畢業(yè)設(shè)計——超聲波倒車測距系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)</p><p>　　信息工程學(xué)院 系（院） 電子信息工程 專業(yè)</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 基于超聲波檢測的倒車?yán)走_</p><p>　　設(shè)計（硬件設(shè)計） </p><p>　　基于超聲波檢測的倒車?yán)走_設(shè)計(硬件設(shè)計)</p><p

2、>　　Parking Sensor Design Based On Ultrasonic </p><p>　　Testing (hardware design)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來，我國的汽車數(shù)量進一步增加。在公路、街道、停車場、車庫等擁擠、狹窄的地方倒車時，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍

3、微不小心就會發(fā)生追尾事故。因此，增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車?yán)走_便成為近些年來的研究熱點。為此，設(shè)計了以單片機為控制核心，利用超聲波檢測實現(xiàn)無接觸測距的倒車?yán)走_系統(tǒng)。工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測量邏輯電路提供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時間差進行處理，自動計算出車與障礙物之間的距離。目前，國內(nèi)外一般的超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)，其理想的測量距離為1m～5 m，因此大都用于汽車倒車?yán)走_等

4、近距離測距中。本文根據(jù)超聲波在空氣中傳播反射原理，以超聲波換能器為接口部件，設(shè)計了基于AT89C2051單片機控制的超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)。該設(shè)計由超聲波發(fā)射模塊、信號接收模塊、多路通道選擇模塊、單片機處理模塊及聲光告警顯示模塊等部分組成，文中詳細介紹了超聲波倒車?yán)走_的硬件組成、檢測原理、測量方法以及軟件結(jié)構(gòu)。超聲波接收電路使用SONY公司的CX20106紅外檢測專用芯片，該芯片常用于38kHz的檢波電路，文中通過對芯片內(nèi)部電路的仔細分析，

5、設(shè)計出</p><p>　　關(guān)鍵詞： 超聲波 測距 AT89C2051 倒車</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　In recent years, China's number of cars is increasing every year. Highways, streets, park

6、ing, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur. So after the increase of motor vehicles as the ability to det

7、ect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. The ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive </p><p>　　Key Wo

8、rds: Ultrasonic wave; Measure distance; AT89C2051; Parking字典</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第

9、一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義1</p><p>　　1.2 倒車?yán)走_技術(shù)的發(fā)展概況1</p><p>　　1.3 課題設(shè)計要求2</p><p>　　第二章 總體設(shè)計方案3</p><p>　　2.1 本課題研究主要內(nèi)容3</p><

10、;p>　　2.2 本課題的設(shè)計思路3</p><p>　　2.2.1 超聲波測距原理3</p><p>　　2.2.2 本系統(tǒng)總體方案5</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計及描述6</p><p>　　3.1 單片機最小系統(tǒng)簡介6</p><p>　　3.1.1 AT89C2051封裝引腳說明6

11、</p><p>　　3.1.2 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3.2 超聲波通道選擇電路設(shè)計9</p><p>　　3.3 超聲波發(fā)送電路模塊設(shè)計10</p><p>　　3.4 超聲波檢測接收電路設(shè)計12</p><p>　　3.5聲光報警電路設(shè)計14</p><p

12、>　　3.6 電源電路設(shè)計15</p><p>　　3.7 溫度補償電路設(shè)計16</p><p>　　3.7.1 DS18B20特性介紹16</p><p>　　3.7.2 DS18B20引腳說明及工作原理17</p><p>　　3.7.3 DS18B20溫度補償電路設(shè)計19</p><p>　　第四

13、章 軟件設(shè)計21</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計的要求21</p><p>　　4.2程序編譯系統(tǒng)簡介....................................................21</p><p>　　4.3總體設(shè)計框圖22</p><p>　　4.4 子程序設(shè)計框圖23</p>&

14、lt;p>　　4.4.1 超聲波發(fā)生子程序23</p><p>　　4.4.2 超聲波接收子程序23</p><p>　　4.4.3 測距及報警子程序24</p><p>　　4.3.4 溫度補償流程圖26</p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試28</p><p>　　5.1 系統(tǒng)的整體

15、測試28</p><p>　　5.2 系統(tǒng)測量與誤差分析28</p><p>　　5.3 系統(tǒng)的優(yōu)化措施29</p><p><b>　　結(jié)束語30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p><b>　　附錄33<

16、;/b></p><p>　　附錄1: 系統(tǒng)總原理圖33</p><p>　　附錄2： 軟件程序清單34</p><p><b>　　致謝41</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　本設(shè)計的超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)是以MCS-5

17、1系列的AT89C2051單片機應(yīng)用為核心，基本完成了倒車?yán)走_控制系統(tǒng)的基本功能，其主要由超聲波發(fā)送模塊和超聲波接收模塊組成，同時連接語音電路和顯示電路，并在整個設(shè)計過程中考慮溫度對超聲波的影響，系統(tǒng)完善的解決“倒車難”的問題。</p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義</p><p>　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升，交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件

18、屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟損失。針對這種情況，設(shè)計一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢在必行，超聲波測距法是最常見的一種此類倒車?yán)走_系統(tǒng)的方法。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴凵洌瓷?，干涉，衍射，散射。超聲波倒車?yán)走_設(shè)計即是利用其反射特性，當(dāng)車輛后退時，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛?cè)藛T，起到安全預(yù)警的

19、作用。</p><p>　　現(xiàn)在市場上的倒車?yán)走_大多采用超聲波測距原理，駕駛者在倒車時，啟動倒車?yán)走_，在控制器的控制下，由裝置于車尾保險杠上的探頭發(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)主控制器進行數(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)出警示信號，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數(shù)，使倒車變得更安全。</p><p>　　由于超聲波具有能夠進行非

20、接觸測量和可以達到較高的測量精度這兩大優(yōu)點，歷來為人們所重視。就目前發(fā)展形勢來看，汽車市場的快速發(fā)展將進一步帶動倒車?yán)走_市場的繁榮。國內(nèi)倒車?yán)走_主流市場已經(jīng)開始由進口高檔汽車向中低檔汽車發(fā)展。技術(shù)上更加傾向于向單芯片集成化功能、靈敏度更高、可視化模式方向發(fā)展，設(shè)備方面則更加趨于小型化、人性化、智能化。由此可見，超聲波汽車倒車?yán)走_系統(tǒng)將會在人類今后的生活中扮演越來越重的角色【1】。 </p><p>　　1.2 倒

21、車?yán)走_技術(shù)的發(fā)展概況</p><p>　　倒車?yán)走_（Car Reversing Aid Systems）的全稱是“倒車防撞雷達”，也稱“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全輔助裝置，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，以提高倒車的安全性。汽車倒車防撞雷達系統(tǒng)曾經(jīng)是是國家重點開發(fā)的科研項目之一，足見其重要的

22、實際應(yīng)用價值【2】。經(jīng)過多年的發(fā)展，倒車?yán)走_設(shè)計以及使用發(fā)生了質(zhì)的變化。經(jīng)過不斷的發(fā)展，倒車?yán)走_系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過了六代技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性能價格上，都達到了一個相對完美的層次。</p><p>　　大眾化的汽車倒車測距雷達一般有四種：1、嘀嘀聲加閃光；2、音樂聲加閃光；3、語音聲加閃光；4、倒車到危險距離時發(fā)出警報聲的超聲波倒車?yán)走_。目前我們更多的還是以第四種為主，所以本設(shè)計對前三種倒車?yán)走_不再贅述，

23、大量篇幅用于介紹基于超聲波的倒車?yán)走_系統(tǒng)設(shè)計。超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)一般由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器等部分組成，本設(shè)計主要采用國內(nèi)生產(chǎn)的通用電子元件，采購渠道廣泛成本控制優(yōu)良，系統(tǒng)具有運行可靠，成本低廉，操作方便，適用性強，兼容性好的特點，加以優(yōu)化即可以得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.3 課題設(shè)計要求</p><p>　　基于超聲波檢測的倒車?yán)走_系統(tǒng)設(shè)計的宗旨在于達到以下

24、要求：駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車擋后，此系統(tǒng)需自動啟動，與此同時超聲波發(fā)射模塊要實時發(fā)射40KHZ的超聲波信號。該超聲波信號經(jīng)前方障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，并進行放大和比較，單片機AT89C2051將此信號送入顯示模塊，同時觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當(dāng)與障礙物距離小于1m、0.5m、0.25m時，發(fā)出不同的報警聲，提醒駕駛員停車避免發(fā)送碰撞事故。此外，此系統(tǒng)還應(yīng)該具備多路測距模塊，并考慮環(huán)境因素的影響以改善測量精度。</p

25、><p>　　本次設(shè)計的基本工作主要包括：</p><p>　　一、討論和研究本設(shè)計的設(shè)計方向和可行性探究；</p><p>　　二、主芯片和傳感器（超聲波換能器）的選擇；</p><p>　　三、電路的設(shè)計以及電路板的制作；</p><p><b>　　四、程序的編譯；</b></p>

26、<p>　　五、子程序與子模塊的聯(lián)合調(diào)試；</p><p>　　六、總體電路的功能調(diào)試；</p><p>　　七、系統(tǒng)的測試與校正，兼容性能的改善。</p><p>　　第二章 總體設(shè)計方案</p><p>　　本設(shè)計的重點是超聲波收發(fā)模塊的設(shè)計和語音報警模塊的設(shè)計，另外還包含了單片機的最小系統(tǒng)模式，直流電源電路設(shè)計等。該設(shè)計的

27、理論基礎(chǔ)是基于單片機（AT89C2051）的超聲波信號檢測的。因此初步計劃是在較小范圍內(nèi)的測試，限定在4米左右。單片機（AT89C2051）發(fā)出短暫的40KHz信號，經(jīng)障礙物反射后的超聲波經(jīng)接收模塊后作為系統(tǒng)的輸入，主控制部件對此信號進行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計算結(jié)果送到指定電路判斷，進而決定是否進行聲光報警。本設(shè)計中單片機的應(yīng)用是該設(shè)計的核心單元。在設(shè)計開始前先對各部分電路設(shè)計方案進行探究與選擇，并最終給出了設(shè)計思路和總體框圖。<

28、/p><p>　　2.1 本課題研究主要內(nèi)容</p><p>　　（1）超聲波發(fā)送和接受模塊設(shè)計；</p><p>　?。?）溫度測量（補償）電路設(shè)計；</p><p>　?。?）聲光報警電路設(shè)計；</p><p>　　（4）穩(wěn)壓電源電路設(shè)計；</p><p><b>　?。?）軟件設(shè)計；

29、</b></p><p>　　2.2 本課題的設(shè)計思路</p><p>　　2.2.1 超聲波測距原理</p><p>　　所設(shè)計倒車?yán)走_只需要在汽車倒車時才工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時汽車的行駛速度比較慢，和聲速相比基本可以認為汽車是靜止的，因此在系統(tǒng)中可以忽略機械波的多普勒效應(yīng)的影響。在許多測距實現(xiàn)方法中，脈沖測距法只需要測量超聲波在

30、測量點與目標(biāo)間的往返時間，實現(xiàn)相對簡單。</p><p>　　超聲波測距原理即是利用超聲波從發(fā)射到接收過程中傳播的時間來計算出傳播的距離【2】。本設(shè)計的倒車?yán)走_系統(tǒng)采用反射接收回波式。</p><p>　　超聲波測距原理如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 超聲波測距原理</p><p>　　假設(shè)l為測量距離，t為往返時間差，超聲波

31、的傳播速度為c，則有三者之間的關(guān)系如式2-1所示。</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　此外由于超聲波也是一種機械波，其在空氣中的傳播速度還會受到周圍溫度的影響，如式2-2所示。</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　式中t為環(huán)境溫度。c

32、o為絕對溫度時的速度，是一已知常數(shù)。</p><p>　　從式（2-1）和 式（2-2）可以推出公式2-3：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由式3-3可知，利用超聲波測距原理測量的距離與傳播時間和環(huán)境溫度有關(guān)。經(jīng)過實際測量得出超聲波的傳播速度與當(dāng)?shù)販囟鹊年P(guān)系，如表2-1所示。</p><

33、p>　　表 2-1 超聲波溫度速度關(guān)系表</p><p>　　在該系統(tǒng)設(shè)計中利用單片機AT89C2051中的定時器測量超聲波傳播時間，利用集成芯片DSl8B20測量環(huán)境溫度，從而提高測量的精度【3】。</p><p>　　2.2.2 本系統(tǒng)總體方案</p><p>　　基于上述討論，本系統(tǒng)的總體方案框圖如圖2.2所示，其原理綜述如下。當(dāng)駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后

34、，系統(tǒng)自動啟動，由主控制器（AT89C2051）產(chǎn)生一個地址選通信號送給雙通道雙向多路選通電路，由特定的地址信號選中并啟動汽車尾部的左、中、右三個方向通道中的某一通道。那么，該被選中的通道的超聲波發(fā)送模塊就向后發(fā)射頻率為40kKZ的超聲波脈沖信號，經(jīng)障礙物反射后，由超聲波接收模塊收集，并進行放大與比較。通道的選通信號要采取輪循選通方式以保證三通道的時間先后，互相配合。回波信號給主控制器（AT89C2051）一中斷請求信號，主控制器響應(yīng)該

35、中斷請求并由測量子程序計算出實時的各路通道的實際距離，以進行判斷。當(dāng)汽車尾部與障礙物的距離小于1m、0.5m、0.25m時，系統(tǒng)就驅(qū)動聲光報警電路，發(fā)出相應(yīng)的光電報警，并給出具體的方位提示，提醒駕駛員停止倒車。</p><p>　　圖2.2系統(tǒng)工作原理框圖</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計及描述</p><p>　　該系統(tǒng)設(shè)計主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收

36、電路、穩(wěn)壓電源電路、溫度補償電路、語音報警電路、鍵盤控制電路、單片機硬件接口電路等組成，該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的AT89C2051單片機，下面分步來介紹硬件各部分的具體設(shè)計分析。</p><p>　　3.1 單片機最小系統(tǒng)簡介</p><p>　　3.1.1 AT89C2051封裝引腳說明</p><p>　　單片機AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的

37、低電壓、高性能CMOS 8位單片機【4】。該系列單片機封裝圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1單片機封裝圖</p><p>　　AT89C2051單片機采取20引腳的雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其體積小巧，內(nèi)建2 kb電擦除程序存儲器，造價較低，外圍元器件小，開發(fā)簡單，是工程技術(shù)人員及單片機愛好者制作各種智能產(chǎn)品首選機型，也是許多數(shù)字電路、分立元件組成的老產(chǎn)品更新?lián)Q代最好選擇。<

38、/p><p>　　該系列單片機引腳如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 單片機引腳圖 </p><p>　　以下對該單片機的各個引腳作一簡略說明【4】。</p><p>　?。?）VCC：電源電壓。 　　</p><p>　?。?）GND：電源地。</p><p>　　（3）P1口：P

39、1口是一個8位雙向I/O口。引腳P1.2～P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫入“1”時，其可用作輸入端，當(dāng)引腳P1.2～P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內(nèi)部的寫入“1”時，其可用作輸入端。</p><p>　　（4）

40、P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個雙向I/O口引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。當(dāng)P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。</p><p>　?。?）RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運行時，持續(xù)給出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個機器周期需12個

41、振蕩器或時鐘周期。 </p><p>　?。?）XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 </p><p>　　（7）XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。</p><p>　　AT89C2051單片機的工作電壓范圍4．25V～5．5V，工作頻率取12MHz。其內(nèi)部的兩個16位定時／計數(shù)器寄存器T0和T1，作定時器時，可計數(shù)機器周期，計數(shù)頻率為振

42、蕩頻率的1／12；作計數(shù)器時，可對外部輸入引腳P3．4／T0和P3．5／T1上出現(xiàn)從1至0的變化時增1，計數(shù)頻率為振蕩頻率的1／24。</p><p>　　3.1.2 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　單片機AT89C2051片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），該器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性

43、存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)閃速存儲器，128字節(jié)RAM，15根I/O口，兩個16位定時器，一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式

44、【5】?？臻e方停止CPU工作但允許RAM、定時器/計數(shù)器、串行工作口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止其它部件的工作直到下一個硬件復(fù)位。該系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法，可以充分利用它的片內(nèi)資源，在本設(shè)計中同樣是在較少外圍電路的情況下構(gòu)成了功能完善的超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)。</p><p>　　此外需要注意的是我們需要明確知道發(fā)射和接收超聲波的時間，特別是第一次回波

45、的準(zhǔn)確接收時間的正確抓取對系統(tǒng)的測試起著舉足輕重的作用。此外，駕駛員執(zhí)行倒車擋操作時系統(tǒng)即開始發(fā)送超聲波，這一起始時間的準(zhǔn)確記錄也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。只有這兩個時間抓取的準(zhǔn)確，系統(tǒng)才能精確超聲波的傳播時間。</p><p>　　因此，實時的倒車啟動電路的原理如圖3.4所示。其功能比較簡單，就不再贅述了。左圖是一個典型的單片機內(nèi)部晶體振蕩時鐘發(fā)生電路，右圖是此設(shè)計要求的倒車復(fù)位啟動電路。需要提及的是圖中開關(guān)S

46、1即是上述的倒車擋啟動開關(guān)，當(dāng)駕駛員按下此開關(guān)，電路接通，此時AT89C2051單片機的RST（復(fù)位）引腳信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑獬娐窂?fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)開始正常運行，驅(qū)動電路開始計時【6】。</p><p>　　圖3.4 倒車啟動電路時鐘電路</p><p>　　3.2 超聲波通道選擇電路設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計與其它眾多的同類型設(shè)計的最大區(qū)別在于充分考慮實

47、際倒車需求分析，著眼于為駕駛者反映后部障礙物的具體方位，創(chuàng)造性地提出了一個多路選擇通道的設(shè)計方案。本設(shè)計中采用了三通道選擇的檢測方案，其發(fā)射及接收模塊都包括三組傳感器，通過主控制器控制CD4052來分時選擇具體的那一組傳感器來發(fā)送和接收超聲波信號。</p><p>　　CD4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B兩個二進制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。峰值為4.5～20V的數(shù)字信

48、號可控制峰值至20V的模擬信號【16】。例如，若VDD=+5V,VSS=0,VEE=13.5V,則0～5V的數(shù)字信號可控制-13.5～4.5V的模擬信號，這些開關(guān)電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功能，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)INH輸入端=“1”時，所有的通道截止。二位二進制輸入信號選通4對通道中的某一特定通道，可連接該輸入至輸出。</p><p>　　利用CD4052通道數(shù)字控

49、制模擬開關(guān)設(shè)計的通道選擇電路如圖3.5所示，</p><p>　　圖3.5通道選擇電路</p><p>　　芯片中XO、X1、X2這三個引腳連接左、中、右三路通道的超聲波發(fā)送數(shù)據(jù)信號，而Y0、Y1、Y2這三個引腳則連接左、中、右三路通道的超聲波接收數(shù)據(jù)信號。同時，利用兩條地址線來實現(xiàn)某一特定通道的選擇：當(dāng)A1A0=00時，選擇第一組（左后方）超聲波發(fā)送及接收模塊；當(dāng)A1A0=01時，選擇第

50、二組（中間）超聲波發(fā)送及接收模塊；當(dāng)A1A0=10時，選擇第三組（右后方）超聲波發(fā)送及接收模塊。這樣就可以順利實現(xiàn)倒車時汽車后側(cè)最近障礙物的成功選擇，大大增強倒車的安全性。</p><p>　　3.3 超聲波發(fā)送電路模塊設(shè)計</p><p>　　超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。超聲波探頭（又稱“超聲波換能器”）選用CSB4

51、0T，超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小于10%）【13】。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。后者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

52、優(yōu)點是無須驅(qū)動電路，但缺乏靈活性【16】。</p><p>　　本次設(shè)計采用硬件電路發(fā)生法產(chǎn)生超聲波，其電路設(shè)計如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6超聲波發(fā)送模塊電路</p><p>　　由于555定時器的比較器靈敏度高，輸出驅(qū)動電流大，功能靈活，所以設(shè)計中40kHz的超聲波是利用555時基電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計算式如式3-1所示。</p>

53、;<p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　此處R12設(shè)計為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。此處，R8、R12的阻值，C10的容值以及頻率f都是確定的，將它們代入式（3-1）中，求得R12的阻值大概在3.1K歐姆。因此，電路中采用量程為5K的可調(diào)電阻來實現(xiàn)40kHZ超聲波信號的產(chǎn)生。工作中只要合適調(diào)節(jié)該可調(diào)電阻使555定

54、時器正常工作即可發(fā)出40KHz脈沖信號，驅(qū)動CSB40T超聲波傳感器，發(fā)出超聲波信號。555定時器的工作狀態(tài)受來自4引腳信號（高電平有效）的控制，而555定時器的4引腳是通過光耦電壓變換電路之后連接于單片機AT89C2051的控制口線，受AT89C2051中的P1.7引腳（高電平有效）控制【12】。當(dāng)?shù)管囬_關(guān)啟動時，就提供一個由高變低的復(fù)位信號輸入給控制系統(tǒng)。單片機RST復(fù)位信號一旦變成低電平，系統(tǒng)立即解除復(fù)位狀態(tài)，開始正常工作。此時，

55、單片機P1.7引腳輸出呈現(xiàn)高電平信號，就可以實時控制555定時器工作，發(fā)出40kHZ的超聲波。為了保證555時基振蕩電路具有足夠大的驅(qū)動能力，建議宜采用12V的電源。而系統(tǒng)本身是5V供電電源，所以此處需要設(shè)計一個電壓發(fā)射變換電路，以產(chǎn)生12V</p><p>　　圖3.7信號發(fā)射隔離電路</p><p>　　3.4 超聲波檢測接收電路設(shè)計</p><p>　　超聲波

56、檢測接收電路的探頭必須采用與發(fā)射電路的探頭相對應(yīng)的型號，其中最關(guān)鍵的是要保證兩者頻率的一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至是無法接收。在上一小節(jié)中采用的是CSB40T的發(fā)送探頭，所以本小節(jié)要采用CSB40R的接收探頭來實現(xiàn)電路的設(shè)計。超聲波接收電路的設(shè)計可采用專用接收電路，也可采用通用電路來實現(xiàn)。</p><p>　　實現(xiàn)超聲波接收模塊的通用電路包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三大部分。由

57、于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號已經(jīng)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收，必須進行波形變換。這樣的設(shè)計方式所用的分立元件很多，電路走線復(fù)雜，整體調(diào)試?yán)щy，信號完整性問題和軌道塌陷噪聲很難抑制?？梢姍z測接收的通用電路的設(shè)計是比較復(fù)雜的，可行性不高。所以本設(shè)計采用的是專用接收芯片CX20106，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。我們可以使用該器件作為超聲波檢測接收電路。</p><p>　　CX

58、20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等【20】。這種IC 性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號接收器IC 相同或相似，故可用來代換多種型號的遙控信號接收集成電路。CX20106A 可用來完成遙控信號，CX20106A 是一種性能很優(yōu)越的紅外解調(diào)集成電路，采用8 腳單列直插式塑料超小型封裝，+5v 供電，內(nèi)部含有可前置放大、自動偏置、限幅放大、

59、通帶濾波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路。</p><p>　　CX20106A芯片主要功能是從38KHz 紅外載波信號中，將編碼信號解調(diào)出來，并加以放大和整形，然后再送到微處理器（CPU）進行控制和處理，以實現(xiàn)遙控操作功能。雖然該芯片的輸出中心頻率為38kHZ,但考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與本設(shè)計超聲波頻率40kHz較為接近，只要在外圍電路中配以適當(dāng)?shù)淖枞萜骷枰哉{(diào)整即可以達到40kHZ的

60、標(biāo)準(zhǔn)頻率。因此，可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力,適當(dāng)改變外圍電路電容的大小，就可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。該芯片具體引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.8 所示。</p><p>　　圖3.8 集成電路CX20106A外部引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　當(dāng)接收的回波信號在經(jīng)過前置放大器和限幅放大器之后，就將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器

61、濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準(zhǔn)確的計時，進而確定信號的實際傳輸時間。CX20106A 的外部電路接線圖如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9超聲波接收模塊電路</p><p>　　以下對接收模塊電路的接線做一個簡單說明。CX20106采用8腳單列直插式塑料封裝，超聲波接收探頭能將接受到的發(fā)射電路所發(fā)射的超聲波脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)十伏至數(shù)

62、百伏的電信號，送到CX20106的①腳，CX20106的總放大增益約為80dB，以確保其⑦腳輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.5-5V范圍內(nèi)。總增益大小由②腳外接的R10、C7 決定，R10越小或C7越大，增益越高。C7取值過大時將造成頻率響應(yīng)變差，通常取為1uF。C8為檢波電容，一般取3.3uF。CX20106采用峰值檢波方式，當(dāng)C8容量較大時將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度會變低，當(dāng)較小時雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度很高，但檢波

63、輸出脈沖寬度會發(fā)生較大變動，容易造成解調(diào)出錯而產(chǎn)生誤操作。所以C8容量的正確選擇是極其關(guān)鍵的，依據(jù)經(jīng)驗法則，一般即為3.3uF。 R11為帶通濾波器中心頻率附近的外部電阻，改變R11的阻值，可改變載波信號的接受頻率，當(dāng)偏離載波頻率時，放大增益會顯著下降， C9為積分電容，一般取330pF，取值過大，雖然可使抗干擾能力增強，但也會使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時間增長，造成遙控距離變短。⑦腳為輸出端，CX20</p><p

64、>　　3.5聲光報警電路設(shè)計</p><p>　　聲光報警電路設(shè)計也是本次設(shè)計的一個相當(dāng)重要的模塊，是指當(dāng)?shù)管嚴(yán)走_探測到的距離小于所設(shè)定的安全值時，控制電路就驅(qū)動所連接的發(fā)光二極管閃爍和驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音提醒駕駛員立即執(zhí)行安全操作的原理設(shè)計，聲光報警電路設(shè)計如圖3.10所示，此處主要是連接單片機AT89C2051的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6這五個輸出口線。功能簡介如下所述。</p

65、><p>　　三路通道信號測距：當(dāng)所測量到的距離均大于1.5m時，D1綠燈亮，表示當(dāng)前出于安全狀態(tài)，可以繼續(xù)倒車。當(dāng)多路通道檢測到的任一通道距離小于1.5m時，最短的一路對應(yīng)的紅燈（D2左后方紅燈、D3中后方紅燈、D4右后方紅燈）閃爍，且驅(qū)動揚聲器發(fā)聲警報,提醒駕駛者注意。紅燈閃爍的頻率越快，揚聲器發(fā)音越急促，表明此時車尾與障礙物的距離越短，越有可能發(fā)生倒車碰撞事故。</p><p>　　圖3

66、.10聲光報警電路</p><p>　　3.6 電源電路設(shè)計</p><p>　　在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一的能量來源。本課題的輸入電源即為汽車電瓶電源，其輸入電壓的范圍為+16V至+36V。設(shè)計所需的是輸出為+5V和+12V直流穩(wěn)壓電源。在現(xiàn)有線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個引出端口，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因

67、而在電源設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。三端穩(wěn)壓器的通用產(chǎn)品有78系列（正電源）和79系列（負電源），輸出電壓由具體型號中的后面兩個數(shù)字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。本設(shè)計采用典型的三端穩(wěn)壓器件W7805和W7812，來分別得到輸出為+5V和+12V的直流穩(wěn)壓電源用于給整個系統(tǒng)的各個芯片供電【18】。其中12V電源是為40HZ方波產(chǎn)生模塊供電。其電路原理圖如圖3.11所示。</p><p

68、>　　圖3.11直流穩(wěn)壓電源電路圖</p><p>　　3.7 溫度補償電路設(shè)計</p><p>　　由于超聲波也是一種機械波，它的傳播速度c會受溫度、濕度、壓強等各種環(huán)境因素的影響，其中溫度的影響尤為嚴(yán)重。在一般的應(yīng)用環(huán)境中可以假設(shè)這些條件是理想恒定的，但是在測量精度要求很高的場合，這些因素就不得不仔細考慮了【21】。特別是應(yīng)通過溫度補償電路對超聲波的傳播速度進行校正，以減小系統(tǒng)誤

69、差。</p><p>　　在選取溫度傳感器時選擇使用數(shù)字溫度測量芯片DS18B20。這種芯片是單總線結(jié)構(gòu)的,占用口線少，可以直接輸出數(shù)據(jù)信號，在涉及溫度測量場合的電子設(shè)計中應(yīng)用很廣泛。</p><p>　　3.7.1 DS18B20的特性介紹</p><p>　　本設(shè)計采用DALLAS公司的DSl8B20數(shù)字式溫度傳感器進行溫度測量，它所測量的溫度值9～12位二進制

70、數(shù)直接表示，可以直接進行讀出和寫入，大大簡化總線操作時間。芯片DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM和單線接口、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器【23】。其特性簡介為： </p><p>　?。?）適應(yīng)電壓

71、范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下由數(shù)據(jù)線供電。</p><p>　?。?）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p>　　（3）DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。</p><p>　?。?）DS18B20在

72、使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 </p><p>　?。?）溫度范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為0.5℃。</p><p>　　（6）可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0

73、625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。</p><p>　?。?）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多，在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。</p><p>　　（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。</p><p>　?。?）負壓特

74、性：電源極性接反使芯片不會因為發(fā)熱而燒毀，但是不能正常工作。</p><p>　　3.7.2 DS18B20引腳說明及工作原理</p><p>　　DS18B20使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便,價格更便宜,體積更小，并且能用程序選取特定的分辨率， 因此可選更小的封裝方式,更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中,掉電后依然保存。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數(shù)的

75、EEPROM,精度降低為±2℃,適用于對性能要求不高,成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用,是經(jīng)濟型產(chǎn)品。衡量其準(zhǔn)確度和價格的優(yōu)勢最終確定DS18B20為此項目的溫度傳感器。</p><p>　　其封裝引腳圖如圖3.13所示：</p><p>　　圖3.13 DS18B20引腳圖</p><p>　　DS18B20引腳說明如表3-1所示。</p><p&

76、gt;　　表3-1 DS18B20的引腳說明</p><p>　　DS18B20測溫原理如圖3.14所示。圖中低溫度系數(shù)晶的振的振蕩頻率受溫度影響的變化很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置數(shù)

77、值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，一直循環(huán)下去直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。</p><p>　　圖3.14 DS18B20測溫工作原理</p><p>　　3.7.3

78、DS18B20溫度補償電路設(shè)計</p><p>　　溫度補償電路的設(shè)計如圖3.15所示，數(shù)字信號輸入/輸出腳連接到單片機的P3.7引腳，電源接口接入+5V的電壓，外加10K的上拉電阻，因為DS18B20是單總線溫度傳感器，數(shù)據(jù)線是漏極開路，如果DS18B20沒接電源，則需要數(shù)據(jù)線強行上拉，給DS18B20供電；如果DS18B20接有電源，則不需要上拉即可穩(wěn)定的工作。</p><p>　　圖

79、3.15 溫度補償電路</p><p>　　當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速緩存存儲器的第1，2字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。溫度值格式如3.16所示。本設(shè)計也是以通用的12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換作為基本形式。</p><p>　　LS

80、 Byte </p><p>　　bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0</p><p><b>　　MS Byte </b></p><p>　　bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9

81、 bit8</p><p>　　圖3.16 溫度值格式</p><p>　　這是12位轉(zhuǎn)化后得到的16位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。圖中，S表示符號位。對應(yīng)的溫度計算原

82、則：當(dāng)符號位S=0時，表示測得的溫度值為正值，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)S=1時，表示測得的溫度值為負值，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值【23】。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，- 25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，- 55℃的數(shù)字輸出為FC90H。表3-2列出了部分溫度值對應(yīng)的二進制和十六進制表示形式</p><p>　　表3-2 DS18B20 溫

83、度值變換數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　第四章 軟件設(shè)計</b></p><p>　　超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、測距判斷子程序、INT0超聲波接收中斷程序這五個主要模塊組成。已經(jīng)知道C語言程序的可讀性要稍好于匯編語言，其源程序代碼相對較少而且有利于實現(xiàn)較為復(fù)雜的算法，而設(shè)計中實現(xiàn)超聲波測距原理的程序有較復(fù)雜的計

84、算（判斷安全距離時），同時溫度補償程序設(shè)計也有相對繁瑣的轉(zhuǎn)換。所以控制程序采用C語言編程來實現(xiàn)【3】。</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計的要求</p><p>　　軟件設(shè)計的目的是配合硬件電路原理，利用超聲波測距原理來實現(xiàn)一個車用的倒車?yán)走_報警系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。設(shè)計的最終要求是通過程序運行能夠自動測出倒車時車尾與周圍最近障礙物的距離且給出相應(yīng)的方位提示，并能在距離小于安全值的時候根據(jù)設(shè)定

85、值進行不同級別的聲光報警。</p><p>　　4.2 程序編譯系統(tǒng)簡介</p><p>　　由于C語言在功能上、結(jié)構(gòu)上、可讀性、可維護性上與匯編語言相比有天然的優(yōu)越性，所以設(shè)計選擇的是C語言編程。如果使用C語言編程，那么Keil C51幾乎就是軟件運行的不二之選。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 其提供了包括C編譯器、宏匯編

86、、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)，Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的源程序代碼很緊湊，容易理解【24】。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢，同時其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令程序設(shè)計事半功倍。</p><p&

87、gt;　　所以，設(shè)計采用此軟件開發(fā)系統(tǒng)來實現(xiàn)主體程序的編譯和調(diào)試以及仿真。</p><p><b>　　4.3總體設(shè)計框圖</b></p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主程序主要由初始化程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、測距子程序、數(shù)據(jù)處理子程序和中斷服務(wù)子程序這幾大模塊組成。主程序框圖如圖4.1所示：</p><p>

88、　　圖4.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計框圖</p><p>　　該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式。當(dāng)駕駛員啟動倒車擋開關(guān)時，主程序開始初始化，隨之開始調(diào)用各子程序進行實時處理，從而完成整個檢測提示過程。主程序是單片</p><p>　　機程序的主體，整個單片機終端系統(tǒng)軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中完成的。主程序首先完成初始化過程，然后開始執(zhí)行一個循環(huán)的控制發(fā)射信號，之后在發(fā)射信號的后延開始等待是否發(fā)生

89、了中斷。</p><p>　　主程序除了完成定時器T0、中斷源TNT0初始化外，主要實現(xiàn)超聲波的巡回發(fā)射（調(diào)用超聲波發(fā)射程序）和距離的動態(tài)掃描判斷。INT0中斷服務(wù)程序判斷車尾離最近障礙物的距離數(shù)據(jù)，與設(shè)定的安全值進行比較，如小于1m，接蜂鳴器報警，否則關(guān)閉報警；如果車尾距離障礙物的距離較遠，超聲波往返時間就會超過了定時器T一次性最長的定時時間，則T0 發(fā)生溢出而中斷，這時，表示車后無障礙物，可放心倒車。<

90、/p><p>　　4.4 子程序設(shè)計框圖</p><p>　　4.4.1 超聲波發(fā)生子程序</p><p>　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過單片機P1.7端口發(fā)送若干個超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序比較簡單，但難點在于要求程序運行準(zhǔn)確。</p><p>　　4.4.

91、2 超聲波接收子程序</p><p>　　超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波的同時內(nèi)部計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)遇到障礙物反饋信號到超聲波接收器接收，經(jīng)CX20106 接收電路處理后，產(chǎn)生一個低脈沖，該信號傳送給單片機產(chǎn)生中斷，調(diào)用測距子程序，計算出測量距離，調(diào)用判斷子程序，根據(jù)不同的測量數(shù)值再決定是否進行聲光報警。當(dāng)距離大于1.5m，表示“安全”不進行聲光報警，繼續(xù)測量；當(dāng)距離小于1.5m時，表示 “危險”，由控制器P1.2

92、位驅(qū)動揚聲器報警；當(dāng)距離進一步縮小時，控制器驅(qū)動揚聲器和特定通道的LED燈閃爍來警示。</p><p>　　超聲波發(fā)射子程序設(shè)計框圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 超聲波發(fā)射子程序設(shè)計框圖</p><p>　　4.4.3 測距及報警子程序</p><p>　　首先對整個程序初始化，讓定時計數(shù)器0和1都工作在方式1（16位定

93、時計數(shù)器），并賦初值。定時計數(shù)器0賦值高8位為0XFC，低8位為0X18,使其溢出中斷頻率為1kHZ；定時計數(shù)器1賦初值為0。開關(guān)中斷，通道變量賦初值0，并給超時變量等賦初值。設(shè)定延時毫秒數(shù)，接下來對所選通道測距，先從初值0開始，測量之前沒有回波均認為是超時，在設(shè)定時間25ms內(nèi)沒有得到回波信號，通道值自動加1，指向下一通道。當(dāng)外部中斷0中斷函數(shù)時，通道函數(shù)等于0，此時由中斷而得到的時間計算出距離。單位為厘米。此值越大報警信號越強。切記

94、最短距離對應(yīng)紅燈閃爍頻率，數(shù)值越小則閃爍越快，表明越不安全。如果最短距離＞安全距離時，聲光報警系統(tǒng)置于最大狀態(tài)，此時紅燈都處于閑置狀態(tài)，只有綠燈亮。若在25ms內(nèi)接收不到回波，此時聲光報警電路仍處于高電平狀態(tài)，紅燈都閑置，只有綠燈亮。</p><p>　　測距程序框圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 測距程序框圖</p><p>　　倒車時汽車后部與障

95、礙物的距離數(shù)據(jù)通過圖4.3的測距程序即可以成功收集得到。接下來就是用數(shù)據(jù)處理程序?qū)Υ司嚯x數(shù)值進行進一步的判斷。數(shù)據(jù)處理模塊的基本功能是對所收集到特定通道的距離數(shù)據(jù)進行判斷，當(dāng)此距離小于安全距離時，程序運行控制聲光報警電路發(fā)出報警。其程序框圖大致如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4距離判斷處理程序框圖</p><p>　　4.4.4 溫度補償流程圖</p><p

96、>　　溫度補償是由溫度傳感器DS18B20檢測現(xiàn)場的溫度，由于DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，檢測的溫度值在內(nèi)部進行轉(zhuǎn)換，溫度測量結(jié)果直接以數(shù)字信號輸出，單片機對由DS18B20輸出的信號進行讀取，經(jīng)過軟件處理程序?qū)囟葦?shù)字值實時處理，完成變換。 </p><p>　　溫度補償流程圖如4.5所示：</p><p>　　

97、圖4.5 溫度補償框圖</p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試</p><p>　　5.1 系統(tǒng)的整體測試</p><p>　　超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15mm的超聲波換能器CSB40T-10F1（T發(fā)射）和CSB40R-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊

98、要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力【6】。 </p><p>　　硬件軟件全部調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.11m～1

99、.50m，測距儀最大誤差不超過4%。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求【9】。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)測量與誤差分析</p><p>　　經(jīng)過所有的調(diào)試步驟完成后，對該系統(tǒng)進行實際的數(shù)據(jù)測量過程。由于測量過程中存在著許多外界因素的干擾，需要進行誤差的分析。</p><p>　　系統(tǒng)誤差主要來源于以

100、下幾個方面：</p><p>　　一、超聲波發(fā)射與接收探頭與被測點存在一定的角度，這個角度直接影響到測量距離的精確值。</p><p>　　二、超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關(guān)系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)。</p><p>　　三、由于工具簡陋，實際測量距離也有誤差。影響測量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時基脈沖頻率等等。</

101、p><p>　　四、啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差。</p><p>　　五、收到回波到被檢測出的滯后。</p><p>　　六、收到中斷到中斷響應(yīng)停止計時之間的滯后。</p><p>　　七、計時器本身的誤差。</p><p>　　八、在電路板與元件焊接做工不精細，有些元件焊接不好，所以造成某些地方接觸不好，產(chǎn)生誤差。&l

102、t;/p><p>　　九、在測試的時候在超聲波發(fā)射與接收探頭前面就開著電腦顯示屏，可能就對測試的結(jié)果產(chǎn)生影響。</p><p>　　5.3 系統(tǒng)的優(yōu)化措施</p><p>　　針對上述涉及的種種的可能影響測試精度和結(jié)果準(zhǔn)確的因素進行研究，不難發(fā)現(xiàn)主要是硬件設(shè)計的問題，以及一些環(huán)境因素的影響。環(huán)境因素諸如溫度，光照，電磁干擾等等，只能是設(shè)計相應(yīng)的補償電路或模塊來盡力簡化

103、干擾。比如，使用更高靈敏度的新型數(shù)字溫度傳感器來補償聲速，選擇更加高效能的超聲波換能器來實現(xiàn)超聲波的收發(fā)等【18】。</p><p>　　硬件設(shè)計方面則是優(yōu)化設(shè)計的重點，包括總體方案的最佳選擇，具體模塊的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，PCB版的合理布局，各元器件的標(biāo)準(zhǔn)化安裝，功能模擬與仿真的校對等都可以有更好的設(shè)計來研究。此外，產(chǎn)品設(shè)計中只有通過測量才能夠極大地降低設(shè)計風(fēng)險。所以，采用更加成熟的測量儀器對測量數(shù)據(jù)加以解釋也是一種行之

104、有效的方法。比如，阻抗分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的引入等【7】。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本文所設(shè)計的倒車?yán)走_系統(tǒng)是保障汽車倒車安全的輔助系統(tǒng)，通過超聲波探頭發(fā)出超聲波，使用高速單片機計算距離，并加入了溫度補償電路，提高了距離計算的精度，給駕駛員提供了方便。倒車時當(dāng)汽車與障礙物的距離小于我們所設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)便通過聲光報警電路

105、發(fā)出報警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強的實用性。實際測試證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足一般近距離的倒車預(yù)警要求，且設(shè)計簡單、性價比高，有利于更好的應(yīng)用于人們的生活中。</p><p>　　通過對本課題的研究學(xué)習(xí)，也有了以下體會：</p><p>　　一、理解超聲波技術(shù)的一些基本規(guī)律和必要的基本概念。</p><p>　　二、了解超聲技術(shù)與其他學(xué)科的關(guān)系與

106、應(yīng)用，擴大知識面。</p><p>　　三、培養(yǎng)抽象思維能力，分析問題和解決問題的能力。</p><p>　　四、掌握做人處事的方法技巧，成為真正的應(yīng)用性、綜合性人才。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] XIA Xiaonan. The Control of the Tempera

107、ture and Humidity of TemperatureBox Based on Single ChipMicrocomputer[D].2005,215(24):117～118.</p><p>　　[2] 韓志軍等編著.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.1.</p><p>　　[3] 李廣弟等編著.單片機基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,200

108、1.7.</p><p>　　[4] 樓然苗,李光飛編著.單片機課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2007.7.</p><p>　　[5] 王進花等.多方位超聲波測距儀的設(shè)計[J].甘肅大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,(10): 21～36</p><p>　　[6] 嚴(yán)天峰編著.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與仿真調(diào)試[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社