基于超声波的汽车防撞系统的设计毕业论文.doc

本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 43 页 1 1 绪论绪论 曾几何时，汽车对很多家庭来说是不敢想象的。但随着社会生产力的发展和经济 水平的大幅度提高，让百姓的收入日益鼓胀，解决了温饱问题的家庭开始走向小康， 表现得最明显的是交通工具的升级换代上：一些家庭开始购买汽车作为自己的代步工 具。 近几年我国汽车保有量逐年增加，2009年的保有量为6300万辆，2010年达到7400 多万辆。按保守估计，未来国内汽车保有量能够达到4.9亿辆左右，即大约350辆/千人。 对于汽车数量的大副度攀升，尽管国家在公路设施上不断地改进，但道路上的车辆仍 然还是越来越多，尤其在上下班时段完全避免不了公路上汽车拥挤的现状。再加上在 汽车设计上车速的不断提高，虽然公路上各路段都有限速，但撞车事件仍然在广大人 民的生活中屡屡发生，给人们带来了巨大的人身伤亡和社会财产的损失。 针对汽车拥挤的现状，设计一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警 系统对当今现状是势在必行的。汽车防撞系统是一种向司机的报警装置，此防撞报警 系统能将在汽车行驶和倒车过程中自动检测障碍物，然后通过超声波测距原理测出汽 车与障碍物之间的距离，并将距离显示出来，当汽车与障碍物之间的距离达到极限时。 系统发出声光报警，达到提醒司机防止撞车的目的。 2 2 课题简介及其发展现状课题简介及其发展现状 2 21 1 课题研究现状及其发展意义课题研究现状及其发展意义 随着社会经济发展的不断进步，汽车的数量逐年增加，汽车拥挤的现状不可避免， 而在汽车拥挤的情况下，恶性事故屡屡发生，时刻威胁着人们的安全。我国交通事故 的年死亡人数远高于他国，分别是美国的 2.3 倍、德国的 18.4 倍、日本的 13.4 倍。 当现代家庭充分的享受汽车带来方便的同时，也为此付出了沉重的代价。据统计，我 国自 2010 年至 2010 年，已有 150 多万人死于道路交通事故，其中大部分的道路交通 事故为汽车追尾碰撞事故。面对当今这种现状，设计出一种反应快，稳定性好而且经 济实用的汽车防撞报警系统势在必行。 防撞预警自动测量的技术应运而生，尤其非接触式测量技术发展卓越。在大多情 况下，测量与障碍物之间的距离是不能够接触到障碍物的，在这种时候就会用到非接 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 43 页 触式测量设备。在物理学中人们发现了电子学技术产生的超声波后，从此超声波技术 在测量领域得到了广泛的运用，尤其是在超声波测距方面，结合了其他技术，用超声 波测距变得十分常用。 超声波在介质中传播的距离较远，分辨力较高，且能量消耗小，利用超声波测距 比较方便而且速度快计算简单，容易做到实时控制，并且测量精度好，都能够达到工 业测量的需要。因此超声测距广泛应用于当今生活中，特别是应用于超声波测距方面。 超声波测距利用的是声波反射原理，声波在空气中传播避免了与介质接触。 与其它测距方式相比，超声测距不受颜色、光线和电、磁场的影响，使他受到干 扰的可能大幅度减少。它还具有可靠性能高、结构简单、价格便宜、安装方便等优点。 也能够测量处于黑暗、烟雾、有灰尘、电磁干扰等恶劣环境中的障碍物。但由于超声 波传播时温度对声速影响比较大，使超声测距的精确度到了影响，在这里可以采用温 度补偿进行校正，能够消除温度对其的影响。 2 22 2 汽车防撞系统的发展过程汽车防撞系统的发展过程 国际上对汽车防撞的研究开始于二十世纪六十年代，以德、美、日为代表的西方 国家内开始研究，与众多汽车制造厂商合作，制造出世界上第一批汽车防撞报警器。 但局限于当时器件的发展水平和单片机成本过高，导致报警器难以做到体积轻巧、结 构简单、价格便宜。些外，报警器的干扰因素很多，在实验室制造的样机，对许多干 扰因素考虑不全面，使在实际得应用中，防撞效果并不让众多研究者满意。 二十世纪末，奔驰公司组织，计划将组合通信、传感器、智能技术结合于于一个 系统中，改进了汽车的经济性、安全性和有效性，在这次研究中研制出了性能优良的 汽车防撞报警器，能够帮助驾驶员避免发生交通事故。使得制造出低成主本、高性能 的汽车防撞雷达成为可能。 欧盟RadarNet研究项目整合己有研究成果，研制新型多功能汽车防撞雷达。其中， 德国的汽车生产厂商奔驰公司和英国的电子生产厂商劳伦斯电子公司强强连和，成功 研制出了超声波频率为35G赫兹可报警距离为150米的汽车防撞报警雷达，系统能够智 能计算出汽车与前方障碍物的距离和两者之间的相对运行速度，并且根据自身行驶速 度计算出汽车与障碍物之间的安全距离，当汽车与障碍物之间或与前车之间的距离小 于计算出的安全距离时，预警系统便会发出声音报警信号，提醒司机避开障碍物或者 紧急停车。这种预警雷达适合于在轿车、客车上使用，应用了汽车防撞预警系统能够 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 43 页 对于恶性交通事故的发生起到了较好的预防作用。 2 23 3 超声波简介超声波简介 众所周知，当物体在振动的时候就能够发出声音。但是人类耳朵只能听到频率为 2020000赫兹的声波。当声波的振动频率不在这个范围时的声音人类是听不见的。根 据这种情况，人们规定把声波频率高于20KHZ的声波称为“超声波” 。由于超声波具有 方向性好，抗干扰能力强，穿透能力强等优点。在现实生活中有着不可替代的作用它 常用于清洗，测距，测速等。 实际测试发现,相同振幅下, 振动频率和物体振动的能量是成正比的,当超声波传 播时,声波振动频率很高,物体的震动能量也很大。在现实生活中我们充分的利用了这 些能量，例如超声波加湿器，它是把超声波发射到水罐中,物体震动的巨大能量能够使 水罐中的水升华成雾气,在把雾气吹入到空气中,这样就使空气的湿度增加。除此之外 应用超声波还可以做很多方便现实生活的实用工具，本文介绍的汽车防撞装置也是应 用超声波的原理制成的。 超声波是声波大家族中的一员。声波指的是物体在机械振动下，物质的质点在其 平衡位置进行的往返运动状态。例如鼓经过敲打之后，鼓面就会上下振动，振动通过 空气向四面八方进行传播，这就是声波。超声波就使频率很高的声波。超声波在现实 生活中能够光泛应用，是因为超声波有以下几种特性，它能够在气体、固体、液体、 等介质中进行传播，能够传递巨大的能量，能够发生反射、干涉和共振的现象，并且 超声波在液体中进行传播时，可以产生剧烈的空化和冲击的现象。 虽然人类的耳朵听不见超声波，但是不少动物却拥有此项能力。他们就是利用超 声波来捕捉猎物，并且能够避开障碍物。好多人们疑问为什么蝙蝠能够在完全黑暗的 情况下还能够分析在哪能够捕食和避开障碍物。其实蝙蝠就是利用它听到的超声波而 进行在黑暗中自己定位的。蝙蝠通过自己的嗓子发出超声波，超声波发出之后四面八 方的发射出去，当超声波遇到障碍物之后发生反射，这种反射回来的超声波进入到蝙 蝠的耳朵中，蝙蝠听到超声波后，就能自己判断出障碍物或者猎物的位置。然后快速 的判断出来从而能够自在的在空中飞翔。 国内的超声波研究照比其它国家起步较晚，人们在发现正压电效应和逆压电效应 之后，超声波才逐渐应用于电子行业、清洗机械器件、军事、塑料焊接、金属焊接、 医学等等领域。尤其在医学方面的应用尤为广泛，超声波在人体里传播时，当超声波 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 43 页 在人体内的传播时如果遇到障碍物，超声波便会发生反射和折射。由于每个人的组织 结构都是不同的所以他们对于超声波的吸收能力也不同。这种差别在通过仪器设备把 他们显示出来，医生便能通过这种差别便能够判断出身体是否发出病变。 3 3 总体设计方案总体设计方案 汽车防撞预警系统是指在汽车行驶过程中防止汽车发生碰撞障碍物的一种智能报 警装置。它能自动发现可能与汽车发生碰撞的障碍物体，并且同时检测汽车与障碍物 之间的距离，到达极限距离时发出报警信号以避免碰撞的发生。根据题目要求，汽车 防撞报警器的功能主要有两个：判断汽车与障碍物之间的距离和当汽车与障碍物之间 的距离到达临界距离时发出报警信号。 3 31 1 设计总体思路概况设计总体思路概况 汽车防撞预警系统的原理是利用超声波的发射和接收，用计时器计出超声波从发 射到接收到遇到障碍物后反射声波的时间通过公式计算出汽车与障碍物之间的距离。 在实际生活中常用的测距方法主要有两种，一种是在被测距离的两端，一端设置发射 装置，一端设置接收装置，利用公式得出测量的距离。这种测量方式特别适用于vtS 测量身高；另一种是本次设计采用的方式，利用超声波遇到障碍物后反射得出距离。 汽车防撞系统硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路和超声波检 测接收电路及显示电路三部分。单片机采用的是 AT89C51 系列。为了获得较稳定时钟 频率而采用了高精度的晶振，这样极大的减小测量距离的误差。用单片机 P1.0 端口输 出超声波发射器所需要的 40kHz 的方波信号，使用外中断 0 口检测接收超声波的反射 信号。显示电路装置用了结构简单价格便宜的 4 位 LED 数码管来显示距离。 超声波的发射装置主要是由反相器 74LS04 和发射传感器构成。AT89C51 单片机 P1.0 引脚输出 40k 赫兹的间断方波信号分成 2 路，一路信号经过一个反向器后到达 TCT40 一个引脚，另一路通过两个反向器后到 TCT40 的另一个引脚，用这种形式将 P1.0 发出 的单片机 P1.0 端口发出的间断方波信号加到 TCT40 的两端上，用这种推换形式将间断 的方波信号连接到超声波传感器的两个引脚上，这样能够增强超声波的发射强度。在 加载反波信号时使用两个 74LS04 并联，是它的驱动能力得到了很大的提高。而电阻 R11、R12 增大超声波传感器的阻尼效果，缩短了震荡时间，使超声波传感器输出高电 平的能力大大增加。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 5 页 共 43 页 超声波接收采用 CX20106A 集成电路模块，根据电路图可以看出，集成芯片 CX20106 在接收装置电路中的作用很大。CX20106 是一款红外线检波接收的芯片，他常 用于现实生活中，而且价格便宜。由于红外线波的频率为 38 kHz，与测距使用的超声 波频率接近。并且 CX20106 芯片的内部设置比较好，由于设计中芯片的 f5 角连接了一 个外接电阻，此电阻使他滤波器的中心频率能够调节，当 R21 的阻值越大滤波器的中 心频率就越低，变化范围在 3060 kHz 之间。此次设计证明用 CX20106A 接收超声波 信号具有优秀的灵敏特性和较强的抗干扰能力。 超声波测距预警系统主要包括主程序、发射子程序、温度采集子程序、外部中断 子程序和数码显示子程序等。超声波测距预计能够系统主程序第一步是对系统进行初 始化，初始化定时器 T0 为 16 位定时计数器的工作模式。全局中断打开并给显示端口 清 0。在调用超声波的发生子程序发出一个超声波脉冲，在发射过程中延时约 0.1 ms，避免声波信号从发射器发出后直接传送到接收器而引起直射波触发，然后在使用 外中断接收遇到物体后返回声波信号。我采用了 12 MHz 的晶振，计数器每次计数间隔 是 1s，当主程序接收到成功的信号后，将计数器 T0 中的数计算，即得出与障碍物之 间的距离，测出距离后将结果送往 LED 显示，这就是超声波测距的过程。 在系统调试方面，由于设计的电路由很多集成电路构成。外围元件很少，所以调 试不太难。只要焊接的电路没有错误，简单调试一下就能够正常使用了。电路设计中 除了集成电路，对其它电子元件也没专业要求。可以根据测量距离的差异，调整与接 收换能器滤波电容就能得到适合灵敏度和超声波抗干扰能力。 3 32 2 超声波测距原理超声波测距原理 超声波测距是通过检测超声波发射后遇到障碍物所反射回来的回波，从而测出超 声波发射和接收的时间差T,然后根据公司，即可算出汽车与被测物体的距离。2/CTS S为汽车与障碍物之间的距离,C为超声波在空气中的传播速度。因为声速C受温度的影 响很大，我们采用温度补偿的方法减小误差。表3-1中列出了不同温度下的超声波声速。 T为超声波发射到接收到超声波所用时间，计时是由单片机的定时功能计出从超声波的 发射到检测到超声波信号得的时间。 表 3-1 超声波波速与温度的关系表 温度（） -30-20-100102030100 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 6 页 共 43 页 声速（ms） 313319325323338344349386 利用超声波的测距的原理图如框图 3-1 所示，单片机发出 40kHZ 的信号，经放大 后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁 相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、 计算，得出距离数。 超声波发射器放大电路 放大电路 数据显示定时器单片机控制 超声波接收器 图 3-1 超声波测距原理图 3 33 3 超声波传感器超声波传感器 为了利用超声波方便人们的生活，科研机构已经设计制做了很多的超声波传感器。 超声传感器指的是在超声频率范围内将交变电信号转换成声波信号或将外界的声波信 号转换成电信号的转换器件。 超声波是声波中的一种。超声波就使频率很高的声波。超声波在现实生活中能够 光泛应用，是因为超声波有以下几种特性，它能够在气体、固体、液体、等介质中进 行传播，能够传递巨大的能量，能够发生反射、干涉和共振的现象。这些优点使超声 波换能器的研究势在必行。 大体上讲，超声波的发生器可分为两类：一类是用机械方式产生超声波，一类是 用电气方式产生超声波。两种方式产生的超声波功率、频率和声波的特性都不相同， 因此不同的用途采用不同的方式产生超声波。而我在此次设计中采用电气方式产生超 声波，使用目前在理论研究和实际生活中最为常用的压电式超声波发生器。 压电式超声波传感器装置是根据声电转换原理制成的，他又称超声波探头或者超 声波换能器。超声波换能器有两种，一种是超声波发射换能器，另一种是超声波接收 换能器。压电式超声波换能器的原理是依靠压电晶体的谐振来进行工作的。超声波换 能器的内部由一个换能板和两个压电晶片构成。这种超声换能器需要的压电材料很少 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 7 页 共 43 页 并且价格便宜，并且很适用于气体介质中。当压电晶片受到发射电脉冲激励后即可产 生振动，发射声波脉冲，是逆压电效应。逆压电效应用于超声波的发射。当外界的超 声波作用于压电晶片时，晶片被迫发生振动引起形变转换成电信号，这是正压电效应。 正压电效应应用于超声波的接收。 在换能器的两极引脚加上大小和方向不断变化的交流电压，就能使压电晶片产生 机械变形，当引脚的频率和压电晶片上的振荡频率相同时，就能带动共振板发生共振 产生超声波。 超声波换能器的工作原理是把40kHz的间断方波信号分成2路，一路经一级反向器 后到达TCT40一个电极，另一路通过两级反向器后到TCT40的另一个电极，用这种形式 将P1.0发出的方波信号加到TCT40的两端上，然后产生谐振后经辐射器将振动信号向四 面八法传播出去。当超声波信号经过传播后如果遇到障碍物之后就会发生光波折射， 在传播回来，由接收换能器进行接收。 3 34 4 控制系统方框图控制系统方框图 超声波防撞控制系统图如框图 3-2 所示。该系统全部都由单片机进行控制，单盘 机发出 40Hz 的方波脉冲，经过超声波发射电路发射出超声波。超声波在遇到障碍物之 后反射射回来再由接收电路接收反射声波信号送入单片机进行分析，计算出汽车与障 碍物之间的距离，将处理后的结果送入显示电路经过数码显示管显示出距离，如果距 离达到安全的极限距离着由报警电路通过蜂鸣器发车报警，提示司机躲避障碍物。 超声波接收 超声波发射 温度传感器 单 片 机 控 制 显示距离 报警器 图 3-2 超声波测距报警系统图 3 35 5 超声波发射装置的设计超声波发射装置的设计 超声波发射器包括两个部分：超声波产生电路部分和超声波发射控制电路部分。 超声波探头采用TCT40。 超声波接收 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 8 页 共 43 页 单片机P1.0端口输出40KHz的超声波信号，此时定时器开始计时。通过输出引脚输 入，经驱动后推动发射探头产生超声波，此方法充分利用了软件控制，灵活性好。超 声波发射电路设计图如图3-3所示。 图 3-3 超声波发射装置设计图 本次设计采用的是压电式超声波传感器，它是根据声电转换原理制成的。超声波 换能器有两种类型，一种是超声波发射换能器，另一种则是超声波接收换能器。压电 式超声波换能器的原理是依靠压电晶体的谐振来进行工作的。超声波换能器的内部由 一个换能板和两个压电晶片构成。这种超声换能器需要的压电材料很少而且它的价格 便宜经济实用，还很适用于气体介质中使用。当压电晶片受到发射电脉冲激励后即可 产生振动，发射声波脉冲，是逆压电效应，逆压电效应用于超声波的发射。正压电效 应和逆压电效应正好相反，当外界的超声波的声波信号作用于超声波换能器的压电晶 片时，晶片将会被迫发生振动而引起形变转换成电信号，这个过程就是正压电效应， 正压电效应应用于超声波的接收。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 9 页 共 43 页 超声波的发射电路主要由反相器 74LS04 和发射换能器构成。AT89C51 单片机 P1.0 口输出的 40kHz 的间断方波信号分成 2 路，一路经一级反向器后到达 TCT40 一个电极， 另一路通过两级反向器后到 TCT40 的另一个电极，用这种形式将 P1.0 发出的方波信号 加到 TCT40 的两端上，这样能够增强超声波的发射强度。在加载反波信号时使用两个 74LS04 并联，可以提高驱动能力。而电阻 R11、R12 可以增加超声波换能器的阻尼效果， 缩短了震荡时间，还可以提高换能器输出高电平的驱动能力。 3 36 6 超声波接收装置的设计超声波接收装置的设计 超声波接收器包括接收发射探头、信号放大电路和波形变换电路三个部分。超 声波探头采用RCT40。 按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。接收装置的设计可用 CX20106A来完成。在空气中传播超声波的其能量的衰减与距离是成正比的，距离越小、 衰减越少，距离越大、衰减越多，通常都在1V之内。 图 3-4 超声波接收装置设计图 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 10 页 共 43 页 超声波的接收装置如图3-4超声波接收装置图所示。超声波的接收采用CX20106A集 成电路模块，根据电路图可以看出，集成芯片CX20106在接收装置电路中的作用很大。 CX20106是一款红外线检波接收的芯片，他常用于现实生活中，而且价格便宜。由于红 外线波的频率为38 kHz，与测距使用的超声波频率接近。 ，并且CX20106芯片的内部设 置比较好，由于设计中芯片的f5角连接了一个外接电阻，此电阻使他滤波器的中心频 率能够调节，当R21的阻值越大滤波器的中心频率就越低，变化范围在3060 kHz之间。 CX20106对收到的信号进行放大、滤波的作用。当接收到的声波信号经由放大器， 调整信号的频率，然后滤波消除干扰信号，最后再经过整形，输出到CX20106的7脚输 出。当接收到的声波信号与CX20106的中心频率相符时，它的7脚就会低电平输出，而7 脚接到INT0引脚上，这样就会中断。若频率和CX20106的中心频率不同时，即可调节 R21，使滤波器的中心频率与超声波测距的频率相符。 CX20106有8个引脚管脚1是超声波信号输入端；管脚2的电阻和电容决定接收换能 器的总增益，通过增大或者减小电阻电容，确定放大倍数。管脚3与GND之间连接的电 容起到检波作用；管脚5上的连接一个，这个电阻用来设置滤波器的中心频率；管脚6 与GND之间接入一个电容，该电容确定探测距离；管脚7是集电极开路输出端：管脚8接 电源正极。 3 37 7 温度补偿温度补偿 温度对超声波的影响是很大的，如果能够知道温度，则可求出超声波的声速，从 而能够得到较高的精度。而问题在于用什么方法获得温度数据。为了方便对温度信号 进行采集和处理，我用了 DALASS 公司的 DS18B20 集成温度传感器对超声波的传播速 度进行温度补偿。DS18B20 采用了 1-WIRE 总线技术，能够只占单片机一个 I/O 接口 的情况下进行工作，方便了使用者对其的调试使用，而且它在零下十摄氏度到八十五 摄氏度的工作环境下能够保持 0.005 的精度，足以为超声波测距装置提供精度范围。 图 3-5 所示为温度补偿设计图。两个按键开关用于控制测量的开始与结束之间的 切换。DS18B20 硬件性能稳定，接口简单，只需一根接口线就能连接起来。 DS18B20 温度传感器里面有两个晶振，低温度系数晶振和高温度系数晶振。低温度 系数晶振的振荡频率随外界温度的变化基本上没有影响，所以低温度系数的晶振产生 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 11 页 共 43 页 的信号是固定频率的，这样便把它产生信号发送给计数器 1。高温度系数晶振和低温度 系数晶振正好相反，它在温度变化很大的时候,它的振荡频率随着温度发生很大的变化， 所以计数器 2 的脉冲输入信号我们使用高温度系数的信号输入。由于计数器 1 对低温 度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的值减少到 0 时，温度寄存器的数 值就加 1，计数器 1 的数值就回重新装入，计数器 1 在重新开始对低温度系数晶振产生 的脉冲信号进行计数，这样一直循环，一直到计数器 2 计数到 0 时，停止对温度寄存 器数值的累加，这时温度寄存器中的数值即为所测温度。 图 3-5 温度补偿电路设计图 3 38 8 显示电路的设计显示电路的设计 显示电路中显示测量距离我使用的是4位共阳的LED数码管，它简单实用并且价格 便宜。段码使用74LS245芯片驱动，位码使用四个PNP三极管来驱动，显示电路设计图 如图3-6显示电路设计图所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 12 页 共 43 页 74LS245 芯片是我们新是生活中最为常用的芯片。它是 8 路同相三态双向总线的收 发器，它可以用来驱动数码管或者一些其他的设备。它具有双向的三态功能，这使他 能够双向的传输数据，既可以输入数据，也可以输出数据。 图 3-6 显示电路设计图 在 74LS245 芯片端低电平有效时，当 DIR=“0”时，信号由 B 向 A 传输；当 CE DIR=“1”时，信号由 A 向 B 传输；当为高电平时，A、B 两端均为高阻态。 CE 在生活中最常见到的 LED 数码管是八段和七段的，八段式原理图的如图 3-8 所示。 本次设计中采用的是八段式的数码管。八段式的与七段式的相比，他们各部分结构大 体相同，八段只比七段式的多了一个小数点。数码管里都是由 LED 发光二极管发光单 片机控制 LED 的灭亮显示出不同的形状从而显示出数字，八段式的数码管与七段式的 主要区别就在于八段式的数码管中有八个发光二极管，而七段式的数码管中有七个发 光二极管，两种之间只差一个点。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 13 页 共 43 页 数码管又分为两种类型，共阳极型和共阴极型。原理图如图 3-7 共阳极型和共阴 极型原理图所示。共阳极型就是将数码管中发光二极管的阳极都接在一起并且接到电 源上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阴极接到地线上，它就会发光。共阴 极型则是将数码管中发光二极管的阴极都接在一起并且接到地线上，连接好之后把其 中任何哪个发光二极管的阳极接到电源上，它就会发光。 图 3-7 共阴极型和共阳极型原理图 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 14 页 共 43 页 a b e g f c d abgf e dc dp dp com com 图 3-8 数码显示管引脚图 如图 3-8 数码显示管引脚图所示，把两个 COM 引脚连接起来，作为数码管的公共 端，数码管共阴端要接地，共阳端接电源。一个二极管是一位，八个管子即 a,b,c,d,e,f,g 还有 dp，拼成个 8 字列在一起就构成了一个 8 位的数码显示管。一个 八段式的数码显示管的每个显示管连在一起，每个二极管的公共端称为位选线。在数 码管显示数字是，一个二极管对应一条直线，a 对应的是首位，dp 对应最后位。例如， 当数码管显示管显示数字 0 时，那么共阴极数码显示管的编码就为 00111111，十六进 制数为 0x3f，而共阳极的数码显示管的编码就是 11000000，十六进制数为 0xc0。通过 这个例子可以看的出来共阴极数码显示管和共阳极数码显示管的编码各个位事相反的。 3 39 9 报警装置的设计报警装置的设计 报警部分采用一个蜂鸣器进行报警，利用单片机控制输出一个一定频率的信号。 信号通过一个三极管，把信号放大，以增强驱动能力。然后将放大之后的信号连接到 蜂鸣器上，报警部分装置的设计图如图 3-9 所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 15 页 共 43 页 图 3-9 报警装置设计图 蜂鸣器是使用直流电源进行供电，它广泛应用于当今生活中，尤其在计算机、报 警器、复印机、打印机、电子玩具、汽车电子设备、电话机等电子设备制造中作为发 声的器件而广泛应用。蜂鸣器是一种一体化结构的电子发声器，它分为两种类型，一 种是压电式蜂鸣器另一种是电磁式蜂鸣器。 压电式蜂鸣器主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、共鸣箱阻及抗匹配器还有外壳等 部分组成。压电蜂鸣片是由铌镁酸铅或锆钛酸铅压电陶瓷材料制造而成。我把在陶瓷 片的表面镀上金属电极，经过极化处理和老化处理之后，再与不锈钢钢片粘贴在一起 就制成了压电蜂鸣片。而多谐振荡器由集成电路或者晶体管构造而成。当电极两端接 通电源以后,多谐振荡器开始振动,输出音频信号，然后阻抗匹配器便能推动压电蜂鸣 片发出声音。电磁式蜂鸣器主要由振荡器、磁铁、振动膜片、电磁线圈和外壳等部分 组成。在两极接通电源之后，振荡器能够产生的音频信号，信号通过电磁线圈，便会 使电磁线圈生成磁场。这样振动膜片便会在磁铁和电磁线圈的作用下，周期性反复地 振动从而发出声音。 4 4 软件的设计软件的设计 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 16 页 共 43 页 超声波测距预警系统主要包括主程序、发射子程序、温度采集子程序、外部中断 子程序和数码显示子程序等。 4 41 1 软件工作过程软件工作过程 按下控制系统的开关，进行系统的初始化，当主程序完成初始化后调用发射子程 序，由 P1.0 口发射出1 个脉冲，驱动超声波换能器发射超声波，并且计数器开始计 时。利用定时器的计数功能记录到超声波发射到接受所用的时间当超声波接收器接收 到超声波后，接收电路输出端输出一个跳变信号，在INT0端产生一个中断的信号，得 到超声波的时间差。 计数器 1 对低温度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器 T1 的值减少到 0 时，温度寄存器的数值就加 T1，计数器 T1 在重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信 号进行计数，一直循环到计数器 T2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，这时即可 读取此时温度值。根据上文中表 3-1 超声波波速与温度的关系表，即可知道超声波精 准的声波速度。 知道了时间和超声波的声波速度后，通过单片机的计算得出距离，显示出来，到 达距离极限时，启用报警模块。 4 42 2 算法的软件设计算法的软件设计 超声波测距是通过检测超声波发射后遇到障碍物所反射回来的回波，从而测出从 发出超声波信号到接收到返回信号的时间间隔,然后求出距离由 S=CT/2 即可算出汽车 与被测物体的距离。 其中，S 为测量的距离,C 为超声波在空气中的传播速度。T 从发出超声波信号到接 收到返回信号的时间间隔。 在启动发射电路发射超声波的同时开启单片机 AT89C51 内 的定时器 T0，通过定时器计数器的计数功能记录下来超声波发射的时间和接收到超 声波的时间。当接收电路收到超声波时，接收电路的输出端会产生一个负跳变，在 INT0 端能够产生一个中断信号，单片机响应中断请求后执行外部中断子程序，读取出 来时间间隔，计算出距离。 4 43 3 主程序流程图主程序流程图 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 17 页 共 43 页 开始 延时 1ms 调试测距子程序 调用显示、报警子程序 调用温度检测子程序 系统初始化 结束 适合温度修正超声波 温度计算测量结果 图 4-1 主程序流程图 主程序流程图如图 4-1 所示。主程序第一步是对系统进行初始化，初始化定时器 T0 为 16 位定时计数器的工作模式。全局中断打开并给显示端口清 0。在调用超声波的 发生子程序发出一个超声波脉冲，在发射过程中延时约 0.1 ms，避免声波信号从发射 器发出后直接传送到接收器而引起直射波触发，然后在使用外中断接收遇到物体后返 回声波信号。我采用了 12 MHz 的晶振，计数器每次计数间隔是 1s，当主程序接收到 成功的信号后，将计数器 T0 中的数计算，即得出与障碍物之间的距离，测出距离后将 结果送往 LED 显示，这就是超声波测距的过程。 4 44 4 超声波的发生子程序和中断程序超声波的发生子程序和中断程序 超声波发生子程序是通过 P1.0 端口发出频率约 40kHz 的方波脉冲信号，在发出脉 冲的同时，打开计数器 T0 开始计时。 测距主程序是利用外中断 T0 检测到遇到障碍物后返射回来的声波信号，一旦接收 到信号，马上进入中断程序。中断开始后立刻让计时器停止计时，此时测距成功。如 果在计时器溢出时还没有检测到反射的声波信号，此时测距不成功。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 18 页 共 43 页 开始 关 T0，开 T1 按下功能键 修改完毕 开 T0，关 T1，计时 结束 图 4-2 中断处理流程图 4 45 5 显示部分显示部分 显示电路中显示距离我使用的是 4 位共阳的 LED 数码管，它简单实用并且价格便 宜。段码使用 74LS245 芯片驱动，位码使用四个 PNP 三极管来驱动。在 74LS245 芯片 端低电平有效时，当 DIR=“0”时，信号由 B 向 A 传输；当 DIR=“1”时，信号CE 由 A 向 B 传输；当为高电平时，A、B 两端均为高阻态。CE 最常见到的 LED 数码管是八段和七段的。本次设计中采用的是八段式的数码管。 八段式的与七段式的相比，他们各部分结构大体相同，八段只比七段式的多了一个小 数点。数码管里都是由 LED 发光二极管发光单片机控制 LED 的灭亮显示出不同的形状 从而显示出数字，八段式的数码管与七段式的主要区别就在于八段式的数码管中有八 个发光二极管，而七段式的数码管中有七个发光二极管，两种之间只差一个点。 数码管又分为两种类型，共阳极型和共阴极型。共阳极型就是将数码管中发光二 极管的阳极都接在一起并且接到电源上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阴 极接到地线上，它就会发光。共阴极型则是将数码管中发光二极管的阴极都接在一起 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 19 页 共 43 页 并且接到地线上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阳极接到电源上，它就会 发光。 5 5 硬件的设计和制作硬件的设计和制作 硬件电路的设计主要包括三部分：单片机系统、显示电路、超声波的发射和检测 接收电路。在本次设计中单片机采用AT89C51。还采用了12MHz高精度的晶振，以减小 测量误的差。用AT89C51的P1.0端口输出所需的40kHz的方波信号，采用AT89C51实现对 TCT40超声波转换模块和CX20106A芯片的控制。 5 51 1 芯片的功能及其测距原理芯片的功能及其测距原理 5.1.1 AT89C51 的功能特点 AT89C51 单片机主要由中央处理器、存储器、输入输出接口等组成。中央处理器是 单片机的核心部分，它的主要作用是完成运算和控制功能。程序存储器具有存储功能， 使应用程序在开发调试后永久性的存储在程序存储器中。 AT89C51 控制着超声波的发送和接收,串行口发送数据 ,及温度采样频率,并内部计 算转变成温度数据，使在不同温度下的误差最小。LED 显示是共阳极接法的动态循环显 示.利用 DS18B20 取得外界温度后,利于单片机校正不同温度下测距的回波数值.接收电 路接收超声波遇到物体后反射回来的回波信号。该芯片包括了限幅放大、前置放大、 整形和输出数据信号，这样方便了检测判断回波的数据是否正确, 并且能够通过计算 得出距离值. AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压， 8 位高性能的 CMOS 微处 理器，叫做单片机。该单片机采用的制造技术是 ATMEL 高密度非易失存储器制造成的， 它能够与达到工业标准的输出管脚和 MCS-51 指令集相兼容。由于它将 8 位多功能 CPU 处理器和闪烁存储器组合在单个芯片中,AT89C51 是一种高效微控制器外形及引脚排列 如图 5-1 所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 20 页 共 43 页 图 5-1 AT89C51 控制器 AT89C51 有两种可用软件来选择的省电方式：空闲工作方式和掉电工作方式。当处 于空闲方式时 CPU 处于睡眠状态，但片内的其他部件仍然继续工作，而且片内 RAM 的 内容和所有专用寄存器的内容在空闲方式期间都被保留起来。当处于掉电方式时保存 了 RAM 的内容，振荡器停止震荡，禁止芯片其它功能直到下一次硬件复位才能使用。 AT89C51 为许多器材的制造提供了十分灵活和低成本的解决办法。充分的利用了单 片机的片内资源，使我们可以在较少使用外围电路的情况下完成超声波测距。 5.1.2 CX20106 功能特点 CX20106对收到的信号有放大和滤波的作用。如图5-2所示，CX20106芯片的接口图。 CX20106有8个引脚，管脚1是超声波信号输入端；管脚2的电阻和电容决定接收换能器 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 21 页 共 43 页 的总增益，通过增大或者减小电阻电容，确定放大倍数，改变放大器的频率。管脚3与 GND之间连接的电容起到检波作用；管脚5上的连接一个电阻，这个电阻用来设置滤波 器的中心频率；管脚6与GND之间接入一个电容，该电容确定探测距离；管脚7是集电极 开路输出端：管脚8接电源正极。 IN GND 3 2 5 6 OUT VDD CX20106A 图 5-2 CX20106 芯片接口图 5.1.3 单片机实现测距的原理 如图 5-3 所示为超声波的传播图，利用声波发出到接收的时间来测量两者间距离 的。 图 5-3 超声波传播图 因为在中无介质，我们可认为超声波空气中的声速为常数，测量出声波传播时间 T ，利用公式 5-1 即可算出与障碍物之间的距离。 (5-1) 2 T CS 其中，S 为汽车与障碍物距离、V 为超声波在空气中传播声速、T 为超声波从发射到 接收到反射声波所用的时间。 5.1.4 系统的特点 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 22 页 共 43 页 基于超声波技术的汽车防撞系统的设计，由于使用单片机作为控制元件控制整个 系统电路，致使系统操作方便、可靠性高、结构简单并且能够自动控制该系统的的运 行，能够自己检测障碍物。对于当今社会汽车拥挤的这一现状，此项研究对于防止交 通事故的发生具有预防作用。 总体说来，本次设计能够实现测距的功能，报警距离可以人工智能控制，能够产 生方向性好，抗干扰能力强，穿透能力强的声波信号，能够在事故发生前提示报警。 5 52 2 硬件电路设计硬件电路设计和和 PCBPCB 板的制作板的制作 Proteus软件是英国Labcenter开发出版的一款电路分析与实物仿真的软件。它能 够分析、仿真各种芯片和电路。它实现了SPICE电路仿真和单片机仿真相结合。具有数 字电路仿真、模拟电路仿真、外围电路仿真、I2C调试器、RS232动态仿真、SPI调试器 和数码管仿真的功能。并且它可以进行单片机的仿真。它支持大多数单片机的仿真， 例如PIC18系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列等以及各种外围芯片的仿真。 与其它仿真软件相比它不仅具有大众的电路仿真功能，Proteus还能够进行软件调 试。它有单步、设置断点、全速等功能，他可以同时观察各个器件的状态。同时他还 支持别的软件编译。并且它的原理图绘制功能也是非常强大大。 并且还能仿真单片机及一些外围器件。虽然Proteus在中国刚刚推广，但它已受到 单片机研究者的一致好评。它是当前仿真领域上最好用的仿真工具。它能够从原理图、 调试、仿真，一直到PCB板设计，真正实现了从设计到产品制造的一系列程序。总体来 说，Proteus是一款功能强大并且把单片机和SPICE分析集于一体的仿真软件。它使实 现汽车无人驾驶成为可能。 安装好 Proteus 后，运行 ISUS。出现对话框。Proteus ISIS 窗口包括标题栏、标 准工具栏、状态栏、主菜单、对象选择按钮、预览窗口、绘图工具栏、预览对象方位 控制按钮、图形编辑窗口。仿真进程控制按钮、对象选择器窗口等等。 在画电路图时，先在对话框窗口中点击工具箱的元器件按钮，在点击左上方的 P 按钮，就会弹出原器件选择的“Pick Devices” 对话框，在对话框中我们可以吧自己 所需要的元器件选择出来，点击确定就会把器件添加到已使用过的元器件窗口。然后 输入所需原件的名称，这样就能把原件从数据库中调出来，把所有应用到的元器件都 找到后，按照电路图开始连接电路图。 在画电路图是我们能够发现有很多器件没有电源和地线的引脚，其实并不是没有 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 23 页 共 43 页 引脚而是把引脚隐藏了起来，这样在使用时极大方便了使用者，并且电路也会看起来 简单明了。如果在电路设计中需要自己加电源和地线，可点击窗口中的双箭标选择添 加。如图5-4所示。 图 5-4 Proteus 窗口 超声波测距预警系统硬件部分由超声波的接收电路、显示电路、超声波的发射电 路和单片机的外围电路等各部分组成。 使用单片机的P1.0口输出40KHZ的方波信号，经反相器来控制超声波的发送，以达 到超声波换能器所需的震荡条件。利用中断口INT0检测超声波接收电路接收到的返回 信号，当单片机INT0引脚由高电平变为低电平时超声波就已经返回。计数器计出超声 波传播所用的时间，然后算就能够得到与障碍物之间的距离大小。显示电路采用结构 简单的4位LED数码管把测量的距离显示出来，段码采用74LS245芯片驱动，位码用4个 PNP三极管来驱动。 超声波测距预警系统是利用单片机控制超声波的发射接，并自动计时得出超声波 的往返时间，单片机采用的是 AT89C51，这种单片机经济实用，结构简单。并且单片机 内有 4K 的 ROM，方便于编程。 这时就可以使用单片机把各部分设计好的电路图连接起来进行仿真了。超声波预警 系统电路的设计图如附录一汽车预警系统原理图所示。 5 53 3 超声波测距系统元器件清单超声波测距系统元器件清单 在本次设计中使用的元器件主要有单片机 AT89C51，CX20106A,超声波探头，蜂鸣 器，数码显示管等，所用元器件详细清单如表 5-1 所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 24 页 共 43 页 表 5-1 元器件清单 元件名称规格单位个数 电组 1K 只 4 电阻 10K 只 1 电阻 2K 只 5 电阻 200K 只 2 电阻 4.7R 只 1 磁片电容 30P 只 2 磁片电容 330 只 1 磁片电容 104 只 2 磁片电容 473 只 1 二极管 LED 只 2 电解电容 4.7uf 只 3 蜂鸣器蜂鸣器只 1 超声波探头 40T 只 2 三极管 9012 只 5 电源插座电源插座只 1 数码管数码管只 4 集成电路 74HC04 块 1 晶振 12M 只 1 集成电路 CX20106A 块 1 单片机 AT89C51 块 1 开关 RST 只 1 5 54 4 汽车防撞系统实物制作汽车防撞系统实物制作 电路图经过仿真成功后，制作成 PCB 板。 PCB 的制造很复杂，一般都要经过制版、 图形转移、光学蚀刻、过孔和铜箔处理、助焊和阻焊处理等过程。由于设备的不足， 在这次设计中，电路板的制作我没有能够亲自参与，由制板公司代为制做，感觉很遗 憾。电路板制作成功之后，其他元件也都成功买到。在焊接制作工程中，遇到了很多 苦难，由于对器件的不了解，造成了多次焊接错误，在改正错误的过程中了解了很多 的器件，尤为一提的便是焊接技术。在这次焊接中，自己专业的学习了焊接技术，大 大增强了自己的动手能力。 在焊接中，焊点的最佳状态是焊点为等腰三角形，两腰要略凹，并且焊点表面要 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 25 页 共 43 页 光滑并且焊点布满焊盘。在焊接时首先要准备好焊锡丝和烙铁。在加热焊件之前确保 烙铁的热度足够，并且烙铁头部要干净。然后开始加热焊件，把烙铁接触到焊接点要 保证烙铁让整个焊件加热，然后放焊锡丝，当焊锡丝融化满焊盘后，先将焊锡丝移开， 最后在移开烙铁。 图 5-5 汽车防撞系统实物图 6 6 系统调试系统调试 在本次设计中，除了硬件和软件的设计可行之外，软件和硬件的调试也是本次设 计中的重要部分。如果设计的汽车防撞预警系统没有经过软件和硬件的调试可能会直 接导致本次设计的失败。 6 61 1 硬件调试硬件调试 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 26 页 共 43 页 根据本设计中各个模块的原理设计出电路图，用仿真软件进行仿真，仿真成功后 根据仿真图生成 PCB 图，然后制作出来电路板。在制作之前，电路板的检查是很重要 的，在检查中先仔细检查印制板上印制的线条有没有断路和毛刺，焊盘有没有脱落， 是否和别的线粘连等等。然后用万用表检测看起来可疑连接线或者连接点，看它们是 否和设计中规定的一样。用万能表检查每个电源线与地线之间的链接，看有没有出现 短路现象。短路一定要在器件安装之前及时的检查出来。安装完元器件后接通电源， 感觉一下芯片有没有出现发热的现象，如果出现就要立即关掉电源，检测一次。硬件 调试需要经过反复的调试，直到各个模块通过检测没有问题，通过反复检查之后硬件 调试完毕。 6 62 2 软件调试软件调试 软件设计在设计中也是很重要的部分，它是使电路实现功能最为关键的部分。硬 件电路制作完成并且调试好后，就可以将编译好的程序下载到单片机上。在调试中必 须先对程序进行检查，不要直接下载到单片机上，先把程序检查一遍。仔细地检查程 序的语法错误，看是否有漏写东西的地方，通过仔细的检查，把错误改正过来。在检 查之后，在进行调试。在调试中根据提示错误的信息把错误的地方找出来并改正。把 没有语法错误和逻辑错误的程序通过电脑下载到单片机上调试。先把每一个模块