汽车防撞雷达系统设计_毕业论文.doc

专科生毕业设计（论文）摘 要随着我国社会经济的不断发展，汽车行业也随之蓬勃发展，公路交通呈现出车流密集化和驾驶员非职业化的趋势，因此交通事故越来越多。本文设计的汽车防撞雷达，就是当汽车与障碍物的距离较近时即可向司机预先发出报警信号，可及时有效的防止交通事故的发生。该汽车防撞雷达是以mcs-51系列单片机为核心器件，结合比较常规的超声波测距器件和霍尔车速传感器以及价格低廉的电子元件组成，包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计方面，通过超声波对车辆行驶过程中的各种情况进行监测，再用霍尔测速传感器对车速进行检测，同时为了提高测量精度，设置了温度检测电路；软件设计方面，定时/计数器t0通过对发射到接收超声波的时间进行计时，定时/计数器t1是完成一秒钟内脉冲数的计数，然后将所得数据送入控制单元，通过单片机对检测结果进行处理分析并做出相应的判断。当探测到存在潜在碰撞危险时，单片机及时驱动报警系统向驾驶员发出语音提示及报警信号以提醒驾驶员采取控制措施以避免交通事故的发生，从而实现了汽车防撞控制的目的。本系统具有低误差、高精度和低成本的特点。该系统的应用可以保证运行车辆的安全性，提高公路运输效率，具有广泛的应用前景和经济前景。关键词：单片机；超声波测距；报警系统；防撞雷达abstractwith the development of our social economy,the automobile industry is developing,too.the traffic tends to be traffic-intensive and driver-unprofessional, so traffic accidents increase dramatically.the automobile anti-collision radar is designed for sending alarm signal in advance when it is near to obstacle, it can prevent the occurrence of traffic accidents timely and effectively. the automobile anti-collision radar takes the mcs-51 chip for centre control unit, integrate with conventional ultrasonic ranging device,hall sensor and cheaper electronic components. it includes hardware design and software design.in the design of hardware,the distance of automobile and obstacle is measured by ultrasonic,and the automobile velocity is measured by hall sensor, at the same time the temperature detection circuit is set in order to improve the measurement accuracy;in the design of software,timer/counter t0 calculates ultrasonic time from launch to receive,timer/counter t1 counts pulse in a second, after that transmits measure data to control unit, then measure rusults are analyzed through single-chip microcomputer and gives corresponding judge.when potential risk of collision is detected,single-chip microcomputer will drive alarm system that send voice prompts and alarm signals for driver to remind the driver to take control measures in order to avoid the occurrence of traffic accidents. thus realize the purpose of anti-collision for automobile.the system has characteristic such as low erroneous, high accuracy and low cost.the application of this system may guarantee safety of running automobile.it can raise transport efficiency,and has great application and economic trend.key words：single-chip microcomputer；ultrasonic ranging；alarm system； anti-collision radar目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的背景11.2 国内外汽车防撞雷达的研究现状11.2.1 汽车防撞雷达发展阶段11.2.2 汽车防撞雷达国外发展概况21.2.3 汽车防撞雷达国内发展概况21.3 汽车防撞雷达未来发展趋势31.4 汽车防撞雷达设计的内容及意义4第2章 汽车防撞雷达总体方案论证52.1 汽车防撞雷达设计的技术指标52.1.1 汽车防撞雷达设计的必要性52.1.2 汽车防撞雷达设计的技术指标及要求52.2 系统设计方案的论证52.2.1 主控芯片的选择62.2.2 测距器件的选择62.2.3 测速器件的选择62.2.4 系统的可行性72.3 系统设计总体原理方框图8第3章 汽车防撞雷达硬件电路设计93.1 主控芯片93.1.1 at89s51的主要技术参数93.1.2 at89s51各引脚功能103.2 超声波信号发射电路113.2.1 超声波产生的方案选择113.2.2 超声波的发射123.3 超声波信号接收电路133.3.1 超声波放大133.3.2 超声波的接收143.4 测温电路153.4.1 温度对波速的影响153.4.2 ds18b20功能说明163.5 测速电路173.5.1 霍尔车速传感器功能说明173.5.2 测速电路183.6 时间计测183.7 语音电路193.7.1 isd2500简介193.7.2 语音电路213.8 lcd显示电路233.8.1 tc1602引脚功能233.8.2 显示电路233.9 报警电路243.10 复位电路243.11电源电路253.11.1电源的选择253.11.2电源电路26第4章 汽车防撞雷达软件设计284.1 主程序设计284.1.1 系统主程序流程图284.1.2 系统主程序294.2 中断服务程序设计304.2.1 t1中断子程序304.2.2 t0中断子程序324.3 温度测量子程序设计334.4 速度计算子程序设计374.4.1 速度计算子程序流程图374.5 显示子程序设计384.5.1 显示子程序流程图38第5章 结论39参考文献40致 谢42附 录43附 录53附 录54v第1章 绪 论1.1 课题研究的背景汽车工业在经济发达国家已经成为一个发展国民经济的支柱性产业。如美国每年汽车（轿车和卡车）产量平均为1400万辆，我国1998年为160万辆。车多路少已成为交通状况日益严重的问题之一。以相对的观点看，道路交通是最危险的运输方式之一。事故统计表明：所有碰撞有一半以上（65%）是由追尾碰撞引起的。据统计：早在70年代初时由于汽车碰撞全世界每年造成的经济损失为100亿美元，平均每辆车每年的经济损失为100美元。现在是21世纪初，汽车产量估计翻了三番，所造成的经济损失也就至少翻了三倍。据统计，2001年我国道路交通事故造成的直接经济损失为30亿元，105930人死亡，546485人受伤。可以说，道路交通事故每天在全国各地均频频发生，给人民造成了巨大的生命财产损失。为此，一些发达国家早在70年代就开始研制汽车防撞系统。1.2 国内外汽车防撞雷达的研究现状1.2.1汽车防撞雷达发展阶段在汽车防撞系统研发的极大现实意义和广阔应用前景的驱动下，世界各国的汽车制造商、大学和科研院所先后投入大量的人力、物力、财力研制主动式的汽车自动防撞器。国际上对于汽车防撞雷达的研究始于20世纪60年代，研究主要在以德国、美国和日本为代表的主要西方发达国家内展开。至今为止，从时间上大致可以分为两个阶段。第一阶段从60年代至70年代末期，这一阶段的特点是微波理论及其器件集成水平低，系统硬件成本高，对于防撞雷达系统的性能要求没有客观的标准，因而各国研制出的防撞雷达样机效果差。第二阶段从80年代中期至今，在这一阶段，随着微波技术理论及其器件集成技术的高速发展，以及微处理器性能价格比的突飞猛进，使得研制出低成本、高性能的汽车防撞雷达成为可能，对于防撞雷达系统的性能要求也大致形成了共识进入90年代后，德国在这一领域的研究处于领先地位。最近，欧盟radarnet研究项目致力于整合已有研发成果，采用最新技术，研制一种新型的多功能汽车防撞雷达，应该说它代表了汽车防撞雷达研究的技术前沿，具有较强的参考价值。1.2.2汽车防撞雷达国外发展概况国际上对汽车防撞雷达的研究始于20世纪60年代,研究主要在以德国、美国和日本为代表的主要西方发达国家内展开。20世纪80年代以来,汽车防撞雷达系统的开发研究活跃起来并持续到今天。从时间上大致可分为两个阶段:第一阶段从20世纪60年代至70年代末期,这一阶段的特点是微波理论及其器件集成水平低,系统硬件成本高,对于防撞雷达系统的性能要求没有客观的标准,因而各国研制出的防撞雷达样机的应用效果差;第二阶段从20世纪80年代中期至今,在这一阶段,随着微波技术理论及其器件集成技术的高速发展,以及为处理器性价比突飞猛进,使得研制出低成本、高性能的汽车防撞雷达成为可能,再加之各国的its(智能交通系统)计划全面启动,对于防撞雷达系统的性能要求也大致达成了共识,于是,在毫米波技术领域,围绕着汽车防撞雷达的研究蓬勃发展,成为近年来雷达领域的研究热点。目前,世界许多主要汽车企业已经推出或正在积极研究开展汽车防撞系统,起初采用的波段包括10 ghz,16 ghz,24 ghz,36 ghz,50 ghz,使用的频段越来越高。日本一直使用59.5 ghz的波段,欧美国家多使用77 ghz和94 ghz,并且fmcw(frequencymodulated continuous wave)技术渐渐成为主流技术。在元器件方面,主要采用mmic(单片微波集成电路)技术。国外已经有了一些研究成果,如美国公共交通管理局研制的一种36ghz汽车防撞雷达系统,当发现前方30 m45 m处有障碍物时可自动刹车。日本研制的一种60ghz脉冲多普勒体制汽车防撞雷达系统,作用距离5m150m。丰田汽车公司使用毫米波雷达和ccd摄像机对前后车距进行动态监测,车距小于阈值时就发出警报。本田公司使用扇形激光束来扫描雷达传感器,即使在弯道行驶也可以监测前后车辆和障碍物的距离。1.2.3汽车防撞雷达国内发展概况我国在这方面尚处于起步研究阶段，与国外机构的高投入、系统性的研发相比，国内的研发机构虽多，但相对分散，而且国内的研发目前还只着眼于安全性考虑，一般只有一个传感器，因而所能实现的功能相对单一。从70年代中期开始，在中国高等级公路建设的带动下，我国在its的开发和应用方面也取得了相当的进步，为随后its的深入开发和应用打下了良好的基础。自90年代中期以来，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪国际上its的发展。交通部将its的研究纳入了公路、水运科技发展“九五”计划和2010年发展纲要；为了更好地开发和应用its，交通部于1998年l月在交通部公路所成立了交通智能运输系统工程研究中心。在交通部的组织下，该中心承担了部重点科研项目“智能运输系统发展战略研究”，该项目己经于1998年9月通过专家评审，研究报告已经正式出版。中国是经济发展中国家，车辆的发展高出慕尼黑平均速度9%，道路和车辆的不平衡发展的矛盾日益严重化，大城市环境污染也十分严重。北京泰远汽车自动防撞器制造有限公司生产的泰远牌汽车防撞雷达，据科技日报（2002.8.7）报道，已正式通过国家汽车质量监督检验中心的技术鉴定，于1999年6月获国家实用新型专利，将在南京开始建设年产汽车自动防撞器100万套的生产基地（技术参数不详）。这也是目前所知的国内唯一一个汽车防撞雷达的专业生产厂家。无锡市通超电子有限公司汽车防撞雷达以超声波测距，作用范围为0.52米，是一种只能用于倒车时防撞的倒车防撞雷达。此外还有一些单位和科研人员对防撞雷达做了一些研究，但仅基于方案的设计和探讨，未做出实际样机。2005年6月,上海微系统与信息技术研究所射频与微波课题组副组长余稳介绍“:我国已经首次研制成功小型防撞雷达,其中关键的雷达前端芯片是国内首次研制成功,拥有独立知识产权。目前只有宝马、三菱等极少数品牌的高档车采用了防撞技术,还远远没有普及,而且制造成本很高。目前我们的汽车防撞雷达还在测试阶段,每套系统大约6000元,将来彻底市场化了,成本可能降低。”国内,山东大学、南京理工大学、电子科技大学和国防科大等大学分别对连续波调频体制雷达和雷达后期信号的功率谱估计等方面进行了较为深入的研究。但是,通过为数不多的文献资料可知,我国对汽车防撞雷达的研究尚处于起始阶段,还有很多的问题有待解决。总体上来说，由于我国的经济技术的发展水平等因素的影响，而且我国在该方向上的研究起步较晚，因此相对国外的防撞研究水平，我国的车用防撞系统的研制水平仍然较低。国内在汽车防撞方面只局限于倒车雷达的研制和生产，至于前向探测技术，虽然目前有部分科研部门开始了投入，但在实际应用中由于存在技术等方面因素的影响，没有成熟的产品问世。通过为数不多的文献资料可知国内在这一课题上基本没有较为深入和全面的理论探讨。1.3 汽车防撞雷达未来发展趋势对于汽车防撞雷达的研制而言,虚警和漏警问题是目前所面临的两大技术难题,而对前方车辆的角度测量方法也存在一定的难度。目前的防撞雷达在直线上实现防撞报警已经积累了相当的经验,但是在遇到复杂路面情况时就会出现问题,例如在汽车转弯时有可能将相邻车道的汽车判断成对自己有威胁的目标而出现虚警现象。根据整个汽车防撞系统的毫米波频率特性和目前发展的情况来看,要实现小型化必须采用mmic技术。现今,国际上的毫米波系统采用的都是混合集成技术,而且某些频段的开关、混频器、放大器已有商品性单片短路供应。一些多功能组建,如本振混频前中频组件,也有单片成果报道。对于汽车防撞雷达而言,传统的波导和微波集成电路(mic)技术相对成熟,但是他们在部件体积和成本以及工作性能可靠性方面存在着致命缺陷。近年来发展迅速的单片微波集成电路(mmic)技术被认为是汽车防撞雷达发射/接收前端集成化的唯一解决方案,也就是说,只有mmic技术才能保证在大批量生产时,系统的总体成本可以为市场所接受。综上所述,未来防撞雷达必定向着小型、智能、节能化方向发展。这个系统今后的发展道路还很漫长,需要社会各界相互协调互助发展。1.4 汽车防撞雷达设计的内容及意义汽车防撞雷达(俗称电子眼)之所以能实现防撞报警功能,主要有超声波这把无形尺子,它测量最近障碍物的距离,并告诉给车主。其实超声测距原理简单:它发射超声波并接收反射回波,通过单片机计数器获得两者时间差t,利用公式s=ct/2计算距离,其中s为汽车与障碍物之间的距离,c为声波在介质中的传播速度(c=331.4(1+/273)m/s,为摄氏温度)。本文介绍的超声测距系统共有4只超声波换能器(俗称探头),分别布置在汽车的前左、前右、后左、后右4个位置上。能检测前进和倒车方向障碍物距离,通过后视镜内置的显示单元显示距离和方位,发出一定的声响,起到提示和警戒的作用。系统采用一片at89s51单片机对4路超声波信号进行循环采集,并通过数据线发送到显示单元。汽车是现代社会最重要的交通工具之一，随着汽车工业和高速、高架公路的飞速发展，汽车撞车事故亦随之日益严重。据资料统计，全世界死于车祸的人数要比第二次世界大战的死亡人数还要多。虽然现有的汽车上一般都装配有安全带、安全气囊等防护装置，但这是一种事故发生之后才提供应急保护的被动式防护装置，功能有限，撞车事故仍然造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失，因此防止汽车相撞已引起了世界各国的广泛关注。第2章 汽车防撞雷达总体方案论证2.1 汽车防撞雷达设计的技术指标2.1.1汽车防撞雷达设计的必要性美国综合评价系统(ges)数据库资料显示，汽车追尾碰撞是道路交通事故的主要形式之一，占总碰撞事故起数的26%；而在汽车工业发达的日本，汽车追尾碰撞也占整个交通事故的25%左右。因此如何消除和减轻汽车追尾碰撞，已成为很多国家极关注和研究的重要课题。随着单片机技术和传感器技术的发展，单片机的处理速度越来越快，传感器的精度越来越高，使得采用电子控制技术来代替人的思维判断成为可能。传感器可以代替人的感觉器官从外界获取信息，然后将信息传递给相当于人的大脑的单片机，单片机根据所获得的信息利用固定程序，分析判断并作出决策。传感器克服了人感知觉的弊端，可以准确的测量外界信息，而且拓展了人的视野和感知范围。在现代技术基础之下，用电子控制来代替并增强驾驶员的识别判断能力是完全可以做得到的。这就为系统的设计开发提供了硬件基础，保证了该系统实现的硬件技术条件。2.1.2汽车防撞雷达设计的技术指标及要求系统设计的技术指标及要求如下：（1）具有测距功能，防护距离可人为预置；（2）具备测速功能，使速度与相对距离匹配对比；（3）信息传输选用无线射频方式，工作频率40khz；（4）显示所测距离并有相应的报警信号；（5）测量范围适中，测距误差控制在4cm左右（6）超声测距系统显示单元和数据采集相互独立，可以同时进行，要保证测距数据的实时性2.2.系统设计方案的论证汽车防撞系统主要是通过测距器件测量汽车与障碍物之间的距离，再通过测速传感器测出汽车行驶的速度，然后采用单片机编程来实现安全距离的测量和潜在危险的判断，如果存在潜在危险，单片机将驱动lcd液晶显示显示危险距离，并驱动语音报警芯片进行语音报警。2.2.1主控芯片的选择at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4kbytes isp（in-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ispflash存储单元，功能强大的微型计算机的at89s51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。此外，at89s51设计和配置了振荡频率可为0hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.2.2测距器件的选择测量本车与前方障碍物或者车辆间的距离是本系统进行判断的一个依据，为此对可以装载在车辆上的距离测量装置进行分析比较，以便找到合适的装置获得与前方车辆或者障碍物的距离信息。1）激光测量方式：由于激光具有高单色性、高方向性和相干性好等特点，因此激光波束近似直线性，很少扩散，波束能量集中。激光测距方式受恶劣的天气、汽车激烈的震动等因素影响，使探测距离减少1/2-1/3，而且本系统的设计对气候的适应能力和探测距离的要求高，激光测距的应用具有局限性。2）红外线测量方式：红外线测距在技术上难度不大，构成的测距系统成本低廉，但在恶劣天气和长距离探侧方面不能满足汽车防撞系统的要求。3）超声波测量方式：超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射和干涉等等，同时超声波还具有波长短、绕射现象小、测量灵敏度高、能够成为射线而定向传播等特点。超声波测距的黑暗穿透力强信号处理难度好受传感器脏度和湿度的影响较小。2.2.3测速器件的选择测量本车的速度是本系统进行判断的另一个依据，在该系统中，速度传感器将所测的速度信息传输到控制单元中，进行距离和速度的协调控制。为此对可以装载在车辆上的速度测量装置进行分析比较，以便获得本车的相对速度信息。1)可变磁阻式速度传感器：可变磁阻式速度传感器安装在变速器壳体上，直接由变速器齿轮驱动。主要由磁阻元件、转子、印刷电路和磁环组成。当齿轮驱动传感器轴转动时，磁环旋转引起磁通量变化，使得集成电路内磁阻元件的阻值发生变化。当流向磁阻元件的mre的电流方向与磁力线平行时电阻值最大；电流方向与磁力线垂直时电阻值最小。随着磁环的回转使其磁力线方向不断变化，对应其每一个回转，在内置磁阻元件的集成电路中发出20个脉冲信号，该信号就作为车速信号输入速度表。阻值的变化引起其上电压的变化，将电压的变化输入到比较器中进行比较，再由比较器输出信号来控制晶体管的导通和截止，这样就可以检测出车速。该传感器很少发生故障，但与我们选用的霍尔传感器相比较，其脉冲波形和电路连结方式不如霍尔式方便可靠。2)光电式车速传感器：光电式车速传感器由发光二极管(led)、光敏晶体管以及安装在速度表驱动轴上的遮光板组成。当遮光板不能遮断光束时，发光二极管的光照射到光敏晶体管上，光敏晶体管的集成电路中就有电流通过，该管导通，这时三极管vt也导通，因此在s端子上就有5v电压输出。脉冲频率取决于车速。该传感器输出矩形脉冲信号，便于单片机处理信号，外围电路简单，它还可以检测到速度很低的运动状态，相对来说比较准确，但必须保持发光二极管和光敏三极管表面的清洁，否则就会影响传感器的正常工作，使用不方便。3)霍尔车速传感器：霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点。其结构主要由齿圈、霍尔元件、磁钢永久磁铁和电子线路等组成。工作原理是利用霍尔效应，当磁力线穿过通电的霍尔元件时，会引起霍尔元件电荷的偏移，在元件中引起霍尔电压。由于有多个磁钢分布在车速传感器的周围，所以每变化一次，就会产生一个霍尔脉冲。利用单片机的外部计数接口，检测脉冲数，就可以计算出车辆的运动速度。对所选用的霍尔式传感器经过了改装，增加了磁钢，这样可以在旋转一周时，产生10个脉冲，从而提高了测量的精度。该传感器可以在加电压的情况下，由输出端产生标准脉冲波形，通过单片机进行检测和计算。2.2.4系统的可行性该系统采用单片机mcs-51系列单片机进行控制，目前单片机的广泛应用及其产生的效益令人瞩目，它以其价格便宜且应用领域广等诸多优点成为控制系统中采用最多的器件和芯片。另外，该系统在外围电路中所用到的传感器、报警器、显示器等器件都是单片机控制系统中常用的器件，便宜且可靠性能好。因此，该系统具有结构简单、可靠性高等特点。本套系统的成本低，相对于其他控制系统来说，本系统的性价比远远高出市面上的控制系统。2.3系统设计总体原理方框图本系统利用传感器技术和计算机技术来实现对安全状态的检测和报警。其设计的基本思路是: 模拟驾驶员通过对速度和距离的感知与计算，得出驾驶状态是否安全的判断，并报警提醒驾驶员。本设计是利用at89s51单片机为核心器件并结合常规的超声波测距探头和霍尔车速传感器以及价格低廉的电子元件完成的。硬件电路由超声波信号发生电路、超声波信号接收电路、信号处理及控制输入电路、单片机控制电路、测温电路、报警电路以及显示电路组成。测量获得的距离、速度信息都传递给单片机，单片机根据设计的计算模型，分析计算所获得的各种信息来判断与前方障碍物距离是否安全，并决定是否需要驱动报警信号。系统的总体方框图如图2.1所示： 发射驱动多路选择信号放大,整形单片机车速信号显示单元前换能器后换能器接收电路温度检测 图2.1 系统总体方框图当40 khz的超声波发送脉冲信号由单片机送出（其脉冲宽度及发送间隔均由软件控制），经多路选择开关按序分别送到前左、前右、后左、后右4路发送换能器上，由接收电路接收反射波，通过多级放大，整形后，待将交流信号整形输出一个方波信号时，由单片机检测此信号，从而检测出前进和倒车方向障碍物距离，通过显示单元显示距离和方位，起到提示和警戒的作用。由于声速与温度有关，为了提高测量精度，设置了温度检测电路。第3章 汽车防撞雷达硬件电路设计随着计算机科学和电子信息水平的不断提高，在各种应用领域都大量采用计算机控制系统。由于大多数控制系统的任务都较专业化，并且执行的是直接数字控制任务，所以基本采用单片机为主控部件。单片机芯片是目前控制系统采用最多的控制芯片，它在军事、航空、航天、交通、工业、农业等领域都有大量的应用。单片微型计算机本身应该是一个最小应用系统，但是由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部，如显示、报警、晶振、复位电路等，需要在片外加接相应的外围电路。另外，对于片内无rom/eprom的单片机，还应该配置片外程序存储器。汽车防撞系统的硬件电路是由超声波信号发生电路、超声波信号接收电路、感应信号放大及处理电路、中央处理单元电路、测速电路、报警电路以及显示电路组成。3.1 主控芯片3.1.1 at89s51的主要技术参数参数如表3.1所示：表3.1 at89s51的主要技术参数（1）与mcs-51产品指令系统完全兼容； （2）4k字节可编程flash存储；（3）1000次擦/写循环； （4）4.05.5v的工作电压范围；（5）全静态工作：0hz-24khz； （6）三级程序存储器保密锁定；（7）128*8位内部ram； （8）32条可编程i/o线；（9）两个16位可编程定时/计数器； （10）6个中断源；（11）2个全双工串行通信口； （12）可直接驱动lcd；（13）5个中断优先级；（14）2层中断嵌套中断；（15）片内时钟振荡器； （16）看门狗（wdt）电路；（17）低功耗空闲和掉电保护。3.1.2 at89s51各引脚功能vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。图3.1 主控芯片本设计选用at89s51为主控芯片，充分利用了at89s51的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统，而且at89s51的性价比较高。3.2 超声波信号发射电路超声波信号发射电路包括超声波信号的产生、多路选择及换能器等组成。超声波探头选用压电超声波换能器。压电超声波换能器是利用压电材料的压电效应来工作的。内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生探头;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受探头。超声波发射换能器与接受换能器其结构稍有不同。3.2.1超声波产生的方案选择可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件40khz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流为100ma以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波，这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本设计采用第一种方法产生超声波，其驱动电路如图3.2所示：图3.2 超声波发射探头驱动电路从图3.2可知，40khz的超声波信号是利用555时基电路振荡产生的。其振荡频率计算公式：将vr2设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40khz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12v电源。3.2.2超声波的发射40 khz的超声波发送脉冲信号由单片机at89s51的p2.0口送出,其脉冲宽度及发送间隔均由软件控制。脉冲宽度约为125200s,即在一个调制脉冲内包括58个方波。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有4路测距通道,采用分时工作,按后左、后右(倒车时)和前左、前右(前进时)的顺序循环测距。若在有效测距范围内有障碍物的话,则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发回的反射波,否则认为前一路无障碍物。因此,按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。例如:最大测距范围为2 m时,脉冲间隔时间t=2s/=22/34012 ms,实际应取t12 ms。发送的超声波脉冲经多路选择开关cd4052按序分别送到前左、前右、后左、后右4路发送换能器上。通过公式 （3-1）式（3-1）中，c为超声波波速；tt0定时/计时器计时。取常温下超声波在在空气中的传播速度为340m/s，即可计算出车与障碍物之间的距离值。555定时器 （3-2）out = “1”，放电管d4截止，直流电源通过电阻vr2向电容充电，电容c7电压开始上升,充电时间常数 （3-3）当电容两端电压如下式时 （3-4）那么输出就由一种暂稳状态自动返回另一种暂稳状态，由于充电电流从放电端d入地，电容不再充电，反而通过电阻vr2和放电端d向地放电，电容电压开始下降，放电时间常数 （3-5）当电容两端电压如下式时 （3-6）那么输出就由out = “0”变为out = “1”，电源通过vr2重新向c7充电，重复上述过程。振荡周期 （3-7）当vr2=r5时，c7的充放电时间常数相等，输出就得到方波。方波的频率为 （3-8）在状态的变换时，触发信号不需要由外部输入，而是由其电路中的rc电路提供，状态的持续时间也由rc电路决定。超声波信号发生电路如图3.3所示:图3.3 超声波信号发射电路为提高比较器参考电压的稳定性，通常在5引脚接有0.1f左右的电容c8以滤除高频干扰信号。并且带有一个rc微分电路，充放电时间由r5、vr2和c7的参数决定。3.3 超声波信号接收电路超声波信号接收电路是由接收换能器、多路选择开关、放大及控制等电路组成。由于在距离较远的情况下,声的回波很弱,因而转换为电信号的幅值也较小,为此要求将信号放大十几万倍。正弦波信号不能直接被微处理器接收，因此必须进行波形变换。3.3.1超声波放大超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与距离成正比，即距离越近、信号越强，距离越远、信号越弱，通常在1mv1v之间。当然，不同的接受探头的输出信号强度存在差异。由于输入信号的范围较大，对放大电路提出了两个要求：（1）放大增益要大，以适应小信号时的需要；（2）由于输入信号为正弦波，必须将放大电路设计成交流放大电路。系统采用多级放大,由高速精密放大器ne5532构成2级放大,放大后的交流信号经极管d4、电容c21、三极管q2,将交流信号整形输出一个方波信号,单片机以查询方式检测方波信号,停止时间计数器,读取计数值。若增加温度检测,可以结合温度换算出的速度算出障碍物的距离,可以补偿温度对声速的影响。3.3.2超声波的接收超声波信号接收电路图如图3.4所示图3.4 超声波信号接收电路图集成电路cx20106a是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机的红外接收器。因为红外遥控常用的载波频率38khz与测距的超声波频率40khz比较接近，所以本设计利用它制作超声波检测接收电路，如图3.4所示。实验证明，用cx20106a超声波（无信号时输出高电平）具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变电容c1的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。cx20106a集成块的内部电路方框图： 图3.5 cx20106a集成块的内部电路方框图使用cx20106a集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是cx20106a的引脚注释：1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 2脚：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r1或减小c1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但c1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r1=4.7， c1=1f。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。 4脚：接地端。 5脚：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f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取r=200k时，f042khz，若取r=220k，则中心频率f038khz。 6脚： 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脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：电源正极，4.55v。3.4 测温电路3.4.1温度对波速的影响由于超声波属于声波范围，其波速v与温度有关，不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：v=331.4+0.61t （3-9）式（3-9）中：t为实际温度()，v的单位为m/s表3.2列出了几种不同温度下的波速： 表3.2 温度与波速的关系温度（）-30-20-100102030波速（米、秒）313319325332338344349通过以上可知，温度对声速的影响较大，若不采取补偿措施，将会带来较大的测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。本设计采用数字温度传感器ds18b20来采集温度，不需要进行模数换，电路非常简洁。如图3.6所示： 图3.6 测温电路信息经过单线接口送入dsl8b20或从dsl8b20送出，因此从主机cpu到dsl8b20仅需一条线(和地线)。dsl8b20的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。3.4.2 ds18b20功能说明ds18b20是美国dallas公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。它的温度测量范围为-55125，精度可达0.0675，最大转换时间是200ms。dsl820数字温度计具有9、10、11和12位转换精度，未编程时默认精度为12位，测量精度一般为0.5，软件处理后可达0.1 。温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625、lsb形式表达。十六位温度读数形式为：sssss其中，高5位为扩展符号位。转换周期与转换精度设定有关，9位精度时，最大转换时间为93.75ms；12位精度时，最大转换时间为750ms。通过ds18b20自动探测环境温度、确定计算距离时的波速v，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离。该系统由at89s51单片机、超声波发射电路、接收放大电路、温度传感器ds18b20温度采集电路及显示电路组成。at89s51单片机是整个系统的核心部件，用来协调各部件的工作。先由单片机控制的振荡源产生40khz的频率信号以驱动超声波换能器，持续发射超声波20ms。当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就能够得到从发射到接收的时间差t；同时温度采集电路也将现场环境温度数据采集到单片机中，以在计算距离时对超声波传播速度进行修正。根据所采集到的数据最终利用单片机计算出被测距离，并由显示器显示出来。测距电路的输出端接单片机中断端口，中断源的识别由程序查询来处理。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收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，int0出现低电平，立即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。并将测距成功标志位赋值1。当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器t0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志赋值0，表示本次测距不成功。3.5 测速电路3.5.1霍尔车速传感器功能说明霍尔传感器主要特性参数如表3.2：表3.2 霍尔传感器主要特性参数参数名称霍尔传感器工作电压vcc（v）4.524磁感应强度b（t）不限输出截止电压vo（v）24输出导通电流iol（ma）24工作点bop（t）0.0220.035输出低电平vol（mv）0.04输出漏电流ioh（a）2.0电源电流ioc（ma）59工作温度ta（摄氏度）0+70储存温度ts（摄氏度）-65+1253.5.2测速电路测速电路由霍尔传感器（ugn3132）和放大整形电路组成。霍尔传感器将车轮转速信号变成脉冲信号输出，经放大后送入单片机at89s51的p1.0引脚，控制t1计数器计数，实现了在单位时间内的计数。霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单和使用方便等特点。车轮每旋转一周时，产生10个脉冲。利用单片机的外部计数接口检测脉冲数，而且采用的是ttl电平，所以就可以计算出车辆的运动速度。由于单片机不能进行浮点运算，所以在进行速度计算时，认为转速表驱动轴的转速等于车轮轴的转速，通过这种方法就可以进行速度计算。汽车车轮转速可由下式得出：