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机械毕业设计
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车距自动测试系统设计,机械毕业设计
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1 目录 摘要 . 2 1.设计要求 . 3 2.设计思路 . 3 2.1超声波传感器及其测距原理 . 3 3.系统组成 . 4 3.1硬件部分 . 4 3.2软件部分 . 5 4.系统硬件电路设计 . 5 4.1超声波检测接受电路 . 7 5.系统程序设计 . 8 5.1超声波测距器的算法设计 . 8 5.2主程序 . 8 5.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序 . 9 6.软硬件调试及性能 . 11 设计总结 . 12 参考文献 . 13 附录 . 14 nts 2 车距自动测试系统设计 摘要 为减少汽车碰撞事故的发生 ,汽车碰撞技术在近年发展很快。汽车避撞技术首先需要解决的问题是汽车之间的安全距离 ,当汽车与汽车之间的距离小于安全 距离时 ,就应该能够自动报警。本文给出了高速防撞器的核心部分：车距报警器的设计方法。 我 设计了一款安装于车前车尾的便携式系统 ,能在汽车停车、倒车以及行使过程中自动监控汽车与其它汽车、人和障碍物之间的距离 ,如果距离小于规定的 1.5 米 安全距离则报警 ,防止恶性事故的发生。 nts 3 1.设计要求 设计一个 车距自动 测距器，要求测量范围在 0.10-3.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果 。 2.设计思路 2.1 超声波传感器及其测距原理 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（ timeofflight）。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nts 4 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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用 AT89S51 单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图所示： 11223344D DC CBBA ATitleNumber RevisionSizeA4Date: 2008-1-9 Sheet ofFile: E: 屈 0123QHT.SCHDOC Drawn By:Q1 Q4Q3Q2100pFC?Cap Semi100pFC21 212KZP0039INT212INT113P0138P0237P0534P0336P0633P0732P0435P2324P2122P2223P2425P2526P2627P2021P2728RXD10TXD11ALE30PSEN29P101P112P123P134P145P156P167P178T115T014RESET9EA/VP31X119X218RD17WR1689S51R1 R2 R3 R4VCC100pFC1100pFC01KR0VCC图 2.1 超声波测距器系统设计框图 3.系统组成 3.1 硬件部分 nts 5 主要由单片机系 统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用 AT89S51 来实现对 CX20106A红外接收芯片和TCT40-10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，然后单片机不停的检测 INT0引脚，当 INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 3.2 软件部分 主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。 4.系统硬件电路设计 单片机采用 89S51或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波转化器所需的 40KHz方波信号，利用外中断 0口检测超声波接受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，段码用74LS244驱动，位码用 PNP三极管驱动。单片机系统 及显示电路如下图所示 nts 6 11223344D DCCBBA ATitleNumber RevisionSizeA4Date: 2008-1-9 Sheet ofFile: E: 屈 0123QHT.SCHDOC Drawn By:Q1 Q4Q3Q2100pFC?Cap Semi100pFC21 212KZP0039INT212INT113P0138P0237P0534P0336P0633P0732P0435P2324P2122P2223P2425P2526P2627P2021P2728RXD10TXD11ALE30PSEN29P101P112P123P134P145P156P167P178T115T014RESET9EA/VP31X119X218RD17WR1689S51R1 R2 R3 R4VCC100pFC1100pFC01KR0VCC图 4.1单片机及显示电路原理图 超声波发射电路原理图如图所示： 11223344D DC CB BA ATitleNumber RevisionSizeA4Date: 2008-1-9 Sheet ofFile: E: 屈 0123qht2.SCHDOC Drawn By:100pFC2330pFC11uF1uF1KR11KR21KR3LS62 3 457 18CX20106A1KR21KR1LSVCCP1.074LS0474LS0474LS0474LS0474LS04图 4.2 超声波发射电路原理图 压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其nts 7 频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器 ;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不 同。 4.1 超声波检测接受电路 红外转化接收的电路采用集成电路 CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距超声波频率 40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变 C4 的大小，可改变接受电路的灵 敏度和抗干扰能力。 11223344DDC CBBA ATitleNumber RevisionSizeA4Date: 2008-1-9 Sheet ofFile: Sheet1.SchDoc Drawn By:100pFC2330pFC11uF1uF1KR11KR21KR3LS62 3 457 18CX20106AINT0图 4.3 超声波接收电路图 nts 8 5.系统程序设计 超声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍。 5.1 超声波测距器的算法设计 超声波测距的原理，即超声波发生器 T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R所接受。这样只要计算出发生信号到接受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。 距离计算公式： d=s/2=(c*t)/2 *d为被测物与测距器的距离， s为声波的来回路程， c为声速， t为声波来回所用的时间 ,声速 c 与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度被偿。这里可以用DS18B20测量环境温度，根据不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。 不同温度下的超声波声速表 温度 / -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速 c(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 5.2 主程序 主程序首先对系统环境初始化，设置定时器 T0工作模式为 16位的nts 9 定时计数器模式，置位总中断允许位 EA并给显示端口 P0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，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引 起的直接波触发，需延迟 0.1ms(这也就是测距器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 12MHz的晶振，机器周期为 1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离 ,设计时取 20 时的声速为344m/s则有： d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（其中 T0为计数器 T0的计数值） 测出距离后结果将以十进制 BCD码方式 LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。 主程序框图如下 图 5.1 主程序框图 5.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 P1.0端口发送 2个左右的超声波信系统初始化 发送超声波脉冲 等待发送超声波 计算距离 显示结果 0.5s 开始 nts 10 号频率约 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。超声波测距器主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（ INT0 引脚出现低电平 )，立即进入中断程序。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未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 以表示此次测距不成功。 图 1 主程序流程图 图 2 定时中断服务子程序 开始 单片机初始化 定时中断子程序 有回波？ 外部中断子程序 定时中断入口 发射超声波 定时器初始化 三方向发射完否？ 停止发射 返回 nts 11 图 5.2外部中断服务子程序 6.软硬件调试及性能 超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40-10F1（ T发射）和 TCT40-10S1（ R 接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 4 8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容 C4的大小 ，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为 0.07 5.5m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断外部中断入口 关外部中断 读取时间值 计算距离 结果输出 开外部中断 返回 nts 12 优化系统使其达到实际使用的测量要求。 后续工作需实验后才能验证 。 根据参考电路和集成的电路器件测距范围有限 10m 以内为好。 设计总结 本设计硬件简单，容易实现，测距范围适中。 测量误差可以控制在 4cm 左右。超声测距系统显示单元和数据采集相互独立，可以同时进行，保证了测距数据的实时性。 简洁的系统结构，良好的电磁抗干扰能力，特别是新颖的前方障碍物自动检测功能 。 上述类型的汽车 车距 检测系统设计方案是微控制器和超声波传感器相结合的应用技术 ,是提高驾驶安全与体验的一个解决方案。由于系统可以识别驾驶盲区内的障碍物，司机驾驶起来会更加得心应手。 通过方案比较 ,该基于微控制器技术倒车障碍物捡测系统比单纯用硬件电路系统 。 方便灵活得多 ,因为可用 充分发挥软件技术的优势 ,既可根据运行与泊车环境需要增加功能又替代很多硬件电路 。 nts 13 参考文献 1 张培仁，等 . 基于 C语言编程 MCS- 51单片机原理与应用 . 北京 : 清华大学出版社， 2002. 2. 康华光，等 .电子技术基础 . 北京 : 高等教育出版社， 1998. 3. 何希才传感器技术及其应用 .北京航空航天大学出版社 2005 nts 14 附录 以下是用汇编语言编写的超声波测距控制源程序： 采用 AT89S51 12 z晶振 显示缓冲单元在，使用内存 44H、 45H、 46H 用于计算距离 20H用于标志 中断入口程序 VOUT EQU P1.0 ;脉冲输出端口 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI 主程序 START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;4043H 为显示数据存放单元 （ 40为最高位 ） MOV R7,#0BH CLEARDISP:MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1 为 8 位自动重装模式， T0 为 16位定时器 MOV TH0, #00H ;65ms 初值 MOV TL0, #00H ;40KHz 初值 nts 15 MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R4, #04H ；超声波脉冲个数控制（为赋值的一半） SETB PX0 SETB ET0 STEB EA CLR 00H SETB TR0 ;开启测距定时器 START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信号时标志位为 1 CLR EA LCALL WORK ；计算距离子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ；重新开启测距定时器 MOV R2, #64H ； 测量间隔控制（约4*100=400ms） LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP START 1 中断程序 ;T0中断， 65ms 中断一次 INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;启动计时器 T0，用以计算nts 16 超声波来回时间 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 SETB EX0 ；开启接收回波中断 RETIOUT: RETI ;外中断 0，收到回波时进入 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 *延时程序 * DL1MS: MOV R6, #14H DL1: MOV R7, #19H DL2: DJNZ R6, DL2 DJNZ R6, DL1 RET 显示程序 ;40H为最高位， 43H为最低位，先扫描高位 DISPLAY： MOV R1, #40H;G MOV R5,#0F7H;G PLAY: MOV A, R5 MOV P0, #0FFH MOV P2, A MOV A, R1 MOV DPTR, #TAB MOVC A, A+DPTR nts 17 MOV P0, A LCALL DLIMS INC R1 MOV A, R5 JNB ACC.0, ENDOUT;G RR A MOV R5, A AJMP PLAY ENDOUT; MOV P2, #0FFH MOV P0, #0FFH RET TAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH ；共 阳数码管 0 ,1, 2,3,4,5,6,7,8,9,不亮， A, *距离计算程序 (=计算值 17/1000cm) 近似 WORK: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18H MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV 40H, R4 MOV A, 40H JNZ JJ0 MOV 40H, #0AH ;最高位为 0，不点亮 JJ0: MOV A R0 MOV R4, A nts 18 MOV A R1 MOV R5 A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H ；此高位为 0，先看最高位是否为不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ1 MOV 41H, #0AH ； 最高位不亮，次高位也不亮 JJ1: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A 42H JNZ JJ2 MOV A, 41H ;次高位为 0，先看次高位是否为不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ2 MOV 42H, #0AH ；次高位不亮，次高位也不亮 JJ2: MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET *两字节无符号数乘法程序 MUL2BY2: CLR A MOV R7, A MOV R6, A MOV R5, A MOV R4, A nts 19 MOV 46H, #10H MULLOOP1: CLR C MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A JNC MULLOOP2 MOV A, R4 ADD A, R2 MOV R4, A MOV A, R5 ADDC A, R3 MOV R5, A MOV A, R6 ADDC A, #00H MOV R6, A MOV A, R7 ADDC A, #00H MOV R7, A MULLOOP2: DJNZ 46H, MULLOOP1 RET 四字节 /两字节无符号数除法
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