課程設計(基于單片機的汽車倒車雷達設計).doc

課程設計說明書汽車倒車雷達設計學生姓名XXX班級機制1001班學號201021xxxx16日期2013.07.012013.07.12摘要 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量大幅增長，隨著汽車的增多和停車位日趨緊張，泊車成為很多車主頭痛的問題，這時倒車雷達就成了汽車的好助手。倒車雷達是汽車泊車安全輔助裝置，能以比較直觀的顯示告知駕駛員后方障礙物的情況，解除了駕駛員泊車時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了倒車的安全性。超聲波測距法是常見的一種距離測距方法，本文介紹的就是利用超聲波測距法設計的一種倒車防撞報警系統(tǒng)。控制系統(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。設計通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個單元的原理進行了介紹，對組成系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理，對超聲波傳感器的選用經(jīng)過了仔細的思考，并詳細的說明其功能和作用原理。文章介紹了系統(tǒng)系統(tǒng)的軟件結構，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。關鍵詞：單片機；超聲波；測距；傳感器目錄1 引言.21.1 背景.21.2 設計的要求和難點.22 總體方案設計.3 2.1 系統(tǒng)構成圖.3 2.2 工作原理.33 硬件設計.5 3.1 超聲波發(fā)射與接收電路.5 3.1.1 發(fā)射電路.5 3.1.2 接收電路.7 3.2 ADC0832轉換器特點與接線圖.9 3.3 傳感器型號及說明.124 軟件設計.13 4.1 系統(tǒng)流程圖.13 4.2 編程程序.155 設計小結.17 參考文獻.181 引言1.1 設計的背景隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量大幅增長，而隨著汽車的增多和停車位日趨緊張，泊車成為很多車主頭痛的問題。在泊車的過程中，由于駕駛員視覺的模糊以及盲區(qū)的影響，使得在倒車過程中稍不注意就會造成車子的損傷。我們的超聲波傳感器測距系統(tǒng)正是為解決此問題而設計的。本系統(tǒng)能夠在倒車的過程中掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高倒車的安全性。1.2設計的重點與難點1.2.1 設計的要求本任務是設計一個超聲波測距儀，可以應用于汽車倒車監(jiān)控。要求測量范圍在0.103.00m，測量精度10cm，能夠明顯的達到報警效果。1.2.2設計的難點、超聲波信號的發(fā)射、接收設計、報警顯示燈電路的設計、流程圖及程序的設計2 總體方案設計2.1 系統(tǒng)構成圖汽車倒車雷達設計系統(tǒng)單片機為核心外圍電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補償電路、A/D轉換模塊、LED顯示模塊等部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)構成圖2.2 工作原理本系統(tǒng)安裝在汽車背后，一般是四個并排，當汽車倒車且接近危險距離（設定值）時，系統(tǒng)能自動提示駕駛員，防止碰撞事件發(fā)生。主要是以AT89S51為核心，來設計一種低成本、高精度、微型化超聲波測距儀。本測距儀實質上就是感應出超聲波的發(fā)射脈沖與接受脈沖的時間間隔t，利用S=C*t/2可以算出距離，由于系統(tǒng)已經(jīng)預設了一個安全距離，當S低于此安全距離時，可以看到LED顯示器的紅色燈閃爍，綠色燈熄滅；當S高于此安全距離時，LED顯示器的綠色燈亮，紅色燈熄滅。根據(jù)要求，由于程序較為簡單，不需要空間很大的芯片來完成，于是選用AT89S51單片機作為主控制器，而超聲波傳感器精度要求也不高（0.1m），于是選用比較經(jīng)濟的HC-SR04超聲波傳感器，運算放大電路用來將超聲波信號放大并傳給A/D轉換模塊，A/D轉換模塊也從測量精度出發(fā)選用八位256步的A/D轉換器，同時為了方便接線與模擬仿真，選用的是ADC0832，顯示模塊用的是LED顯示燈，已足夠滿足設計要求。 3 硬件設計 根據(jù)2-1 系統(tǒng)構成圖，我們設計了總接線圖，詳見附錄1，下面對各部分電路進行說明。其中，我們是從A/D轉換模塊與AT89C51開始接線，逐步擴展到輸出模塊。A/D轉換模塊主要是參考了網(wǎng)上ADC0832的知識2。輸出模塊的LED顯示模塊及時鐘信號主要是參考了文獻3。3.1 超聲波發(fā)射與接收電路3.1.1 發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路如圖所示，主要由脈沖調制，信號產(chǎn)生電路，隔離電路以及驅動電路組成，用來為超聲波傳感器提供發(fā)送信號，使其發(fā)出超聲波信號1。圖3-1超聲波傳感器的發(fā)射電路3.1.2 接收電路接收部分的電路由放大電路，帶通濾波電路以及信號變換電路組成。信號變換電路如圖3-2所示，放大電路和帶通濾波電路如圖3-3所示。由于超聲波信號在空氣中傳播時受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號非常的微弱，不能直接送到后級電路進行處理，必須將信號放大到足夠的幅度，才能使后級電路對它進行正確的處理1。圖3-2信號變換電路圖3-3接收與放大電路與帶通濾波電路3.2 ADC0832轉換器特點與接線圖、其主要特點如下：1、8位分辨率，逐次逼近型，基準電壓為5V；2、5V單電源供電；3、輸入模擬信號電壓范圍為05V；4、輸入和輸出電平與TTL和CMOS兼容；5、在250KHZ時鐘頻率時，轉換時間為32us；6、具有兩個可供選擇的模擬輸入通道；7、功耗低，15mW。、各引腳說明如下：1、CS片選端，低電平有效。2、CH0，CH1兩路模擬信號輸入端。3、DI兩路模擬輸入選擇輸入端。 圖3-5 ADC0832引腳圖4、DO模數(shù)轉換結果串行輸出端。5、CLK串行時鐘輸入端。5、Vcc/REF正電源端和基準電壓輸入端。6、GND電源地。、單片機對ADC0832 的控制原理一般情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK提供時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖到來之前DI端必須是高電平，表示啟動位。在第2、3個時鐘脈沖到來之前DI端應輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項見表。輸入形式 配置位選擇通道CH0CH1CHOCH1差分輸入00+-01-+單端輸入10+11+3-6圖ADC0832配置位如表所示，當配置位2位數(shù)據(jù)為1、0時，只對CH0 進行單通道轉換。當配置2位數(shù)據(jù)為1、1時，只對CH1進行單通道轉換。當配置2位數(shù)據(jù)為0、0時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當配置2位數(shù)據(jù)為0、1時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進行輸入。到第3個時鐘脈沖到來之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個時鐘脈沖開始由DO端輸出轉換數(shù)據(jù)最高位D7，隨后每一個脈沖DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)D0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個時鐘脈沖輸出D0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次A/D轉換的結束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。3.3 傳感器型號及說明HC-SR04 1、使用電壓：DC5V 2、靜態(tài)電流：小于2mA3、電平輸出：高5V 4、電平輸出：低0V5、感應角度：不大于15度 6、探測距離：2cm-450cm 7、高精度：可達3mm接線方式，VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND地線 本產(chǎn)品使用方法：一個控制口發(fā)一個10US以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開定時器計時,當此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算出距離.如此不斷的周期測,就可以達到移動測量的值了1.4 軟件設計4.1 系統(tǒng)流程圖 我們設計的系統(tǒng)流程圖如圖4-1，系統(tǒng)的軟件設計采取模塊化設計，單片器編程，這樣便于閱讀與功能擴展。程序主要由主程序、A/D轉換子程序、延時子程序、液晶顯示子程序等幾個部分構成。雷達測距開始由汽車倒車控制，一旦倒車開始，即啟動AT89C51片內的T1連續(xù)發(fā)射40 kHz的PWM，計數(shù)器開始計數(shù)?？紤]到實際倒車環(huán)境有遠有近，為防止其他干擾可能引起的誤測，以最長距離3m計算，超聲波發(fā)送到返回的時間t至少為3/34015 ms。這樣持續(xù)發(fā)送PWM直至接收到超聲波時停止發(fā)送，這個過程大約需要15 ms以上，所以不管所測距離遠近，一律每25 ms發(fā)送一次超聲波。圖4-1系統(tǒng)流程圖4.2 編程程序我們通過keil軟件運用單片機語言編程，選用AT89S51的芯片編譯過后，生成.hex文件后的程序。仿真時，在proteus軟件中找到AT89S51芯片，雙擊添加所生成的.hex文件，進行仿真，以下是仿真結果，編程程序見附錄2.仿真結果：當電平小于設定值（2.5v）時紅燈閃爍，綠燈熄滅當電平大于設定值（2.5v）時，綠燈亮，紅燈熄滅5 設計小結6月28日，我們的課程設計任務下來了，前面剛剛搞完兩周的機電傳動控制實習，雖然還在那高強度、高難度的實習中沒有解脫出來，但一想到這是本學期最后的一個任務，也是我們離開云塘前的最后一個任務，我們也就釋然了，準備認真完成，算是給自己的大三生活一個最后的交代。我們的課題是“基于單片機的汽車倒車雷達超聲波測距系統(tǒng)的設計”，為了更好地完成這個任務，首先，我們組在網(wǎng)上查閱了大量的相關方面的資料，下載了一些對我們有用的文件，然后在圖書館借閱了許多關于單片機、傳感器的書籍，為我們的課程設計做好準備。由于我們單片機的基礎打得不是很好，所以在設計的過程中遇到了很多的難題，比如編程，比如數(shù)模轉換器的選擇、接線.但是我們沒有被這些難題所阻住，而是仔細分析了這些難題，然后查找相關資料，最后一一解決。在這個過程中，勾起了對單片機知識的回憶并使之得到強化，同時，對于我們機械專業(yè)的同學，強化對電方面的知識在當今社會也顯得尤為重要。同時，通過這次課程設計，讓我們對自己有了進一步的認識，看到了自己在一些方面還存在許多缺陷，同時，在這次課程設計中，李亞非老師給了我們許多指點，讓我們獲益匪淺。參考文獻1、陳書旺，張秀清，董健彬.傳感器應用及電路設計M.北京：化學工業(yè)出版社，20082、紀宗南.集成A/D轉換器應用技術與實用線路M.北京：中國電力出版社，20093、賴麒文.8051單片機嵌入式系統(tǒng)應用M.北京：科學出版社，20024、胡漢才.單片機原理及接口技術M.北京：清華大學出版社，20045、Myke Predko.精通8051程序設計M.北京：人民郵電出版社，20066、/view/dcfd127e5acfa1c7aa00ccb0.html （百度文庫）7、/view/545294c758f5f61fb73666bd.html （ADC0832）附錄1 總接線圖附錄2A_0832_CS EQU P3.5 ; CS A/D模塊總開關A_0832_CLK EQU P3.4 ; CLK 時鐘信號A_0832_DI EQU P3.3 ; DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制A_0832_D EQU P3.3 ; DO數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出A_0832_T EQU 40H ; 讀取時的脈沖計數(shù)A_0832_DA EQU 41H ; 數(shù)據(jù)所存位置ORG 0LJMP ADORG 30HAJMP MAINORG 60HMAIN:MOV B,80HDJNZ A_0832_DA,MAIN2AJMP REDRED:SETB P1.1LJMP DELAYCPL P1.1AJMP REDMAIN2:DJNZ B,MAINSETB P1.0AD: LCALL ADC_RDMOV A,A_0832_DAAJMP $ADC_RD:MOV A_0832_T,#8CLR A_0832_CLKCLR A_0832_CSSETB A_0832_DI ;STARTSETB A_0832_CLK ; 第一個上升沿NOPNOPNOPCLR A_0832_CLKNOPNOPSETB A_0832_DI ; 選擇CH1,通過組合選取通道(SGL/DIF)NOPSETB A_0832_CLK ; 第二個上升沿NOPNOPNOPCLR A_0832_CLKNOPNOPSETB A_0832_DI ; 選擇CH1,通過組合選取通道(ODD/SIGN)NOPSETB A_0832_CLK ; 第三個上升沿NOPNOPNOPCLR A_0832_CLK ; 首個下降沿NOPNOPNOPSETB A_0832_CLKNOPNOPA_0832_RD: ; 讀取前,8位CLR A_0832_CLKNOPNOPNOPSETB A_0832_CLKMOV