超声波倒车系统文档格式.docx

1、2 系统各组成单元方案设计 72.1 系统硬件设计思想 72.2 测距系统设计 82.2.1 超声波测距原理 82.2.2 测量与控制方法 92.2.3 超声波发射模块 92.2.4 超声波检测接收电路 102.3 显示电路 112.3.1 LED数码管 112.3.2 LED数码管的显示方法 122.4 时钟电路 132.5 复位电路 142.6 电源电路 152.7 温度补偿 152.7.1 AT89C52与DSl8B20构成最小测温系统 162.8 硬件抗干扰 163 系统硬件介绍 173.1 AT89C52单片机 173.1.1主要特性 173.1.2 管脚说明 183.1.3 振荡器

2、特性 203.1.4 芯片擦除 203.1.5 特殊功能寄存器 213.1.6 引脚号功能特性 213.1.7 中断寄存器 213.1.8 数据存储器 213.1.9 定时器 223.1.10 中断 223.2 CX20106A的原理与应用 233.3 74LS244芯片说明 243.4 PNP三极管9012 254 系统软件设计 254.1 超声波测距仪的算法设计 264.2 主程序 264.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 294.4 显示程序 324.5 报警程序 334.6 软件抗干扰 33参考文献： 35附 录 36外文资料 46中文翻译 52致 谢 571 绪论随着社会经济

3、的发展,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。1.1 超声波检测发展综述我国无损检测技术是从无

4、到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，

5、仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的 PUNDIT 便携式超声仪。1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测

6、仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度

7、影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信

8、息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。1.2 本论文的主要内容，章节安排本论文第一章绪论部分主要介绍了超声波的发展状况，以及目前的现状和前景。第二章系统主要硬件的介绍（一些主要元器件）。第三章系统各组成单元方案设计。第四章系统软件部分设计。1.3 本设计时间安排第01周至第02周：查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），了解超声波测距技术和单片机技术，收集相关资料。

9、第03周至第03周：完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计。第04周至第07周：完成超声测距方案论证与比较设计，完成控制模块的电路设计和方案论证；第08周至第09周：完成外围电路和电路控制模块的硬件设计；第10周至第12周：完成电路控制模块的软件设计；第13周至第15周：整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文；第16周至第16周：毕业设计（论文）答辩；2 系统各组成单元方案设计超声波测距倒车防撞报警系统主要实现汽车尾部到障碍物之间的距离测量。硬件设计包括测距系统设计（超声波发射接收系统）、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。其中，测距系统由超声波发射模块和超

10、声波接收模块构成；控制系统设计主要对AT89C52单片机系统进行设计；显示报警系统设计主要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和动态显示电路进行设计。软件设计采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。2.1 系统硬件设计思想根据超声波测距原理，以8052系列的AT89C52单片机系统为核心，开发超声波测距系统。其硬件结构图如图2-1所示。图2-1 系统硬件结构图图2-1为系统硬件原理图。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示报警电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。由超声波的发射电路发射超声波，超声波在空气中传播至障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收换能器接收并转换成

11、电信号，再经滤波、放大、整形后,输入到微处理器外部中断口1NT0处产生中断，计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻的差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离。它的各部分电路的说明如下。（1）AT89C52单片机系统是核心部分，主要任务有：发出40KHz的脉冲信号，使其频率与超声波发射器的固有频率相同，使换能器能最大效率工作；T0计时；完成测距数据的计算和处理软件干扰。（2）超声波发射电路作用是将40KHz的脉冲信号驱动超声波发射传感器，发射超声波。（3）超声波接收电路主要包括微弱信号放大，电压比较中断信号输出等部分。它是用来对接收到的

12、回波进行放大和整形，将回波信号转换成单片机中断信号。（4）通过显示电路将测距结果实时地显示出来。（5）报警电路。当倒车距离小于安全距离时，蜂鸣器报警。2.2 测距系统设计2.2.1 超声波测距原理单片机发出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，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度

13、有关。在使用时，如果温度变化不大，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的时间，即可求得距离。表2-2 超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-10102030100声速（m/s）3133193253233383443493862.2.2 测量与控制方法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，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波传感器

14、的结构如图2-3所示。图2-3 超声波传感器结构2.2.3 超声波发射模块发射电路的实现目的为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。依据电路需要，发射电路满足下列要求：（1）驱动能力较高；（2）I/O口控制。当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能能高效率的转化为机械声波的机械能。一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz，实际有偏差，如400.5KHz。超声波发射电路原理图如图2-4所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路

15、经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发射器；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

16、，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。图2-4 超声波发射电路原理图2.2.4 超声波检测接收电路图2-5 超声波检测接收电路超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载；其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外接电感，

17、可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图2-5）。适当更改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。2.3 显示电路如图2-6所示，本设计显示电路采用6位共阳LED数码管，从P0口输出段码，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管9012驱动。图2-6 显示电路2.3.1 LED数码管单片机系统中最常用的两种显示器是发光二极管显示器

18、（LED）和液晶显示器（LCD）。在单片机系统中，这两种显示器有许多相似之处，这里选用LED显示器。LED（Light Emintng Diode）是当外加电压超过额定电压时发生击穿而发出可见光。LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有12mA，工作电流通常在220mA范围内，工作压降2V左右，最大极限电流也只有1030mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平（3.5V）的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。LED（Light-Emitting Diod

19、e,发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。图2-7（a） 八段共阴数码显示管结构图图2-7 （b） 共阴LED显示管原理图图2-7（c） 共阳LED显示管原理图2.3.2 LED数码管的显示方法单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。LED显示器工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极点连接在一起接地（低电平）或+5V（高电平）：每位的段选线（adp）与一外8位的并行口相连。静态显示电路每

20、一位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。由于每一位由一个8位输出口控制段选码，故在同一时间里每一位显示的字符可以各不相同。N位静态显示器要求有N8根I/O口线，占用I/O资源较多，因此在位数较多时往往采用动态显示方式。LED显示器工作在动态显示方式下，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O口线控制。LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。其中一个是控制段选，另一个控制位选。采用扫描显示方式，即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码，位选控制I/O口在该显示位送入

21、选通电平（共阴极送高电平，共阳极送低电平）以保证该位显示相应字符。如此轮流，是每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。这样不断循环送出相应的段选码、位选码，就可以获得视觉稳定的显示状态。静态显示和动态显示各有利弊。静态显示虽然数据显示稳定，占有很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多，如果显示的位数比较多，硬件的开销、电源的功耗等问题将变的更加突出；动态显示需要分时显示，需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，可以大幅度地降低硬件成本和电源的功耗，还可以节省线路板空间。为了减少硬件开

22、销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。但是由于本系统所用的单片机引脚多，所以，采用了动态的显示方式。2.4 时钟电路计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路，因此选择了内部时钟方式。图2-8 片内时钟电路利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，

23、其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图2-8所示，外接晶振时，C1和C2值通常选择为30PF左右。C1，C2对频率有微调作用。晶体的频率范围可在1.212MHZ之间选择。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。2.5 复位电路由图2-9可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与Vcc电源接通。复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。此复位电路的实质是一阶充放电电路，系统上电时该电路提供有效的复位信号RST（高电

24、平）直至系统电源稳定后撤销复位信号（低电平）。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。图2-9 手动复位电路2.6 电源电路电源电路的作用：给控制电路及其它电路提供电源。倒车防撞报警器作为车载设备，使用汽车电源。汽车上的电源有两个：汽车发电机和蓄电池。倒车防撞报警器的电源直接取自蓄电池。在发电机转速和用电负载发生较大变化时，可保持汽车电网电压的相对稳定。车辆使用的车载蓄电池标称值有两种：12V和24V。为了得到需要的5V的电压，本设计选用了7805三端稳压集成电路。用78系列三端稳压集成电路来组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还

25、有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列稳压集成电路型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压。电源降压一稳压单元由三端集成稳压器7805组成（如图2-10所示）。电容用来抵消因输入线太长而产生的电感效应，防止产生自激振荡，连线不长时可以不用，容量一般在011F；用来消除高频噪声和改善输出的瞬态特性，即在负载电流变化时不致引起输出端产生较大的波动。当电路的输入端大于5V时，输出端输出稳定的5V电压。图2-10 电源降压-稳压单元2.7 温度补偿通过超声波的声速与温度的理论分析，设计温度测量电路。传统的测温系统一般都是由温度传感器、AD转换、单片机处理

26、、显示驱动芯片和LED显示组成。本测温系统则是用一线测温器件DSl8B20与AT89C52单片机共同组成了最小的测温系统。2.7.1 AT89C52与DSl8B20构成最小测温系统在该最小测温系统中，温度值存在单片机的内存中，需要时可以读出。AT89C52的RD用来与DSl8B20通信，接4.7k的上拉电阻以增加该I/O的驱动能力，只需一片AT89C52就可实现DSl8B20的温度读取。简化了硬件电路，提高了系统的可靠性，而且还大大地降低了系统的硬件成本。在AT89C52初始化后对DSl8B20发出转换温度值命令后，等待750ms（DSl8B20最长转换时间），从RD口读出温度值，对读的温度值做相应的数据处理，然后实时将计算出来的某温度下超声波在介质中的速度值通过串口提供给AT89C52单片机。2.8 硬件抗干扰干扰在大多数情况下都不会造成单片机硬件的损坏，但是会对软件正常运行造成不良的影响。因此，需从硬件和软件两方面采取相应的抗干扰措施，消除干扰源，抑制干扰通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性。从而提