基于MSP430单片机的倒车雷达设计

中北大学2011届毕业论文第1页共4页基于MSP430单片机的倒车雷达设计摘要随着我国汽车产业的告诉发展，尤其是近两三年我国开始进入私家车时代，汽车电子产业成了新的增长点，汽车电子产品的高利润和市场广阔性备受商家关注，印象和防盗器就是明证。近两年来，倒车雷达成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达。倒车雷达全称为“倒车防撞雷达”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷。本文详细介绍了一种基于MSP430单片机的超声波脉冲测距预警倒车雷达系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。并且描述了系统研制的理论基础，超声波传感器等部分的电路设计以及使用了性能优良的单片机对系统起到了积极的作用。论文概述了超声波检测的发展及原理，介绍了超声波传感器的原理以及特性，并且在在此基础上提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接受、检测、多路控制、显示部分的总体设计方案进行了论证。关键词倒车雷达；MSP430单片机；超声波测距。中北大学2011届毕业论文第2页共4页THEDESIGNOFCARPARKINGSENSORBASEDONMSP430CHIPABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCHINASAUTOMOBILEINDUSTRYTOTELL,ESPECIALLYINTHEPASTTWOORTHREEYEARSENTEREDTHEPRIVATECAROFTHEERA,AUTOMOTIVEELECTRONICSINDUSTRYHASBECOMEANEWGROWTHPOINT,AUTOMOBILEELECTRONICPRODUCTSANDMARKETABROADHIGHMARGINBUSINESSOFMUCHATTENTION,IMPRESSIONS,ANDANTITHEFTDEVICEISPROOFTHEPASTTWOYEARS,REVERSINGRADARBECAMETHENEWLOVEOFELECTRONICBUSINESS,MANYMANUFACTURERSHAVEPRODUCEDANTITHEFTDEVICEINVOLVEDREVERSINGRADARPARKINGSENSORISCALLED“REVERSECOLLISIONAVOIDANCERADAR,“ISSECURECARPARKINGASSISTDEVICE,CAPABLEOFVOICEORAMOREINTUITIVEDISPLAYOFOBSTACLESAROUNDTHESITUATIONTOLDTHEDRIVERTOLIFTTHEDRIVERSTARTTHEVEHICLEPARKINGANDACCESSAROUND,PROBLEMSARISINGANDTOHELPTHEDRIVERDEADLIVESTOCKANDBLURREDVISIONDEFECTSTHISPAPERDESCRIBESTHEMSP430MICROCONTROLLERBASEDULTRASONICPULSERANGINGREVERSINGEARLYWARNINGRADARSYSTEMTHESYSTEMISTHEPROPAGATIONVELOCITYOFULTRASONICWAVEINTHEAIRTODETERMINETHECONDITIONSUNDERTESTUSINGREFLECTEDULTRASONICDISTANCEMEASUREMENTANDDESCRIBESTHETHEORETICALBASISOFSYSTEMDEVELOPMENT,ULTRASONICSENSORSANDOTHERPARTSOFTHECIRCUITDESIGNANDTHEUSEOFTHEEXCELLENTPERFORMANCEOFTHESCMSYSTEMHASPLAYEDAPOSITIVEROLEPAPEROUTLINESTHEDEVELOPMENTOFULTRASONICTESTINGANDTHEPRINCIPLE,INTRODUCEDTHEPRINCIPLEANDTHECHARACTERISTICSOFULTRASONICSENSORS,ANDONTHISBASIS,THEOVERALLCOMPOSITIONOFTHEPROPOSEDSYSTEMRANGINGSYSTEMFORLAUNCH,RECEIVE,TEST,MULTIPLECONTROL,SHOWINGPARTOFTHEOVERALLDESIGNWEREDEMONSTRATEDKEYWORDSREVERSINGRADARMSP430MICROCONTROLLERULTRASONICRANGING中北大学2011届毕业论文第3页共4页目录摘要1ABSTRACT2目录31绪论111引言112课题背景及意义113国内外倒车雷达的发展现状214倒车雷达的发展趋势315论文主要研究内容42倒车雷达的相关技术521超声波介绍522超声波传感器6221超声波传感器结构6222工作程式8223系统构成823系统测距原理93系统的硬件设计1131硬件结构1132MSP430单片机1133系统的硬件电路设计12331主控制器选择及硬件组成12332电源电路12333复位电路13334时钟电路14335存储器电路设计1534超声波换能器电路设计15341倒车雷达总体结构15中北大学2011届毕业论文第4页共4页342超声波发射信号16343超声波接收电路17344显示电路与报警提示设计17345MSP430单片机介绍184系统软件设计2041软件设计总体思路20411总体思路20412需要完成的任务2142图像视频的采集与播放21421USB摄像头的组成21422LCD显示的程序设计2243超声波发射和接受部分软件245总结28参考文献31致谢33中北大学2011届毕业论文第1页共34页1绪论11引言超声波雷达又称泊车辅助系统，是一种利用超声波原理，由装载于车尾保险杠上的探头发送超生波撞击障碍物后，反射此声波探头，从而计算出车体与障碍物之间的距离。一般由超声波传感器、控制器、显示器等部分组成。它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视野模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。1通常的倒车雷达主要由三部分组成感应器（探头），主机，显示设备。感应器就是发出和接收超声波信号的机构，然后将得到的信号传输到主机里面的电脑进行分析，再通过显示设备显示出来。控头装在后保险杠上，根据不同价格和品牌，探头有二、三、四、六只不等，有的高档进口车甚至要装八只，分别管前后左右。探头以45度角辐射，上下左右搜寻目标。经最大的好处是能探索到那些低于保险杠而司机从后窗难以看见的障碍物，并报警，如花坛，蹲在车后玩耍的小孩等。倒车雷达显示器装在驾驶台上，它不停地提醒司机车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，让司机停车。“倒车雷达”的主要作用是在倒车时，自动启动倒车雷达，无须回头便可知车后有无障碍物，使停车和倒车更容易、更安全。12课题背景及意义据初步调查统计，75的汽车交通事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，许多非职业汽车驾驶员很希望能有一种汽车倒车报警器，在倒车时不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安伞性。增强汽车的后视能力，尤其是增强大型、重型车辆的后视能力，对于提高行车安全，减轻司机的劳动强度和心理压力，是十分重要的。目前，国内外都在研究如何利用先进的技术，即汽车避撞技术，辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危急情况下由系统主动干涉驾驶操纵、辅助驾驶者进行紧急处理、防止汽车碰撞事故的发生。随着人们对汽车驾驶中北大学2011届毕业论文第2页共34页辅助系统易用性要求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。2本文介绍了一种基于MSP430单片机的超声波倒车雷达监测报警系统。13国内外倒车雷达的发展现状目前，很多经营汽车配件或装饰美容的商店甚至汽车经销商处都可安装倒车雷达。市场上经销的倒车雷达品牌多达几十种，有固地、铁将军伊莱、全安、佐敦、视宝等，基本上国产品牌占90，而进口产品较少。通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等3部分组成。感应器发出和接收超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。感应器装在后保险杠上，以角45辐射，检测目标，能探索到那些低于保险杠而驾驶员从后窗又难以看见的障碍物并报警，如花坛、蹲在车后玩耍的儿童等；显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示驾驶员停车。根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等种。粘贴式感应器后有1层胶，可直接粘在后保险杠上；钻孔式感应器是在保险杠上钻1个洞，然后把感应器嵌进去；悬挂式感应器主要用于载货车。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可分为数字式、颜色式和蜂鸣式等3种。数字式显示设备是1只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员1目了然。在几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展。第一代倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意”想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。价格便宜，基本属于淘汰产品。第二代采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后18米15米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。中北大学2011届毕业论文第3页共34页第三代数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在18米开始显示；如果是人，在09米左右的距离开始显示。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，；黄色代表警告距离，；红色代表危险距离，必须停止倒车。第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观。第四代液晶荧屏动态显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕显示开始出现动态显示系统。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，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。第五代魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。第六代整合影音系统。它在第五代产品的基础上新增了很多功能，属于第六代产品，是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。目前市场上倒车雷达品牌多达二十几种，价格从上百元到一两千元不等，选购倒车雷达可以从如下方面考虑功能、性能、外观、质量、安装、价格等。14倒车雷达的发展趋势（1）智能化。随着计算机技术的不断发展，倒车雷达在计算机上的应用将由简单的数据采集、处理，逐步转化为以信息处理、应用为主。除了不断完善硬件充值设备外，还要对软件系统的研制的研制开发进行不断的深入和完善。近年来嵌入式系统的快速中北大学2011届毕业论文第4页共34页发展，在汽车工业中得到逐步重视，其中ARMLINUX为架构平台的嵌入式系统便在倒车雷达的研究中得到很大程度的应用。（2）可视化。基于以前倒车雷达仅仅依靠语音报警的基础，倒车雷达加上了可视的视频显示系统，使车主在倒车的同时可以清楚的观察到汽车后面的实物，用眼睛进行清晰的判断，避免倒车事故的发生。（3）集成化。倒车雷达系统的发展逐渐将各个功能集中在一起，实现了一套硬件设备可以完成多项功能。倒车雷达的集成化就是将倒车雷达的可视化、LCD显示、超声波测速、语音报警等功能集成在一起，组成了真正意义上的硬件系统。在今后的发展趋势中我们依然可以将倒车雷达、车载导航、车载音频等系统集成一起，组成一个意义更为广泛的集成化系统。15论文主要研究内容本论文基于倒车雷达现状、发展趋势以及课题背景，介绍了一种基于MSP430单片机的超声波倒车雷达监测报警系统，主要内容如下（1）绪论部分介绍课题背景、倒车雷达的发展现状和趋势，最后提出研究内容（第一章）。（2）介绍了系统实现所设计的主要相关技术（第二章）。（3）介绍系统的硬件设计及实现方法（第三章）。（4）介绍系统的软件设计及实现方法（第四章）。（5）对该设计的应用及本论文的研究内容和存在的不足之处做总结（第五章）。中北大学2011届毕业论文第5页共34页2倒车雷达的相关技术21超声波介绍我们知道，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2020，000赫兹。当声波的振动频率大于20000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20000赫兹的声波称为“超声波”3。通常用于医学诊断的超声波频率为15兆赫。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,农业上有明显的作用理论研究表明,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（20000HZ），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25MHZ之间，常用为335MHZ（每秒振动1次为1HZ，1MHZ106HZ,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ之间）。超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。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。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，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一中北大学2011届毕业论文第6页共34页系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定S为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为TS，超声波传播速度为VMS1表示，则有关系式1SVT21在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式2对超声波传播速度加以修正，以减小误差。V33140607T2式中，T为实际温度单位为，V为超声波在介质中的传播速度单位为MS。22超声波传感器221超声波传感器结构超声波传感器是一种将其他形式的能转化为所需要频率的超声能活着是把超声能转化为同频率的其他形式的能的装置。目前常用的超声波传感器主要两大类，即电声型与流体力学型。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。流体力学型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不用，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而共轭中采用的流体动力型传感器成为“哨”或“笛”。目前较为常用的是雅典式超声波发生器，其十余超声波传感器中电声型的一种。探头人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ20KHZ中北大学2011届毕业论文第7页共34页图21超声波传感器范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ几十MHZ。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。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。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为2325KHZ及4045KHZ。这类传感器适用于测距、遥图22超声波传感器控、防盗等用途。该种有T/R4060，T/R4012等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或中北大学2011届毕业论文第8页共34页料位；反射型用于材料探伤、测厚等。由发送传感器或称波发送器、接收传感器或称波接收器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15MM左右的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。222工作程式若对发送传感器内谐振频率为40KHZ的压电陶瓷片双晶振子图23超声波传感器施加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。超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。223系统构成由发送传感器或称波发送器、接收传感器或称波接收器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15MM左右的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能量并向空中辐中北大学2011届毕业论文第9页共34页射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振图24超声波传感器动，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。超声波传感器电源或称信号源可用DC12V10或24V10。23系统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，超声波在窄气中传播，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，超声波在空气中传播的速度为340MS，根据计时时间T，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即S340T21这就是时间差测距法。本系统就是利用单片机控制超声波发射器发射超卢波脉冲，同时利用单片机中的计数器开始计时。超声波达到后面的障碍物就会反射回来，接收装置接收到回波信号后由外部比较电路产生高电平使单片机产生外部中断。单片机运行中断服务子程序ISR计算出距离，并传送给LCD显示给司机，同时，程序内还有比较模块，若车距小于5M，则显示所测量的距离的同时单片机输出一个高电平使蜂鸣器报警，若车距大于5M，则显示U。U，蜂鸣器不报警，这样以声光两种方式可靠地向司机给出报警信息，来保证倒车或行车的安全。中北大学2011届毕业论文第10页共34页图25超声波测距简图340212式21超声波测距公式超声波测距的算法设计超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2X1001S，则有（340001S）/217。这就是根据超声波从发出到遇到反射物后返回的时间换算后得到的17米距离。中北大学2011届毕业论文第11页共34页3系统的硬件设计31硬件结构本倒车雷达主要用来显示汽车后面的情景已经测量和障碍物之间的距离。整个设计主要由MSP430单片机、超声波发生模块、超声波接受模块、视频采集模块、LCD显示模块以及语音报警模块组成。单片机外围扩展一系列功能模块如LCD、USB接口等，USB主机接口，连接摄像头模块采集视频图像信息系统，结合ARM处理器实现视频/图像的采集、压缩，并将采集后的数据发送到接收端（视频处理中心，并通过LCD显示出来。硬件框图如图31所示。31硬件框图32MSP430单片机单片机是整个逻辑系统的核心。4主要负责控制整个测距流程，使各个模块协调工作，并进行数据处理得出距离值，最后在液晶显示屏上显示出距离值，MSP430系列是一个16为的、具有精简指令集的、超低功耗的混合星单片机，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星，特别适合应用在电池供电便携式设备及手持设备中。5根据系统指标要求，本课题采用美国TI公司的MSP430F437单片机。6其主要特点如下1低供电电压范围1836V；2超低功耗活动模式1MHZ，22V时为280UA；等待模式11UA；关闭模式（RAM保持）01UA超声波发射电路超声波接受电路MSP430单片机电源电路显示与报警电路中北大学2011届毕业论文第12页共34页3五种省电模式46US内从等待状态唤醒；516位精简指令结构，125NS指令时间周期；6具有内部参考电平、采样保持和自动草庙特性的12位A/D转换器；7带有3个捕获/比较七寸器的16位定时器定时器A和定时器B；8片内集成比较器；9串行通信接口（USART，软件选择异步UART或者同步SPI接口；10具有可编程电平检测的供电电压管理器/监视器；11串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的安全络丝代码保护；12集成多大160段得LCD驱动器。33系统的硬件电路设计核心板是一个单片机系统正常运行所需要的核心电路及其外围线路，它主要包括主控制器、复位电路、时钟电路、电源电路、FLASH等。331主控制器选择及硬件组成与常用的51系列单片机相比，MSP430系列单片机功能强大、功耗低、集成度高，其主要缺点是价格略高。7为得到合适的性价比，选择TI公司早期生产的MSP430F1101，这种型号的单片机价格较低，功能虽然并不强大，但足以满足本系统要求。F1101的不足之处主要在于没有液晶驱动，选择价格合理的液晶显示驱动芯片HT1621便可解决这一问题。系统硬件电路以MPS430F1101单片机为核心，如图32所示，其主要由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路与报警电路等组成。图32系统框图332电源电路在该系统中硬件平台上需要使用3种电压，内核中作电压18V，存储器和外部超声波发射电路超声波接受电路MSP430单片机电源电路显示与报警电路中北大学2011届毕业论文第13页共34页I/O设备需33V，MC35模块典型工作电平为42V。本系统采用宽电平输入，通过DCDC转换器来实现多个电平输出。再次选用LM317集成稳压电路，它是常用的可调集成稳压器，最大输出电流为22A，输出电压范围为12537V。8其接法如图33所示。1、2脚之间为125V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D1、D2用于保护，U。（1R2/R112。图33电源电路333复位电路复位对于一个系统相当重要，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可以由简单的RC复位电路，经使用证明，其复位逻辑是可靠的，如图34所示。9中北大学2011届毕业论文第14页共34页图34复位电路该复位电路的工作原理如下在系统上电时，通过电阻R1向电容C1充电，当C1两端的电压未达到高电平的门限电压时，NRESET端输出为高电平，系统处于正常工作状态。当用户按下按键S1时，C1两端的电荷被释放掉，NRESET端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。为保证系统有效复位，必须合理选择R1和C1的参数，以调整复位状态的时间。对于S3C2410X来说，在系统上电后NRESET端必须保持低电平至少4个MCLK周期。两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形；NRESET端的输出状态与RESET端相反，以用于高电平复位的期间；经使用证明，基于途中所选参数的复位电路其复位逻辑是可靠的。10334时钟电路时钟电路用于向CPU及其他电路提供工作始终。需要两路始终输入一路是CPU工作始终输入，；另一路提供给实时始终RTC电路。根据最高工作频率以及PLL电路的工作方式，AT91RM9200外部由184MHZ始终输入，经内部PLL倍频到180MHZ，同时片内兼有信号放大和提纯的功能。因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪音。实时时钟RTC采用通用的32768KHZ始终输入。T91RM9200的工作始终和实时始终输入电路原理图如图35中北大学2011届毕业论文第15页共34页图35实时始终输入电路原理图335存储器电路设计内核提供了32位的地址总线，可以访问4G（2）的线性地址空间，而S3C2410的内部地址总线是30BIT（HADDR290,能够访问的最大外部地址空间是2的30次方，即1G的地址空间00000000003FFFFFFFF,可见S3C2410仅利用了系统的32位地址总线的低30位，并且是一一对应相连的。S3C2410将1G的外部地址空间分成了8个存储器组，每个组的大小为128M，其中6个用于ROM、SRAM等存储器，2个用于ROM、SRAM、SDRAM等存储器。基于芯片体积及成本的考虑，当S3C2410对外寻址时，采用了部分译码的方式，即低位地址线用于外围存储器的片内寻址，而高位地址线用于外围存储器的片外寻址。由于每个存储器组的起始地址及空间大小固定，对于系统要访问的任意外部地址，S3C2410可以方便地利用内部地址总线的高3位HADDR2927来选择该地址属于哪一个存储器组（BANK），从而激活相应的BANK选择信号，并且使用外部地址总线A260来实现相应BANK的内部寻址，寻址范围为128M，从而使得其外围地址访问空间为1GB。S3C2410正是通过这种机制来完成外部地址空间的寻址全过程。中北大学2011届毕业论文第16页共34页34超声波换能器电路设计341倒车雷达总体结构倒车雷达的设计由五部分组成超声波发生模块、超声波接受模块、摄像头视频采集系统、LCD显示模块、语音报警系统；其总体体系结构见图36。11图36系统的总体设计各模块完成的具体任务如下（1）测距系统由超声波发生模块、超声波接受模块、单片机控制系统组成，用来测量汽车与障碍物之间的距离。（2）显示报警系统主要由USB摄像头、控制系统、显示模块和语音报警组成，用来显示车后和车侧面的详细情景并通过彩色液晶显示，同时通过语音提示报警。（3）控制系统是本系统的核心，采用MSP430单片机，控制整个系统的运行，对各种接口电路进行控制。MSP430单片机通过串口输出脉冲控制555振荡器工作，发生超声波。12同时计时，当发生的超声波碰到障碍物发射回来，此时超声波接受模块接收信号，通过放大处理后，传送给系统，从而计算出障碍物与汽车直接的距离，并根据计算出的距离由软件系统进行判断，对驾驶员进行语音提示。同时，主控芯片进行摄像头的视频采集并通过LCD显示出来。342超声波发射信号超声波发射硬件电路框图如图37所示，单稳触发器接收来自押S430F1101的P13端口输出的40MS脉冲波，经过触发器的电压提升和脉宽控制输出频率不变、高电平宽度为160US的方波，方波周期为40MS。13此脉冲信号作为555振荡器的置位脉冲。在置位期问，555定时产生40KHZ的振荡信号，由超声波发射头T40K将电信号转化成超声波发射出去。超声发射器便发射出脉冲数为7个的脉冲串140KHZO25MS，超声波发射器的声波传播到反射物，再由反射物反射到接超声波发送模块超声波接受模块摄像头采集驱动电路放大整形显示模块语音报警MSP430单片机中北大学2011届毕业论文第17页共34页收器，传播距离为2倍测量距离，由式1可知。14图37超声波发射硬件电路图38超声波发射电路框图343超声波接收电路超声波接收电路如图39所示，超声波接收UCMR40接收到的回波信号转换成电压信号，经过两级放大及电压整形电路，整形后的直流电压并不平滑，需要再加一个电容C5滤波，滤波后的电压范围基本稳定，用这个电压驱动光电耦合器件SFH65A1的发光二极管，这时光敏三极管导通，经过一个反相器输出电平信号，再经过一个反相器使电平信号基本稳定。15电平信号直接输入单片机的外部中断入口，该高电平作为MSP430的外部中断的中断信号使单片机产生中断，在中断服务程序中停止计数器的计时，并计算出有关数据。16单片机发出的脉冲信号单稳态触发器由555构成的多谐振荡器超声波UCMT40K中北大学2011届毕业论文第18页共34页图39超声波接受电路框图344显示电路与报警提示设计本系统要求两位被测距离显示和两种不同距离值的警报提示信息。而LED显示电路需要多个口线支持，所以选择既能节省口线，又价格适中的液晶显示驱动器HT1621，该芯片同时提供2KHZ和4KHZ的两种音频格出，符合系统技术要求。显示驱动电路如图310所示。图310HTL621与单片机接线图中北大学2011届毕业论文第19页共34页报警部分采用一个蜂鸣器，由P12输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管9012的放大。报警部分的连线，如图311所示。图311报警电路345MSP430单片机介绍MSP430的设计有五种低功耗模式，可以大大延长便携式测量设备中的电池寿命。芯片具有一个强大的16位RISCCPU,10个16位的七寸器以及常数发生器，能够最大限度的提高代码的效率。数字控制的振荡器（DCO）可以在6微秒内将CPU从低功耗模式中唤醒。MSP430F1101配置了两个16位定时器、一个12位快速A/D转换器、一个通用同步/异步串行通信接口（USART）和48个I/O引脚以及一个多达160段得液晶驱动器。17MSP430的典型应用报考测量系统与控制系统，可以将捕获模拟信号转换为数字值，然后对数据进行处理并显示在液晶面板上。本系统中MSP430F1101用是通过CPLD进行测距流程控制由CPLD读取粗测计数值和经A/D转换的精测采样值对粗测值和精测值进行数据处理，并将处理好的数据进行实时显示；利用单片机内部的A/D转换对APD高压采样，并通过控制CDPLD使其产生PWM信号，进而对APD进行自动增益控制。MSP430单片机电路图如图所示中北大学2011届毕业论文第20页共34页图412MSP430单片机电路图中北大学2011届毕业论文第21页共34页4系统软件设计41软件设计总体思路411总体思路系统软件设计采用模块化设计，主要包括主程序设计、T1中断服务子程序、INT0外部中断服务子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和报警子程序设计等。系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和外部中断引脚的分配和使用。本设计中P10引脚连接到7HC04推挽放大电路再连接到超声波发射传感器，P10引脚输出的将是软件方式产生的40KHZ方波，而P32INT0则被用来接收回波。定时器T1，T0均工作在工作方式1，为16位计数，T1定时器被用来开启一次测距过程以它的溢出为标志开始一个发射测量循环，T0定时器是用来计算脉冲往返时间，它们的初值均设为0。系统初始化后就启动定时器T1从0开始计数，此时主程序进入等待，当到达65MS时T1溢出进入T1中断服务子程序；在T1中断服务子程序中将启动一次新的超声波发射，此时将在P10引脚上开始产生40KHZ的方波，同时开启定时器T0计时，为了避免直射波的绕射，需要延迟1MS后再开INT0中断允许；INT0中断允许打开后，若此时P32INT0引脚出现低电平则代表收到回波信号，将提出中断请求进入INT0中断服务子程序，在INT0中断服务子程序中将停止定时器T0计时，读取定时器T0时间值到相应的存储区，同时设置接收成功标志；主程序一旦检测到接收成功标志，将调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速，存储到RAM存储单元中；单片机再调用距离计算子程序进行计算，计算出传感器到目标物体之间的距离；此后主程序调用显示子程序进行显示；若超过设定的最小报警距离还将启动扬声器报警；当一次发射、接收、显示的过程完成后，系统将延迟100MS重新让T1置初值，再次启动T1以溢出，进入下一次测距。如果由于障碍物过远，超出量程，以致在T0溢出时尚未接收到回波，则显示“ERROR”重新回到主流程进入新一轮测试。主程序和定时器T1、外部中断INT0中断服务子程序的框图分别，如图4143所示中北大学2011届毕业论文第22页共34页412需要完成的任务倒车雷达监测报警系统测距系统软件主要完成三个任务1TIMERA发送定时40MS的脉冲波，并在每一个脉冲发射的同时启动计数器，给比较单元CCRO赋初值；2当有外部中断时，进入中断服务予程序，如果此中断到来之前计数器无溢出，则停止计算，进入数据处理单元。如果中断到来前计数器有溢出则进入出错管理，屏蔽一个中断源，累计测量次数自加一；3用单片机控制液晶驱动HT162L，计算得到的距离值，通过串行传输方式送给显示芯片，并比较其大小，当距离在小于05M时选通BZ4KNZ音频输出离小于2M时选通BZ2KHZ音频输出。系统利用超声波在空气中的可传播性，在将时间和速度相乘即得距离的原理，设计了一个基于MSP430的超声波倒车雷达监测报警系统，用于实时测得汽车尾部与障碍物的距离，通过LCD显示距离值，将距离值提供给司机，该系统最大测量距离是65M，精确度是I5CM，它具有成本低、非接触、速度快、精度高、可靠性强、适应性好、操作方便，有着广泛的应用前景。42图像视频的采集与播放采用实时图像视频具有直观生动、快速便捷、内容丰富的特点，便于司机及时详尽掌握周围的环境，做出准确的判断。我们决定使用USB摄像头作为本系统的图像采集器件。市场上销售的摄像头品牌很多，采用的主控芯片和传感器种类千差万别。我们使用的摄像头是主控芯片型号为中芯微公司的ZC301摄像头通过USB接口与AT91RM9200通信，ARM经过相应的数据处理，通过液晶屏实时显示。程序的编写主要包括USB的驱动程序、摄像头的视频捕获与处理、LCD显示。421USB摄像头的组成USB摄像头由主控芯片和传感芯片组成。主控芯片负责图像压缩以及主机通信。传感器芯片负责图像采集，现有的两种传感器类型分别是CMO和CCD。在我们的系统中，摄像头连接到模块，首先完成图像的采集以及压缩过程，然后通过USB接口，把图像传输到系统中，并保存到HAND闪存上。USB摄像头驱动主要是中北大学2011届毕业论文第23页共34页对主控芯片进行控制。USB摄像头得驱动开发部分分为两部分。首先，完成S3C2USB主机控制器驱动移植，其次完成USB摄像设备端驱动移植。422LCD显示的程序设计LCD显示器由控制器和256色的彩色显示器组成。通过直接操作显示缓冲区的内容。LCD控制器用于传输显示数据并产生控制信号，如VFRAME、VCLK、VLINE和VM。除了控制信号，还有显示数据的数据端口VD70。LCD控制器包含REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS和TIMEGEN四部分。REGBANK具有18个可编程程序寄存器，用于配置LCD控制器。LCDCDMA为专用DMA，它可自动地将显示数据从帧的内存中传到LCD驱动器。通过专用DMA，可在不需要CPU接入的情况下显示数据。本系统采用的LCD分辨率为320240，工作在256色的彩色显示模式。在该模式，显示缓冲区中的一个字节数可代表LCD上一个点的颜色信息，其所需要的显示缓冲区大小为3202401个字节。1、依照液晶屏时序设置系统相关驱动文件，其参数如下（1）添加头文件INCLUDE2添加初始化S3C2410的LCD控制器时所需的参数/LCDDRIVERINFO/CONFIGURATIONFOR320240WXHAT35TG2001/添加LCD型号/STRUCTPXAFBMACHINFOS3C2410320X240WX3500BM06PIXCLOCK270000,XRES320,YRES240,BPP16,HSYNCLEN29,/LCDHSPWLEFTMARGIN19,/LCDHFPDRIGTHMARGIN37,/LCDHBPDVSYNCLEN2,/LCDVSPW中北大学2011届毕业论文第24页共34页UPPERMARGIN11,/LCDVFPDOWERMARGIN14,/LCDVBPDSYNCFBSYNCHORHIGHACT|FBSYNCVERTHIGHACT,CMAPGREYSCALE0,CMAPINVERSE0,CMAPSTATIC0,REGLCDCON178|07|35|121,LCDCON21424|23914|116|2,LCDCON33719|3198|19,LCDCON4138|29,LCDCON5111|110|19|18|07|15|13|01|1,2、LCD设备驱动的具体结构及函数的编写具体要编写相关平台的驱动文件为S3C2410FBH和S3C2410FBC（1）S3C2410FBH主要为声明结构体和宏定义，主要声明下面的三个结构体STRUCTPXAFBLCDREGSTRUCTPXAFBINFOSTRUCTPXAFBMACHINFO2S3C2410FBC针对帧缓冲设备驱动程序的5个工作不分进行结构体声明及函数定义，梁结构体及主要函数如下STATICSTRUCTFBOPSPXAFBOPS主要函数STATICINTPXAFBSETCOLREG/设置颜色表函数STATICINTPXAFBCHECKVAR/检查可变参数STATICINTPXAFBSETPAR/设置可变参数STATICINTPXAFBBLANK/空白显示设定中北大学2011届毕业论文第25页共34页STATICSTRUCTDEVICEDRIVERPXAFBDRIVER主要函数INTINITPXAFBPROBE为LCD设备探测函数，此函数调用前面所定义的函数，完成对LCD硬件的初始化。对FBINFO参数的填充、申请缓冲区并注册到缓冲设备。除以上结构体及成员函数还有如下主要函数INTDEVINITS3C2410FBINIT/设备驱动注册STATICINTPXAFBFREQTRANSITION/LCD始终参数修改函数STATICINLINEUNSIGNEDINTGETPCD/取得像素时钟STATICINLINEVOIDPXAFBBACKLIGHTPOWER/设定LCD背光电源STATICINLINEVOIDPXAFBLCDPOWER/设定LCD电源STATICVOIDPXAFBSETUPGPIO/挂起IO端口STATICVOIDPXAFBENABLECONTROLLER/时能LCD控制器STATICVOIDPXAFBDISABLECONTROLLER/使停LCD控制器43超声波发射和接受部分软件超声波的接受及障碍物和汽车之间的距离判断方法，并根据判断出的距离触发报警器工作，其工作原理的流程图如图所示。YNY是否收到信号停止信号，计算距离发送信号开始计时汽车是否倒车倒车雷达开始工作系统初始化发送脉冲中北大学2011届毕业论文第26页共34页图41超声波测距流程图超声波发射子程序要完成的任务是控制时基电路输出若干个超声波，并同时启动TO开始计时。在此过程中，要计时采用屏蔽中断，开中断等操作，避免外中断影响该子程序的有效执行。本系统使用一个中断，即外部中断INTO是超声波有效回送的指示信号，当中断触发时，可以根据时间差计算出超声波的传输距离，这些程序都