【正文】 之間的距離，從而對(duì)倒車輔助動(dòng)作做出有效判斷，保證汽車與障礙物的距離在安全范圍內(nèi)；同時(shí)，在交通擁擠的城區(qū)駕駛，往往由于等待時(shí)間太長(zhǎng)而煩躁不安、注意力不能集中，跟車時(shí)常常發(fā)生追尾等事故，本設(shè)計(jì)的前端超聲波行駛探測(cè)器會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量跟車距離并報(bào)警提醒，最大程度地避免追尾事故的發(fā)生。并且超聲波的傳播速度低，適用于測(cè)量較近的距離，再加上超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、成本低，因而常被用于距離的測(cè)量。 1922 年，德國出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。 國內(nèi)方面國內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于 20 世紀(jì) 50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開展超聲治療工作，從 1950 年首先在北京開始用 800KHz 頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至 50年代開始逐步推廣，并有了國產(chǎn)儀器。特別是 20 世紀(jì) 80 年代初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案該車輛行駛輔助系統(tǒng)分為硬件電路和控制軟件兩大部分。通過計(jì)算公式：s=vt/2 計(jì)算得出車輛與障礙物之間的距離；單片機(jī) I/O 口 P0 和 P2 分別作為顯示部分?jǐn)?shù)碼管的公共端引腳和位選信號(hào)端口，在計(jì)算出距離信息的同時(shí)控制數(shù)碼管顯示出來；^ 則分別作為報(bào)警指示燈和蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端口，當(dāng)程序判斷需要報(bào)警提醒時(shí)則通過 LED 燈或蜂鳴器將報(bào)警信號(hào)輸出。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。因此，被測(cè)距離為 s=vt/2。由于在實(shí)際車輛行駛輔助系統(tǒng)的應(yīng)用中，無法將探頭放置到另一端，因此該次設(shè)計(jì)采用反射波方式。在超聲波傳感器的采購過程中，所買到的是 TCT4010 系列超聲波換能器，其理論能測(cè)距的范圍是 4m，工作頻率為 40KHz。能夠正常觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷。超聲波在介質(zhì)中保持直線行進(jìn)；在兩種不同介質(zhì)的界面處發(fā)生反射；傳播速度服從波的傳輸定理：ν＝λf（ν 為波速，λ 為波長(zhǎng)，f 為波的頻率） 。其上限頻率為 100KHz、下限頻率為 20KHz。一般情況下，隨著溫度的升高，介質(zhì)的聲速降低；應(yīng)力增加，速度增加，但增加緩慢；組織晶粒越大，速度越低；石墨含量增加和尺寸增加，聲速減少。溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（m／s）313 319 325 323 338 344 349 386表 21 超聲波波速與溫度的關(guān)系表 超聲波的產(chǎn)生和使用頻率聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。超聲和可聞聲波本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成像所用的頻率范圍在 2~5MHz 之間，常用為 3~（每秒振動(dòng) 1 次為 1Hz，1兆 Hz=10^6Hz,即每秒振動(dòng) 100 萬次，可聞波的頻率在 16~20KHZ 之間） 。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。當(dāng)頻率低于 20KHz 時(shí)，工作噪音不僅變得很大，而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)定的安全噪音的限度。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面達(dá)到很高的要求。該系統(tǒng)主要是利用超聲波探測(cè)傳感器發(fā)送超聲波來測(cè)試相對(duì)應(yīng)的距離。它不僅可以利用在車輛行駛輔助系統(tǒng)中，還可以單獨(dú)作為測(cè)距儀器或者與其他檢測(cè)設(shè)備結(jié)合使用。超聲波測(cè)量的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是：環(huán)境介質(zhì)可以為空氣，液體或固體，適用范圍廣泛。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器正是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。圖21 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。第 3 章 相關(guān)知識(shí)介紹 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、程序存儲(chǔ)器 ROM、各種 I/O 端口和基本功能單元（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。（2）總線型/非總線型：這是按單片機(jī)是否提供并行總線來進(jìn)行區(qū)分。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的，還可以按照多種方法進(jìn)行劃分 [5]。（1）4 位單片機(jī) 4 位單片機(jī)的控制功能較弱，CPU 一次只能處理 4 位二進(jìn)制數(shù)。特別是 8 位機(jī)中的高性能增強(qiáng)型單片機(jī)，除片內(nèi)增加了 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時(shí)器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機(jī)主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的控制器。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)。（2）低功耗。幾乎所有的單片機(jī)都有 WAIT、STOP 等省電運(yùn)行方式。（4）低噪聲與高可靠性。但在需要復(fù)雜控制的場(chǎng)合，該存儲(chǔ)容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。主要是指進(jìn)一步改變 CPU 的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。與上述相反，以 4 位、8 位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內(nèi)。特別是 I2C、SPI 等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化及規(guī)范化 [7]。另外，它還增加了一個(gè)功能極強(qiáng)的、具有獨(dú)特應(yīng)用的 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 2 等多種功能。在編程電壓方面,AT89C 的編程電壓除正常工作的 5V 外,另 Vpp 需要 12V,而 AT89S僅僅需要 45V 即可?？垢蓴_性更強(qiáng):AT89S 內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器(Watchdog Timer),而 AT89C 需外接看門狗計(jì)時(shí)器電路,或者用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器構(gòu)成軟件看門狗來實(shí)現(xiàn)軟件抗干擾。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(E~PROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8 個(gè) TTL 邏 輯電平。 在 flash 編程時(shí)，P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。對(duì) P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。（7）EA/VPP：外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH） ，EA 端必須保持低電平（接地） 。（8）XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。（1）單片機(jī)的指令系統(tǒng)和程序編制：指令是一種可以供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，故它又稱為指令碼(Instruction Code)。A←data100100100 data2 24 data2 ADD A,data2。所謂程序就是采用指令系統(tǒng)中的指令根據(jù)題目要求排列起來的有序指令的集合。（2）單片機(jī)執(zhí)行程序的過程為了弄清單片機(jī)的工作原理，現(xiàn)以如下的 Y=5+10 求和程序來說明單片機(jī)的工作過程。其內(nèi)部電路由前置放大器，自動(dòng)偏置電平控制電路（ABLC） 、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成。表 32 引腳功能說明引腳 符號(hào) 功能 說明 電壓（V）① IN 遙控信號(hào)輸入端該腳和地之間連接著 PIN 光電二極管，該集成塊①腳輸入阻抗約 40177。電容量大為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容量小則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高。該腳和電源間連接一只約為 22 kΩ 電阻后，輸出脈沖低電平的標(biāo)準(zhǔn)值約為 。芯片共有 14 個(gè)接口，7 號(hào)接地,14 號(hào)接工作電壓 5V,另外的 12,34,56,89,1011,1213 分別是六個(gè)反向器。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。其各個(gè)部分也有一定的設(shè)計(jì)規(guī)格，具體說明如下：52 單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容 C1 的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用 10~30uF，52 單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。最小系統(tǒng)電路 [12]原理圖如圖 41 所示：圖 41 AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖 超聲波發(fā)生電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 42 所示。圖 42 超聲波發(fā)射電路原理圖壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。當(dāng)超聲波換能接收器接收到 40KHz 方波信號(hào)時(shí)，將會(huì)將此信號(hào)通過CX20226A 驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷 I/O 口。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20226A 接收超聲波(無信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。反之則不亮。該系統(tǒng)的顯示電路原理圖如圖 45 所示：圖 45 四位共陽極數(shù)碼管顯示電路 系統(tǒng)工作狀態(tài)指示及報(bào)警電路模塊系統(tǒng)的報(bào)警指示燈共分為三個(gè)：工作狀態(tài)指示燈（系統(tǒng)正常工作） 、工作狀態(tài)指示燈（又報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出的保護(hù)命令使車輛停止移動(dòng)）和前端報(bào)警指示燈（車輛前端超聲波探測(cè)器單元的報(bào)警信號(hào)輸出） ，分別用單片機(jī)的 、 端口輸出高電平驅(qū)動(dòng)使其點(diǎn)亮。同時(shí)考慮到車輛的電瓶電壓輸出是 24V，而 LM7805 的極限參數(shù)為 5V^24V，采用該穩(wěn)壓芯片可以很好的解決車載系統(tǒng)的供電問題。本系統(tǒng)根據(jù)超聲波測(cè)距原理用 AT89S52 單片機(jī)開發(fā)，整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由主程序和預(yù)制子程序、發(fā)射/接收子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序等功能模塊子程序組成。 超聲波發(fā)生與接收子程序超聲波測(cè)距模塊的原理為超聲換能發(fā)生器在 MCU 程序的驅(qū)動(dòng)下定時(shí)發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)器 T0（） ，利用計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)出的起始時(shí)間。其部分源程序如下：void main(void){ TMOD=0x21。TH0=0。 //允許 T0 中斷TR1=1。LED2=0。 //當(dāng) ECH0H 為零時(shí)等待 TR0=1。 //計(jì)算 StartModuleQ()。 //當(dāng) ECH0H 為 1 計(jì)數(shù)并等待 TR0=0。硬件的調(diào)試可以從編寫各個(gè)功能模塊的小測(cè)試程序開始，分別檢測(cè)確保各個(gè)模塊可以正常工作為止。將編譯好的程序下載到單片機(jī)中試運(yùn)行，然后需要根據(jù)具體運(yùn)行結(jié)果經(jīng)行反復(fù)修改調(diào)試，直至結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。收到中斷到中斷響應(yīng)停止計(jì)時(shí)之間的滯后：源于單片機(jī)的中斷機(jī)制，收到中斷信號(hào)后，單片機(jī)不可能立刻響應(yīng)，至少要完成當(dāng)前的指令，有時(shí)還要等待其它中斷服務(wù)結(jié)束，所以這個(gè)滯后時(shí)間也不確定，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的變化。溫度對(duì)聲波速度以及上述因素的影響：是源于環(huán)境的影響，由于溫度不同，音速會(huì)變化，通?？梢越柚鷾囟妊a(bǔ)償功能修正音速變化。距離檢測(cè)范圍為 5cm^300cm(理想工作狀態(tài)下)，誤差在 1cm 一下，前端與后端報(bào)警分別采用 LED 等和蜂鳴器用于區(qū)分報(bào)警信號(hào)。后端顯示數(shù)碼管：由于在車輛行駛過程中，危險(xiǎn)往往發(fā)生在不易觀測(cè)的車輛后部，所以該系統(tǒng)的后端超聲波檢測(cè)部分設(shè)計(jì)的較前端精密，且后端顯示數(shù)碼管從系統(tǒng)上電開始一直實(shí)時(shí)顯示車輛后端與障礙物或跟車車輛的距離信息。在此基礎(chǔ)上，本次設(shè)計(jì)最終完成了超聲波測(cè)距功能，以數(shù)碼管顯示距離信息并通過程序內(nèi)部判斷完成聯(lián)動(dòng)報(bào)警，完成了車輛行駛輔助系統(tǒng)的雛形，但與預(yù)期目標(biāo)相對(duì)照，系統(tǒng)在測(cè)量精度、測(cè)量范圍溢出處理等地方認(rèn)有許多不足之處。工作狀態(tài)指示燈：分為正常和停止兩個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)正常工作以及后端檢測(cè)距離大于 50cm 時(shí)， “正?！敝甘緹酎c(diǎn)亮；若該距離小于 50cm，除緊急報(bào)警外，還可以才去其他應(yīng)急初始，比如通過輸出信號(hào)強(qiáng)行斷開汽車電源使其停車以確保安全，在此只用“停止”指示燈作以說明。系統(tǒng)電源指示燈：當(dāng)系統(tǒng)上電后開始正常工作，指示燈點(diǎn)亮，反之熄滅。 操作說明本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最終得以完成，以 156*88*60cm 的塑料殼體封裝，正面各顯示部件通過標(biāo)簽作以說明，實(shí)物如圖 61 所示。計(jì)時(shí)器本身的誤差：差源于計(jì)時(shí)器本身，由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器，其穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度為 2050PPM 級(jí)別，對(duì)于音速而言，其帶來的誤差在 mm 級(jí)（10us 對(duì)應(yīng)340m/s 的音速） 。收到回波到被檢測(cè)出的滯后：源于檢測(cè)電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實(shí)際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號(hào)肯定存在滯后，這和回波信號(hào)強(qiáng)弱、檢測(cè)電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測(cè)距的核心。硬件電路制作完成并檢查好后，便可以進(jìn)行系統(tǒng)程序的編寫和調(diào)試。 //計(jì)算}}第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試及操作說明 系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試本設(shè)計(jì)的軟硬件都采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，這給系統(tǒng)的調(diào)試帶來了很大的便利。 //當(dāng) ECH0H 為零時(shí)等待 TR0=1。 //當(dāng) ECH0H 為 1 計(jì)數(shù)并等待 TR0=0。while(!Stop){ StartModuleH()。EA=1。 TR0=1。TH1=0xFD。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到回波信號(hào)所用