《单片机系统设计基础及应用》-第7章

7.1项目简介倒车雷达（CarReversingAidSystem）全称倒车防撞雷达，又称泊车辅助装置，它是汽车泊车或倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。它能以声音或更为直观地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线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。上一页下一页返回7.2项目任务及要求本课题的目标是设计并制作一台简易车载倒车雷达系统。该系统核心采用MCS-51系列单片机，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。系统采用收发一体超声波换能器，4路轮巡的方式分时复用4路收发处理电路，能够对4路测距系统进行发射、接收、检测、计算最小值及显示；能够分时测量4路超声波换能器与障碍物的距离，并找出其中最小距离并显示。若最小距离小于事先设置的安全距离则进行声光报警。同时，该系统还能将此时的安全距离及4路探头与障碍物的距离通过串口发送给计算机。系统具体设计指标如下：（1）能对4路轮巡方式分时复用4路收发处理电路，进行超声波发送、接收。下一页返回7.2项目任务及要求

（2）计算距离时含温度补偿。（3）实时测量参数显示（能显示当前温度、当前4路用超声波测量的最小距离及超声波探头号）。（4）能设置安全距离。（5）当最小距离小于安全距离时能进行声光报警。（6）能够通过串口通信将测量的4路用超声波测量的距离及安全距离发送给计算机。上一页返回7.3基础知识7.3.1超声波概述1．超声波的基本性质声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关。由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20kHz的声波称为超声波。声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或三者的组合体作为介质才能传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。根据声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种.下一页返回7.3基础知识（1）纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播。（2）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播。（3）表面波：质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播。振幅随深度增加而迅速衰减的波。从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波来实现。实际测量用的超声波主要集中在频率为2×104～2×106Hz的范围内。其中，靠近低频段的声波主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频段的声波主要用于固体介质的测量。上一页下一页返回7.3基础知识这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。在固体介质中，测量的量程比较短（如超声波探伤、测工件厚度等）；在液体和气体中，测量的量程比较长（如空气中的超声波测距、海洋中测深度等），因此气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低。2．超声波的衰减超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程中超声波会有很大的衰减。超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。权衡这两点，为达到良好的测距效果，选取中心频率为40kHz。上一页下一页返回7.3基础知识使用超声波传感器测距时，需采用合适的频率和波长。频率取得太低，外界杂音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大，并且超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。为改善这一缺点，须减少发射波串长度，增高发射波频率。但发射波串长度过短，则会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射波频率过高，则衰减大，作用距离下降。有试验表明：使用40kHz的超声波，发射脉冲群含有8～16个脉冲，具有较好的传播性能。上一页下一页返回7.3基础知识7.3.2超声波传感器概述1．超声波传感器工作的基本原理超声波传感器是实现声电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的换能器最为常用。该换能器在原理上是利用压电陶瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。其示意图如图7-1所示。上一页下一页返回7.3基础知识根据压电效应，交流电压会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f的电压脉冲，晶片就会产生同频率的机械振动。这种机械振动推动空气等媒质，便会发出超声波。反之，如在压电陶瓷晶片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。当在A、B间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下片的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一致，接收超声波时，作用在其上的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。上一页下一页返回7.3基础知识这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有谐振频率。超声波传感器结构图如图7-2所示。超声波传感器由屏蔽、减振环、锥形谐振板、双压电晶片振子、支点、外壳构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波。上一页下一页返回7.3基础知识超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小3种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率为60～300kHz；中量程探测距离为2～l0m，工作频率为40～60kHz；大量程探测距离为20～50m，工作频率为16～30kHz。超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件。本系统所选用的超声波传感器为收发一体式传感器UT180，其中心频率为40kHz。2．超声波传感器脉冲测距原理声波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；反射波称为回声。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，那么就可以计算出从声波到目标的距离。上一页下一页返回7.3基础知识这就是本系统的测量原理。这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。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，由单片机实时检测出超声波传播所用的时间T。利用超声波在同种介质中传播速度不变的性质，在声速V已知的条件下，得到障碍物离传感器的距离S：式中V——超声波波速，常温下取331.45m/s。上一页下一页返回7.3基础知识3．温度对测距精度的影响由于超声波也是声波，故超声波在空气中的传播速度同声波在空气中的传播速度一样与温度有关。在0℃的空气中，v0

=331.45m/s，对于任意温度T下，有4．探头数量由于汽车尾部较宽，为了有效地探测出车尾与障碍物间的距离，应在汽车尾部安装多个超声换能器，根据一般需求装3～4个较合适，把倒车测距仪设计成4个测量通道。为了安装方便和减小系统体积，选用发射和接收合为一体的空气探头（换能器）。实际显示的汽车与障碍物之间的距离是4个探头与障碍物之间的距离的最小值。上一页下一页返回7.3基础知识考虑倒车测距仪有4个测量通道，对4个探头采用扫描工作法，可以共用一个信号处理电路，达到降低成本的目的。超声换能器的安装位置如图7-3所示。如果系统只用一个超声波换能器，驾驶员只知道在车后某距离有障碍物，而无法得知障碍物是在车后什么方位，则驾驶员必须借助倒车镜才能确定物体的位置，即系统不能够反映出物体的位置，从而使系统失去了存在的意义。为了更好地反映车后物体的位置，故应该用多个超声换能器才能大致反映出障碍物的位置给驾驶员明确的信息，如障碍物是在车正后方、车左后方还是车右后方及障碍物离车的最小距离。上一页下一页返回7.3基础知识系统处理时间主要是消耗在对超声波回波的等待上，CPU处理时间基本忽略。由于倒车时的车速一般不会超过5km/h，即使车后0.5m有障碍物时，驾驶员也能及时采取措施避免碰撞。即系统的实时性可以满足要求。7.3.3CD4052芯片系统采用4个超声波探头轮巡探头与障碍物之间的距离，最终找出最小值。因此需要一个4选一多路选择模拟开关芯片分时对4个超声波探头进行选择发送和接收超声波信号。这里选择的是双4选一多路模拟选择开关芯片。其芯片真值表如表7-1所示。应用时，可以通过单片机对A/B的控制来选择输入哪一路。上一页返回7.4项目设计及分析7.4.1系统框图由于不同的超声波探头发送，接收信号不同，这里的仿真电路图不给出具体的超声波发送，接收驱动电路用方波信号的上升沿模拟发送超声波信号时刻，下降沿模拟接收超声波信号时刻。根据设计要求及对单片机电子系统和电子参数测量仪器的研究得出系统中主要构成模块包括键盘模块、温度测量模块、串口通信模块、显示模块、声光报警模块、超声波探头选择模块及单片机最小系统模块。该系统结构图如图7-5所示。系统总体架构如图7-5所示，核心采用MCS-51系列单片机；通过超声波探头选择模块分时对4个超声波探头进行发送和接收超声波，通过单片机进行4路的选择和对发送、接收超声波信号的时间进行计算，下一页返回7.4项目设计及分析通过温度测量模块测量当前温度计算出超声波的速度，根据超声波测距原理计算出障碍物距离4个探头的最小距离进行显示，并显示该超声波探头号，若最小距离小于原先设置好的安全距离则进行声光报警。键盘模块用于设置安全距离的大小，串口通信模块实时向计算机发出4个探头与障碍物的距离及安全距离的信息。7.4.2电路设计根据系统原理框图，在Proteus软件中画出电路原理图（省略复位电路和晶振电路），元器件清单如表7-2所示。为方便起见，下面用“1号距离”代表第一个超声波探头到障碍物的距离，其他3个超声波探头到障碍物的距离命名依次类推。上一页下一页返回7.4项目设计及分析“最小距离”代表4个超声波探头到障碍物的最小距离。“4个距离”代表4组超声波探头到障碍物的距离。1．超声波探头选择模块设计仿真中每个单刀双掷开关可以对两路周期方波信号二选一作为这一路的超声波发送和接收信号。方波的上升沿代表超声波发送的时刻，下降沿代表超声波接收的时刻，如图7-7所示。脉冲信号高电平的脉宽即超声波发送后到障碍物再返回，往返路程经历的时间。用4组频率不同的信号模拟障碍物到4个不同探头的距离。上一页下一页返回7.4项目设计及分析2．温度测量模块设计超声波的速度与温度有关，因此精确测量距离时需要进行温度补偿，就需要测量当前温度。这里采用数字温度传感器。温度测量模块如图7-10所示。DS18B20的VCC接5V电源，GND接地，DQ接单片机P3.3口，并接一个4700Ω上拉电阻到VCC。3．键盘模块设计通过“模式切换”按键完成正常显示和设置安全距离模式之间的切换，再通过“加”键和“减”键完成对安全距离的设置功能。另外，通过串口发送按键控制单片机将4组超声波探头到障碍物的距离和设置安全距离发送给PC机。键盘模块如图7-11所示。上一页下一页返回7.4项目设计及分析图7-11中上拉电阻确保按键在没有被按下时，连接在单片机I/O口上的电压为高电平，有助于按键扫描与识别。“模式切换”键、“加”键、“减”键和“串口发送”键端口分别连接在单片机的P3.2、P2.5、P2.6和P3.3口上。4．声光报警模块设计测量的最小距离与安全距离相比较，若最小距离比安全距离大，则绿色发光二极管点亮；反之，则蜂鸣器鸣响，红色发光二极管点亮。此时提示驾驶员有撞车危险。声光报警模块如图7-12所示。上一页下一页返回7.4项目设计及分析Proteus软件中的蜂鸣器BUZZER需要+12V电源供电才能进行鸣响，因此需要用一个NPN晶体管进行驱动。绿色和红色发光二极管的阴极分别接在单片机P1.1和P1.2口上。单片机的P1.0口通过一个反相器连接在NPN的基极上，当P1.0口输出高电平时，NPN截止，蜂鸣器不响，同时P1.1口输出低电平点亮绿色发光二极管；当P1.0口输出低电平时，NPN导通，蜂鸣器鸣响，同时P1.2口输出低电平点亮红色发光二极管。5．显示模块设计系统通过LCD液晶显示的内容主要包括当前温度和4组超声波探头到障碍物的最小距离及最小距离对应的超声波探头号；进入安全距离设置模式时，对安全距离进行设置显示。其电路图如图7-13所示。上一页下一页返回7.4项目设计及分析液晶显示器的数据口接在单片机的P0口上，RS、RW和Ｅ控制端分别接在单片机的P2.0、P2.1和P2.2口上。6．串口通信模块设计系统通过串口通信将4组超声波探头与障碍物之间的距离及安全距离一起发送给计算机。串口通信模块如图7-14所示。使用时将单片机的P3.0（RXD）和COMPIM的RXD引脚连接，单片机的P3.1（TXD）和COMPIM的TXD引脚连接。7．单片机最小系统单片机是整个电路的核心。单片机最小系统电路图如图7-15所示。基于单片机的简易车载倒车雷达系统I/O口分配如表7-3所示。上一页返回7.5软件设计7.5.1系统流程图该系统的执行过程为根据设计任务，单片机对4组超声波探头进行轮巡测量，得到4个超声波探头和障碍物之间的距离，求出其中的最小值；通过键盘设置安全距离，设置的安全距离和4个超声波探头和障碍物距离的最小值进行比较，若4个超声波探头和障碍物距离的最小值比安全距离小则进行声光报警；反之则不报警。通过串口通信发送按键，可以随时将4个超声波探头和障碍物的距离及安全距离一起发送给计算机。系统流程图如图7-16所示。下一页返回7.5软件设计主程序中的变量初始化主要是实现3个方面，一是定时器初始化，主要包括工作方式、计数初值的设定，对应中断源的开启。其中定时器T0用于对于超声波信号的发送到接收时间的计时，定时器T1用于串口发送数据时的波特率的设置。二是液晶显示器的初始化，主要包括设定数据库长度、显示格式。其中液晶显示器显示的参数内容是通过显示变量进行选择的。三是DS18B20的初始化。程序中共用到两个标志位变量，flag是显示标志位，为0时表示正常显示，显示内容包括当前温度值和4组超声波探头和障碍物距离的最小值及最小距离所在超声波号。flag为1时表示进入设置安全距离显示，显示内容包括当前温度值及安全距离值。用户通过操作“模式切换”键来切换显示标志位。上一页下一页返回7.5软件设计ck_flag是串口通信发送标志位，为0时不发送数据，为1时单片机向计算机发送4组超声波探头和障碍物的距离值及安全距离。用户通过操作“串口发送”键来切换串口通信发送标志位。外部中断都设置为下降沿触发，“模式切换”键每按下一次则切换为正常显示或设置安全距离显示。“串口发送”键每按下一次进行一次数据发送。外部中断流程图如图7-17所示。1．按键处理流程图按键处理主要包括对安全距离的设置，通过对原先在程序中设置的安全距离进行加减操作，达到设置的目的。加键的流程图如图7-18所示。上一页返回7.6仿真调试7.6.1准备工作（1）ProteusISIS软件中绘制电路原理图，双击“COMPIM”元器件，弹出其属性设置对话框，在“Physicalport”下拉列表框中设定端口名称，本例为COM2，在“PhysicalBaudRate”下拉列表框中设定物理的波特率，本例为9600，在“PhysicalDataBits”下拉列表框中设定物理的传输数据位数，本例为8，在“PhysicalParity”下拉列表框中设定物理的奇偶校验位，本例为NONE。“VirtualBaudRate”下拉列表框、“VirtualDataBits”下拉列表框、“VirtualParity”下拉列表框的设置分别与上述3个下拉列表框的设置相同。打开单片机属性对话框，在“ClockFrequency”下拉列表中设定时钟频率，本例为11.0592MHz。下一页返回7.6仿真调试

（2）在Keil中，建立工程，编辑ds18b20.h、1602.h和chaosheng.c文件，并编译生成目标代码文件chaosheng.hex。（3）在ProteusISIS软件中，打开单片机属性对话框，在“Programfile”下拉列表框中设定虚拟固化到单片机中HEX文件的路径。本例即为步骤（2）中的chaosheng.hex。（4）打开VirtualSerialPortDriver软件，将Firstport设置为COM2，Secondport设置为COM3，单击“Addpair”按钮，将COM2和COM3连接起来。（5）上述各步操作正确完成后，则可单击仿真界面左下角的按钮进行全速仿真。上一页下一页返回7.6仿真调试

7.6.2仿真运行仿真结果如图7-19所示。1．系统正常测量的仿真验证DS18B20的测量范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5℃。实际温度值可以从Proteus仿真图中DS18B20元件上直接读出。测量时，液晶显示器的第一行显示测量的实时温度值。当对DS18B20上的温度进行调整时，单片机测量到的数字温度也会随之变化。上一页下一页返回7.6仿真调试

测量最小距离的仿真，是单片机通过CD4052对4路方波信号的正脉冲宽度进行测量后找出宽度最短的一路，再根据测量出的当前温度计算出超声波速度，根据“路程=速度×时间”，计算出该超声波探头到障碍物的距离，并记录该超声波探头号。仿真时可将4路超声波探头的单刀双掷开关拨至如图7-20所示。在图7-20中，单刀双掷的右端仿真接入电路中的4个超声波探头，它们从上到下分别为1～4号。根据图中单刀双掷的连接图，1～4号超声波探头接入的信号正脉冲宽度分别为0.00625s、0.05s、0.001s和0.01s。上一页下一页返回7.6仿真调试

显然，3号超声波探头接入的超声波发送到障碍物反弹到接收的时间最短。将系统当前温度通过DS18B20元件上的“←”“→”按钮调整为9℃，如图7-21所示。根据公式（7-2）可以计算出，此时超声波在空气中传播的v=331.45+0.607×T=331.45+0.607×9=336.913(m/s)则，超声波探头到障碍物的距离为速度为此时，显示模块显示当前的温度值以及测量到最小距离如图7-22所示。上一页下一页返回7.6仿真调试

液晶显示器中第一行显示当前单片机通过DS18B20测量出的温度值为9℃，第二行显示最小距离值为0.168m，是3号超声波探头探测到的。由于程序中默认的安全距离为0.8m，因此当前所测量距离的最小值很显然是小于安全距离的，系统会进行声光报警来提醒驾驶员注意。因此声光报警模块如图7-23所示。声光报警时，单片机P1.0口为低电平，通过反相器变为高电平则NPN晶管导通，蜂鸣器鸣响，且红色发光二极管点亮。当测量的超声波探头和障碍物之间的最小距离大于安全距离，则不进行声光报警。上述内容，正常显示超声波距障碍物最小距离，超声波号以及当前温度的功能得以验证。上一页下一页返回7.6仿真调试

2．设置安全距离的仿真验证按下“模式切换”键可以在正常显示模式和设置安全距离模式之间切换。在正常显示模式下，按下“模式切换”键切换至设置安全距离模式。长按“加”键安全距离+1m，短按“加”键安全距离+0.1m；长按“减”键安全距离-1m，短按“减”键安全距离-0.1m