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基于超声波传感器的车距实时检测与提示系统毕业论文基于超声波传感器的车距实时检测与提示系统毕业论文 目 录 引言 1 1 绪论 2 1 1 课题背景和意义 1 2 课题研究的内容 2 系统设计的理论基础与总体方案 3 2 1 超声波的理论基础 3 2 2 超声波传感器 T R40 16 的介绍 4 2 3 系统总体设计 6 2 4 各模块方案比较 7 3 系统硬件电路的设计 8 3 1 单片机控制系统设计 8 3 2 超声波发射电路设计 10 3 3 超声波检测接收电路设计 11 3 4 LED 数码管显示电路设计 14 3 5 语音报警功能电路设计 15 4 系统程序的设计 18 4 1 超声波测距的算法设计 19 4 2 主程序设计 20 4 3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 24 4 4 LED 显示与语音报警电路程序设计 24 5 电路板的制作 25 5 1 原理图的绘制 25 5 2 PCB 图的生成与电路板的制作 25 6 调试与性能分析 27 7 结论 28 谢辞 29 参考文献 30 附录 31 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 1 页 共 45 页 1 引言 随着科学技术的快速发展 超声波将在传感器中的应用越来越广 在人类文明的 历次产业革命中 传感技术一直扮演着先行官的重要角色 它是贯穿各个技术和应用 领域的关键技术 在人们可以想象的所有领域中 它几乎无所不在 传感器是世界各 国发展最快的产业之一 在各国有关研究 生产 应用部门的共同努力下 传感器技 术得到了飞速的发展和进步 但就目前技术水平来说 人们可以具体利用的传感技术 还十分有限 因此 这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域 展望 未来 超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展 空间 它将朝着更加高定位高精度的方向发展 以满足日益发展的社会需求 如声纳 的发展趋势基本为 研制具有更高定位精度的被动测距声纳 以满足水中武器实施全 隐蔽攻击的需要 继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳 实现超远程的 被动探测和识别 研制更适合于浅海工作的潜艇声纳 特别是解决浅海水中目标识别 问题 大力降低潜艇自噪声 改善潜艇声纳的工作环境 无庸置疑 未来的超声波传 感器将与自动化智能化接轨 与其他的传感器集成和融合 形成多传感器 随着传感 器的技术进步 传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能 最终发展到具有 创造力 在新的世纪里 面貌一新的传感器将发挥更大的作用 在工业方面 超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种 过去 许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍 超声波传感技术的出现改变了这 种状况 当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上 悄无声息 地探测 人们所需要的信号 在未来的应用中 超声波将与信息技术 新材料技术结合起来 将出现更多的智能化 高灵敏度的超声波传感器 下面我们就使用超声波传感器实现车距实时检测与提示系统为例 具体的说明它的 应用 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 45 页 2 1 绪论 随着传感技术的不断发展 传感器已经成为各个应用领域 特别是自动检测 自 动控制系统中不可缺少的重要技术工具 伴随着微机 单片机 技术的发展 传感技 术的应用已经逐步得到更广泛的认同 应用于现在各个高科技的行业 而超声波传感 器技术应用于冶金 船舶 机械 医疗等各个工业部门的超声清洗 超声焊接 超声 加工 超声检测和超声医疗等方面 并取得了很好的社会效益和经济效益 1 1 课题背景和意义 随着经济的发展与汽车科学技术的进步 公路交通呈现出行驶高速化 车流密集 化和驾驶员非职业化的趋势 同时 随着汽车工业的飞速发展 汽车的产量和保有量 都在急剧增加 但公路发展 交通管理却相对落后 导致了交通事故与日剧增 城市 里尤其突出 本文研究的基于超声波传感器的车距实时检测与提示系统 是一种可向 司机发出距离显示与语音报警信号的探测装置 它安装在汽车上 能探测企图接近车 身的行人 车辆或周围障碍物 能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号 促 使司机采取应急措施来应付特殊险情 避免损失 本课题设计是基于 AT89S51 单片机进行的 单片机技术的应用 是许多领域的技 术水平和自动化程度得以大大提高 当今世界也正面临着一场以单片机技术为标志的 新革命 人们渴望迅速进入单片机应用与开发的大门 随着人们物质文化的丰富 各 种电子产品开发也越来越先进 越来越迅速 在超声波测距领域 为缩短开发周期 提高测距精度 单片机因为具有集成度高 运算速度快 体积小 运行速度快 体积 小 运行可靠 工耗低等无与伦比的优势 以得到了广泛的应用 当前 微型控制器 正向两个方向发展 一个是高功能 多功能方向 从这个方向取得的成就使得微型控 制器逐步代替了价格昂 功能优越的中小型机 另一个是价格低廉 功能单一的方向 这个方向的发展是微型控制器在生产领域 服务部门和日常生活得到越来越广泛的应 用 本课题的研究内容也适用于各种测距的场合 比如说短距离的无接触的测量两个 物体之间的距离 矿场 建筑等的距离都可以使用 所以本课题的研究很有意义 1 2 课题研究的内容 掌握超声波传感器的原理及基于位移的应用 在此基础上选用适当的方法扩展设 计一个单片机系统 用以实现自动车距检测与提示系统的设计 以超声波传感器检测 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 3 页 共 45 页 3 车距 要求有低于最小车距的判断与报警 通过液晶显示屏或者 LED 的 7 段数码管完 成车距的显示 编制程序进行功能的控制 完成该模型的设计 制作与调试工作 本课题研究的就是要在车上安装的车距自动检测和语言报警系统 以尽可能减少 发生交通事故的可能性 保障人与车的安全 2 系统设计的理论基础与总体方案 2 1 超声波的理论基础 超声波是指频率高于 20KHz 的机械波 为了以超声波作为检测手段 必须产生超 生波和接收超声波 完成这种功能的装置就是超声波传感器 习惯上称为超声波换能 器或超声波探头 超声波传感器有发送器和接收器 但一个超声波传感器也可具有发 送和接收声波的双重作用 超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互 转化 即在发射超声波的时候 将电能转换 发射超声波 而在收到回波的时候 则 将超声振动转换成电信号 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF time of flight 首先测出超声波 从发射到遇到障碍物返回所经历的时间 再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障 碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种 短距离的可以用尺 远距离的有激光测 距等 超声波测距适用于高精度的中长距离测量 因为超声波在标准空气中的传播速 度为 331 45 米 秒 由单片机负责计时 单片机使用 12 0M 晶振 所以此系统的测量 精度理论上可以达到毫米级 由于超声波指向性强 能量消耗缓慢 在介质中传播距离远 因而超声波可以用 于距离的测量 利用超声波检测距离 设计比较方便 计算处理也较简单 并且在测 量精度方面也能达到要求 超声波发生器可以分为两类 一类是用电气方式产生超声波 一类是用机械方式 产生超声波 本设计属于近距离测量 可以采用常用的压电式超声波换能器来实现触 发单元 利用超声波测距的工作 就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔 从而 达到测量距离的作用 其主要有三种测距方法 1 相位检测法 相位检测法虽然精度高 但检测范围有限 2 声波幅值检测法 声波幅值检测法易受反射波的影响 3 渡越时间检测法 渡越时间检测法的工作方式简单 直观 在硬件控制和软 件设计上都非常容易实现 其原理为 检测从发射传感器发射超声波 经气体介质传 播到接收传感器的时间 这个时间就是渡越时间 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 4 页 共 45 页 4 本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法 在移动车辆中应用的超声波传 感器 是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性 纵波 通过接收自身发射 的超声波反射信号 根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度 计算传播距离 从而得到障碍物到车辆的距离 根据设计要求并综合各方面因素 选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测 距传感器 TCT40 16T R T 表示发射传感器 R 表示接收传感器 最大探测距离为 6m 发射扩散角为 60 度 2 22 2 超超声波传感器 T R40 16 的介绍 外形图如下图 2 3 1 所示 而外形尺寸如下图 2 3 2 所示 具体内部结构图如下 图 2 3 3 所示 图 2 3 1 超声波实物图 图 2 3 2 超声波外观尺寸图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 5 页 共 45 页 5 图 2 3 3 超声波转化结构图 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 具体数据如下表所示 表 2 1 T R40 16 性能指标数据表 性能要求 标称频率 KHz 40 发射电压 at40KHz 0dB 0 2mPa min117dB 接收灵敏度 at40KHz 0dB V Pa min 65dB 静电容量 at1KHz 1V PF 2400 25 阻抗 Ohm 1000 6dB 带宽 KHz 2 dB 指向角45 超声波的指向角 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散 指向角与超声源的直径 D 以 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 6 页 共 45 页 6 及波长 之间的关系为 Df C D 22 1 22 1 sin 超声波传感器在不同温度时的在空气的传播速度如下表所示 表 2 2 不同温度下超声波声速表 温度 30 20 100102030100 声速 m s 313319325323338344349386 本设计使用的是 D 16mm 超声波传感器 所以根据上述可以得到指向角为 65575 0 40000 016 0 344 22 1 22 1 22 1 sin Df C D 则 41 因此计算得到的实际指向角币理论值稍小 可以存在一定误差 属于正常的范围 下图为超声波传感器的角特性图 由图可知这样的计算结果是合理的 T R40 16 角度特性图 测量盲区 直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体 由此 超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区 传感器在这个区域内必须保持 不被阻挡 因此在设计电路程序必须避开这样的一个盲区 考虑好产品的使用范围 超声波频率范围一般在 10 100kHz 之间 只有当压电晶体停振后 才能用于反射 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 7 页 共 45 页 7 波的接收 考虑压电晶体的停振时间以及按声波周期所对应的发射时间有一个测量盲 区 盲区决定了在探头表面和容器内最高物位的最小距离 一般情况下 测量范围越 大 波束的发射角越小 声波频率越低 波长 V F 越长 机械波衰减越小 所 对应的盲区越大 低余振可以使盲区降到最小 2 32 3 系统总体设计 构成超声测距系统的电路功能模块包括超声波发射电路 超声波接收电路 LED 数 码管显示电路 语音报警电路 核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路 采取收 发分离方式有两个好处 一是收发信号不会混叠 接收探头所接收到的纯为反射信号 二是将接收探头放置在合适位置 可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失 和干扰 提高系统的可靠性 系统总体框图 图 2 3 1 超声波传感器实现车距实时检测与提示系统原理框图 2 42 4 各模块方案比较 由于构成超声测距系统的电路功能模块主要包括超声波发射电路 超声波接收电 路 LED 数码管显示电路 语音报警电路等重要模块 下面就各模块方案的选择进行比 较分析 发射模块 超声波发射模块的选择有好多种类型 有使用 555 时基电路振荡产生的超声波发 射电路 有使用分立元件 三极管 电容等 构成的超声波发射电路 有使用单片机 P1 0 口软件产生 40KHz 的方波信号 利用反相器用来提高超声波发射强度的电路 综 合各方面的因素考虑 充分利用单片机的内部资源 本设计采用简单的方法 即用单 片机编程产生 40KHz 的方波信号 利用反相器来提高超声波发射强度的发射电路模块 超声波发射器 放大电路超声波接收器 放大电路 检波电路 定时器 单片机 控制 LED 数码 管显示器 语音报警系统 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 8 页 共 45 页 8 接收模块 超声波接收器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 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放大 正弦波信号不能直 接被单片机接收 必须进行波形变换 按照上面所讨论的原理 单片机需要的只是第 一个回波的时刻 接收电路的设计可采用基于 LM1812 的超声波专用集成电路实现超声 波的接收 也可采用通用电路实现超声波的接收 还有基于 CX20106A 的超声波接收等 综合各方面的因素考虑 本设计采用的红外线检波接收的专用芯片 CX20106A 来实现 显示功能模块 常用的数字显示有两种 一种是使用 LCD 液晶屏显示 一种是使用 LED 七段数码 管显示 但前者应用时成本较高 且需要用到单片机的接口较多 而后者使用成本较 低 符合本设计的要求 所以在设计时我使用的是 LED 数码管显示 在降低成本的情 况下也可以满足设计结果的要求 语音报警功能模块 本语音报警功能模块采用的是 ISD4000 系列语音芯片 ISD4000 系列语音芯片有 ISD4002 ISD4003 ISD4004 这三个系列 共 16 种型号 不同型号的引脚功能和应用 电路相同 只是录音时间等参数有些差异 ISD4000 系列语音芯片是美国 ISD 公司生产的 2 7 3 3V 单电源单片语音录放电路 ISD4000 系列语音芯片采用多电平直接模拟量存储技术 每个取样值直接存储在 片内闪存中 因此能够非常真实 自然地再现语音 音乐 音调和效果声 避免了一 般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和 金属声 取样频率可为 4 0KHZ 5 3KHZ 6 4KHZ 8 0KHZ 取样频率越低 录放时间越长 而音质有所下降 片内信息存于闪存中 可在断电情况下保存 100 年 典型值 可反复录音 10 万次 3 系统硬件电路的设计 硬件电路主要分为具有复位功能的单片机最小系统设计 LED 数码管显示电路设 计 超声波发射电路设计 超声波检测接收电路设计 语音报警功能电路设计五个部 分 3 1 单片机控制系统设计 在系统的设计中 选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 9 页 共 45 页 9 而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重 目前各半导体公司 电气商都向 市场上推出了形形色色的单片机 并提供了良好的开发环境 选择好合适的单片机可 以最大地简化单片机应用系统 而且功能优异 可靠性好 成本低廉 具有较强的竞 争力 目前 市面上的单片机不仅种类繁多 而且在性能方面也各有所长 一般来说 选择单片机需要考虑以下几个方面 1 单片机的基本性能参数 例如指令执行速度 程序存储器容量 I O 引脚数量等 2 单片机的增强功能 例如看门狗 多指针 双串口等 3 单片机的存储介质 对于程序存储器来说 Flash 存储器和 OTP 一次性可编程 存储器相比较 最好是 Flash 存储器 4 芯片的封装形式 如 DIP 双列直插 封装 PLCC PLCC 有对应插座 封装及表 面贴附等 5 芯片工作温度范围符合工业级 军工级还是商业级 如果设计户外产品 必须选 用工业级 6 芯片的功耗 比如设计并口加密狗时 信号线取电只能提供几 mA 的电流 选用 STC 单片机就是因为它能满足低功耗的要求 7 供货渠道是否畅通 价格是否低廉 8 技术支持网站的速度如何 资料是否丰富 包括芯片手册 应用指南 设计方案 范例程序等 9 芯片保密性能好 单片机的抗干扰性能好 综合各方面因素的考虑 本设计使用的系统核心器件为 AT89S51 单片机 AT89S51 单片机的工作原理 单片机的工作过程实质上是执行用户编制程序的过程 一般程序的机器码都已固 化到存储器中 因此开机复位后 就可以执行指令 执行指令又是取指令和执行指令 的周而复始的过程 AAT89S51 具有如下特点 40 个引脚 4k Bytes Flash 片内程序存储器 128 bytes 的 随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输 入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断 嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个 全双工串行通信口 看门狗 WDT 电路 片 内时钟振荡器 此外 AT89S51 设计和配置了 振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式 空闲模式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 10 页 共 45 页 10 器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止 芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等 三种封装形式 以适应不同产品的需求 具有复位功能的单片机最小系统设计 图 3 1 1 单片机最小系统设计电路图 单片机在启动运行时需要复位 复位电路包括上电复位和按键复位电路 如图 3 1 1 所示 本设计采用按键复位 时钟脉冲由时钟振荡器产生 如图 3 1 1 所示采用单片 机内部反相器和外接 12M 晶振及微调电容组成的三点式振荡器 3 2 超声波发射电路设计 超声波发射电路原理图如下图 3 2 1 所示 发射电路主要由反向器 74LS04 和超声 波换能器构成 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 11 页 共 45 页 11 图 3 2 1 超声波发射电路原理图 由图 3 2 1 所示 单片机 P1 0 端口输出的 40KHz 方波信号一路经一级反向器后送 到超声波能换器的一个电极 另一路经两级反向器后送到超声波能换器的另一个电极 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 可以提高驱动能力 上拉电阻 R20 R21 一个方面可以提高反 向器 74LS04 输出高电平的驱动能力 另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果 以缩 短其自由振荡的时间 74LS04 芯片资料介绍 1 74LS04 主要电特性的典型值 Tplh 9ns Tphl 10ns Pd 12mW 2 引出端符号 1A 6A 输入端 1Y 6Y 输出端 3 逻辑图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 12 页 共 45 页 12 图 3 2 2 双列直插封装 3 3 超声波检测接收电路设计 超声波检测接收电路采用的是一款 CX20106A 的集成电路作为接收的芯片 它是 一款红外线检波接收的专用芯片 考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHZ 与测距的超 声波频率 40KHZ 较为接近 可以利用它做超声波的检测接收电路 下面对红外遥控接 收器集成电路 CX20106A 做一个简要的介绍 CX20106A 是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器 采用单列 8 脚直插式 超小型封装 CX20106A 的基本性能如下 1 电源电压典型值 5V 最大 17V 2 电 源电流 1 1 2 5mA 典型值为 1 8mA 3 输出低电平 0 2V 4 电压增益 77 79dB 5 输入阻抗为 27k 6 滤波器中心频率 f0 为 30 60kHz 其内部结 构如下图 3 3 1 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 13 页 共 45 页 13 图 3 3 1 CX20106A 内电路及引脚功能 CX20106A 该 IC 内部主要包括前置放大器 限幅放大 带通滤波 峰值检波 积分 滤波及波形整形电路等 基本原理如下 接收换能器把超声波回波转换为相应频率的 数字编码脉冲调幅波 并由 1 脚进入集成放大器的正相输入端 2 脚是放大器的反相输 入端 外接 RC 负反馈网络 可以决定和调节放大器的频率特性和电压增益 当电阻值 小或者电容值大时 电压增益高 通频带窄 反之 电压增益低 通频带宽 在放大 器输入端设置有 ABLC 电路 即自动偏压电路或者自动电平控制电路 它可使放大及限 幅电路输出电平稳定的编码信号 可自动调整放大器的偏置电压 使放大器的输出电 平稳定 然后 信号进入限幅放大器 可以滤除杂乱的寄生调幅和其他干扰 输出包 络脉冲顶部平直的编码脉冲调幅波 信号再进入带通滤波器 滤除频率范围 30 50KHZ 以外的干扰信号 5 脚外接电阻 调节其阻值可调节带通滤波器的中心频率值 然后信 号进入峰值检波器 对编码脉冲的调幅波进行振幅检波 解调出数字编码脉冲信号 3 脚外接电容是峰值检波器的滤波电容 检波出的信号再送到整形电路中进行波形转换 与整形 最后由 7 脚输出数字编码脉冲信号 送至 CPU 去识别 处理 6 脚外接积分电 容 可以滤除已调波的载波频率分量 而由检波器输出的数据编码信号 CPU 不能识别 故在检波器后设置由积分电路和磁滞回线型比较器组成的整形电路 整形电路是一种 波形变换电路 它可将检波器输出的宽度编码脉冲整形变换为 CPU 所能识别的数字信 号 而实用的波形整形电路是积分电路和施密特比较器组成的电路 根据以上原理 超声波测距系统的超声波检测接收电路设计如下图 3 3 2 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 14 页 共 45 页 14 图 3 3 2 超声波检测接收电路设计 由图 3 3 2 所示 超声波接收换能器将接收到的回波信号转换后经过 0 056U 的电 容初步滤波后 进入 CX20106A 的 1 脚 经过 CX20106A 的前置放大器 限幅放大 带 通滤波器 中心频率为 40KHZ 检波器及比较器 最后经过内部的整形电路 从 7 脚 输出至 89C51 单片机的外部中断 0 P3 2 口 上图 3 3 2 中的电容 电阻值等 只要 是根据各引脚功能设计的 表 3 3 1 CX20106A 引脚功能 引 脚 名称功能 1IN 信号输入端 2C1 RC 网络连接端 该端与地串接一 RC 网络 以确定前置放大器的频率 特性与增益 R 阻值大 C 容量小 增益低 反之则高但 C 不宜过大 否则瞬态响应速度会降低 3C2 检波电容连接端 该端与地接检波电容 电容量大 则为平均值检 波 瞬态响应灵敏度低 电容值小 则为峰值检波 瞬态响应灵敏 度高 但检波输出的脉宽变动大 4GND 接地端 5f0 带通滤波器中心频率设置端 通过该脚与电源正端接一电阻 R 来确 定 f0 当 R 200 千欧时 中心频率 f0 40KHZ 当 R 220 千欧时 中 心频率 f0 38KHZ 6C3 积分电容连接端 该脚所接积分电容标准值为 330PF 当电容值增大 时 则外部滤波干扰增强 而且输出脉冲的低电平持续时间增加 7OUT 信号输出端 该端口为集电极开路输出 当该脚与电源正端接一 22 千欧的电阻时 输出脉冲低电平的标准值约为 0 2V 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 15 页 共 45 页 15 3 4 LED 数码管显示电路设计 LED 数码管显示电路使用的四位共阳极的 LED 数码管 段码用 74LS244 驱动 位码 用 PNP 三极管 9012 驱动 LED 数码管显示电路设计如图 图 3 4 1 图 3 4 1 LED 数码管显示电路 由图 3 4 1 所示 74LS244 芯片在这里的功能是输出数据 因此 DIR 1 CE 0 即 DIR 接高电平 CE 接低电平 此时信号由 A 向 Y 传输 里面的电阻起到 分压和限流的作用 从而起到保护数码管寿命的作用 段码用 74LS244 驱动 位码用 PNP 三极管 9012 驱动 PNP 三极管 9012 资料介绍 9012 是一种最常用的普通三极管 它是一种低电压 大电流 小信号的 PNP 型硅三 极管 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 16 页 共 45 页 16 主要用途 开关应用和射频放大 这里主要应用的是开关应用功能 74LS244 芯片资料介绍 74LS244 图 3 4 2 是三态输出的八缓冲器 由 2 组 每组四路输入 输出构成 每组有一个控 制端 G 由控制端的高或低电平决定该组数据被接 通还是断开 74LS244 内部共有两个四位三态缓冲器 分别 以作为它们的选通工作信号 当 都为低电平时 输入端 A 和输出端 Y 状态 相同 当都为高电平时 输出成高阻态 74LS244 是不带锁存的 如果输入设备提供的 数据时间比较短 就要用带锁存的芯片进行扩展 图 3 4 2 74LS244 引脚图 3 5 语音报警功能电路设计 本语音报警功能电路采用 ISD4003 04M 语音芯片 ISD4003 04M 语音芯片与 AT89S51 单片机接口电路如图 图 3 5 1 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 17 页 共 45 页 17 图 3 5 1 语音报警功能电路 从图 3 5 1 的设计中可以看出 ISD4003 04M 和单片机 AT89S51 之间的连接较少 单片机的 P0 0 接 ISD4003 04M 的片选引脚 SS 控制 ISD4003 04M 是否选通 P0 l 接 ISD4003 04M 的串行输入引脚 MOSI 从该引脚读入放音的地址 P0 2 接 ISD4003 04M 的串行输出引脚 MISO P0 3 接 ISD4003 04M 的串行时钟引脚 SLCK P0 4 接拨动 S2 开 关 用于选择录音或者放音 P0 5 接按钮 S3 用来对 ISD4003 04M 开始工作 P0 6 接 按钮 S4 按下时 ISD4003 04M 进行复位 P3 3 INT1 接 ISD4003 04M 的中断引脚 INT ISD4003 04M 芯片所需要的连接还有音频信号输出引脚 AUD OUT 该引脚通过一 个滤波电容 经功率放大电路 LM386 后与扬声器连接 MIC 接入 ISD4003 04M 的录音信 号输入端 ANA IN ANA IN AMCAP 为自动静音端 使用时通过一电容接地 此外 由于 ISD4003 04M 的工作电压为 3 V 而单片机所需供电电压为 5 V 因此需要采用 LM317 变压电路得到 3 V 电压供 ISD4003 04M 使用 ISD4003 04M 语音芯片资料介绍 SPI 串行外设接口 ISD4003 工作于 SPI 串行接口 SPI 协议是一个同步串行数据传输协议 协议假定微 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 18 页 共 45 页 18 控制器的 SPI 移位寄存器在 SCLK 的下降沿动作 因此对 ISD4003 而言 在时钟止升沿锁 存 MOSI 引脚的数据 在下降沿将数据送至 MISO 引脚 协议的具体内容为 1 所有串行数据传输开始于 SS 下降沿 2 SS 在传输期间必须保持为低电平 在两条指令之间则保持为高电平 3 数据在时钟上升沿移入 在下降沿移出 4 SS 变低 输入指令和地址后 ISD 才能开始录放操作 5 指令格式是 5 位控制码 加 11 位地址码 6 ISD 的任何操作 含快进 如果遇到 EOM 或 OVF 则产生一个中断 该中断状态在下一 个 SPI 周期开始时被清除 7 使用 读 指令使中断状态位移出 ISD 的 MISO 引脚时 控制及地址数据也应同步从 MOSI 端移入 因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容 当然也允许 在一个 SPI 周期里 同时执行读状态和开始新的操作 即新移入的数据与器件当前的操 作可以不兼容 8 所有操作在运行位 RUN 置 1 时开始 置 0 时结束 9 所有指令都在 SS 端上升沿开始执行 上电顺序 器件延时 TPUD 8kHz 采样时 约为 25 毫秒 后才能开始操作 因此 用户发完上电指 令后 必须等待 TPUD 才能发出一条操作指令 例如 从 00 从处发音 应遵循如下时序 1 发 POWER Up 命令 2 等待 TPUD 上电延时 3 发地址值为 00 的 SETPLAY 命令 4 发 PLAY 命令 器件会从此 00 地址开始放音 当出现 EOM 时 立即中断 停止放音 如果从 00 从处发音 则按以下时序 1 发 POWER UP 命令 2 等待 TPUD 上电延时 3 发 POWER UP 命令 4 等待 2 倍 TPUD 5 发地址值为 00 的 SETREC 命令 6 发 REC 命令 器件便从 00 地址开始录音 一直到出现 OVF 存贮器末尾 时 录音停止 表 3 5 1 指令表 指令5 位控制码操作摘要 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 19 页 共 45 页 19 POWERUP00100上电 等待 TPUD 后器件可以工作 SET PLAY11100从指定地址开始放音 必须后跟 PLAY 指令使放音继续 PLAY11110从当前地址开始放音 直至 EOM 或 OVF SET REC10100从指定地址开始录音 必须后跟 REC 指令录音继续 REC10110从当前地址开始录音 直至 OVF 或停止 SET MC11101从指定地址开始快进 必须后跟 MC 指令快进继续 MC11111执行快进 直到 EOM 若再无信息 则进入 OVF 状态 STOP 0X110停止当前操作 STOP WRDN0X01X停止当前操作并掉电 RINT0X110读状态 OVF 和 EOM LM317 资料介绍 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路 我国和世界各大集 成电路生产商均有同类产品可供选用 是使用极为广泛的一类串联集成稳压器 LM317 的输出电压范围是 1 2V 至 37V 负载电流最大为 1 5A 它的使用非常简 单 仅需两个外接电阻来设置输出电压 此外它的线性调整率和负载调整率也比标准 的固定稳压器好 LM386 资料介绍 LM386 是一种音频集成功放 具有自身功耗低 电压增益可调整 电源电压范围 大 外接元件少和总谐波失真小等优点 广泛应用于录音机和收音机之中 4 系统程序的设计 车距的实时检测与提示系统的软件设计主要由主程序 超声波发生子程序 超声 波接收中断程序 LED 数码管显示子程序和语音报警功能子程序 由于 C 语言程序有 利于实现较复杂的算法 汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行 的时间 由于超声波测距程序既有较复杂的计算 计算距离时 有要求精确计算程序 运行的时间 超声波测距时间 综合而言 本设计主要要求计算出精确的时间 所以 我使用的是汇编语言编程 4 1 超声波测距的算法设计 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 20 页 共 45 页 20 右图 4 1 1 示意了超声波测距的原理 即超声波发生器 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 就会被超声波接收器 R 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 就可以算出超声波发生器 与反射物体的距离 该距离的计算公式如右 图中显示 其中 X2 X1 分别为超声波信号 接收到的时间和超声波信号发出的时间 L 为超声波发生器与反射物之间的距离 344 m 为温度是 20 超声波在空气中的 传播速度 具体请参考上述表 2 2 图 4 1 1 超声波测距的原理 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 其部分源程序如下 T0 计时用 INTT0 CLR EA CLR TR0 MOV TH0 00H MOV TL0 00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 启动计数器 T0 用以计算超声来回时间 SETB TR1 开启发超声波用定时器 T1 OUT RETI T1 中断 发超声波用 INTT1 CPL VOUT DJNZ R4 RETIOUT CLR TR1 超声波发送完毕 关 T1 CLR ET1 MOV R4 04H lcall delay 250 延时 避开发射的直达声波信号 SETB EX0 开启接收回波中断 RETIOUT RETI 外中断 0 收到回波时进入 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 21 页 共 45 页 21 PINT0 CLR TR0 关计数器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H TL0 将计数值移入处理单元 MOV 45H TH0 SETB 00H 接收成功标志 RETI 4 2 主程序设计 主程序首先要对系统环境初始化 设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时 计数器 模式 置位总中断允许位 EA 并对显示端口 P1 和 P2 清 0 然后调用超声波发生子程 序送出一个超声波脉冲 为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触 发 需要延时约 0 1ms 这也就是超声波测距会有一个最小可测距离的原因 后才打 开外中断 0 接收返回的超声波信号 由于采用的是 12MHz 的晶振 计数器每计一个数 就是 1us 所以当主程序检测到接收成功的标志位后 将计数器 T0 中的数值 即超声 波来回所用的时间 按公式 4 2 1 计算 即可得到被测物体与超声波发生器时间的 距离 设计时取 20 时的声速为 340m s 则有 L 170 T 1000 4 2 1 其中 T 为计数器 T0 的计数值 测出距离后 结果将移十进制 BCD 码方式送往 LED 显示约 0 5s 然后再发出超 声波脉冲重复测量过程 软件分为两部分 主程序和中断服务以及功能子程序 如图 4 2 4 3 4 4 4 5 所示 主程序完成初始化工作 各路超声波发射和接收顺序的控制 定时中断服务子程序完成超声波的发射 外部中断服务子程序和功能子程序主要 完成时间值的读取 距离计算 结果的输出以及语音报警功能等工作 图 4 2 所示为 主程序流程图 车距的实时检测与提示系统工作过程如下 1 由单片机通过 P1 0 产生 40KHZ 脉冲信号 2 脉冲信号通过超声波发射换能器发出超声波 3 单片机在发送脉冲时刻开始计时 4 超声波遇到障碍物后回波被超声波换能器接收 5 读取 T0 口计数值 6 数据计算 7 LED 显示与语音报警 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 22 页 共 45 页 22 主程序流程图 图 4 2 主程序流程图 外部 INT0 中断子程序流程图 Y N 调用 LED 显示以及语音 报警功能子程序 I O 口 定时 T0 定时 T1 外部中断 INTO 初 始化 P1 0 发射 启动 T0 T1 开外 部中断 INTO 有中断信号 调用外部 INTO 中断子程序 调用计算距离子程序 NY 重新初始化 开启测距 定时器 主程序入口系统初始化 返回 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 23 页 共 45 页 23 图 4 3 外部 INT0 中断子程序流程图 计算距离子程序流程图 图 4 4 计算距离子程序流程图 LED 显示以及语音报警功能子程序流程图 LED 显示子程序入口 读最高位 40H 存储的数据 送 LED 显示 调用语音功能子程序播放该数据的语音 读次次高位 42H 存储的数据 送 LED 显示 读次高位 41H 存储的数据 送 LED 显示 调用语音功能子程序播放该数据的语音 调用语音功能子程序播放该数据的语音 读最低位 43H 存储的数据 送 LED 显示 调用语音功能子程序播放该数据的语音 关中断 停止发射 设置接收成功标志 外部 INTO 中断子程序入口 返回 读 TO 中 TH0 TL0 的 值 读取时间值 然后计 算出结果 将计算出来的结果换算为 10 进制的数 按最高位存放在 40H 次高位存放在 41H 次 次高位存放在 42H 最低位存 放在 43H 计算距离子程序入口 返回 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 24 页 共 45 页 24 图 4 5 LED 显示以及语音报警功能子程序流程图 4 3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 返回 判断所测的距离是否小于设定 的最小安全距离 1 米 调用语音功能子程序播放相应的安全提示报警 语音 如注意安全 保持车距 Y N 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 25 页 共 45 页 25 超声波发生子程序的作用是通过 P1 0 端口发送两个左右的超声波脉冲信号 频率 约为 40KHz 的方波 脉冲宽度为 12us 左右 同时把计数器 T0 打开进行计时 超声 波发生子程序较简单 但要求程序运行时间准确 所以必须采用汇编语言编程 超声波测距的主要程序利用外中断 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 立即进入超声波接收中断程序 进入该中断后 就立即关闭计时器 T0 停止计时 并将测距成功标志字赋值 1 如果当计时器溢出时还为检测到超声波返回信号 则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭 并将测距成功标志字赋值 2 以表示本次测距不成功 4 4 LED 显示与语音报警电路程序设计 LED 显示电路的程序设计是最简单的 只要把计算出来的距离转换成十进制的数 然后按高位到低位的顺次显示出来就可以了 由于语音报警电路采用了专用的语音芯 片 因此语音报警电路的程序设计就没有那么简单了 下面为语音报警电路的程序设 计过程 由于是距离的语音报警播放 因此该程序主要实现的是能够播放 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 点 米 以及小于最小距离时发出 注意 安全 保持车距 的报警提示音 总共是录 13 段音 本设计所采用的语音芯片为 ISD4003 04M 录音时间为最多为 4 分钟 最大段数为 1200 段 由此 可知每一段的 时间为 4 60 1200 0 2S 所录的 13 段录音 每段录音的时间为 3S 由 3 0 2 15 段 从 00H 0FH 为第一段录音的存储空间 其他段录音的存储空间依此类推 00H 0FH 0 存储空间 10H 1FH 1 存储空间 20H 2FH 2 存储空间 30H 3FH 3 存储空间 40H 4FH 4 存储空间 50H 5FH 5 存储空间 60H 6FH 6 存储空间 70H 7FH 7 存储空间 80H 8FH 8 存储空间 90H 9FH 9 存储空间 0A0H 0AFH 点 存储空间 0B0H 0BFH 米 存储空间 0C0H 0CFH 注意安全 保持车距 存储空间 P0 4 接拨动 S2 开关 用于选择录音或者放音 P0 4 1 为录音 P0 4 0 为放音 P0 5 接按钮 S3 用来对 ISD4003 04M 开始工作 用于录音 按住不放为录音状态 放开时停止录音 再按住不放时 为下一段的录音状态 放开时为停止录音 按照此 原理完成 13 段的录音 P0 6 接按钮 S4 按下时 ISD4003 04M 进行复位 再录音时又从第一段开始录音 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 26 页 共 45 页 26 录音程序见附录 5 电路板的制作 5 1 原理图的绘制 本次设计的超声波测距的原理是通过查阅大量的资料 在图书馆以及网上查找资 料所得到的 经过综合的分析其可行性 经济性等方面要求前提下做出的电路原理图 而在有可靠的电路原理图之后 我需要再做的就是将电路原理图变成一个硬件 使其 实现预定的功能 如果使用的是万能板 则不需要绘制电路图 只要根据原理图的元 器件在万能板上摆放好 用导线将其焊接起来即可 但是在使用万能板时有许多的不 便之处 比如说在焊接的过程中需要跳线 而板子本身也不够美观 好看 所以为了 获得更好的效果 我们一般都使用腐蚀板 这样我们就首先的步骤就是在 PROTEL 中绘 制电路原理图 5 2 PCB 图的生成与电路板的制作 由前面一节我提到在 PROTEL 里绘制的原理图 如果要生成制作电路板所用的 PCB 图的话 首先要确认我们前面画的电路原理图的正确性 确定每个元器件的连线都连 接上 所以在生成 PCB 之前我们要对每个元器件进行封装 封装库没有的元器件要自 己做一个 在对每个元器件封装的同时定义每个元器件的编号 编号要一一对应 不 能有重复 然后是进行元器件的电气检测 检测没有错误的话会显示没有错误 如果 错误 连线没有连上等等都会在原理图中只指示出来 然后就是生成网络报表 显示 所有的元器件的封装号 编号等 之后就可以在 Design 设计里更新 PCB 只要没有出 现错误就可以生成 PCB 图 生成 PCB 后需要对其进行布线 设计焊盘的大小 导线的 粗细 各个元器件实际放的位置 布线是一件很麻烦的事情 要尽量没有交叉 不限 还要美观等等 完成了 PCB 的布线后 将做好的 PCB 进行打印出来 打它贴在铜板上 就是电路 板的印制 之后就用三氯化铁来腐蚀板子 留下的就是电路部分 将电路图转孔 放 上元器件使用烙铁匠元器件焊牢就可以 这个工作比较简单 以前做课程设计时做的 比较熟 所以还是很容易就完成了 由于考虑到便于调试 减少差错等方面的因素 本设计共分 3 部分组成 分别为 超声波发射与接收模块板 LED 数码管显示模块板 单片机最小系统以及语音报警功能 模块板 各模块板的原理图如下所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 27 页 共 45 页 27 超声波发射与接收模块板 PCB 原理图 图 5 2 1 超声波发射与接收电路 PCB 图 LED 数码管显示模块板 PCB 原理图 图 5 2 2 LED 数码管显示电路 PCB 图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 28 页 共 45 页 28 单片机最小系统以及语音报警功能模块板原理图 图 5 2 3 单片机最小系统以及语音报警功能电路 PCB 图 6 调试与性能分析 由于本设计涉及的模块比较多 包括了超声波测距模块 单片机模块 显示报警 所以调试起来比较费力 设计的不定因素也比较多 所以 调试的时候采用了分块