倒车提示和测速.docx
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倒车提示和测速
本科
[汽车倒车提示及测速]
学生姓名:
学生学号:
院(系):
年级专业:
电气工程
指导教师:
二〇一一年五月
摘要
随着科学技术的快速发展,超声波将在传感器中的应用越来越广。
但就目前技术水平来说,人们可以具体利用的传感技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
本文介绍一种基于AT89C51单片机的超声波测距系统,该系统根据超声波在空气中传播的反射原理,以超声波传感器为接口部件,应用单片机技术利用超声波在空气中的时间差来测量距离,从而设计了一套超声波检测系统。
该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块及距离计算模块等五个模块构成。
该仪器是由+5V和+12V两种稳压电源提供驱动,利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理,以超声波探头为接口部件,应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间(超声波的速度为声速)并处理成相应的距离,然后再通过四位七段数码管显示实测的距离的数字仪表。
该超声波测距仪具有集成度高、反应速度快、测量精度高、性能价格比高等特点。
全文前半部分主要对系统的设计思路和不同方案之间的比较进行论述,后半部分详细介绍了系统硬件设计、软件设计及各模块的实现。
实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合,如汽车倒车等方面。
关键词:
测距仪;超声波;传感器;单片机
目录
摘要…………………………………………………………………………………………………1
第一章绪论………………………………………………………………………………………1
1.1课题背景…………………………………………………………………………………1
1.1.1超声波及其应用…………………………………………………………………1
1.1.2倒车雷达发展过程………………………………………………………………2
1.2课题意义…………………………………………………………………………………1
1.1.1超声波及其应用………………………………………………………………1
1.1.2倒车雷达发展过程……………………………………………………………2
第二章方案设计与论证………………………………………………………………………4
2.1 原理框图…………………………………………………………………………………4
2.2 方案比较……………………………………………………………………………4
2.2.1发射接收模块………………………………………………………………………4
2.2.3显示模块……………………………………………………………………………5
2.2.4直流电机控制及转速检测模块……………………………………………………5
2.2.5电源模块…………………………………………………………………………6
2.3 方案实施………………………………………………………………………………6
第三章系统硬件设计…………………………………………………………………………77
3.1系统构成及工作原理……………………………………………………………………7
3.2主控制器………………………………………………………………………………8
3.2.1AT89C51单片机的特点……………………………………………………………8
3.2.2时钟振荡器…………………………………………………………………………9
3.2.3复位电路…………………………………………………………………………9
3.3超声波发射电路…………………………………………………………………………10
3.3.1555振荡器………………………………………………………………………10
3.3.2共射极放大电路………………………………………………………………11
3.4电机及转速检测系统……………………………………………………………………11
3.5 超声波接收电路……………………………………………………………………12
3.5.1红外遥控接收器…………………………………………………………………13
3.5.2工作过程…………………………………………………………………………13
3.6 显示电路…………………………………………………………………………………13
3.6.1七段字符显示器…………………………………………………………………14
3.6.274LS244单向驱动器或数据缓冲器…………………………………………14
3.7报警电路…………………………………………………………………………………14
3.8 电源系统…………………………………………………………………………………15
第四章系统程序设计…………………………………………………………………………16
4.1 超声波测距仪的软件规划………………………………………………………………16
4.2 主模块的程序设计…………………………………………………………………16
4.2.1 初始化子程序……………………………………………………………………17
4.3 超声波发射模块的设计……………………………………………………………17
4.3 超声波接收模块的设计……………………………………………………………17
4.5 距离计算模块的设计………………………………………………………………17
4.6 显示模块的设计……………………………………………………………………18
4.7微动按钮功能………………………………………………………………………19
第五章结论……………………………………………………………………………………19
参考文献…………………………………………………………………………………………20
附录A……………………………………………………………………………………………21
附录B……………………………………………………………………………………………24
致谢……………………………………………………………………………………………33
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1超声波及其应用
超声波广泛的应用在多种技术中,人耳最高只能感觉到大约20000Hz的声波,频率更高的声波就是超声波了。
超声波有两个特点,一个是能量大,一个是沿直线传播。
它的应用就是按照这两个特点展开的。
理论研究表明,在振幅相同的情况下,一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比。
超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大。
在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气的湿度。
这就是超声波加湿器的原理。
对于咽喉炎、气管炎等疾病,药力很难达到患病的部位。
利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够增进疗效。
利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎。
金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事。
如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波,清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢,能够很快清洗干净。
俗话说“隔墙有耳”,这说明声波能够绕过障碍物。
但是,波长越短,这种绕射现象越不明显,因此,超声波基本上是沿直线传播的,可以定向发射。
本文主要是利用超声波的特点,来研究超声波在测距方面的应用。
1.1.2倒车雷达发展过程
倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”,也叫“泊车辅助装置”,是汽车泊车或者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。
能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和起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。
经过五年的发展,倒车雷达系统已经过了六代的技术改良,不管从结构外观上,还是从性能价格上,这六代产品都各有特点,使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。
第一代倒车喇叭提醒
第二代轰鸣器提示
第三代数码波段显示
第四代液晶荧屏显示
第五代魔幻镜倒车雷达
第六代无线倒车雷达
1.2课题意义
1.2.1倒车雷达的研究背景及意义
随着汽车普及率的逐年增加,消费者在将汽车作为交通运输工具的同时,对于汽车的安全性有了更高的要求。
在驾驶员最为常见的驾驶行为中,倒车引发的交通事故不在少数,由此引发的重大事故也时有发生,给交通安全埋下了重大隐患。
为解决这一安全问题,倒车雷达应运而生,越来越多的商家也进入了这个市场。
倒车雷达的全称是“倒车防撞雷达”,也称“泊车辅助装置”,是汽车泊车安全辅助装置,能以声音或者更为直观的视频显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高了安全性。
倒车雷达的主要作用是在倒车时,驾驶员无须回头便可知道车后有无障碍物,使停车和倒车更容易、更安全。
目前,在国内只有部分高档车配有倒车雷达,更多的车型在这方面还是空缺。
本课题就是针对市场上中低档车型设计的一种低成本、高灵活性、高可靠性、易于控制、性能优良的倒车雷达。
。
因此开发一款基于单片机的倒车雷达和测速系统具有重要的的现实意义。
这个项目在未来会有很大的市场。
1.2.2倒车雷达国内外研究现状
随着汽车持有量的不断增加,城市交通系统的负荷日益加重,导致汽车倒车引起的交通事故也越来越多,这些事故常常给驾驶员带来很大的经济损失。
因此,研究高性能的汽车倒车提示与测速是非常必要的。
超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:
一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
目前,世界上汽车发达国家对汽车倒车提示和测速研究已经取得了一些成就,形成了一套汽车汽车倒车提示和测速体系。
这主要表现在:
具有较为完善的汽车倒车提示和测速标准和规范;具有有效的对汽车进行倒车提示和测速检测、管理和认证的机构;具有高精度的汽车倒车提示和测速测试系统;研制出了大型的汽车汽车倒车提示和测速预测、分析和设计软件。
第三方测试认证机构、汽车研究机构等也都开展了汽车倒车提示和测速方面的研究,并相继建立了自己的汽车倒车提示和测速实验室。
第2章方案设计与论证
本课题要设计制作的是一个汽车倒车测距仪。
距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以测距就成为数据采集中要解决的一个问题。
尽管测距的方式有多种,比如,激光测距,微波测距,红外线测距和超声波测距等。
但是,超声波测距不失为一种简单可行的方法。
虽然超声波测距电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。
但是有的电路复杂,技术难度大,有的调试困难,有的元件不易购买。
本文研究对象是测距仪与被测物之间的距离,要求测量范围在0.35~5.00m,测量精度为5cm,并且测量时测距仪不能与被测物体直接接触,以及用十进制数码管显示结果等要求。
该系统使测量精度提高,电路实现容易。
2.1 原理框图
图2-1原理框图
2.2 方案比较
2.2.1发射模块
方案一:
利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生40kHz的超声波信号,并直接驱动换能器产生超声波。
这种方法的特点是无需驱动电路,但缺乏灵活性。
方案二:
利用软件产生超声波信号,通过输出引脚输入至驱动器,经驱动器驱动后推动探头产生超声波。
利用软件产生超声波信号,通过输出引脚输入至驱动器,经驱动器驱动后推动探头产生超声波。
这种方法的特点是充分利用软件,灵活性好,但需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。
2.2.2接收模块
超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。
超声波接收探头必须采用与发射探头对应的型号(主要是频率要求一致,否则会因无法产生共振而影响接收效果,甚至无法接收)。
由于经接收探头变换后的正弦波电信号非常弱,因此必须经放大电路放大。
正弦信号不能直接被处理器接收,因此最后必须进行波形变换。
常用的波形变换的方法有三种:
方案一:
采用集成锁相环NE567对放大后的信号进行频率监视和控制。
一旦探头接到回波,若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率(此频率主要由RC值决定),则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”(此时锁相环已进入锁定状态),这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。
这种方法的特点是电路简单,但锁相环接收的频带较窄,不易锁相。
方案二:
采用红外线检波接收的专用集成芯片CX20106A,它常用于电视机红外遥控接收器,由于红外遥控常用的38kHz载波与测距用的40kHz超声波接近,当它没有接收到信号时输出为高电平,当它接收相近频率的信号时输出为低电平。
因此它可以用来作为超声波检测接收电路。
这种方法的特点是不仅灵敏度很高,抗干扰能力很强,而且还不需要放大电路,可使系统电路更为简洁。
方案三:
采用集成运放芯片(LM324)作为比较器对放大后的信号进行波形变换。
当输入信号的电压大于基准电压时,输出为“1”;当输入信号的电压小于基准电压时,输出为“0”;这样就取到对输入信号进行变换的目的。
这种方法的特点是电路简单(主要是与放大电路共用一块芯片),但选择比较电压非常关键。
2.2.3显示模块
方案一:
采用LED数码管显示。
其优点在于它能在低电压,小电流的条件下发光,能与CMOS,TTL电路兼容;发光响应时间短(<0.1秒),高频特性好,单色性好,亮度高,体积小,抗冲击性能强等。
以上优势使得LED广泛运用于数字仪器、数控装置、计算机等显示部件中。
方案二:
采用LCD液晶显示。
LCD的工作电流比LED小几个数量级,故功耗很低;尺寸小,厚度约为LED的1/3;字迹清晰,美观,使用方便,编程简单,信息量大,但价格较贵。
2.2.4直流电机控制及转速检测模块
直流电机驱动电路用直接用分立元件,转速检测电路用光电开关电路。
2.2.5电源模块
方案一:
采用电池(1.5V×2)这样供电很简单,而且组成系统时,占用的空间小;但供电的功率低,运行单片机系统的时候,因为其要求的电流较大,可能会造成单片机程序跑飞,复位等异常现象,严重时会造成系统死机。
方案二:
采用主要由三端稳压片7812和7805构成的电源。
这种电源与前者相比较为复杂,但是其带载能力明显强于前者,在单片机系统中得到了广泛的应用。
2.3 方案实施
按照设计要求并根据以上分析,经综合考虑,测距仪的设计方案确定为以ATMEL公司生产的89C51作为系统的核心。
具体描述如下:
(1)超声波频率及探头的选用超声波在空气中,频率越高,功率越大,精度越高,但在空气中衰减越快;相反,频率越低,功率越小,空气中衰减越慢,但误差大。
综合考虑75kHz、40kHz、25kHz,取40kHz可以较好地解决这个矛盾。
为了便于超声波的发送和接收,本文采用共振频率为40kHz的超声波探头,其发射探头选用TCT40-10F1,其对应的接收探头选用TCT40-10S1。
为了降低调试的复杂性、高系统安装的灵活性,超声波发射与接收采用分离设计,即单独采用发射器和接收器而不是发射接收一体化器件。
(2)超声波的产生本系统采用方案二,使用软件编程的方法产生40kHz的超声波信号。
(3)波形变换本系统采用方案二,这种方法比其它方案电路简单,实现很方便。
(4)显示器的选用在本设计中,因为要显示的数据不是很多,所以采用LED显示。
(5)直流电机选用分立元件。
(6)转速检测电路用光电开关电路。
(7)电源的选用为提高测量范围,在发射部分要求的功率较大,而在接收部分对其要求一般,所以本系统用的是由7812电源支持发射发射部分正常工作,7805电源支持接收部分正常工作。
第3章系统硬件设计
在非接触测量领域中,随着传感器技术水平的不断提高,利用超声波传感器测量距离的技术也日趋成熟,基于单片机的超声波测距仪以其强抗干扰能力、高精度、低功耗、体积小等优点在汽车倒车、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。
3.1 系统构成及工作原理
本测距仪主要由发送器、接收器、主控制器、显示电路、直流电机、报警电路及电源部分六大部分构成。
本文设计的超声波测距仪是一款非接触的测量仪器。
它的工作原理是:
采用555时基振荡电路产生40kHz的超声波信号,超声波传感器的工作状态由三极管工作情况决定。
当单片机给三极管一个高电平使其导通后,由555产生的超声波就可以通过发射探头可将其发射出去;此后经过一段时间,超声波遇到障碍物将发生反射,反射后将被接收探头接收,由于探头接收的信号很微弱,所以信号还要经过放大电路进行放大(采用专用集成检波接收电路则不需要放大电路),最后再通过波形变换电路将信号转换成单片机能接收的信号。
单片机接收信号后关闭计时器、禁止555工作、处理有关信息,最后通过显示电路显示测量到的距离。
显示一段时间后将进入下一次的测量。
在整个测量过程中由于电源电路提供能量才使得各模块电路在单片机的控制下成功有序地完成一次距离测量。
可见电源电路也是该系统不可缺少的一部分。
本测距仪的原理方框图如图3-1所示。
为了更好了解各功能模块的工作原理,下面就将它们结合下面的硬件设计作详细解说。
图3-1超声波测距仪的原理方框图
3.2 主控制器
主控制器主要由单片机AT89C51、振荡器和复位电路三部分组成。
设计原理图如3-2所示,由于它是单片机工作的必要组成部分,所以又称为单片机最小系统。
它是测距仪的控制中枢,也是整个系统的核心部分。
它之所以这样重要是因为它在测距仪中发挥了四个作用:
(1)控制超声波的发射;
(2)负责处理接收电路发出的信号;
(3)时间转化成距离的数据处理;
(4)协调端口实现动态显示。
由上可知,它的正常工作是保证测距仪成功测距的先决条件,单片机最小系统的设计虽简单单很关键。
下面就其作一些简单的介绍。
3.2.1AT89C51单片机的特点
AT89C51是一个4K字节可编程EPROM的高性能微控制器。
它与工业标准MCS-51的指令系统兼容,因而是一中功能强大的微控制器,它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。
AT89C51是低电压、低功耗、高性能的8位单片机,除了与MCS-51指令系统兼容以外,还有许多优点:
期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,内部含Flash存储器,可反复擦写1000次以上,有效地降低了开发成本;有更宽的工作电压范围;软件设置的电源省电模式能停止CPU的工作进入睡眠状态,睡眠期间,定时器/计数器、串行口等均停止工作,RAM中的数据被“冻结”,直到下次被中断激活或硬件复位方可工作。
现将AT89C51的主要特点归纳如下:
(1)兼容MCS-51指令系统;
(2)4KBFlashROM;
(3)32条双向I/O口线;
(4)两个16位可编程定时器/计数器;
(5)可编程UARL通道;
(6)低功耗空闲和掉电模式;
(7)128×8bit内部RAM;
(8)可直接驱动LED显示器;
(9)两个外部中断源;
(10)全静态操作0~24MHz;
(11)软件设置睡眠和唤醒功能。
3.2.2时钟振荡器
时钟电路分为内部时钟方式和外部时钟方式两种。
在多机系统中,单片机只作为一个功能模块使用时,为了节省硬件和同意系统的时钟信号,常采用外时钟源。
内部时钟方式只需提供振荡源,片内的高增益反相放大器通过X1作为反馈元件的片外晶体振荡器(呈感性)与电容组成的并联谐振回路工程一个自激振荡器,向内部时钟电路提供振荡时钟,振荡器的频率取决于晶振的振荡频率,振荡频率可在1.2~12MHz之间任选,工程应用时通常采用6MHz或12MHz。
单片机外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器(AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益的反相放大器)的反馈回路中构成并联振荡电路。
为便于CPU处理数据,让计时器每计一次数就是1us,振荡器采用了12MHz的石英晶体。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性,这里电容使用30pF±10pF。
3.2.3复位电路
本复位电路采用手动复位,在Vcc和RST端接一容量为22uF左右的电解电容,其两端并接一个轻触按钮(为限制按钮按下时电容瞬间释放的电流,避免产生火花,在按钮一侧串联一个电阻),利用RST内部复位下拉电阻便构成复位电路。
其电路如图3-2所示。
图3-2单片机最小系统电路图
手动的好处在于能避免死机时关机复位。
其复位过程为:
接通电源瞬间,电容上的电压很小,RST端上的电压接近电源电压,在电容充电过程中,RST端电位逐渐下降,当RST端电位小于某一数值后,CPU脱离复位状态;当按钮按下时,电容通过R1放电,当电容放完电后,RST端的电位由R1、R2分压比决定。
由于R2»R1,因此SRT为高电平,CPU进入复位状态,松手后,电容C3开始充电,RST端电位下降,CPU脱离复位状态。
3.3 超声波发射电路
超声波发射电路主要由555振荡器和一个共发射极放大电路构成。
其原理图如图3-3所示。
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路,利用它能极方便地构成施密特触发器,单稳态触发器和多谐振荡器。
在这里我们利用其构成了个多谐振荡器产生40kHz的波形。
图3-4是国产的双极型定时器CB555的电路结构图。
它由比较器A1和A2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管T三部分组成。
图3-3发射电路原理图
3.3.1555振荡器
图3-4555的内部结构图
其工作过程:
接通电源,设三极管T截止,电源通过R10和R9给电容C2充电,当上升到2/3VCC时反向比较器A1翻转输出低电平,RS触发器复位,555输出端V0为“0”,则三极管T导通,C2经R10和T放电,当电压降到1/3VCC时正相比较器翻转输出低电平,RS触发器置位,输出V0变为“1”,此时T又截止,C又开始充电,如此周而复始,输出端就可以获得周期性的矩形脉冲波。
其工作过程可用表3-1简洁表示经分析表明:
电容C的放电时间t1和充电时间t2可分别表示为:
(3-1)
(3-2)
由式(3-1)、(3-2)可得输出脉冲得频率为:
(3-3)
为达到频率为40kHz的超声波,经计算,C取4700p,R9取510,R10取4k,为了调节信号频率,R10可改为5k的可调电阻。
为保证555时基具有足够的驱动能力,此处采用+12V电源。
表3-1555功能表
输入
输出
RD
vI1
vI2
V0
TD
0
X
X
低
导通
1
>2/3VCC
>1/3VCC
低
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