基于超聲波的汽車防撞系統(tǒng)的設計.doc

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1、 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設 計 第 33 頁 共 33 頁目 錄1 緒論12 課題簡介及其發(fā)展現(xiàn)狀221 課題研究現(xiàn)狀及其發(fā)展意義222 超聲波簡介33 總體設計方案431 設計總體思路概況432 超聲波測距原理533 超聲波傳感器634 控制系統(tǒng)框圖735 超聲波發(fā)射裝置設計836 超聲波接收裝置設計1037 溫度補償1138 顯示電路設計1239 報警裝置設計154 軟件設計1641 軟件工作流程1642 主程序流程圖1743 超聲波的發(fā)生子程序和中斷程序175 硬件設計1851 芯片的功能及其測距原理185.1.1 AT89C51的功能特點185.1.2 單片機實現(xiàn)測距的原理195

2、.1.3 系統(tǒng)的特點2052 超聲波測距系統(tǒng)元器件清單20結(jié)束語22參 考 文 獻23附 錄18附錄1 汽車防撞測距儀原理圖24附錄2 程序清單251 緒論曾幾何時，汽車對很多家庭來說是不敢想象的。但隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展和經(jīng)濟水平的大幅度提高，百姓的收入日益增加，解決了溫飽問題的家庭開始奔向小康，表現(xiàn)最明顯的是交通工具的升級換代：一些家庭開始購買汽車作為代步工具。近幾年我國汽車保有量逐年增加，2009年的保有量為6300萬輛，2010年達到7400多萬輛。按保守估計，未來國內(nèi)汽車保有量將達到4.9億輛左右，即大約350輛/千人。對于汽車數(shù)量的大副度攀升，盡管國家在公路設施上不斷地改進，但道路上

3、的車輛仍然還是越來越多，尤其在上下班時段完全避免不了汽車擁擠的現(xiàn)狀。再加上汽車設計中車速的不斷提高，雖然公路上各路段都有限速，但撞車事件仍然在廣大人民的生活中屢屢發(fā)生，給人們帶來巨大的人身傷亡和社會財產(chǎn)損失。針對汽車擁擠的現(xiàn)狀，設計一種反應快，穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟實用的汽車防撞測距儀對當今汽車行駛安全現(xiàn)狀勢在必行。汽車防撞測距儀是一種向駕駛員報警的裝置，此汽車防撞測距儀能在汽車行駛和倒車過程中自動檢測障礙物，然后通過超聲波測距原理測出汽車與障礙物之間的距離，并將距離顯示出來。當汽車與障礙物之間的距離達到極限時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，達到提醒司機防止撞車的目的。該汽車防撞測距儀，要求測量范圍在3050m

4、，測量精度12m，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。功能說明：汽車倒車時，檢測車輛后方障礙物位置,并利用LED顯示屏將車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛員，同時啟動揚聲器報警起到防撞的作用。系統(tǒng)能夠在高速行駛時，較準確測量與前方障礙物的距離，并在車輛行駛到危險距離時，發(fā)出急促的報警提醒駕駛員注意剎車。2 課題簡介及其發(fā)展現(xiàn)狀21 課題研究現(xiàn)狀及其發(fā)展意義隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的不斷進步，汽車的數(shù)量逐年增加，汽車擁擠的現(xiàn)狀不可避免，而在汽車擁擠的情況下，惡性事故屢屢發(fā)生，時刻威脅著人們的安全。我國交通事故的年死亡人數(shù)遠高于他國，分別是美國的2.3倍、德國的18.4倍、日本的13.4

5、倍。當現(xiàn)代家庭充分的享受汽車帶來方便的同時，也為此付出了沉重的代價。據(jù)統(tǒng)計，我國自2010年至2010年，已有150多萬人死于道路交通事故，其中大部分的道路交通事故為汽車追尾碰撞事故。面對當今這種現(xiàn)狀，設計出一種反應快，穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟實用的汽車防撞測距儀勢在必行。防撞預警自動測量技術應運而生，尤其非接觸式測量技術發(fā)展卓越。在大多情況下，測量與障礙物之間的距離是不能夠接觸到障礙物的，在這種時候就會用到非接觸式測量設備。在物理學中人們發(fā)現(xiàn)了電子學技術產(chǎn)生的超聲波后，從此超聲波技術在測量領域得到了廣泛的運用，尤其是在超聲波測距方面，結(jié)合了其他技術，用超聲波測距變得十分常用。超聲波在介質(zhì)中傳播的距離

6、較遠，分辨力較高，且能量消耗小，利用超聲波測距比較方便而且速度快、計算簡單，容易做到實時控制，并且測量精度好，都能夠達到工業(yè)測量的需要2。因此超聲測距廣泛應用于當今生活中，特別是應用于超聲波測距方面。超聲波測距利用的是聲波反射原理，聲波在空氣中傳播避免了與介質(zhì)接觸。與其它測距方式相比，超聲測距不受顏色、光線和電、磁場的影響，使他受到干擾的可能大幅度減少。它還具有可靠性能高、結(jié)構簡單、價格便宜、安裝方便等優(yōu)點。也能夠測量處于黑暗、煙霧、有灰塵、電磁干擾等惡劣環(huán)境中的障礙物。但由于超聲波傳播時溫度對聲速影響比較大，使超聲測距的精確度到了影響，在這里可以采用溫度補償進行校正，能夠消除溫度對其的影響。

7、22 超聲波簡介眾所周知，當物體在振動的時候就能夠發(fā)出聲音。但是人類耳朵只能聽到頻率為2020000赫茲的聲波。當聲波的振動頻率不在這個范圍時的聲音人類是聽不見的。根據(jù)這種情況，人們規(guī)定把聲波頻率高于20KHZ的聲波稱為“超聲波”。由于超聲波具有方向性好，抗干擾能力強，穿透能力強等優(yōu)點。在現(xiàn)實生活中有著不可替代的作用它常用于清洗，測距，測速等。超聲波是聲波大家族中的一員。聲波指的是物體在機械振動下，物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置進行的往返運動狀態(tài)。例如，鼓被敲打之后，鼓面就會上下振動，振動通過空氣向四面八方進行傳播，這就是聲波，超聲波就是頻率很高的聲波。超聲波在現(xiàn)實生活中能夠廣泛應用，是因為超聲波有以

8、下幾種特性，它能夠在氣體、固體、液體、等介質(zhì)中進行傳播，能夠傳遞巨大的能量，能夠發(fā)生反射、干涉和共振的現(xiàn)象，并且超聲波在液體中進行傳播時，可以產(chǎn)生劇烈的空化和沖擊的現(xiàn)象8。國內(nèi)的超聲波研究比其它國家起步晚，人們在發(fā)現(xiàn)正壓電效應和逆壓電效應之后，超聲波才逐漸應用于電子行業(yè)、清洗機械器件、軍事、塑料焊接、金屬焊接、醫(yī)學等等領域。3 總體設計方案汽車防撞測距儀是指在汽車行駛過程中防止汽車發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報警裝置。它能自動發(fā)現(xiàn)可能與汽車發(fā)生碰撞的障礙物體，并且同時檢測汽車與障礙物之間的距離，到達極限距離時發(fā)出報警信號以避免碰撞的發(fā)生。根據(jù)題目要求，汽車防撞報警器的功能主要有兩個：判斷汽車與障礙

9、物之間的距離和當汽車與障礙物之間的距離到達臨界距離時發(fā)出報警信號2。31 設計總體思路概況汽車防撞測距儀的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計時器計出超聲波從發(fā)射到接收到遇到障礙物后反射聲波的時間通過公式計算出汽車與障礙物之間的距離 牛余朋，成曙基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)J兵工自動化.2005.4。在實際生活中常用的測距方法主要有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端設置發(fā)射裝置，一端設置接收裝置，利用公式得出測量的距離。這種測量方式特別適用于測量身高；另一種是本次設計采用的方式，利用超聲波遇到障礙物后反射得出距離。汽車防撞測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路及

10、顯示報警電路三部分。單片機采用的是AT89C51系列。為了獲得較穩(wěn)定時鐘頻率而采用了高精度的晶振，這樣極大的減小測量距離的誤差。用單片機P1.0端口輸出超聲波發(fā)射器所需要的40kHz的方波信號，使用外中斷0口檢測接收超聲波的反射信號。顯示電路裝置通過結(jié)構簡單價格便宜的4位LED數(shù)碼管顯示距離1。超聲波的發(fā)射裝置主要是由反相器74LS04和發(fā)射傳感器構成。AT89C51單片機P1.0引腳輸出40k赫茲的間斷方波信號分成2路，一路信號經(jīng)過一個反向器后到達TCT40一個引腳，另一路通過兩個反向器后到TCT40的另一個引腳，用這種形式將P1.0發(fā)出的單片機P1.0端口發(fā)出的間斷方波信號加到TCT40的

11、兩端上，用這種推換形式將間斷的方波信號連接到超聲波傳感器的兩個引腳上，這樣能夠增強超聲波的發(fā)射強度。在加載方波信號時使用兩個74LS04并聯(lián)，使它的驅(qū)動能力得到了很大的提高。而電阻R11、R12增大超聲波傳感器的阻尼效果，縮短了震蕩時間，使超聲波傳感器輸出高電平的能力大大增加。超聲波接收采用CX20106A集成電路模塊，集成芯片CX20106在接收裝置電路中的作用很大。CX20106是一款紅外線檢波接收的芯片，他常用于現(xiàn)實生活中，而且價格便宜。由于紅外線波的頻率為38 kHz，與測距使用的超聲波頻率接近。并且CX20106芯片的內(nèi)部設置比較好，由于設計中芯片的5腳連接了一個外接電阻，此電阻使得

12、濾波器的中心頻率能夠調(diào)節(jié)，當R21的阻值越大濾波器的中心頻率就越低，變化范圍在3060 kHz之間。此次設計證明用CX20106A接收超聲波信號具有優(yōu)秀的靈敏特性和較強的抗干擾能力。超聲波測距預警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序和數(shù)碼顯示子程序等。超聲波測距預警系統(tǒng)主程序第一步是對系統(tǒng)進行初始化，初始化定時器T0為16位定時計數(shù)器的工作模式。全局中斷打開并給顯示端口清0。再調(diào)用超聲波的發(fā)生子程序發(fā)出一個超聲波脈沖，在發(fā)射過程中延時約0.1 ms，避免聲波信號從發(fā)射器發(fā)出后直接傳送到接收器而引起直射波觸發(fā)，然后在使用外中斷接收遇到物體后返回的聲波信號。設計中采用了1

13、2MHz的晶振，計數(shù)器每次計數(shù)間隔是1s，當主程序接收到成功的信號后，將計數(shù)器T0中的數(shù)計算，即得出與障礙物之間的距離，測出距離后將結(jié)果送往LED顯示，這就是超聲波測距的過程。在系統(tǒng)調(diào)試方面，由于設計的電路由很多集成電路構成。外圍元件很少，所以調(diào)試不太難。只要焊接的電路沒有錯誤，簡單調(diào)試一下就能夠正常使用了。電路設計中除了集成電路，對其它電子元件也沒專業(yè)要求?？梢愿鶕?jù)測量距離的差異，調(diào)整與接收換能器濾波電容就能得到適合靈敏度和超聲波抗干擾能力 蘇偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術.2004.。32 超聲波測距原理超聲波測距是通過檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射回來的回波，從而測出超聲波

14、發(fā)射和接收的時間差T,然后根據(jù)公式，即可算出汽車與被測物體的距離。S為汽車與障礙物之間的距離,C為超聲波在空氣中的傳播速度2。因為聲速C受溫度的影響很大，我們采用溫度補償?shù)姆椒p小誤差。表3-1中列出了不同溫度下的超聲波聲速。T為超聲波發(fā)射到接收到超聲波所用時間，計時是由單片機的定時功能計出從超聲波的發(fā)射到檢測到超聲波信號的時間。表3-1 超聲波波速與溫度的關系表溫度（）-30-20-100102030100聲速（ms）313319325323338344349386超聲波的測距原理，如下圖3-1所示。單片機發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大電路放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲

15、波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)。超聲波發(fā)射器放大電路放大電路數(shù)據(jù)顯示定時器單片機控制超聲波接收器 圖3-1 超聲波測距原理圖33 超聲波傳感器超聲傳感器指的是在超聲波頻率范圍內(nèi)將交變電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號或?qū)⑼饨绲穆暡ㄐ盘栟D(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換器件。大體上講，超聲波的發(fā)生器可分為兩類：一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波，一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波。兩種方式產(chǎn)生的超聲波功率、頻率和聲波的特性都不相同。因此不同的用途采用不同的方式產(chǎn)生超聲波。而在此次設計中采用電氣方式產(chǎn)生超聲波，使用目前在理論研究和實際生活中最為常用的壓電式超

16、聲波發(fā)生器。壓電式超聲波傳感器裝置是根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換原理制成的，它又稱為超聲波探頭或者超聲波換能器。超聲波換能器有兩種，一種是超聲波發(fā)射換能器，另一種是超聲波接收換能器。壓電式超聲波換能器的原理是依靠壓電晶體的諧振來進行工作的。超聲波換能器的內(nèi)部由一個換能板和兩個壓電晶片構成。這種超聲換能器需要的壓電材料很少并且價格便宜，并且很適用于氣體介質(zhì)中。當壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵后即可產(chǎn)生振動，發(fā)射聲波脈沖，是逆壓電效應。逆壓電效應用于超聲波的發(fā)射。當外界的超聲波作用于壓電晶片時，晶片被迫發(fā)生振動引起形變轉(zhuǎn)換成電信號，這是正壓電效應 浦昭邦，王寶光 主編.測控儀器設計.北京：機械工業(yè)出版社，2007.4

17、。正壓電效應應用于超聲波的接收。在換能器的兩極引腳加上大小和方向不斷變化的交流電壓，就能使壓電晶片產(chǎn)生機械變形，當引腳的頻率和壓電晶片上的振蕩頻率相同時，就能帶動共振板發(fā)生共振產(chǎn)生超聲波。圖3-2 超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構圖超聲波換能器的工作原理是把40kHz的間斷方波信號分成2路，一路經(jīng)一級反向器后到達TCT40一個電極，另一路通過兩級反向器后到達TCT40的另一個電極，用這種形式將P1.0發(fā)出的方波信號加到達TCT40的兩端上，產(chǎn)生諧振后經(jīng)輻射器將振動信號向四面八法傳播出去。當超聲波信號經(jīng)過傳播后如果遇到障礙物之后就會發(fā)生光波折射，再傳播回來，由接收換能器進行接收。34 控制系統(tǒng)框圖超聲波防撞

18、控制系統(tǒng)如圖3-3所示。該系統(tǒng)全部都由單片機進行控制，單片機發(fā)出40Hz的方波脈沖，經(jīng)過超聲波發(fā)射電路發(fā)射出超聲波。超聲波在遇到障礙物之后反射回來再由接收電路接收反射超聲波信號送入單片機進行分析，計算出汽車與障礙物之間的距離，將處理后的結(jié)果送入顯示電路經(jīng)過數(shù)碼顯示管顯示出距離，如果距離達到安全的極限距離則由報警電路通過蜂鳴器發(fā)車報警，提示司機躲避障礙物。超聲波接收超聲波發(fā)射溫度傳感器單 片 機 控 制顯示距離報警器圖3-3 超聲波測距報警系統(tǒng)圖35 超聲波發(fā)射裝置設計超聲波發(fā)射裝置包括兩個部分：超聲波產(chǎn)生電路部分和超聲波發(fā)射控制電路部分。超聲波探頭采用TCT40。單片機P1.0端口輸出40KH

19、z的超聲波信號，此時定時器開始計時。通過輸出引腳輸入，經(jīng)驅(qū)動后推動發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波，此方法充分利用了軟件控制，靈活性好。超聲波發(fā)射電路設計圖如圖3-4所示，超聲波發(fā)射裝置仿真圖如圖3-5所示。圖3-4 超聲波發(fā)射裝置設計圖圖3-5 超聲波發(fā)射裝置仿真圖超聲波的發(fā)射電路主要由反相器74LS04 張國雄 編著.測控電路（第3版）.機械工業(yè)出版社，2008.3和發(fā)射換能器TCT40-16構成。AT89C51單片機P1.0口輸出的40kHz的間斷方波信號分成2路，一路經(jīng)一級反向器后到達TCT40一個電極，另一路通過兩級反向器后到TCT40的另一個電極，用這種形式將P1.0發(fā)出的方波信號加到TCT40

20、的兩端上，能夠增強超聲波的發(fā)射強度 九州.放大電路實用設計手冊.沈陽：遼寧科學技術出版社.2002.5。在加載方波信號時使用兩個74LS04并聯(lián)，可以提高驅(qū)動能力。而電阻R11、R12可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短了震蕩時間，還可以提高換能器輸出高電平的驅(qū)動能力。36 超聲波接收裝置設計超聲波接收裝置包括接收探頭、信號放大電路和波形變換電路三個部分。超聲波探頭采用RCT40。按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個回波的時刻。接收裝置的設計可用CX20106A來完成。在空氣中傳播的超聲波，其能量的衰減與距離是成正比的，距離越小、衰減越少，距離越大、衰減越多，通常都在1V之內(nèi) 時德剛，劉嘩

21、.超聲波測距的研究.計算機測量與控制，2002.10。圖3-6 超聲波接收裝置設計圖超聲波的接收裝置如圖3-6所示，超聲波的接收采用CX20106A集成電路模塊。CX20106是一款紅外線檢波接收的芯片，他常用于現(xiàn)實生活中，而且價格便宜。由于紅外線波的頻率為38 kHz，與測距使用的超聲波頻率接近。，并且CX20106芯片的內(nèi)部設置比較好，由于設計中芯片的5腳連接了一個外接電阻，此電阻使得濾波器的中心頻率能夠調(diào)節(jié)，R21的阻值越大濾波器的中心頻率就越低，變化范圍在3060 kHz之間。接收到的聲波信號經(jīng)由放大器，調(diào)整信號的頻率，然后濾波消除干擾信號，最后再經(jīng)過整形，輸出到CX20106的7腳輸

22、出。當接收到的聲波信號與CX20106的中心頻率相符時，它的7腳就會低電平輸出，而7腳接到INT0引腳上，這樣就會中斷。若頻率和CX20106的中心頻率不同時，即可調(diào)節(jié)R21，使濾波器的中心頻率與超聲波測距的頻率相符。CX20106引腳圖 李朝青 編著. 單片機原理及接口技術.北京：北京航空航天大學出版社.2006.12如圖3-7所示，CX20106有8個引腳管腳1是超聲波信號輸入端；管腳2的電阻和電容決定接收換能器的總增益，通過增大或者減小電阻電容，確定放大倍數(shù)；管腳3與GND之間連接的電容起到檢波作用；管腳5上的連接一個外接電阻，這個電阻用來設置濾波器的中心頻率；管腳6與GND之間接入一個

23、電容，該電容確定探測距離；管腳7是集電極開路輸出端：管腳8接電源正極。圖3-7 CX20106引腳圖37 溫度補償溫度對超聲波的影響是很大的，如果能夠知道溫度，則可求出超聲波的聲速，從而能夠得到較高的精度 張和生，宋明耀提高超聲波測距精度的設計測試測量.2004.7。而問題在于用什么方法獲得溫度數(shù)據(jù)。為了方便對溫度信號進行采集和處理，設計中采用了DALASS 公司的 DS18B20 集成溫度傳感器對超聲波的傳播速度進行溫度補償 永學等.1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20及應用.電子產(chǎn)品世界.2003.12。DS18B20采用1-WIRE 總線技術，能夠在只占單片機一個 I/O 接口的

24、情況下進行工作，方便了使用者對其的調(diào)試使用，而且它在零下十攝氏度到八十五攝氏度的工作環(huán)境下能夠保持 0.005的精度，足以為超聲波測距裝置提供精度范圍。 圖3-8所示為溫度補償設計圖。兩個按鍵開關用于控制測量的開始與結(jié)束之間的切換。DS18B20硬件性能穩(wěn)定，接口簡單，只需一根接口線就能連接起來。DS18B20溫度傳感器里面有兩個晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨外界溫度的變化基本上沒有影響，所以低溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的信號是固定頻率的，這樣便把它產(chǎn)生信號發(fā)送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振和低溫度系數(shù)晶振正好相反，它在溫度變化很大的時候,它的振蕩頻率隨著溫度發(fā)生很大的變

25、化，所以計數(shù)器2的脈沖輸入信號我們使用高溫度系數(shù)的信號輸入。由于計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的值減少到0時，溫度寄存器的數(shù)值就加1，計數(shù)器1的數(shù)值就會重新裝入，計數(shù)器1再重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，這樣一直循環(huán)，一直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止對溫度寄存器數(shù)值的累加，這時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3-8 溫度補償電路設計圖38 顯示電路設計顯示電路中顯示測量距離使用的是4位共陽的LED數(shù)碼管，它簡單實用并且價格便宜。LED顯示是共陽極接法的動態(tài)循環(huán)顯示，段碼使用74LS245芯片驅(qū)動，位碼使用四個PNP三極管來驅(qū)動，顯示電路設計圖如圖3-

26、9所示。74LS245芯片是生活中最為常用的芯片。它是8路同相三態(tài)雙向總線的收發(fā)器，它可以用來驅(qū)動數(shù)碼管或者一些其他的設備。它具有雙向的三態(tài)功能，這使得它能夠雙向的傳輸數(shù)據(jù)，既可以輸入數(shù)據(jù)，也可以輸出數(shù)據(jù)。圖3-9 顯示電路設計圖在74LS245芯片端低電平有效時，當DIR=“0”時，信號由 B 向 A 傳輸；當 DIR=“1”時，信號由 A 向 B 傳輸；當為高電平時，A、B兩端均為高阻態(tài)。在生活中最常見的LED數(shù)碼管是八段和七段的，八段式原理圖的如圖3-11所示。本次設計中采用的是八段式的數(shù)碼管。八段式的與七段式的相比，他們各部分結(jié)構大體相同，八段只比七段式的多了一個小數(shù)點。數(shù)碼管都是由L

27、ED發(fā)光二極管發(fā)光單片機控制LED的滅亮顯示出不同的形狀從而顯示出數(shù)字。數(shù)碼管又分為兩種類型，共陽極型和共陰極型，原理圖如圖3-10所示。共陽極型就是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陽極都接在一起并且接到電源上，連接好之后把其中任何哪個發(fā)光二極管的陰極接到地線上，它就會發(fā)光。共陰極型則是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陰極都接在一起并且接到地線上，連接好之后把其中任何哪個發(fā)光二極管的陽極接到電源上，它就會發(fā)光。圖3-10 共陰極型和共陽極型原理圖abegfcdabgfedcdpdpcomcom圖3-11 數(shù)碼顯示管引腳圖如圖3-11數(shù)碼顯示管引腳圖所示，把兩個COM引腳連接起來，作為數(shù)碼管的公共端，數(shù)碼管共陰端要

28、接地，共陽端接電源。一個二極管是一位，八個管子即a,b,c,d,e,f,g還有dp，拼成個8字列在一起就構成了一個8位的數(shù)碼顯示管。一個八段式的數(shù)碼顯示管的每個顯示管連在一起，每個二極管的公共端稱為位選線。在數(shù)碼管顯示數(shù)字時，一個二極管對應一條直線，a對應的是首位，dp對應最后位。例如，當數(shù)碼管顯示管顯示數(shù)字0時，那么共陰極數(shù)碼顯示管的編碼就為00111111，十六進制數(shù)為0 x3f，而共陽極的數(shù)碼顯示管的編碼就是11000000，十六進制數(shù)為0 xC0。通過這個例子可以看出來共陰極數(shù)碼顯示管和共陽極數(shù)碼顯示管的編碼各個位是相反的。39 報警裝置設計報警部分采用一個蜂鳴器進行報警，利用單片機控

29、制輸出一個一定頻率的信號。信號通過一個三極管，把信號放大，以增強驅(qū)動能力。然后將放大之后的信號連接到蜂鳴器上，報警部分裝置如圖3-12所示。圖3-12 報警裝置設計圖蜂鳴器使用直流電源進行供電，廣泛應用于當今生活中，尤其在計算機、報警器、汽車電子設備、電話機等電子設備制造中作為發(fā)聲的器件而廣泛應用。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構的電子發(fā)聲器，它分為兩種類型，一種是壓電式蜂鳴器，另一種是電磁式蜂鳴器 陳建元 作者，編著.傳感器技術.機械工業(yè)出版社.2008.10。壓電式蜂鳴器主要由壓電蜂鳴片、多諧振蕩器、共鳴箱及阻抗匹配器和外殼等部分組成。壓電蜂鳴片是由鈮鎂酸鉛或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制造而成。在陶瓷片的

30、表面鍍上金屬電極，經(jīng)過極化處理和老化處理之后，再與不銹鋼鋼片粘貼在一起就制成了壓電蜂鳴片。而多諧振蕩器由集成電路或者晶體管構造而成。當電極兩端接通電源以后,多諧振蕩器開始振動,輸出音頻信號，然后阻抗匹配器便能推動壓電蜂鳴片發(fā)出聲音。電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、磁鐵、振動膜片、電磁線圈和外殼等部分組成。在兩極接通電源之后，振蕩器能夠產(chǎn)生音頻信號，信號通過電磁線圈，便會使電磁線圈生成磁場。這樣振動膜片便會在磁鐵和電磁線圈的作用下，周期性地反復振動從而發(fā)出聲音。4 軟件設計超聲波測距預警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序和數(shù)碼顯示子程序等。41 軟件工作流程按下控制系統(tǒng)的開

31、關，進行系統(tǒng)的初始化，當主程序完成初始化后調(diào)用發(fā)射子程序，由 P1.0 口發(fā)射出1個脈沖，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波，并且計數(shù)器開始計時。利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波從發(fā)射到接收所用的時間。當超聲波接收器接收到超聲波后，接收電路輸出端輸出一個跳變信號，在INT0端產(chǎn)生一個中斷的信號，單片機響應中斷請求后執(zhí)行外部中斷子程序，讀取出來時間間隔，得到超聲波的時間差。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器T1的值減少到0時，溫度寄存器的數(shù)值就加1，計數(shù)器T1再重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，一直循環(huán)到計數(shù)器T2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，這時即可讀取此時溫度

32、值。根據(jù)上文中表3-1 超聲波波速與溫度的關系表，即可知道超聲波精準的聲波速度。知道了時間和超聲波的聲波速度后，由S=CT/2算出汽車與被測物體的距離。其中，S為測量的距離,C為超聲波在空氣中的傳播速度。T為從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號的時間間隔。通過單片機的計算得出距離，顯示出來，到達距離極限時，啟用報警模塊。42 主程序流程圖開始延時1ms調(diào)試測距子程序調(diào)用顯示、報警子程序調(diào)用溫度檢測子程序系統(tǒng)初始化結(jié)束適合溫度修正超聲波溫度計算測量結(jié)果圖4-1 主程序流程圖主程序流程圖如圖4-1所示。主程序第一步是對系統(tǒng)進行初始化，初始化定時器T0為16位定時計數(shù)器的工作模式。全局中斷打開并給顯示端

33、口清0。再調(diào)用超聲波的發(fā)生子程序發(fā)出一個超聲波脈沖，在發(fā)射過程中延時約0.1ms，避免聲波信號從發(fā)射器發(fā)出后直接傳送到接收器而引起直射波觸發(fā)，然后使用外中斷接收遇到物體后返回的超聲波信號。設計中采用了12 MHz的晶振，計數(shù)器每次計數(shù)間隔是1s，當主程序接收到成功的信號后，將計數(shù)器T0中的數(shù)計算，即得出與障礙物之間的距離。測出距離后將結(jié)果送往LED顯示，跳出程序，結(jié)束測量。43 超聲波的發(fā)生子程序和中斷程序超聲波發(fā)生子程序是通過P1.0端口發(fā)出頻率約40kHz的方波脈沖信號，在發(fā)出脈沖的同時，打開計數(shù)器T0開始計時。測距主程序是利用外中斷T0檢測遇到障礙物后反射回來的聲波信號，一旦接收到信號，

34、馬上進入中斷程序。中斷開始后立刻讓計時器停止計時，此時測距成功。如果在計時器溢出時還沒有檢測到反射的超聲波信號，此時測距不成功。開始關T0，開T1按下功能鍵修改完畢開T0，關T1，計時結(jié)束圖4-2 中斷處理流程圖5 硬件設計硬件電路的設計主要包括三部分：單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波的發(fā)射和檢測接收電路。在本次設計中單片機采用AT89C51。還采用了12MHz高精度的晶振，以減小測量誤的差 薛紅宣.采用軟件抗干擾設計提高微機系統(tǒng)的可靠性.電子產(chǎn)品世界.2004.1。用AT89C51的P1.0端口輸出所需的40kHz的方波信號，采用AT89C51實現(xiàn)對TCT40超聲波轉(zhuǎn)換模塊和CX20106A芯片

35、的控制。51 芯片的功能及其測距原理5.1.1 AT89C51的功能特點AT89C51單片機主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出接口等組成。中央處理器是單片機的核心部分，它的主要作用是完成運算和控制功能。程序存儲器具有存儲功能，使應用程序在開發(fā)調(diào)試后永久性的存儲在程序存儲器中。AT89C51控制著超聲波的發(fā)送和接收,串行口發(fā)送數(shù)據(jù),及溫度采樣頻率,并在內(nèi)部計算轉(zhuǎn)變成溫度數(shù)據(jù)，使在不同溫度下的誤差最小。該芯片包括了限幅放大、前置放大、整形和輸出數(shù)據(jù)信號。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Onl

36、y Memory） 陳光東.單片機微型計算機原理與接口技術(第二版).武漢：華中理工大學出版社.1999.4。8位高性能的CMOS微處理器，叫做單片機。該單片機采用ATMEL高密度非易失存儲器制造，它能夠與達到工業(yè)標準的輸出管腳和MCS-51指令集相兼容 占操，梁厚琴，曹燕.單片機系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術.電子技術.2003.3附錄附錄1：汽車防撞測距儀原理圖汽車防撞測距儀原理圖附錄2: 程序清單ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H LJMP PINT0ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETIORG001BH LJMP INTT1ORG0023H

37、 RETIORG002BH RETI*主程序*START: MOVSP, #4FH MOVR0, #40H ;40H43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H為最高位） MOVR7, #0BHCLEARDISP: MOV R0, #00H INCR0 DJNZR7,CLEARDISP MOV20H,#00H MOVTMOD,#21H; T1為8位自動重裝模式，T0為16位定時器 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H;40KHz初值 MOV P0, #0FFH MOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3

38、, #0FFH MOV R4,#04H;超聲波脈沖個數(shù)控制（為賦值的一半） SETB PX0 SETB ET0 SETB EA SETB TR0;；開啟測距定時器START1: LCALL DISPLAY JNB 00H,START1; ；收到反射信號是標志為1 CLR EA LCALL MATH; ；計算距離子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0; ；重新開啟測距定時器 MOV R2,#64H; ；測量間隔控制（約4ms100=400ms）LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2,LOOP SJMP START1*顯示程序*DISPLAY: MOVR1,#40

39、H ;40H為最高位，43H為最低位，先掃描高位 MOVR5,#0F7HPLAY: MOVA,R5 MOVP0,#0FFH MOVP2,A MOVA,R1 MOVDPTR,#TAB MOVCA,A+DPTR MOVP0,A LCALLDL1MS INCR1 MOVA,R5 JNB ACC.0,ENDOUT RRA MOVR5,A AJMPPLAYENDOUT: MOVP2,#0FFH MOVP0,#0FFH RETTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共陽段碼表 “0”，“1”，“2”，“3”，“4

40、”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“不亮”，“A”，“”*中斷程序*INTT0: CLREA;T0中斷，65ms中斷一次 CLRTR0 MOVTH0,#00H MOVTL0,#00H SETBET1 SETBEA SETBTR0 ;啟動計數(shù)器T0，用以計算超聲來回時間 SETBTR1 ;開啟發(fā)超聲波用定時器T1OUT: RETIINTT1: CPLVOUT ;T1中斷，發(fā)超聲波用 DJNZR4,RETIOUT CLRTR1 ;超聲波發(fā)送完畢，關T1 CLRET1 MOVR4,#04H SETBEX0 ;開啟接收回波中斷RETIOUT: RETIPINT0: CLRTR0 ;外中斷0，

41、收到回波時進入，關計數(shù)器 CLRTR1 CLRET1 CLREA CLREX0 MOV44H,TL0 ;將計數(shù)值移入處理單元 MOV45H,TH0 SETB00H ;接收成功標志 RETI*延時程序*DL1MS: MOVR6,#14HDL: MOVR7,#19HDL1: DJNZR7,DL1 DJNZR6,DL RET *距離計算程序（距離=計數(shù)值171000Cm *MATH: PUSHACC PUSHPSW PUSHB MOVPSW,#18H MOVR3,45H MOVR2,44H MOVR1,#00D MOVR0,#17D LCALLMUL2BY2 MOVR3,#03H MOVR2,#0E

42、8H LCALLDIV4BY2 LCALLDIV4BY2 MOV40H,R4 MOVA,40H JNZJ0 MOV40H,#0AH;最高位為0，不點亮J0: MOVA,R0 MOVR4,A MOVA,R1 MOVR5,A MOVR3,#00D MOVR2,#100D LCALLDIV4BY2 MOV41H,R4 MOVA,41H JNZJ1 MOVA,40H ;次高位為0，先看最高位是否為不亮 SUBBA, #0AH JNZJ1 MOV41H,#0AH;；最高位不亮，次高位也不亮J1: MOVA, R0 MOVR4, A MOVA, R1 MOVR5, A MOVR3, #00D MOVR2,

43、 #10D LCALLDIV4BY2 MOV42H, R4 MOVA, 42H JNZJ2 MOVA,41H;；次次高位為0，先看次高位是否為不亮 SUBBA, #0AH JNZJ2 MOV42H,#0AH;；次高位不亮，次次高位也不亮J2: MOV43H, R0 POPB POPPSW POPACC RET*2字節(jié)無符號數(shù)乘法程序*MUL2BY2: CLRA MOVR7, A MOVR6, A MOVR5, A MOVR4, A MOV46H, #10HMULLOOP1: CLRC MOVA, R4 RLCA MOVR4, A MOVA, R5 RLCA MOVR5, A MOVA, R6

44、RLCA MOVR6, A MOVA, R7 RLCA MOVR7, A MOVA, R0 RLCA MOVR0, A MOVA, R1 RLCA MOVR1, A JNCMULLOOP2 MOVA, R4 ADDA, R2 MOVR4, A MOVA, R5 ADDCA, R3 MOVR5, A MOVA, R6 ADDCA, #00H MOVR6, A MOVA, R7 ADDCA, #00H MOVR7, AMULLOOP2: DJNZ46H, MULLOOP1 RET*4字節(jié)2字節(jié)無符號數(shù)除發(fā)程序*DIV4BY2: MOV46H, #20H MOVR0, #00H MOVR1, #00

45、HDIVLOOP1: MOVA, R4 RLCA MOVR4, A MOVA, R5 RLCA MOVR5, A MOVA, R6 RLCA MOV R6, A MOVA, R7 RLCA MOVR7, A MOVA, R0 RLCA MOVR0, A MOVA, R1 RLCA MOVR1, A CLRC MOVA, R0 SUBBA, R2 MOVB, A MOVA, R1 SUBBA, R3 JCDIVLOOP2 MOVR0, B MOVR1, ADIVLOOP2: CPLC DJNZ46H, DIVLOOP1 MOVA, R4 RLCA MOVR4, A MOVA, R5 RLCA M

46、OVR5, A MOVA, R6 RLCA MOVR6, A MOVA, R7 RLCA MOVR7, A RET END;；程序結(jié)束。它將8位多功能CPU處理器和閃爍存儲器組合在單個芯片中,AT89C51是一種高效微控制器，其外形及引腳排列如圖5-1所示。圖5-1 AT89C51控制器AT89C51有兩種可用軟件來選擇的省電方式：空閑工作方式和掉電工作方式。當處于空閑方式時CPU處于睡眠狀態(tài)，但片內(nèi)的其他部件仍然繼續(xù)工作，而且片內(nèi)RAM的內(nèi)容和所有專用寄存器的內(nèi)容在空閑方式期間都被保留起來。當處于掉電方式時保存了RAM的內(nèi)容，振蕩器停止震蕩，禁止芯片其它功能直到下一次硬件復位才能使用。5.1

47、.2 單片機實現(xiàn)測距的原理如圖5-3所示為超聲波傳播圖，利用聲波發(fā)出到接收的時間來測量兩者間的距離。圖5-3 超聲波傳播圖因為在中無介質(zhì)，我們可認為超聲波空氣中的聲速為常數(shù)，測量出聲波傳播時間T ，利用公式5-1即可算出與障礙物之間的距離。 (5-1)其中，S 為汽車與障礙物距離、V 為超聲波在空氣中傳播聲速、T 為超聲波從發(fā)射到接收到反射聲波所用的時間。5.1.3 系統(tǒng)的特點基于超聲波技術的汽車防撞測距儀的設計，由于使用單片機作為控制元件控制整個系統(tǒng)電路，致使系統(tǒng)操作方便、可靠性高、結(jié)構簡單并且能夠自動控制該系統(tǒng)的的運行，能夠自己檢測障礙物。對于當今社會汽車擁擠的這一現(xiàn)狀，此項研究對于防止交

48、通事故的發(fā)生具有預防作用?？傮w說來，本次設計能夠?qū)崿F(xiàn)測距的功能，報警距離可以人工智能控制，能夠產(chǎn)生方向性好，抗干擾能力強，穿透能力強的聲波信號，能夠在事故發(fā)生前提示報警。52 超聲波測距系統(tǒng)元器件清單在本次設計中使用的元器件主要有單片機AT89C51，CX20106A,超聲波探頭，蜂鳴器，數(shù)碼顯示管等，所用元器件詳細清單如表5-1所示。表5-1 元器件清單元件名稱規(guī)格單位個數(shù)電阻1K只4電阻10K只1電阻2K只5電阻200K只2電阻4.7R只1磁片電容30P只2磁片電容330P只1磁片電容1.0P只2磁片電容4.7P只1二極管LED只2電解電容4.7uf只3蜂鳴器蜂鳴器只1超聲波探頭40T只2

49、三極管9012只5電源插座電源插座只1數(shù)碼管數(shù)碼管只4集成電路74HC04塊1晶振12M只1集成電路CX20106A塊1單片機AT89C51塊1開關RST只1結(jié)束語汽車防撞測距儀的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計時器計算出從發(fā)射到接收到遇到障礙物后反射聲波的時間，再通過公式計算出汽車與障礙物之間的距離。它的硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路及顯示報警電路三部分。單片機采用的是AT89C51系列，超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和發(fā)射換能器構成，用單片機P1.0端口輸出超聲波發(fā)射器所需要的40kHz的方波信號。超聲波的接收采用CX20106A集成電路模塊

50、進行。超聲波測距預警系統(tǒng)軟件設計主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序和數(shù)碼顯示報警子程序。在本次設計中，與已有的汽車防撞測距儀相比，系統(tǒng)的抗干擾能力有了很大的提高。本設計采用溫度傳感器DS18B20對汽車防撞測距儀進行溫度補償，消除了溫度對于超聲波聲速的影響。由于溫度對超聲波聲速的影響很大，這一改進大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。雖然在本次畢業(yè)設計中已經(jīng)通過認真的思考，但是還有很多不足的地方。在本設計中沒有把汽車速度的測量設計到汽車防撞測距儀中去，對于這一方面還沒有充分的研究。對于測速的初步想法就是利用多普勒效應測出汽車的行駛速度，然后根據(jù)測出的速度確定汽車與障礙物之間的極限

51、安全距離再由單片機智能控制發(fā)出報警信號。在設計過程中，由于知識學得不透徹，導致壓力很大，每一次在圖書館中學習，每一次在網(wǎng)上收集最新研究動態(tài)，都極大地擴展了自己的知識面。感謝我的指導老師王老師、何老師在這次畢業(yè)設計中對我的悉心指導。這次課程設計沒有您們對我專業(yè)知識上的指導，我不會這么順利的完成課程設計。借此機會，向您們表示由衷的感謝。感謝我的同組同學們，為我創(chuàng)造一個和諧融洽，相互促進的學習環(huán)境，使得我們能夠順利地完成課程設計，祝他們在以后的工作和生活中一切順利。最后我要深深地感謝我的家人，無論我身處順境還是逆境，你們都給予我無限的理解和支持，你們是我的堅強后盾，正是你們的支持，才使我有足夠的勇氣戰(zhàn)勝成長路上的一切困難。參 考 文 獻