（计算机应用技术专业论文）多功能汽车保护仪的设计与实现.pdf

人庆石油学院硕士研究生学位论空多功能汽车保护仪的设计与实现捅要随着我国经济的发展，人民生活水平的不断提高，轿车的产销量也在日益增长，竞争日趋激烈。汽车的安全性、舒适性，操作的简便性。功能的完备性己成为用户选择的重要依据。国内外已有的汽车保护产品功能相对单一，或者操作复杂、使用不便。本文基于现有成熟的嵌入式技术，研究开发一套实用性强的多功能汽车保护仪。多功能汽车保护仪的设计与实现。综合运用了计算机软件、硬件技术、电子技术、传感器技术、检测技术、数据处理理论、嵌入式系统理论等多学科的知识。其利用单片机，采用c a n 总线结构及传感器数据采集与检测原理，实现汽车的防盗、防碰及日常维护。其中对于超声波测距的研究是本课题研究的重点。为提高系统的稳定性与可靠性，以及便于功能的扩充与维护，系统的抗干扰设计是本课题研究的难点。论文首先介绍了选题的背景及意义，然后提出了系统的整体设计思想，据此进行软硬件的选择及系统的实现。接着对系统硬件电路的设计进行了详细介绍。指出该系统包括四大功能模块：超声波测距，温度检测，驾驶室内酒精含量检测以及密码保护。同时用p r o t e l 软件设计了系统的硬件电路图。单片机软件采用c 5 1 高级语言设计，编译器采用伟福公司的w a v e 6 0 0 0 仿真器软件，克服了以往用高级语言编写的程序效率不高、代码长、执行速度慢的缺点，大幅提高了工作效率。最后，论文给出了系统的测试结果，测量精度和实时性都达到了预期要求，具有很好的应用前景。关键词：汽车传感器嵌入式系统测距抗干扰a b s l 似( 玎t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i f u n c t i o na u t o m o b i l ep r o t e c t i o nd e v i c ea b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yo fo u rc o u n t r ya n dt h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h eo u t p u to ft h ec a ri si n c r e a s i n ga n dt h ec o m p e t i t i o ni sb e c o m i n gf u r i o u s s ot h es e c u r i t y , e a s i n e s s ，o p e r a t i o n a lf a c i l i t y , a n df u n c t i o n a lm a t u r i t yo ft h ec a rh a v eb e c o m et h ef o c a lp o i n t sw h e nu s e r sw a n tt ob u yac a l a u t o m o b i l ep r o t e c t i o np r o d u c t so fd o m e s t i ca n do v e r s e a sh a sas i n g l ef u n c t i o nr e l a t i v e ，o rc o m p l i c a t e dt oo p e r a t e ，u s ei n c o n v e n i e n c e t l l i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ee x i s t i n gm a t u r ee m b e d d e dt e c h n o l o g y , r e s e a r c ha n dd e v e l o pas e to f s t r o n gm u l t i - p u r p o s eu t i l i t yv e h i c l ep r o t e c t i o nd e v i c e s t h cd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i f u n c t i o na u t o m o b i l ep r o t e c t i o nd e v i c e i n t e g r a t e du s eo fc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g y , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y ,t e s t i n gt e c h n o l o g y , d a t ap r o c e s s i n gt h e o r y , p l u g i ns y s t e m st h e o r y , i n t e r d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e i t su s em i c r o c o n t r o l l e ra n dc a l lb u ss t r u c t u r ea n ds e n s o rd a t ac o l l e c t i o na n dt e s t i n gt h e o r i e s ，t h ea c h i e v e m e n to fv e h i c l ea n t i t h e f ta n da n t i t o u c ha n dr o u t i n em a i n t e n a n c e f o ru l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n ts t u d yw h i c hj st h ef o c u so f t h i sr e s e a r c h t oe n h a n c es y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ,a n df a c i l i t a t et h ee x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c ef u n c t i o n s ，t h es y s t e md e s i g no ft h ea n t i i n t e r f e r e n c ei sad i 历c u l t a tf i r s t ，t h ep a p e r si n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es e l e c t i o no fs u b j e c t s ，a n dt h e nm a d et h eo v e r a l ls y s t e md e s i g nc o n c e p t s ，a n dt h ec h o i c eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rt h i ss y s t e mc a l lb ea c h i e v e d p r o c e e d e dt ot h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nad e t a i l e db r i e f m g n o t e dt h a tt h es y s t e mi n c l u d e sf o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s ：u l t r a s o u n dr a n g i n g ，t e m p e r a t u r et e s t i n g ，i n d o o rd r i v i n ga l c o h o lt e s t i n ga n dp a s s w o r dp r o t e c t i o n a tt h es a m et i m e ，w eu s e dp r o t e ls o f t w a r et od e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i tf i g u r e u s i n gc 51a d v a n c e dc o m p u t e rl a n g u a g et od e s i g nt h es o f t w a r eo ft h em i c r oc o n t r o l l e r , a n du s i n gw a v e 6 0 0 0s i m u l a t i o nd e v i c es o f t w a r ea sc o m p i l e rw h i c hw a sd e v e l o p e db yw e if uc o m p a n y t h ec o m p i l e rc a no v e r c o m em u c hp r e v i o u sd i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o we f f i c i e n c y , l o n gc o d e ，l o we x e c u t i o ns p e e d i ta l s oo v e r c o m em u c hd i s a d v a n t a g eo fu s i n gc r a b b e da s s e m b l el a n g u a g e ，a n di n c r e a s ew o r ke f f i c i e n c yi nal a r g ee x t e n t a tl a s t ，t h ei s s u eg i v e st h ec o n c l u s i o no fe x p e r i m e n t a t i o n i n d i c a t i n gb yt h ee x p e r i m e n t a t i o n ，t h es y s t e mh a st h e s t a b l ec a p a b i l i t y , m e a s u r e m e n tp r e c i s i o nw h i c hh a v er e a c h e dt h ea n t i c i p a t er e q u i r e m e n t ，a n dh a sag o o dp r a c t i c a lf u t u r e k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ，s e n s o r , e m b e d d e ds y s t e m ，d i s t a n c e m e a s u r e m e n ta n t i i n t e r f e r e n c e大庆石油学院硕士研究生学位论文刖置一、研究内容所属领域、研究范围汽车保护仪的设计与实现，综合运用了计算机软件、硬件技术、电子技术、传感器技术、检测技术、数据处理理论、嵌入式系统理论等多学科的知识。其利用单片机，采用c a n总线结构及传感器数据采集与检测原理，实现汽车的防盗、防碰及日常维护。其中对于汽车防碰的研究是本课题研究的重点和难点。为提高系统的稳定性与可靠性，以及便于功能的扩充与维护，系统软件部分拟采用面向对象和嵌入式系统的相关技术来设计。本课题属于计算机控制应用技术的研究领域。二、研究题目的理论意义及应用价值随着社会的发展，汽车的拥有量越来越多，它给人们的工作和生活带来了非常大的便利，但在使用中也给人们带来了自身安全和本身安全相关的很多的问题。例如在北方冬季的寒冷和南方夏季的炎热，都存在热车和冷车的问题。北方的冬季和南方夏季气温变化较大，不论是高温还是低温不但对汽车的寿命有影响，也给人员的身心健康带来了极大的威胁。另外，由于交通方面的不确定因素较多，对驾驶员的人身安全存在极大威胁。因此，对汽车保护的研究是直接关系到人们身心健康的大事，有广泛的社会效益和长远的经济效益。本课题拟在综合运用多学科知识方面作一些有益的探索。三、本人对选题在学术上的看法l 本课题是计算机技术、电子技术、传感器技术、检测技术、数据处理技术及嵌入式系统理论等多学科知识的综合运用，有相当的学术意义；2 在日常生活中，汽车的保养与维护对于有车一族来说是一个非常关心的话题，由于汽车本身故障及驾驶员本身素质的原因，汽车的事故率越来越多，真正实现对汽车的保护对个人和社会都有着深远的意义，同时也具有相当的社会、经济效益；3 随着社会的进步，嵌入式系统的开发已经成为计算机应用的一个重要分支，该系统的设计与实现融入了嵌入式系统领域的先进技术，以提高系统的整体性能；4 单纯的计算机软件开发已经远远不能满足社会进步以及经济发展的需要，因此计算机理论与自动控制理论及先进电子技术的结合能够更好的满足这种需求，能够更大的推动计算机技术的发展：1 1 问题的提出及选题意义第一章概述自从1 8 8 6 年1 月2 9 日卡尔本茨发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近1 2 0 年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。随着人类社会的不断发展与进步，汽车的普及和应用将更加普遍。随之带来的道路交通安全问题也已成为世界性的大问题。据联合国世界卫生组织最新一期的世界灾难报告报道：目前，全球每年有超过1 3 0 万人死于因汽车引起的道路交通事故，伤残人数更是高达3 0 0 0 多万，即平均约每2 5 s 左右就有1 人因道路交通事故而丧生，约每秒就有1 人因道路交通事故而受伤或致残。道路交通事故仅位于心脑血管疾病、呼吸系统疾病和恶性肿瘤之后，已经成为威胁人类生命的第4 大杀手。全球每年因道路交通事故造成的直接经济损失高达5 8 0 0 多亿美元，其中发展中国家损失超过1 2 0 0 亿美元，是发展中国家每年接受援助额的2 倍多。因此，汽车的安全性能对人类生命和财产安全的影响是不言而喻的。在世界汽车工业1 2 0 年的发展史中，汽车安全1 2 1 技术始终是商家们优先考虑的问题，他们一直在不懈努力，不断推陈出新，使汽车安全技术的研究和汽车安全新装备的应用随着汽车工业的发展发生了同新月异的变化，从最初的保险杠、减振系统、乘员系绊系统、安全气囊到汽车碰撞实验、车轮防抱死制动系统( a a s ) 、驱动防滑系统( a s r ) ，再到无视差无盲点安全后视镜、儿童限动系统、行驶巡航系统等的研究，汽车的安全性能正日臻完善。特别是近几年，随着现代科学技术的迅猛发展和人类生活水平的快速提高。人民对当代汽车的安全性能、舒适性能提出了更高的要求，机电一体化技术、微电子技术、信息处理技术、自动化智能化技术等越来越多的先进技术、先进装备在汽车上得到广泛应用使当代汽车安全技术和安全性能又有了飞跃性的发展，有些新技术和新装备更是令人耳目一新。汽车的保护体现在汽车使用过程中的一些提高安全性的措施以及日常保养和维护。集成的主、被动安全系统能实现更强的安全性能，最大程度地保护车辆、乘员乃至行人的安全，其价值远远超过了各自独立、互不相干的防护系统，汽车安全系统的集成化【3 l 是一股势不可挡的趋势。随着社会的发展，汽车的拥有量越来越多，它给人们的工作和生活带来了非常大的便利，但在使用中也给人们带来了自身安全和本身安全相关的很多的问题。例如在北方冬季的寒冷和南方夏季的炎热，都存在热车和冷车的问题。北方的冬季和南方夏季气温变化较大，不论是高温还是低温不但对汽车的寿命有影响，也给人员的身心健康带来了极大的威胁。另外，由于交通方面的不确定因素较多，对驾驶员的人身安全存在极大威胁。因此，对汽车保护的研究是直接关系到人们身心健脓的大事，有广泛的社会效益和长远的经济效益。本课题拟在综合运用多学科知识方面作一些有益的探索。大庆石油学院硕士研究生学位论文1 2 国内外现有系统的发展状况1 2 1 国内状况国内的研究主要集中在被动安全技术方面。被动安全技术【4 1 是指在车辆发生交通安全事故后，通过车内的保护系统( 如吸震装置、联动锁紧装置及其他附属装置等) 来有效地保护驾乘人员，尽量减少损伤的程度，包括对车上乘员和车下行人的保护。目前，使用最广泛的主要有乘员系绊系统( 安全带) 和碰撞吸震系统( 各种安全气囊) 。先进的乘员系绊系统和安全气囊技术，在车辆发生事故时对乘员的保护是至关重要的，能有效地避免或减轻事故对驾乘人员的损伤。另外，高强度防撞车身的研究以及新材料、新工艺、新技术的大量应用，使汽车大批量使用轻量化材料更加可行。减轻质量不仅对提高安全性有重要意义，还具有潜在的环保效益。传统的被动安全技术只能对车内乘员起到一定的保护作用，而新兴的汽车将更加注重人、车与环境的融合，因此对行人的保护也成为当今汽车设计者研究的课题之一。目前己广泛采用的汽车主动安全技术主要安全带、安全气囊、高强度车身、自助求救系统等。1 2 2 国外状况与国内相比，国外的优势在于二方面，一方面是在被动安全技术的研究方面已经很成熟，并且已经广泛应用到当今的汽车生产中；另一方面优势在于他们已经制定了很多汽车工业的标准，虽然这些标准各有各的特点，但是他们对更好地提高汽车的安全性能起着非常重要的作用。自1 9 8 0 年起。众多国际知名汽车公司开始积极致力于汽车网络技术的研究及应用。汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题，使车身布线( 趋于) 更规范化、标准化，降低了成本，增强了稳定性。迄今为止，已有b o s c h 的c a n 、s a e 的儿8 5 0 、i s o 的v a n 、p h i l i p s 的d 2 b 和l i n 协会的l i n 等多种网络标准1 5 1 。根据“汽车理论”和“汽车设计”的概念，所谓主动安全技术就是在汽车的设计和制造时，对汽车的内、外部结构进行合理有效的设计，采用更先进的技术和装备，主动预防、避免或减少汽车在行驶过程中发生事故，以提高汽车的主动安全性能。俗话说：防患于未然。通过提高汽车的主动安全技术和安全性能，可以最有效地减少道路交通事故的发生，从而可以从根本上降低道路交通事故对人类生命及财产安全造成的危害，因此，汽车主动安全技术是当今汽车研发的重点研究领域1 6 j 。1 2 3 嵌入式系统简介1 嵌入式系统的定义嵌入式系统是指以应用为中，t l , ，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，从而能够适应实际应用系统中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统1 7 1 。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。嵌入式系统的概念出现在2 0 世纪7 0 年代。当时，以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性的特点，引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，并配置各种外围接口电路( 如a d c 、d a c 、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等) 来实现对对象体系的智能化控制。因此，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这是理解嵌入式系统的基本出发点。2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点是由定义中的三个基本要素衍生出来的，即“嵌入性”、“专用性”、“计算机系统”。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境( 小型) 、电气，气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路【酣。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已有上千种之多。其中，我们最为熟悉的是8 0 5 1 和6 8 h 结构的产品。嵌入式系统的处理器可以分为两大类：一类是采用通用计算机的c p u 为处理器，如x 8 6 系列；另一类为微控制器和d s p ，微控制器具有单片化、体积小、功耗低、可靠性高、芯片上的外设资源丰富等特点，成为嵌入式系统的主流器件。1 。3 嵌入式系统的种类与发展按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级( 工控机) 、板级( 单板、模块) 、芯片级( m c u 、s o c ) 【1 0 1 。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。在探索单片机的发展道路时，有两种模式【“l ，即“模式”与“创新模式”。“模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。i n t e l公司的m c s 4 8 、m c s 5 i 就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统( 单片微型计算机) 。m c s 5 l 是在m c s 4 8 探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的工f 确道路，m c s 5 1 的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系【l ”。单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，经历了s c m 、m c u 、s o c 三大阶段。( 1 ) s c m 即单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了s c m 与通用计算机4人庆石油学院硕士研究生学位论文完全不同的发展道路。在丌创嵌入式系统独立发展道路上，i n t e l 公司功不可没。( 2 ) m c u 即微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展m c u 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，i n t e l 逐渐淡出m c u 的发展也有其客观因索。在发展m c u 方面，最著名的厂家当数p h i l i p s 公司。p h i l i p s 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将m c s 5 l 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记i n t e l 和p h i l i p s 的历史功绩。( 3 ) 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向m c u 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此。专用单片机的发展自然形成了s o c 化趋势。随着微电子技术、i c 设计、e d a 工具的发展，基于s o c 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。1 3 论文的主要工作嵌入式技术是2 l 世纪最有生命力的新技术之一，目前己广泛应用于社会生活的方方面面。现在，嵌入式产品已经在很多领域得到广泛的使用，如国防、工业控制、通信、办公自动化和消费电子领域等。本论文主要研究嵌入式系统在提高汽车安全方面的应用主要迸行超声波测距、酒精含量检测、温度检测以及密码保护几个模块的设计，从硬件的选材到电路的设计以及软件的实现都经过了精心的设计。并对这些模块在仿真器上运行、测试。设计并实现了超声波测距子系统，用于近距离障碍物的检测。能够控制超声波传感器发射并接收超声波信号，对采集到的数据进行分析，得出障碍物的距离，并与系统设定的l 临界距离进行比较，在一定的情况下给出报警信息。设计并实现了气体中酒精含量检测系统，检测驾驶员呼吸酒精含量，如果超标，启动保护系统切断汽车供油，供电。包括传感器和单片机控制部分。实现信号采集、传感器加热控制、串口通信等多个接口电路。设计并实现了温度检测子系统，主要完成驾驶室环境温度的检测，根据采集到的温度信息，和事先设定好的温度的上下限，控制相应的调节温度的开关，实现驾驶室内温度的控制。设计并实现了汽车的防盗电子密码锁，他由一系列按键和密码比较电路组成，可以进行密码设定，密码比较以及丌关锁控制，当用户输入错误的密码时，使汽车的发动机无法启动，实现汽车的防盗功能。依据软件工程化的思想，设计并编制系统所需的软件，使其能够完成数据采集、数据处理、反馈处理结果。单片机部分软件采用单片机语言c 5 1 编写，可支持脱机工作和联机工作两种模式。1 4 关键问题及创新由于本系统中包含很多的信号采集系统，这些信号的采集是通过传感器及控制芯片完成的，所有的这些硬件都属于电子产品，容易受外界因素( 温度、湿度、电信号等) 的干扰，这些干扰将直接影响系统的信号采集的真实性，因此如何解决抗干扰问题，提高系统的测量精度和使用的可靠性成为本系统的一个重点要解决的问题。在超声波测距子系统中，环境温度直接影响系统的测量结果，为了提高系统的测量精度，本系统在设计时从两方面入手进行考虑，一是在系统工作的同时采集当前环境的温度，将这个值应用到距离的换算公式当中，即采取温度补偿的办法。虽然采用温度补偿可以提高系统的精度，但前提是系统所采集到的温度是准确的，实际上在温度的采集过程中误差也是存在的，因此系统从另一方面进行考虑，即将b p 神经网络应用到距离的测量当中以减少温度对测量结果的影响。但由于嵌入式系统中的存储器容量相对较小，所以在实现时先是在p c 机上对采集的数据进行训练，最后得到一个经验公式，将这个公式应用到系统的实际测量中，效果比以往的测量系统要好。大庆石油学院硕士研究生学位论文第二章系统的整体设计2 1 系统的整体设计思想本系统的主要目的是要设计并实现一个集超声波测距、温度检测、酒精含量检测、密码保护于一体的多功能的汽车保护仪。根据系统的特点将其划分为多个小的模块，每一个小的模块在功能上都是一个相对独立的系统，在设计时每个模块单独进行设计。同时为了实现各模块之前的数据通信，采用汽车总线标准里比较流行的c a n 总线将各个模块连接起来，实现了对各个模块的统一管理和信息的共享。每个模块都有自己的微处理单元，用于对传感器进行控制。同时，系统将采集的信息通过总线传至中央处理单元，经过加工处理，完成信息的显示以及报警等功能。根据以上设计思想，确定多功能汽车保护仪的系统的硬件设计。2 1 1 硬件方面1 单片机控制单元对于单片机控制单元部分来说，选择合适的器件构建系统是非常必要的。随着m c s 5系列单片机性能价格比的提高和品种的增加，使它的使用范围不断扩大，甚至已经可作为一个普通器件嵌入到各种工业测控系统和民用电器之中。因此，在确定设计方案时，单片机选用了m c s 5 1 系列的8 0 c 5 1 f 1 3 】作为系统的控制芯片一。m c s 5 1 是由1 n t e l 公司推出的高档8 位单片机系列产品。该产品包括8 0 3 1 1 8 0 5 1 8 7 5 l 和8 0 3 2 8 0 5 2 以及相应的c m o s工艺芯片，还包括以8 0 c 5 1 为代表的新一代单片机和p h i l i p s ，a m d ，a t m e l 等公司的多种兼容产品。表2 1 列出了m c s 5 1 的数据存储器( r a m ) 和程序内存( r o m ) 容量。系统的接体设计表2 - 1 数据存储器与程序内存容量t a b l e2 - 1d a t am e m o r ya n dp r o g r a mm e m o r yc a p a c i t y内部程序内部数据外部程序外部数据单片机内存存储器内存存储器8 0 3 1无1 2 8 b最大6 4 k b最大6 4 k b8 0 5 14 k b ( r o m )1 2 8 b最大6 0 k b最大6 4 k b8 7 5 14 i c a ( r o m )1 2 8 b最大6 0 k b最大6 4 k b8 0 3 2无2 5 6 b最大6 4 k b最大6 4 k b8 0 5 28 k b ( r o m )2 5 6 b最大5 6 k b 最大6 4 k b在m c s - 5 1 内部，都有4 个8 位的并行i o 端口和一个可全双工通信的串行t o 端口。并行f o 端口既可按照字节访问，也可按位访问。串行i o 端口可通过软件编程设定4 种工作方式i l ”。它的程序存储空间与数据存储空间相互独立，均可寻址6 4 k b 外部数据存储器空间。对于程序内存，不同芯片的内部存储器容量不同，可寻址的外部程序内存也不同，但最大可寻址的内外总空间认为6 4 k b 。进行外部内存扩展时，采用分组技术，可使外部程序内存和数据存储器的容量都超过6 4 k b 。2 c a n 总线控制芯片本系统的c a n 总线控制芯片采用s j a l 0 0 0 1 5 】，通过单片机初始化后，s j a l 0 0 0 就可独立工作，通过检测总线上的电压信号，及内部特殊的寄存器内容控制器就完成数据的打包、解包、错误的鉴定等一系列功能，下面简要介绍c a n 控制器s j a l 0 0 0 。s j a l 0 0 0 是由p h i l i p s 公司研制的，。主要用于自动控制和通信工业用的8 位高性能微控制器，它是p h i l i p s 上一代控制器p c a 8 2 c 2 0 0 的替代品，其基本特征有扩展的接收缓冲器6 4 字节先进先出、支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 协议、支持1 1 位和2 9 位标识码、通信速率可达1 m b p s 、通信距离最高可达1 0 公里、2 4 m h z 时钟频率、可编程的c a n 输出驱动器配置。根据c a n 协议，s a j l 0 0 0 可分别支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 两种模式，本系统使用的是p a l i c a n 模式( c a n 2 佃) 通常也被称作扩展模式。s j a l 0 0 0 之所以能完成复杂的电路数据流错误检验，主要归功于其内部大量分工合作的寄存器。这些寄存器主要包括模式寄存器、状态寄存器、中断寄存器、中断使能寄存器、总线时序哿存器、输出控制寄存器、总裁丢失捕捉寄存器、错误代码捕捉寄存器、错误报警限额寄存器、发送错误计数器、接收错误计数器、时钟分频寄存器以及接收缓冲器、发送缓冲器等寄存器，由于这些寄存器的存在，s j a l 0 0 0 控制器通常被看作外部r a m 来访问。3 开发器、仿真头、编程器开发器选择南京伟福公司生产的e 6 0 0 l ，仿真头采用伟福公司生产的p o d 8 9 5 2 ，编程器采用广州周立功公司生产的e x p e r tp r o 一1 。大庆石油学院硕士研究生学位论文器采用广州周立功公司生产的e x p e r tp r o i 。2 1 2 软件方面k e i lc 5 1 是美国k e i ls o f t w a r e 公司出品的5 1 系列兼容单片机c 语言软件开发系统【l “，与汇编相比，c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用c 来开发，体会更加深刻。k e i lc 5 1 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全w i n d o w s 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到k e i lc 5 1 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在丌发大型软件时更能体现高级语言的优势。2 _ 2 系统的总体结构系统的总体结构如图2 1 所示。系统的四个独立的模块完成数据的采集和处理，他们之间通过c a n 总线进行相互之间的数据通信，以实现数据的共享。上位机可以发出控制指令控制c a n 总线的数据的收发，在整个系统中起总控作用。图2 - 1 系统总体结构f i g u r e2 - 1o v e r a l ls t r u c t u r eo f t h es y s t e m系统的实现3 1 超声波测距子系统第三章系统的实现障碍物判别系统是从机器人的环境探测系统发展出来的。逐渐应用到其他领域，其中很多应用在车辆上，作为障碍物防撞判别系统。环境探测系统的探测方式很多，用到的传感器类型也较多，超声波测距传感器只是其中的一类。超声测距是一种非接触式的检测方式l l7 1 。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。论文在选题时曾经把测距系统分为车前测距和车后测距两部分，车前测距系统主要用于判断在低速行驶时汽车前方有无障碍物，给出预警信息，可以是声音提示也可以指示灯提示。车后测距部分主要用于倒车保护，当驾驶员在泊车的时候判断车身后方的障碍物，根据障碍物的距离实时给出数字显示的信息。由于这两部分测距在原理上是一样的，只是传感器安装的位黄不同，因此在设计过程中将这两部分统一为测距予系统。3 1 1 超声波传感器的应用和发展现状众所周知，超声波测距技术由来已久，已在一些领域得到应用。例如利用超声波技术的自动测距照相机、建筑上使用的手持式墙面测距仪。这些仪器的组成是较为简单的，通常由超声波测距传感器( 分为收、发分体式和一体式) 和电子元器件组成l i 。由于这样的仪器功能不强，现在已逐渐淡出人们的生产生活中。近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器( 单片机) 的出现，使超声波测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高。而且为超声波测距技术的应用开辟更大的空间。人们首先设计出了基于单片机的超声波测距系统，这样的系统如雨后春笋般层出不穷，国内外的许多科研单位、厂家研制生产了这样的测距仪。但有些场合，只装备单个传感器系统已不能满足人们的需要了，于是就有了多个传感器组成的列阵。支持这类系统的技术是近年来从军事上发展的多传感器信息融合技术、数字信号处理技术、人工神经网络等高新技术。国内的科研单位也在进行这方面的科研工作。例如：北京中科院自动化研究所的研制基于d s p 的多超声波测距数据采集处理系统；中国矿业大学信息工程院将多超声波传感器列阵应用于矿井下的机器人；国防科技大学自控系设计用于自主车绕障的超声传感器线阵。而这些系统大多是为自主移动机器人而开发的。另外，在国外改进超声波传感器的工作也有所进展，在美国已经有人采用光纤传感器来收集超声波传感器列阵的庞大信息。1 0大庆石油学院硕士研究生学位论文超声波发生器主要包括两大类【1 9 l ，一是用电气方式产生超声波，包括压电型、磁致伸缩型和电动型：另一类是用机械方式产生，包括加尔统笛、液哨和气流旋笛。目前较为常用的是压电型超声波发生器。3 1 2 测距原理测距原理如图3 - 1 所示。f i - y e 超声波传感器向空气中发射声脉冲，声波遇到被测物体反射回来，若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲之间的时问差t ，利用s = 圭u t ，目标图3 - l 测距原理幽f i g u r e3 - 1d i s t a n c em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s即可算得传感器与反射点间的距离s 。测量距离d ：，f 。：一笠，若s h 时，则d 。s ，本系v统采用收发同体传感器，故h _ o ，所以d = s = 圭u f 。常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为v ：r r _ f r ，式中“为气体摩尔质量、r 为气体的比热比、v r 为气体常数、t 为热力学温度。对于一定的气体r 、u 为定值。由公式可知，声速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3 3 1 4 5 耐s ，空气中声速表达式为v = 3 3 1 4 5 嚣( 埘，s ) ，由实验分析得距离计算公式为5 = 翌上茅坐v 0 2 + 7 2 3 7 3 1 6 1 6 ，式中n 为计数个数、，为参考频率、e 为摄氏温度、s 为距离【2 0 1 。3 1 3 系统结构及工作原理由a t 8 9 c 5 1 单片机编程送出4 0 k h z 频率的方波信号至信号处理器，信号处理器通过两级放大。再经过超声波传感器将信号发射出去口”，该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时，超声波传感器将接收到的回波，通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列系统的实现常见电路的处理，送至单片机处理。显示器的声音告警频率、发光二极管方位指示及障碍物距超声波探头的距离显示均由单片机控制。总的工作原理如图3 - 2 所示。3 1 4 硬件设计发射超声波接收回波亩波传感器号处理篮一兀微h 里壹墨重处i理i器f 一声音报警图3 - 2 工作原理图f i g u r e3 - 2w o r k i n gp r i n c i p l e s超声波测距仪的硬件电路如图3 3 所示。a t 8 9 c 2 0 5 1 通过外部引脚p 1 6 输出脉冲宽度为2 5 0us ，载波为4 0 k h z 的1 0 个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，p 1 7 输出一个高电平启动，给电容c 4 充电。发射结束时高电平翻转为低电平，c 4 开始对i 毪、r 3 组成的分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大。这是一个高增益、低噪声放大器；在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。发射时p 1 7 输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测 2 2 1 。2大庆石油学院硕士研究生学位论文图3 - 3 硬件电路图f i g u r e3 - 3h a r d w a r ec i r c u i t s我们把超声波发射传感器的电源用可编程序控制器( p l c ) 继电器来控制，打开继电器就使发射传感器工作，开始发射超声波信号。发射延时一段时间，为了产生一段时侧的超声波信号，然后停止，以免干扰后续的超声波信号。超声波接收传感器通过传感器接口电路与可编程序控制器( p l c ) 的信号输入口相联，每一个信号输入口就是一个信号采集通道。打开这些采集通道就意味着，让p l c 开始收集超声波回波信号了。我们初始设置这些采集通道处于低电平状态。当收到回波信号后，会变为高电平，发生跳变。然后利用中断程序来处理。系统的实现中断程序采用输入捕捉中断。当外部事件和信号发生变化时，在指定的输入捕捉引脚上发生一个指定的跳变沿。p l c 中的定时计数器捕捉到特定的跳变沿后，把运行计数器当前的值输入到可编程序控制器p l c ，并产生捕捉中断，利用该中断可方便的记录回波信号的时间计数值。声光报警电路是采用发光二极管和扬声器来对所设置的报警距离实施报警。以向驾驶员提出警示。键盘和显示电路。显示电路是用来对所测得的结果进行实时显示，键盘电路是用来对最大测距、最小测距以及有关参数进行设置。3 1 5 软件设计由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近，当发射超声波时，接收传感器会收到很强的干扰信号。为防止系统的误测，在软件上采用延迟接收技术。以此提高系统的抗干扰能力。当起始键按下，即发送发射超声波的指令，控制系统开始执行程序，完成对温度的采集、发送、接收超声波的时问间隔的测量；最后通过数值处理程序计算出被测距离，送显示器显示。本系统软件采用模块化设计，由系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块组成。主程序流程图如图3 - 4 所示。4图3 - 4 主程序流程图f i g u r e3 - 4f l o w c h a r to fm a i np r o g r a m大庆石油学院硕士研究生学位论文3 1 6 控制系统的可靠性设计1 硬件方面采取了以下抗干扰措施：( 1 ) 输入输出通道采用光耦隔离干扰信号。( 2 ) 采用了合理的接地措施，以防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。( 3 )采用了输入输出驱动法和降低输入阻抗法，以削弱或抑制反射波的干扰。( 4 ) 在硬件电路中，采用了滤波电路和退耦电路，以削弱或抑制瞬变噪声的干扰。( 5 ) 利用了t l 7 7 0 5 构成电源监视电路，使单片机系统在掉电时能自动保护现场数据。( 6 ) 在设计和制作电路板时，采取了相应的抗干扰措施。2 软件方面采取了以下抗干扰措施：( 1 ) 由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取了使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱等。( 2 ) 采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的干扰信号。输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲，作用时间很短，当控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以有效抑制时，采用了输入口信号重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的。( 3 ) 采用了输出口数据刷新方法。( 4 ) 本报警器硬件电路中，使用了8 1 5 5 芯片，工作模式或控制字可能因噪声干扰等原因受到破坏，使系统输入输出状态发生混乱，在设计中，对有关功能重新设定一次。确保接口的可靠工作。整个报警器系统由档位控制，当汽车置于倒车挡时，启动车后测距仪工作，置于其它挡时，启动车前测距仪工作。在环境温度为2 0 5 0 c 的范围内，测量误差为几个厘米，这个误差能满足正常倒车的需要。因为本设计所采用的超声波传感器的辐射范围是6 0 。所以在安装时，车前后各需要安装3 4 个超声波传感器，这样才能覆盖整个范围。3 2