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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第1章 緒 論 1.1 課題研究的背景及意義 隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和道路交通狀況的不斷改善，我國汽車保有量不斷增加。但隨著汽車數(shù)量的不斷增加，一系列后續(xù)問題也隨之產(chǎn)生。尤其是交通安全問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于車后盲區(qū)所導(dǎo)致的事故在中國約占30%，因此增強(qiáng)汽車的后視能力是十分必要的。據(jù)調(diào)差了解，絕大部分駕駛員都希望有一雙能夠發(fā)現(xiàn)汽車尾部障礙物的“后視眼”以增強(qiáng)倒車時(shí)的安全性，基于以上原因，汽車倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。 倒車?yán)走_(dá)全稱叫做“倒車防撞雷達(dá)”，也可以叫做“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全的輔助裝置。能以聲音或顯示告知駕駛員車后的情況，解決了駕駛員倒車或啟動(dòng)汽車時(shí)前后左右探視引起的麻煩，并幫助駕駛員解決由視覺誤差引起的缺陷，提高駕駛安全性。倒車?yán)走_(dá)的原理與普通雷達(dá)一樣，是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開發(fā)的。通過感應(yīng)裝置發(fā)出超聲波來判斷前方是否有障礙物，以及障礙物的距離、大小、形狀等信息。只不過由于倒車?yán)走_(dá)的體積大小和實(shí)用性的限制，目前其主要功能僅為判斷障礙物與車的距離，并作出提示。司機(jī)在倒車時(shí)，倒車?yán)走_(dá)也啟動(dòng)，在控制器的控制下，由車尾保險(xiǎn)杠的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號。傳感器接收到回波信號后，通過控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物的位置。再由顯示設(shè)備顯示并由報(bào)警裝置發(fā)出警示。從而使司機(jī)倒車時(shí)不至于撞到障礙物。 1.2 國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展情況 經(jīng)過多年發(fā)展，倒車輔助系統(tǒng)已經(jīng)過六代技術(shù)改良。無論是結(jié)構(gòu)外觀還是技術(shù)性能都有了長足的進(jìn)步。 “倒車請注意”！想必不少人還記得這種聲音，這就是倒車?yán)走_(dá)的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有小部分商用車還在使用。只要司機(jī)掛上倒檔，它就會響起，提醒周圍的人注意。從某種意義上說，它對司機(jī)并沒有直接的幫助，不是真正的倒車?yán)走_(dá)。 第二代“轟鳴器”這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。倒車時(shí)，如果車后1.8米~1.5米處有障礙物，轟鳴器就會開始工作。轟鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。 在第二代基礎(chǔ)之上，人們又研究出了數(shù)碼波段顯示的倒車輔助系統(tǒng)?？梢燥@示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在1.8米開始顯示；如果是人，在0.9米左右的距離開始顯示。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由三種顏色來區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物離車體距離有0.8米以上；黃色代表警告距離，表示離障礙物的距離只有0.6~0.8米；紅色代表危險(xiǎn)距離，表示離障礙物只有不到0.6米的距離，你必須停止倒車。 第四代產(chǎn)品又有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，特別是熒屏顯示開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動(dòng)汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離。 第五代產(chǎn)品結(jié)合了前四代的優(yōu)點(diǎn)，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測知2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)把后視鏡、倒車?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項(xiàng)功能整合在一起，并設(shè)計(jì)了語音功能，是目前市面上最先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。 第六代產(chǎn)品就是無線倒車?yán)走_(dá)，全新無線液晶倒車?yán)走_(dá)，融無線連接、 倒車?yán)走_(dá)、彩色液晶顯示、BP警示音、于一體。由于普通倒車?yán)走_(dá)安裝時(shí)，從車后雷達(dá)主機(jī)到車前儀表臺上顯示器要布一條線，這樣要拆裝車內(nèi)的裝飾板、膠條等，非常不方便?，F(xiàn)在最新推出的第六代無線液晶倒車?yán)走_(dá)，一舉解決此問題，車后主機(jī)和顯示器之間無線連接，方便快捷。更可在大巴、卡車等車身長的車上使用，使安裝更容易。 第2章 主要元器件介紹 2.1單片機(jī)AT89C51 2.1.1AT89C51的功能描述 AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案. VCC:供電電壓 GND:接地 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入 ALE/PROG: 當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN: 外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP: 當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于8K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎?2V電壓編程，而且擦鞋時(shí)間僅需10毫秒。工作電壓范圍2.7V-6V，全靜態(tài)工作。工作頻率在0Hz-24MHz之間。AT89C51提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠地硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。P0口是三態(tài)雙向口，統(tǒng)稱數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯ν獠看鎯ζ鞯淖x、寫操作。 2.1.2AT89C51的主要特性 ·與MCS-51 兼容 　　·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器 　　·壽命：1000寫/擦循環(huán) 　　·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 　　·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz 　　·三級程序存儲器鎖定 　　·128×8位內(nèi)部RAM 　　·32可編程I/O線 　　·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 　　·5個(gè)中斷源 　　·可編程串行通道 　　·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2.2超聲波傳感器 2.2.1什么是超聲波 人們能聽到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz-20KHz范圍內(nèi)，而超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHz，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。常用的超聲波傳感器可以分為二大類,一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,如壓電式、磁致伸縮式超聲波發(fā)生器；二是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波,有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 2.2.2超聲波傳感器特性 超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接受換能器，既能發(fā)射超聲波又能接收發(fā)射出去的超聲波回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲波換能器的種類很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲波換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式。 超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電解質(zhì)（晶體、陶瓷、高分子聚合物等）在其適應(yīng)的方向施加作用力時(shí)，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，在電解質(zhì)的某相對兩表面會出現(xiàn)與外力成反比的符號相反的束縛電荷，這種由外力作用是電解質(zhì)帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反的，若在電解質(zhì)加上一個(gè)電場，在此電場作用下，電解質(zhì)內(nèi)部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生與外加電場強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。壓電材料是雅典換能器的研制、應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導(dǎo)體、壓電高分子聚合物和復(fù)合壓電材料。其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實(shí)心，均勻和一體的壓電功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。其優(yōu)點(diǎn)如下： 1. 所有原材料廉價(jià)且易得 2. 具有非水溶性，遇潮不易損壞 3. 壓電性能優(yōu)越 4. 品種繁多、性能各異，可滿足不同的設(shè)計(jì)要求 5. 機(jī)械強(qiáng)度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸 6. 采用不同的形狀和不同的電極化軸，可以得到所需的各種振動(dòng)模式 7. 制作工藝簡單，生產(chǎn)周期較短，價(jià)格適中 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性： 圖2-1聲壓能級 圖2-2靈敏度 圖2-1和圖2-2是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。其中，40KHz處為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在40KHz處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在40KHz處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在40KHz兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率40KHz的交流電壓來激勵(lì)。 另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在40KHz處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在40KHz處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R也有很大關(guān)系，如果R很大，頻率特性是尖銳共振的，并目在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并目最大靈敏度向稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度?？紤]到實(shí)際工程測量要求,可以選用超聲波的頻率f = 40kHz ,波長λ = 0. 85cm。 2. 指向特性： 實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表而上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球波(子波)，這些子波沒有一指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果(衍射)，卻有一指向性。如圖2-3是超聲波的指向特性圖。 圖2-3指向性 超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是0度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40到80度，課題要求發(fā)射傳感器的指向角為60度。 2.2.3壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號。 如圖2-4，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。 圖2-4 反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了，如圖2-5. 圖2-5 2.2.4超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽聲的用途更加廣泛，是基于以下凡個(gè)原因： 1.具有方向性，超聲波的頻率越高，則方向性越強(qiáng)。 2.在無損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)中方向性是一個(gè)重要的考慮因素。 3.超聲波的頻率越高，則波長越越短，波長可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探傷、微小厚度測量、高精度測距中，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。 4.超聲是不可聽聲，這樣就避免產(chǎn)生噪聲，因而超聲具有綠色特性。當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHz及40-45KHz。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，分離式反射型可用于接近開關(guān)、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。 第3章 倒車?yán)走_(dá)原理 3.1超聲波測距原理 本設(shè)計(jì)利用超聲波測距儀測得的距離作為倒車依據(jù)。超聲波產(chǎn)生分為有源和無源兩種方式，本設(shè)計(jì)里用的有源測距。 測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time?of?flight），也可以稱為回波探測法，如圖所示。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在介質(zhì)中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，可分為液介式、氣介式和固介式三種。根據(jù)所用探頭的工作方式，又可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式。而倒車?yán)走_(dá)一般是裝在車尾，超聲波在空氣中傳播，超聲波在空氣中(20℃)的傳播速度為340m/s(實(shí)際速度為344m/s這里取整數(shù))，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間(t)，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)。公式如3-1： （3-1） 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。 限制倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的最大可測距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。聲波的速度c與溫度T有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著,則必須考慮溫度。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，表3-1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。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是所謂的時(shí)間差測距法。 表3-1聲速c與溫度的關(guān)系 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接受的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與以上方式是一樣的。測距的公示為：L=C*T 式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時(shí)間差（T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半）。 3.2總體設(shè)計(jì)方案 該倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于AT89C51的超聲信號檢測的。因此初步計(jì)劃是在室內(nèi)小范圍的測距，限定在2.5米左右量程。單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的40KHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至顯示電路進(jìn)行顯示，并進(jìn)行聲光報(bào)警。 其發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈(有時(shí)裝在探頭內(nèi))，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、隔度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν恢Оl(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。但是，每一支實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個(gè)極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這個(gè)極限值。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測近表而缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。 發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由兩級放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)(AT89C51)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。 在測距計(jì)數(shù)電路中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供20個(gè)左右的脈沖信號，單片機(jī)計(jì)數(shù)器立即計(jì)數(shù)。當(dāng)發(fā)射信號一定時(shí)間以后，若單片機(jī)收到外中斷1的信號則即使成功，若沒有收到信號就重新發(fā)射信號一次，直到收到脈沖信號，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 雙向超聲波測距儀的系統(tǒng)主要有以下部分組成：LCD顯示模塊、AT89C51控制芯片、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、電源模塊五大部分組成。另外包括語音報(bào)警電路。 圖3-1 如圖3-1該設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)如下： 優(yōu)點(diǎn)：能進(jìn)行雙向測距，實(shí)時(shí)性好，精度高，功耗低。 采用AT89C51的優(yōu)點(diǎn)是：指令簡單容易控制。 第4章 單元電路說明 4.1超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理如大圖所示，發(fā)射電路主要由反相器CD4069和超聲波發(fā)射換能器T組成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40KHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R10，R11一方面可以提高反向器輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈 沖信號，其頻率等于壓電晶片固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)他就是一個(gè)超聲波發(fā)射器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片做振動(dòng)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接受換能器。 4.2超聲波接收電路 集成塊是一款紅外線檢波接受的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率為38KHz與測距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如大圖。實(shí)驗(yàn)證明在接收超聲波時(shí)（無信號時(shí)輸出高電平），具有很好的靈敏度和抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C24的大小可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。當(dāng)超聲波接探頭R感應(yīng)到超聲波回波的時(shí)候，輸出就會從高電平變?yōu)榈碗娖剑a(chǎn)生一個(gè)下降沿觸發(fā)信號，完成信號的采集。 4.3電源電路 穩(wěn)壓電源的輸出電壓U0 （或電壓可調(diào)節(jié)范圍U0MIN—U0MAX）和最大輸出電流I0是它的特性指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)決定了該電源的適應(yīng)范圍，同時(shí)也決定了穩(wěn)壓器的特性指標(biāo)以及如何選擇變壓器、整流管和濾波電容。而輸出電壓阻、紋波電壓、溫度系數(shù)是穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)，它決定了穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓系數(shù)、輸出阻抗、溫度系數(shù)和濾波電容的選擇。 因?yàn)橄到y(tǒng)是由單片機(jī)直接控制處理，其穩(wěn)定的電壓對單片機(jī)來說是十分重要的，如大圖穩(wěn)壓電源，使系統(tǒng)能正常工作。為了改善波紋特性，在穩(wěn)壓電源的輸入端加電容C2，在其輸出端加電容C4、C5，目的是為了改善負(fù)載的瞬間響應(yīng)，防止自激振蕩和減少高頻噪聲。 三腳穩(wěn)壓塊的選擇：該裝置中穩(wěn)壓塊選用LM7805集成穩(wěn)壓塊。LM7805主要技術(shù)參數(shù)：輸出電壓3V-35V；最大輸出電流1.5A。LM7805系列穩(wěn)壓塊封裝：1端為輸入端，2端為公共端，3端為輸出端。注意事項(xiàng)：引腳不能接錯(cuò)，公共端不能懸空；為防止過熱應(yīng)加裝散熱片，其內(nèi)部原理如圖 圖4-1三腳穩(wěn)壓電源內(nèi)部電路 4.4語音播報(bào)及外圍電路 語音播報(bào)包含手動(dòng)錄音電路、語音放大電路、APR9600外圍元件。電路圖見大圖。 4.5報(bào)警電路 報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器，一個(gè)PNP型三極管構(gòu)成，當(dāng)單片機(jī)的P24腳為低電平時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。原理如圖4-2. 圖4-2 4.6單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 在51系列單片機(jī)中，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，RST引腳上保持至少兩個(gè)周期的高電平輸入信號，復(fù)位過程即可完成。未響應(yīng)這一不定期過程，CPU發(fā)出內(nèi)部復(fù)位信號。內(nèi)部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn)RST為高電平的第二個(gè)周期開始的，并且此后每個(gè)周期都重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到RST變?yōu)榈碗娖綖橹?。針對?fù)位電路對時(shí)間的需要，所以對復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般來講，VCC電源的上升時(shí)間不超過1MS，片內(nèi)振動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間在10MS以內(nèi)。這種情況下把RST引腳通過10μF電容接到VCC并同時(shí)經(jīng)過10K電阻和地相連，就可獲得上述自動(dòng)復(fù)位的結(jié)果。其具體的復(fù)位電路如圖4-3. 圖4-3 接通電源后，Vcc便對電容通過的電阻進(jìn)行充電。RST腳的電壓等于Vcc與電容兩端電壓之差。在充電過程中，隨著電容電壓逐步趨于Vcc，RST引腳上的電壓最終將接近于0。此過程之長短取決于電阻和電容值的大小。10μF的電容足可使RST腳上的電壓在振蕩器啟動(dòng)后尚有兩個(gè)周期以上的時(shí)間保持高于施密特觸發(fā)器的低門檻電平，從而使整個(gè)復(fù)位過程得以完成。 第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 超聲波倒車?yán)走_(dá)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程序、顯示程序、語音播報(bào)子程序、數(shù)據(jù)處理程序等。由于本系統(tǒng)工作在兩種模式下，所以程序有兩個(gè)分支，倒車模式和測距模式。在倒車模式下，先對所測的距離與極限值比較，當(dāng)大于極限值時(shí)系統(tǒng)不發(fā)出警告。小于極限值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。 5.1系統(tǒng)程序總框圖 圖5-1 5.2主要編程設(shè)計(jì) 主程序首先使系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P1和P0清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接觸發(fā)，需要延時(shí)0.1MS后，才打開外中斷接收返回的信號。設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)聲速為344M/S 則有：d=（c*t）/2=172TO/10000cm 其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值， 用單片機(jī)控制產(chǎn)生40KHz方波，可用延時(shí)程序和循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)，先定義一個(gè)延時(shí)函數(shù)delay0，然后可用for語句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時(shí)改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。超聲波發(fā)射子程序如下： Void delays （） {} //延時(shí)函數(shù) Void transmit （） { For（a=0；a＜200；a++） //產(chǎn)生100個(gè)40KHz方波 { P3.6=！3.6； 每循環(huán)一次，輸出引腳取反 delay（） } } 接收子程序如下： void intersvro（void） interrupt 0 using 1 { uchar DH,DL； ulong COUNT； ulong num； EA=0; TRO=O; //停止計(jì)數(shù) DH=THO; DL=TLO; COUNT=THO*256+TL0; num=（344*COUNT）/20000; //計(jì)算距離 TL0=0; TR=1; EA=1 顯示系統(tǒng)部分程序如下： #define LCDCHAR P1 #define LCDSELECT P0 unsigned char code ucaLCDCode[]= {0Xco,0xF9,0xA4，0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}； unsigned char code uca LCDSELECT[]={0x04,0x08,0x10,0x20} unsigned char uca LCDnum[4] unsigned char*pucLcdnum(unsigned long ulNumber) { if(ulNumber＞9999) ulNumber=9999; if(ulNumber＜0) ulNumber=0； ucaLCDNum[0]=ulNumber/1000; ucaLCDNum[1]=(ulNumber-1000*(long)ucaLCDNum[0])/100; ucaLCDNum[2]=(ulNumber-1000*(long)ucaLCDNum[0]-100*(long)ucaLCDNum[1])/10; ucaLCDNum[3]=(ulNumber-1000*(long)ucaLCDNum[0]-100*(long)ucaLCDNum[1]-10*(long)ucaLCDNum[2]); return uca LCDnum; } 報(bào)警程序部分編程如下： void isd send(unsigned char isdx); void isd stop(); void isd powerup(); void isd stopwrdn(); void isd play(); void isd setplay(unsigned char adl, unsigned char adh); unsigned char chk isdov(); void broadcast(unsigned char adl, unsigned char adh); { unsigned char ovflog ; while(1); { if(PR=0) { delayms(8) LCD1=~LCD1 while(PR=0); } if(LCD=1); { if(AN=0) { isd powerup(); isd stopwrdn(); isd powerup(); LCD1=1; delayms(500); isd setplay(0x00,0x00); do { isd play(); delay(20); while(int=1); {; } LCD=1; isd stop(); if(ovflog=chk isdovf()); break; while(AN=1) {; if(isd stop=0); break; if(AN=0); delayms(20); } } 第6章 調(diào)試 超聲波系統(tǒng)的調(diào)試其中超聲波發(fā)射和接收采用超聲波換能器TCT40-10F1和TCT-10S1，中心頻率40KHz，安裝時(shí)應(yīng)保持換能器兩中心軸線平行并相距，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接受換能器并聯(lián)的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 在硬件電路焊接好以后，羨慕側(cè)有無短路、斷線的線路。其次用萬用表檢測各導(dǎo)線間的連接性是否良好，最后安裝元器件。安裝好后，連接工作電源，在檢查相關(guān)芯片的電源引腳和接地電壓。對檢查出的線路問題，短線的添加焊錫連接，短路的用刀劃開，元件電壓不對的檢查焊點(diǎn)是否良好。按以上方法對硬件電路檢查，直到各線路連接良好，電壓正常為止。 硬件制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)射子程序，每次發(fā)射的脈沖寬度和兩次測量的時(shí)間間隔，以適應(yīng)不同的測量距離需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測距儀能測范圍一般為0.10-5.0米測距儀最大誤差不超過1.0cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。 調(diào)試結(jié)果：由于本系統(tǒng)硬件本身存在著誤差，所以在測量時(shí)用取平均值的方式進(jìn)行。故在測量時(shí)，每次測量距離次數(shù)四次，然后取平均值。具體結(jié)果如下表： 表6-1調(diào)試結(jié)果 第7章誤差分析 7.1環(huán)境對測量的影響 環(huán)境對測量的影響，包括空氣溫度變化引起的聲速變化、空氣成分變化、聲波傳播途中溫度梯度導(dǎo)致測溫不準(zhǔn)確等，由于這些因素對結(jié)果產(chǎn)生的影響比較小。開關(guān)門的可靠性是標(biāo)志超聲波測距儀可靠性的關(guān)鍵,即同步門控制。也就是說發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)必須同步。 7.2量化誤差 即參考頻率計(jì)數(shù)結(jié)果的誤差,由于選擇的單片機(jī)計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率為12MHz,所以有量化誤差為0.01米，符合測距要求范圍。所以超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有: 1.量程范圍;2.目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。超聲波頻率高對探測較小目標(biāo)有利,有效反射目標(biāo)應(yīng)大于至少10 個(gè)波長以上, 對于非垂直于發(fā)射波束的目標(biāo),大波束角的傳感器通?？梢垣@得更強(qiáng)的回波信號,而波束角越窄對于減小散射波的干擾越有利。 7.3觸發(fā)誤差 由于被測信號經(jīng)放大、整形,門控產(chǎn)生“開門脈沖”和“關(guān)門脈沖”中,噪聲信號、干擾信號的摻入,使觸發(fā)的時(shí)間可能提前或滯后,給測量結(jié)構(gòu)帶來了隨機(jī)誤差，該誤差與信號的觸發(fā)波形有很大關(guān)系。 7.4其他 本系統(tǒng)采用LM567來確認(rèn)接收信號，LM567在工作時(shí)對發(fā)射信號的接收需要有一定的延時(shí)，再在這段時(shí)間中鎖相環(huán)鎖定信號，由此產(chǎn)生的誤差由數(shù)據(jù)處理模塊中加入一個(gè)修正量來減小誤差。 超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角的影響；超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；影響測量誤差的因素很多，還有現(xiàn)場環(huán)境干擾、實(shí)際脈沖頻率等。 本設(shè)計(jì)預(yù)留有一個(gè)DS18B20的測溫端口，對于測距要求精度高的系統(tǒng)，可以使用此端口實(shí)現(xiàn)對溫度誤差的補(bǔ)償。 由上述誤差分析可知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式求出當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關(guān)鍵在于，獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。為了便于對溫度信號的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用集成溫度傳感器，能夠在僅占用控制器一個(gè)I/0口的情況下工作（芯片可有數(shù)據(jù)線供電），極大的方便了使用者的調(diào)試使用。足以保證為超聲波測距設(shè)備提供足夠的精度范圍。 結(jié)論 本文所設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保證汽車安全的輔助系統(tǒng)。通過超聲波探頭發(fā)射及反射超聲波，使用高速單片機(jī)計(jì)算超聲波在測量車與障礙物之間的往返時(shí)間然后再計(jì)算出車與障礙物之間的距離，并加入了軟件補(bǔ)償，提高了距離計(jì)算精度。然后顯示在LCD顯示器上，當(dāng)在探測的范圍有障礙物時(shí)，蜂鳴器提示報(bào)警，距離越近蜂鳴器的報(bào)警聲也越大。實(shí)際證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距要求，且成本低、有良好的性價(jià)比。 現(xiàn)在我國汽車電子已經(jīng)進(jìn)入高速增長期，中國汽車產(chǎn)品的電子設(shè)備配備率一直處于國際水平之下，隨著近幾年對汽車安全性、舒適性和娛樂性的需求不斷增加，引發(fā)了整車裝備電子設(shè)備的一股熱潮。國內(nèi)汽車電子市場處于高速增長期，市場對于波動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)有較強(qiáng)的抵御能力。除原有汽車電子產(chǎn)品處于增長期或成熟期，市場滲透率在不斷提高。新的汽車電子產(chǎn)品如夜視系統(tǒng)、泊車輔助系統(tǒng)、防撞預(yù)警系統(tǒng)也再不斷涌現(xiàn)，進(jìn)入市場導(dǎo)入期，開始裝備在豪華高端車輛上。相信不久的將來，隨著技術(shù)的成熟和成本的下降，這些新的技術(shù)也將普及，進(jìn)入高速增長期，成為推動(dòng)汽車電子市場發(fā)展的主力軍。 致 謝 衷心感謝我的導(dǎo)師。本文工作從選題一直到撰寫的每一個(gè)階段都是在我的導(dǎo)師悉心指導(dǎo)下完成的。我們曾共同探討問題就各種出現(xiàn)的新情況提出自己的見解和積極的解決辦法他清晰敏捷的思路嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給我留下深刻的印象使我受益非淺。吳柏宇老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于模擬電子方面的知識，實(shí)驗(yàn)技能有了很大的提高。別且在大學(xué)生涯最后的一段時(shí)間中學(xué)到了許多新鮮的知識。并且通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程使我掌握了良好的學(xué)習(xí)方法，知識是固定的，可學(xué)習(xí)的方法會使我受益終生。在本文完成之際本人對我的導(dǎo)師表示深深的敬意和誠摯的感謝。 感謝院系領(lǐng)導(dǎo)和我的師長們耐心的指點(diǎn)和思想上給我的啟發(fā)以及電子系老師和同學(xué)的幫助。感謝網(wǎng)站提供有關(guān)資料和所有與我交流探討的同學(xué)和網(wǎng)友。另外，我還要特別感謝學(xué)長和學(xué)姐以及一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們對我的無私幫助和論文寫作的指導(dǎo)，使我得以順利完成論文。同時(shí)也得到了實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)老師幫助，在此我也衷心的感謝他。 最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝。 參考文獻(xiàn) [1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]，第三版.北京：高等教育出版社2001.1 [2] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]，第四版.北京：高等教育出版社，1998.11 [3]馬忠梅，籍順信.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]，第三版. 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