【正文】 位電路。其各個(gè)部分也有一定的設(shè)計(jì)規(guī)格，具體說(shuō)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。52 單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。52 單片機(jī)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(jī)越近越好。P0 口為開漏輸出，作為輸出口時(shí)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(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。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(jī) 端口輸出的 40KHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)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(dāng) CX20226A 接收到 40KHz 的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第 7 腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入，當(dāng)收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷。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。單片機(jī)在得到外部中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷服務(wù)程序進(jìn)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(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測(cè)距的超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖 43)。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20226A 接收超聲波(無(wú)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。適當(dāng)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(cè)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(jì)基于顯示需求采用兩個(gè)四位一體、共陽(yáng)極型七段數(shù)碼管作為顯示單元。其單個(gè)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(yáng)極七段數(shù)碼管公共端連接到 VCC，當(dāng)數(shù)碼管中的某一段被輸入低電平，則相應(yīng)的這一點(diǎn)被點(diǎn)亮。反之則不亮。四位一體的氣短數(shù)碼管在單個(gè)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(hào)端口。八個(gè)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(jī)上的 ^ 端口控制。八個(gè)數(shù)碼管則分別由各自的位選信號(hào)來(lái)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(yáng)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。報(bào)警蜂鳴器是便于區(qū)別前端報(bào)警指示燈，用于后端超聲波探測(cè)器單元的報(bào)警信號(hào)輸出，采用 5V 電壓?jiǎn)为?dú)供電，利用單片機(jī)的 端口輸出高電平接入PNP 三極管 9012 驅(qū)動(dòng)。電路設(shè)計(jì)如圖 46 所示：圖 46 報(bào)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(jī)及其他外圍電路的正常工作。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。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(jì) 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思想一個(gè)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(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言雖然在對(duì)硬件的控制能力上占著一定的優(yōu)勢(shì)，但是 C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且易學(xué)易用。因此本系統(tǒng)程序選用 C 語(yǔ)言編寫，采用美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)平臺(tái) Keil C51 作為開發(fā)環(huán)境。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。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(jì)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(hào)，控制定時(shí)器的啟動(dòng)和停止，檢測(cè)超聲波回波信號(hào)并計(jì)算，對(duì)顯示、報(bào)警子程序進(jìn)行調(diào)用。圖 52 主程序流程圖主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位定時(shí)計(jì)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(yù)制算法計(jì)算距離。計(jì)算的距離信息會(huì)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(yù)知子程序經(jīng)行判斷，從而采取預(yù)設(shè)的報(bào)警動(dòng)作。 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。當(dāng)超聲波信號(hào)遇到障礙物后會(huì)產(chǎn)生反射回波，超聲波接收電路接收到回波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)中斷計(jì)時(shí)器，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)并記錄接收到回波的時(shí)間。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)所用的時(shí)間差，就可以通過程序內(nèi)的距離算法公式計(jì)算出該車輛與障礙物之間的距離。距離的計(jì)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(lái)回所用的時(shí)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(shí)器TI=1。EA=1。 //開啟總中斷LED1=1。LED2=0。LED3=0。while(!Stop){ StartModuleH()。 while(!ECH0H)。 //當(dāng) ECH0H 為零時(shí)等待 TR0=1。 //開啟計(jì)數(shù) while(ECH0H)。 //當(dāng) ECH0H 為 1 計(jì)數(shù)并等待 TR0=0。 //關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut(1)。 //計(jì)算 StartModuleQ()。 while(!ECH0Q)。 //當(dāng) ECH0H 為零時(shí)等待 TR0=1。 //開啟計(jì)數(shù) while(ECH0Q)。 //當(dāng) ECH0H 為 1 計(jì)數(shù)并等待 TR0=0。 //關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut(0)。 //計(jì)算}}第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試及操作說(shuō)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(lái)了很大的便利。各個(gè)模塊先分別檢測(cè)調(diào)試，最后在集中進(jìn)行調(diào)試，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程中對(duì)問題的處理效率，也使得軟件設(shè)計(jì)清晰明了，大大加快了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)度。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。在硬件的設(shè)計(jì)過程中需要注意的是兩個(gè)換能器在安裝的時(shí)候其中心軸線必須平行且中心遠(yuǎn)點(diǎn)相距 3cm，這樣可以使超聲波的發(fā)送與接收達(dá)到最佳效果；根據(jù)輸入電壓的差別以及對(duì)系統(tǒng)靈敏度的要求可適當(dāng)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(jī)最小系統(tǒng)的制作過程中，焊接晶振的時(shí)候溫度不能太高，否則容易使晶振破裂，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)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(jìn)行系統(tǒng)程序的編寫和調(diào)試。之前編寫的小測(cè)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(gè)子程序綜合在一起組成。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)。 誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)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(shí)間）和超聲波測(cè)距的原理，可知影響測(cè)距誤差的最主要因素有以下幾點(diǎn) [15]：?jiǎn)?dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差：源于單片機(jī)一次只能處理一件事，所以啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)實(shí)際上是先后完成的，存在時(shí)差，但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略，即使需要彌補(bǔ)，也有可能。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。因?yàn)殪`敏度過高，則會(huì)將一些干擾信號(hào)誤作為回波，導(dǎo)致測(cè)量出錯(cuò)，如果過低，又大大限制了檢測(cè)距離。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。這個(gè)因素可以通過提高單片機(jī)速度，使用高優(yōu)先級(jí)中斷弱化之。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(lái)的誤差在 mm 級(jí)（10us 對(duì)應(yīng)340m/s 的音速） 。為減小此項(xiàng)誤差，應(yīng)該提高計(jì)時(shí)的最小單位，從而降低量化誤差，同時(shí)選用質(zhì)量好的晶振。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。由于時(shí)間與現(xiàn)階段掌握知識(shí)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(xué)習(xí)過程中可以將其進(jìn)一步改善。 操作說(shuō)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(shuō)明，實(shí)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(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)。系統(tǒng)具體操作說(shuō)明為：電源開關(guān)：控制整個(gè)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(dāng)系統(tǒng)上電后開始正常工作，指示燈點(diǎn)亮，反之熄滅。前端顯示數(shù)碼管：當(dāng)車輛前端遇障礙物且距離大于 50cm 小于 100cm 時(shí)，數(shù)碼管開始實(shí)時(shí)顯示距離信息；當(dāng)該距離小于 50cm，數(shù)碼管繼續(xù)顯示， “前端報(bào)警指示燈”閃爍報(bào)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(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。當(dāng)車輛后端遇障礙物且距離大于 200cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示，不啟動(dòng)報(bào)警程序；當(dāng)距離大于 100cm 小于200cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示， “后端報(bào)警蜂鳴器”發(fā)出較慢的提醒信號(hào)；當(dāng)距離大于 50cm小于 100cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器發(fā)出較快速的警示信號(hào)；當(dāng)距離小于 50cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器長(zhǎng)響作為緊急報(bào)警。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(shuō)明。圖 61 系統(tǒng)實(shí)物圖結(jié)論本設(shè)計(jì)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距車輛行駛輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，明確介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、功能目標(biāo)以及元器件的選型。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。車輛行駛輔助系統(tǒng)的計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)處理模塊、數(shù)碼管顯示電