毕业设计（论文）-汽车防撞测距器--基于AT89S52的超声波测距系统设计.doc

滨州学院本科毕业设计（论文） 毕业设计（论文）题 目汽车防撞测距器基于at89s52的超声波测距系统设计 系 （院）物理与电子科学系专 业电子信息科学与技术班 级2008级2班学生姓名学 号2008080201指导教师职 称讲师 二一二年六月十八日滨州学院本科毕业设计（论文）独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一二年六月十八日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一二年六月十八日汽车防撞测距器基于at89s52的超声波测距系统设计摘 要为了增强汽车倒车时的安全性，设计了一种基于超声波的汽车防撞系统。本设计主要目的是辅助驾驶员获得短程驾驶盲区的距离信息，并提供驾驶操作提示，危险距离报警，协助驾驶员进行必要的制动操作。本设计核心是基于at89s52单片机超声波测距系统，以此架构了报警、显示、紧急制动接口等，以实现辅助驾驶功能。系统的核心是距离的获取，在单片机的控制下，超声波发射电路采用74hc04调制电压波形，接收电路使用cx20106a处理回传的信号；报警采用蜂鸣器报警方式；显示采用的了高对比度液晶12864点阵液晶显示模块方式：在制动接口方面则使用了继电器输出接口。为保证短程测距的准确性，一方面考虑到温度对声速的影响，本设计在硬件方面添加了基于ds18b20温度传感器的声速修正电路；另一方面考虑到工艺和电子元器件对测量的固有影响，本设计在软件方面引入了距离修正程序。该设计按照实际需求优化了超声波测距的准确性，具有较为丰富的信息提示功能，以实现辅助驾驶员实现安全驾驶。 关键词：超声波测距；防撞；声速修正；单片机 the automotive anti-collision range finder- the design of ultrasonic ranging system based on the microcomputer at89s52abstractin order to increase the safety of vehicle backing, this paper designed a vehicle anti-collision system based on ultrasonic. main purpose of this design is a secondary driver for short distance driving blind-information, and provide driving operation, dangerous distance alarm, assist the driver necessary braking action. the core design is based on at89s52 microcontroller ultrasonic ranging system, alarm, display this schema, emergency brake interface for driver assistance capabilities. alarm buzzer alarm mode; display with high contrast lcd 12864 display: brake relay output interface is interface is used. to guarantee the accuracy of short range, while taking into account the effect of temperature on the speed of sound, has been added to the design in terms of hardware based on sound velocity correction ds18b20 sensor circuit; on the process and taking into account the inherent effects on the measurement of electronic components, the design software has introduced a hardware fix. design according to the actual needs of the optimize the accuracy of ultrasonic short range, message with rich features to realize safe driving in auxiliary driver implementation gaps. keywords：ultrasonic ; anti-collision system; speed of sound amendment; mcu目 录引言1第一章 设计的意义和要求21.1设计的背景21.2设计的意义21.3设计的内容要求3第二章 总体设计方案42.1测距方案论证42.11激光测距方案42.12红外测距方案52.12超声波测距方案52.2设计基本构架62.3 超声波测距62.3.1超声波测距基本原理62.3.2控制测量72.4 测距系统精度改善方案72.5系统功能8第三章 系统硬件设计93.1 超声波发射电路93.2 超声波接收电路103.3 12864点阵液晶显示部分电路113.4 单片机最小系统123.5压电陶瓷超声波换能器 (tct40-16r/t)143.6蜂鸣器报警电路143.7紧急制动接口电路153.8 声速修正电路16第四章 系统软件设计184.1 软件设计的要求194.2主程序194.3超声波发送及接收中断程序214.4 误差修正234.4.1声速修正234.4.2距离修正244.5 12864点阵液晶显示模块子程序254.6蜂鸣器报警及紧急制动子程序26第五章 制作与调试285.1 电路的搭建285.2 系统的调试31结束语33参考文献34谢 辞35附录1 电路原理图36附录2 系统主要程序37引 言近几年，中国汽车行业持续保持较快的增长势头，汽车产销量稳居世界第一。汽车数量的增加，也带来了各种各样的汽车刮碰事故的增加。由于汽车驾驶中存在视野内的距离判断盲区，驾驶员对距离把握不准确，在倒车、转向等操作过程中，不可避免地出现汽车刮碰现象。汽车保险理赔中，由于刮碰引起的理赔案件占到了很大了比例。超声波在汽车安全装置中有着广泛地用途。此类装置一般有，超声波传感器，微处理器，显示电路等构成。由于测距中，超声波的低功耗性，高指向性，能灵活的应用于尘土，烟雾，高电磁场，高温等各种行车场。汽车防撞测距器是一种协助驾驶员复杂环境，泊车，转向的驾驶辅助系统，是汽车安全辅助装置。可以通过声音警报，液晶显示更加方便地告知驾驶员关于障碍物距离情况，并提供操作提示，在特别危险的情况的下提供紧急制动，防止汽车发生不必要的刮碰现象。测距器，协助驾驶员获得短程内的安全距离情况，提高驾驶的安全性，直观性，易操作性等，使汽车驾驶更加人性化。 第一章 设计的意义和要求1.1设计的背景近几年，中国汽车行业持续保持较快的增长势头，汽车产销量稳居世界第一。汽车数量的增加，也带来了各种各样的汽车刮碰事故的增加。由于汽车驾驶中存在盲区，驾驶员对距离把握不准确，在倒车、转向等操作过程中，不可避免地出现汽车刮碰现象。汽车保险理赔中，由于刮碰引起的理赔案件占到了很大了比例。汽车数量的增加，一方面方便了人民的生活，另一方面由于交通发展的局限性，停车难行车难也已经成为不争的事实。这些都给驾驶带来了不同程度的困难，传统意义上的简单的汽车驾驶，已经很难适应高速发展的交通环境。由于驾驶员视角的局限，在汽车转向，倒车时会造成不同程度的驾驶盲区。而单单只靠后视镜也很难满足驾驶的需求。对于驾驶来说解决盲区是重要的课题之一。在盲区的解决方案中，有效途径是，帮助驾驶员获得，当前汽车周围的障碍物的距离情况。在现代飞速发展的电子信息时代，大部分汽车都配置了电子装置。在汽车辅助驾驶方面，汽车自动泊车装置，汽车倒车雷达，汽车平视显示系统等安全驾驶辅助系统应运而生。这些装置大部分都装置在高级轿车之上，由于成本高昂，维护难度也比较高。另一方面，这些产品都存在很大的局限性，比如自动泊车功能，许多情况下，由于停车环境很难满足产品的工作要求，产品一般都处于报警状态，对于泊车的实际需求很难满足。而通常情况下，驾驶员只是需要获得盲区内的障碍物距离，便能正常操作。1.2设计的意义汽车安全辅助驾驶一直是汽车领域内一个重要的课题，可以说自从有车诞生开始，人们就在关注如何让汽车驾驶更加方便，更加高效，更加人性化。汽车辅助驾驶的方向就是解放人类的双手，但是出于技术的局限性，想要全面的赋予汽车自动驾驶功能很难实现。现在日益发展的安全装置，由于成本高昂，维修费用高等原因，很难普及。汽车安全辅助驾驶具有广阔的市场空间和使用价值。在汽车日益普及的当代，汽车驾驶员的年龄由中层年龄结构层，在向老年和青年方向发展。驾驶员在驾驶中出于主导的低位，单纯的靠技术替代驾驶员实现自动驾驶也很难完全实现。一种行之有效的方法是帮助驾驶员获得安全距离情况。利用现代的传感器技术和微电子技术，配合软件设计完全可以设计一款低成本的汽车辅助安全产品。本着去冗就简的原则，汽车防撞测距器可以帮助驾驶员高效获得障碍物距离信息，并提供必要的安全辅助操作。所以测距为基础的汽车防撞器可以很有效的帮助驾驶员解决盲区内距离信息匮乏的难题，对于科研学习和实际应用都有很重要的意义。1.3设计的要求本次设计的目的是利用传感器技术和微电子软硬件技术，设计一款汽车防撞器，用于帮助驾驶员获得距离障碍物安全信息，并在提供必要的辅助安全操作。设计通过距离传感器获得相应的距离信号后，交由微型处理器计算处理，再通过液晶显示呈现给驾驶员操作提示，另一方面提供蜂鸣器声音报警，并在紧急时刻提供紧急制动功能。设计本着去冗就简得原则，以提供距离信息为基本出发点，以完成基本功能，降低成本，安装方便，操作简易，维修简便为综合要求。设计计划采用使用c语言为编程语言，使用keil软件为编译器，利用单片机技术，将超声波传感器获得的信后进行处理后，交由12864点阵液晶进行显示，并提供蜂鸣器报警。距离量程为5m，提供一定的误差修正，紧急制动方面提供继电器接口。最后，设计具有较强的实时性，确保安全信息提示的有效性。第二章 系统总体设计方案汽车防撞测距器的基本目的是用于为驾驶员提供障碍物距离信息。系统能在设定的安全距离内提供操作提示，距离小于设定值时时提供紧急制动辅助操作。设计核心是测量距离功能的实现。设计的原则是：在满足设计基本功能的情况下可行性高，成本可控，使用方便等。2.1测距方案论证基于汽车防撞的使用方式，本设计实际用于测距器与障碍物的空间测量，测距方式需要选用无接触测量方式。在无接触距离测量设计中，与单片机配合使用的常用电子测距传感器主要有：激光测距传感器、红外线测距传感器、超声波测距传感器1-2。在高速公路汽车防撞领域，多采用激光雷达方式。考虑到对气候的适应能力和探测距离有较高的要求，激光测距的应用具有局限性，主要是因为激光测距方式受天气、震动、反射镜表面和大气污染等因素影响。超声波测距是通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差对距离进行计算，这种测距方式与前两种的测距方式有一定的相似性。超声波对距离测量一般使用一种超声波发生器，产生一定频率的超声波，超声波在空气中传播有一定的声速。超声波具有较强的指向性，作为一种声波，在一种介质到另一种戒指，在两种介质接触面，会产生一定的反射。又因为其在一定条件下，超声波的传播速度不会发生变化。使用超声传感器，利用单片机的获得其传播时间，就可以使用一定的算法获得对距离的测量。另外一方面，超声波在电磁波，烟雾，尘土等多种汽车常见的环境中有较强的抗干扰性和适用性，可以灵活应用于各种常见场合。且测量距离往往都能达到五米。超声波测量的基本物理原理如图2.1所示。首先由发生器发出超声波，在一定的条件下，超声波在空气中按一定的速度传播（声速与声强没有直接关系），经过一定时间（秒/s）后遇到物体并发生发射，经过一定时间（秒/s）后传回到超声波接收器。在测距的过程中，超声波的发生器和接收器距离比较近，又因为超声波作为一种声波，在空气中以纵波的形式传播，所以可以忽略因为角度产生的误差3-5。发生接收图2.2 超声波测距原理图超声波测量距离的公式为： 在此计算式中，s为测量的距离（米m），v代表一定条件下的声速v（米每秒m/s），t代表时间（秒s）其的计算如下式：综合上述计算式可以得出，测量的距离计算式为： 2.2设计基本构架m c u微型处理器超声波发射电路超声波接收电路显示电路报警电路制动接口图2.1 汽车防撞器系统总框图本设计初步计划是在室内小范围的测试，限定在5米以内。在单片机的控制处理下，利用波形产生电路发出短暂的40khz信号，使用超生波传感器发出超声波，遇障碍物反射后的超声波，经超声波接收器作为系统的输入，使用一定的算法单片机把相应的计算结果送到液晶显示器显示距离并提供一定的安全操作提示，并进行蜂鸣报警，并在小于紧急安全距离的情况下，进行紧急制动操作，考虑到设计在实验室的环境中，和设计的安装性，在这里使用的是继电器提供紧急制动接口。定时器人机交互波形处理波形产生接收器声波换能器计时器处理器声波换能器2.3超声波测距系统原理 图2.3 超声波测距原理框图在本设计中使用的测距方式是基于at89s52的超声波测距系统。首先在单片机的一定程序的控制下，控制相应的引脚产生一定的电压波形，在经过超声波的发生电路对波形进行放大，处理，调制，送到超声波换能器，使电压信号转换为超声波，超声波在空气中传播遇到物体后，反射传回到超声波换能器，此时将超声波物理量转换为电压信号。接收的电压信号经过一系列滤波，增益等处理后再送回单片机，并能使单片机识别出。单片机利用其内的中断和计时的功能，获得声波在空气中传播时间，又因为距离等于声速和传播时间相乘之积的一半，使用一定的程序算法即可获得测距器到物体的距离。2.4 测距系统精度改善方案如上所述，系统所测得的距离等于声速和传播时间相乘之积的一半。要想获得比较高的测距精度，可以从两个方面进行改善：声速，传播时间。在声速方面，声音在空气中传播受到空气介质变化的影响。最主要的方面就是空气密度的变化，而密度主要受，气压，湿度，温度的影响。温度对于空气的影响有着最为直接的关系。所以考虑实际需要可以从温度方面进行声速的修正在超声波传播时间方面，其精度主要受产品的工艺的影响，和电子元器件优良性的影响。在这方面，由于存在固有影响，可以通过实际测量值与测量结果进行比对，在软件中进行修正，修正的主要参数为单片机的计数值。此外，使用超声波测距的方式，多存在盲区的问题，盲区是因为分体式的超声波传感器，在发射时，有部分声波未经反射直接进入接收部分6。这部分和反射声波可以通过软件延时的方法进行修正。如果物体较近时，两者存在叠加的成分在里面，难以区分，这是超声波测距的难题之一。在本设计中，我们将发射部分与就收部分相隔较远的距离，降低影响。另一方面，参考传播时间修正方法，通过实际测量对计数值进行修正。2.5系统功能设计主要目的是实现汽车安全泊车的辅助功能，在实际应用中，应该具有比较好的人机交互。考虑驾驶的工作环境，这里应该能给驾驶员比较清晰容易辨识的的显示界面，还应能给驾驶员比较全面的操作提示，所以系统选用比较大的液晶显示。在操作的提示方面内容主要有：（1）安全！注意查看（2）保持！谨慎驾行（3）小心！准备制动（4）危险！紧急制动（5）注意！有障碍物。另外在由于驾驶操作的注意力的专一性，系统还应能提供声音报警，此处选用的是蜂鸣报警方式。由于系统是辅助驾驶安全产品，设计在设计的时，还应提供一定紧急制动辅助操作。第三章 系统硬件设计本系统由超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、声速修正电路、蜂鸣报警电路、单片机最小系统电路组成，系统核心控制器选用采性能好使用方便的at89s52单片机，下面介绍各硬件部分的具体设计。3.1 超声波发射电路超声波发射电路主要有前期的电压波形产生电路和后期的将电能转换为40khz的超声波换能器组成7。在前期的电路中，单片机控制引脚p3.6产生电压波形，在后期放大处理部分。这里选用的通过74hc04集成电路完成对波形放大和后期处理，以用来满足产生超声波的需要。74hc04是一个多相的反相器，后期的处理电路中如下图所示，分两路接到换能器的两个引脚。其中一路经过三级反相器到达换能器，另一路经过两级到达换能器。这样采用推挽电路的方法，一个“推”一个“挽”这就增强了电路的电压的增益8。在靠近换能器的地方采用上拉电阻的方法，增加了电路的驱动能力，另一方面由于存在上拉电压的原因，这在一定程度上使超声波换能器的在发射超声波后的余震效应减轻，增强超声波发射的准确性。图3.1 超声波发射电路后期电路就就是超声波换能器其内部自身的功能。由于本设计采用的分体式超声波换能器，发射电路和接收电路分开，以用来降低超声波测距中的盲区。换能器工作目的是将电能转换为声能9。电压送到换能器的两个引脚，此时里面的晶片引起共振产生超声波，将超声波发射出去。3.2 超声波接收电路超声波接收电路，主要目的是将反射回来的超声波转换为可以被单片机识别电压信号。超声波接收电路包括超声波换能、接收信号处理两部分10。超声波换能器类似于发射电路，只是将声波转换为电能。 图3.2 超声波检测接收电路图超声波接收电路主要完成信号的滤波、整形、识别、增益等功能。最重要的作用是有效地识别出超声波反射信号。为了有效的完成这一系列的信号处理动作，这里选用的是一款38khz的红外线的检测电路。这是由索尼公司制造的一款芯片，命名为cx20106a。其内部电路结构主要是双极型集成电路。它还可广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。这种ic性能优越，封装形式及体积与许多遥控信号接收器ic相同或相似，故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。cx20106a可用来完成遥控信号，cx20106a是日本索尼公司生产的红外解调集成电路，采用8脚单列直插式塑料超小型封装，+5v供电，内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、通带摅波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路11-12。3.3 12864点阵液晶显示部分电路表3.1 12864点阵液晶显示模块串行通信模式显示引脚说明管脚号名称电平功能1vss0v电源地2vdd+5v电源正（3.0v5v）3v0-对比度（亮度）调整4csh/l模组片选端，高电平有效5sidh/l串行数据输入端6clkh/l串行同步时钟：（上升沿有效）15psbll：串口方式17resth/l复位端，低电平有效19avdd背光电源+5v20kvss背光源负端0v汽车防撞器对于驾驶员来说，最重要的人机交互的显示部分。这是获取驾驶提示的最重要的部分，防撞器最重要的人机交互部分。在于单片机协同工作的显示中常用的数码管显示，此种显示成本较低，但是其接线较为繁琐，显示内容单一，且印象美观。另一种方式就是选用液晶显示的方式，液晶显示种类繁多，安装方便，人机交互更加方便，在本设计中结合实际需要选用带字库12864点阵液晶显示方式。 图3.3 12864串行接线原理图 常用的12864点阵液晶和单片机进行通信的方式通常有串行模式和并行模式。通信模式直接决定了连接电路的设计方式13。并行方式需要焊接液晶的20个引脚，但工作速度较串行快。串行通信模式只需要接5个引脚，接法简便，且串行通信方式大大提高显示电路的靠干扰性。考虑到设计需要安装在车体上，液晶到单片机连接距离较远，按照实际需要，这里选用串行通信模式。3.4 单片机最小系统本设计在选用微型处理器方面选用的经典的5l系列单片机其中的at89s52高性能单片机。此单片机是近期atmel公司在51系列方面推出的一款高档增强型的产品。作为一款低功耗的cmos8位微型控制器，其主要提供以下功能：4 kb存储器；256 bram；32条i/o线；2个16b定时计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。其兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，在众多嵌入式的系统中，其提供8位cpu和可以反复擦出1000次的可编程flash。这使得它能成为本设计提供高灵活，高可靠，高性价比的控制器14任何一个控制器完成其基本的功能都不可缺少其工作的最小系统。其最小系统的设计如下图。图3.4 单片机最小系统电路图时钟电路：本系统采用内部振荡模式，由于单片机内部有高增益反相放大器，按时钟电路连接就能实现自激振荡，振荡频率取决于石英晶振(取12mhz)的频率，为稳定频率和快速起振，18、19脚接入22pf的电容器。复位电路：复位是单片机的一个重要工作状态。要实现复位操作，必须使at89s52的9脚(rst)至少保持2个周期的电平， rc微分电路在上电的瞬间产生一个微分脉冲，若脉冲宽度大于2个机器周期，单片机将复位。图形中下方的即为本系统的复位电路，可实现自动复位或手动复位5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。3.5压电陶瓷超声波换能器 (tct40-16r/t)图3.5 压电陶瓷超声传感器超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。 这里选用的换能器为直径16mm的tct40-16r/t。其为分体式的超声波换能器标有t字样的是发射头，标有r字样的是接收头。其为标称频率为40khz发射声压117db，接收灵敏度-65db，静电容量1v (pf)：200030%。此种换能器，性能稳定，价格便宜，虽为分体式，但总价格在三四元左右。3.6蜂鸣器报警电路 现在的报警电路有多种，其中蜂鸣器引用最为广泛。本设计中采用的为无源蜂鸣器，具有接线简单，价格低廉等特点。此种设计电路可以灵活应用于提示、报警、以及简单旋律的音乐等多种场合。图3.6 蜂鸣器报警电路由于蜂鸣器的工作电流比较大，所以其一般不直接接到单片机引脚上。一般电路中的ttl基本不能驱动蜂鸣器。所以需要增加一个三极管以实现一定程度的电流放大作用，以用来弥补单片机管脚有限的驱动能力。蜂鸣器的正极性端连接到5v的电源上面，另一端接到三极管的集电极。当对应的单片机控制引脚输出为高电平时，三极管导通，这样蜂鸣器形成回路，发出声音。反之，当三极管输出为低电平时，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。3.7紧急制动接口电路汽车防撞器另外一个主要的部分就是紧急制动接口电路。由于大部分汽车的操控系统使用的是电子操作系统，所以本设计提供继电器的制动接口。继电器制动接口在实际应用时，用于连接汽车制动的电路部分。继电器的使用是单片机和汽车的制动电路可以很好的连接起来，实现有效控制紧急制动。这里使用的电磁继电器是有触点的继电器，这为电子线路和电气设施提供了良好的隔离。在本设计中，这也为紧急制动提供一个有效的通用接口实现安装的便利性。由于考虑到功率输出的原因，本设计选用的选用的继电器类型是hk4100f型的继电器，是体积超小，便于产品的安装使用；封闭式设计，具有pcb式的引脚，使用方便，产品可靠性高。能在10ms内完成吸合动作。功耗极小，在5v的额定电压下其动作电压为3.75v以下，释放电压在0.5v以上，完全可以适应51单片机的工作电压，电气寿命在十万次以上。 图3.7 继电器工作电路继电器的吸合电流在40ma，普通的单片机难以满足需求。驱动电路如图3.7所示，三极管选用的是npn型的8050，电阻选用3.3k。当三极管由导通变为截止时，继电器绕组会产生一个较大的自感电压。它与电源电压叠加到线圈控制的三极管上可能使发射结e-c被击穿，所以采用的解决方案是：在继电器的线圈两端反向并联二极管，吸收该电动势，自感电压与电源电压对于二极管形成正向偏压，使二极管产生正向偏置，形成回路，以用来释放掉感应的高电压，达到保护的目的。3.8 声速修正电路 经过前面的分析，在声速修正方面，需要引入对温度的测量。温度测量一直是工业和生活中重要的课题之一。温度修正的方法也多种多样，在单片机领域对温度的测量也有多种方法。目前来说技术比较成熟的方法有使用红外感知的方法进行测量，这种测量法速度较快，属于无接触测量方式的一种，一种是采用热电偶的方法，比如pt100传感器这种方法，是测量量程大。这两种方法，虽然精度可以做到很高，但是电路复杂，处理程序也很复杂，适合在医学和工业中使用。在集成电路方面还可以使用特制的温度专用传感器，这种方式虽然精度有所降低，但是电路简单，程序处理方式简便。考虑到汽车的行驶环境，和系统的集成度，从实际出发在本设计中使用数字集成电路温度传感器进行测量温度。 图3.8 温度测量电路如图3.8所示，在本设计中，此次设计采用的是温度作为温度传感器。这种温度传感器其作为数字集成电路，巧妙的将模拟信号转化为数字信号，可以与单片机直接通信，通常在电路中只使用三条线就可以，其中一条用于进行与单片机的通信，用于将温度信息传给单片机。其测量精度可以达到0.5，在通过对程序算法改进后可以精确到0.1。在本设计中，从实际出发，只需精确到0.5。ds18b20具有较快的反应速度，可以在较短的时间内，对温度获得感知，另外一方面，其省去了复杂的电路，自身将信号接收、转化、处理等电路于一体，可以灵活应用在各种场合，其价格较低，大大节省了系统设计的成本和维护度。第四章 系统软件设计汽车防撞测距器系统的软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及人机交互子程序四个主要模块组成。软件设计的总体结构框图如图4.1所示。系统各功能模块系统主程序模块误差修正12864控制显示模块接收控制模块发射控制模块蜂鸣报警模块图4.1 系统结构框图（1） 系统主程序模块：即系统的初始化化处理，包括定义引脚值，寄存器赋初值，控制其他子程序，处理结果，为整个系统提供软件框架与接口。（2）12864点阵液晶显示模块：通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在1286点阵液晶屏幕上，并按照设计的距离进行操作提示。（3） 温误差修正模块：此模块一方面用来测量环境温度，以用来进行声速修正，另一方面对定时器的计数值进行补偿，进行距离修正（4） 发射控制模块：其主要作用是控制单片机p36引脚产生用来使超声波换能器产生共振的电压波形，频率为40khz。（5） 接收控制模块：以超声波的反射信号为中断源，读取有的计数值。（6） 蜂鸣报警模块：当所测距离小于一定值时，通过蜂鸣报警来警示驾驶员。4.1 软件设计的要求本系统的设计要求是利用超声波测距原理设计一个汽车防撞雷达。要求通过设计能够测出并显示车与障碍物的距离，并在小于一定的距离情况下进行驾驶操作提示和蜂鸣报警，以及控制紧急制动接口。4.2主程序复位，开始初始化发射超声波中断接收超声波显示安全信息计时开始计算距离报警制动模块返回 图4.2 主程序流程图主程序是整个系统程序架构的基础，系统的初始化，各引脚定义，将为其他子程序提供接口，并处理反馈的信息。所有的程序模块都是在为主程序服务，各个子模块都为主程序所调用。初始化的作用是系统刚工作时对整个系统初始状态重新定义。包括各个函数的引用声明，引脚的定义，以及一些引脚电平的赋值。此项进行完后，进入循环结构。首先，调用发射超声波程序模块，满足定时器工作触发条件，开始计时，同时超声波发出。经过一段时间后，超声波反射回来，单片机的中断引脚，接收到中断信号，并打开中断，进入中断子程序，经过对反馈信息的比较，进入不同的下级结构，由于判断语法的难以适应庞杂的下级结构，为了增加程序的执行效率使用引入标识符的办法，提共多相判断的方法，计时器溢出，返回超声波发射模块，计时器数值有效进行计算处理，显示安全信息，计数器数值经过计算，距离过短，进行报警制动子程序，同时调用显示模块。处理着一些动作后，返回发射程序，进行循环处理。部分程序为如下：data ulong time;uchar i,j;p0 = 0xff;tmod=0x01;th0=0;tl0=0; ea=1;ie=0x80;displayall(); while(1) for(i=0;i3;i+) tran();fit_1();if(dis0;i-)csb=!csb;nop; csb=1;delay_ms(2);ex1=1;屏蔽取值判别赋值返回关定时器 图4.3 中断子程序 超声波的接收程序主要是通过中断引脚的触发进行的。其关乎安全信息的取值部分，是整个测距系统与安全信息提供最为直接的部分，系统能否成功的获得距离信息主要是依赖中断是否能够有数值返回。这部分程序有两个作用：第一个是屏蔽其他中断，并关掉定时器。另外一个方面就是取出定时器的数值。这些完成成后还需要判别，此次测距获得数值是否有效，如果数值过大，超过测量量程，测量误差太大，不予处理赋值，或是因为定时器溢出，表示无法成功计时，测量无效，返回。部分源程序如下：uint temp;tr0=0;et1=0;temp=th0*256+tl0;if(temp0)&(temp30000) high_time=th0;low_time=tl0;else high_time=0;low_time=0;4.4 误差修正4.4.1声速修正考虑到温度对于声速的影响，所以有必要对声速进行修正。声速修正主要依赖温度获取电路。依据ds18b20的时序图进行温度获取，获取对结果进行处理，按位寻址，送由1286点阵液晶显示。在修正声速的算法中，声速与温度的关系式为：根据泰勒公式对其近似处理可得：根据实际需要声速可以约定为：，4.4.2距离修正系统在实际使用中，因为焊接等工艺和电子元器件的原因会造成不同程度的误差，特别在手工制作的时候根由可能造成这种误差的不可避免性。表4-4 实际测量的误差统计距离(mm)测量距离(mm)绝对误差距离(mm)测量距离(mm)绝对误差1001151511001123232002090912001218300319191300132323400415151400142424500512121500140909600617171600161818700708817001722228008131518001824249009313119001933331000918182000205454本设计的主程序的测距使用的方法是通过检测返回超声波来启动中断，电子元器件本身的对于超声波回波的检测的灵敏性也导致误差的产生。本设计选用参考标杆修正声速的方法，采用程序补偿的方法修正传播时间。传播时间的主要通过单片机的计数器的计数读取来实现。所以本设计从实际出发，通过对某一区间段内的传播计数值进行修正。如上图所示，在程序已经加进声速修正的情况下，依然会存在误差。根据单片机的振荡频率计算出实际精准的计数值。设计中单片机采用的是12mhz晶振，所以计数一下等同于1us。考虑到实际需要，采用将测得距离按照误差范围进行分区间，在各个区间段补足一定的数值。4.5 12864点阵液晶显示模块子程序 图4.5 开机欢迎界面 图4.6 距离显示界面 图4.7 图形显示界面 图4.8 完整显示界面1286点阵具有丰富的图形文字显示功能，为了增强人机交互功能本设计增加了其开机界面，图形显示界面，安全信息显示界面，由于汽车驾驶中。程序中最重要的就是读写距离信息，在设计中本设计采用填写的方法，首先显示距离信息界面，再根据界面位置，将得到的距离信息，按位寻址，填写相应的位置。显示程序开始后首先初始化，清屏，这一步最重要的作用是防止显示乱码。此后发送相应的指令，一般是先寻址，在送数据。每项界面显示操作都需要进行延时处理，保证显示的有效可看性。初始化，清屏送指令数据，显示开机界面送指令数据，显示图形界面送指令数据，显示信息界面得到距离信息，寻址填写信息循环检测，距离信息图4.9 显示程序框图4.6蜂鸣器报警及紧急制动子程序 当汽车距离障碍物比较近时，蜂鸣器报警。此处的蜂鸣器报警处理较为简单，选用c语言中的循环语句进行检测，当距离显示小于设定的安全距离时，相应的单片机引脚电平拉高，报警器拉响。其基本的程序框图如图4.10蜂鸣所示，蜂鸣器设计主要方法使用判别语句实现。开始取值显示y距离小于0.5m返回长鸣n 开始取值显示y小于0.2m返回制动n图4.10 蜂鸣报警程序框图 图4.11 制动程序框图紧急制动程序的操作类似于蜂鸣器报警程序也是采取拉高相应的单片机引脚的方法进行动作执行，使接口电路控制部分吸合，实现紧急制动的功能。第五章 制作与调试5.1 电路的搭建设计完成理论设计后需要进行实物的搭建，搭建过程的主要是按照原理图进行分步骤，有次序的操作。首先完成对主要芯片的搭建，由于超声波测距系统是整个设计的关键，有考虑到工艺的要求。设计在实物过程中，首先完成的是对于测距系统中接收和发射电路的搭建。为了有效的降低盲区首先确保探头出于一个平面且指向尽可能一致。实物图见附录2附图2.1。为确保焊接的准确性，和保护74hc04和cx2016a两个芯片不受焊接时高温影响，本设计在焊接时，使用了相同封装个样式的插座，将引脚焊接完毕后再进插入相应的芯片，进行上电测试。考虑到实际安装的必要性，这里的焊接使用分层次的方法，将紧急制动接口，继电器电路单独出来，在使用时可以进行单独的接插。蜂鸣器的安装也是借鉴此种方法，不同的是蜂鸣器只是单独预留了接插的引脚。方便调试中，对于蜂鸣器的控制，避免调试过程中不必要的噪音影响。 在单片机最小系统方面使用购置最小系统pcb版，再购置散件进行焊接，这样既能保证系统工作的可靠性，另一方面从一定程度上节约了成本。实物图见附录2附图2.4。 5.2 系统的调试该设计使用的使用的是keil u vision 2和progisp下载软件。keil软件可对单片机c语言程序进行编写，编译。使用progisp下载软件可以使编译生成的hex文件下载到单片机中。其中下载方式使用的是usb isp下载方式。这种下载方式可以方便的实现程序下载调试。图5.1 keil u vision 2的界面图5-图5.2 progisp界面图此外在距离修正方面，设计初期未能引入修正，存在较大误差，下图是设计初期的误差图：01000200030004000500060000100020003000400050006000mm实际距离（mm）测量距离图5.3 未修正前实际测量误差图比较获得的误差，设计按照修改时间值的方法，对程序做了大量的反复修改。，以下是部分的修正程序：case 4:dis_1-=53;break;case 5:dis_1-=7;break;case 6:dis_1-=60;break;case 7:dis_1-=65;break;case 8:dis_1-=72;breakcase 9:dis_1-=80;break;case 10:dis_1-=84;break;case 11:dis_1+=30;break;case 12:dis_1-=87;break;case13:dis_1+=27;break;case14:dis_1+=34;break;case15:dis_1+=38;break;case 16:dis_1+=45;break;case 17:dis_1+=49;break;case 18:dis_1+=53;break;case 19:dis_1+=50;break;case 20:dis_1+=55;break;case 21:dis_1+=56;break;case 22:dis_1+=60;break;case 23:dis_1+=72;break;case 24:dis_1+=78;break;根据实际的调整，本测距程序完成了0.05m到5m的测量范围，另一方面实际的测距精度达到0.3cm，满足实际需要。系统完成设计后，进行实物的搭建，经过不多次程序优化，使得实际结果满足了原有设计目的要求。结 论本文设计的是汽车防撞器,是一种汽车安全泊车的辅助系统。该设计通过超声波探头发反射射超声波，使用高速单片机计算测量车与障碍物之间的往返时间然后再计算出车与障碍物的距离具有成本低，使用方便维护简便的综合优点。本设计在使用超声波的基础上架构了显示与报警及制动接口。本文所设计的是保证汽车安全的辅助系统。通过超声波探头反射超声波，使用高速单片机计算测量车与障碍物之间的往返时间然后再计算出车与障碍物的距离，并加入了声速修正电路，和距离修正方法，提高了距离计算的精度，考虑到精度和实际中需求本设计将量程设计为5m，利用软件和误差修正精度最高可以达到1mm。使用1286点阵液晶屏，当汽车的距离障碍物较近时，提供安全信息提示，并在低于报警值时,提供蜂鸣报警，距离小于最小安全值时，闭合紧急制动接口，具有良好的人机交流性能，实现了安全驾驶的辅助功能。实际测试证明该系统工作稳定，能够满