢測周期，系統(tǒng)再根據(jù)最短的障礙物距離進(jìn)展報(bào)距提醒駕駛員。圖3-13收發(fā)控制電路示意圖系統(tǒng)的工作流程為：單片機(jī)接通電源后，探頭驅(qū)動引腳向超聲波探頭發(fā)送驅(qū)動信號，以驅(qū)動超聲波探頭發(fā)送超聲波信號，驅(qū)動信號發(fā)送完畢后單片機(jī)等待信號返回；探頭接收到超聲波信號后，進(jìn)展信號放大濾波處理，將信號送入單片機(jī)，記錄信號發(fā)送和接收的時(shí)間差，根據(jù)此時(shí)間差計(jì)算障礙物距離，控制報(bào)警信號輸出。超聲波探頭驅(qū)動采用分時(shí)順序的驅(qū)動方式，即依次對4個(gè)探頭輪流進(jìn)展驅(qū)動，一個(gè)探頭的工作周期內(nèi)要包括發(fā)送和接收兩種操作。4個(gè)探頭檢測完成構(gòu)成一個(gè)檢測周期。假設(shè)前一探頭在本工作周期內(nèi)沒有接收到返回的超聲波信號，則單片機(jī)也轉(zhuǎn)入控制下一個(gè)探頭的工作。電源模塊電路設(shè)計(jì)電源電路目的：給控制電路及其它電路提供電源。電源設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)很重要關(guān)節(jié)。它的穩(wěn)定與否涉及到電路是否能穩(wěn)定工作。用分立元器件組裝的直流穩(wěn)壓電源存在體積大，組裝、調(diào)試、維修麻煩的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在隨著功率集成技術(shù)的不斷開展，人們已經(jīng)可以把直流穩(wěn)壓電源電路中的電源調(diào)整管、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣電路、過壓過流保護(hù)電路等集成在一片芯片上制成集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器由于使用方便、體積小、本錢低、性能優(yōu)良、一致性好等優(yōu)點(diǎn)而在各種電子設(shè)備中得到了非常廣泛的應(yīng)用。常用的集成穩(wěn)壓器件包括三端式固定穩(wěn)壓集成電路器件78**和79**系列和輸出可調(diào)的集成穩(wěn)壓電源電路LM319和LM317等。用78/79系列三端穩(wěn)壓器來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格廉價(jià)。該系列集成穩(wěn)壓器型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器〔當(dāng)然小功率的條件下不用〕。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。遵照要求需要一個(gè)+5V電壓，1個(gè)+9V左右可調(diào)電壓。7805典型應(yīng)用電路圖:圖3-14由7805組成的+5V電壓示意圖78**系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如上圖所示，這是一個(gè)輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。采用集成穩(wěn)壓器7805，C1是橋式整流濾波電容器，因?yàn)镃1是打容量電解電容器，它本身的分布電感比較大，對高頻交流成分的濾波效果較差。為了改善濾波電路的高頻抑制特性，一般在大電容器C1的旁邊再并聯(lián)一個(gè)高頻濾波性能良好的小電容C2。直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容器C3是為了改善穩(wěn)壓電源電路瞬態(tài)負(fù)載相應(yīng)特性而設(shè)。對直流穩(wěn)壓電路的性能要求不高時(shí)，電容器C1和C3可以省略。對于+9V可調(diào)電源使用LM317芯片進(jìn)展設(shè)計(jì)，LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等。經(jīng)常用LM317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。圖中，電容器C1、C2和C4的作用與固定三端穩(wěn)壓器應(yīng)用電路中一樣，C4還有防止自激的作用。電容器C3是為了濾除電阻R2上取樣電壓的波紋而設(shè)的旁路電容。電阻R1和R2是取樣電阻，調(diào)節(jié)電阻R2的阻值可以改變穩(wěn)壓電路的輸出直流電壓。晶體二極管D5和D6用來在電路輸入端或輸出端短路時(shí)保護(hù)集成穩(wěn)壓器。圖3-15由LM317組成的+9V可調(diào)電壓示意圖3.3顯示報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)顯示模塊電路設(shè)計(jì)顯示電路的目的將測距的結(jié)果進(jìn)展實(shí)時(shí)顯示。顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差異僅在于顯示器的構(gòu)造類型不同而已。最常見的顯示器可以使LED數(shù)碼管，設(shè)計(jì)簡單，易于安裝，本錢只要幾元。本設(shè)計(jì)使用三個(gè)DPY_7-SEG_DP共陰二極管顯示器，由于倒車時(shí)距離障礙物的距離本來就比較近，大概在3米以內(nèi)，所以一個(gè)四位的LED顯示器就可以到達(dá)要求。而且和單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)也較簡單方便。單片機(jī)將需要顯示數(shù)據(jù)送往相關(guān)的顯示接口即可完成顯示工作，簡單方便。圖3-16顯示模塊電路電路圖報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)在輸出電路上加上蜂鳴器作為聲音報(bào)警，當(dāng)距離小于O．35米時(shí)，蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為IHZ的BiBi聲。其電路設(shè)計(jì)如圖3-16所示。圖3-17報(bào)警模塊電路圖在圖3-16中，蜂鳴器主要由多諧振蕩器、蜂鳴器、阻抗匹配器及共鳴箱、發(fā)光二極管組成。當(dāng)接通電源后(1．5～15V直流工作電匝)，多諧振蕩器起振。多諧振蕩器：利用深度正反響，通過阻容耦合使兩個(gè)電子器件交替導(dǎo)通與截止，從而自激產(chǎn)生方波輸出的振蕩器。常用作方波發(fā)生器。多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C〞指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在工作時(shí)，電路的狀態(tài)在這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號。輸出1．5—2．5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)盧。蜂嗚器電路由單片機(jī)的RD端控制。本系統(tǒng)報(bào)警燈由單片機(jī)脈沖信號觸發(fā)，當(dāng)測距距離小于0．6米時(shí)報(bào)警燈亮。3.4本章小結(jié)本章首先介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思想，然后分析了超聲波傳感器的構(gòu)造、工作原理和工作方式，最后根據(jù)超聲波測距的工作原理和理論分析，對超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、測溫模塊、顯示模塊以及電源模塊的硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)展了詳細(xì)的闡述。3仿真本文在對倒車?yán)走_(dá)技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真研究過程中所用的仿真工具是MATLAB的SIMULINK仿真環(huán)境。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大局部。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室〔Matri*Laboratory〕的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)展矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)立用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的根本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完一樣的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也參加了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用。MATLAB的另一大特色就是具有豐富的工具箱，工具箱和具有矩陣數(shù)據(jù)構(gòu)造編程的特色使其成為一個(gè)功能強(qiáng)大的工具。計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)對實(shí)際控制有重要指導(dǎo)意義。MATLAB的模糊邏輯工具箱及S1MULINK有如下特點(diǎn)：(1)可靈活的設(shè)計(jì)出模糊控制器。在模糊邏輯工具箱中能夠方便的修改輸入輸出的論域、模糊子集、隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則、模糊決策方法及解模糊方案，然后仿真找到最正確的控制方案。(2)可以直接計(jì)算出模糊控制表，以供單片機(jī)進(jìn)展實(shí)際控制時(shí)使用。而人工計(jì)算出此表非常繁瑣。(3)在SIMULINK環(huán)境下，可以組成更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如對象為時(shí)變、非線性，控制器為模糊與PID的混合形式?；谝陨咸攸c(diǎn)，本文采用MATLAB模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器。下面介紹具體的實(shí)現(xiàn)方法。4.1系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)汽車倒車完成主要有2個(gè)標(biāo)志：其一看車是否在障礙物(車庫)中擺正，用車身是否和障礙物平行或車尾是否與障礙物平行來衡量；另一個(gè)標(biāo)志是，車兩側(cè)和后尾距障礙物(車庫)距離是否足夠小，用車距障礙物的距離來衡量。本文選用2個(gè)輸入量作為模糊控制器輸入量，以情況一為例，兩個(gè)輸入量為：(1)d2-d1車身1，2點(diǎn)超聲波探頭測得的車身距障礙物值之差；(2)d3用這兩個(gè)量來反映汽車與障礙物之間的方位關(guān)系。如圖4-1所示。d1d1d2d3圖4-1倒車情況方位關(guān)系圖a〕輸入變量e1、c2el=d2-d1：正大(PB)、正小(PS)、零(zE)、負(fù)小(Ns)、負(fù)大(NP)e2=d3：很近(VN)、近(N)、較遠(yuǎn)(MF)、遠(yuǎn)(F)、很遠(yuǎn)(VF)其中d1，d2分別為超聲波探測頭測得的車身距離障礙物的距離值。b〕輸出變量口車輪轉(zhuǎn)向(θ)：右大(PB)、右小(RS)、停(ZE)、左小(Ls)、左大(LB)c)模糊控制規(guī)則及隸屬度函數(shù)模糊控制規(guī)則采用“IF…AND…THEN…〞形式。(1)隸屬度函數(shù)的建立取輸入el的論域?yàn)閧-1，-0.5，0，0.5，1}，輸入e2的論域?yàn)閧0.35，0.6，l，2，4)，輸出口的論域?yàn)閧-40，．20，0，20，40)共可建立25條模糊控制規(guī)則。在MATLAB中鍵入命令FUZZY，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口FISEditor如圖4-2所示。建立el，e2及θ的隸屬度函數(shù)，選用三角形(trimf隸屬度函數(shù)，并在RulesEdito窗口中輸入25條隸屬度函數(shù))。輸入量e1，e2的隸屬度曲線分別見圖4-3、圖4-4。輸出量θ的隸屬度曲線見圖4-5。圖4-2模糊邏輯編輯窗口圖圖4-3e1的隸屬度曲線圖圖4-4e2的隸屬度曲線圖圖4-5θ的隸屬度曲線圖模糊化過程，本文采用MIN-MA*推理規(guī)則，即先對前件求最小值，視其為規(guī)則的真值加于后件；再按有關(guān)的規(guī)則求后件的最大值，確定最終模糊輸出量。在解模糊方法中，有重心解模糊器和中心平均解模糊器兩種，以中心平均解模糊器優(yōu)點(diǎn)最多，所以本文選用中心平均解模糊器，它具有計(jì)算簡單，直觀合理的優(yōu)點(diǎn)。模糊推理輸入輸出曲面圖如圖4-6所示：圖4-6模糊推理輸入輸出曲面圖4.2建立輸出與輸入變量的數(shù)學(xué)關(guān)系模型模糊控制輸出為車輪轉(zhuǎn)角θ的變化率與車身位移的變化率成一定的關(guān)系，通過這種關(guān)系建立起輸出與輸入的數(shù)學(xué)模型。以汽車從左側(cè)入庫為例。θ為車輪的轉(zhuǎn)向角，dθ為車輪轉(zhuǎn)向角在瞬間的微小變化。R為汽車的轉(zhuǎn)向半徑，W為當(dāng)前時(shí)刻車身的擺角，ds為瞬間汽車向后倒的微小位移量。ds可分解為沿*軸方向和沿Y軸方向，沿*軸方向的分量即為瞬時(shí)el(即d2．d1)的變化量de1，沿Y軸方向的分量即為瞬時(shí)e2(即d3)的變化量de2。由圖4-7可得：ds=dRR=Lctysin=e1/L〔L為車輪距〕〔4-1〕由圖4-7得到：de1=dssin〔4-2〕de2=dscos〔4-3〕將式(4-1)代入式(4-2)得到：de1=e1ctgd〔4-4〕本例中，汽車轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角0，根據(jù)泰勒中值定理，將ctg在π/6處展開。ctg=cty〔π/6〕+cty〔π/6〕〔-π/6〕+〔-π/6〕+……〔4-5〕θθd2dsdθ圖4-7車輪轉(zhuǎn)角的變化率與車身位移的關(guān)系圖將式(4-5)簡化：ctg=3.862-4〔4-6〕將式(4-6)代入(4)中，得到式(4-7)。del=el(3.862—4)d〔4-7〕將式(4-7)等式兩端進(jìn)展拉氏變換，并對兩階局部進(jìn)展省略，得到傳遞函數(shù)如式(4-8)?！?-8〕〔4-9〕在汽車倒車中，由于車速很慢，所以轉(zhuǎn)動是以車身中部為軸的，可視dl的瞬間變化為0，所以d2-dl傳遞函數(shù)可以如式(4-8)所示。同時(shí)在倒車過程中d3的變化率略微大于d2的變化率，為了簡化仿真模型，其傳遞函數(shù)如式(4-8)和(4-9)所示。4.3SIMULINK仿真及參數(shù)的調(diào)整MATLAB提供的SIMULINK是一個(gè)用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)展建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。SIMULINK包含多個(gè)子模型庫，每個(gè)子模型庫中又有多個(gè)功能模塊。利用鼠標(biāo)可直觀地“畫〞出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)展仿真。仿真時(shí)可選擇各種數(shù)值算法、仿真步長等重要參數(shù)，并可用模擬示波器將仿真結(jié)果予以顯示，直觀高效。模糊控制不需對被控對象準(zhǔn)確建模，對過程參數(shù)的變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，它根據(jù)人們的經(jīng)歷制定控制規(guī)則，得出控制決策表，然后求出控制量的大小。如圖4-8所示為在SIMULINK環(huán)境下建立的系統(tǒng)模糊控制構(gòu)造框圖。圖4-8在SIMULINK環(huán)境下建立的