一种用于雨雪夜间汽车行车安全测距电路的设计.docx
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一种用于雨雪夜间汽车行车安全测距电路的设计
国家职业资格全省(或市)统一鉴定
家用电子产品维修工论文
论文题目:
(国家职业资格
级)
一种用于雨雪夜间汽车行车安全测距电路的设计
姓名:
身份证号:
准考证号:
所在省市:
所在单位:
学院
一种用于雨雪夜间汽车行车安全测距电路的设计
学院
摘要:
随着汽车工业的发展,城市汽车数量迅速增加。
尤其是近几年来,我国开始进入私家车时代,汽车的数量更是逐年增加,造成公路、高速、街道、停车场等越来越拥挤,安全问题愈来愈值得人们的关注。
本设计用于在雨雪,夜间时的高速,提高驾驶员,汽车的安全系数。
在本设计中,最重要的部分是硬件电路和软件设计,所以本设计对两个部分做了全面的介绍。
其中硬件电路包括LED电路、发射电路、接收电路、报警电路、键盘电路和滤波整流电路。
软件部分是基于AT89C51单片机为基础,使用单片机的中断和计时功能,超声波发射电路的控制,同时利用单片机内部的计数器对超声波传播过程中所用时间的计算,计算出距离,并通过LED数码管显示实际距离。
关键词:
超声波测距LEDAT89C51。
1、前言
1.1论文研究的背景
21世纪人类已进入信息化时代,汽车及交通也已迈入信息时代。
如今信息技术在汽车及交通领域中的应用也颇多,发展速度可以说是“日新月异”,人们也在不断学习,适应。
可大致归纳为四个方面,即车辆安全系统,网络、通讯及导航系统,智能交通系统和移动多媒体系统。
随着汽车的日益普及,特别在国家制定假日时,高速越来越拥挤,车辆常常需要在高速超车、等待安检。
由于在高速拥挤时车辆非常接近,对驾驶员的反应速度有很大的要求,碰撞和拖挂的事故时有发生,在夜间雨天则更显突出。
车辆安全系统通过应用电子信息技术,使车辆实现高智能化,极大地改善车辆与车辆系统的安全性,以避免事故的发生和减少伤害程度。
1.2论文研究的目的和意义
本论文把硬件电路和软件相结合起来,完成汽车与汽车安全测距系统的设计,能够了解单片机技术,而且通过对电路系统的设计,学习掌握了各个部件功能,完善设计思路以及思想,并通过对汽车超声波测距报警器的软件设计的过程,锻炼应用汇编语言软件设计电路程序的能力。
为以后参与实际工作奠定良好的设计基础。
随着社会进步,经济发展,人民生活水平的不断提高,拥有汽车的家庭逐渐增多,高速交通问题也随之出现:
高速雨雪天气夜间交通视线模糊,高速交通拥挤,超车困难等。
许多汽车驾驶员更希望能有一种汽车测距报警器,在高速雨天夜间时不断测量汽车前方与尾部的距离,并随时显示其距离,在一定的距离范围内发出报警信号,以提高汽车的安全性。
汽车超声波报警器设计就是为了确保驾驶员和汽车的安全,使驾驶员在高速雨天夜间时能明确与前方车辆的距离,确保安全。
它具有LED显示功能,能够客观显示车前物体与车尾之间的距离。
它可望成为新手驾驶员,以及测距不良车辆如大货车、集装箱车等车辆驾驶员的好帮手,主要用于高速雨雪,夜间辅助,减少追尾事故的发生。
2、硬件电路设计
硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、超声波蜂鸣报警电路、超声波系统键盘电路和超声波滤整流电路组成。
2.1单片机系统及显示电路
单片机采用89C51或其兼容系列。
系统采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定的时钟频率,并减小测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz方波信号,利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用4位共阳极LED数码管,断码采用74LS244驱动,位码采用PNP型三极管9012驱动。
单片机系统及显示电路如图2.1所示。
图2-1单片机及显示系统电路图
2.2超声波的发射电路设计
设计原理:
发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器T构成,AT89C51单片机P1.0端口输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向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两端,可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联,用以提高驱动能力。
上拉电阻R8、R9一方面可以提高反向器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,缩短其自由振荡的时间。
在实验制作和电路改进中,为了增加测量效果,可以考虑提高接收的灵敏度,但是灵敏度也并不是越高就越好。
接收灵敏度过高,容易引起自激,结果反而不好,其实可以从增加发射功率方面着手,只要在发射头两端加个线圈。
线圈可以用0.01mm的铜丝在小磁环绕成大致初级10匝,次级40匝左右。
图2-2超声波发射电路
2.3超声波检测接收电路的设计
本超声波测距仪的接收电路采用集成块CX20106A,其总放大增益为80db以保证7脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5-5V以内。
超声接收换能器UCM-40R接收到的信号经C9电容耦合至输入端1脚,总增益大小由2脚接收器R、C决定。
R越小,C越大增益越高,C9选值过大,将造成频率响应变差,为了考虑总增益和频率特性R14取4.7
,C17取3.3μF,3脚C为检波电容,选3.3μF,当其容量减小时,瞬态响应,灵敏度会有所提高,但检波输出脉冲宽度变动也较大。
带通滤波特性,可由5脚R15电阻决定其值在210K-220K间调整,本设计R15定为200K。
用金属膜电阻调试,若其阻值偏差过大,中心频率也将相对偏移。
所以当信号经过带通滤波器时,增益将大大降低,6脚C6电容为比较积分电容,7脚R16为输出负载电阻,104pF电容C11为电源滤波元件,当电容容量减小或失效时,将造成滤波不良,可能干扰接收输入端。
超声波接收电路如图2-3所示。
图2-3超声波接收电路
2.4超声波蜂鸣报警电路的设计
蜂鸣报警电路是采用扬声器对所设置的报警距离实施报警,以向驾驶员提出警示。
本系统可以设定距离值,当大于或小于设定值时将发出控制信号。
当小于设定值时,进入蜂鸣报警状态,通过一个NPN晶体管来驱动蜂鸣器,不需要复杂的滤波和放大电路,具有自动平滑功能,蜂鸣器鸣响。
超声波蜂鸣报警电路如图2-4所示。
图2-4超声波蜂鸣报警电路
2.5超声波系统键盘电路的设计
键盘电路是用来对最大测距、最小测距以及有关参数进行设置。
键盘输入:
开启值30-1000厘米,关闭值30-1000厘米(在该范围内任意设置)。
本系统由一个按键
启动/停止系统,由三个按键设定距离值:
的作用是进入和退出设定,
和
:
分别是向上加值和向下减值,每按一次加或减一厘米,由数码管输出显示。
超声波系统键盘电路如图2-5所示。
图2-5超声波系统键盘电路
2.6超声波滤波整流电路的设计
超声波滤波整流电路如图2-6所示。
该电路是用来把反射信号转换为标准电平信号,通过整形把检波后得到的不标准的脉冲波整形为标准脉冲波。
信号整形电路:
当接收到的信号从信号筛选电路中出来之后是一个很不规则的方波信号,希望最好得到一个脉冲信号,经过此部分电路处理过后再送进单片机中进行处理运算。
因为多谐振荡器中有高频分量噪声,所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉。
本信号筛选电路在整个电路中可以说起到非常重要的作用,通过对它的适当调整,可以有效地滤除由于外界干扰带来的非超声波信号进入超声波接收系统,从而大大提高了本电路的抗干扰性。
图2-6超声波滤波整流电路
3、软件程序的设计
超声波测距器的软件设计主要由主程序、LED显示子程序、超声波外部中断子程序、测量距离子程序及定时中断的子程序组成。
汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的时间,而超声波测距器的程序既有较复杂的计算(计算距离时),又要求精确计算程序运行时间(超声波测距时),下面对超声波测距器的算法,主程序,超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。
3.1超声波测距器的算法设计
图3.1超声波测距原理图
图3.1示意了超声波测距的原理,既超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号,当这个超声波遇到被测物体后反射回来,就会被超声波接收器R接收到。
这样,只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器于反射物体的距离。
该距离的计算公式如下:
d=s/2(v×t)/2
其中:
d为被测物于测距器的距离;s为声波的来回路程;v为声速;t为声波来回所用的时间。
超声波也是一种声波,其声速v于温度有关。
表3.1列出了几种不同温度下的超声波声速。
在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速基本不变的。
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
表3.1
距离。
表3.1不同温度下超声波声速表
3.2总流程图
软件采用模块化设计,程序由主程序,预置子程序,发射子程序,接收子程序,显示子程序等模块组成,调试过程中对其中每个功能模块和子程序逐一调试,在每个子程序都完成其指定功能后,再进行综合调试。
根据微处器的I/O接口发出脉冲信号驱动超声波发射器发出信号,与此同时计数器开始计数,当遇障碍物反馈信号到超声波接收器接收,经放大,滤波后产生一个低脉冲,其信号传送给INTO产生中断,调用测距子程序,计算出测量距离,调用显示子程序,根据不同的测量数值在LED上显示距离和报警。
软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块,在主程序中采用键控循环的方式,当按下控制键后,在一定周期内,依次执行各个模块,调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序,并把测量的结果进行分析处理,根据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。
当测得距离小于预置距离时,声音报警程序被调用。
流程图如下所示:
3.3显示子程序
根据系统要求,显示部分要有4个LED指示灯。
从P0口输出段码,段码用74LS64驱动。
本电路的显示方式属于动态方式,在这种动态显示方式中,共享一个74LS64驱动器,实现动态显示的目的。
程序和流程图如下:
图3.3显示子程序
SHOWLED:
MOVR0,#4FH ;指向当前要显示的信息的地址
MOVR2,#10H
LEDLOOP:
MOVA,@R0
ACALLCHANGE
MOVR4,A ;要显示的数字保存到R4
MOVA,#4FH
CJNEA,#48H,SHOWNUM
SHOWINFORMATION ;显示信息时,不合成小数点
AJMPNOTDOP
SHOWNUM:
CJNER2,#20H,NOTDOP
MOVA,R4
ANLA,#7FH
MOVR4,A
NOTDOP:
MOVA,R4
MOVLEDCHOICEPORT,R2
MOVLEDDATAPORT,A
MOVA,R2
RL A
MOVR2,A
INCR0
ACALLDELAY
CJNER2,#01H,LEDLOOP
MOVLEDCHOICEPORT,#00H ;关闭所有的LED
RET
ENDSHOWLED
DELAY:
;延时子程序
MOVR6,#38H
DELAYLOOP:
MOVP3,#0FFH
MOVA,P3
CJNEA,#0FFH,DELAYRET
DJNZR6,DELAYLOOP
DELAYRET:
;是否接收下个回波
RET
ENDDELAY
3.4外部中断子程序
MEASURELEN:
;参数R0:
#0FFH,测量错
JNBCANCEL,CANMEASURELEN
CLRCANCEL
RET
CANMEASURELEN:
MOV1EH,#00H ;清标志位
CALLSETTIME
LOOP1:
CJNER0,#0FFH,NOTFLOW;溢出处理,使LED显示ERRO
CALLSHOWERRO
RET
NOTFLOW:
CJNER0,#0FH,LOOP1 ;还未接受到INT1的有效终号
SJMPL;反馈信号正常
MOVA,TL1
MOVB,HALFSPEED
MULAB
MOVR7,A
MOVR6,B
MOVA,TH1
MOVB,HALFSPEED
MULAB
ADDA,R6
MOVR6,A
MOVA,B
ADDCA,#00H
MOVR5,A
MOVR4,#00H
MOV1EH,#02H
CALLCUTFIGURE
MOVP3,#0FFH
RET
ENDMEASURELEN
图3.4外部中断流程
3.5测量距离子程序
测量距离有效时:
返回一个浮点形的四位数字。
测量距离溢出时:
返回出错信息ERRO。
R3存放要显示的信息的地址,并保存当前的结果。
MEASURELEN:
;参数R0:
#0FFH,测量出错
JNBCANCEL,CANMEASURELEN
CLRCANCEL
RET
CANMEASURELEN:
MOV1EH,#00H ;清标志位
CALLSETTIME
LOOP1:
CJNER0,#0FFH,NOTFLOW;溢出处理,使LED显ERRO
CALLSHOWERRO
RET
NOTFLOW:
CJNER0,#0FH,LOOP1 ;还未接受到INT1的有效终号
SJMPL;反馈信号正常
MOVA,TL1
MOVB,HALFSPEED
MULAB
MOVR7,A
MOVR6,B
MOVA,TH1
MOVB,HALFSPEED
MULAB
ADDA,R6
MOVR6,A
MOVA,B
ADDCA,#00H
MOVR5,A
MOVR4,#00H
MOV1EH,#02H
CALLCUTFIGURE
MOVP3,#0FFH
RET
ENDMEASURELEN
图3.5距离测量流程图
3.6定时中断子程序
定时中断子程序由P1.0口发射1个脉冲,驱动超声波传感器发射超声波,并关外部中断,计数器T0、T1同时开始计时;为防止虚假回波的干扰,在延时一段时间后,开中断,此时判断计数器T1有否溢出中断,单片机根据不同的时间,以查表的方式设置自动增益控制电路的增益;当有外部中断信号时,单片机就停止T0的计时,计算出渡越时间t并存储到E2PROM中。
图3.6定时中断流程图
SETTIME:
;设置T0,T1子程序,并启用
MOVTMOD,#12H ;T0模式2,T1模式1
MOVTH0,#0F4H
MOVTL0,#0FFH
MOVTH1,#00H
MOVTL1,#00H
MOVR0,#00H ;测量时间标志位清零,Ready状态
MOVR1,#1FH ;设置发送脉冲的个数
MOVIE,#8EH ;开CPU中断,#10000010B;
MOVTCON,#54H;启用T0,T1
RET
ENDSETTIME
IT0P:
CJNER1,#00H,TWAVE;T0中断服务程序,脉冲电平变反
RETI
TWAVE:
DECR1
CPLWAVEPORT
RETI
ENDIT0P
IT1P:
;T1中断服务程序,测量距离溢出
MOV A,#1EH
CJNEA,#03H,NOTFORMSECOND MOV1EH,#03H ;标志参数
INC1FH
MOVTH1,#0D8H
MOVTL1,#0F8H
RETI
NOTFORMSECOND:
CLREA ;关闭CPU中断请求
MOVTCON,#00H ;关闭T0,T1
MOVR0,#0FFH ;设置测量时间标志字符为溢出状态
RETI
ENDIT1P
4、总结
超声波安全测距系统在高速雨雪天气,夜间将得到了广泛的应用。
在本次设计中,我们广泛借鉴了各种设计的优点,充分考虑了整个设计中的各个环节。
在接收电路中,对所接收方波进行滤波、放大、整形等步骤。
但由于条件和技术所限,对于本设计所分析的在发射和接收过程中所产生的误差没有得到有效的校正。
在我们为期一个学期的设计中,我们用到了以前学到的很多知识,比如电工、单片机、和汇编语言等。
这使我们意识到,任何一件产品的产生,都不是单一知识所能实现的。
而且在电路的设计和程序的编制过程中,出现了很多意想不到的错误,让我们措手不及,有些甚至是一些非常低级的错误,但是这些错误也同样让我们获益非浅,它使我们意识到,研究是一个非常严肃的过程,来不得半点马虎。
必须有一个严谨的态度,加上100%的努力才有可能获得成功的喜悦.
参考文献
(1)楼然苗、李光飞《基于单片机课程设计指导书中》
(2)李双科,吴记群《基于AT89C52单片机控制的汽车倒车雷达系统设计与实现》兰州石化职业技术学院学报.
(3)冯德虎《基于超声波的高精度测距系统的研究》陕学报.
(4)肖志红,汉泽西《一种基于单片机的超声测距系统的设计》现在电子技术.
(5)戴曰章,吴志勇《基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计》计量与测试技术.
(6)肖质红《超声波测距仪在汽车安全系统中的应用》浙江成里学院报.
(7)胡萍《超声波测距仪的研制》计算机与现代.
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