基于AT89C52单片机的倒车雷达.doc
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1、目 录1 超声波测距的工作原理21.1 超声波传感器21.2 超声波测距原理及实现31.3 超声波测距系统参数选择32 系统硬件设计42.1 AT89C52芯片介绍42.2 发射与接收电路设计52.3 显示电路设计62.4 报警电路设计72.5 复位电路72.6 时钟电路83 系统软件实现83.1 主程序83.2 脉冲的产生及发送93.3 DS18B20温度采集程序103.4 LCD显示程序103.5 数据转换及距离计算113.6 蜂鸣报警程序124 基于PROTEUS的软件仿真125 系统误差分析及改进145.1 温度对超声波声速的影响145.2 超声波反射角的影响145.3 系统的改进14
2、6 结论15结束语15致谢15参考文献16附录17 基于单片机的倒车系统设计摘要:随着社会的进步,人们生活水平的提高,倒车过程中的安全问题就显得越来越受人重视。设计利用超声波测距原理来实现安全倒车。在硬件方面采用以AT89C52芯片为核心,辅助以LCD显示电路、声音报警电路、时钟电路、复位电路和超声波收、发电路,并对各个电路核心部分的原理进行详细的阐述。在软件编程方面是以汇编语言为主,再结合C语言在计算上的简便性,达到便于后期修改的模块化形式,同时给出了各个模块的具体流程图。在设计的最后还给出了超声波测距系统的误差分析及改进的方案。关键词:倒车; 超声波; AT89C52芯片; 测距Desig
3、n of Reverse System Based on SCMYangguang Zhang(Electronic & Information Engineering Department, Supervisor: Xuejun Chen)Abstract: Along with social progress, improvement of peoples living standards, the process of reversing security becomes more attention by people. The design using ultrasonic rang
4、ing principle to achieve safety reverseing. In the hardware in the AT89C52 as the core chip, aided by LCD display circuit, sound-light alarm circuit, clocking circuit,reset circuit and ultrasonic accept, Launch circuit, and the principle of the core part of each circuit detailed in this paper. To as
5、sembly language primarily in software programming, combine the simplicity of the C language in the calculation, to facilitate change of the modular form late, at the same time gives each module of the specific flow chart. and in the design of the last it gives the ultrasonic ranging system error ana
6、lysis and the improved scheme.Keywords: reversing; ultrasonic; AT89C52 chip; ranging1 超声波测距的工作原理1.1 超声波传感器超声波传感器中的超声波,是以前在中学的物理课上学过的,当物体振动时会发出声响。微小的振动不会被人耳感知,而超过一定大小的振动则会引起人耳的共鸣。通常来说正常人能听到的声频段是在20Hz20KHz范围之内,于是这个声频段的声波就被人称之为可听声波,超出该频率范围的声音,人耳便听不到了,其中频率低于可听声波的是低频声波,频率高于可听声波的是超声波,简称为超声。超声波与人耳平常听到的声波在本
7、质上其实是一致的,它们都是由一种物质振动产生,以横波或纵波的方式通过一定的介质传播开来的,是一种能量的传播形式,它们的不同点在于频率的高低与波长的长短等,超声波具有频率高,波长短的特点。课题之所以选择超声波作为传感器来测距,更重要的是因为它在空气中指向性很强而且可传递强能量,在短时间内它的能耗又很低。超声波传感器可以将电能转变为所需的任意超生能,当然反过来也可以将超生能转变为电能以便通过设计电路来进行数据处理1。超声波传感器主要分为两个类别即电声型和流体动力型,因这两者产生的超声波频率、声波及功率各不相同,也就导致了它们将适用于不同的场合。这里将使用的压电传感器是电声型的一种。它的探头部分由晶
8、片、楔块、外拉接头等组成如图1所示,是实现声电转换的重要部分。图1 超声波发生器图超声波传感器的内部是由两块压电晶片与一个共振盘组成,它们由两根金属线引出外壳作为两电极,外部是由金属网包裹。其工作原理简单的说就是当两电极外加的信号频率和压电晶片的固有频率相同时,两块压电晶片就产生共振,通过带动共振盘的振动,就得到了测距所需的超声波。相反,若两电极没有通电压,而此时外来的超声波又刚好被共振盘接收时,超声波就驱动共振盘振动并带动外接有导线的压电晶片一起振动,从而就实现了把振动的机械能转变为电能的目的,再通过导线传出以便于后期相应的数据处理。1.2 超声波测距原理及实现超声波测距的实现2是根据其特有
9、的性能分为脉冲回波法、频差法和共振法。每种方法都各有自己的优缺点,所以都是一些很有用的测距方法。这里根据本课题的实际情况来考虑将使用脉冲回波法3,它利用的就是超声波的反射特性。超声波测距,其原理是向超声波的发射器输入脉冲串,通过超声波发生器产生机械波,同时单片机开始计时。超声波通过介质沿直线传播到障碍物的表面,在被测面发生反射与折射作用后,其中被反射的部分中有一小部分可以被超声波的接收器接收,经过声/电转换,就完成了把不可测量转化为可测量的过程。但得到的信号由于在反射到被接收过程中有较多的损耗,所以能够到达接收器的信号只剩毫伏级的正弦波信号了,固需要经放大、整形电路后传送到单片机。期间,从发射
10、端发射信号到接收端接收信号的时间即为往返时间t。根据物理上计算路程的公式利用到超声波测距的实际中可转换为其中,s就是所求的车尾与障碍物间的距离,c是超声波在常温下于空气中的传播速度。1.3 超声波测距系统参数选择如图2所示超声波测距系统主要由超声波传感器、超声波发射及接受电路、放大、整形电路、单片机控制电路、LCD显示、报警系统等组成。探头通道选择激励脉冲中断信号回波信号超声波发射与接收电路双四选一开关超声波放大与整形电路单片机控制电路声光报警电路LCD显示电路图2 超声波测距系统图超声波传感器性能的好坏很大程度上决定了超声波测距的准确性、灵敏性。而超声波传感器中则是以探头的选择为主,超声波传
11、感器的探头一般有收发一体式与收发分体式,鉴于要测的表面不一定都是光滑平整的,所以反射时有一定的角度,固可以选择电子市场上较常见的收发分体式,其一般频率选40KHz。探头的型号接收端用SZW-R40-10P传感器和发射端用SZW-S40-12M传感器,这两支传感器的特性参数如表1所示。表1 收发传感器特性参数表型号SZW-S40-12MSZW-R40-1OP结构开放式开放式使用方式发射接收中心频率401KHz401KHz声压115dBmin(0dB=0.02mPa)-70dBmin(0dB=1V/bar)指向性7580容量250025%pF110025%pF最低使用温度-40-40最高使用温度8
12、585最小探测距离0.2m0.2m最大探测距离4m4m分辨率9mm9mm最大输入电压20Vp-p连续信号20Vp-p连续信号为了能够引起探头中压电晶片的共振,发射电路频率宜选择传感器的固有频率40KHz,这样才有可能使其工作于谐振频率从而达到最优的特性。超声波电信号放大、整形部分可用集成电路CX20106,选AT89C52作为单片机核心芯片。2 系统硬件设计 超声波测距系统硬件部分包括单片机控制电路,超声波收、发电路,信号整形、放大电路,LCD显示电路,蜂鸣报警电路,复位电路以及时钟电路等的设计。以上每种电路的设计都有多种方案,下面介绍的电路设计方案都是各个部分电路中比较常见的。2.1 AT8
13、9C52芯片介绍AT89C52单片机4是应用于超声波测距系统中常用的芯片之一。它是一种带8K字节闪存的高性能、低电压微处理器。包括以下几个部件:(1)兼容MCS51指令系统;(2)一个8位CPU;(3)一个片内振荡器及时钟电路;(4)8k Flash ROM;(5)128*8位内部RAM; (6)32条双向I/O口;(7)3个16位定时器/计数器中断;(8)8个中断源;(9)2个读写中断口线,3级加密位;(10)一个可编程串行通道。AT89C52单片机芯片的引脚介绍如图3所示。图3 AT89C52芯片图AT89C52单片机的输入输出端口在编程上是根据应用电路的具体要求和功能对其进行编程的,其具
14、体步骤有以下四点。(1)先根据实际电路的要求来选择输入输出端口;(2)初始化端口应尽量避免端口作为输出时的起初阶段会出现不确定状态,影响电路正常的工作;(3)用作输入的I/O管脚,如需上拉电阻就再通过输入上拉使能寄存器作为其内部配置的上拉电阻;(4)最后对输入输出端口进行输出与输入编程。2.2 发射与接收电路设计 发射电路是由脉冲发射电路与脉冲产生电路组成的。其中脉冲产生电路的目的是得到40KHz的脉冲电压,它是由多个74HC04反相器和电阻构成的,由单片机P2口控制。其中U1A反相器是让输入到传感器两端的电压置反以便得到足够的压差来驱动传感器发射超声波,电路图如图4所示。图4 超声波发射电路
15、图 超声波接收电路主要是用于检测回波,并在接收到超声波的同时向单片机发出中断来停止计时。超声波测距系统的一个主要因素传播时间是由接收电路设计的好坏决定的。如图5所示的接收电路主要由CX20106芯片执行命令其中包括检波、滤波放大和整形等功能。其中检波电路是用于接收反射回来的回波,接着由滤波放大电路对信号进行放大,而整形部分则是把接收到的信号整理成C52单片机能够识别的信号并向单片机提出中断计时的指示。在这里滤波电路的作用尤其重要,因为超声波在传播、反射与折射后能够被探头接收到的信号已经十分微弱而且还可能夹杂着一些噪声。鉴于此接收电路可以设计两个以上的滤波放大模块对信号进行多级放大。 图5 超声
16、波接收电路图2.3 显示电路设计显示部分采用LM016L液晶显示。它是利用液晶材料的光电效应,即对其施加电场,其分子排列就会发生变化,进而对液晶整体的光学折射特点产生影响,通过造成人们视觉的变化来达到显示所需数字的目的。它有着比较多的特点如微功耗、使用寿命长、屏幕大且清晰、低压等。电路图如图6所示,LM016L液晶显示共16个管脚,在编程时只用到其中主要的几个管脚,分别是:使能信号E;读写选择端R/W;数据命令端RS。接着就是对这三个管脚进行初始化、写命令等。这里当R/W中加高平电压时是进行读操作,而加低平电压时是进行写操作。RS作为寄存器的选择端,加高平电压是当做数据寄存器,加低平电压就是当
17、做指令寄存器5,该液晶显示的操作时序如表2所示。图6 显示电路图表2 操作时序表RSR/W操作说明00写入指令码D0D701读取输出的D0D7状态字10写入数据D0D711从D0D7读取数据注:开始时初始化时E为0,然后置E为1,再进行清零。读取状态字的时侯,D7位中,当D7=1时,是禁止读写操作;D7=0,是允许读写操作。2.4 报警电路设计系统的报警电路如图7所示其中由NPN管、电阻和蜂鸣器组成。声音报警指的是当超声波探测到的障碍物距离小于所设定的安全值时装置就会发出声音提醒驾驶员。声音报警器使用BUZZER,它自带着一种报警音,可以给驾驶员直接的提示。图7 声报警电路图2.5 复位电路复
18、位操作顾名思义就是指恢复到起始的状态,在这里是用来让单片机片初始化的,使单片机能够从出产前的状态运行。单片机复位电路通常采用上电自动复位、按键电平复位及系统复位。考虑到设计结构较简单,干扰又不是很大,固用上电自动复位4,电路图如图8所示。图8 上电复位电路图至于该测距系统为什么需要一个复位电路,是因为在单片机应用系统工作时,可能会由于一些程序上的运行出错或操作上的错误导致系统死循环跳不出来,从而使装置不能再正常工作。这时就需要复位来重新启动。固系统的复位电路是十分重要的要保证其精确、可靠的工作。要想使系统能可靠的复位,只要RST端保持高电平就可以让单片机处于循环复位中。2.6 时钟电路 每块核
19、心单片机都必须带有一个时钟电路,它是用来给单片机内部提供正常工作的一个时间基准。如图9所示的时钟电路是由两个起稳定振荡频率、快速起振作用的电容器与一个12MHz的晶体振荡器组成的。这里选用的是以内部振荡方式得到时钟信号的电路。图9 时钟电路图3 系统软件实现针对上述介绍的系统硬件基本框架,接下来辅助以软件方面的实现。系统软件实现的目标主要是增进系统功能的实现以及在数据处理方面的应用,这里在倒车系统中装配了四路测距通道,分别把传感器安装在车尾的左、左中、右中、右四个方位,这样能够比较精确的测得车尾与障碍物的实际距离。软件实现上对这四路测距通道采用分时工作的方式,就是以从左到右的顺序循环发射与接收
20、超声波进行测距。整个软件系统在编程方面采用汇编语言及C语言,这里利用了汇编语言具有较高的效率及易精细计算时间的优点与C语言在计算方面的简便。在上述两种语言作为编程的基础上系统软件采用模块化设计,这种设计方式比较有利于后续的改动,也有利于读者的理解。其主要包含有主程序、温度采集程序及显示报警程序。主程序要完成的是系统初始化的工作,中断程序包括定时中断服务子程序与外部中断服务子程序,前者的任务是合理、有序的分配四路测距系统超声波的收发,而后者是完成对超声波传播时间的读取及计算,最后将所得结果输出。显示报警电路是用来产生能给驾驶员直观提示的电路。3.1 主程序主程序流程图如图10所示所要的任务是要对
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