基于超声波测距的倒车防撞系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于超声波测距的倒车防撞系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

传播功率与频率成正比，比较和分析几种常用的超声波频率 的特点，最终选取频率为。 超声波发射电路主要由反相器 74LS04和超声波发射器 T 构成， 74LS04 用于增强驱动能力，使输出方波更加标准。 单片机 端口输出的 的间断方波信号，此时定时器开始计时，该方波信号一路经一级反相器后送到超声波发射器的一个电极，另 一路经两级反相器后送到超声波发射器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波发射器的两级，可以提高超声波的发射强度。 输出端采用两个反相器并联，可以提高驱动能力。 上拉电阻 3R 、 4R 可以提高反相器输出高电平的驱动能力，还可以增加超声波发射器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 超声波发射电路原理图如图 5 所示。 超声波发射 超声波接收 单 片 机 控 制 器 4 位数码管显示 主控芯片STC89C52 发射调制电路 超声波发射探头 第 7 页 共 33 页 图 5 超声波发射电路 接收框图 和电路图 图 6 为系统接收框图。 超声波接收探头接收反射回来的声波信号，经放大后把信号引进一个带通滤波器，然后把信号再次放大后引入比较电路，最后进入单片机进行处理。 图 6 系统接收框图 超声波接收电路采用 CX20206A 集成电路，对超声波接收器收到的信号进行放大、滤波。 它是一款红外线检波接收的专用芯片，有较强的抗干扰性和灵敏度。 超声波接收器将收到的返回超声波转成微弱电信号，经 CX20206A 放大、整形后再输出。 通过外接电阻，将 CX20206A 内部带通滤波电路的中心频率 0f 设置为40KHz ，就可接收和放大超声波电信号，并整形和输出。 采用 CX20206A 实现超声波放大和整形，可避免采用多级集成运放组成高增益放大电路易产生自激等问题。 超声波接收电路原理图如图 7 所示。 超声波接收探头 放大 电路 滤波 电路 放大 电路 比较 电路 主控芯片 STC89C52 第 8 页 共 33 页 图 7 超声波接收电路 显示框图和电路图 图 8 为系统显示框图。 单片机对经处理过的反射信号进行最终的数学处理，把最终结果显示在数码管上。 图 8 系统显示框图 显示器是一个典型的输出设备 ，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅仅在于显示器的结构类型不同。 最简单的显示器可以使用 LED 发光二极管，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT 监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏。 综合设计的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用4 位 LED 数码管显示。 其显示电路如图 9 所示。 经处理的反射信号 主控芯片STC89C52 数码管 显示 第 9 页 共 33 页 图 9 系统显示电路 单片机复位电路 在单片机应用系统工作中，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，为需按复位键以重新启动。 所以，系统的复位电路必 须准确、可靠地工作。 单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。 为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使 RST 保持高电平，只要 RST 保持高电平，则单片机就循环复位。 单片机复位电路通常采用以下几种方式： ⑴ 上电自动复位，上电自动复位是通过外部复位电路的点容充电来实现的，在电容充电的过程 中， RST 端出现正脉 冲，从而使单片机复位。 ⑵ 系统复位，在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作 ，常将 RC 电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。 适用于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠的同步复位。 第 10 页 共 33 页 ⑶ 按键电平复位，按键电平复位是通过使复位端经电阻与 VCC 电源接通而实现的。 考虑本设计结构简单，干扰小，故采用按键电平复位。 电 路图如图 10 所示。 图 10 按键电平复位电路 时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。 该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器构成。 XTAL1 是接外部晶体管的一个引脚，在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 输出端为引脚 XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。 电路中的电容一般取 30pf 左右，而晶体振荡器的频率范围通常是 到 12MHz ，电路中采用 12MHz ，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。 其电路如图 11 所示。 图 11 时钟电路 超声波测距电路 电路中用 口输出超声波传感器所需的 方波信号，利用外中端口检测超声波接收电路的返回信号，显示电路采用简单的 4 位 LED 数码管。 采用 STC89C52 来实现对 CX20206A 红外接收芯片和超声波转换模块的控制。 单片机通过 引脚经反相器来控制超声波的发送。 然后利用单片机的 INTO，当INTO 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。 计数器所记的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距 第 11 页 共 33 页 离。 本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波 自发射到接收往返时间的计时。 其电路图如图 12 所示。 图 12 超声波测距电路图 3 芯片的介绍 系统主控芯片的介绍 选择 STC89C52 单片机 作为该系统的主控芯片。 STC89C52 片内含有 8K 的可反复擦写的只读 Flash 程序存储器 和 512 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）。 40 个引脚， 32 个双向输入 /输出（ I/O）端口，同时含有 3 个 16 位可编程定时器， 2 个串行中断， 2 个外部中断源和 2 个读写中断口线。 性能卓越 ，保密性好 ，因为 采用串口烧写所以烧写更方便更安全 ， 不用担心会烧坏芯片 ， STC 单片机 可重复烧写 10 万次 ,是普通 51 单片机的 100 倍。 STC89C52完全兼容 AT89C5 AT89C52 、 AT89S5 AT89S52 ,扩展性比 AT89S52 强很多。 STC89C52 的管脚图如图 13： 第 12 页 共 33 页 图 13 STC89C52 管脚 I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I/O寄存器进行编程。 具体步骤如下： ⑴ 根据实际电路的要求，选择要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 伪指令定义其相应的寄存器； ⑵ 初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作； ⑶ 根据外围电路功 能，确定 I/O 端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。 对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为 I/O 的复位缺省值为输入； ⑷ 用作输入的 I/O 管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻 ； ⑸ 最后对 I/O 端口进行输出（写数据输出寄存器）和输入（读端口）编程，完成对外围电路的相应功能。 CX20206A CX20206A 红外接收专用集成电路 IC 性能优越，封装形式及体积与许多遥控信号接收器 IC 相同或相似，可用来代替多种信号的遥控集成电路。 CX20206A采用 8 脚单列直插式塑料封装，内部结构框图如图 14. 第 13 页 共 33 页 图 14 CX20206A 内部结构框图 CX20206A 的 ① 脚接收外部的电信号， CX20206A 的总放大增 益约为 80dB，以确保其 ⑦ 脚输出的控制脉冲序列信号幅度在 伏到 5 伏范围内。 总增益大小由 ② 脚外接的电阻 1R 和电容 1C 决定，电阻越小或电容越大，增益越高。 电容取值过大时将造成频率响应变差，通常取 1uf .③ 脚需要连接一个检波电容 2C ，一般取 .CX20206A 采用峰值检波方式，当 2C 容量较大时将变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低， 2C 较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误操作。 带通滤波器中心频率 0f 需接一个外部电阻 2R ,改变 2R 阻值，可改变载波信号的接受频率，当 0f 偏离载波频率时，放大增益会显著下降。 ⑥ 脚外接积分电容 3C ，一般取 330pf ，取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。 ⑦ 脚为输出端， CX20206A 处理后的脉冲信号由 ⑦ 脚输出给后续电路再加工处理推动负载工作。 CX20206A 各管脚的功能： ① 脚为红外信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40 K ② 脚为增益调节端，该脚与地之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一 个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。 增大电阻或减小电容，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。 但电容的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为电阻为  ，电容为 1uf . ③ 脚为检波端，该脚与地之间连接检波电容，电容量大的时候为平均值检波，瞬间响应灵敏度地，当容量小时，则是峰值检波，瞬间响应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为 . ④ 脚为接地端。 ⑤ 脚为带通滤波器调整端，该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 0f ，阻值越大，中心频率越低。 第 14 页 共 33 页 ⑥ 脚为积分端，该脚与地之间接一个积分电容，标准值为 330pf ，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 ⑦ 为信号输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接一个上拉电阻到电源端，推荐值为 22 K ，没有接受信号时该端输出为高电平，有信号时则产生低电平。 ⑧ 为电源端 [3]。 4 系统软件设计 超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 C 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距），所以控制程序可采用 C 语言和汇编 语言混合编程。 在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要 是针对系统功能的实现及数据的处理和应用，系统软件需要实现以下功能： （ 1） 信号控制 在系统硬件中，已经完成了发射电路、接收电路、显示电路等的设计。 在系统软件中，要完成增益控制信号、发射脉冲信号、远近控制信号的时序及输出。 （ 2） 数据存储 为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计数器的计数值，然后存储 在 RAM 中， 而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理。 （ 3） 信号处理 RAM 中存储的计数值并不能作为距 离值之间显示和输出，因为计数值与实际的距离值之间要通过公式转换， )*( NTvvtH r ，其中 t 为发射信号到接收之间经历的时间， rT 为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率， N 为计数器的值。 在这部分中，信号处理包括计数值与距离值的换算，二进制数与十进制数的转换。 （ 4） 数据传输与显示 经软件处理得到的距离送到 LED 数码管显示。 由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成 的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。 在中断响应之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换子程序后显示输出。 整个系统软件的功能的实现可以分为主程序、中断服务程序几个主要部分。 算法设计 第 15 页 共 33 页 超 声波测距的原理是超声波发生器 T 在某时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到障碍物后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收。 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与障碍物之间的距离。 距离的计算公式为： vtsH  (6) 其中， H 为障碍物与测距仪的距离， s 为超声波往返的路程， v 为超声波的速度， t 为超声波往返所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和接收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时，接收电路 输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 主程序 主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。 主程序首先要对系。