基于单片机的倒车雷达的系统设计.doc

毕业设计(论文)基于单片机的倒车雷达系统设计系 别自动化工程系专 业自动化工程班级学号*姓 名*指导教师*2011年6月10日基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计摘 要目前，随着人民生活的富裕以及政府汽车下乡等相关政策扶持，中国居民购买汽车的数量急剧增加，交通面临极大压力，车主由于实时路况有时不得不倒车改道另行，另一方面，泊车位的缺少让车主必须将车停靠在一些特殊路段。如果后视能力不足，容易引起追尾等交通事故。因此，提高车主的后视能力，研制汽车尾部探测障碍物的倒车雷达是必要的，也是发展趋势。本文利用超声波近距离无接触测距的原理，设计了以AT89S52单片机为核心的倒车雷达系统。该系统由超声波发射模块、单片机处理模块、超声波接收模块、数码显示以及声光报警等模块组成。本文详细介绍了各模块的组成和原理，以及系统工作过程、硬件组成和软件调试。本文共分为五部分，第一部分介绍了设计背景，第二部分是总体设计方案，接下来的三个部分分别对硬件和软件部分进行了详细介绍，最后一部分对毕业设计工作做了一个总结并提出进一步的工作。关键词：AT89S52，超声波测距，倒车Design of Ultrasonic Vehicle Reversing System based on MCU Author：Guo Peng Tutor：Cai LingAbstractIn recent years， as the peoples life and the governments Car Subsidy Program for Rural Areas and so on related policy support， the numbers of Chinese citizens buying cars sharply increased. The traffic face great pressure. Because of real-time traffic， sometimes owners of cars have to reverse the car to change their path. Whats more， the absence of the parking place makes the owners park the car in some special sections. If the cars have insufficient capacity of back vision， it”ll cause on such fundation of traffic accidents easily. Thus， improving the owners ability of back vision， developing the system of reversing radar detecting obstacles is necessary and development tendency.This article is based on the principle of ultrasonic detecting obstacles nearby without touching， designing the reversing radar systems based on AT89S52 singlechip. This system consists of ultrasonic emiting module， SCM processing module， the signal receiving module， digital display and the acousto-optic alarm etc module. This paper mainly introduces the composition and principle of each module in the system， and working process， the hardware composition and software debugging.This paper is divided into five parts， the first part introduces the background of designing， the 2nd part is the overall designing scheme， the next three parts make a detailed introduction of hardware and software， the last part of the work makes a summary and puts forward further work.Key Words :AT89S52 ，ultrasonic detecting ，reverse目 录1 绪论11.1 倒车雷达的研究背景及意义11.2 倒车雷达的发展现状21.3 论文的主要内容32 总体设计方案42.1 超声波测距的相关介绍42.1.1 超声波测距原理42.1.2 超声波测距的实际应用52.2 超声波传感器的相关介绍62.2.1 超声波传感器结构62.2.2 压电陶瓷超声波传感器72.2.3 超声波传感器原理72.2.4 超声波传感器系统构成及工作过程83 系统硬件设计93.1 超声波发射电路93.2 超声波检测接收电路113.2.1 集成电路CX20106A113.2.2 超声波接收电路123.3 AT89S52单片机控制电路143.4 声音报警及LED显示电路163.4.1 声音报警电路163.4.2 LED显示电路164 系统软件设计184.1 软件设计的要求184.2 超声波测距的算法设计194.3 系统程序设计204.3.1 超声波发送子程序204.3.2 超声波接收及中断子程序214.3.3 单片机内部数据处理程序224.3.4 声音报警和LED显示子程序25结 论28致 谢29参考文献30附 录31附录A 倒车雷达系统的设计电路图31附录B 程序清单31附录C 外文资料及翻译341 绪论1.1 倒车雷达的研究背景及意义倒车雷达是一种辅助车主泊车或者倒车的装置，当车主将档位挂入倒档，启动倒车雷达系统时，它能通过发射和接收超声波来探测周围障碍物的情况，并以声音或者影像告知车主，帮助车主了解汽车尾部倒车情况，解除车主视角死角，提高驾驶的安全性，其利用的原理是超声波非接触测距技术。众所周知，关于超声波的研究起于1876年人类首次有效地产生高频声波。这些年来，随着超声波技术的研究不断深入，再加上其具有高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域获得重要应用，而用于汽车倒车雷达却是近年来的事情，借鉴于一些生物通过自身发出的超声波来捕捉猎物的技能。利用超声波作为探测猎物的技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段，也就是生物体发出不被人们所听到的超声波，借助空气媒介传播，由被捕捉的猎物或障碍物反射回来的超声波时间间隔长短判断猎物或障碍物位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定位发射，方向性好，因而人类采用仿真技能开始利用超声波测距。汽车倒车防撞测距报警器，是我国八五期间重点开发的重大科研项目之一，也是汽车六大类汽车电子产品中的一种。其原理就是应用超声波无接触近距离测距，结合声波特性、电子计数和光电显示来实现的非接触式距离测量的方法。近年来，我国居民拥有的私家车数量成几何式速度增长，与之相对应的交通拥堵和汽车停车位的缺少让车主倒车成为难题。超声波测距由于其能够进行非接触测量和具有相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达的发展。国内倒车雷达主流市场已经开始由高档汽车向中低档汽车发展，技术上向着单芯片功能的灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。1.2 倒车雷达的发展现状倒车雷达的快速发展始于20世纪末21世纪初，经过几年的时间，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达大体来说已经经过了三代的技术改良：第一代声音提醒：通过喇叭发音“倒车，请注意”！简单的以声音告知车辆附近的人群注意车辆位置，避免碰撞，对于辅助车主倒车没有实际意义。接着是轰鸣器，这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.8米1.5米处有障碍物，轰鸣器就会开始工作，发出声响提示车主车后有障碍物。第二代影像显示：数码波段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，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有0.8米以上;黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.60.8米;红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到0.6米的距离，你必须停止倒车。接着是液晶荧屏显示。荧屏显示开始出现动态显示系统。车主不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。第三代综合性和人性化倒车雷达：从综合性一体化角度厂家将倒车雷达、彩色液晶显示、免提电话和温度显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。从人性化角度，为便于安装，厂家设计了采用无线连接的倒车雷达，大大简化倒车雷达的安装。根据相关资料显示，倒车雷达在国内发展前景很好，需求量越来越大。主要有以下几个现状：1、汽车销量增加。中国汽车工业协会公布2009年中国汽车产销统计，中国以300多万辆的优势，首次超越美国，成为世界汽车产销第一大国，中国成为全球主要的汽车消费市场。2010年中国汽车产销双超1800万，蝉联全球第一。汽车销量的增加，必将导致倒车雷达需求量的增加。2、车位少、停车难。单位和个人拥有车辆的增加使得市区和住宅小区停车位紧张，停车越来越困难，碰撞时有发生。倒车雷达的使用有助于减少碰撞事件的发生。3、女性驾驶员增多。多数女性驾驶员由于个子小或是胆子小，停车时会非常紧张，因此越来越多的女性驾驶员开始喜欢上倒车雷达。4、城市街道交通拥挤。随着汽车市场的繁荣，城市街道的行车越来越拥挤。倒车雷达，尤其是多探头倒车雷达不仅能在倒车、泊车时提供倒车信息，还可以在行驶时提供前后左右的信息，有助于安全行驶。鉴于以上现状，在中国，倒车雷达的发展有以下几个特点：1、越来越多的车辆在一出厂时就配备倒车雷达起初，倒车雷达只是一些高档车的专利，但是近年来，一些新出厂的中低档车型在配置中也增加了倒车雷达。2、自行安装倒车雷达成为新兴装饰尽管新出厂的中高档甚至部分低价位的经济型轿车大都开始配置倒车雷达，但是，仍有许多中低档车型出厂时没有配置倒车雷达，而且现行中低档车型加装倒车雷达的市场需求越来越大，于是自行安装倒车雷达就成了一项新型的车辆装饰项目。目前，在一些经营汽车配件或装饰美容的商家内，甚至汽车经销商处都可安装倒车雷达。3、品牌众多目前后装市场上倒车雷达的品牌多达几十种，基本上国产品牌占90%，而进口产品较少，以采用24探头的产品居多。目前国内生产倒车雷达的企业很多，以广东省居多。由此可见，倒车雷达在国内发展前景很广阔，充满机遇和希望。1.3 论文的主要内容本文以AT89S52单片机为核心，设计了倒车雷达系统。本系统实现了对倒车雷达测距及显示报警的要求，通过发射超声波，碰到障碍物返回后，接收超声波，计时往返时间，并计算出距离，显示结果和报警。整个系统主要由超声波发射模块、超声波接收模块、单片机处理模块和显示报警模块四大模块组成。超声波发射模块负责发射超声波，超声波接收模块负责接收超声波并将引起的中断信号送到单片机处理模块，单片机处理模块负责超声波发射的启动并计时超声波往返时间，接收中断处理数据算出结果，显示报警模块显示距离，并根据结果报警。2 总体设计方案单片机发出短暂的40kHz的PWM信号，通过超声波探头发射超声波，并由另一个超声波探头接收障碍物反射回来的超声波，经过锁相环检波电路过滤后，由单片机内部定时器测量超声波在车尾与障碍物之间的往返时间，进而计算出车与障碍物之间的距离，并将结果显示在LED上。当在探头探测的一定范围内有障碍物时，蜂鸣器提示报警。2.1 超声波测距的相关介绍2.1.1 超声波测距原理 超声波是一种声波，其在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射。利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S=ct/2，式中的c为超声波波速。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波是频率高于20kHz的机械波，由于其指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播距离远，抗干扰性强，因而可以用于距离的测量。在超声波测距系统中，超声波的频率至关重要。频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40kHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合短距离测量的方式。超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为25KHz300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也比较简单，并在测量精度方面达到要求，同时节能环保高效。因为超声波在空气中的传播速度大约为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用AT89S52，其晶振为12mHz，当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12mHz晶体作时钟基准的AT89S52单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用AT89S52定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。所以在测量精度上可以达到毫米级，适用于倒车雷达的要求。下面是本设计中的原理图：锁相环检波电路放大电路超声波接收器单片机控制定时器显示器超声波发射器放大电路图2.1 倒车雷达测距原理框图超声波发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去;接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度;收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号;记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。2.1.2 超声波测距的实际应用超声波测距作为一种典型的非接触型测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，比如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。2.2 超声波传感器的相关介绍2.2.1 超声波传感器结构超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器;2 磁致伸缩传感器;3静电传感器。流体动力性中包括有气体与液体两种类型的哨笛。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：1、工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。2、工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。3、灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高;反之，灵敏度低。2.2.2 压电陶瓷超声波传感器图2.2 压电陶瓷超声传感器1、适用范围家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置;超声测距及汽车倒车防撞装置;液面探测;超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。2、命名方法TCF4018TR1TC压电陶瓷超声传感器;F类别;T通用性;F防水性;40中心频率kHz;18外径(mm);TR使用方式;T发射;R接受;TR收发兼用;1产品序列号：1、2、33、产品性能(1)标称频率(kHz)：40kHz;(2)发射声压10V(0dB0.02mPa)：95dB;(3)接收灵敏度40kHz(0dBVubar)：-65dB;(4)静电容量1kHz，1V(pF)：1260pF2340pF; (5)探测距离(m)：0.23; (6)6dB指向角：60度; (7)外壳材料：铝;(8)外壳颜色：黑。2.2.3 超声波传感器原理当电压作用于压电陶瓷时，其就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器(所谓叫双压电晶片元件)施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。2.2.4 超声波传感器系统构成及工作过程由超声波发送传感器、超声波接收传感器和电路控制等部分组成。发送器传感器由发送器与陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收超声波波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给超声波接收器。接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。3 系统硬件设计硬件部分主要由单片机系统电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路以及声音和显示报警电路组成。单片机采用AT89S52实现对CX20106A红外接收芯片和TC/R系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停地检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时表示超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波从发出到回收到所经历的时间，通过换算就可以得到汽车尾部与障碍物之间的距离。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三级管8550驱动。下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。3.1 超声波发射电路超声波的发射整个过程分为三部分：产生调制信号、放大调制信号、发送超声波信号：1、产生调制信号：脉冲调制信号由单片机产生，经I/O口输出，AT89S52通过控制P1.0端口发送一组频率约40kHz的PWM波，脉冲发射同时把计数器T0打开进行计时，等待回波反射到接收探头。2、放大调制信号：由于单片机I/O口输出高电平仅为5V，而为使发射传感器能够工作，发射端工作电压就不低于15V，且工作电压越大，超声波的发射距离也越远，因此，在此电路上加功率放大电路，把调制信号放大。3、发送超声波信号：将放大后的调制信号加载于超声波传感器上。超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，产生电路由超声波探头(又称“超声波换能器”)选用压电式，发射电路利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。在本设计中，脉冲发射采用软件方式，利用AT89S52的P1.0口发射40kHz的方波信号，经过放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间。本系统将40KHz方波信号分成两路，分别由74LS04经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。电路图如图3.1所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻R12、R13一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。图3.1 超声波发射电路压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。3.2 超声波检测接收电路3.2.1 集成电路CX20106A集成电路CX20106A是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。常用的载波频率38kHz与测距的40kHz较为相近，可以利用它来做接收电路。CX20106A(国内同类产品型号为D20106A)是日本索尼公司生产的在红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路。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。其主要功能是从38kHz红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加以放大和整形，然后再送到微处理器进行处理，以实现遥控操作功能，其具体引脚图如图3.2所示。图3.2 集成电路CX20106A内部结构图CX20106A的引脚注释：(1)l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。(2)2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7，C=3.3F。(3)3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低;若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F。(4)4脚：接地端。(5)5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。(6)6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。(7)7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。(8)8脚：电源正极，4.5V5V。3.2.2 超声波接收电路超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用与发射端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路进行放大。超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成，可以利用它作为超声波检测电路。(1)前置放大器：它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很大的变化。为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。通过反馈将放大器设定于适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。(2)限度放大器：当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可消除寄生调幅干扰。(3)宽频带滤波器：其频率范围为30kHz60kHz，其中心频率可调。(4)检测器：将返回的超声波的包络解调回来。(5)积分滤波器与整形电路：检测器输出的信号经积分滤波器送到整形电路，输出较好的矩形波。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值;再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号;最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。CX20106A的外部接线图如图3.3所示：图3.3 超声波检测接收电路图3.3 AT89S52单片机控制电路AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型产品，采用了ATMEL公司的技术依靠的Flash存储器，是低功耗、高性能、采用CMOS工艺制造的8位单片机。AT89S52单片机的主要特性如下：(1)8位字长的CPU;(2)可在线ISP编程的8KB片内Flash存储器;(3)256B的片内数据存储器;(4)可编程的32根I/O口线(P0P3);(5)4.05.5V电压操作范围;(6)3个可编程6位定时/计数器; (7)双数据指针DPTR0和DPTR1;(8)具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断系统;(9)可在“空闲”和“掉电”两种低功耗方式运行;(10)3级程序锁定位;(11)全双工的UART串行通信口;(12)1个看门狗定时器WDT;(13)具有断电标志位POF;(14)振荡器和时钟电路的全静态工作频率为030MHz;(15)与MCS-51单片机产品完全兼容。图3.4 AT89S52单片机结构及引脚图52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。单片机实现测距原理：单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离SCt/2，式中的C为超声波波速。根据系统设计要求，各接口功能如下：P1.0:产生输出一个40kHz的脉冲信号，用于测距电路。INT0:产生中断请求，接测距电路。P0.0P0.7：用于显示输出，接LED显示电路。P1.1：接报警电路。3.4 声音报警及LED显示电路3.4.1 声音报警电路声音提示模块采用常见的蜂鸣器设计，蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电。设计中，通过P1.1控制蜂鸣器的发声，当P1.1输出低电平时，蜂鸣器发声，当P1.1输出高电平时，蜂鸣器不发声。图3.5 蜂鸣器简单引脚图3.4.2 LED显示电路显示电路采用简单实用的LED数码管动态显示，段码用PNP三极管驱动，系统显示的距离范围在3米之内，选用4位LED数码管，通过单片机编程实现显示，显示字符由单片机P2口送至锁存器锁存，再经显示驱动芯片去驱动LED数码管显示，P2.0-P2.3分别控制每一位的动态显示，显示数据格式为*，表示距离的*DM数值。超声波测距仪显示模块电路如图3.6所示。通过单片机的21、22、23、24四个管脚的信号控制四个三极管的B极，利用三极管的开关特性，实现数码管的点亮，从而实现动态显示。采用LED动态显示，数据经过单片机芯片的计算后传到LED上，显示精度是分米。单片机AT89S52采用12mHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减少测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz方波信号，利用外中断INT0口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，用于显示车尾障碍物的距离，由单片机P0.0P0.7接LED的八个段码，P2.0P2.3接四位8550的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。段码用上拉电阻驱动，位码用PNP三极管8550驱动。图3.6 单片机及显示系统电路图4 系统软件设计系统各功能模块超声波倒车雷达系统的软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、INT0超声波接收中断程序及显示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：显示和声音报警模块数据处理模块超声波发射接收控制模块单片机系统初始化程序图4.1 系统模块框图1、系统初始化模块：即系统刚上电的时候对系统的各个引脚的电平分配和对各寄存器的初值赋值。2、发射接收控制模块：发射控制模块是软件控制超声波发射电路发射超声脉冲启动定时器工作，同时启动接收电路工作，当接收电路有信号输入时，对输入信号进行处理。3、运算结果处理模块：运算结果处理模块将测得时间进行处理，根据公式计算出距离，然后再将计算得出的数据送至数码显示模块。4、显示和声音报警模块：通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在数码管上。当所测距离小于一定值时，通过声音报警来挺行驾驶员。4.1 软件设计的要求系统设计思路为：当汽车开始倒车时，系统开始初始化，首先对定时器、中断系统及其他参数进行设置，然后发出40kHz的PWM信号，等待接收中断的到来，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数按距离计算公式，即可得被测物体与测距离之间的距离，测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示，通过蜂鸣器发出提示声音，然后再发超声波脉冲重复测量过程。软件采用模块化设计，程序由主程序、超声波发射子程序、超声波接收及中断子程序、LED显示子程序及报警提示子程序组成。主程序除了完成定时器T0、中断源TNT0初始化外，主要实现超声波的巡回发射(调用超声波发射程序)和距离的动态扫描显示;INT0中断服务程序计算车尾距离障碍物的距离数据，该数据一方面交由主程序显示，另一方面与设定值(1m)进行比较，如小于1m，接蜂鸣器报警，否则关闭报警。4.2 超声波测距的算法设计超声波测距的原理：即为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为： (4.1)其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。超声波的指向性强，能量消耗缓慢，遇到障碍物后反射效率高，是测距的良好载体。测距时有安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，由定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波咋介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到发射波立即停止计时。这样，定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t。由于常温下超声波在空气中的传播数的约为340m/s，所以由公式(4.1)知发射点距离障碍物之间的距离为：S=340t/2=170t在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。4.3 系统程序设计主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的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。程序首先完成初始化过程，然后是一个重复的控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，而且每次发射周期结束都判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生了中断，即是否有回波产生来判断程序的流程。工作时，微处理器AT89S52先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。要检测返回信号必须在启动发射信号后1.4毫秒才可以检测，这样就可以抑制输出的干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，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就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。然后再根据现场情况进行声音报警。系统初始化发射超声波无等待检测回波信号有接收信号处理显示测量距离图4.2 系统流程框图4.3.1 超声波发送子程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号(频率约40kHz的方波)，脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打开进行计时。主程序利用为中断INT0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号(INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入中断程序后就立即关闭计时器T0停止计时。超声波发生子程序虽简单，但要求程序运行准确，需要采用汇编语言编程。测距系统中的超声波传感器采用TCF4018TR1的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。fs:mov 45h，#12h ;P1.0发出40kHz方波here:cpl p1.0nopnopnopdjnz 45h，hereret测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号(即INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时。4.3.2 超声波接收及中断子程序超声波接收子程序的作用是接收发射探头发出的超声波遇到障碍物返回的回波，并在接收到回波的时刻置位单片机的INT0口为低电平，产生外部中断，进入中断程序。INT0口接收到外部中断后，计时器T0被关闭，同时T0停止计时。单片机内部A寄存器和B寄存器开始按照程序处理计时器T0中的时间数据。zw:setb f0 ;(INT0中断标志位)retiw:jnb f0，$ ;中断clr tr0lcall _COUNTmov r5，30hmov r4，31hreti4.3.3 单片机内部数据处理程序 由于利用单片机汇编语言计算数据特别麻烦，这里采用汇编调用C语言程序的编程方法来处理数据。汇编程序调用C51函数的要求是：1、符合符号转换规则;2、C51函数构成一个单独的文件;3、在汇编语言文件中，用EXTRN说明C51函数为外部过程。extrn code(_COUNT)org 2000hSTART: ;主程序w:jnb f0，$ ;中断clr tr0lcall _COUNTmov r5，30hmov r4，31hlcall displayjmp startreti其中具体计算用C语言程序处理：#include #include #include #include #define shw DBYTE0x30#define gw DBYTE0x31#define uchar unsigned charuchar time;void count() time=TH0; time=time*256+TL0;/取出定时器0值 time=time*17/10000; shw=time/10; gw=time%10;其在count.a51中的表现形式为：; .count.SRC generated from: count.c; COMPILER INVOKED BY:; F:keil51C51BINC51.EXE count.c BROWSE DEBUG OBJECTEXTEND SRC(.count.SRC)$NOMOD51NAMECOUNT?PR?count?COUNT SEGMENT CODE ?DT?COUNT SEGMENT DATA EXTRNCODE (?C?UIDIV)PUBLICtimePUBLICcountRSEG ?DT?COUNT time: DS 1; #include ; #include ; #include ; #include ; #define shw DBYTE0x30; #define gw DBYTE0x31; #define uchar unsigned char; uchar time; void count()RSEG ?PR?count?COUNTcount:USING0; SOURCE LINE # 11; ; SOURCE LINE # 12; time=TH0; SOURCE LINE # 13MOV time，TH0; time=time*256+TL0 ;/取出定时器0值; SOURCE LINE # 14MOV time，TL0; time=time*17/10000; SOURCE LINE # 15MOV A，timeMOV B，#011HMUL ABMOV R7，AMOV R6，BMOV R4，#027HMOV R5，#010HLCALL?C?UIDIVMOV time，R7; shw=time/10; SOURCE LINE # 16MOV A，timeMOV B，#0AHDIV ABMOV R0，#030HMOV R0，A; gw=time%10; SOURCE LINE # 17MOV A，timeMOV B，#0AHDIV ABINC R0MOV R0，B; ; SOURCE LINE # 18RET; END OF countEND4.