超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明

超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要基于超聲波測(cè)距的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是在充分理解了超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上提出的。工作時(shí)，超聲波傳感器發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收裝置接收并送至單片機(jī)處理，可實(shí)現(xiàn)倒車時(shí)障礙物距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警提示駕駛員。本設(shè)計(jì)是以AT89C51單片機(jī)為主控制器的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)射和接收部分、單片機(jī)處理部分、LCD顯示部分和語(yǔ)音報(bào)警部分等硬件系統(tǒng)以及軟件程序設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞倒車?yán)走_(dá)/單片機(jī)控制/超聲波測(cè)距DesignofUltrasonicReversingRadarSystemAbstractBasedontheultrasonicdistancemeasurementprinciple,thistextputforwardadesignschemeofcarreversingradarsystembasedonultrasonicdistancemeasurement.Ultrasonicsensorsendsapulsesignalwhenitisworking,andtheultrasonicreceivingdecivesendthereflectedsignalbytheobstacletotheMCU,thissystemcouldachieveReal-timemonitoringoftheObstacledistancewhenreversingandpromptthedriverbyvoicealarm.TheoveralldesignofultrasonicreversingradarsystembasedontheAT89C51singlechipasmaincontrollerwasdetailedintroduced,includeUltrasonictransmittingandreceivingpart,MCUprocessingpart,displaybyLCD,VoiceAlarmpartanditsprogramminginthesoftware.KeywordsReversingradar，singlechipmicroprocessor，ultrasonicdistancemeasurement中文摘要英文摘要1引言倒車，是每位駕駛員都必須掌握的技能，如同前行一樣需要小心謹(jǐn)慎，每年都有倒車引起事故的報(bào)道，輕則對(duì)自己的車和他人的財(cái)物造成損傷，重則可能危及人的性命，尤其是對(duì)兒童危害較大，他們體型較小，僅從后視鏡來(lái)獲取視野指導(dǎo)倒車仍有可能會(huì)對(duì)讓們?cè)斐蓚Α，F(xiàn)如今后視鏡已越來(lái)越不能滿足人們安全倒車的需求了。據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，15％的汽車事故是由汽車倒車后視不良造成的。因此，人們對(duì)汽車倒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駕駛員們帶來(lái)的不便，消除安全隱患。由此，專為汽車倒車泊位設(shè)置的倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。倒車?yán)走_(dá)是汽車倒車停車時(shí)的安全輔助裝置，能夠以聲音或者直觀的顯示來(lái)告知駕駛員駕駛車輛周圍障礙物的情況，幫助駕駛員解決泊車倒車時(shí)前后左右探視所引起的困擾。超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)一般由超聲波傳感器、控制器和報(bào)警裝置等部分組成?，F(xiàn)如今市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)大多采用超聲波測(cè)距原理，駕駛員在倒車時(shí)，啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由超聲波探頭發(fā)送超聲波，在遇到障礙物后產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，通過(guò)聲音、數(shù)據(jù)、圖像等形式為駕駛員提供信息和警示來(lái)告知駕駛員周圍情況，從而使駕駛員倒車時(shí)做到心中有數(shù)，提高了駕駛的安全性。1.1設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為避免汽車在倒車過(guò)程中發(fā)生事故，本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89C51單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。介紹了超聲波測(cè)距的基本原理，闡述了倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路等幾部分組成。AT89C51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分電路的工作。單片機(jī)在超聲波信號(hào)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，在遇到障礙物后發(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)的外部中斷口發(fā)生中斷，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)。通過(guò)單片機(jī)可得到超聲波信號(hào)往返所需要的時(shí)間，再結(jié)合當(dāng)?shù)芈曀偌纯汕蟮密圀w與障礙物之間的距離。超聲波傳感器選用CSB40T(R)超聲波傳感器，諧振頻率為40KHz；超聲波發(fā)射電路包括超聲波發(fā)射器、驅(qū)動(dòng)電路等組成；超聲波接收電路包括集成電路CX20106A及外圍電路組成。2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案及理論基礎(chǔ)2.1總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景是基于AT89C51的超聲信號(hào)檢測(cè)的。因此初步計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小范圍的測(cè)試。超聲波發(fā)射儀發(fā)出短暫的40KHz信號(hào)，反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，單片機(jī)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行技術(shù)判斷處理后，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送到LED顯示電路顯示。系統(tǒng)硬件部分主要由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射和接收電路、超聲波接收電路、LCD顯示電路等幾部分組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2.2超聲波測(cè)距理論分析2.2.1超聲波測(cè)距原理超聲波是指頻率高于20KHZ的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣稱之為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器兩種，但是一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)的原理將超聲波和電能相互轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波，而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的生源與障礙物之間的距離，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量，因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為332.45m/s。單片機(jī)使用12MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論可以達(dá)到毫米級(jí)。如下圖超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一段超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到障礙物（被測(cè)物體）后返回被接收器R接受。測(cè)距的原理如圖2。圖2測(cè)距的原理這樣只要檢測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到超聲波之間的時(shí)間，就可以計(jì)算出超聲發(fā)射器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式為：其中：d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離s為聲速的來(lái)回路程c為聲速t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表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(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?。?超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃）-30-20-100102030100聲速（m／s）3133193253233383443493862.3超聲波傳感器2.3.1超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)要利用超聲波進(jìn)行測(cè)距，首先要研究超聲波傳感器的工作原理。超聲波傳感器是利用超聲波作為信息傳遞媒介的傳感器，它是一種將其它形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其它形式的能的器件?？傮w上講，超聲波傳感器可以分為兩大類：一類是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是使用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。壓電式傳感器屬于電聲型超聲波傳感器，一般采用雙壓電陶瓷芯片制成，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介質(zhì)中。它是利用壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的，在壓電陶瓷芯片上加有一定頻率的電壓脈沖，芯片就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，便會(huì)產(chǎn)生超聲波。反之，如在壓電陶瓷芯片上有超聲波作用，將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形使壓電陶瓷芯片產(chǎn)生頻率與超聲波相同的電信號(hào)[2]。圖2超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖2為超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。2.3.2超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，它在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。2.2.3超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)超聲波傳感器按收發(fā)方式一般可分為兩類：一類是發(fā)送和接收是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測(cè)距有效范圍比較大，但不具備防塵防水功能；另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如TR40-16，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測(cè)距范圍比較小，防塵、防水性能好。根據(jù)本設(shè)計(jì)所處的環(huán)境要求，本系統(tǒng)選用的超聲波傳感器為分體式超聲波傳感器CSB40T(R)，該型號(hào)探頭各項(xiàng)參數(shù)為：頻率為40KHz，阻抗500，靈敏度為103dB(min)，帶寬在-3dB時(shí)為1.5K，角度最大值為(-6dB)，靜電容200010%PF，最大驅(qū)動(dòng)電壓150Vp-p(10%工作周期)，回波靈敏度為-70dB(min)，聲壓電平0dB=1uvolt/bar[3]。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容是具體分析系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)以性能較好的AT89C51單片機(jī)為核心，控制超聲波傳感器的收發(fā)，并測(cè)算距離，同時(shí)根據(jù)倒車距離段的不同進(jìn)行分段語(yǔ)音報(bào)警。硬件部分實(shí)現(xiàn)分四部分來(lái)闡述：第一是以AT89C51單片機(jī)為核心的主控系統(tǒng)電路；第二是超聲波發(fā)射和接收電路；第三是顯示電路。3.1單片機(jī)主控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1.1單片機(jī)選擇AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，它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。外形及引腳排列如圖3所示[4]。圖3AT89C51外形及引腳排列圖5l系列單片機(jī)提供以下功能：4kB存儲(chǔ)器；256BRAM；32條I/O線；2個(gè)16b定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：此時(shí)CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。3.1.2電源電路在一般家用中小型汽車內(nèi)部的電瓶為12V，單片機(jī)所需電壓為5V，語(yǔ)音芯片所需電壓為3.3V。所以本系統(tǒng)的電源電路主要由一個(gè)AC-DC的+12V電源適配器、兩個(gè)三端穩(wěn)壓塊（LM7805、LM1117-3.3）、一些濾波電容等組成，輸出+5V電壓[5]。電源電路如圖4所示。圖4系統(tǒng)電源電路圖3.1.3復(fù)位電路在單片機(jī)引用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠的工作。在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘震蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠的復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RET保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖5所示。圖5系統(tǒng)復(fù)位電路3.1.4時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器組成。X1是接外部晶體管的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳X2，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。時(shí)鐘電路如圖6所示。圖6系統(tǒng)時(shí)鐘電路3.2超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖所示。發(fā)射電路主要由反相器74ls04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)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(jí)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(hào)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。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R2、R3一方面可以提高反向器74hc04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。其原理圖如圖所示。圖7超聲波諧振頻率調(diào)理電路圖8超聲波發(fā)射電路原理圖壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)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(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)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(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。3.3超聲波檢測(cè)接收電路3.3.1集成電路CX20106A集成電路CX20106A是一款紅外接收的專用芯片，廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)證明，其具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾的能力。CX20106A芯片(國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品型號(hào)為D20106A)是日本索尼公司生產(chǎn)的用于檢測(cè)紅外線的專用芯片，常作為家用電器的紅外遙控接收器。常用的載波頻率38KHz與測(cè)距的40KHz較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。CX20106A芯片采用8腳單列直插式塑料超小型封裝，+5v供電，內(nèi)部含可前置放大、自動(dòng)偏置、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路。其主要功能是從38KHz紅外載波信號(hào)中，將編碼信號(hào)解調(diào)出來(lái)，并加以放大和整形，然后再送到微處理器(CPU)進(jìn)行處理[8]。CX20106A是CX20106的改進(jìn)型，二者之間的主要差別在于電參數(shù)略有不同，CX20106A多用于超聲波測(cè)試。CX20106A芯片簡(jiǎn)單易用，電路簡(jiǎn)單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。7引腳連接單片機(jī)的外部中斷，沒(méi)有接收到回波時(shí)，輸出為高電平，當(dāng)收到回波后立即變?yōu)榈碗娖?。CX20106A的引腳連接說(shuō)明如表1所示。表1CX20106A的引腳說(shuō)明引腳符號(hào)說(shuō)明引腳1-IN超聲波信號(hào)輸入端，接超聲波接收探頭，用來(lái)檢驗(yàn)超聲波回波信號(hào)。引腳2-C1引腳與地之間串聯(lián)一個(gè)由電阻和電容組成的RC網(wǎng)絡(luò)，改變電容或電阻中的一個(gè)，即可改變前置放大器的增益和頻率特性。本文RC參數(shù)為R1=4.7Ω，C1=1μF。引腳3－C2連接檢波電容，檢波方式為平均值檢波。本文超聲波測(cè)距對(duì)靈敏度要求相對(duì)較高，因此，電容參數(shù)取3.3μF。引腳4－GND接地端引腳5－F0與電源間接入一個(gè)電阻，以確定帶通濾波器中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。本文超聲波的頻率為40kHz，取R=210kΩ引腳6－C3與地之間接一個(gè)積分電容，一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF。引腳7－OUT信號(hào)輸出端，接一個(gè)22kΩ上拉電阻到電源端引腳8－Vcc電源端，接+5V電壓3.3.2超聲波接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖9超聲波檢測(cè)接收電路3.4數(shù)碼管顯示模塊本電路的顯示模塊主要由一個(gè)4位一體的8段LED數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到的電壓值。它是一個(gè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自連接在一起，用于接收單片機(jī)的P0口產(chǎn)生的顯示段碼。S1，S2，S3，S4引腳端為其位選端，用于接收單片機(jī)的P2口產(chǎn)生的位選碼。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描方式。掃描方式是用其接口電路把所有數(shù)碼管的8個(gè)比劃段a~g和dp同名端連在一起，而每一個(gè)數(shù)碼管的公共極COM各自獨(dú)立地受I/O線控制。單片機(jī)從字段輸出口送出字型碼時(shí)，所有數(shù)碼管接收到相同的字型碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管亮，則取決于COM端。COM端與單片機(jī)的I/O接口相連接，由單片機(jī)輸出位選碼到I/O接口，控制何時(shí)哪一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮數(shù)碼管的位掃描過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫。但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，給人的印象就是一組穩(wěn)定顯示的數(shù)碼。動(dòng)態(tài)方式的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的，即耗電省，在動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程中，任何時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管是處于工作狀態(tài)的。具體原理圖如圖5圖5數(shù)碼管顯示模塊4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)軟件的支持，本章主要介紹在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)將主程序分為若干個(gè)功能模塊，然后對(duì)各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最后將所有模塊組合起來(lái)成為整個(gè)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件部分。本章將對(duì)本系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。4.1軟件設(shè)計(jì)的要求本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是利用超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)一個(gè)車用的倒車?yán)走_(dá)。要求通過(guò)設(shè)計(jì)能夠測(cè)出車與障礙物的距離，并能在距離小于2m的時(shí)候開(kāi)始根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件對(duì)總體設(shè)計(jì)主要包括：（1）主程序，包括系統(tǒng)的初始化以及各子程序的調(diào)度管理等部分。（2）超聲波測(cè)距程序模塊，包括超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序以及距離計(jì)算子程序等部分。4.2主程序設(shè)計(jì)主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，然后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出超聲波脈沖，打開(kāi)外部中斷0接收返回的超聲波信號(hào)[13]。如果有回波接收到則利用聲速進(jìn)行距離計(jì)算，并送到顯示程序顯示。主流程框圖如圖12所示。圖12主程序流程圖圖13計(jì)算距離子程序4.3超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器軟件設(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及顯示子程序組成。超聲波主程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時(shí)器的初值和工作方式，使總中斷允許位EA=1，并給顯示端口清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延時(shí)0.1ms（這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可能測(cè)距的原因）后，才能打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHZ的晶振，機(jī)器周期為1us，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20攝氏度時(shí)的聲速344m/s，則有：，（其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）。C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，所以控制程序采用C語(yǔ)言編程。通過(guò)P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。4.3.2超聲波發(fā)送和接收程序超聲波發(fā)射子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時(shí)把定時(shí)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。主程序利用為中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序，并立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出是還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉。超聲波發(fā)射程序比較簡(jiǎn)單，主要包括T1中斷服務(wù)程序和超聲波接收中斷服務(wù)程序。其中部分源程序如下：voidtime1()interrupt3{P1_0=~P1_0;}voidint0()interrupt0{t=(TH0*256+TL0);//計(jì)算高電平持續(xù)的時(shí)間TR1=0;TH0=0;TL0=0;}5主程序5.1顯示程序voidscanLED()//顯示功能模塊{LED=buffer[0];LED3=0;delay(200);LED3=1;LED=buffer[1];LED2=0;delay(200);LED2=1;LED=buffer[2];LED1=0;delay(200);LED1=1;}5.2超聲波測(cè)距程序voidtimeToBuffer()//轉(zhuǎn)換段碼功能模塊{xm0=s/100;xm1=(s-100*xm0)/10;xm2=s-100*xm0-10*xm1;buffer[2]=convert[xm2];buffer[1]=convert[xm1];buffer[0]=convert[xm0];}voiddelay(i){while(--i);}voidtimer1int(void)interrupt3using2{TH1=0x9E;TL1=0x57;csbds++;if(csbds>=40){csbds=0;cl=1;}}voidcsbcj()//超聲波測(cè)距{if(cl==1){TR1=0;TH0=0x00;TL0=0x00;i=csbs;while(i--){csbout=!csbout;}TR0=1;i=mqs;//盲區(qū)while(i--){}i=0;while(csbint){i++;if(i>=4000)//上限值csbint=0;}TR0=0;TH1=0x9E;TL1=0x57;t=TH0;t=t*256+TL0;t=t-29;s=t*csbc/2;TR1=1;cl=0;csbint=1;if(s<=80)bj=0;if(s>80)bj=1;if(s<sj1){if(csbs>6){csbs=csbs-2;sj1=40;}sj1=sj1+2;}elseif(s>=sj3){if(csbs<32){csbs=csbs+2;sj1=sj1+10;}}}}實(shí)訓(xùn)主要元器件介紹1.電源接口a原理圖b實(shí)物圖2.供電方式（1）直流電源插頭（2）電池盒3.按鍵a解析圖b原理圖4.自鎖開(kāi)關(guān)5.排阻（上拉電阻）其實(shí)排阻就是由8個(gè)電阻組成的，其中一端全部接在一起，103為8個(gè)10K電阻，102為8個(gè)1K電阻，他們?cè)陔娐分衅鸬健吧侠钡淖饔?，又稱上拉電阻。上拉就是將不確定的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻嵌位在高電平,電阻同時(shí)起限流作用,下拉同理.上拉是對(duì)器件注入電流，下拉是輸出電流,弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒(méi)有什么嚴(yán)格區(qū)分,對(duì)于非集電極（或漏極）開(kāi)路輸出型電路（如普通門電路）提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開(kāi)路輸出型電路輸出電流通道。上拉，就是把電位拉高，比如拉到VCC下拉，就是把電壓拉低，拉到GND一般就是剛上電的時(shí)候，端口電壓不穩(wěn)定，為了讓他穩(wěn)定為高或低，就會(huì)用到上拉或下拉電阻。有些芯片內(nèi)部集成了上拉電阻（如單片機(jī)的P1、2、3口），所以外部就不用上拉電阻了。但是有一些開(kāi)漏的（如單片機(jī)的P0口），外部必須加上拉電阻。6.三極管7.四位一體共陽(yáng)數(shù)碼管8.cx20106是一款紅外線檢波接受的專用芯片,常用于電視機(jī)紅外遙控接收器使用CX20106A作為超聲波接收處理的典型電路。（當(dāng)CX20106A接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入）使用CX20106A集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。9.6反相器74ls0410.蜂鳴器，發(fā)光管蜂鳴器發(fā)光二極管6系統(tǒng)的仿真調(diào)試6.1系統(tǒng)仿真調(diào)試內(nèi)容對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試包括對(duì)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。首先，要在Proteus軟件中對(duì)電路進(jìn)行仿真調(diào)試，這需要同所編寫(xiě)程序下載聯(lián)機(jī)仿真。利用KeiluVision4對(duì)實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行編譯，軟件調(diào)試開(kāi)發(fā)環(huán)境如圖17所示。編譯調(diào)試成功后可將程序下載到Proteus中硬件電路中的單片機(jī)調(diào)試運(yùn)行?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。圖17軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖18為Proteus部分仿真運(yùn)行圖，由仿真電路可以測(cè)得距離并顯示。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)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(cè)量要求。圖18Proteus仿真運(yùn)行圖6.2實(shí)驗(yàn)的誤差分析本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)距的過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在測(cè)量誤差。產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因如下[16]：（1）超聲波傳播速度的影響。準(zhǔn)確的得到超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，超聲波在空氣中傳播的速度會(huì)受到溫度、濕度、大氣壓力等因素的影響。對(duì)于測(cè)距而言，引起超聲波傳播速度變化的主要原因是溫度的變化。但在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定的環(huán)境條件是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，室溫20℃下的聲波平均速度344m/s，而這個(gè)聲速定會(huì)與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際超聲波傳播速度有偏差，這樣就會(huì)造成測(cè)量誤差。（2）超聲波回波時(shí)間測(cè)定的影響。為了防止其他信號(hào)的干擾，提高測(cè)量的可靠性，超聲波傳感器常常一次發(fā)射的是多個(gè)超聲波脈沖串。實(shí)際測(cè)量時(shí)，接收電路接收到的往往不是第一個(gè)回波的過(guò)零觸發(fā)。這樣，最終測(cè)得的時(shí)間則與實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間不同，從而造成了超聲波回波時(shí)間引起測(cè)量誤差。（3）測(cè)量盲區(qū)的影響。超聲波傳感器安裝在汽車尾部的保險(xiǎn)杠上，當(dāng)障礙物不在超聲波發(fā)射的幾何角度上，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)。在測(cè)量盲區(qū)內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)正常測(cè)距，測(cè)量誤差很大。此外，在程序指令運(yùn)行過(guò)程中需要占用一定的時(shí)間以及環(huán)境中的干擾因素等都會(huì)引起測(cè)量誤差。結(jié)束語(yǔ)本文所設(shè)計(jì)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是一種保證汽車安全的輔助泊車系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中通過(guò)AT89C51單片機(jī)的引腳發(fā)出40KHz的脈沖，經(jīng)超聲波探頭反射出超聲波，使用高速單片機(jī)計(jì)算測(cè)量車與障礙物之間的往返時(shí)間然后再通過(guò)公式計(jì)算出車與障礙物的距離。該超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足一般近距離測(cè)距要求，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且成本低、有良好的性價(jià)比，測(cè)量精度比較高等優(yōu)點(diǎn)。致謝歷時(shí)近兩個(gè)月的時(shí)間，我的的論文終于快要完成了。在這期間，遇到了種種困難與障礙，而這些困難最終在指導(dǎo)老師和同學(xué)們的幫助下都一一解決了。在這里，尤其要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝她對(duì)我無(wú)私的幫助與關(guān)懷，不厭其煩的幫我批改論文，幫我講解，使我收獲頗多。其次要感謝我的同學(xué)們，在完成論文的過(guò)程中，遇到了各種問(wèn)題，是你們第一時(shí)間來(lái)幫我解決這些問(wèn)題。最后，還要感謝論文中引用內(nèi)容的相關(guān)作者，本論文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有相關(guān)的學(xué)者在前面的悉心研究，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。由于本人的水平有限，所寫(xiě)論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和同學(xué)批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)[1]馮若.超聲手冊(cè)[M].南京:南京大學(xué)出版社,1999.1:20-34[2]林書(shū)玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[M].北京:北京科學(xué)出版社,2004.7:49-70[3]莫品光,劉艷紅.基于