我的毕业设计倒车雷达正式

河南理工大学毕业设计论文说明书1摘要超声波汽车倒车探测器是一种能够实时显示车后障碍物状况的汽车倒车辅助装置。在现实生活中应用十分广泛。本文根据声波在空气中可定向发射和反射的原理，以超声波换能器为接口部件，应用单片机技术设计了一套超声波测距系统。文章提出了微处理器控制的超声波汽车倒车测距系统的设计方案。微处理器计算超声波从发射到接收的时间，在数据处理中采用温度补偿技术对超声波在空气中的传播速度进行修正，计算出距离，并根据障碍物与车尾的距离远近情况发出不同等级的报警声，同时显示车后障碍物与车体的距离。论文概述了超声波探测器的发展状况及基本原理。对测距系统发射、接收、检测、显示等部分的设计方案进行了分析。从系统的性能需求、实用要求出发，对系统组成、检测原理和方法作出选择并对软硬件进行了设计。文章详细叙述了系统的硬件设计过程，并给出了系统软件设计程序流程图，通过误差分析，说明了系统应用的实用性。关键词超声波距离测量单片机河南理工大学毕业设计论文说明书2ABSTRACTTHEULTRASONICWAVEAUTOMOBILEBACKDRAFTDETECTORISONEKINDAUXILIARYUNITTHATCANDISPLAYTHECONDITIONOFTHEOBSTACLEBEHINDTHEVEHICLEINREALTIMEITAPPLIESEXTREMELYWIDELYINTHEREALLIFEINTHISPAPER，ACCORDINGTOTHETRANSMISSIONREFLECTIONTHEORYOFWAVEINTHEAIR，USINGSUPERSONICTRANSDUCERASINTERFACEUNITANDAPPLYINGMONOLITHICMACHINETECHNIQUESTODESIGNASERIESOFBUSULTRASONICMEASURINGSYSTEMTHISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFULTRASONICRANGESYSTEMINBACKCARBASEDONMICROPROCESSORTHEMICROPROCESSORCONTROLTHETIMEANDTRANSMITTINGANDREFLECTINGBACKOFULTRASONIC，THEDISTANCECANMEASURETHROUGHCALCULATINGTHESPEEDOFULTRASONICINCAR,ANDUSETHETEMPERATURECOMPENSATIONAMENDMENTINTHEDATAOFTHESPEEDPROCESSINGTHESYSTEMCANALERTACCORDINGTOTHECHANGINGDISTANCE,THEDISTANCECOULDBEDISPLAYEDONREALTIMEASWELLTHISPAPERSUMMARIZESTHEDEVELOPMENTANDFUNDAMENTALPRINCIPLEOFULTRASONICDETECTIONANDTHENTHETRANSMISSION,RECEIVER,DETECTION,DISPLAYSCHIMEOFTHISDISTANCEMETERSYSTEMISBROUGHTOUTSTARTINGFROMTHEPERFORMANCEDEMANDANDREQUIREMENTOFUTILITY，THEOPINIONISTOCHOOSETHESYSTEMCOMPONENT，TESTINGTHEORYANDMETHODS，DESIGNBOTHTHEHARDANDSOFTWAREITDESCRIBESTHEHARDWAREDESIGNOFTHESYSTEMINDETAIL，ANDPROVIDESTHEPROCEDURALFLOWCHARTOFSOFTWAREDESIGNITEXPLAINSTHEAPPLIEDFUNCTIONOFTHESYSTEMTHROUGHTHEERRORANALYSISKEYWORDSULTRASONICDISTANCEMEASUREMENTMICROCOMPUTER河南理工大学毕业设计论文说明书3目录前言11概述211选题的意义212超声波汽车倒车探测器的应用和发展现状22设计方案分析521测距方式和提示方式比较5211测距方式5212预警提示方式722方案确定8221测距探测器方案10222超声波发射方案11223超声波回波接收方案11224温度测量及补偿方案12225显示及报警方案123硬件电路设计1331硬件框图1332单片机最小系统设计1433超声波发送电路设计1534超声波接收电路设计1735温度测量电路设计2036报警电路设计2137显示电路设计2238电源电路设计243815V和12V稳压电源24382稳压电源电路2539器件说明26河南理工大学毕业设计论文说明书4391AT89C2051单片机26382超声波传感器274软件设计2841系统软件结构2842初始化程序3143测温电路程序3144中断程序设计3645报警及显示驱动程序385效能分析40结论41致谢42参考文献43附录44河南理工大学毕业设计论文说明书1前言随着社会的发展，汽车数量不断增加，人们便对汽车操作的便捷性愈加挑剔。汽车倒车时的不便被汽车制造行业所重视。人们希望有一种装置能够实现汽车“后视”功能，在倒车时能够提示人们汽车后方是否有障碍物以及障碍物与汽车的大致距离等。基于以上原因,出现了超声波汽车倒车探测器。超声波汽车倒车探测器是一种汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，帮助驾驶员扫除视野死角，提高驾驶的安全性。本文设计了一种超声波汽车倒车探测器，用超声波传感器发射和接收超声波测距，DS1820芯片测温，AT89C2051单片机做处理器，处理数据并计算声速及距离，用LED数码管显示距离，报警器及示意指示灯报警。本课题的主要研究内容有以下几个方面1简述了设计和设计超声波汽车倒车探测器的目的和意义，以及超声波汽车倒车探测器的应用及发展状况。2简要论述了超声波汽车倒车探测器的工作原理、基本组成，以及系统的方案，工作流程和系统的性能要求。3重点对超声波汽车倒车探测器硬件部分进行了分析与设计。主要是对超声波发射、接收、温度测量，报警及显示电路的分析与设计。4较为详细的说明了系统软件流程，关键部分还给出了流程图和相关程序。5最后对超声波汽车倒车探测器研制过程中所做工作进行了总结。河南理工大学毕业设计论文说明书21概述11选题的意义汽车倒车探测器一般被称为“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。12超声波汽车倒车探测器的应用和发展现状超声波汽车倒车探测器，种类繁多，应用广泛，目前在市场上呈现了一种各种档次并存，高低搭配的局面。因为它实用性强，技术成熟，所以发展很快。从第一代经过短短几年时间便发展到第五代，从纯电路模式到使用高速处理器；从单纯轰鸣器报警到显示器显示，语音报警。另外安装使用更加方便，精度及稳定性也有极大提高。在现实生活中的作用越来越大。1第1代使用超声波探头、轰鸣器倒车时，超声波探头发送，接收超声波，车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流产生变化给轰鸣器不同的信号，如果车后1518M处有障碍物，轰鸣器就会开始工作。轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。第一代探测器没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对司机帮助不大。2第2代使用超声波探头、微处理器、数码波段显示器倒车时，超声波探头发送，接收超声波，处理器进行处理，将处理后的信号送给距离显示设备，可以显示车后障碍物与车体的距离。如果是物体，在18M左右的距离开始显示；如果是人，在09M左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜色来区别距离绿色代表安全距离，表示障碍物与车体的距离河南理工大学毕业设计论文说明书3有08M以上；黄色代表警告距离，表示与障碍物的距离只有0608M；红色代表危险距离，表示与障碍物之间只有不到06M的距离，必须停止倒车。第二代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，能够作到一目了然，但没有声响，警示效果不好。3第3代使用超声波探头、处理器、液晶荧屏显示器这一代产品较前两代有了质的飞跃，特别是荧屏显示的使用表明开始出现动态显示系统。不用挂倒挡，只要发动汽车，超声波探头及处理器就开始工作，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。4第4代使用超声波探头、处理器、魔幻镜显示器结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2M以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话结合起来，并设计了语音功能，是目前市面上比较先进的倒车雷达系统。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配，不过造价较高。5第5代使用超声波探头、后视摄像机、控制器、监视器超声波信号接入显示控制器，同时将视频监视子系统中的摄像探头信号接入显示控制器，通过安装在汽车内部的显示控制器的自动切换电路、字符叠加器、微处理器，将显示控制器的输出再接入监视器，这样实现自动切换图像、监视、超声波倒车测距、自动报警等功能。车载电视显示车后景物图像和车后障碍物距离。倒车探测器具有精确判断距离的优点，后视摄像对车后方的水沟、山崖、凸出的钢筋、竹竿等倒车安全上的死角极为有效；后者图像直观真实，前者可获得精确的距离，两者精确结合非常实用。此系统技术非常复杂，也不是很成熟，不宜普及。河南理工大学毕业设计论文说明书4虽然各代探测器各有特点但是它们有着此类产品固有的缺点。车用倒车探测器首先要解决的技术难题就是误报。由于道路状况十分复杂，以及道路两旁的静态护栏、标志牌，还有各种恶劣天气的影响等，使得探测器对目标的识别十分困难，误报率很高。要想完全解决好误报问题，还需要采取多传感器的信息融合技术。实现信息综合分析，利用数据间的冗余性和互补特性进行容错处理，克服单一传感器可靠性低、有效探测范围小等缺点，有效地降低探测器的误报机率。生产超声波传感器的主要材料的价格一直居高不下，成为车用探测器推广应用的瓶颈。可以预见，随着新材料、新工艺在探测器制作中的应用，使低价格、高性能的车用探测器的实现和普及成为可能。超声波的汽车倒车探测器的发展趋势是使用的处理器速度越来越快，系统反应时间越来越短；使用的传感器技术越来越先进，系统稳定性越来越高；使用的显示报警技术更加先进，探测器显示、报警方式会更加直观，更加人性化。各种减小误差电路的出现，会使系统准确性大大提高。总之，超声波汽车倒车探测器用起来会更加方便，更加令人放心。河南理工大学毕业设计论文说明书52设计方案分析21测距方式和提示方式比较211测距方式测距方式对系统测量精度及稳定性都有较大影响。因此选择一种合适的测距方式对系统性能提高有很大帮助。目前汽车倒车探测器使用的距离测量方式多种多样，主要有激光测距、红外线测距、CCD摄象机和超声波测距这几种，它们各有优缺点，下面对它们各自的特点进行详细分析和比较。1激光测距激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内的光电二极管，利用计数器计算激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。在汽车测距系统中，非成像式激光雷达更具有实用价值。同成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。但由于激光雷达测河南理工大学毕业设计论文说明书6距仪器工作环境是处于高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素。目前，在汽车上，上述各种激光雷达测距仪均有应用，但成像式激光雷达还在进一步研究之中。2红外线测距红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，波长为0751000M。有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。车载传感器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。但其由于波长及大小很难准确分辩，因此红外传感器角度分辨率高，而距离分辨率低。由于红外线人类肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。但是,它比较容易受到光源和热源影响。3CCD摄像机CCDCHARGECOUPLEDDEVICE摄像机即电荷耦合器摄像机，它是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。随着计算机软硬件性能的提高，最终将得到广泛应用。4超声波测距超声波一般指频率在40KHZ以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、河南理工大学毕业设计论文说明书7反射能力强等特点，超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时，超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波在空气中传播的速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响，在这些因素中，温度对其速度的影响更大一些，而且环境温度的变化更为经常。研究表明，声速V与热力学温度的平方根成正比，温度越高声速越大，温度越低声速越小。0时，空气中声速的实验值为33145M/S，而空气中声速的近似表达式为33141/273CM/S，根据计时器记录的时间T，可以计算出发射点距障碍物的距离S，即/2SCT。这就是所谓的时间差测距法。超声波测距仪原理简单，在自身特性谐振点40KHZ附近可获得较高的灵敏度；谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰设计；超声波测距系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。但其在高速行驶的汽车上的应用有一定局限性，这是因为超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样；另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏度下降。故超声波测距常用于在短距离测距，最佳距离为45M，一般应用在汽车倒车防撞系统上。通过对以上几种测距方式的分析比较，可以看出超声波测距方式在短距和低速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。因此本设计采用超声波测距方式。212预警提示方式预警提示方式好坏是设计的汽车倒车探测器是否实用的重要标志。目前主要有轰鸣器提示、数码波段显示、液晶荧屏显示，魔幻镜显示，音响提示等单个或多种方式相结合的提示方式，下面对这几种提示方式进行分河南理工大学毕业设计论文说明书8析和比较。1轰鸣器提示车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流变化不同给蜂鸣器不同信号，轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。此方式没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对司机帮助不大。2数码波段显示数码和波段组合在一起，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜色来区别绿色代表安全距离，一般表示障碍物与车体的距离有08M以上；黄色代表警告距离，一般表示与障碍物的距离只有0608M；红色代表危险距离，一般表示与障碍物之间只有不到06M的距离。这种方式比较实用，一目了然，但没有声响，警示效果不好。3液晶荧屏显示动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。4魔幻镜显示，音响提示其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置，颜色款式多样。语音提示比较方便，避免驾驶员过度关注显示器，分散注意力。但需要专业集成芯片，技术上较为复杂。此方案造价较高，比较适合高档汽车，可以按照个人需求和车内装饰选配。5声音数码距离显示指示灯数码管显示距离，声音、指示灯提示，比较实用，直观，方便。通过对预警提示方式的分析，综合其特点，采用声音、LED数码管和二极管指示灯相结合的提示方式。22方案确定本次设计方案采用超声测距方式，DS1820芯片测温，AT89C2051单片河南理工大学毕业设计论文说明书9AT89C2051单片机系统超声波换能器驱动电路超声波换能器CSB40T超声波换能器CSB40R隔直滤波三级放大电压比较器，阀值电压可调扩音器报警电路温度测量DS1820数码管距离显示发光二极管图21系统结构框图机做处理器，处理数据并计算声速及距离，用LED数码管显示距离，用报警器、示意指示灯报警。倒车时倒档启动探测器系统，单片机AT89C2051作为主控器，控制DS1820芯片并处理所测得的温度数据。控制由555定时器及超声波换能器CSB40T组成的发射电路发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，经滤波电容，放大器，电压比较器传给单片机的INT0口。如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断，关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算结合由所测温度值换算出的声速值就可以得出车体与障碍物之间的距离。根据计算的车体与障碍物之间的距离值及其与设定距离值的比较结果给显示电路及提醒电路不同提醒信号，产生不同的声光效果，引起驾驶人员注意，以便采取相应行动。系统结构如图21所示。河南理工大学毕业设计论文说明书10221测距探测器方案除了上述方案分析比较中讲述的超声波测距所独有的优点外超声波测距在某些特定场合还有着显著的优点，超声波测距系统是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以它能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。考虑到所设计产品是主要服务于普通用户，而且要求结构简单、制作方便、成本低廉实用性强。因此选择利用超声波传感器来作为探测器。由发射波束特性知，由于扩散角的原因，超声波的角度分辨率较低，但距离分辨率较高1CM左右，目前最大探测距15M，最小盲区0304M。超声波传感器具有反应灵敏、探测速度快一个测量周期仅需几十毫秒的优点，而且结构简单，体积小，成本低。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑1如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。2工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辩识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。3从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大因而选择测距仪工作频率在40KHZ，发射角与接收角均为60度的锥角。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。所以本方案选用的探头是收发分体式40KHZ的河南理工大学毕业设计论文说明书11超声传感器。222超声波发射方案发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈有时装在探头内，调谐频率由调谐电路的电感、电容决定。发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件。发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。本文采用非调谐式。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声波，电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHZ。这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上是越高越好，因为对同一个发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一个实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值以后，会对传感器的内部造成不可回复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压只达毫伏级，甚至微伏。要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。本文采用由555定时器构成的多谐震荡器驱动超声波传感器，驱动频率为40KHZ。223超声波回波接收方案在超声波发射完毕后，再延迟一小段时间才能进行接收，目的是为了避免单片机对发射头直接传送到接收头的信号进行响应而不能正常工作。超声波回波经过超声波接收传感器，电容隔直滤波，一、二级放大，三级增益放大后进入比较器LM324，这样在比较器的输出端将得到40KHZ的方波输入到单片机INT0引脚以产生中断。但是由于超声波传感器固有特性，即盲区的存在，对回波的接收和处理造成了一定程度的影响。河南理工大学毕业设计论文说明书12224温度测量及补偿方案温度对超声波波速影响非常大，极大的影响测距精度，需要进行温度补偿。本设计采用DS1820芯片进行测温。由单片机处理后进行补偿。DS1820芯片是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，温度测量范围是55到120，可编程为9位到12位A/D转换精度，测温分辨率可达00625。225显示及报警方案倒车探测器在其侦测区内检测到障碍物时，LED指示灯及扩音器会根据车与障碍物的距离发出警告声。同时数码管显示相应距离。这样用户不仅可以很快的判断出障碍物的大概距离，还可以清楚的知道详细距离。障碍距离指示灯与报警器响应方式A段150100CM指示灯慢闪亮、扩音器以相应频率的叫声提示。B段10050CM指示灯快闪亮、扩音器以相应频率的叫声提示。C段50CM以内对应方位指示灯长亮，扩音器长鸣。扩音器由555定时器组成电路驱动，指示灯由单片机直接驱动。显示器由四个七段数码管组成，由串行输入显示接口芯片MC14499驱动。河南理工大学毕业设计论文说明书133硬件电路设计31硬件框图单片机AT89C2051作为主控器，复位端接上电按钮复位电路。XTAL1和XTAL2接12MHZ晶振构成的时钟电路。P15脚控制DS1820芯片并接收所测得的温度数据。P13控制由555定时器及超声波换能器CSB40T组成的发射电路发射超声波。超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，经传感器，滤波电容，放大器，电压比较器传给单片机的INT0口一个低电平。P14和P16分别控制声音和LED报警电路。P10P12接由MC14499控制的数码管显示电路。硬件框图如图31所示。P14P13RESETINT0XTAL1XTAL2P16P15P10P12超声波接收电路超声波发送电路测温电路声音报警电路复位电路晶振电路显示电路图31硬件框图LED报警电路河南理工大学毕业设计论文说明书1432单片机最小系统设计单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是必须使RST引脚加上持续两个机器周期即24个振荡周期的高电平。本文中时钟频率为12MHZ，每个机器周期为1S，则只需2S以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变“的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按RESET键，此时电源CCV经电阻1R、2R分压，在RESET端产生复位高电平。时钟电路主要任务是提供一个工作频率。单片机内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。有内部和外部两种时钟产生方式。本设计采用内部时钟产生方式。电路接法如图32所示，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体谐振器（振荡频率为12MHZ），与内部反相器构成自激震荡器。其发出脉冲直接送入片内定时控制部件。此外，电容对频率有微调作用，因为外接晶振，电容选择20PF，实际应用时谐振器和电容尽可能安装在单片机附近，减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。河南理工大学毕业设计论文说明书15图32最小应用系统电路图33超声波发送电路设计超声波发送电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用CSB40T。40KHZ的超声波是利用555时基电路振荡驱动超声波探头产生的。由555定时器构成的多谐振荡器（如图33所示）。接通电源后，电源CCV通过1R和2R对电容1C充电，当CUNU时，OU0，为低电平当IUNU时，OUNUIU，为高电平。当LM324检测到超声波回波信号时，它输出低电平信号，此时LM324的输入电压就小于阀值电压，所以LM324就输出高电平信号，通向PC的数据采集端。反之，则输出为低电平信号到PC的数据采集端。比较器这一部分如果调节不当也可能会出现一些问题，如在输出端会有高频输出等。这因为比较器非常灵敏，信号的微小变化就导致输出值OHV和OLV的相互转变。利用比较器的正反馈产生滞环特性来降低比较器的灵敏度，可以减少干扰。因为放大后的回波信号幅值已经较大，这样再通过设置合适的阀值就可以稳定的得到有效信号。采用可调电位计是较为方便的方法。比较器的输入端需要稳定的基准电压需要加电容稳定。合理调节电位器27R，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。图35电位比较器电路图河南理工大学毕业设计论文说明书19图36超声波接收电路图河南理工大学毕业设计论文说明书2035温度测量电路设计温度对超声波波速影响非常大，超声波波度C与环境温度的关系有如下经验公式33141/273CM/S，所以温度每变化1，声波的速度变化约为016M/S。当温度从040变化时，将会产生大约7的声速变化，在超声波测距仪中，把声速作为一个标准量，为了获得较精确的声速，引入温度补偿是必要的。本文采用了DS1820进行测温。DS1820是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，电路连接非常简单，但是必须保证时序与单片机严格同步。温度测量范围是55125，可编程为912位A/D转换精度，未编程时默认精度为12位，测量精度一般为05，软件处理后可达01。温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在前，以00625/LSB（最小可分辨信号）形式表达，高五位为扩展符号位。转换周期与转换精度设定有关，9位精度时，最大转换时间为9375MS；12位精度时，最大转化时间为750MS。在本系统中采用默认的12位精度。测温分辨率可达00625。DS1820温度传感器有两个晶振，低温度系数晶振和高温度系数晶振。低温度系数晶振的震荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其震荡率明显改变，所产生信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预制在55摄氏度所对应的一个基数。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1摄氏度，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数产生的脉冲信号进行计数，如此循环至计数器2计数到0，停止温度寄存器累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。实际测温电路如图37所示，图中DS1820管脚2与单片机P15口相连，单片机通过它以串口数据传诵方式读取测温结果。DS1820利用单线控制信号在总线上与单片机进行通信。由于所用设备通过漏极开路端（2脚）连在总线上，控制线需要一个上拉电阻。河南理工大学毕业设计论文说明书2136报警电路设计报警电路如图38所示，采用典型的555振荡电路，单片机通过控制4脚手动复位脚的电平来控制振荡器的工作，高电平时工作，低电平时停止。振荡频率为800HZ。单片机的P14控制555电路根据测量结果，产生不同频率的信号使报警电路发出不同长短报警声。在扬声器发出报警声时，时基电路555处于暂稳态，此时电源向电容充电，从而使555结束暂稳态回复到稳定状态输出低电平，使扬声器停止发出报警声。LED指示灯由单片机管脚控制，高电平点亮，低电平熄灭，其闪烁频率与声音报警频率相同。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE30MAY2007SHEETOFFILEELIUWEI论文PROTELMYDESIGNDDBDRAWNBY123DS1820VCCR103K接P15图37温度测量电路图河南理工大学毕业设计论文说明书2237显示电路设计超声波测距仪的显示要求比较简单，测量结果采用十进制数字显示。显示位数按照该装置可测量的长度与采用的超声波传感器有关以及测量的精度来确定，要能显示出09这些数字以及小数点等，并要求显示稳定，无闪烁。长度单位一般为“M”，可以不显示，因此显示器件可选用BS202型共阴极7段LED显示器。通过对一般测距仪的分析，发现通常只需要4位的LED即可满足大多数的显示精度要求，为了减少所需的I/O数量，降低成本，采用动态显示控制方式。通过对显示接口电路的综合分析，发现测距仪利用串行输入BCD码的十进制译码驱动显示器件MC14499来完成与单片机系统的显示接口较为简单可靠。串行输入显示接口芯片MC14499是一个BCD一锁存/7段译码/驱动器，双列直插式L8脚封装，MC14499具有输入锁存功能，一帧数据输入之后，就被锁存起来，直至下一帧数据输入为止。一帧串行数据输入之后，123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE30MAY2007SHEETOFFILEELIUWEI论文PROTELMYDESIGNDDBDRAWNBY接P14报警电路TRIG2Q3R4CVOLT5THR6DIS7VCC8GND1U2555SPR675KR82KR775KC701UC601UD1Q1VCC图38报警电路图河南理工大学毕业设计论文说明书23MC14499就自动开始动态扫描，实现动态显示。图39显示电路图123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE17JUN2007SHEETOFFILEELIUWEI论文PROTELMYDESIGNDDBDRAWNBY5接P10接P11接P12ABCDEFGDPDCLKENVDDOSCVSSMC14499R3R4R55C3U6NOTU7NOTU8NOTU9NOT47851K3DPGFEDCBACOM1COM2COM3COM4C9LED1河南理工大学毕业设计论文说明书24用MC14499设计的LED显示器动态显示接口电路，用AT89C2051单片机作为控制核心的超声波测距仪，其数据输出既可以通过单片机的通用I/O口输出，也可以通过单片机的串口用串行方式输出。本设计采用后者。单片机的P1口为数据输出口，显示器采用RS202型共阴极7段LED，显示位数为4位，由于一片MC14499可以驱动4个LED显示器，因此该显示接口只需用一片MC14499和单片机连接。该动态显示接口的原理图如图39所示。P10用来向MC14499发送数据，P11用来向MC14499发送时钟脉冲，P12用于控制单片机输出数据向MC14499串行输入当P120时，允许MC14499输人数据。反相器作为显示器的位驱动，8个47的电阻是LED的限流电阻，3个51K的电阻是上拉电阻，使单片机AT89C2051输出电平与用MC14499设计的LED显示器动态显示接口电路电平相兼容。由于MC14499具有输入自动锁存功能，而串行输入一帧数据又需要一定的时间，所以LED显示的数据不会出现闪烁现象。38电源电路设计3815V和12V稳压电源我们用到的稳压电源电路，能产生12V、5V和5V共3组输出电压,可供采用正、负工作电源的数字电路或微处理器集成电路使用。并且带有充电蓄电池作为备用电源，当单片机电源正常工作时，蓄电池处于浮充电状态，时刻保持满电状态，当紧急情况下，如果单片机电源不能够正常工作，那么蓄电池提供5V的稳定电源，直到电源故障解除为止。然后单片机电源恢复工作后再次对蓄电池充电。电源电路图如图410所示河南理工大学毕业设计论文说明书25VIN9OUT10GND117805VIN12OUT13GND147812VIN15OUT16GND177905C2C1C6100UC3C701UR2R1R424V5VR3C4100UC501U12VC8100UC901U5V图4105V、5V和12V稳压电源电路图382稳压电源电路图411是24V防短路稳压电源电路。在输出电流为500MA时，输出电压为24V。当负载短路时，稳压电路自动关断。短路消除后，它都能自动启动。在负载电流由空载变为500MA时，输入电压从1624V范围内，稳压误差在1以内。当负载电流增大时，3只晶体管都导通，直至VT2饱和为止，IC2达到20MA左右，从而限制VT1的基极电流。此时，最大输出电流近似为201（MA）。如果负载电阻很小，则输出电压很低，不能维持VT3导通，从而使稳压电路关闭。流过R1和VD1短路的输出电流约为100MA左右。河南理工大学毕业设计论文说明书2624V39器件说明391AT89C2051单片机AT89C2051是一个2K字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS51的指令和引脚兼容，因此它是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点2K字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有425V至55V的电压工作范围和12MHZ/24MHZ工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器TIMER0、TIMER1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因图41124V稳压电源R1R215KR315KR547KR410KR8750150R500R6240C1100R947KVD51N2977AVD6N756T1VD1VT12N2869VTVT22N69724V河南理工大学毕业设计论文说明书27为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P34/T0和P35/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P32/INT0和P33/INT1编程，便于测量脉冲宽度。充分利用AT89C2051的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。382超声波传感器压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的超声波传感器内部结构是两个压电晶片和一个共振扳。当它的两电极间外加脉冲信号时，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，开带动共振板振动，便产生超声波，称为逆压电效应。反之，如果两电极间末外加电压当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了，称为正压电效应。同时它还具有频率特性，当施加的外力频率等于他的固有频率时，将产生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大，产生最大的压电信号。河南理工大学毕业设计论文说明书284软件设计41系统软件结构在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据以上所述系统硬件设计和所完成功能，系统软件需要实现以下功能（1）信号控制在系统硬件中，己经完成了发射电路、回波接收电路、温度补偿电路的设计。在系统软件中，要完成对发射脉冲信号、脉冲接收信号、时序及输出信号的控制。（2）数据存储为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计数器的计数值，然后存储在RAM中，芯片所测出的温度值也要存在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理。（3）信号处理RAM中的温度值要转化为此温度下的声速，转换公式是33141/273CM/S。RAM中存储的计数值也不能作为距离值直接显示输出，计数值与实际的距离值之间转换公式为/2/2RSVTVTN，其中，T为发射信号到接收之间经历的时间，RT为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N为计数器的值。在这部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。（4）数据传输与显示经软件处理得到的距离送给四位LED显示。由于采用了AT89C2051单片机并考虑整个系统的控制流程，整个系统软件都有AT89C2051系列单片机汇编语言实现。由于距离值的得出是在中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后，原始数据经计数值与距离值换算程序，二进制与十进制转换程序，最后显示输出。AT89C2051单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表河南理工大学毕业设计论文说明书29达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序等几个主要部分。该系统的主程序处于循环工作方式，当汽车挂倒档时，主程序开始调用测温程序、发射子程序、中断程序、并把测量结果用显示子程序及报警程序表示出来。主程序是单片机程序的主体，整个单片机系统软件的功能实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。如图41所示为系统的主程序流程。系统上电以后，首先对T0，各I/0口等进行初始化编程。P13输出启动信号，发射超声波，同时使T0计数器开始记数。如果没有收到回波信号，T0将溢出，同时显示器将显示错误报警以说明没有收到回波信号。如果收到回波信号，则INT0发出中断请求，执行中断程序。计数器T0停止计数，CPU读取T0计数值N并送存RAM。同时读取温度传感器DS1820的温度。根据温度的读数及时间算出距离并启动报警及显示电路。河南理工大学毕业设计论文说明书30开始初始化系统调用温度测量程序启动发射信号，P101计时器开始计时延时18MS使超声波顺利发射出去开中断接收到反射信号计数器溢出产生外部中断，计数器停止计时，读取温度，根据时间和温度计算距离计数器清零LED显示距离，报警返回LED显示错误图41程序主流程图否否是是河南理工大学毕业设计论文说明书3142初始化程序ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPINTB0MAINMOVTMOD，01H；T0定时模式MOVTL0，00HMOVTH0，00HSETBIT0；外部中断0低电平触发SETBEA；测温程序；发射程序；延时程序SETBEX0；开外部中断；接收超声波43测温电路程序测温数据读取访问DS1820必须遵循初始化、ROM命令、DS1820函数命令这一顺序，缺少其中任何一步或打乱顺序，DS1820都不会响应。所以与DS1820的通信首先必须初始化单片机发出复位脉冲，DS1820以存在脉冲响应，这表示DS1820已经在总线上并准备好操作。单片机在写时序写数据到DS1820，在读时序从DS1820中读数据，每一总线时序传送一位数据。DS1820有两种类型的写时序写1时序和写0时序。单片机用写1时序写逻辑“1”到DS1820，用写0时序写逻辑“0”到DS1820。所有写时序必须持续最少60S，每个写时序之间必须有至少11S的恢复时间。DS1820在单片机发出写时序后的1560S的时间窗口内采样总线。如果在采样窗口期间总线为高，“1”就被写入；反之，“0”被写入。当单片机发出读时序时，DS1820可以发送数据到单片机。所有读时序必须持续60S，每个读时序之间必须至少有11S的恢复时间。单片机DS1820开始在总线上传送“1”或“0”。河南理工大学毕业设计论文说明书32初始化单片机复位脉冲DS1820送存在脉冲送SKIPROM命令送CONVERTT命令DQ为高电平单片机送复位脉冲DS1820送存在脉冲DS1820送存在脉冲单片机复位脉冲送SKIPROM命令送CONVERTT命令NY图42单片机和DS1820通信流程DS1820通过保持总线为高发送“1”，将总线拉低发送0。单片机和DS1820通信流程图如图42所示。河南理工大学毕业设计论文说明书33子程序部分代码如下ACALLRESETPULSE；发送复位脉冲ACALLPRESENCE；接收存在脉冲MOVA，OCCH；发送SKIPROM命令ACALLWRI