畢業(yè)設(shè)計(jì)——超聲波倒車測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (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(jì)（論文）題目 基于超聲波檢測(cè)的倒車?yán)走_(dá)</p><p>　　設(shè)計(jì)（硬件設(shè)計(jì)） </p><p>　　基于超聲波檢測(cè)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)(硬件設(shè)計(jì))</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(guó)的汽車數(shù)量進(jìn)一步增加。在公路、街道、停車場(chǎng)、車庫(kù)等擁擠、狹窄的地方倒車時(shí)，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍

3、微不小心就會(huì)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(cè)障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來的研究熱點(diǎn)。為此，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為控制核心，利用超聲波檢測(cè)實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。最后由信號(hào)處理裝置對(duì)接收的信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出車與障礙物之間的距離。目前，國(guó)內(nèi)外一般的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，其理想的測(cè)量距離為1m～5 m，因此大都用于汽車倒車?yán)走_(dá)等

4、近距離測(cè)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(jì)了基于AT89C2051單片機(jī)控制的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)由超聲波發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、多路通道選擇模塊、單片機(jī)處理模塊及聲光告警顯示模塊等部分組成，文中詳細(xì)介紹了超聲波倒車?yán)走_(dá)的硬件組成、檢測(cè)原理、測(cè)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(cè)專用芯片，該芯片常用于38kHz的檢波電路，文中通過對(duì)芯片內(nèi)部電路的仔細(xì)分析，

5、設(shè)計(jì)出</p><p>　　關(guān)鍵詞： 超聲波 測(cè)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_(dá)技術(shù)的發(fā)展概況1</p><p>　　1.3 課題設(shè)計(jì)要求2</p><p>　　第二章 總體設(shè)計(jì)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(jì)思路3</p><p>　　2.2.1 超聲波測(cè)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(jì)及描述6</p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jì)9</p><p>　　3.3 超聲波發(fā)送電路模塊設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.4 超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.5聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)14</p><p

12、>　　3.6 電源電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.7 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)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(bǔ)償電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　第四

13、章 軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)的要求21</p><p>　　4.2程序編譯系統(tǒng)簡(jiǎn)介....................................................21</p><p>　　4.3總體設(shè)計(jì)框圖22</p><p>　　4.4 子程序設(shè)計(jì)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(cè)距及報(bào)警子程序24</p><p>　　4.3.4 溫度補(bǔ)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(cè)試28</p><p>　　5.2 系統(tǒng)測(cè)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(xiàn)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(jì)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是以MCS-5

17、1系列的AT89C2051單片機(jī)應(yīng)用為核心，基本完成了倒車?yán)走_(dá)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(shí)連接語音電路和顯示電路，并在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中考慮溫度對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運(yùn)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(jì)損失。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見的一種此類倒車?yán)走_(dá)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?，反射，干涉，衍射，散射。超聲波倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)即是利用其反射特性，當(dāng)車輛后退時(shí)，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測(cè)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(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測(cè)距原理，駕駛者在倒車時(shí)，啟動(dòng)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(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)主控制器進(jìn)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(hào)，得到及時(shí)警示，從而使駕駛者倒車時(shí)做到心中有數(shù)，使倒車變得更安全。</p><p>　　由于超聲波具有能夠進(jìn)行非

20、接觸測(cè)量和可以達(dá)到較高的測(cè)量精度這兩大優(yōu)點(diǎn)，歷來為人們所重視。就目前發(fā)展形勢(shì)來看，汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展將進(jìn)一步帶動(dòng)倒車?yán)走_(dá)市場(chǎng)的繁榮。國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)主流市場(chǎng)已經(jīng)開始由進(jìn)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_(dá)系統(tǒng)將會(huì)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_(dá)技術(shù)的發(fā)展概況</p><p>　　倒車?yán)走_(dá)（Car Reversing Aid Systems）的全稱是“倒車防撞雷達(dá)”，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(dòng)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，以提高倒車的安全性。汽車倒車防撞雷達(dá)系統(tǒng)曾經(jīng)是是國(guó)家重點(diǎn)開發(fā)的科研項(xiàng)目之一，足見其重要的

22、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值【2】。經(jīng)過多年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)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_(dá)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(jià)格上，都達(dá)到了一個(gè)相對(duì)完美的層次。</p><p>　　大眾化的汽車倒車測(cè)距雷達(dá)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(xiǎn)距離時(shí)發(fā)出警報(bào)聲的超聲波倒車?yán)走_(dá)。目前我們更多的還是以第四種為主，所以本設(shè)計(jì)對(duì)前三種倒車?yán)走_(dá)不再贅述，

23、大量篇幅用于介紹基于超聲波的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。超聲波倒車?yán)走_(dá)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(jì)主要采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的通用電子元件，采購(gòu)渠道廣泛成本控制優(yōu)良，系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，成本低廉，操作方便，適用性強(qiáng)，兼容性好的特點(diǎn)，加以優(yōu)化即可以得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.3 課題設(shè)計(jì)要求</p><p>　　基于超聲波檢測(cè)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的宗旨在于達(dá)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(dòng)啟動(dòng)，與此同時(shí)超聲波發(fā)射模塊要實(shí)時(shí)發(fā)射40KHZ的超聲波信號(hào)。該超聲波信號(hào)經(jīng)前方障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，并進(jìn)行放大和比較，單片機(jī)AT89C2051將此信號(hào)送入顯示模塊，同時(shí)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(shí)，發(fā)出不同的報(bào)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(cè)距模塊，并考慮環(huán)境因素的影響以改善測(cè)量精度。</p

25、><p>　　本次設(shè)計(jì)的基本工作主要包括：</p><p>　　一、討論和研究本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)試與校正，兼容性能的改善。</p><p>　　第二章 總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是超聲波收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)和語音報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)，另外還包含了單片機(jī)的最小系統(tǒng)模式，直流電源電路設(shè)計(jì)等。該設(shè)計(jì)的

27、理論基礎(chǔ)是基于單片機(jī)（AT89C2051）的超聲波信號(hào)檢測(cè)的。因此初步計(jì)劃是在較小范圍內(nèi)的測(cè)試，限定在4米左右。單片機(jī)（AT89C2051）發(fā)出短暫的40KHz信號(hào)，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(duì)此信號(hào)進(jìn)行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送到指定電路判斷，進(jìn)而決定是否進(jìn)行聲光報(bào)警。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的應(yīng)用是該設(shè)計(jì)的核心單元。在設(shè)計(jì)開始前先對(duì)各部分電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探究與選擇，并最終給出了設(shè)計(jì)思路和總體框圖。<

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

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

30、測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。</p><p>　　超聲波測(cè)距原理即是利用超聲波從發(fā)射到接收過程中傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播的距離【2】。本設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)采用反射接收回波式。</p><p>　　超聲波測(cè)距原理如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 超聲波測(cè)距原理</p><p>　　假設(shè)l為測(cè)量距離，t為往返時(shí)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>　?。?-1）</b></p><p>　　此外由于超聲波也是一種機(jī)械波，其在空氣中的傳播速度還會(huì)受到周圍溫度的影響，如式2-2所示。</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中t為環(huán)境溫度。c

32、o為絕對(duì)溫度時(shí)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(cè)距原理測(cè)量的距離與傳播時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)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(jì)中利用單片機(jī)AT89C2051中的定時(shí)器測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，利用集成芯片DSl8B20測(cè)量環(huán)境溫度，從而提高測(cè)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(dòng)啟動(dòng)，由主控制器（AT89C2051）產(chǎn)生一個(gè)地址選通信號(hào)送給雙通道雙向多路選通電路，由特定的地址信號(hào)選中并啟動(dòng)汽車尾部的左、中、右三個(gè)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(hào)，經(jīng)障礙物反射后，由超聲波接收模塊收集，并進(jìn)行放大與比較。通道的選通信號(hào)要采取輪循選通方式以保證三通道的時(shí)間先后，互相配合?；夭ㄐ盘?hào)給主控制器（AT89C2051）一中斷請(qǐng)求信號(hào)，主控制器響應(yīng)該

35、中斷請(qǐng)求并由測(cè)量子程序計(jì)算出實(shí)時(shí)的各路通道的實(shí)際距離，以進(jìn)行判斷。當(dāng)汽車尾部與障礙物的距離小于1m、0.5m、0.25m時(shí)，系統(tǒng)就驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，發(fā)出相應(yīng)的光電報(bào)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(jì)及描述</p><p>　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bǔ)償電路、語音報(bào)警電路、鍵盤控制電路、單片機(jī)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(jī)，下面分步來介紹硬件各部分的具體設(shè)計(jì)分析。</p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　3.1.1 AT89C2051封裝引腳說明</p><p>　　單片機(jī)AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的

37、低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)【4】。該系列單片機(jī)封裝圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1單片機(jī)封裝圖</p><p>　　AT89C2051單片機(jī)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(chǔ)器，造價(jià)較低，外圍元器件小，開發(fā)簡(jiǎn)單，是工程技術(shù)人員及單片機(jī)愛好者制作各種智能產(chǎn)品首選機(jī)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(jī)引腳如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 單片機(jī)引腳圖 </p><p>　　以下對(duì)該單片機(jī)的各個(gè)引腳作一簡(jiǎn)略說明【4】。</p><p>　　（1）VCC：電源電壓。 　　</p><p>　　（2）GND：電源地。</p><p>　　（3）P1口：P

39、1口是一個(gè)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(dòng)LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫入“1”時(shí)，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(shí)，它們將因內(nèi)部的寫入“1”時(shí)，其可用作輸入端。</p><p>　?。?）

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(gè)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(hào)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(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。</p><p>　　（5）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(yùn)行時(shí)，持續(xù)給出RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)

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

42、蕩頻率的1／12；作計(jì)數(shù)器時(shí)，可對(duì)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(shí)增1，計(jì)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(jī)AT89C2051片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），該器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性

43、存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器，128字節(jié)RAM，15根I/O口，兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)五向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，一個(gè)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(shí)器/計(jì)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(gè)硬件復(fù)位。該系列單片機(jī)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(jì)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_(dá)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(shí)間，特別是第一次回波

45、的準(zhǔn)確接收時(shí)間的正確抓取對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試起著舉足輕重的作用。此外，駕駛員執(zhí)行倒車擋操作時(shí)系統(tǒng)即開始發(fā)送超聲波，這一起始時(shí)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(gè)時(shí)間抓取的準(zhǔn)確，系統(tǒng)才能精確超聲波的傳播時(shí)間。</p><p>　　因此，實(shí)時(shí)的倒車啟動(dòng)電路的原理如圖3.4所示。其功能比較簡(jiǎn)單，就不再贅述了。左圖是一個(gè)典型的單片機(jī)內(nèi)部晶體振蕩時(shí)鐘發(fā)生電路，右圖是此設(shè)計(jì)要求的倒車復(fù)位啟動(dòng)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(dòng)開關(guān)，當(dāng)駕駛員按下此開關(guān)，電路接通，此時(shí)AT89C2051單片機(jī)的RST（復(fù)位）引腳信號(hào)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(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路開始計(jì)時(shí)【6】。</p><p>　　圖3.4 倒車啟動(dòng)電路時(shí)鐘電路</p><p>　　3.2 超聲波通道選擇電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)與其它眾多的同類型設(shè)計(jì)的最大區(qū)別在于充分考慮實(shí)

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(gè)多路選擇通道的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)中采用了三通道選擇的檢測(cè)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(shí)選擇具體的那一組傳感器來發(fā)送和接收超聲波信號(hào)。</p><p>　　CD4052是一個(gè)差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B兩個(gè)二進(jìn)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(hào)可控制峰值至20V的模擬信號(hào)【16】。例如，若VDD=+5V,VSS=0,VEE=13.5V,則0～5V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.5～4.5V的模擬信號(hào)，這些開關(guān)電路在整個(gè)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(hào)的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)，所有的通道截止。二位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通4對(duì)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(jì)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(gè)引腳連接左、中、右三路通道的超聲波發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，而Y0、Y1、Y2這三個(gè)引腳則連接左、中、右三路通道的超聲波接收數(shù)據(jù)信號(hào)。同時(shí)，利用兩條地址線來實(shí)現(xiàn)某一特定通道的選擇：當(dāng)A1A0=00時(shí)，選擇第一組（左后方）超聲波發(fā)送及接收模塊；當(dāng)A1A0=01時(shí)，選擇第

50、二組（中間）超聲波發(fā)送及接收模塊；當(dāng)A1A0=10時(shí)，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(shí)現(xiàn)倒車時(shí)汽車后側(cè)最近障礙物的成功選擇，大大增強(qiáng)倒車的安全性。</p><p>　　3.3 超聲波發(fā)送電路模塊設(shè)計(jì)</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(gè)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(jī)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(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)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(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流在100mA以上的驅(qū)動(dòng)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(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的

52、優(yōu)點(diǎn)是無須驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性【16】。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用硬件電路發(fā)生法產(chǎn)生超聲波，其電路設(shè)計(jì)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(shí)器的比較器靈敏度高，輸出驅(qū)動(dòng)電流大，功能靈活，所以設(shè)計(jì)中40kHz的超聲波是利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計(jì)算式如式3-1所示。</p>

53、;<p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　此處R12設(shè)計(jì)為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號(hào)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(shí)現(xiàn)40kHZ超聲波信號(hào)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(shí)器正常工作即可發(fā)出40KHz脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)CSB40T超聲波傳感器，發(fā)出超聲波信號(hào)。555定時(shí)器的工作狀態(tài)受來自4引腳信號(hào)（高電平有效）的控制，而555定時(shí)器的4引腳是通過光耦電壓變換電路之后連接于單片機(jī)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(dòng)時(shí)，就提供一個(gè)由高變低的復(fù)位信號(hào)輸入給控制系統(tǒng)。單片機(jī)RST復(fù)位信號(hào)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(shí)，

55、單片機(jī)P1.7引腳輸出呈現(xiàn)高電平信號(hào)，就可以實(shí)時(shí)控制555定時(shí)器工作，發(fā)出40kHZ的超聲波。為了保證555時(shí)基振蕩電路具有足夠大的驅(qū)動(dòng)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(jì)一個(gè)電壓發(fā)射變換電路，以產(chǎn)生12V</p><p>　　圖3.7信號(hào)發(fā)射隔離電路</p><p>　　3.4 超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波

56、檢測(cè)接收電路的探頭必須采用與發(fā)射電路的探頭相對(duì)應(yīng)的型號(hào)，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(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)。超聲波接收電路的設(shè)計(jì)可采用專用接收電路，也可采用通用電路來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　實(shí)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(hào)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(hào)已經(jīng)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號(hào)不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。這樣的設(shè)計(jì)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(hào)完整性問題和軌道塌陷噪聲很難抑制。可見檢測(cè)接收的通用電路的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的，可行性不高。所以本設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)接收器IC 相同或相似，故可用來代換多種型號(hào)的遙控信號(hào)接收集成電路。CX20106A 可用來完成遙控信號(hào)，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(dòng)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(hào)中，將編碼信號(hào)解調(diào)出來，并加以放大和整形，然后再送到微處理器（CPU）進(jìn)行控制和處理，以實(shí)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(jì)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(dá)到40kHZ的

60、標(biāo)準(zhǔn)頻率。因此，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)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(hào)在經(jīng)過前置放大器和限幅放大器之后，就將信號(hào)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(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，進(jìn)而確定信號(hào)的實(shí)際傳輸時(shí)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(duì)接收模塊電路的接線做一個(gè)簡(jiǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)十伏至數(shù)

62、百伏的電信號(hào)，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(hào)幅度在3.5-5V范圍內(nèi)?？傇鲆娲笮∮散谀_外接的R10、C7 決定，R10越小或C7越大，增益越高。C7取值過大時(shí)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(shí)將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度會(huì)變低，當(dāng)較小時(shí)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(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，容易造成解調(diào)出錯(cuò)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(yàn)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(hào)的接受頻率，當(dāng)偏離載波頻率時(shí)，放大增益會(huì)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(qiáng)，但也會(huì)使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，造成遙控距離變短。⑦腳為輸出端，CX20</p><p

64、>　　3.5聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)</p><p>　　聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)也是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)相當(dāng)重要的模塊，是指當(dāng)?shù)管嚴(yán)走_(dá)探測(cè)到的距離小于所設(shè)定的安全值時(shí)，控制電路就驅(qū)動(dòng)所連接的發(fā)光二極管閃爍和驅(qū)動(dòng)揚(yáng)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(jì)，聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖3.10所示，此處主要是連接單片機(jī)AT89C2051的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6這五個(gè)輸出口線。功能簡(jiǎn)介如下所述。</p

65、><p>　　三路通道信號(hào)測(cè)距：當(dāng)所測(cè)量到的距離均大于1.5m時(shí)，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(cè)到的任一通道距離小于1.5m時(shí)，最短的一路對(duì)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(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲警報(bào),提醒駕駛者注意。紅燈閃爍的頻率越快，揚(yáng)聲器發(fā)音越急促，表明此時(shí)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(bào)警電路</p><p>　　3.6 電源電路設(shè)計(jì)</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(jì)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(gè)引出端口，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因

67、而在電源設(shè)計(jì)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(fù)電源），輸出電壓由具體型號(hào)中的后面兩個(gè)數(shù)字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。本設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的各個(gè)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(bǔ)償電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于超聲波也是一種機(jī)械波，它的傳播速度c會(huì)受溫度、濕度、壓強(qiáng)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(cè)量精度要求很高的場(chǎng)合，這些因素就不得不仔細(xì)考慮了【21】。特別是應(yīng)通過溫度補(bǔ)償電路對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，以減小系統(tǒng)誤

69、差。</p><p>　　在選取溫度傳感器時(shí)選擇使用數(shù)字溫度測(cè)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(hào)，在涉及溫度測(cè)量場(chǎng)合的電子設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣泛。</p><p>　　3.7.1 DS18B20的特性介紹</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用DALLAS公司的DSl8B20數(shù)字式溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，它所測(cè)量的溫度值9～12位二進(jìn)制

70、數(shù)直接表示，可以直接進(jìn)行讀出和寫入，大大簡(jiǎn)化總線操作時(shí)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(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器【23】。其特性簡(jiǎn)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(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p>　　（3）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)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(shí)精度為0.5℃。</p><p>　　（6）可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0

73、625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。</p><p>　　（7）在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多，在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。</p><p>　?。?）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。</p><p>　　（9）負(fù)壓特

74、性：電源極性接反使芯片不會(huì)因?yàn)榘l(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(jì)更靈活、方便,價(jià)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(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中,掉電后依然保存。省略了存儲(chǔ)用戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的

75、EEPROM,精度降低為±2℃,適用于對(duì)性能要求不高,成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用,是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。衡量其準(zhǔn)確度和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)最終確定DS18B20為此項(xiàng)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(cè)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(hào)送給計(jì)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(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置數(shù)

77、值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(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)下去直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。</p><p>　　圖3.14 DS18B20測(cè)溫工作原理</p><p>　　3.7.3

78、DS18B20溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)</p><p>　　溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)如圖3.15所示，數(shù)字信號(hào)輸入/輸出腳連接到單片機(jī)的P3.7引腳，電源接口接入+5V的電壓，外加10K的上拉電阻，因?yàn)镈S18B20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(qiáng)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(bǔ)償電路</p><p>　　當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速緩存存儲(chǔ)器的第1，2字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)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(jì)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(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。圖中，S表示符號(hào)位。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算原

82、則：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)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(duì)應(yīng)的二進(jìn)制和十六進(jìn)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(jì)</b></p><p>　　超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、測(cè)距判斷子程序、INT0超聲波接收中斷程序這五個(gè)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(duì)較少而且有利于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的算法，而設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距原理的程序有較復(fù)雜的計(jì)

84、算（判斷安全距離時(shí)），同時(shí)溫度補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)也有相對(duì)繁瑣的轉(zhuǎn)換。所以控制程序采用C語言編程來實(shí)現(xiàn)【3】。</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)的目的是配合硬件電路原理，利用超聲波測(cè)距原理來實(shí)現(xiàn)一個(gè)車用的倒車?yán)走_(dá)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。設(shè)計(jì)的最終要求是通過程序運(yùn)行能夠自動(dòng)測(cè)出倒車時(shí)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(shí)候根據(jù)設(shè)定

85、值進(jìn)行不同級(jí)別的聲光報(bào)警。</p><p>　　4.2 程序編譯系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　由于C語言在功能上、結(jié)構(gòu)上、可讀性、可維護(hù)性上與匯編語言相比有天然的優(yōu)越性，所以設(shè)計(jì)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(yùn)行的不二之選。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)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(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)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(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令程序設(shè)計(jì)事半功倍。</p><p&

87、gt;　　所以，設(shè)計(jì)采用此軟件開發(fā)系統(tǒng)來實(shí)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(jì)框圖</b></p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(cè)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(jì)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(dòng)倒車擋開關(guān)時(shí)，主程序開始初始化，隨之開始調(diào)用各子程序進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而完成整個(gè)檢測(cè)提示過程。主程序是單片</p><p>　　機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)終端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)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(gè)循環(huán)的控制發(fā)射信號(hào)，之后在發(fā)射信號(hào)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(shí)器T0、中斷源TNT0初始化外，主要實(shí)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(dòng)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(jìn)行比較，如小于1m，接蜂鳴器報(bào)警，否則關(guān)閉報(bào)警；如果車尾距離障礙物的距離較遠(yuǎn)，超聲波往返時(shí)間就會(huì)超過了定時(shí)器T一次性最長(zhǎng)的定時(shí)時(shí)間，則T0 發(fā)生溢出而中斷，這時(shí)，表示車后無障礙物，可放心倒車。<

90、/p><p>　　4.4 子程序設(shè)計(jì)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(jī)P1.7端口發(fā)送若干個(gè)超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序比較簡(jiǎn)單，但難點(diǎn)在于要求程序運(yùn)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(shí)內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)遇到障礙物反饋信號(hào)到超聲波接收器接收，經(jīng)CX20106 接收電路處理后，產(chǎn)生一個(gè)低脈沖，該信號(hào)傳送給單片機(jī)產(chǎn)生中斷，調(diào)用測(cè)距子程序，計(jì)算出測(cè)量距離，調(diào)用判斷子程序，根據(jù)不同的測(cè)量數(shù)值再?zèng)Q定是否進(jìn)行聲光報(bào)警。當(dāng)距離大于1.5m，表示“安全”不進(jìn)行聲光報(bào)警，繼續(xù)測(cè)量；當(dāng)距離小于1.5m時(shí)，表示 “危險(xiǎn)”，由控制器P1.2

92、位驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器報(bào)警；當(dāng)距離進(jìn)一步縮小時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)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(jì)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(jì)框圖</p><p>　　4.4.3 測(cè)距及報(bào)警子程序</p><p>　　首先對(duì)整個(gè)程序初始化，讓定時(shí)計(jì)數(shù)器0和1都工作在方式1（16位定

93、時(shí)計(jì)數(shù)器），并賦初值。定時(shí)計(jì)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(shí)計(jì)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(shí)變量等賦初值。設(shè)定延時(shí)毫秒數(shù)，接下來對(duì)所選通道測(cè)距，先從初值0開始，測(cè)量之前沒有回波均認(rèn)為是超時(shí)，在設(shè)定時(shí)間25ms內(nèi)沒有得到回波信號(hào)，通道值自動(dòng)加1，指向下一通道。當(dāng)外部中斷0中斷函數(shù)時(shí)，通道函數(shù)等于0，此時(shí)由中斷而得到的時(shí)間計(jì)算出距離。單位為厘米。此值越大報(bào)警信號(hào)越強(qiáng)。切記

94、最短距離對(duì)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(shí)，聲光報(bào)警系統(tǒng)置于最大狀態(tài)，此時(shí)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(shí)聲光報(bào)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(cè)距程序框圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 測(cè)距程序框圖</p><p>　　倒車時(shí)汽車后部與障

95、礙物的距離數(shù)據(jù)通過圖4.3的測(cè)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(jìn)行進(jìn)一步的判斷。數(shù)據(jù)處理模塊的基本功能是對(duì)所收集到特定通道的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)此距離小于安全距離時(shí)，程序運(yùn)行控制聲光報(bào)警電路發(fā)出報(bào)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(bǔ)償流程圖</p><p

96、>　　溫度補(bǔ)償是由溫度傳感器DS18B20檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)的溫度值在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度測(cè)量結(jié)果直接以數(shù)字信號(hào)輸出，單片機(jī)對(duì)由DS18B20輸出的信號(hào)進(jìn)行讀取，經(jīng)過軟件處理程序?qū)囟葦?shù)字值實(shí)時(shí)處理，完成變換。 </p><p>　　溫度補(bǔ)償流程圖如4.5所示：</p><p>　　

97、圖4.5 溫度補(bǔ)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(cè)試</p><p>　　超聲波倒車?yán)走_(dá)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(shí)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(cè)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(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)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(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.11m～1

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

100、下幾個(gè)方面：</p><p>　　一、超聲波發(fā)射與接收探頭與被測(cè)點(diǎn)存在一定的角度，這個(gè)角度直接影響到測(cè)量距離的精確值。</p><p>　　二、超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)。</p><p>　　三、由于工具簡(jiǎn)陋，實(shí)際測(cè)量距離也有誤差。影響測(cè)量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等等。</

101、p><p>　　四、啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差。</p><p>　　五、收到回波到被檢測(cè)出的滯后。</p><p>　　六、收到中斷到中斷響應(yīng)停止計(jì)時(shí)之間的滯后。</p><p>　　七、計(jì)時(shí)器本身的誤差。</p><p>　　八、在電路板與元件焊接做工不精細(xì)，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(cè)試的時(shí)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(duì)測(cè)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(duì)上述涉及的種種的可能影響測(cè)試精度和結(jié)果準(zhǔn)確的因素進(jìn)行研究，不難發(fā)現(xiàn)主要是硬件設(shè)計(jì)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(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償電路或模塊來盡力簡(jiǎn)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(bǔ)償聲速，選擇更加高效能的超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)超聲波的收發(fā)等【18】。</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)方面則是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，包括總體方案的最佳選擇，具體模塊的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(duì)等都可以有更好的設(shè)計(jì)來研究。此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中只有通過測(cè)量才能夠極大地降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。所以，采用更加成熟的測(cè)量?jī)x器對(duì)測(cè)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(jì)的倒車?yán)走_(dá)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(jī)計(jì)算距離，并加入了溫度補(bǔ)償電路，提高了距離計(jì)算的精度，給駕駛員提供了方便。倒車時(shí)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(shí)，系統(tǒng)便通過聲光報(bào)警電路

105、發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。實(shí)際測(cè)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(jì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，有利于更好的應(yīng)用于人們的生活中。</p><p>　　通過對(duì)本課題的研究學(xué)習(xí)，也有了以下體會(huì)：</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(kuò)大知識(shí)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(xiàn)</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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.1.</p><p>　　[3] 李廣弟等編著.單片機(jī)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(jī)課程設(shè)計(jì)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(jìn)花等.多方位超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J].甘肅大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,(10): 21～36</p><p>　　[6] 嚴(yán)天峰編著.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社