基于单片机的汽车防碰撞报警器的设计.doc

本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 基于单片机的汽车防碰撞报警器的设计基于单片机的汽车防碰撞报警器的设计 MCU BASED ANTI COLLISION ALARM CAR DESIGN 学院 部 电气与信息工程学院 专业班级 电子信息工程 05 2 班 学生姓名 指导教师 2009 年 6 月 10 日 安徽理工大学毕业设计 I 基于单片机的汽车防碰撞报警器的设计 摘要 近年来 我国道路交通安全形式越来越严峻 在众多的交通事故中 以追 尾碰撞与超车侧向碰撞事故这两种类型最为常见 如果能够在事故发生前提醒 驾驶员并采取一定的安全措施 对减少交通事故的发生则是非常有用的 汽车 防撞预警系统正是基于提高车辆的主动安全性来实现在行车过程中 给驾驶员 提供必要的技术设施 本文在安全跟车模型的基础上 设计了系统构成 并给出了初步的设计方 案 对车载测距技术进行了综合比较 确定系统采用超声波传感器分别对前 后和侧向车间距离进行测量 在结合各种防碰原理的基础上 把系统分为主控 单元子系统 测距子系统 信息采集单元子系统和显示 声光报警子系统四个 部分 并确定了实现系统功能所需要的关键技术 在安全距离的基础上 对主 控单元子系统和测距子系统进行了软 硬件设计 解决了系统功能所需要的关 键技术 关键词 防撞预警 雷达 超声波 红外线 传感器关键词 防撞预警 雷达 超声波 红外线 传感器 安徽理工大学毕业设计 II MCU BASED ANTI COLLISION ALARM CAR DESIGN ABSTRACT The traffic safety condition is becoming more and more serious in recent years the statistic shows that among the accident of highway the Rear end Collision and Side Collision are frequent If the drivers can be informed before the accidents take place the safety level will be improved greatly The highway vehicle anti collision warning system is such a technique based on the initiative security of automobile when driving Based on the mathematic model of automobile safe following distance the hardware and software of the system are built Through an integrated comparison of detecting techniques Ultrasonic sensor which can measure the lengthways distance and transverse distance Based on reference various theories of anti collision warning system the system includes four sub systems the main control unit of sub system measuring distance of sub system information unit of sub system and monitor sound light alarm of sub system Based on it the key technologies involved in the system are determined Based on the safety distance model the software and hardware of the main control unit of sub system and measuring distance of sub system are designed the key technologies is solved KEYWORDS anti collision warning system radar ultrasonic infrared sensor 安徽理工大学毕业设计 i 目录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 测距传感器的分类 2 1 2 1 超声波测距传感器原理 2 1 2 2 激光测距传感器工作原理 2 1 2 3 红外线测距传感器工作原理 2 1 3 超声波 3 1 3 1 超声波的简介 3 1 3 2 超声波的产生 3 1 3 4 超声波的特点 3 1 3 5 超声波的应用 4 1 4 单片机 9 1 4 1 单片机的简介 9 1 4 2 单片机的发展 10 1 4 3 单片机的应用 10 2 汽车防碰撞系统 13 2 1 系统总体设计方案 13 2 2 总体设计方案结构 13 2 2 1 系统模块选择 13 2 2 2 系统模块功能 14 2 3 超声波时序 14 3 系统硬件设计 15 3 1 核心芯片介绍 15 3 1 1 PIC16C54 15 3 1 2 CD4052 16 3 1 3 SN8P1604S 17 3 2 超声波发送 18 安徽理工大学毕业设计 ii 3 3 超声波接收 19 3 3 1 初级放大电路 19 3 3 2 带通放大滤波电路 20 3 3 3 整形电路 20 3 4 距离显示驱动 21 3 5 时间计测 22 3 6 微机控制部分 22 4 软件系统设计 23 4 1 40KHZ 脉冲的产生与超声波发射 24 4 2 超声波的接收与处理 24 5 误差分析 25 总结 26 参考文献 27 致谢 28 附 1 超声波测距的程序 29 附 2 总体电路图 36 安徽理工大学毕业设计 1 1 绪论 1 1 引言 汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔 随着汽车工业与电子工业的不 断发展 在现代汽车上 电子技术的应用越来越来广泛 汽车电子化的程度越 来越高 汽车电子技术是汽车技术与电子技术想结合的产物 汽车上的电器与 电子控制系统在汽车技术进入机电一体化阶段的今天 地位极为重要 正在汽 车技术领域发展成为一门独立的分支学科 其性能的优劣直接影响到汽车的动 力性 经济性 可靠性 安全性 排放干净 及舒适性等 电子控制技术在汽 车上 首先应用于发动机燃油消耗控制与排放进化与排放控制 接着被应用于 底盘部分的控制 以提高行驶的稳定性 安全性 与舒适性等 随着交通运输 向高密度发展 电子控制技术又进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航等方面 电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全 舒适和 方便 应用的电子技术主要有 电子控制安全气囊 智能记录仪 雷达式距离 报警器 中央控制门锁 自动空调 自动车窗 车门 座椅 刮水器 车灯控 制 电源控制以及充电器等 近年来汽车的自动调速系统 主动式汽车防撞系 统 汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用 在过去 20 30 年中 人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面 例如 在汽车的前部或后部安装保险杠 在汽车外壳四周安装某种弹性材料 在车内 相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等 以减轻汽车碰撞带来的危害 安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏 却无法消除对 被撞物体的伤害 此外 车上安装的安全气囊系统 在发生车祸时不一定能有 效地保护车内乘务员的安全 所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车 在行驶中发生碰撞造成的问题 如果从预防撞车事故的发生的角度着眼 在提 高汽车主动安全性方面下功夫 则可在汽车安全性领域有较大的突破 汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体 如汽车 行人或其他 障碍物 的距离与汽车本身的车速不相称造成的 即距离近而相对速度又太高 为了防止汽车与前方物体发生碰撞 汽车的车速就要根据与前方物体的距离变 化由执行机构进行控制 使汽车始终在安全车速下行驶 这样就会大大提高汽 车行驶的安全性 减少车祸的发生 发展汽车防撞技术 对提高汽车智能化水 平有重要意义 据统计 危险境况时 如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间 则可分别减少追尾事故的 30 路面相关事故的 50 迎面撞车事故的 60 1 秒钟的预警时间可防止 90 的追尾碰撞和 60 的迎头碰撞 理论上 汽车防撞装 安徽理工大学毕业设计 2 置可在任何天气 任何车速状态下探测出将要发生的危险情况并及时提醒司机 及早采取措施或自动紧急制动 避免严重事故发生 汽车防撞装置是借助于遥 测技术监视汽车前方和后方的车辆 障碍物 并根据当时的车速自动判断是否 达到危险距离 及时向司机发出警告 必要时还可进行自动关车 自动紧急刹 车 汽车要避撞就必须凭借一定的装备测量前方障碍物的距离 并迅速反馈给 汽车 以在危急的情况下 通过报警或自动进行某项预设定操作如紧急制动等 来避免由于驾驶员疲劳 疏忽 错误判断所造成的交通事故 目前 大家都将 防撞技术的关键点着眼于车辆测距技术 1 2 测距传感器的分类 1 2 1 超声波测距传感器原理 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种振动 频率高于声波的机械波 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的 它具有 频率高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播等 特点 超声波对液体 固体的穿透本领很大 尤其是在阳光不透明的固体中 它可穿透几十米的深度 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成 回波 碰到活动物体能产生多普勒效应 因此超声波检测广泛应用在工业 国 防 生物医学等方面以超声波作为检测手段 必须产生超声波和接收超声波 完成这种功能的装置就是超声波传感器 习惯上称为超声换能器 或者超声探 头 1 2 2 激光测距传感器工作原理 激光传感器工作时 先由激光二极管对准目标发射激光脉冲 经目标反射 后激光向各方向散射 部分散射光返回到传感器接收器 被光学系统接收后成 像到雪崩光电二极管上 雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感 器 因此它能检测极其微弱的光信号 记录并处理从光脉冲发出到返回被接收 所经历的时间 即可测定目标距离 激光传感器必须极其精确地测定传输时间 因为光速太快 1 2 3 红外线测距传感器工作原理 红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的 原理 进行障碍物远近的检测 红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收 二极管 发射管发射特定频率的红外信号 接收管接收这种频率的红外信号 当红外的检测方向遇到障碍物时 红外信号反射回来被接收管接收 经过处理 安徽理工大学毕业设计 3 之后 通过数字传感器接口返回到机器人主机 机器人即可利用红外的返回信 号来识别周围环境的变化 安徽理工大学毕业设计 4 1 3 超声波 1 3 1 超声波的简介 我们知道 当物体振动时会发出声音 科学家们将每秒钟振动的次数称为 声音的频率 它的单位是赫兹 我们人类耳朵能听到的声波频率为 20 20K 赫 兹 当声波的振动频率大于 20K 赫兹或小于 20 赫兹时 我们便听不见了 因 此 我们把频率高于 20K 赫兹的声波称为 超声波 通常用于医学诊断的超声 波频率为 1 5 兆赫兹 超声波具有方向性好 穿透能力强 易于获得较集中的 声能 在水中传播距离远等特点 可用于测距 测速 清洗 焊接 碎石等 在医学 军事 工业 农业上有很多的应用 理论研究表明 在振幅相同的条件下 一个物体振动的能量与振动频率成 正比 超声波在介质中传播时 介质质点振动的频率很高 因而能量很大 在 我国北方干燥的冬季 如果把超声波通入水罐中 剧烈的振动会使罐中的水破 碎成许多小雾滴 再用小风扇把雾滴吹入室内 就可以增加室内空气湿度 这 就是超声波加湿器的原理 咽喉炎 气管炎等疾病 呼唤斤年时斤百 很难血 流到达患病的部位 利用加湿器的原理 把药液雾化 让病人吸入 能够提高疗 效 利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎 从而减缓病痛 达到治愈的目的 1 3 2 超声波的产生 声波是物体机械振动状态 或能量 的传播形式 所谓振动是指物质的质 点在其平衡位置附近进行的往返运动 譬如 鼓面经敲击后 它就上下振动 这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播 这便是声波 超声波是指振动频 率大于 20kHz 以上的 其每秒的振动次数 频率 甚高 超出了人耳听觉的上 限 20kHz 人们将这种听不见的声波叫做超声波 超声和可闻声本质上是一 致的 它们的共同点都是一种机械振动 通常以纵波的方式在弹性介质内会传 播 是一种能量的传播形式 其不同点是超声频率高 波长短 在一定距离内 沿直线传播具有良好的束射性和方向性 目前腹部超声成象所用的频率范围在 2 5 兆 Hz 之间 常用为 3 3 5 兆 Hz 每秒振动 1 次为 1Hz 1 兆 Hz 10 6Hz 即 每秒振动 100 万次 可闻波的频率在 16 20kHz 之间 1 3 4 超声波的特点 超声波具有如下特性 1 超声波可在气体 液体 固体 固熔体等介质中有效传播 2 超声波可传递很强的能量 方向性强 能量易于集中 安徽理工大学毕业设计 5 3 超声波会产生反射 干涉 叠加和共振现象 超声与传声媒质的相互 作用适中 易于携带有关传声媒质状态的信息 4 超声波在液体介质中传播时 可在界面上产生强烈的冲击和空化现象 超声波的各种效应 1 机械效应 超声在介质中前进时所产生的效应 超声在介质中传播是 由反射而产生的机械效应 它可引起机体若干反应 超声振动可引起组织细胞 内物质运动 由于超声的细微按摩 使细胞浆流动 细胞震荡 旋转 摩擦 从而产生细胞按摩的作用 也称为 内按摩 这是超声波治疗所独有的特性 可以改变细胞膜的通透性 刺激细胞半透膜的弥散过程 促进新陈代谢 加速 血液和淋巴循环 改善细胞缺血缺氧状态 改善组织营养 改变蛋白合成率 提高再生机能等 使细胞内部结构发生变化 导致细胞的功能变化 使坚硬的 结缔组织延伸 松软 超声波的机械作用可软化组织 增强渗透 提高代谢 促进血液循环 刺激神经系统和细胞功能 因此具有超声波独特的治疗意义 2 温热效应 人体组织对超声能量有比较大的吸收本领 因此当超声波在 人体组织中传播过程中 其能量不断地被组织吸收而变成热量 其结果是组织 的自身温度升高 产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程 即内生热 超声温热效应可增加血液循环 加速代谢 改善局部组织营养 增 强酶活力 一般情况下 超声波的热作用以骨和结缔组织为显著 脂肪与血液 为最少 3 理化效应 超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化 实 践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应 1 3 5 超声波的应用 现在 人们利用超声波来为飞机 轮船导航 寻找地下的宝藏 超声波就 像一位无声的功臣 广泛地应用于工业 农业 医疗和军事等领域 超声波具 体应用有 1 超声波焊接 应用超声波可以对热塑性工件使用熔接 铆焊 成形焊或点焊等多种方法 进行焊接 超声波焊接设备既可以独立操作 也可以用于自动化生产环境 那 些内置精密电子组件的塑料工件 如微型开关等 就适合使用超声波对其进行 焊接 同时 不止一种方法可能被用来对成品进行加工 如焊接软盘和卡带的 内部使用铆焊方式 而对其外部的焊接则使用熔接法 1 超声波塑料焊接机原理 安徽理工大学毕业设计 6 当超声波作用于热塑性的塑料接触面时 会产生每秒几万次的高频振动 这种达到一定振幅的高频振动 通过上焊件把超声能量传送到焊区 由于焊区 即两个焊接的交界面处声阻大 因此会产生局部高温 又由于塑料导热性差 一时还不能及时散发 聚集在焊区 致使两个塑料的接触面迅速熔化 加上一 定压力后 使其融合成一体 当超声波停止作用后 让压力持续几秒钟 使其 凝固成型 这样就形成一个坚固的分子链 达到焊接的目的 焊接强度能接近 于原材料强度 超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅 所加压力及 焊接时间等三个因素 焊接时间和焊头压力是可以调节的 振幅由换能器和变 幅杆决定 这三个量相互作用有个适宜值 能量超过适宜值时 塑料的熔解量 就大 焊接物易变形 若能量小 则不易焊牢 所加的压力也不能太大 这个 最佳压力是焊接部分的边长与边缘每 1mm 的最佳压力之积 2 超声波金属焊接的原理 超声波金属焊接是 19 世纪 30 年代偶然发现的 当时在作电流点焊电极加 超声振动试验时 发现不通电流也能焊接上 因而发展了超声金属冷焊技术 超声波焊接虽然发现较早 但是到目前为止 其作用机理还不是很清楚 它类 似于摩擦焊 但有区别 超声焊接时间很短 温度低于再结晶 它与压力焊也 不相同 因为所加的静压力比压力焊小的多 一般认为在超声波焊接过程中的 初始阶段 切向振动出去金属表面的氧化物 并是粗糙表面的突出部分产生反 复的微焊和破坏的过程而使接触面积增大 同时使焊区温度升高 在焊件交界 面产生塑性变形 这样在接触压力的作用下 相互接近到原子引力能够发生作 用的距离时 即形成焊点 焊接时间过长 或超声波振幅过大会使焊接强度下 降 甚至破坏 2 超声波制药 超声波医学方面的应用 不仅包括扫描探测领域 而且在制药领域也有非 常重要的作用 具体包括 1 注射用医药物质的分散 将磷脂类与胆固醇混合用适当方法与药物混 合在水溶液中 经超声分散 可以得到更小粒子 0 1um 左右 供静脉注射 2 草药提取 利用超声分散破坏植物组织 加速溶剂穿透组织作用 提 高中草药有效成分提取率 如金鸡纳树皮中全部生物碱用一般方法侵出需 5 小 时以上 采用超声分散只要半小时即可完成 3 制备混悬剂 在超声空化和强烈搅拌下 将一种固体药物分散在含有 表面活性剂的水溶液中 可以形成 1um 左右口服或静脉注射混悬剂 如 静 注喜树碱混悬剂 肝脏造影剂 硫酸钡混悬剂 安徽理工大学毕业设计 7 4 制备疫苗 将细胞或病毒借助于超声分散将其杀死以后 再用适当方 法制成疫苗 3 超声波清洗 由于超声波清洗速度快 质量好 又能大大降低环境污染 因此 超声波 清洗技术正在越来越多的工业部门中得到应用 1 超声波在电子行业的应用 电子行业是超声波清洗应用最早 最为普及的行业 a 电子零件的清洗 电子零件 如半导体管的壳座 IC 的壳座 晶体的 壳座 继电器的壳座 电子管座等 b 电子元器件的基体清洗 电子元器件的基体是由半导体材料制成并封装 在金属或塑料壳座中形成的 在封装前 不但对壳座必须清洗 而且也必须对 基体进行清洗 如 IC 芯片 电阻 晶体 半导体 原膜电路等 c PCB 板的清洗 我国电子行业中 绝大多数企业都在使用 PCB PCB 组件焊接采用的助焊剂分为水溶型 松香型和免清洗型三类 使用较多的为前 两种 多采用超声波清洗 也有不少是采用酒精刷洗 免清洗型原则上应该不 清洗 但是 目前世界各国的大多数厂家即使采用免清洗型焊剂焊接组件 仍 需要清洗 特别是高密度 PCB 以及高密度 IC 出脚不清洗或不采用超声波清洗 必将导致高密度线路之间和 IC 出脚之间吸附尘埃 一旦环境湿度大 极易发生 高密度线间和脚间短路而出现故障 而一旦环境干燥 短路故障又自行消失 这类故障又不易查找 所以世界各国的电子整机厂均坚持对 PCB 板作超声波清 洗 接插件 连接件 转接器等器件的生产中 电镀和组装前也必须清洗 否 则吸附在这些组装零件上的灰尘 油污必将影响其导电和绝缘性能 特别是一 些复杂的多芯连接器尤其如此 d 电子材料加工成型后的清洗 如晶片 硅片 压电陶瓷片等电子材料是 供给元器件厂家的产品 其产品出厂前必须清洗 特别是作出口业务的厂家 其产品清洗成为一大难题 超声波清洗是最有效的途径 2 超声波清洗在机电行业中的应用 机电行业中 从机械零件到机械部件 从电器零件到电器部件都有清洗的 要求 如齿轮 曲轴乃至齿轮箱 又如电器零件上机械和电器的组合件 还有 一些精密机械零件和电器零件 这些都离不开清洗 大多数企业采用的是传统 的清洗方法 诸如浸润清洗 喷淋清洗 这种清洗方法不但劳动强度大 而且 易造成环境污染和水资源浪费 目前 不少企业开始进行技术改造 采用超声 波清洗以消除传统清洗的弊端 特别是一些形状复杂的机械零件 是传统清洗 所无能为力的 安徽理工大学毕业设计 8 3 超声波清洗在轻纺行业中的应用 轻工行业 如空调 冷柜 冰箱中的压缩机 钟表零件 手表元件等 纺 织行业 如精密纺织器材 喷丝嘴等 珠宝行业 如金银首饰 珠宝玉器等 都需要清洗 有些零件 部件和组件 如压缩机 喷丝嘴等或形状复杂 或盲 孔 微孔 只能由超声波清洗 有些规模生产厂甚至采用超声波链式或升降式 成套设备 4 超声波测距 1 超声波发生器 为了研究和利用超声波 人们已经设计和制成了许多超声波发生器 总 体上讲 超声波发生器可以分为两大类 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 电气方式包括压电型 磁致伸缩型和电动型等 机械方式有加尔统笛 液哨和气流旋笛等 它们所产生的超声波的频率 功 率和声波特性各不相同 因而用途也各不相同 目前较为常用的是压电式超 声波发生器 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体 的谐振来工作的 超声波发生器内部结构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 便产生超声波 反之 如果两电极间未 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器了 2 超声波测距原理 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 途中碰到障碍物就立即返回来 超声波接收器收到反射 波就立即停止计时 超声波在空气中的传播速度为340m s 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 即 s 340t 2 这就 是所谓的时间差测距法 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知 测量声波 在发射后遇到障碍物反射回来的时间 根据发射和接收的时间差计算出发射 点到障碍物的实际距离 由此可见 超声波测距原理与雷达原理是一样的 测距的公式表示为 L C T 式中 L 为测量的距离长度 C 为超声波在空气中的传播速度 T 为测量 距离传播的时间差 T 为发射到接收时间数值的一半 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 安徽理工大学毕业设计 9 由于超声波易于定向发射 方向性好 强度易控制 与被测量物体不需 要直接接触的优点 是作为液体高度测量的理想手段 在精密的液位测量中 需要达到毫米级的测量精度 但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是 只有厘米级的测量精度 通过分析超声波测距误差产生的原因 提高测量时 间差到微秒级 以及用 LM92 温度传感器进行声波传播速度的补偿后 我们 设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度 3 超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种振 动频率高于声波的机械波 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的 它 具有频率高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向 传播等特点 超声波对液体 固体的穿透本领很大 尤其是在阳光不透明的 固体中 它可穿透几十米的深度 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射 形成反射成回波 碰到活动物体能产生多普勒效应 因此超声波检测广泛应 用在工业 国防 生物医学等方面 以超声波作为检测手段 必须产生超声波和接收超声波 完成这种功能 的装置就是超声波传感器 习惯上称为超声换能器 或者超声探头 超声波探头主要由压电晶片组成 既可以发射超声波 也可以接收超声 波 小功率超声探头多作探测作用 它有许多不同的结构 可分直探头 纵 波 斜探头 横波 表面波探头 表面波 兰姆波探头 兰姆波 双 探头 一个探头反射 一个探头接收 等 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 a 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 b 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 c 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 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面 而医学应用是其最主要的 应用之一 下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用 超声波在医学上 安徽理工大学毕业设计 10 的应用主要是诊断疾病 它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法 超 声波诊断的优点是 对受检者无痛苦 无损害 方法简便 显像清晰 诊断 的准确率高等 因而推广容易 受到医务工作者和患者的欢迎 超声波诊断 可以基于不同的医学原理 我们来看看其中有代表性的一种所谓的A 型方 法 这个方法是利用超声波的反射 当超声波在人体组织中传播遇到两层声 阻抗不同的介质界面是 在该界面就产生反射回声 每遇到一个反射面时 回声在示波器的屏幕上显示出来 而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振 幅的高低 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 1 4 单片机 1 4 1 单片机的简介 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统 尽管他的大部分 功能集成在一块小芯片上 但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件 CPU 内存 内部和外部总线系统 目前大部分还会具有外存 同时集成 诸如通讯接口 定时器 实时时钟等外围设备 而现在最强大的单片机系统 甚至可以将声音 图像 网络 复杂的输入输出系统集成在一块芯片上 单片机也被称为微控制器 Microcontroller 是因为它最早被用在工业 控制领域 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理系发展而来 最早的设计 理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中 使计算机系统更小 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器 从此以后 单片机和专用处理器的发 展便分道扬镳 早期的单片机都是 8 位或 4 位的 其中最成功的是 INTEL 的 8031 因 为简单可靠而性能不错获得了很大的好评 此后在8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用 随着 工业控制领域要求的提高 开始出现了 16 位单片机 但因为性价比不理想 并未得到很广泛的应用 90 年代后随着消费电子产品大发展 单片机技术得 到了巨大的提高 随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应 安徽理工大学毕业设计 11 用 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位 并且进入主流市场 而 传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高 处理能力比起80 年代提高了 数百倍 目前 高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz 性能直追 90 年 代中期的专用处理器 而普通的型号出厂价格跌落至1 美元 最高端的型号 也只有 10 美元 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用 大量 专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上 而在作为掌上电脑 和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows 和 Linux 操作系统 单片机比专用处理器更适合应用于 嵌入式系统 因此它得到了最多的应 用 事实上单片机是世界上数量最多的计算机 现代人类生活中所用的几乎 每件电子和机械产品中都会集成有单片机 手机 电话 计算器 家用电器 电子玩具 掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1 2 部单片机 而个人 电脑中也会有为数不少的单片机在工作 汽车上一般配备40 多部单片机 复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作 单片机的数量 不仅远超过 PC 机和其他计算的综合 甚至比人类的数量还要多 1 4 2 单片机的发展 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末 经历了 SCM MCU SoC 三大阶段 1 SCM 即单片微型计算机 Single Chip Microcomputer 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 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路 在开创嵌入式系统独立发 展道路上 Intel 公司功不可没 2 MCU 即微控制器 Micro Controller Unit 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 MCU 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 Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素 在发展 MCU 方面 最 著名的厂家当数 Philips 公司 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势 将 MCS 51 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 Intel 和 Philips 的历史功绩 3 单片机是嵌入式系统的独立发展之路 向 MCU 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 SoC 化趋势 随着微电子技术 IC 设计 EDA 工具的发展 基于 S 安徽理工大学毕业设计 12 oC 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 4 3 单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单 片机的踪迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯 与数据传输 工业自动化过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能I C 卡 民用豪华轿车的安全保障系统 录像机 摄像机 全自动洗衣机的控 制 以及程控玩具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更不用说自动控 制领域的机器人 智能仪表 医疗器械了 因此 单片机的学习 开发与应 用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家 工程师 单片机广泛应用于仪器仪表 家用电器 医用设备 航空航天 专用设 备的智能化管理及过程控制等领域 大致可分如下几个范畴 1 在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小 功耗低 控制功能强 扩展灵活 微型化和使用方便 等优点 广泛应用于仪器仪表中 结合不同类型的 传感器 可实现诸如电压 功率 频率 湿度 温度 流量 速度 厚度 角度 长度 硬度 元素 压力等物理量的测量 采用单片机控制使得仪器仪表数字化 智能化 微 型化 且功能比起采用电子或数字电路更加强大 例如精密的测量设备 功率计 示波器 各种分析仪 2 在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统 数据采集系统 例如工厂流水 线的智能化管理 电梯智能化控制 各种报警系统 与计算机联网构成二级 控制系统等 3 在家用电器中的应用 可以这样说 现在的家用电器基本上都采用了单片机控制 从电饭褒 洗 衣机 电冰箱 空调机 彩电 其他音响视频器材 再到电子秤量设备 五 花八门 无所不在 4 在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口 可以很方便地与计算机进行数据通信 为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件 现在的通信 设备基本上都实现了单片机智能控制 从手机 电话机 小型 程控交换机 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 再到日常工作中随处可见的移动 电话 集群移动通信 无线电对讲机等 5 单片机在医用设备领域中的应用 安徽理工大学毕业设计 13 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛 例如医用呼吸机 各种分析仪 监护仪 超声诊断设备及病床呼叫系统等等 6 在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能 从而在各种电路中进行模块化 应用 而不要求使用人员了解其内部结构 如音乐集成单片机 看似简单的 功能 微缩在纯电子芯片中 有别于磁带机的原理 就需要复杂的类似于 计算机的原理 如 音乐信号以数字的形式存于存储器中 类似于ROM 由微控制器读出 转化为模拟音乐电信号 类似于声卡 在大型电路中 这种模块化应用极大地缩小了体积 简化了电路 降低了 损坏 错误率 也方便于更换 此外 单片机在工商 金融 科研 教育 国防航空航天等领域都有着十 分广泛的用途 安徽理工大学毕业设计 14 安徽理工大学毕业设计 15 2 汽车防碰撞系统 2 1 系统总体设计方案 汽车防撞雷达 俗称电子眼 之所以能实现防撞报警功能 主要有超声 波这把无形尺子 它测量最近障碍物的距离 并告诉给车主 其实超声测距 原理简单 它发射超声波并接收反射回波 通过单片机计数器获得两者时间 差 T 利用公式 S CT 2 计算距离 其中 S 为汽车与障碍物之间的距离 C 为声波在介质中的传播速度 C 331 4 1 273 m s 为摄氏温度 本 文介绍的超声测距系统共有 4 只超声波换能器 俗称探头 分别布置在汽车 的前左 前右 后左 后右 4 个位置上 能检测前进和倒车方向障碍物距离 通过后视镜内置的显示单元显示距离和方位 发出一定的声响 起到提示 和警戒的作用 系统采用一片 PIC16C54 单片机对 4 路超声波信号进行循环 采集 并通过数据线发送到显示单元 2 2 总体设计方案结构 图2 1 测距系统结构框图 2 2 1 系统模块选择 1 单片机 选择 PIC16C54 芯片 因为它具有许多优越的性能 其能够 产生较稳定的 40kHz 的基准频率脉冲信号 具有 MCLR 内部复位 内部自 振试看门狗 WDT 多个特殊功能寄存器等特点 2 显示单元 选择SN8P1604S芯片 因为它具有4K字节的OTP ROM One Time Programmable Read Only Memory 即 可以进行片内编程操作 而且可以增强加密功能 而且有多于128 byte RAM的数据记忆存储空间 8 bit 名为TC1 码信转换器 子复用器 用于流量控制的工具 通过 tc 可以控制网 络接口收发数据的速率 的计时器 和蜂鸣器功能为了不同外设的适用等特点 多多路路选选择择发发射射驱驱动动 信信号号放放大大 整整形形 电电源源 单单片片机机 车车速速信信号号 倒倒车车信信号号 显显示示单单元元 后后换换能能器器 前前换换能能器器 安徽理工大学毕业设计 16 3 多路选择 选择CD4052芯片 因为它具有四通道的双4选一的多路模 拟选择功能 可以用于本设计对车前 后的左 右方向进行信号的发送和采集 能从4个不同的方面有效的防止车的碰撞的发生 2 2 2 系统模块功能 1 信号发送模块 通过PIC16C54发送振荡频率为40kHz的脉冲信号 经 多路选择器CD4052单元 后通过发送驱动电路发送频率稳定的40kHz超声波 2 信号采集模块 换能器经信号放大和频率选择 最后通过整形电路接 受到一个正向的方波信号 送PIC16C54处理 3 信号处理模块 一方面 利用PIC16C54单片机采集车速信号和倒车 信号 送给PIC16C54中央处理器CPU处理 并做出反应 产生序列脉冲即数据 发送到SN8P1604S显示单元的发光二极管显示 另一方面 接收到经放大 整 形的方波信号 由计数器产生中断信号 PIC16C54芯片的同步计数器的数据发 送到SN8P1604S单元的七段数码管显示数据 如果超出预订的两车安全车距时 SN8P1604S送脉冲触动扬声器发出报警声音 2 3 超声波时序 图2 2 超声波时序图 由于在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题 是因为换 能器的余震和部分声波未经障碍物就直接绕射到换能器上造成的 从发射开始 一直到 虚假反射波 结束这段时间 通过软件延时避开 从而不会处理虚假 方波信号 可有效躲避干扰 但也会形成所谓的 盲区 如图2 2所示本系统 的盲区约为20 cm 安徽理工大学毕业设计 17 安徽理工大学毕业设计 18 3 系统硬件设计 为了能测量汽车不同部位障碍物距离 设计成多传感器测距 经分析可 知 频率为 40kHz 左右的超声波在空气中传播的效率最佳 因此 为了方 便处理发射的超声波被调制成 40kHz 左右 具有一定间隔的调制脉冲波信号 如图 2 2 所示 该测距系统结构框图如图 2 1 所示 由图 2 1 可见 测距 系统由超声波换能器 信号处理及控制输入 单片机控制单元和显示单元 4 个部分组成 超声波换能器接收 发送一体 信号处理及控制输入电路由 点火开关 倒车开关 车速传感器组成 显示单元内置于内后视镜 单片机 控制单元由单片机 电源 发射驱动 接收放大 通道选择组成 测距系统 原理图如附 2 所示 所有通道发射驱动和接收放大电路相同 与 Y3 和 X3 连接部分 附 2 中其他通道电路略去 3 1 核心芯片介绍 3 1 1 PIC16C54 PIC16C54 名称 超声波脉冲信号发生器 图3 1 PIC16C54 芯片介绍 PIC16C54 在此系统中是一个用于对 4 路超声波信号进行循环采集 并 通过数据线发送到显示单元的 单片机 其特点 具有产生 40kHz 的基准频 率脉冲信号 MCLR 内部复位 内部自振试看门狗 WDT 多个特殊功能寄 存器等特点 引脚功能 1 RA0 RA3 RB0 RB7 I O 口 双向可编程 RTCC 实时定 时器 计数器 2 MCLR 复位脚 低电平有效 OSC1 振荡 输入 OSC2 振 荡 输出 VDD 电源 VSS 接地 安徽理工大学毕业设计 19 注 RTCC 设置成内部定时器时 有程序设定 这时应将 RTCC 端接 V SS 或 VDD 以避免干扰 采用 RC 振荡时 OSC2 端输出 OSC1 的 4 分频 信号 3 1 2 CD4052 CD4052名称 多路选择开关 图3 2 CD4052 芯片介绍 CD4052在此系统中是一个用于对前左 前右 后左 后右四个通道进行双 4选一的多路模拟选择开关 其特点 应用时可以通过单片机对A B的控制来选 择输入哪一路信号 引脚功能 输入 输出口 Y Y0 Y1 Y2 Y3和X X0 X1 X2 X3 工作原理 若需要从4路输入中选择第二路输入 假设使用的是Y组 那么 单片机只需要分别给A和B送1和0即可选择该路 然后进行相应的处理 注 第6脚为使能脚 只有为0时 才会有通道被选中输出 芯片逻辑原理如图3 3所示 图3 3 CD4052芯片逻辑 安徽理工大学毕业设计 20 3 1 3 SN8P1604S SN8P1604S名称 1604系列显示驱动 芯片如图3 4所示 图3 43 4 SN8P1604SSN8P1604S 芯片介绍 SN8P1604S在此系统中是一个用于发光二级管及七段码液晶显示的驱动芯 片 并具有超距离智能报警功能 特点如下 1 具有4K字节的OTP ROM One Time Programmable Read Only Memory 即 可以进行片内编程操作 而且可以增强加密功能 2 有多于128 byte RAM的数据记忆存储空间 8 bit名为TC1 码信转换 器 子复用器 用于流量控制的工具 通过tc 可以控制网络接口收发数据的 速率 的计时器 和蜂鸣器功能为了不同外设的适用 引脚功能 1 VDD VSS 电源输入引脚 适用时在VDD和VSS之间要短接一个 0 1 F的旁路电容 2 VPP VDD 是一个OTP编制程序引脚 正常模式应于VDD保持连接 3 RST 输入复位引脚 开关触发器结构 低电平有效 但通常称 高 4 XIN XOUT 外部石英振荡器输入输出引脚 通常以RC模式 5 P0 0 INT 输入 中断 开关触发 具有启动功能 且为嵌入式上拉电 阻触发 6 P0 1 输入引脚 具有启动功能 且为嵌入式上拉电阻触发 7 P1 0 P1 7 I O 双通道输入输出引脚 具有保持启动功能 且为嵌 入式上拉电阻触发 8 P2 0 P2 7 I O 双通道输入输出引脚 且为嵌入式上拉电阻触发 9 P5 0 P5 3 I O 双通道输入输出引脚 P5 3作为TC1的输出方式 安徽理工大学毕业设计 21 PWM波特率和蜂鸣器功能 且为嵌入式上拉电阻触发 注 本芯片最大特点就是8 bit的TC模式和buzzer驱动功能 安徽理工大学毕业设计 22 3 2 超声波发送 包括超声波信号的产生 多路选择及换能器等组成 超声波发送脉冲如图 2 2所示 40kHz的超声波发送脉冲信号由单片机PIC16C54的RA2口送出 其脉 冲宽度及发送间隔均由软件控制 脉冲宽度约为125 200 s 即在一个调制脉 冲包括5 8个方波 脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数 本系统有4路测距通道 采用分时工作 按后左 后右 倒车时 和前左 前右 前 进时 的顺序循环测距 若在有效测距范围内有障碍物的话 则在后一路超声波 束发出之前应当接收到前一路发回的反射波 否则认为前一路无障碍物 因此 按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间 例如 最大测距范围为 2m时 脉冲间隔时间t 2s 2 2 340 12 ms 实际应取t 12 ms 发送的超声波 脉冲经多路选择开关CD4052按序分别送到前左 前右 后左 后右4路发送换 能器上 采用三极管S8050驱动升压器 以加大发射能力 超声波发送电路如图3 5所示 Y0 Y2 Y Y3 Y1 INH VEE VSS VDD X2 X1 X X0 X3 A B U1 C D4052 SPEAKER R A1 R A0 OSC 1 OSC 2 VDD VDD R B7 R B6 R B5 R B4 R A2 R A3 TOC K1 M CLR VSS VSS R B0 R B1 R B2 R B3 U2 PIC16C 54 SPEAKER T TRANS 1 220uF C 1 C 2 C AP C 3 C AP Y C RYSTAL S80S 0 NPN 5 1 R 3 R 4 1K R 2 5 1 R 1 传传传传传传 M OTOR AC VCC GND OUT