【正文】 位電路。其各個部分也有一定的設(shè)計規(guī)格，具體說明如下：52 單片機最小系統(tǒng)復位電路的極性電容 C1 的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用 10~30uF，52 單片機最小系統(tǒng)容值越大需要的復位時間越短。52 單片機最小系統(tǒng)晶振 Y1 也可以采用 6MHz 或者 ，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，52 單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。52 單片機最小系統(tǒng)起振電容 CC3 一般采用 15~33pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好。P0 口為開漏輸出，作為輸出口時需加上拉電阻，阻值一般為 10k。最小系統(tǒng)電路 [12]原理圖如圖 41 所示：圖 41 AT89S52 單片機最小系統(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。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機 端口輸出的 40KHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R1R15 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。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。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。 超聲波接收電路使用 CX20226A 作為超聲波接收處理的典型電路，當 CX20226A 接收到 40KHz 的信號時，會在第 7 腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入，當收到超聲波時產(chǎn)生一個下降沿，接到單片機的外部中斷。當超聲波換能接收器接收到 40KHz 方波信號時，將會將此信號通過CX20226A 驅(qū)動放大送入單片機的外部中斷 I/O 口。單片機在得到外部中斷請求后，會轉(zhuǎn)入外部中斷服務(wù)程序進行處理。集成電路 CX20226A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測距的超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖 43)。實驗證明用 CX20226A 接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容 C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖 43 超聲波檢測接收電路 數(shù)碼管顯示電路七段數(shù)碼管是電子開發(fā)過程中常用的輸出顯示設(shè)備，本設(shè)計基于顯示需求采用兩個四位一體、共陽極型七段數(shù)碼管作為顯示單元。其單個靜態(tài)數(shù)碼管如下圖 44 所示：圖 44 單位七段數(shù)碼管由于共陽極七段數(shù)碼管公共端連接到 VCC，當數(shù)碼管中的某一段被輸入低電平，則相應(yīng)的這一點被點亮。反之則不亮。四位一體的氣短數(shù)碼管在單個靜態(tài)數(shù)碼管的基礎(chǔ)上加入了用于選擇哪一位數(shù)碼管的位選信號端口。八個數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、dp 都連接在了一起，使用單片機上的 ^ 端口控制。八個數(shù)碼管則分別由各自的位選信號來控制，被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關(guān)閉 [13]。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)指示及報警電路模塊系統(tǒng)的報警指示燈共分為三個：工作狀態(tài)指示燈（系統(tǒng)正常工作） 、工作狀態(tài)指示燈（又報警系統(tǒng)發(fā)出的保護命令使車輛停止移動）和前端報警指示燈（車輛前端超聲波探測器單元的報警信號輸出） ，分別用單片機的 、 端口輸出高電平驅(qū)動使其點亮。報警蜂鳴器是便于區(qū)別前端報警指示燈，用于后端超聲波探測器單元的報警信號輸出，采用 5V 電壓單獨供電，利用單片機的 端口輸出高電平接入PNP 三極管 9012 驅(qū)動。電路設(shè)計如圖 46 所示：圖 46 報警電路 穩(wěn)壓電源模塊LM7805 是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為 T0220。它有固定的 5V 電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛 [14]，并且正好保證該系統(tǒng) AT89S52 單片機及其他外圍電路的正常工作。同時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。系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源模塊電路原理圖如下圖 47 所示：圖 47 LM7805 穩(wěn)壓電源電路 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)程序設(shè)計思想一個系統(tǒng)的生命在于其內(nèi)部程序的控制，在小型嵌入式系統(tǒng)的程序編寫中應(yīng)用較多的是匯編語言和 C 語言。匯編語言雖然在對硬件的控制能力上占著一定的優(yōu)勢，但是 C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，并且易學易用。因此本系統(tǒng)程序選用 C 語言編寫，采用美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)平臺 Keil C51 作為開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)根據(jù)超聲波測距原理用 AT89S52 單片機開發(fā)，整個軟件采用模塊化設(shè)計，主要由主程序和預制子程序、發(fā)射/接收子程序、顯示子程序、報警子程序等功能模塊子程序組成。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 51 所示：圖 51 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 主程序流程設(shè)計主程序的流程圖如下圖 52 所示，主要完成系統(tǒng)的初始化，控制 I/O 端口連續(xù)產(chǎn)生 40KHz 的脈沖信號，控制定時器的啟動和停止，檢測超聲波回波信號并計算，對顯示、報警子程序進行調(diào)用。圖 52 主程序流程圖主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境進行初始化，設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并將顯示模塊的公共端 P0 和位選端 P2 清零，然后依次調(diào)用超聲波發(fā)生子程序和接收子程序經(jīng)中斷處理以及預制算法計算距離。計算的距離信息會經(jīng) P0 和 P2 端口控制顯示在數(shù)碼管上，并且系統(tǒng)調(diào)用預知子程序經(jīng)行判斷，從而采取預設(shè)的報警動作。 超聲波發(fā)生與接收子程序超聲波測距模塊的原理為超聲換能發(fā)生器在 MCU 程序的驅(qū)動下定時發(fā)出超聲波脈沖信號，同時啟動單片機內(nèi)部計時器 T0（） ，利用計時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)出的起始時間。當超聲波信號遇到障礙物后會產(chǎn)生反射回波，超聲波接收電路接收到回波時產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個中斷請求信號中斷計時器，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，計時器停止計時并記錄接收到回波的時間。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到回波信號所用的時間差，就可以通過程序內(nèi)的距離算法公式計算出該車輛與障礙物之間的距離。距離的計算公式為：s=vt/2其中， s 為車輛與障礙物之間的距離，v 為聲速，t 為聲波來回所用的時間。其部分源程序如下：void main(void){ TMOD=0x21。 //設(shè) T0 為方式 1，GATE=1；SCON=0x50。TH1=0xFD。TL1=0xFD。TH0=0。TL0=0。 TR0=1。 ET0=1。 //允許 T0 中斷TR1=1。 //開啟定時器TI=1。EA=1。 //開啟總中斷LED1=1。LED2=0。LED3=0。while(!Stop){ StartModuleH()。 while(!ECH0H)。 //當 ECH0H 為零時等待 TR0=1。 //開啟計數(shù) while(ECH0H)。 //當 ECH0H 為 1 計數(shù)并等待 TR0=0。 //關(guān)閉計數(shù) Conut(1)。 //計算 StartModuleQ()。 while(!ECH0Q)。 //當 ECH0H 為零時等待 TR0=1。 //開啟計數(shù) while(ECH0Q)。 //當 ECH0H 為 1 計數(shù)并等待 TR0=0。 //關(guān)閉計數(shù) Conut(0)。 //計算}}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)計的軟硬件都采用了模塊化的設(shè)計思想，這給系統(tǒng)的調(diào)試帶來了很大的便利。各個模塊先分別檢測調(diào)試，最后在集中進行調(diào)試，可以簡化設(shè)計過程中對問題的處理效率，也使得軟件設(shè)計清晰明了，大大加快了整個系統(tǒng)的設(shè)計進度。硬件的調(diào)試可以從編寫各個功能模塊的小測試程序開始，分別檢測確保各個模塊可以正常工作為止。在硬件的設(shè)計過程中需要注意的是兩個換能器在安裝的時候其中心軸線必須平行且中心遠點相距 3cm，這樣可以使超聲波的發(fā)送與接收達到最佳效果；根據(jù)輸入電壓的差別以及對系統(tǒng)靈敏度的要求可適當調(diào)整超聲波接收電路中與超聲波探頭并接的濾波電容 C11 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力；單片機最小系統(tǒng)的制作過程中，焊接晶振的時候溫度不能太高，否則容易使晶振破裂，導致系統(tǒng)無法正常工作，并且該問題不容易排查。硬件電路制作完成并檢查好后，便可以進行系統(tǒng)程序的編寫和調(diào)試。之前編寫的小測試程序在這里同樣有可以利用的地方，最終程序就是由各個子程序綜合在一起組成。將編譯好的程序下載到單片機中試運行，然后需要根據(jù)具體運行結(jié)果經(jīng)行反復修改調(diào)試，直至結(jié)果達到設(shè)計的預期目標。 誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 s=vt/2（v 是超聲波在空氣中的傳播速度，t 是超聲波傳播的時間）和超聲波測距的原理，可知影響測距誤差的最主要因素有以下幾點 [15]：啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差：源于單片機一次只能處理一件事，所以啟動發(fā)射和啟動計時實際上是先后完成的，存在時差，但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略，即使需要彌補，也有可能。收到回波到被檢測出的滯后：源于檢測電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實際回波到電路確認并輸出相應(yīng)信號肯定存在滯后，這和回波信號強弱、檢測電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測距的核心。因為靈敏度過高，則會將一些干擾信號誤作為回波，導致測量出錯，如果過低，又大大限制了檢測距離。收到中斷到中斷響應(yīng)停止計時之間的滯后：源于單片機的中斷機制，收到中斷信號后，單片機不可能立刻響應(yīng)，至少要完成當前的指令，有時還要等待其它中斷服務(wù)結(jié)束，所以這個滯后時間也不確定，從而導致測量結(jié)果的變化。這個因素可以通過提高單片機速度，使用高優(yōu)先級中斷弱化之。計時器本身的誤差：差源于計時器本身，由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器，其穩(wěn)定度和準確度為 2050PPM 級別，對于音速而言，其帶來的誤差在 mm 級（10us 對應(yīng)340m/s 的音速） 。為減小此項誤差，應(yīng)該提高計時的最小單位，從而降低量化誤差，同時選用質(zhì)量好的晶振。溫度對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，音速會變化，通?？梢越柚鷾囟妊a償功能修正音速變化。由于時間與現(xiàn)階段掌握知識不足的的關(guān)系，以上列出的誤差產(chǎn)生因素沒有一一得到解決，希望在以后的學習過程中可以將其進一步改善。 操作說明本次畢業(yè)設(shè)計的系統(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簽作以說明，實物如圖 61 所示。系統(tǒng)正常工作電壓為 5V，可以輸入 9^24V 通過系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)壓電源模塊降壓處理。距離檢測范圍為 5cm^300cm(理想工作狀態(tài)下)，誤差在 1cm 一下，前端與后端報警分別采用 LED 等和蜂鳴器用于區(qū)分報警信號。系統(tǒng)具體操作說明為：電源開關(guān)：控制整個系統(tǒng)的供電操作，按下電源開關(guān)則系統(tǒng)開始工作，反之停止工作。系統(tǒng)電源指示燈：當系統(tǒng)上電后開始正常工作，指示燈點亮，反之熄滅。前端顯示數(shù)碼管：當車輛前端遇障礙物且距離大于 50cm 小于 100cm 時，數(shù)碼管開始實時顯示距離信息；當該距離小于 50cm，數(shù)碼管繼續(xù)顯示， “前端報警指示燈”閃爍報警；若距離大于 100cm，則改功能模塊處于休眠狀態(tài)。后端顯示數(shù)碼管：由于在車輛行駛過程中，危險往往發(fā)生在不易觀測的車輛后部，所以該系統(tǒng)的后端超聲波檢測部分設(shè)計的較前端精密，且后端顯示數(shù)碼管從系統(tǒng)上電開始一直實時顯示車輛后端與障礙物或跟車車輛的距離信息。當車輛后端遇障礙物且距離大于 200cm 時，數(shù)碼管顯示，不啟動報警程序；當距離大于 100cm 小于200cm 時，數(shù)碼管顯示， “后端報警蜂鳴器”發(fā)出較慢的提醒信號；當距離大于 50cm小于 100cm 時，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器發(fā)出較快速的警示信號；當距離小于 50cm 時，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器長響作為緊急報警。工作狀態(tài)指示燈：分為正常和停止兩個狀態(tài)，系統(tǒng)正常工作以及后端檢測距離大于 50cm 時， “正?！敝甘緹酎c亮；若該距離小于 50cm，除緊急報警外，還可以才去其他應(yīng)急初始，比如通過輸出信號強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。圖 61 系統(tǒng)實物圖結(jié)論本設(shè)計介紹了一種基于單片機的超聲波測距車輛行駛輔助系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，明確介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、功能目標以及元器件的選型。在此基礎(chǔ)上，本次設(shè)計最終完成了超聲波測距功能，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)動報警，完成了車輛行駛輔助系統(tǒng)的雛形，但與預期目標相對照，系統(tǒng)在測量精度、測量范圍溢出處理等地方認有許多不足之處。車輛行駛輔助系統(tǒng)的計主要包括單片機最小系統(tǒng)處理模塊、數(shù)碼管顯示電