基于超声波汽车防撞报警系统

基于超声波汽车防撞报警系统内容摘要：

(3) EA/Vpp 31 外部访问允许端。 当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。 要使 STC89S51 只访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH） ,这时该引脚必须保持低电平。 对 Flash 存储器编程时，用于施加 Vpp 编程电压。 单 片机最小系统电路图如下图 36 所示： 图 36 单片机最小系统图 发射电路的设计 超声波发射电路如图 3 所示， 89C51 通过外部引脚 输出脉冲宽度为 250μs , 40kHz的 10 个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。 由于超声波的传播距离与它的振幅成正比 ,为了使测距范 围足够远 ,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图 3 中 T 为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。 利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射。 利用压电效应可以将作用在它上面的机械振动转换为相应的电信号 , 从而起到能量转换的作用。 市售的超声波传感器有专用型和兼用型 ,专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。 兼用型就是收发一体 , 只一个传感器头 , 具有发送和接收声波的双重作用 , 称为可逆元件。 图 3 超声波发射电路 接收电路的设计 超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。 超声波接收器接收反射的超声波转换为 40KHz 毫伏级的电压信号 ,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断 INT0。 一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大小变化较大 ,需要放大倍数大约为 100 到 5000 倍 ,另一方面传感器输出阻抗较大 ,这就需要高输入阻抗的多级 放大电路 ,这就会引入两个问题 :高输入阻抗容易接收干扰信号 ,同时多级放大电路容易自激振荡。 参考各种资料最后选用了 SONY 公司的专用集成前置放大器 CX20206 达到了比较好的效果。 CX20206 采用 8脚单列直插式塑料封装，内部结构框图如图 4。 超声波接收器能将接受到的发射电路所发射的红外光信号转换成数十伏至数百伏的电信号，送到 CX20206 的 ① 脚， CX20206 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 ~5V 范内。 总增益大小由 ② 脚外接的 R C1 决定， R1 越小或 C1 越大，增益越高。 C1 取值过大时将造成频率响应变差，通常取为 1uf。 C2为检波电容，一般取。 CX20206 采用峰值检波方式，当 C2 容量较大时将变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低， C2 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。 R2 为带通滤波器中心频率 f0 的外部电阻，改变 R2 阻值，可改变载波信号的接受频率，当 f0 偏离载波频率时，放大增益会显著下降， C3 为积分电容，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， CX20206 处理后的脉冲信号由 ⑦ 脚输出给单片机处理从而获得显示输出。 CX20206A该 IC 内部主要包括前置放大器，限幅放大，带通滤波，峰值检波，积分滤波及波形整形电路等。 基本原理如下：接收换能器把超声波回波转换为相应频率的数字编码脉冲调幅波，并由 1 脚进入集成放大器的正相输入端。 2 脚是放大器的反相输入端，外接 RC 负反馈网络，可以决定和调节放大器的频率特性和电压增益，当电阻值小或者电容值大时，电压增益高，通频带窄；反之，电压增益低，通频带宽。 在放大器输入端设置有 ABLC 电路（即自动偏压电路或者自动电平控制电路，它可使放大及限幅电路输出电平稳定的编码信号），可自动调整放大器的偏置电压，使放大器的输出电平稳定。 然后，信号进入限幅放大器，可以滤除杂乱的寄生调幅和其他干扰，输出包络脉冲顶部平直的编码脉冲调幅波。 信号再进入带通滤波器，滤除频率范围 3050KHZ 以外的干扰信号。 5脚外接电阻。 调节其阻值可调节带通滤波器的中心频率值。 然后信号进入峰值检波器，对编码脉冲的调幅波进行振幅检波，解调出数字编码脉冲信号， 3 脚外接电容是峰值检波器的滤波电容。 检波出的信号再送到整形电路中进行 波形转换与整形，最后由 7 脚输出数字编码脉冲信号，送至 CPU 去识别，处理。 6脚外接积分电容，可以滤除已调波的载波频率分量。 而由检波器输出的数据编码信号， CPU 不能识别，故在检波器后设置由积分电路和磁滞回线型比较器组成的整形电路，整形电路是一种波形变换电路，它可将检波器输出的宽度编码脉冲整形变换为 CPU所能识别的数字信号。 而实用的波形整形电路是积分电路和施密特比较器组成的电路。 根据以上原理，超声波测距系统的接收电路如下图 311 所示。 超声波接收换能器将接收到的回波信号转换后经过 ，进 入 CX20206A的 1 脚，经过 CX20206A的前置放大器，限幅放大，带通滤波器（中心频率为 40KHZ），检波器及比较器，最后经过内部的整形电路，从 7 脚输出至 89C51 单片机的外部中断 0（ ）口。 当芯片接收到38KHZ 的信号时， 7 脚的输出由高电平转为低电平，单片机外部中断 0 口检测到输入信号的下降沿或者低电平时，立即产生中断，同时停止定时 /计数器 T0。 从而得到超声波的回波时间 t. 图 5 超声波接收电路 显示报警模块的设计 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 随着科技的发展，液晶显示模块的应用前景将更加广阔。 本系统选用 LCD 液晶 ARK SR420361k 显示器做为显示模块。 参考 ARK SR420361k 与单片机引脚功能画出它们连接的原理图 312 如下： max232 MAX232芯片是美信公司专门为电脑的 RS232 标准串口设计的接口电路 ,使用 +5v单电源供电。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。 由 6脚和 4 只电容构成。 功能是产生 +12v 和12v 两个电源，提供给 RS232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。 由 1 1 1 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（ R1IN）、 12脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（ R2IN）、 9 脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、 T2IN 输入转换成 RS232 数据从 T1OUT、 T2OUT 送到电脑DB9 插头； DB9 插头的 RS232 数据从 R1IN、 R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、 R2OUT 输出。 第三部分是供电。 15 脚 GND、 16 脚 VCC（ +5v）。 电路为： 图 315 MAX232 内部电路图 4 系统软件的设计 本系统采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成，图 8 为程序流程图。 该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序 开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。 软件程序框图 定时器中断子程序 外部中断服务子程序 5 调试 硬件调试 由于本设计涉及的模块比较多，包括了超声波测距模块，单片 机模块，显示报警，所以调试起来比较费力，设计的不定因素也比较多，所以，调试的时候采用了分块调试的方法，排除了各个模块的干扰。 在电路安装完毕后，不要急于通电测试，而首先必须做好调试前的检查工作。 检查连线情况： 经常碰到的有错接（即连线的一端正确，而另一端误接）、少接（指安装时漏接的线）及多接（指在电路上完全是多余的连线），等连线错误。 检查连线可以直接对照电路原理图进行，但若电路中布线较多，则可以以元器件（如运放、三极管）为中心，依次检察查其引脚的有关连线，这样不仅可以查出错接或少接的线，而且也较易发现多 余的线。 为确保连线的可靠，在查线的同时，还可以用万用表电阻档对接线作连通检查，而且最好在器件外引线处测量，这样有可能查出某些 “虚焊 ”的隐患。 检查元器件安装情况：元器件的检查，重点要查集成运放、三极管、二极管、电解电容等外引线与极性有否接错，以及外引线间有否短路，同时还须检查元器件焊接处是否可靠。 这里需要指出，在焊接前，必须对元器件进行检测，确保元器件能正常工作，以免给调试带来不必要的麻烦。 检查电源输入端与公共接地端间有否短路在通电前，还需用万用表检查电源输入端与地之间是否存短路，若有则须进一步检 查其原因。 在完成了以上各项检查并确认无误后，才可通电调试，但此时应注意电源的正、负极性不能接反。 在检查超声波发射电路时，在未加单片机使能控制的情况下，通电待系统工作后，用示波器观察 NE555 芯片的 3 脚。 若输出波形不符合要求，可通过调节 R5 和 R6来调节输出波形，直到得到要求的占空比为 50%的 38KHZ 方波。 调好发射电路后，启用接收电路。 在超声波接收探头未接收到信号的情况下，用示波器观察其两引脚，测得最大干扰电压波形为 38KHZ 的正弦波，幅值 20mv。 在超声波接收探头接收信号的情况下，起初测得信号放大 电路的一级放大输出为幅值 5V的正弦波，但是二级输出不论接收探头有否接收到信号，恒输出一 11V高电平。 检查电路参数后认为是 NE555放大倍数过大，形成自激振荡，所以把原来 100*100 的放大倍数降为 100*10。 再测二级输出，在探测距离较近时输出波形近似方波，调试成功。 超声波这个部分相对来说比较复杂，特别是涉及到了传感器，受天气和温度的干扰比较大，电路内部的干扰控制也是一个难点，所以我选择了另外用了一块扩展板来制作这部分电路，而且用电感来隔离各部分的干扰。 考虑到本设计只是一次学习过程，对性能要求不是很高，所 以采用了 USB 供电这样的方法，再有就是测距的时候容易受到地面的漫反射干扰，所以增益电阻不能取得太小，这样测距的灵敏度会受到一定影响，不过经过多次调试，测距精度方面误差基本上能控制在 10 厘米以内，测距距离大概 10 米。 软件调试 汇编和 keil c 汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。 其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。 但是不同的 CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。 对于目前普遍使用的 RISC 架构的 8bit MCU 来说，其内部 ROM、 RAM、 STACK等资源都有限，如果使用 C 语言编写，一条 C 语言指令编译后，会变成很多条机器码，很容易出现ROM 空间不够、堆栈溢出等问题。 而且一些单片机厂家也不一定能提供 C 编译器。 而汇编语言，一条指令就对应一个机器码，每一步执行什么动作都很清楚，并且程序大小和堆栈调用情况都容易控制，调试起来也比较方便。 所以在资源较少单片机开发中，建议采用汇编语言比较好。 C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。 C 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对 系统硬件的控制。 C 语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采。