传感器及应用系统课程设计说明书范本.doc

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1、郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书题目 脉搏参数采集系统设计 专业、班级 电子信息工程091 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、 主要内容：（1）整体电路设计（画出电路组成框图）；（2）信号采样电路设计；（3）信号放大电路设计，电路参数选取、数据计算；（4）信号滤波电路设计，电路参数选取、数据计算；二、 基本本要求：（1）选用合适的压电传感器组成测量电路（2）电路组成：压电式传感器、运算放大电路、滤波电路、显示电路；（3）假设在实验装置上进行模拟实验，测量出脉搏次数与输出信号之间的关系；（4）写出5000字左右的工作原理说明，附系统图一张。三、 主要参考资料：完 成

2、 期 限：2012年 6月11 日2012年 6月15日指导教师签章： 专业负责人签章： 2012年 6 月 8 日汽车倒车防撞警报系统设计电子信息工程 级 班 指导老师： 摘要：本文在查阅、分析了现有的几种不同的测距原理分析确定了超声波测距，并对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨和研究。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，最终确定汽车倒车防撞警报系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的倒车雷达预警系统的测距实现原理，分析了以AT89S52单片机为主控单元的系统硬件和软件设计，并对该系统进行误差分析，使我们对于

3、系统的各种性能有了进一步认识。试验结果显示，该系统对有限距离的距离测量具有较高的精度，实现倒车提示和距离报警功能，其主要技术指标达到了系统设计要求。关键词：倒车雷达 ；超声波 ；测距 目录1 绪论12 系统硬件电路设计43 软件编程103.1控制电路.123.3接收收电路123.4语音报警电路133.5显示电路144结论. .15参考文献161 概述改革开放以来，人们的生活越来越好，在满足基本的生活需求之后，对生活的质量有更高的要求。在国家要想富先修路的号召下，公路的建设发展迅速，这也带动汽车的发展。交通事故的发生越来越高，这就要求汽车安装汽车倒车防撞报警系统。汽车防撞的关键技术是车辆测距技术

4、和实时监控技术。驾驶员凭借测距装置实时测量前后左右障碍物距离，通过警报系统或数码屏幕显示来了解汽车与障碍物之间的状态，从而避免因疏忽误判引起的碰撞事故。本系统采用以以8051系列的AT89S52单片机系统为核心开发超声波测距系统。系统硬件原理图如图1-1：发射驱动超声波接收信号处理单片机LED显示温度传感器信号处理图1-1系统框图报警电路系统硬件原理图1-1由超声波发射，回波信号接收，计时测量、数据处理和智能算法、显示和报警等构成。整个系统由微处理器控制，根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射电路发射超声波，超声波在空气中传播至障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收换能器接收

5、并转换成电信号，再经滤波、放大、整形后，输入到微处理器的外部中断口INTO处产生中断，计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘得出距离，并在显示系统上显示。它的各部分电路的说明如下。(1) AT89S52 单片机系统是超声波测距仪的核心部分，主要任务有：控制一个 40KHz的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器能最大效率工作；实现串Ca通讯；TO计时，完成测距数据的计算和处理软件除干扰。(2) 超声波发射电路作用是将振荡电路振荡出40KHZ的脉冲信号，

6、信号幅值是18V(可调节)，脉冲信号将驱动超声波发射传感器，发射超声波。(3) 超声波接收电路主要包括微弱信号放大、电压比较中断信号输出、温度测量电路等部分。它是用来对接收到的回波进行放大和整形，即将回波信号转换成单片机的中断信号。通过分析声速受温度的影响，设计温度测量电路，温度测量电路是实时测量出测量时空气中的温度，再将实时温度换成实时的速度，以保证测量距离的精度。(4) 通过显示电路将测距结果实时地显示出来。2 汽车倒车防撞警报系统硬件电路设计系统由三大部分组成：（1）超声波发射接收电路；（2）单片机AT89S52租车系统控制电路；（3）距离显示电路和声光报警电路；控制单元由单片机AT89

7、S52和周围器件构成。AT89S52是一个8k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种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。在这个系统里，它的作用是形成用于超声波的发射控制、形成必要的时序、控制LCD字符的显示、控制继电器通断以及对采集到的数据进行运算。2.1 控制电路AT89S52单片机最小系统由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个汽车倒车防撞系统的核心。图2-1 单片机引脚图AT89S52单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89S52单片机对很多嵌入式

8、控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用使形成用于产生超声波的40KHZ信号、形成必要的时序、控制LCD字符的显示。AT89S52单片机各个引脚分布如图2-1所示，P1.4为控制超声波发射；P3.2接收超声波回波信号，TO引脚为信号输出供超声波传感器产生40KHZ共振频率的信号，使超声波产生共振；P18和P19为单片机自身的11.0592MHZ晶振；P9是复位信号：P17引脚输出报警信号；P3.2接温度传感器TEMP，测量温度，实时计算出距离；P00-P07引脚对应液晶显示屏的DBO-DB7，控制液晶屏的写入字符；TXD引脚控制写入下载程序；RD接蜂鸣器的WARN，当距离达到限定值就启

9、动蜂鸣器，开始鸣叫报警，以提醒驾驶员注意倒车情况。2.2 超声波的发射电路图 2-2 超声波发射电路超声波的发射电路是发射40kHz振荡信号。40kHz振荡信号由555集成块和周围电路产生,然后送至放大电路驱动压电传感器发出一系列的脉冲群，每一个脉冲群持续时间大约为0.15ms 左右。信号经过三级管放大,再经过阻抗匹配电路即变压器(变压器输入输出比为1 10 ) 后，驱动超声波发射头1,发射换能器两端就加上了高电压,内部的压电晶片开始震动，经过压电换能器将发出40kHZ 的脉冲超声波。发射电路如图2-2：2.3 超声波的接收和处理电路 当超声波遇到障碍物时就会产生反射波，反射波返回到超声波传感

10、器上，尽管发射部分的脉冲电压比较高,但是由回波引起的接收压电晶片产生的射频电压幅度近距离有1V，但是由回波引起下，声的接收压电晶片产生的射频电压幅度近距离有几毫伏，远距离还不到几毫伏，由于在远的情况的回值的距离较小，波很弱，因而转换为电信号的幅度小，为此要求将信号放大，而且此时的信号要求将信号放大6000倍左右。信号经过放大整形电路产生一个负脉冲信号使单片机产生中断。在接收端第一级，要求其放大倍数为62倍左右，故选用了B运算放大电路。在B运算放大电路中，我们只选用了一个三极管即可满足要求。经过一级发达后 ，为了去掉信号中的杂波，加了电容和一个电阻进行一次滤波。紧接着是二级放大运算放大电路A。为

11、了满足接受超声波的接收和处理电路要求的放大倍数，在运算放大电路A中将放入两个三极管才能满足电路要求。放大后的信号到LM567后再传入单片机。单片机在接受到传入的信号后，计时停止，这就完成了超声波的接收和处理。图2-3超声波的接受与处理电路2.4 语音报警电路得到距离 图 2-4 语音电路 语音报警作为测量仪器的输出是一种很直观，易懂的形式，人机界面友好。考虑到驾驶员在倒车时一般无暇顾及车上的仪表，注意力在车的后方，故设计采用了语音报警。当车距离障碍物的距离小于一定范围使芯片将其当语音警报系统发出滴滴的叫声提醒司机注意安全。这时，司机将及时注意显示器上的距离数字，从而使司机避免了车遇障碍物相撞。

12、图2-5 显示电路2.5 显示电路显示模块使用静态显示，这样可以提高单片机工作效率，同时提高显示亮度，在室外使用时方便使用者读取数据。所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。例如7段显示器的a、b、c、d、e、f段导通，g、d、p段截止，则显示0。这种显示方法的都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存器74LS573作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，单片机才执行一次显示子程序，这样大大节省了单片机CPU的时间，提高了单片机的

13、工作效率；缺点是位数多时，硬件开销太大。因此静态显示适合显示亮度要求高、位数不多的情况下使用。本设计中的显示电路如图2-5。其中七位段码由单片机P0口经过锁存器提供。片选信号由单片机的74HC138提供。2.6 温度传感器DS18B20 DS18B20 是美国DALLA S 半导体公司继DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912 位的数字值读数方式。可以分别在和内完成9 位和12 位的数字量,并且DS18B20 读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口) 读写, 温度变换功率来

14、源于数据总线, 总线本身也可以向所挂接的DS18B20 供电, 而无需额外电源。因而使用DS18B20 可使系统结构更趋简单, 可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820 有了很大的改进, 给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。3 汽车倒车防撞系统软件设计3.1软件总体流程设计软件设计采用c语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。3.2系统软件实现原理按照本系统的测距需要，需要得到超声波的传输时间T和超声波的传输速度V进行TV运算以得到车子与障碍物的距离。超声波的传输时

15、间T:采用单片机的P1.1或P1.2控制振荡电路，振荡产生40kHz的脉冲串，再经过驱动超声波换能器发射超声波，同时采用计时器计时，当超声波接收器接收到回波信号时停止计时，由此得出超声波的传输时间T0。超声波的传输速度V:根据测温系统得到当时的车外问题温度t，经过温度与超声波速度的计算公式计算得到超声波的传输速度V。测温模块有STC89S52RC与温度传感器DS18B20构成，在STC89S52RC计算得到超声波传输速度V后，会通过串口将该值输入到单片机AT89S52中以计算车子与障碍物的距离S。3.3 系统程序构建超声波测距系统软件部分采用模块化设计思想，将系统分为主程序、初始化处理模块、中

16、断检测模块、延时处理模块、数据处理模块、测温模块和显示模块，其软件系统的主程序实现流程如图4-1调用初始化模块子程序，TO，X5045,串口进行初始化处理开始调用延时处理模块子程序，清发射位，延时2s，开始发射Pl.2 延时250us保证一个4KHz脉冲调用系统测距模块子程序调用系统测温模块子程序，计算超声波的实时速度值V调用中断检侧模块子程序TO开始计时开中断，等待INTO中断，读TO计时值调用数据处理模块子程序，计算测距距离调用显示块子程序将距离示模块显示结束图3-1主程序实现流程4 总结与展望倒车防撞警报系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾的障碍物体而设计开发的。警报倒车防撞警报系统

17、在单片机技术与超声波测距技术的巧妙结合下，可以有效显示障碍物与汽车的距离，并根据其距离远近实时发出报警，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，提高驾驶的安全性，同时为汽车自动驾驶的研究应用奠定基础。本文设计应用中，主要进行了以下几方面的工作: (1) 本文在前半部分详细系统比较了击中测距方法的优缺点及为何选用超声波测距，这使我们更加了解本设计的设计目的及要求。 (2) 在了解测距技术实现原理和超声波传感器工作原理的基础上研究和分析了系统设计方案，并对测距系统中遇到的不同的场景进行了分析；(3) 完成倒车雷达预警系统的硬件选型和电路设计；(4) 完成倒车雷达预警系统的软件流程图设

18、计；(5) 对倒车雷达预警系统进行了测距试验和误差分析，并针对相关误差给出了解释；本文通过对倒车雷达预警系统的设计过程及计算得出如下结论:超声波测距系统对有限距离的距离测量具有较高的精度，实现汽车倒车提示和距离报警功能，其主要技术指标达到了系统设计要求；本文关于汽车倒车防撞警报系统的设计，虽然可以满足广大普通客户的需求，也做了一些尝试性的探索工作，但是还存在很多不完善的地方，仍有许多方面有待进一步深入研究:(1) 本文系统介绍了几种测距方法，其中有比超声波更好的方法如激光测距，但这种测距方法比较复杂，将来可以简化系统这样有可能替代超声波测距。(2) 需要对超声波传感器和系统电路设计的可靠性进行

19、进一步的研究；(3) 本文对于倒车应用场景只讨论了一种常见情形，还有许多特殊情况未在本文的研究之内，仍有待进一步研究；(4) 本文在系统的精度方面研究非常局限，并没有做到非常精确，这就要求以后在这方面还有更近一步研究。(5) 就本课题而言，本文只对倒车进行了辅助决策，并末实现真正意义上的自动倒车控制，今后还应在控制的实现上进一步深入的探讨，这类研究将对汽车主动防撞乃至自动驾驶产生深远的影响，是一个值得深入的方向。参考资料1 董子和，李永辉.超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用.汽车电器.1997(1): 33-382 柳长立，杨国清，向忠祥.日本未来汽车的安全预警系统.汽车电器，199

20、9.12 (1):23-243 董子和，李永辉.超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用.汽车电器.1997(t): 33-384 史建军，张玺，王会升.高精度短程激光实时测距系统J1.激光与光电子学进展，20015 樊昌元，丁义元 高精度测距雷达研究J.电子测量与仪器学报，2000, 14 (2): 52-566 许天增， 许克平等.超声传输特性和超声传感系统研究.厦门大学学报.2001(2):34-357 何柞铺，赵玉芳 声学理论基础.北京:国防工业出版社，1981.8 胡建凯，张谦琳 超声波检测原理和方法LJ.中国科技大学出版社，19939 C .St iller, J.H ippo, Multi-sensoro bstacled etectiona ndt racking.I magea ndV ision 2000: 389-39610 翁黎朗，超声波换能器驱动和接收电路的研究3.集美大学学报.白然科学版，1998, 3 (4): 60-6411 吴妍，袁佑新.可视倒车雷达预警系统设计.微计算机信息，2007, 2: 268-270