畢業(yè)設(shè)計（論文）基于AT89C51單片機(jī)倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計〔論文〕_基于AT89C51單片機(jī)倒車?yán)走_(dá)畢業(yè)設(shè)計車用倒車?yán)走_(dá)設(shè)計【摘要】倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車或者倒車時的平安輔助裝置，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、倒車和起動車輛時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。本設(shè)計利用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)、超聲波傳感器測距實現(xiàn)超聲波倒車?yán)走_(dá)。利用LED和發(fā)光二極管表示傳感器探測范圍內(nèi)是否有障礙物，當(dāng)在探測范圍內(nèi)有障礙物時，發(fā)光管以一定頻率閃爍，閃爍的頻率以距離定，距離越近頻率越高。同時蜂鳴器提示報警，探測并指明障礙物距離?！娟P(guān)鍵詞】倒車?yán)走_(dá)，超聲波，測距，報警，單片機(jī)Thedesignsofthevehicleback-draftradarusingultrasonictheory【Abstract】Back-draftradaristhesafetyandassistantdeviceswhenparkingorreversingavehicle,itcantelldriverscircsaboutthearoundbarrierwithvoiceoramoreintuitivedisplay,releasethesurroundedvisitpuzzlefromdriverswhenparking,reversingandstartvehicles,andtohelpdriverscleanoffdeadendsandthelimitationofvisionblur,improvethesecurityofdriving.UsingSingleChipAT89C51ofATMELandUltrasonicSensormeasuredistancetoachieveUltrasonicBack-draftRadar.UsingLEDandLBDSensortodetectwhethertherearebarriers,whendetectingbarrierswithinthescope,theLBDwillblinkwithaconfirmfrequency,theblinkfrequencyofLBDisdeterminedbythedistanceofbarrier,thenearerdistanceandthehigherfrequencies.Atthesametime,TheVoiceAlarmwarning,detectingthedistance,anddemonstratethedistanceofbarrier.【KeyWords】Back-draftradar,ultrasonic,measure,warning,microprocessor目錄第一章引言 11.1課題研究的背景和意義 11.2國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的開展現(xiàn)狀 1第二章超聲波介紹 42.1什么是超聲波 42.1.1壓電式超聲波傳感器簡介 42.2超聲波傳感器的特性 52.2.1頻率特性 62.2.2指向特性 72.3超聲波傳感器的應(yīng)用 7第三章倒車?yán)走_(dá)的原理與總體設(shè)計 93.1超聲波測距原理 93.2倒車?yán)走_(dá)的總體設(shè)計方案 103.3單片機(jī)的選擇 113.3.1AT89C51的簡介 113.3.2AT89C51的主要性能參數(shù) 113.3.3AT89C51的結(jié)構(gòu) 123.4超聲波發(fā)送和接收元器件選擇 133.4.1超聲波發(fā)送模塊元器件選擇 133.4.2超聲波接收模塊元器件選擇 13第四章硬件設(shè)計 154.1超聲波發(fā)射模塊 154.2超聲波接收模塊 164.3單片機(jī)最小系統(tǒng) 17第五章軟件設(shè)計 185.1軟件的設(shè)計要求 185.2軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖 185.3各個程序的流程圖 185.3.1主流程圖 195.3.2發(fā)射接收模塊流程 195.3.3中斷程序流程 20第六章調(diào)試 226.1最小系統(tǒng)的調(diào)試 226.2測距模塊的調(diào)試 226.3調(diào)試結(jié)果 256.4誤差分析 25第七章結(jié)束語 27第八章致謝 28參考文獻(xiàn) 29第一章引言隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速開展，尤其是近幾年來，我國開始進(jìn)入私家車時代，汽車的數(shù)量逐漸增加，造成公路、街道、停車場、車庫等越來越擁擠。汽車駕駛員越來越擔(dān)憂車的平安了，其中倒車就是一個典型。本文所設(shè)計的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)主要是針對汽車倒車時人無法目測到車尾與障礙物的距離而設(shè)計開發(fā)的。該系統(tǒng)將微型計算機(jī)技術(shù)與超聲波的測距技術(shù)、傳感器技術(shù)等相結(jié)合，可檢測汽車倒車，其障礙物與汽車的距離，通過發(fā)光二極管閃爍的頻率來顯示距離，障礙物越近，閃爍的頻率越高，并根據(jù)障礙物與車尾的距離遠(yuǎn)近實時發(fā)出報警。1.1課題研究的背景和意義隨著汽車的迅速增加，停車難已經(jīng)是個不爭的事實，狹小的停車場地常常令有車一族無所適從，稍不慎，那么闖禍，煩事又煩人。雖然每輛車都有后視鏡，但不可防止地都存在一個后視盲區(qū)。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車或者倒車時的平安輔助裝置，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、倒車和起動車輛時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。倒車?yán)走_(dá)的創(chuàng)造是迫在眉睫的，是必不可少的設(shè)備。1.2國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的開展現(xiàn)狀經(jīng)過多年的開展，倒車?yán)走_(dá)設(shè)計以及使用發(fā)生了質(zhì)的改變。經(jīng)過五年的開展，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)過了六代的技術(shù)改進(jìn)，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性能價格上，這六代產(chǎn)品都各有特點(diǎn)，使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)這三種。第一代倒車?yán)忍嵝眩骸暗管囌堊⒁猕暎∠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。從某種意義上說，它對司機(jī)并沒有直接的幫助，不是真正的倒車?yán)走_(dá)。此產(chǎn)品在倒車狀態(tài)時，語音提示路人小心，但價格廉價，100元左右就能買到，根本屬于淘汰產(chǎn)品。第二代轟鳴器提示：這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。倒車時，如果車后1.8米~1.5米處有障礙物，轟鳴器就會開始工作。轟鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。此產(chǎn)品沒有語音提示，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。價格在200~400元之間。第三代數(shù)碼波段顯示?：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米開始顯示；如果是人，在0.9米左右的距離開始顯示。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，表示障礙物離車體距離有0.8米以上；黃色代表警告距離，表示離障礙物的距離只有0.6~0.8米；紅色代表危險距離，表示離障礙物只有不到0.6米的距離，你必須停止倒車。?此點(diǎn)評：第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，但比擬實用，但安裝在車內(nèi)不太美觀，價格在400~1000元左右。第四代液晶熒屏顯示：這一代產(chǎn)品有一個質(zhì)的飛躍，特別是熒屏顯示開始出現(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。此產(chǎn)品實現(xiàn)動態(tài)顯示，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，價格在800~1500元之間。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)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功能整合在一起，并設(shè)計了語音功能，是目前市面上最先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。由于其外形就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)倒視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配，不過價格稍高，在1000~2000元之間。第六代新品即將推出，是專門為高檔車配置的。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。相信價格超過2000元，不過對于享受尊貴的消費(fèi)者來說，這套系統(tǒng)值得一試?？梢哉f倒車?yán)走_(dá)在人們的生活中已經(jīng)有著舉足輕重的地位。在經(jīng)濟(jì)上，人們也是可以接受的。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車或者倒車時的平安輔助裝置，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、倒車和起動車輛時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。倒車?yán)走_(dá)的創(chuàng)造是迫在眉睫的，是必不可少的設(shè)備。第二章超聲波介紹2.1什么是超聲波人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz-20KHz范圍內(nèi)，而超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩〔橫波〕及縱和振蕩〔縱波〕。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHz，而在固體、液體中那么頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。常用的超聲波傳感器可以分為二大類,一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,如壓電式、磁致伸縮式超聲波發(fā)生器；二是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波,有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。下面我們主要介紹壓電式超聲波傳感器[5]。2.1.1壓電式超聲波傳感器簡介壓電式超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，那么將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號[8]。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)它的兩極外加脈沖信號，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〔圖2.1〕。圖2.1超聲波發(fā)生器反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了，如圖2.2：圖2.2超聲波接收器2.2超聲波傳感器的特性超聲波傳感器的根本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的傳感器特性為例子。2.2.1頻率特性圖2.3超聲波傳感器的升壓能級和靈敏度圖2.3是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。其中，40KHz處為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在40KHz處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在40KHz處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在40KHz兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率40KHz的交流電壓來鼓勵。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在40KHz處曲線最鋒利，輸出電信號的幅度最大，即在40KHz處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R也有很大關(guān)系，如果R很大，頻率特性是鋒利共振的，并目在這個共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。并目最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。考慮到實際工程測量要求,可以選用超聲波的頻率f40kHz,波長λ0.85cm。2.2.2指向特性實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表而上每個點(diǎn)看成一個振蕩源，輻射出一個半球而波子波，這些子波沒有一指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果衍射，卻有一指向性。圖2.4是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向圖。圖2.4超聲波傳感器指向特性及結(jié)構(gòu)超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是0度時電壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40到80度，課題要求發(fā)射傳感器的指向角為60度。2.3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽聲的用途更加廣泛，是基于以下凡個原因[7]:1.具有方向性，超聲波的頻率越高，那么方向性越強(qiáng)。2.在無損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)中方向性是一個重要的考慮因素。3.超聲波的頻率越高，那么波長越越短，波長可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探傷、微小厚度測量、高精度測距中，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。4.超聲是不可聽聲，這樣就防止產(chǎn)生噪聲，因而超聲具有綠色特性。當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時，這種類型稱為透射型。適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHz及40-45KHz。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，別離式反射型可用于接近開關(guān)、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。第三章倒車?yán)走_(dá)的原理與總體設(shè)計3.1超聲波測距原理測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用12M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以到達(dá)毫米級。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF〔time?of?flight〕，也可以稱為回波探測法，如圖3.1所示[10]。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在介質(zhì)中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，可分為液介式、氣介式和固介式三種。根據(jù)所用探頭的工作方式，又可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式。而倒車?yán)走_(dá)一般是裝在車尾，超聲波在空氣中傳播，超聲波在空氣中20℃的傳播速度為340m/s實際速度為344m/s這里取整數(shù)，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s。公式如3-1：〔3-1〕由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比擬方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能到達(dá)要求。限制倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。聲波的速度c與溫度T有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著,那么必須考慮溫度。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，表3-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，那么可認(rèn)為聲速是根本不變的。如果測距精度要求很高，那么應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是倒車?yán)走_(dá)的機(jī)理。表3-1聲速c與溫度的關(guān)系溫度℃ -30 -20 -10 0 10 20 30 100聲速米/秒 313 319 325 333 338 344 349 3863.2倒車?yán)走_(dá)的總體設(shè)計方案圖3.2倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)總框圖該倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于AT89C51的超聲信號檢測的。因此初步方案是在室內(nèi)小范圍的測距，限定在2.5米左右量程。單片機(jī)AT89C51發(fā)出短暫的40KHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機(jī)中斷程序，得出時間t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)行顯示，并進(jìn)行聲光報警[1]。其發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈有時裝在探頭內(nèi)，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、隔度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動發(fā)出超聲。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，到達(dá)最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比擬大，對于接收電路的設(shè)計就相對簡單一些。但是，每一支實際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這個極限值。同時，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表而缺陷時或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時應(yīng)予采用。發(fā)射局部的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收局部就是由兩級放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終到達(dá)對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機(jī)AT89C51能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。3.3單片機(jī)的選擇本系統(tǒng)中所用到的主要芯片有單片機(jī)AT89C51、ZLG7289、LF353、LM567、TLP521。以下就局部芯片的功能與結(jié)構(gòu)做簡單介紹。3.3.1AT89C51的簡介AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能8位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲器PERONM和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器CPU和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大，性價比高，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[3]。3.3.2AT89C51的主要性能參數(shù)?與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容?4K字節(jié)可重檫寫Flash閃速存儲器?1000次檫寫周期?全靜態(tài)操作：0Hz--24MHz?三級加密程序存儲器?128x8字節(jié)內(nèi)部RAM?32個可編程I/O口線?2個16位定時/計數(shù)器?6個中斷源?可編程串行UART通道?低功耗空閑和掉電模式3.3.3AT89C51的結(jié)構(gòu)AT89C51的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示圖3.3AT89C51的結(jié)構(gòu)框圖在本設(shè)計中主要利用P0口來驅(qū)動ZLG7289芯片，用P1口的P1.0來控制超聲波發(fā)送間隔，其中P0要求上拉電阻10K，才可以輸出到ZLG7289芯片。利用P3.3，P3.2來作為按鍵輸入和響應(yīng)超聲波接收中斷。利用P3.2口的外部中斷0引入中斷，中斷后送入單片機(jī)處理時間和計算工作。3.4超聲波發(fā)送和接收元器件選擇元器件的選擇尊重一定的原那么,必須適合設(shè)計要求，本節(jié)主要講述選擇元器件的理由，以及元器件性能的比照。3.4.1超聲波發(fā)送模塊元器件選擇本模塊選用硬件來驅(qū)動超聲波發(fā)送器，通過LC震蕩電路其中L6.8mH，C2200pF產(chǎn)生40KHz〔計算值為41.17KHz〕的共振信號驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號[2]。通過單片機(jī)引腳控制TLP521光電耦合開關(guān)來控制超聲波的發(fā)射。由于用光電耦合開關(guān)反響速度快，且還有隔離效果，所以本模塊中用了TLP521光電耦合開關(guān)。圖3.4p521接線電路3.4.2超聲波接收模塊元器件選擇LM567為通用音調(diào)譯碼器，當(dāng)輸入信號于通帶內(nèi)時提供飽和晶體管對地開關(guān)，電路由I與Q檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。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(jī)亞音頻譯碼，遙控等。其性能指標(biāo)有如下特點(diǎn)：?用外接電阻20比1頻率范圍?邏輯兼容輸出具有吸收100mA電流吸收能力。?可調(diào)帶寬從0%至14%?寬信號輸出與噪聲的高抑制?對假信號抗干擾?高穩(wěn)定的中心頻率?中心頻率調(diào)節(jié)從0.01Hz到500kHz?電源電壓5V--15V，推薦使用8V。圖3.5LM567內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第四章硬件設(shè)計倒車?yán)走_(dá)，又稱泊車輔助系統(tǒng)，或稱倒車電腦警示系統(tǒng)[6]。它是汽車泊車或者倒車時的平安輔助裝置，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。倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要有主機(jī)和探頭兩局部組成。主機(jī)電路包括發(fā)射電路、接收電路、計數(shù)顯示電路三局部。單片機(jī)采用AT89C51。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口控制發(fā)射和停止輸出超聲波換能器所需的40KHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陰LED數(shù)碼管，段碼用ZLG7289驅(qū)動。4.1超聲波發(fā)射模塊超聲波發(fā)送模塊包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個局部，超聲波探頭〔又稱“超聲波換能器〞〕選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40KHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流在100mA以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無須驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。本設(shè)計采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號。40KHz的超聲波是利用LC震蕩電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計算式如公式4-1為：4-1其中L6.8mH，C2200pF，計算得結(jié)果約等于40KHz。其電路設(shè)計如圖4.1所示：圖4.1超聲波發(fā)射模塊電路圖4.2超聲波接收模塊超聲波接收模塊包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三局部。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計采用發(fā)生端同型號的壓電式超聲波傳感器，否那么將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。由于是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)所測距離在兩米左右所以采用兩級放大，用LF353實現(xiàn)。第一級放大100倍，第二級放大50倍總計放大5000倍，這樣不僅放大增益足夠大，可以適合小信號的需求，而且信號增益也能夠變化，適應(yīng)信號變化范圍大的需求。放大后的交流信號經(jīng)LM567鎖相環(huán)鎖定后向CPU發(fā)中斷申請。在中斷效勞程序中，讀取時間計數(shù)器的計數(shù)值，并通過計算算出雷達(dá)與障礙物的距離。接收探頭將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運(yùn)算放大器兩極放大后加至LM567。LM567是帶有鎖相環(huán)的音頻譯碼集成塊，LM567內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率，接收電路如圖4.2所示。電容C7決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R10在發(fā)射的載頻上，那么LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機(jī)處理。圖4.2超聲波接收模塊電路圖選頻放大電路的作用是僅允許一定頻率的信號通過并放大，而其他頻率的信號將被阻斷或衰減。只要把選頻放大電路工作的中心頻率設(shè)定為40KHz，就可以把其他頻率的干擾信號去除或衰減，同時把40KHz的回波信號進(jìn)行放大。4.3單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計主要運(yùn)用帶有ZLG7289的周立功最小系統(tǒng)來控制超聲波的發(fā)送、接收，以及聲光報警系統(tǒng)和距離顯示。本最小系統(tǒng)中包括了數(shù)碼管顯示、光電報警和鍵盤控制等功能。圖4.3單片機(jī)最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)中通過ZLG7289來驅(qū)動3個共陰極數(shù)碼管顯示所測的距離與鍵盤的使用，通過單片機(jī)AT89C51的P0.4與P0.5來控制LED發(fā)光二極管的亮滅，控制P0.6腳的電平上下來控制蜂鳴器的鳴叫。鍵盤通過外部中斷1來控制整個倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的工作。第五章軟件設(shè)計5.1軟件的設(shè)計要求本系統(tǒng)的設(shè)計要求是利用超聲波測距原理設(shè)計一個車用的倒車?yán)走_(dá)。要求通過設(shè)計能夠測出并顯示車與障礙物之間的距離，并能在距離小于一定的值的時候根據(jù)設(shè)定的值進(jìn)行聲光報警[12]。5.2軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖圖5.1系統(tǒng)模塊框圖系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時候?qū)ο到y(tǒng)的各個引腳的電平分配和對各存放器的初值賦值。數(shù)碼管顯示模塊：通過該模塊的設(shè)計能夠讓所測得的距離顯示在數(shù)碼管上。按鍵掃描模塊：此模塊用來通過鍵盤控制倒車?yán)走_(dá)的工作。發(fā)射接收控制模塊：發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射。超聲脈沖啟動定時器工作，同時啟動接收電路工作，當(dāng)接收電路有信號輸入時，對輸入信號進(jìn)行處理。運(yùn)算結(jié)果處理模塊：運(yùn)算結(jié)果處理模塊將屢次所測的時間進(jìn)行處理，進(jìn)行軟件取大值工作，根據(jù)公式計算出距離，然后再對計算得出的結(jié)果進(jìn)行修正處理，數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼管顯示模塊。聲光報警模塊：當(dāng)所測距離小于一定值時，通過聲光報警來提醒使用者。5.3各個程序的流程圖本節(jié)講述的是各個程序流程圖的設(shè)計，包括：主程序流程圖、測距程序流程圖、距離處理流程圖、語音播報程序流程圖、LED顯示程序流程圖、中斷程序流程圖。5.3.1主流程圖圖5.2主程序流程圖工作時，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后1.4ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時說明信號已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。然后再根據(jù)現(xiàn)場的情況進(jìn)行聲光報警。5.3.2發(fā)射接收模塊流程主程序調(diào)用測量子程序，計算子程序，顯示子程序完成一個測量周期。測量子程序如下：圖5.3測量子程序流程圖考慮到在測量的距離超過一定限度后誤差會變大，可以在大于一定距離后采用軟件修正，補(bǔ)償實際測的數(shù)據(jù)，當(dāng)然這要在調(diào)試中收集大量的實際測試數(shù)據(jù)后在單片機(jī)中設(shè)置。當(dāng)計算時為了提高計算精度可以用計算計數(shù)脈沖個數(shù)來提高計算精度，改進(jìn)后的公式如公式5-1：5-1其中N表示為計數(shù)脈沖個數(shù)，v為超聲波在空氣中的速度，f為計數(shù)頻率也即單片機(jī)的晶振頻率。5.3.3中斷程序流程在中斷程序中，當(dāng)有中斷產(chǎn)生也即接收到超聲波信號就馬上關(guān)閉中斷與定時器，并進(jìn)行距離計算與判斷的工作。圖5.4中斷程序流程圖時間計測：超聲波從發(fā)射到接收的間隔時間的測定是由單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)器T0來完成的。在調(diào)試過程中出現(xiàn)的發(fā)送局部與接收局部的直接串?dāng)_問題是由于換能器之間的距離不大，有局部聲波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收換能器上。從發(fā)射開始一直到“虛假反射波〞結(jié)束這段時間，通過控制觸發(fā)器不能觸發(fā)，也即超聲波發(fā)射后不是馬上的接收，而是要經(jīng)過一段時間的等待再接收，使不會發(fā)中斷申請，可有效躲避干擾，但也會形成所謂的“盲區(qū)〞。本系統(tǒng)的盲區(qū)通過計算在24cm左右。第六章調(diào)試本倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)有兩塊PCB板一塊是單片機(jī)最小系統(tǒng)，另一塊是超聲波的發(fā)射和接收組成的測距模塊板，調(diào)試分塊進(jìn)行。6.1最小系統(tǒng)的調(diào)試由于本系統(tǒng)采用的是有ZLG7289的周立功最小系統(tǒng)，所以所調(diào)試的只有看ZLG7289是否正常工作以及所作PCB板電路是否工作正常即可。6.2測距模塊的調(diào)試超聲波測距模組包括超聲波驅(qū)動電路和接收電路。本設(shè)計所采用的超聲波傳感器是壓電式的，驅(qū)動頻率為40KHz。假設(shè)能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，那么可提高抗干擾能力[4]。還可將兩探頭之間的距離稍微分開點(diǎn)以防止發(fā)生自發(fā)自收的輕快產(chǎn)生。調(diào)試成功后，經(jīng)過仿真可得到超聲波發(fā)射端波形如圖6.1所示：圖6.1超聲波發(fā)射端波形〔所用量程為頻率20us/DIV,電壓1V/DIV〕超聲波接收端波形如圖6.2所示：圖6.2超聲波接收端經(jīng)放大后波形〔所用量程為頻率20us/DIV,電壓5V/DIV〕放大后輸出經(jīng)LM567輸入端波形如圖6.3所示：圖6.3LM567的3引腳輸入端波形〔所用量程為頻率20us/DIV,電壓5V/DIV〕倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作時情況如圖6.4所示：圖6.4倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作時情況6.3調(diào)試結(jié)果由于本系統(tǒng)硬件本身存在著誤差，所以在測量時用取平均值的方式進(jìn)行。故在測量時，每次測量距離次數(shù)四次，然后取平均值[9]。表6-1距離測量數(shù)據(jù)表序號 理論值cm 實際值cm 絕對誤差cm 相對誤差%1 25 26 1 3.82 30 29 1 3.43 40 42 2 4.84 50 51 1 2.05 70 69 1 1.46 80 79 1 1.37 90 91 1 1.18 100 99 1 1.09 120 123 3 2.410 140 142 2 1.411 160 162 2 1.212 180 181 1 0.613 200 203 3 1.514 220 223 3 1.315240 242 2 0.816 250 251 1 0.4從表6-1中可以看出絕對誤差最大值為3cm，相對誤差小于5%。本倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)所測最小距離為24cm，最大距離在250cm左右，滿足設(shè)計要求。6.4誤差分析引入測量誤差的原因主要有[11]：1、環(huán)境對測量的影響，包括空氣溫度變化引起的聲速變化、空氣成分變化、聲波傳播途中溫度梯度導(dǎo)致測溫不準(zhǔn)確等，由于這些因素對結(jié)果產(chǎn)生的影響比擬小。開關(guān)門的可靠性是標(biāo)志超聲波測距儀可靠性的關(guān)鍵,即同步門控制。也就是說發(fā)射與脈沖計數(shù)必須同步。2、量化誤差：即參考頻率計數(shù)結(jié)果的誤差,由于選擇的單片機(jī)計時時鐘頻率為12MHz,所以有量化誤差為0.01米，符合測距要求范圍。所以超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有:1.量程范圍;2.目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。超聲波頻率高對探測較小目標(biāo)有利,有效反射目標(biāo)應(yīng)大于至少10個波長以上,對于非垂直于發(fā)射波束的目標(biāo),大波束角的傳感器通常可以獲得更強(qiáng)的回波信號,而波束角越窄對于減小散射波的干擾越有利。3、觸發(fā)誤差：由于被測信號經(jīng)放大、整形,門控產(chǎn)生“開門脈沖〞和“關(guān)門脈沖〞中,噪聲信號、干擾信號的摻入,使觸發(fā)的時間可能提前或滯后,給測量結(jié)構(gòu)帶來了隨機(jī)誤差，該誤差與信號的觸發(fā)波形有很