【文章內(nèi)容簡介】 的存在時，會接收到若干脈沖數(shù)目的反射信號，信號脈沖個數(shù)即反映了障礙物與測試系統(tǒng)的位置關(guān)系。返回的信號經(jīng)過 SPCE061A 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算，便可將障礙物的位置信息通過語音、二極管、 LCD的方式顯示出來， 其 硬件總體方案設(shè)計(jì) 框圖如圖 所示： 圖 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 1. 超聲波測距模塊 傳感器 就 是超聲波測距模塊，它是 整個倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的核心。本設(shè)計(jì)方案擬使用 3 個相同的超聲波測距模塊依次排布，組成一個傳感器陣，來檢測車后的障礙物位于車的左后，右后還是正后邊。 圖 超聲波測距原理 超聲波距離的 原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射 SPCE061A 轉(zhuǎn) 接 板 傳感器 傳感器 傳感器 LCD 顯示 語音報(bào)警 LED 報(bào)警 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。 單片機(jī) SPCE061A 的定 時器 B 產(chǎn)生 40KHz 的的信號為超聲波測距模組的提供超聲波信號，當(dāng)信號發(fā)出遇到障礙物后，信號將按原路返回，這時在車尾的 傳感器將檢測出返回來的超聲波信號。用 發(fā)射超聲波的時刻與接收到反射回波信號的時刻之間的時差與 超聲波在空氣中的傳播速度 相乘就可得出障礙物跟車尾的距離。 2. 轉(zhuǎn)接板 由于使用 3 個超聲波測距模塊，而 SPCE061A 的 I/O 口數(shù)目不滿足 3 個測距模塊同時直接相接，故使用集成芯片 CD4052 實(shí)現(xiàn)軟件對不同傳感器的選通與屏蔽。這樣只需要兩個端口就可完成測距，一個控制超聲波的發(fā)射，一個是檢測超聲波信號的接收信 號。 3. SPCE061A 凌陽 16位單片機(jī) SPCE061A 是本倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的控制器，也是數(shù)據(jù)處理的中心。它直接控制超聲波測距模塊進(jìn)行測距、處理模塊返回值并控制實(shí)現(xiàn)對外的報(bào)警功能 4. 語音報(bào)警 SPCE061A 作為 16 位單片機(jī)，其具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，可以通過其內(nèi)置的 DAC及自動增益控制 (AGC)功能，實(shí)現(xiàn)對外的語音報(bào)警。該部分電路已集成于 SPCE061A精簡開發(fā)板上。它 所具備的單芯片語音功能采用 語音提示的方式來指明在探測范圍內(nèi)哪一個方向有障礙物 . 只要距離在 ~ 之內(nèi)，就會有語音提示。超聲波 測距模組分別在左后方，右后方和正后方，當(dāng)超聲波測距模組的探頭探測出有障礙物時，就會有以下語音提示： 表 語音報(bào)警 表 情況一 情況二 情況三 條件 正后方和左后方與右后方同時有障礙物 左后方有障礙物 右后方有障礙物 語音提示 后方 左后方 右后方 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 5. LCD 顯示電路 使用 LCM1602A 液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn) LCD 顯示。由于 LCM1062A 僅能顯示 2 行共 32個字符，故實(shí)際顯示為 3個超聲波測距模塊中，測得距離最近的那個值。 6. 發(fā)光二極管 (LED)閃爍報(bào)警電路 三個發(fā)光二極管分別對應(yīng)三個超聲波測距模塊 。當(dāng)對應(yīng)的超聲波測距模塊探測到障礙物存在時，障礙物距離測距模塊越近，發(fā)光二極管閃爍的頻率就會越高。 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)軟件方案論證 軟件設(shè)計(jì)是超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。由于本系統(tǒng)使用凌陽SPCE061A 單片機(jī)，故整個軟件架構(gòu)需要遵循凌陽 μ 39。nSP IDE 編譯環(huán)境和對應(yīng)的單片機(jī)指令。軟件設(shè)計(jì)分為超聲波測距程序、語音播報(bào)程序、中斷程序、系統(tǒng)程序、 LCD 驅(qū)動程序、主程序六部分。各個部分函數(shù)都可相互調(diào)用又相對獨(dú)立可調(diào)，保證調(diào)試的便利與程序的可讀性。整個超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)軟件流程圖如圖 所示： 圖 軟件原理流程框圖 開始 初始化 超聲波測距子程序 數(shù)據(jù)處理子程序 顯示及報(bào)警子程序 結(jié)束 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 3 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的的一個重要部分。本章將詳細(xì)敘述超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)各部分硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容、元器件選擇及所設(shè)計(jì)的硬件電路實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。 SPCE061A 精簡開發(fā)板電路原理 SPCE061A 簡介 隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理（ DSP， Digital Signal Processing）等領(lǐng)域。凌陽的 16 位單片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而 設(shè)計(jì)的。它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽最新推出的 ?’n SP?（ Microcontroller and Signal Processor） 16 位微處理器芯片（以下簡稱 ?’n SP?）。圍繞 ?’n SP?所形成的 16 位 ?’nSP? 系列單片機(jī)（以下簡稱?’n SP?家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以 ?’nSP? 內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的ROM、 RAM 和功能豐富的各種外設(shè)接口部件。 特點(diǎn) : 1) 體積小、集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展 2) 具有較強(qiáng)的中斷處理能力 3) 高性能價格比 4) 功能強(qiáng)、效率高的指令系統(tǒng) 5) 低功耗、低電壓 電源模塊 SPCE061A 的內(nèi)核供電電壓為 ,而 I/O 端口可接 也可接 5V，考慮到超聲波測距模塊需要供電電壓在 以上時才能正常工作，故使用精簡開發(fā)板上提供的 5V電源。電源模塊的電路原理圖見圖 所示 ： 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 電源模塊的電路原理圖 放音模塊 由于本倒車?yán)走_(dá)需要實(shí)現(xiàn)語音提示障礙物的方向，故放音模塊便不可缺少。在SPCE061A 精簡開發(fā)板上便集成了以下放音模塊。 圖 放音模塊的電路原理圖 本設(shè)計(jì)的放音是利用 SPCE061A內(nèi)部的 DAC，圖中的 SPY0030是凌陽公司的產(chǎn)品。與 LM386 相比， SPY0030 有明顯的優(yōu)勢。 如 LM386 的工作電壓在 4V 以上，輸出功率低于 100mW,而 SPY0030 的工作電壓僅需 ，且輸出功率能達(dá)到 700mW 左右，較低的工作電壓，又能有很好的輸出效果，這使得本系統(tǒng)即使脫離固定電源，僅使用電池供電，也能完全正常工作。 超聲波測距模塊電路的設(shè)計(jì) 超聲波諧振頻率調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 超聲波諧振頻率調(diào)理電路原理圖如圖 ： 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 超聲波諧振頻率調(diào)理電路原理圖 由 SPCE061A 提供本電路工作所需要的 40KHz 方波，該信號經(jīng) CD4049 進(jìn)行頻率調(diào)理，以使超聲波傳感器發(fā)生諧振。從電路圖可以看出 CD4049 是由 6 個非門構(gòu)成的六反相緩沖器 /變換器，其引腳圖如圖 所示。由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比，使用 CD4049 能使由 SPCE061A 發(fā)出的振蕩信號的幅度增大一倍使超聲波傳播距離明顯的增長，測距的范圍得到擴(kuò)大。 圖 CD4049引腳圖 為了防止絕緣電阻下降而導(dǎo)致超聲波轉(zhuǎn)換性能的下降，在超聲波傳感器與信號調(diào)理電路之間需要串如一個耦合電容。通過它可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為等幅的交變電壓，保證了超聲波發(fā)射電路能夠長時間穩(wěn)定可靠的工作。 超聲波回波信號處理電路的設(shè)計(jì) 超聲波回波信號處理電路原理圖如圖 ： 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 超聲波回波信號處理電路原理圖 由于超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減程度與傳播距離成正比，其接收到的回波信號的幅值的單位通常在毫伏級甚至更小，所以超聲波回波信號處理電路的前級就需要提供很高的放大信號，使單片機(jī)能夠正常工作。本體統(tǒng)采用 NE5532 搭配外圍電路構(gòu)成 10000 倍放大器來對接收到的信號進(jìn)行放大處理。經(jīng)過處理的信號輸入至 LM311 的正端與 3腳提供的基準(zhǔn)電壓相比較然后輸出，若輸出為低電平，則說明無回波信號或信號太小，若輸出為高電平，則會被 SPCE061A 所接收然后做數(shù)據(jù)處理。 超聲波測距模式選擇電路 的設(shè)計(jì) 超聲波測距模式選擇電路的作用是為回波信號處理電路中 LM331提供電壓比較的基準(zhǔn)電壓，其電路原理圖如圖 。 由電路圖可知，該電路可為 LM331 提供 3組不同的電壓，分別對應(yīng)短距離測距，中距離測距和可調(diào)測距三種不同的測距模式。雖然本系統(tǒng)只需工作在短距離測試模式即可滿足設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，但為了軟件標(biāo)定的便利，及其他場合的應(yīng)用，該模塊依舊保留其他兩種模式測距的選擇跳線。 圖 超聲波測距模式選擇電路原理圖 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 轉(zhuǎn)接板電路的設(shè)計(jì) 文前已說明轉(zhuǎn)接板是在 SPCE061A I/O 數(shù)目不足，傳感器數(shù)量較多的情況下，針對 超聲波測距模塊的輸入輸出信號都是數(shù)字信號這一特點(diǎn)，沒有選擇擴(kuò)展SPCE061A 的口線，而是使用 CD4052 模擬開關(guān)來控制三個傳感器的選通與否。該部分電路圖見圖 。 圖 轉(zhuǎn)接板電路原理圖 CD4052 相當(dāng)于一個雙刀四擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的 2 位地址碼A0、 A1 來決定。 “ /E”是禁止端，當(dāng)“ /E” =1 時，各通道均不接通。此外， CD4052還設(shè)有另外一個電源端 VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān) 可傳輸峰－峰值達(dá) 15V 的交流信號。例如，若模擬開關(guān)的供電電源 VDD=＋ 5V， VSS=0V，當(dāng) VEE=－ 5V 時，只要對此模擬開關(guān)施加 0～ 5V 的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為－ 5V～＋ 5V 的模擬信號。 CD4052 芯片引腳圖如圖 所示。 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 CD4052引腳圖 顯示電路的設(shè)計(jì) 二極管閃爍報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 二極管閃爍報(bào)警電路結(jié)構(gòu)比較簡單，二極管直接與 SPCE061A 的 I/O 口相連，串聯(lián)一個限流電阻即可完成設(shè)計(jì)要求，該部分電路見圖 。 圖 二極管閃爍報(bào)警電路原理圖 LCD 顯示報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 由于使用的 LCM1602A 液晶模塊已經(jīng)模塊化，外圍電路較為簡單，不再給出。LCM1602A 各引腳定義見表 所示。 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 表 LCM1602A引腳定義表 各模塊接口分配 本系統(tǒng)是以 SPCE061A 為控制器，故以其為中心進(jìn)行接口分配。 SPCE061A 共有兩個 I/O 口，共 32 位。其中 IOB8， IOB9 兩口具 有 PWM脈寬調(diào)制輸出的特殊功能，IOB2， IOB3 具有外部中斷源輸入的特殊功能，故設(shè)計(jì) B 口的 IOB2， IOB9 作為超聲波測距模塊外部中斷輸入和 PWM信號輸出接口。同時 IOB11， IOB12， IOB13分別與LCD 顯示模塊的三根控制線 R/S， R/W， E 連接。 IOB0， IOB1 兩口與轉(zhuǎn)接板 CD4052的 A0， A1 相連，用于傳感器測量通道的選通。 A口的低 8 位作為 LCD顯示模塊的數(shù)據(jù)口， IOA12， IOA13， IOA14 三口與二極管閃爍報(bào)警模塊的接口相連。 沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 4 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 超聲波測距原理 本設(shè)計(jì)使用超 聲波脈沖法測距。聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)物體阻擋時就會發(fā)生反射。超聲波發(fā)射器發(fā)射信號后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)獲得反射信號時，停止計(jì)數(shù)，并查看計(jì)數(shù)值 N，通過計(jì)數(shù)值 N 得到超聲波信號的傳播時間 t,則距離 S 可由如下公式獲得： tvS ??21 () 其中速度 V即超聲波的傳播速度可用下列式計(jì)算 : TV ?? () T— 環(huán)境溫度 (℃ ) 因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的超聲波倒車?yán)走_(dá)對環(huán)境溫度的要求不高，故在本系統(tǒng)中無須添加溫度補(bǔ)償 單元。 假設(shè)室溫下聲波在空氣中的傳 播速度是 ，測量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間是 t 秒，則距離 d 可以由下列公式計(jì)算： )()/(33550 stscmd ?? () 由于 聲波經(jīng)過的距離是聲源與目標(biāo)之間的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該是d/2。 μ 39。nSP IDE 的項(xiàng)目文件管理的組織結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)使用的凌陽 16 位 SPCE061A 單片機(jī)，故軟件的設(shè)計(jì)及調(diào)試都需要在SUNPLUS μ 39。nSP IDE 軟件環(huán)境里實(shí)現(xiàn)。了解μ 39。nSP IDE 的項(xiàng)目文件管理的組織結(jié)構(gòu)，無論 是編寫還是閱讀代碼，都會更為便利。 如圖 所示， IDE 項(xiàng)目文件可分為源文件、頭文件和外部支持文件。一般代沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 碼編寫工作是在匯編源文件或 C語言源文件進(jìn)行的。當(dāng)需要編寫某寫硬件驅(qū)動時，可能會需要編寫 C語言頭文件，而其他文件一般不需要作變動。 圖 μ 39。nSP IDE的項(xiàng)目文件管理的組織結(jié)構(gòu)圖 軟件架構(gòu) 本系統(tǒng)的軟件部分?jǐn)M包含以下幾個模塊來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需要的功能。 主程序：主程序主要負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的工作流程，完成各函數(shù)的正常調(diào)用。