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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的人擁有了自己的汽車，同時(shí)由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來(lái)越多。這些事故常常給駕駛員帶來(lái)許多的麻煩，針對(duì)國(guó)外先進(jìn)的視頻監(jiān)控車載倒車系統(tǒng)，同時(shí)更好地滿足駕駛員的需要，跟蹤當(dāng)代汽車電子發(fā)展的趨勢(shì)，在現(xiàn)有車載語(yǔ)音和數(shù)碼管監(jiān)視的基礎(chǔ)上，基于微型化、低功耗、高速度、高清晰、高擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)原則，運(yùn)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、現(xiàn)代液晶顯示技術(shù)、微電子技術(shù)、設(shè)計(jì)一種新型的車載高速倒車圖像監(jiān)視系統(tǒng)。 本文研究了一種智能倒車安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)送與接收電路、超聲波傳感器、顯示電路及語(yǔ)音報(bào)警電路組成。當(dāng)汽車掛上倒檔時(shí)，把由攝像頭采集的障礙物圖像和由超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的障礙物距離值通過(guò)顯示終端顯示障礙物的準(zhǔn)確信息。系統(tǒng)以直觀準(zhǔn)確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動(dòng)作。顯示于液晶顯示屏上，讓你準(zhǔn)確把握后方路況。 本文對(duì)以上各個(gè)部分的軟硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的闡述，介紹了核心芯片的選型，外圍電路的連接，芯片與芯片之間的連接電路，程序設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的軟件程序。 讓你安全的、快速的完成倒車動(dòng)作。 關(guān)鍵詞：AT89S52；攝像頭；超聲波測(cè)距；液晶顯示 Abstract With the rapid development of economy of our country, more and more people have owed their cars, at the same time, more and more accidents occur because of parking and reversing. carries the back-draft system in view of the overseas advanced video frequency monitoring vehicle, simultaneously meets pilots needs well, the track present age automobile electron development tendency, the present paper, in the existing vehicle carries the pronunciation and in the nixietube surveillance foundation, based on microminiaturization, low power loss, high velocity, high clear, high extended principle of design, utilizes the advanced sensor technology, the modern liquid crystal display technology, the microelectronic technology, the signal processing technology and the computer control technology, designs one kind of new Che Zai the high speed back-draft image supervisory system. The thesis introduces a kind of Car Intelligent back-draft safety systems design, This system is by the monolithic integrated circuit control circuit, the ultrasonic wave transmission and the accepting circuit, the ultrasonic sensor, the display circuit and the pronunciation alarm circuit is composed. When the automobile hangs up the reverse gear, obtains by the ultrasonic ranging module is away from the value by the camera gathering obstacle image and the obstacle which through the alphanumeric display terminal demonstration obstacle accurate information. The system completes the back-draft movement well by the direct-viewing accurate way reminder automobile pilot. The demonstration on the liquid crystal display monitor, lets behind your accurate assurance the state of roads. This article has made the detailed elaboration to above each part of software and hardware design, introduced the core chip shaping, peripheral circuits connection, between the chip and the chip junction circuit, the programming method and the corresponding software routine. Let you safe, fast complete the back-draft movement. Key words：AT89S52；Camera；Ultrasonic ranging；Liquid crystal display 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 智能倒車的概述 1 1.1.1 智能倒車的國(guó)外現(xiàn)狀 1 1.1.2 智能倒車的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 2 1.2 智能倒車的意義 3 第2章 系統(tǒng)整體方案論證 4 2.1 測(cè)距系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 4 2.2 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 6 2.3 報(bào)警顯示方案設(shè)計(jì) 8 2.4 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 8 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3.1 測(cè)距系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì) 9 3.1.1 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 9 3.1.2 超聲波傳感器的布點(diǎn)設(shè)計(jì) 11 3.1.3 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 11 3.1.4 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) 12 3.1.5 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 12 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 3.2.1 AT89S52單片機(jī) 15 3.2.2 單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 17 3.2.3 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 18 3.2.4 電源電路的選取 19 3.3 換向選通電路的設(shè)計(jì) 19 3.4 顯示報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 20 3.4.1 顯示電路設(shè)計(jì) 20 3.4.2 語(yǔ)音報(bào)警電路設(shè)計(jì) 21 3.4.3 攝像頭的選取 22 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 4.1 軟件總體流程設(shè)計(jì) 24 4.1.1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)原理 24 4.1.2 系統(tǒng)程序的構(gòu)建 24 4.2 智能倒車的意義 26 4.3 智能倒車的意義 26 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 附 錄 30 IV 第1章 緒 論 1.1 智能倒車的概述 1.1.1 智能倒車的國(guó)外現(xiàn)狀 汽車電子產(chǎn)品生產(chǎn)是信息產(chǎn)業(yè)與汽車制造業(yè)融合后新成的新興產(chǎn)業(yè)。汽車電子產(chǎn)品主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)電子、底盤電子、車身電子和汽車通訊和娛樂(lè)系統(tǒng)等四大類，像人們比較熟悉車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、汽車空調(diào)、汽車音響、安全氣囊、車載電話、倒車?yán)走_(dá)、電視及中控鎖等等。幾乎所有的電子信息產(chǎn)品都可以應(yīng)用于汽車整車，汽車領(lǐng)域70%的技術(shù)革新來(lái)自汽車電子產(chǎn)品。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，智能倒車作為一種安全類汽車電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各種中高檔汽車，形成了我國(guó)一個(gè)新興的行業(yè)。 智能倒車由超聲波傳感器(俗稱探頭)、控制器和顯示器(或蜂鳴器)等部分組成。系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距原理，在控制器的控制下，由傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出其他警示信號(hào)，得到及時(shí)警示，解除了駕駛員泊車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。 智能倒車按提示方式可分為數(shù)碼顯示、液晶、后視鏡、可視雷達(dá)、語(yǔ)言和聲音提示幾種；目前使用較多的是數(shù)碼顯示、液晶顯示和語(yǔ)音三種提示功能。按信號(hào)的接收方式倒車?yán)走_(dá)又可分為無(wú)線傳輸和有線傳輸兩種。無(wú)線倒車?yán)走_(dá)是近年來(lái)隨著無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用快速發(fā)展起來(lái)的新一代產(chǎn)品，就產(chǎn)品本身功能上來(lái)說(shuō)，與有線倒車?yán)走_(dá)的基本相同，沒(méi)有什么突破，但該類產(chǎn)品最突出的賣點(diǎn)是在具有有線倒車?yán)走_(dá)相同功能的前提下，在安裝過(guò)程中避免了對(duì)汽車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)改動(dòng)而導(dǎo)致的破壞，縮短等候時(shí)間，因此該類產(chǎn)品嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)是一種意識(shí)創(chuàng)新、觀念創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新的新產(chǎn)品。 國(guó)外汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)早期大多采用紅外線的發(fā)射與接收原理，不屬 于雷達(dá)(無(wú)線電波)的產(chǎn)品，最大的缺點(diǎn)是紅外線波易受干擾，整個(gè)系統(tǒng)的警示音常呈現(xiàn)不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)，另外對(duì)深黑色粗糙表面物體的反應(yīng)也較差。但更糟糕的是，無(wú)論是紅外線發(fā)射器或接收器，只要任何一方讓一層薄薄的冰雪或泥塵覆蓋，系統(tǒng)就會(huì)失效。 最近在歐美出現(xiàn)的一種電磁感應(yīng)倒車?yán)走_(dá)。在一線路套上一環(huán)型的感應(yīng)圈，以感應(yīng)車后物體的有無(wú)。此種裝置價(jià)格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝困難(必須卸下保險(xiǎn)杠貼在內(nèi)側(cè))，而且只能探測(cè)動(dòng)態(tài)物品，當(dāng)車在后退行進(jìn)時(shí)，可探測(cè)到物體，但車一旦停止后退行進(jìn)，則任何物體都不被認(rèn)可。換言之，如有任何物品貼在后保險(xiǎn)杠，當(dāng)車一旦停下再啟動(dòng)后，此裝置并不會(huì)告知駕駛者后方有物品貼在保險(xiǎn)杠，此車不能再后退等。德國(guó)大眾公司已經(jīng)將超聲波測(cè)距技術(shù)，應(yīng)用在倒車?yán)走_(dá)上，并且具有前視和后視功能，采用自舉升壓的方式驅(qū)動(dòng)8路超聲波傳感器，目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)車型對(duì)這一技術(shù)尚不能國(guó)產(chǎn)化，仍需要引進(jìn)德國(guó)原廠成品安裝。因此，實(shí)用性也相當(dāng)有限。 日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)的大汽車公司都投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力，采用先進(jìn)的毫米波雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等制成安全預(yù)警系統(tǒng)，使用在其所開(kāi)發(fā)的高級(jí)汽車上。據(jù)海外媒體報(bào)道，戴姆勒一克萊斯勒公司日前成功開(kāi)發(fā)出供商用車(尤指卡車)使用的電子剎車系統(tǒng)，它與其他剎車系統(tǒng)的區(qū)別在于，其在卡車車頭設(shè)有雷達(dá)感應(yīng)器，感應(yīng)器在車前觀察四周環(huán)境，并將所有收集的信息交由一控制器加上處理，形成一虛擬景象，再借助演算法的輔助來(lái)判斷所發(fā)生狀況是否需要利用剎車。未來(lái)兩三年內(nèi)這種新型剎車系統(tǒng)即可量產(chǎn)上市，但價(jià)格昂貴，其過(guò)高的成本限制了它應(yīng)用的普遍性。在底特律國(guó)際車展上，通用公司的Precept概念車裝了Donnelly公司生產(chǎn)的以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的后視鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)用一個(gè)內(nèi)后視鏡和兩個(gè)外后視鏡采集汽車周圍的景象，三個(gè)景象合成一個(gè)全景圖像在中控臺(tái)的視屏上顯示出來(lái)，還用文字說(shuō)明來(lái)傳達(dá)信息。攝像機(jī)也可在倒車時(shí)使用，當(dāng)車后近處有消火栓等障礙物時(shí)，就及時(shí)讓駕駛員知曉。 1.1.2 智能倒車的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，尤其是近兩三年我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入私家車時(shí)代，汽車電子產(chǎn)業(yè)成了新的增長(zhǎng)點(diǎn)，汽車電子產(chǎn)品的高利潤(rùn)和市場(chǎng)廣闊性倍受商家關(guān)注，音響和防盜器就是明證，近兩年來(lái)，倒車?yán)走_(dá)成了商家的電子新愛(ài)，眾多生產(chǎn)防盜器的廠家紛紛涉足倒車?yán)走_(dá)，可以這么說(shuō)，幾乎生產(chǎn)防盜器的廠家都在生產(chǎn)倒車?yán)走_(dá)。市場(chǎng)上經(jīng)銷的倒車?yán)走_(dá)品牌多達(dá)幾十種，在全國(guó)零售市場(chǎng)上銷售的主要有固地、鐵將軍、伊萊、豪迪、奇貞、銘品、全安、佐敦、永泰和、俊邦視寶等品牌，基本上國(guó)產(chǎn)品牌占90%，而進(jìn)口產(chǎn)品在終端市場(chǎng)上零售的較少。處在我國(guó)汽車用品大行業(yè)環(huán)境的繁榮背景下倒車?yán)走_(dá)已漸漸形成一個(gè)較大的行業(yè)，而且已呈現(xiàn)出一派激烈競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。 這是我們表面上所能看到的行業(yè)現(xiàn)狀。但倒車?yán)走_(dá)作為一種特殊的電子類消費(fèi)品，整個(gè)行業(yè)的發(fā)展與汽車工業(yè)的發(fā)展水平、汽車的消費(fèi)趨勢(shì)、汽車整車技術(shù)的更新速度密切相關(guān)，同時(shí)倒車?yán)走_(dá)的銷售市場(chǎng)存在于汽車生產(chǎn)企業(yè)到汽車購(gòu)買用戶這一條產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)。由于我國(guó)的倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)業(yè)是近兩年才發(fā)展起來(lái)的，有相當(dāng)一部分倒車?yán)走_(dá)生產(chǎn)企業(yè)是從生產(chǎn)防盜器的廠家轉(zhuǎn)行而來(lái)，因此起步晚，起點(diǎn)低，企業(yè)的規(guī)模小，資金和技術(shù)實(shí)力比較弱，所生產(chǎn)的產(chǎn)品技術(shù)含量低、功能單一、性能不穩(wěn)定、產(chǎn)品的質(zhì)量和外觀方面也處于低水平層次，大部分企業(yè)及產(chǎn)品缺乏與倒車?yán)走_(dá)安裝配置率最高的中高檔車整車生產(chǎn)企業(yè)的配套能力。所以與國(guó)外產(chǎn)品相比，無(wú)論在技術(shù)含量、產(chǎn)品功能質(zhì)量、性能的穩(wěn)定性方面，還是在產(chǎn)品的外觀、品牌口碑、返修率等方面缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品的銷售目前主要面向中低檔市場(chǎng)，即以大眾化終端消費(fèi)市場(chǎng)為主。進(jìn)入整車配套市場(chǎng)、中高檔車4S店市場(chǎng)的倒車?yán)走_(dá)一般是進(jìn)口產(chǎn)品和少數(shù)國(guó)產(chǎn)品牌。 1.2 智能倒車的意義 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和汽車價(jià)格的持續(xù)下降，越來(lái)越多的家庭擁有自己的汽車。在享受汽車給我們帶來(lái)的便利同時(shí)，由于倒車而產(chǎn)生的問(wèn)題也日益突出。一方面汽車的數(shù)量逐年增加，公路、街道、停車場(chǎng)和車庫(kù)擁擠不堪，可轉(zhuǎn)動(dòng)的空間越來(lái)越少；另一方面，新司機(jī)及非專職司機(jī)越來(lái)越多，車輛之間、車輛與人、車輛與墻壁等障礙物之間的碰撞時(shí)有發(fā)生。在以往的汽車事故的發(fā)生比例中，倒車引起的事故占28%，倒車已成為人們頭痛的一項(xiàng)任務(wù)，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)也在抱怨倒車是件費(fèi)力費(fèi)神的事。據(jù)統(tǒng)計(jì)，危險(xiǎn)境況時(shí)，如果能給駕駛員本秒鐘的預(yù)處理時(shí)間，則可分別減少追尾事故的30%，路面相關(guān)事故的50%,迎面撞車事故的60%，改善倒車遇到的窘境被越來(lái)越少的人所關(guān)注，人們對(duì)汽車操縱的便捷性提出了更高的要求，希望有種裝置能夠解決汽車倒車給人們帶來(lái)的不便，消除駕駛中的不安全因素，可將車快速準(zhǔn)確的停放到指定位置。 汽車倒車中存在的困難，其一是來(lái)自于駕駛者坐在駕駛座位上無(wú)法了解汽車四周特別是后方的環(huán)境。駕駛者只能依賴后視鏡觀察后方障礙物，后視鏡受其位置的限制，視野狹窄、清晰度差，根本無(wú)法達(dá)到倒車中后視的目的。其二是倒車駕駛者同時(shí)要兼顧前方、兩側(cè)的情況，必須扭身回頭觀察車輛后面的情況，體力和腦力消耗過(guò)大，易產(chǎn)生不安全因素。其三，倒車是一個(gè)復(fù)雜的工程，它依賴于駕駛者的駕駛經(jīng)驗(yàn)、駕駛技巧及反應(yīng)靈敏程度，任一環(huán)節(jié)出問(wèn)題都導(dǎo)致駕駛員無(wú)法快速準(zhǔn)確地完成倒車任務(wù)。 本設(shè)計(jì)能夠解決汽車的這種難題，當(dāng)汽車掛上倒檔時(shí)，把由攝像頭采集的障礙物圖像和由超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的障礙物距離值通過(guò)顯示終端顯示障礙物的準(zhǔn)確信息。系統(tǒng)以直觀準(zhǔn)確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動(dòng)作。顯示于液晶顯示屏上，讓你準(zhǔn)確把握后方路況。 第2章 系統(tǒng)整體方案論證 2.1 測(cè)距系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 目前智能倒車系統(tǒng)測(cè)距技術(shù)主要有激光、毫米波雷達(dá)、攝像系統(tǒng)、紅外線、超聲波等一些測(cè)距技術(shù)，不同的目標(biāo)探測(cè)方式其工作過(guò)程和原理有不同之處，但它們的主要目的都是通過(guò)前方返回的探測(cè)信息判斷前方車輛和本車的相對(duì)距離，并根據(jù)兩車間危險(xiǎn)性程度做出相應(yīng)的預(yù)防措施。下面對(duì)其三種不同的測(cè)距技術(shù)方案進(jìn)行介紹和比較。 方案一 激光測(cè)距 激光測(cè)距裝置是一種光子雷達(dá)系統(tǒng)，它具有測(cè)量時(shí)間短、量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前在汽車上應(yīng)用較廣的激光測(cè)距系統(tǒng)。 非成像式激光雷達(dá)根據(jù)激光束傳播時(shí)間確定距離。它的工作原理是：從高功率窄脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)發(fā)射物鏡聚焦成一定形狀的光束后，用掃描鏡左右掃描，向空間發(fā)射，照射在前方車輛或其他目標(biāo)上，其反射光經(jīng)掃描鏡、接收物鏡及回輸光纖，被導(dǎo)入到信號(hào)處理裝置內(nèi)光電二極管，利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)激光二極管啟動(dòng)脈沖與光電二極管的接收脈沖間的時(shí)間差，即可求得目標(biāo)距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測(cè)器測(cè)定反射鏡的角度即可測(cè)出目標(biāo)的方位。 在汽車測(cè)距系統(tǒng)中，激光測(cè)距的應(yīng)用具有局限性、造價(jià)低、速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。但由于激光雷達(dá)測(cè)距儀器工作環(huán)境處于高速運(yùn)動(dòng)的車體中，震動(dòng)大，對(duì)其穩(wěn)定性、可靠性提出了較高的要求，其體積也受到了一定的限制，同時(shí)激光測(cè)距方式受天氣狀態(tài)、汽車的震動(dòng)及反射鏡表面磨損、污染等因素影響較大，測(cè)距精度難以保證。所以在汽車防撞領(lǐng)域激光測(cè)距方式?jīng)]有得到發(fā)展。 方案二 紅外線測(cè)距 紅外線測(cè)距和激光、超聲波測(cè)距在原理上基本相同，均是根據(jù)發(fā)射波和反射時(shí)間來(lái)判斷目標(biāo)的距離，車載儀器通過(guò)發(fā)射并接收前方物體反射回來(lái)的紅外線，依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱及波長(zhǎng)的不同，同時(shí)分析時(shí)間差，可分析出前方物體的性質(zhì)及汽車的距離。紅外線的最大探測(cè)距離為10m，測(cè)距時(shí)響應(yīng)的時(shí)間較慢，約為。 紅外線測(cè)距在技術(shù)上難度不大，構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)成本低，但是在惡劣的天氣和長(zhǎng)距離探測(cè)方面仍然不能滿足汽車防撞的要求。同時(shí)，紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光線長(zhǎng)，是肉眼看不見(jiàn)的光，有顯著地?zé)嵝?yīng)和較強(qiáng)的穿透云霧的能力。由于任何物體在任何時(shí)候都會(huì)發(fā)出紅外線，而且人類肉眼感知不到紅外線，具有較強(qiáng)的隱蔽性，夜間同樣不妨礙測(cè)距的工作，故該種測(cè)距方法廣泛應(yīng)用在軍用汽車上。 方案三 超聲波測(cè)距 超聲波簡(jiǎn)單的說(shuō)就是音頻超過(guò)了人類耳朵所能夠聽(tīng)到的范圍。在彈性煤質(zhì)中，如果波源所激起的縱波的頻率在20HZ到20000HZ之間，就能引起人的聽(tīng)覺(jué)。在這一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)稱為聲振動(dòng)，聲振動(dòng)所引起的縱波稱為聲波。頻率高于20000HZ的機(jī)械波稱為超聲波，頻率低于20HZ的機(jī)械波稱為次聲波。與光波不同，超聲波式一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。電磁波的傳播速度為，超聲波在空氣中的傳播速度約為340（常溫下），其速度與電磁波相差5個(gè)等級(jí)，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。 由于超聲波指定性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，并且利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因超聲波經(jīng)常用于多距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)，在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。由上述可知，超聲波測(cè)量能夠達(dá)到系統(tǒng)中所要求的測(cè)量精度，一般應(yīng)用在汽車倒車系統(tǒng)上。 從以上三種測(cè)距技術(shù)方案的介紹可以看出各個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：超聲波技術(shù)主要用于短距離探測(cè)，成本低，制作安裝簡(jiǎn)便，適應(yīng)惡劣環(huán)境；紅外線技術(shù)一般用于夜間環(huán)境，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差；激光技術(shù)受天氣影響較為嚴(yán)重。 表2.1各種傳感器性能比較 超聲波 紅外線 激光 最大探測(cè)距離 10m 10m 可達(dá)150m 響應(yīng)時(shí)間 較快，約為15 慢， 較快，約為10 探頭磨損，污染 幾乎沒(méi)有影響 影響不大 很大 探頭約20元一支 成本比較 工作機(jī)理簡(jiǎn)易 約80元 約500元 探頭易安裝 環(huán)境適應(yīng)性 好，可以在惡劣 差，但在能見(jiàn)度低時(shí) 差，受惡劣環(huán)境 環(huán)境中 比其它光學(xué)系統(tǒng)好 影響 綜合以上考慮和實(shí)際應(yīng)用條件，本系統(tǒng)的測(cè)距模塊采用第五種方案。 2.2 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 在控制系統(tǒng)選擇上，由于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到數(shù)據(jù)處理，控制實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，選用基于微控制系統(tǒng)，電路的實(shí)現(xiàn)不僅簡(jiǎn)單而且成本低、功耗低、能大大縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積。本系統(tǒng)是精密實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng)，需要控制器有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且要求微控制器內(nèi)部有看門狗定時(shí)器，以便在程序走飛時(shí)能自動(dòng)復(fù)位；執(zhí)行指令速度要快，以便能高速處理采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 方案一：采用上位、下位機(jī)的控制系統(tǒng) 上、下位機(jī)技術(shù)（PC-PLC）是基于工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用得可編程序控制器（PLC）控制程序發(fā)展而來(lái)的。可編程控制器在PC-PLC技術(shù)中作為下位機(jī)，其運(yùn)行可靠性得到了一致認(rèn)可，PLC在系統(tǒng)中的作用是PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單元利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)送到PLC控制主機(jī)，由PLC的主機(jī)（CPU）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)送至上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)PC。但是用可編程控制器PLC通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡控制多個(gè)傳感器的方式，這種方式多用于工業(yè)生產(chǎn)中，體積大，安裝不方便，而且成本高。如圖所示， 計(jì)算機(jī)PC 可編程控制器PLC 繼電器 信號(hào)處理 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 圖2.2.1 上位、下位機(jī)的控制系統(tǒng)框圖 方案二：選用TI公司DSP控制器TMS320LF2407作為控制系統(tǒng) DSP控制 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 圖2.2.2 DSP控制系統(tǒng)框圖 如圖所示，DSP控制器片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1SK字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字雙口RAM和2K字的單口RAM；它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得周期縮短33ns從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力，其可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字空間和高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用I/O引腳，五個(gè)外部中斷，但外接硬件電路較多，體積將會(huì)增加，在系統(tǒng)安裝上有些不便，相比之下成本要有所增加，其價(jià)格是單片機(jī)的五倍。 方案三：微控制器選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)的控制系統(tǒng) AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用ATMEL 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上FLASH允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程FLASH使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)FLASH，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 FLASH AT89S52系統(tǒng)。 綜上所述選用方案三。 2.3 報(bào)警顯示方案設(shè)計(jì) 顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用時(shí)極其廣泛的，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于安裝，成本只要幾元，但給出只是一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏，其成本則高一些。 綜合課題的實(shí)際要求、成本以及考慮單片機(jī)的接口資源，本系統(tǒng)采用LCD輸出設(shè)備，由于全程顯示的距離范圍最大探測(cè)范圍為10米之內(nèi)，也要求顯示出障礙物，所以采用顯示屏加攝像頭即可視倒車系統(tǒng)，可以讓你更加智能的完成倒車動(dòng)作。 語(yǔ)音提示中的語(yǔ)音資源、程序代碼都存放在AT89S52中的片內(nèi)中， 當(dāng)語(yǔ)音播報(bào)時(shí)，如檢測(cè)到左后方有障礙物，則用語(yǔ)音播放：“左后方”；如右后方有障礙物，則語(yǔ)音播放：“右后方”；當(dāng)檢查到中間的傳感器探測(cè)范圍內(nèi)有障礙特時(shí)，語(yǔ)音播放：“后方”。而連續(xù)播放提示的間隔，要大于或等于 3 秒，以免過(guò)于頻繁的播報(bào)語(yǔ)音。 本設(shè)計(jì)顯示屏采用7寸頭枕式支架式兩用車載觸摸液晶顯示器，型號(hào)是D700T。語(yǔ)音提示則是用揚(yáng)聲器。 2.4 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 本論文采用AT89S52單片機(jī)作為控制器，超聲波發(fā)送與接收電路、顯示電路及語(yǔ)音報(bào)警電路組成。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分的電路的工作，單片機(jī)在超聲波信號(hào)開(kāi)始發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸入到單片機(jī)的INT1端產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)可得到超聲波信號(hào)往返所需要的時(shí)間，從而達(dá)到測(cè)距的目的。當(dāng)汽車掛上倒檔時(shí)，把由攝像頭采集的障礙物圖像和由超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的障礙物距離值通過(guò)顯示終端顯示障礙物的準(zhǔn)確信息。系統(tǒng)以直觀準(zhǔn)確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動(dòng)作。顯示于液晶顯示屏上，讓你準(zhǔn)確把握后方路況。系統(tǒng)整體框圖如圖所示， 障礙物 超聲波傳感器 超聲波發(fā)送模塊 超聲波接收模塊 CPU 倒車信號(hào) 語(yǔ)音報(bào)警 顯示模塊 攝像頭 圖2.4系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 測(cè)距系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì) 3.1.1 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 利用超聲波感知或檢測(cè)物體，有非破壞性、遙控性、實(shí)時(shí)性、可穿透性等優(yōu)點(diǎn)，在許多方面體現(xiàn)了獨(dú)到之處。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，已發(fā)明和設(shè)計(jì)了許多類型的超聲波發(fā)生器：機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生的超聲波發(fā)生器。實(shí)質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器，它將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其它易于檢測(cè)的能量。一般是用電能和超聲能量相互轉(zhuǎn)換。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等，機(jī)械方式有：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng)笛等。各種類型的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率的聲波特性都不相同。超聲波傳感器按其作用距離可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測(cè)距離小于2米，工作頻率在60-300KHZ之間；中量程探測(cè)距離約為2-10米，工作頻率在40-60KHZ之間；小量程探測(cè)距離約為20-50米，工作頻率在16-30KHZ之間。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體，欽酸鋇壓電陶瓷、錯(cuò)欽酸被陶瓷復(fù)合晶體等。 超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲波傳感器需用的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體中。它是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。 超聲波傳感器有兩片壓電陶瓷晶片和一塊共振版。當(dāng)在兩電極加交變脈沖信號(hào)時(shí)，若其頻率等于晶片的固有頻率，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振版振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩片壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。 通過(guò)對(duì)此信號(hào)的分析處理，可實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)。壓電陶瓷晶片有固有諧振頻率，即中心頻率，發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率也要與它的固有諧振頻率一致；接收超聲波時(shí)，作用在其上面的超聲機(jī)械波也要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波發(fā)射器才有較高的發(fā)射效率，接收器才有較好的靈敏度。 當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可方便地改變其固有頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感器。用于遙控的超聲波傳感器的中心頻率一般為40KHZ。本文采用的超聲波發(fā)射器和接收器：UCM—T40K1和UCM—R40K1。 測(cè)距系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距原理。超聲波是指振動(dòng)頻率在20以上的機(jī)械波。超聲波測(cè)距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器三部分組成。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，超聲波接收器接收遇到障礙物反射回來(lái)的反射波，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射返回的時(shí)間，根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，可以計(jì)算出障礙物距離。。由于超聲波也是一種波，其聲速與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。如圖所示， 溫度 -30 -20 -10 0 10 20 30 10 聲速 313 319 325 323 338 344 349 386 溫度與聲速之間的關(guān)系 3.1.2 超聲波傳感器的布點(diǎn)設(shè)計(jì) 單傳感器在應(yīng)用中存在以下缺陷： (1)傳感器擴(kuò)散角小，導(dǎo)致傳感器對(duì)空間信息檢測(cè)的盲區(qū)大； ． (2)傳感器工作周期較長(zhǎng)，造成系統(tǒng)時(shí)域盲區(qū)大，實(shí)時(shí)性差。 因此，傳感器的數(shù)量選擇要保證在獲取環(huán)境信息的同時(shí)達(dá)到信息的最小化，在選定數(shù)量的前提下，盡量保證時(shí)間適用度參數(shù)達(dá)到最大值?？紤]到汽車的形體、行駛的需求和程序控制的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，按設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)在汽車尾部安裝多個(gè)超聲波傳感器，根據(jù)一般要求裝4-6個(gè)較合適，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成4個(gè)測(cè)量通道，具體安裝在汽車兩側(cè)中后部各安裝一個(gè)傳感器，尾部安裝三個(gè)傳感器，4個(gè)距離值由單片機(jī)進(jìn)行處理運(yùn)算?？紤]汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)有4個(gè)測(cè)量通道，對(duì)4個(gè)探頭采用掃描工作法，可以共用一個(gè)信號(hào)處理電路，達(dá)到降低成本的目的。 3.1.3 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波傳感器采用UCM40T的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號(hào)。為了驅(qū)動(dòng)UCM40T，電路的輸入端接單片機(jī)擴(kuò)展端口PB0，單片機(jī)執(zhí)行輸入的程序后，在PB0端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)LM386放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射。 LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。它是一個(gè)三級(jí)放大電路。當(dāng)1腳和8腳之間開(kāi)路時(shí)，電壓增益為26DB；若在1腳和8腳之間接阻容串聯(lián)元件，則增益可達(dá)46DB，改變阻容值則增益可在26DB-46DB之間任意選取，電阻值越小增益越大。電源電壓 Vcc在4-12 V之間，輸出功率Po為325mW，帯寬BW在1腳和8腳斷開(kāi)時(shí)為300kHZ。超聲波傳感器發(fā)射部分硬件電路如圖3.1.3所示。 圖3.1.3 超聲波傳感器發(fā)射部分的硬件電路 3.1.4 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) 接收探頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，圖3.1.4為超聲波接收電路。CMOS非門D1~ D3由R1偏置為線性放大器，總增益可達(dá)60bB以上，由于CMOS電路的輸入阻抗較高，故能夠很好與超聲接收器件匹配。放大后的信號(hào)由C1耦合給鎖相環(huán)譯碼器LM567的輸入端3腳。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率落在其中心頻率上時(shí)，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，接到單片機(jī)的外部中斷INT1上。 圖3.1.4 超聲波傳感器接收部分的硬件電路 LM567 為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器，用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對(duì)講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。1、2腳通常分別通過(guò)一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。2腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬，電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。1腳所接電容的容量應(yīng)至少是2腳電容的2倍。3腳是輸入端，要求輸入信號(hào)≥25mV。5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2，f2≈1/1.1RC。8腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個(gè)集電極開(kāi)路的三極管，允許最大灌電流為100mA。 3.1.5 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 溫度傳感器的選擇 1.傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件），主要是能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精度；測(cè)量范圍廣，可從-50~1600℃進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，特殊的熱電偶如金鐵——鎳鉻，最低可測(cè)到-269℃，鎢——錸最高可達(dá)2800℃。 采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，對(duì)于檢測(cè)1攝氏度的信號(hào)是不適用的。而且在溫度測(cè)量系統(tǒng)中,采用單片溫度傳感器,比如AD590,LM35等.但這些芯片輸出的都是模擬信號(hào),必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī),這樣就使得測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜.另外,這種測(cè)溫裝置的一根線上只能掛一個(gè)傳感器,不能進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量.即使能實(shí)現(xiàn)，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。 2.模擬集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成的，因此又稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問(wèn)世的，它將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。 3.虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器 1)虛擬傳感器　　 虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計(jì)算機(jī)平臺(tái)、并通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標(biāo)定及校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。最近，美國(guó)B＆K公司已開(kāi)發(fā)出一種基于軟件設(shè)置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲(chǔ)著對(duì)該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器接至計(jì)算機(jī)，首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào)，再?gòu)能洷P上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)完成對(duì)傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。 2)網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器 　網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。數(shù)字傳感器首先將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理。最后將測(cè)量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享，在更換傳感器時(shí)無(wú)須進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，可做到“即插即用(Plug&PlAy)”，這樣就極大地方便了用戶。 4.智能溫度傳感器。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式想數(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 溫度傳感器按傳感器與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類：一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡。這種測(cè)溫方法精度比較高，并可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。 綜上所述，本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，此元件線形較好。在0—100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS1820和微控制器AT89C51構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置,它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào),可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣,測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單,體積也不大,且由于AT89C51可以帶多個(gè)DSB1820,因此可以非常容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量.輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。 采用溫度芯片DS18B20測(cè)量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個(gè)趨勢(shì)。部分功能電路的集成，使總體電路更簡(jiǎn)潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測(cè)量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢(shì)。 本論文的測(cè)溫系統(tǒng)則是用測(cè)溫器件DS18B20與AT89S52共同組成了最小的測(cè)溫系統(tǒng)。 (1) DS18B20簡(jiǎn)介 DSl8820是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器。它的測(cè)溫范圍從-55到+125。分辨率為0.0625，在一10至+85范圍內(nèi)其測(cè)溫準(zhǔn)確度為。它體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器連結(jié)。它無(wú)需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)行溫度測(cè)量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I/O口線。其供電電源可來(lái)源于單片機(jī)I/O口數(shù)據(jù)線，而無(wú)需額外電源。每片DSl8B20都有全球惟一的識(shí)別號(hào)。因而特別適合于構(gòu)成多路多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)。DSl8B20有3個(gè)管腳，分別是GND為地，DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出端，該引腳漏極開(kāi)路輸出。常態(tài)下呈高電平。VDD不用時(shí)應(yīng)接地。 (2) 利用單片機(jī)AT89S52與DS18B20構(gòu)成最小測(cè)溫系統(tǒng) 在該最小測(cè)溫系統(tǒng)中，溫度值存在單片機(jī)的內(nèi)存中，需要時(shí)可以讀出。 AT89S521的RD用來(lái)與DSl8B20通信，接10k的上拉電阻以增加該I/O的驅(qū)動(dòng)能力，只需一片AT89S52就可實(shí)現(xiàn)DSl8B20的溫度讀取。簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性．而且還大大地降低了系統(tǒng)的硬件成本。 AT89S52初始化后對(duì)DSl8B20發(fā)出轉(zhuǎn)換溫度值命令后，等待750ms(DS18B20最長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間)， 從RD口讀出溫度值，對(duì)讀的溫度值做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后實(shí)時(shí)將計(jì)算出來(lái)的某溫度下超聲波在介質(zhì)中的速度值通過(guò)串口提供給AT89852單片機(jī)。 圖3.1.5 測(cè)溫電路 表3.1.5 溫度一速度一變換速度一十進(jìn)制一十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換關(guān)系表 溫 度 速 度 32.768*B1 十進(jìn)制 十六進(jìn)制 溫度 速 度 32.768*B1 十進(jìn)制 十六進(jìn)制 0 331..6 10865.8688 10866 2A72 17 341.919 11204.0018 11204 2BC4 1 332.207 10885.759 10886 2A86 18 342.5 11223.89 11224 2BD8 2 332.814 10905.6492 10906 2A92 19 343.1 11243.78 11244 2BEC 3 333.421 10925.5393 10926 2AAE 20 343.7 11263.67 11264 2C00 4 334.028 10945.4295 10945 2AC1 21 344.3 11283.56 11284 2C14 5 334.635 10965.3197 10965 2AD5 22 345 11303.45 11303 2C27 6 335.242 10985.2099 10985 2AE9 23 345.6 11323.34 11323 2C3B 7 335.849 11005.1 11005 2AFD 24 346.2 11343.23 11343 2C4F 8 336.456 11024.9902 11025 2B11 25 346.8 11363.12 11363 2C63 9 337.063 11044.8804 11045 2B25 26 347.38 11383.0134 11383 2C77 10 337.67 11064.7706 11065 2B39 27 347.99 11402.9036 11403 2C8B 11 338.277 11084.6607 11085 2B4D 28 348.6 11422.7937 11423 2C9F 12 338.884 11104.5509 11105 2B61 29 349.2 11442.6839 11463 2CB3 13 339.491 11124.4411 11124 2B74 30 349.81 11462.5741 11482 2CC7 14 340.098 11144.3313 11144 2B88 31 350.42 11482.4643 11502 2CDA 15 340.705 11164.2214 11164 2B9C 32 351.03 11502.3544 11522 2CEE 16 341.312 11184.1116 11184 2BB0 33 351.62 11522.2446 11542 2D02 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.2.1 AT89S52單片機(jī) 1. 主要性能 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 、 32個(gè)可編程I/O口線 、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時(shí)器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標(biāo)識(shí)符 。 2. 功能特性描述 AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏 輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 　P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號(hào)第二功能 P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG——當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。 對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。 PSEN——程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 EA/VPP——外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。 如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。 FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 3.2.2 單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位電路目的：在需要的時(shí)候，單片機(jī)復(fù)位，保證正常的工作循環(huán)。 復(fù)位電路有各種各樣，但是工作環(huán)境惡劣，復(fù)位電路要求嚴(yán)格，本系統(tǒng)中 采用MAX5045芯片專做復(fù)位芯片。采用5045最主要特點(diǎn)有： (1) 512字節(jié)串行EEPROM； (2)集成了可編程看門狗定時(shí)器(可設(shè)定看門狗超時(shí)時(shí)間，典型時(shí)間200ms、600ms、1.4s或禁止)； (3)上電復(fù)位及低電壓檢測(cè)，即在上電和VCC低于檢測(cè)門限時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)。X5045輸出復(fù)位高電平有效，確保直至VCC=1V復(fù)位信號(hào)仍有效； (4)編程的復(fù)位門限。需加高