汽車泊車輔助系統設計

汽車泊車輔助系統設計,汽車,泊車,停車,輔助,系統,設計 本科學生畢業(yè)設計 汽車泊車輔助系統設計 系部名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程 07-3 學生姓名： 祁皓 指導教師： 齊益強 職 稱： 實驗師 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一一年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Design of Car Parking Auxiliary System Candidate：Qi Hao Specialty：Vehicle Engineering Class： BW07-3 Supervisor：Experimentalist Division.Qi Yiqiang Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 I 摘 要 隨著我國經濟的快速發(fā)展，交通運輸車輛及私家用車的不斷增加，不可避免的交 通問題瞬時成為人們關注的問題。其中由于泊車事故發(fā)生的頻率高，已引起了社會和 交通部門的高度重視。泊車事故發(fā)生的原因是多方面的，造成泊車時的事故率遠大于 汽車正常行駛時的事故率，尤其是非職業(yè)駕駛員以及女性更為突出。而泊車事故給車 主帶來許多麻煩，不僅經濟上，更有人身傷害，例如撞上別人的車，如果傷及兒童更 是不堪設想，基于此基礎，汽車高科技產品中，專為汽車泊位設置的“汽車泊車輔助 系統”應運而生，汽車泊車輔助系統的加裝可以解決司機的不少麻煩，大大降低了泊 車事故的頻率。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經 常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時 控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。本系統工作過程中超聲波發(fā)射器 發(fā)出一系列的脈沖信號，由單片機對接收的信號依據時間差進行處理，自動計算出車 與障礙物之間的距離。超聲波測距原理簡單，成本低，制作方便，但其傳輸速度受天 氣影響較大，不能精確測距；因此大都用于汽車倒車雷達等近距離測距中本文根據聲 波在空氣中傳播反射原理，以超聲波換能器為接口部件 該設計由超聲波發(fā)射模塊、信號接收模塊、單片機處理模塊、數碼顯示以及聲光 報警顯示模塊等部分組成，文中詳細介紹了測距器的硬件組成、檢測原理、方法以及 軟件結構。接收電路使用 NE5532 及 LM311 芯片對回波信號進行整波，對衰減后的信 號進行了放大和整波，更好的實現了超聲波的接受，對單片機提供外部中斷信號。 關鍵詞：超聲波；報警；AT89S52；設計；調試 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 II ABSTRACT With the rapid development of our economy, transportation vehicles and private cars, inevitably increase traffic problems instantaneous become people concern. The accident happened because of high frequency meter has attracted social and communications departments are highly valued. Parking the cause of the accident is various, the accidents caused by parking when normally running far outweigh its car accident rates, especially the female driver and nonprofessional is more prominent. And parking accident brings a lot of trouble for owners, not only economically, more personal injury, such as hitting someone else's car, if injury and children is unimaginable, based on this foundation, car high-tech product, designed for car parking garages Settings “car auxiliary system“ appeared, car parking auxiliary system can solve the driver with a lot of trouble, and greatly reduce the frequency of parking accident. Due to the strong ultrasonic directivity slowly, and energy consumption in a medium transmission distance is farther, thus ultrasonic often used for distance measurement. Using ultrasonic detection tend to be quick, convenient, simple calculation, easy to achieve real- time control, and the precision in the measurement of industrial practical requirement can achieve. This system work process issued a series of ultrasonic pulse signal transmitter, by SCM according to receive the signal processing, automatic calculation lag between the distance between the car and the obstacles. Ultrasonic ranging principle, low cost, simple production convenient, but its transmission speed greatly influenced by the weather, not accurate location; So mostly used in automobile reverse radar etc close ranging according to airborne sound in ultrasonic transducer, reflected in the principle for interface components This design by ultrasound module, the signal receiving module and single-chip microcomputer processing module, digital display and the acousto-optic alarm display module components, this paper introduces in detail the range finder hardware composition, measuring principle, method and software structure. Receiving circuit NE5532 and LM311 chips used to echo signal of the wave, the attenuation of signal amplifier and the whole wave, better realize the ultrasound accepted, the SCM provide external interrupt signal. Keywords: ultrasonic; Alarm; AT89S52 devices; Design; debugging 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘要………………………………………………………………………………………I Abstract…………………………………………………………………………………II 第 1 章 緒論………………………………………………………………………………1 1.1 課題的研究目的…………………………………………………………………1 1.2 課題的的研究現狀………………………………………………………………2 1.3 課題主要內容……………………………………………………………………3 第 2 章 汽車泊車輔助系統工作原理及硬件選擇………………………………4 2.1 汽車泊車輔助系統工作原理……………………………………………………4 2.2 超聲波測距原理………………………………………………………………4 2.3 單片機控制芯片………………………………………………………………5 2.4 超聲波發(fā)射與接收芯片……………………………………………………8 2.5 本章小結…………………………………………………………………………10 第 3 章 泊車輔助系統電路設計……………………………………………………11 3.1 超聲波發(fā)射電路…………………………………………………………………11 3.2 超聲波接收電路…………………………………………………………………11 3.3 報警電路…………………………………………………………………………12 3.4 顯示電路…………………………………………………………………………13 3.5 本章小結…………………………………………………………………………14 第 4 章 軟件設計………………………………………………………………………15 4.1 汽車泊車輔助系統測距的算法及系統程序設計………………………15 4.2 主程序…………………………………………………………………………16 4.3 超聲波發(fā)生子程序……………………………………………………………18 4.4 超聲波接收中斷子程序…………………………………………………………19 4.5 顯示子程序………………………………………………………………………19 4.6 本章小結………………………………………………………………………23 第 5 章 各硬件單元的焊接及系統整體測試與調整……………………………24 5.1 系統硬件焊接………………………………………………………………24 5.2 系統硬件的測試………………………………………………………………25 5.3 系統軟件調整……………………………………………………………………36 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5.4 本章小結…………………………………………………………………………28 結論………………………………………………………………………………………29 參考文獻…………………………………………………………………………………30 致謝………………………………………………………………………………………31 附錄………………………………………………………………………………………32 附錄 A 英文文獻與中文參考譯文… ………………………………………………32 附錄 B 整機原理圖… ………………………………………………………………39 附錄 C 實物效果圖…………………………………………………………………42 附錄 D 材料清單…………………………………………………………………… 44 附錄 E 源程序……………………………………………………………………… 46 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 1 - 第 1 章 緒 論 1.1 課題研究目的 隨著我國經濟的快速發(fā)展，交通運輸車輛及私家用車的不斷增加，不可避免的交 通問題瞬時成為人們關注的問題。其中由于泊車事故發(fā)生的頻率高，已引起了社會和 交通部門的高度重視。泊車事故發(fā)生的原因是多方面的，造成泊車時的事故率遠大于 汽車正常行駛時的事故率，尤其是非職業(yè)駕駛員以及女性更為突出。而泊車事故給車 主帶來許多麻煩，不僅經濟上，更有人身傷害，例如撞上別人的車，如果傷及兒童更 是不堪設想，基于此基礎，汽車高科技產品中，專為汽車泊位設置的“汽車泊車輔助 系統”應運而生，汽車泊車輔助系統的加裝可以解決司機的不少麻煩，大大降低了泊 車事故的頻率。由于存在視覺盲區(qū)，無法看清車附近狀況，司機在泊車時很容易發(fā)生 事故。為了減少帶來的損失，需要有一種專門幫助司機安全泊車的裝置。目前市場上 用于輔助司機泊車的裝置主要有：語音告警裝置、后視系統以及倒車雷達等。語音告 警裝置用于播放提示語以提醒車后的行人注意避讓正在泊車的汽車。這種裝置價格便 宜且使用方便，缺點是只能對車后的行人起告警作用，對于其他障礙物則不起作用， 所以其應用范圍有限。后視系統是由視頻捕捉裝置和視頻播放裝置組成，通過視頻司 機可以很直接地看到車后的障礙物。由于這類裝置的價錢較高，目前還沒有普及。 汽車泊車輔助系統，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者后視鏡的顯示通告 司機車附近的狀況，解除了司機泊車和啟動車輛時前后左右探視所引起的麻煩，并幫 助司機解決由視覺引起的缺陷，提高駕駛的安全性，泊車輔助系統的原理與普通雷達 一樣，是根據蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設計開發(fā)的。通 過感應裝置發(fā)出超聲波來判斷前方是否有障礙物，以及障礙物的距離、大小、方向、 形狀等。只不過由于倒車雷達體積大小及實用性的限制，目前其主要功能僅為判斷障 礙物與車的距離，并做出提示。司機在倒車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制下， 由車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產生回波信號，傳感器接收到回波 信號后經控制器進行數據處理，從而計算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物 的位置，再由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，從而使司機倒車時不至于撞上障礙物。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 2 - 1.2 課題的研究現狀 通常的汽車泊車輔助系統主要由感應器（探頭） 、主機、顯示設備等三部分組成。 感應器發(fā)出和接受超聲波信號，并將接受到的信號傳輸到主機，再通過顯示設備顯示 出來。感應器裝在后保險杠上，以角 45 度輻射，檢測目標，能探索到那些低于保險 杠而駕駛員從后窗又難以看見的障礙物并報警，如花壇、蹲在車后玩耍的兒童等；顯 示設備裝在儀表板上，提醒駕駛員汽車距后面物體還有多少距離，到危險距離時，蜂 鳴器就開始鳴叫，提示駕駛員停車。根據感應器種類不同，汽車泊車輔助系可分為粘 貼式、鉆孔式和懸掛式。粘貼式感應器后有 1 層膠，可直接粘在后保險杠上；鉆孔式 感應器是在保險杠上鉆一個洞，然后把感應器嵌進去；懸掛式感應器主要用于載貨車。 根據顯示設備種類不同，汽車泊車輔助系又可分為數字式、顏色式和蜂鳴式。數字式 顯示設備是一只如傳呼機大小的盒子，安裝在駕駛臺上，直接有數字表示汽車與后面 物體的距離，并可精確到 1 厘米，讓駕駛員一目了然。汽車泊車輔助系發(fā)展到現在已 經歷經 5 代。 第一代的汽車泊車輔助系是轟鳴器。倒車時，如果車后 1.5 米-1.8 米處有障礙 物，轟鳴器就會開始工作，轟鳴越急，表示車輛離障礙物越近。沒有語音提示，也沒 有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠，對駕駛員幫助 不大。 第二代汽車泊車輔助系可以顯示車后障礙物離車的距離。這一代產品有兩種顯示 方式，數碼顯示產品顯示距離數字，而波段顯示產品由三種顏色來區(qū)別：綠色代表安 全距離，表示障礙物離車體距離有 0.8 米以上；黃色代表警告距離，表示離障礙物的 距離只有 0.6 米-0.8 米；紅色代表危險距離，表示離障礙物只有不到 0.6 米的距離， 必須停止倒車。 第三代用液晶熒屏顯示，特別是熒屏顯示開始出現動態(tài)顯示系統。不用掛倒檔， 只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現汽車圖案以及車輛周圍的障礙物的距離。該雷達動 態(tài)顯示，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過液 晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強，所以誤報也較多。 第四代魔幻鏡汽車泊車輔助系，采用了最新仿生超聲雷達技術，配以高速電腦控 制，可全天候準確地測知 2 米內的障礙物，并一不用等級的聲音提示和直觀的顯示提 醒駕駛員。魔幻鏡倒車雷達把后視鏡倒車雷達、免提電話、溫度顯示和車內空氣污染 顯示等多功能整合在一起，并設計了語音功能，是目前市面上最先進的倒車雷達系統。 其外型就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內空間，直接安裝在車內倒視鏡的位置。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 3 - 第五代汽車泊車輔助系是專門為高檔轎車生產的，它的整合了高檔轎車具備的影 音 系統，可以在顯示器上觀看 DVD 影像。因為是新品，售價也較高。 汽車泊車輔助系的發(fā)展實際上已經融入了整車的設計，隨著技術的成熟，價格 的降低，倒車雷達將會逐漸普及成為標準配置。 1.3 課題研究的主要內容 利用超聲波測距原理，通過超聲波傳感器以及一系列的電器元件最終將汽車與障 礙物之間的距離對汽車駕駛員進行提醒。 從而解決汽車駕駛員在進行泊車的時候，由于視覺盲區(qū)，所導致事故的問題。 具體來說，本設計的第二章，對超聲波測距原理和汽車泊車輔助系統的工作原理 進行了介紹并給出了超聲波測距原理圖以及汽車泊車輔助系統工作原理圖。而且對系 統硬件中需要使用的主要電子元器件進行了選擇。第三章將對系統中，超聲波發(fā)射及 接受電路進行設計，還將對測距顯示電路及報警電路進行設計。在第四章中，將對系 統的軟件進行設計。其中包括主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序顯示 子程序。第五章中，將對設計好的系統硬件進行焊接，最后將軟件編寫在系統硬件中， 并進行調試，使系統運轉正常。 本設計主要解決的問題是： 第一、對系統的硬件進行設計 第二、對系統軟件進行編寫 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 4 - 第 2 章 汽車泊車輔助系統工作原理及硬件選擇 2.1 汽車泊車輔助系統工作原理 以單片機作為主控電路元件，以 12MHZ 晶振作為標準脈沖振蕩電路元件，通過軟 件編程實現 40KHZ 方波的產生，經過放大驅動超聲波發(fā)射探頭產生諧振，發(fā)射超聲波 信號，同時單片機開中斷并開始計時，超聲波信號遇到障礙物后反射回來被超聲波接 收探頭接收，經過整形濾波及放大驅動音頻譯碼器 LM311，鎖相后，該芯片 8 腳變?yōu)?低電平接在 INT1 上，關中斷，計時結束，根據超聲波測距原理：L=ct/2，調用測距 子程序，計算距離。除了設計主測距電路外還需設計好電源部分、聲光報警部分，及 其接口部分，以便很好的與上位機通訊，進行實時控制。系統工作原理圖如下： 圖 2.1 汽車泊車輔助系統工作原理圖 2.2 超聲波測距原理 在超聲波探測電路中, 發(fā)射端輸出一系列脈沖方波, 其寬度為發(fā)射超聲波與接收 超聲波的時間間隔, 被測物距越遠, 脈沖寬度越大, 輸出脈沖個數與被測距離成正比。 超聲波測距的方法有多種, 如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相 位檢測法雖然精度高, 但檢測范圍有限可檢測到汽車倒車中, 其障礙物與汽車的距離； 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文硬件設計采用超聲波往返時間檢測法, 其測 量原理圖如圖所示。 發(fā)射探頭 放大電路 AT89S52 數碼管顯示 報警接受探頭 放大電路 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 5 - 圖 2.2 超聲波測距原理圖 其原理為: 在超聲波發(fā)射器兩端輸入40KHZ 脈沖串, 脈沖信號經過超聲波內部振 子, 振蕩產生機械波, 并通過空氣介質傳播到被測面, 由被測面反射到超聲波接收器 接收, 在超聲波接收器兩端, 信號是毫伏級的正弦波信號, 超聲波經氣體介質的傳播 到接收器的時間, 即為往返時間。 超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法,其中常用脈沖回波法測距。超聲波測 距的原理一般采用渡越時間法 ,其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波, 超聲波在空氣中傳 播至障礙物, 經反射后由超聲傳感器接收反射脈沖, 測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的 時間, 再乘以超聲波在空氣中的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離, 即： L=c·t/2 (1) 式（1）中, L 為超聲傳感器與被測障礙物之間的距離, c 為超聲波在介質(空氣) 中的傳輸速率, t 為超聲波從發(fā)射到接收的時間。超聲波在空氣中的傳播速度為: 00cT?? , 其中 T 為絕對溫度數值, 0273.15Tk?, 031.4Cms?。在測量精度 不是很高的情況下, 一般可以認為 c 為常數 340m/s。由于溫度影響超聲波在空氣中 的傳播速度；超聲波反射回波又很難精確捕捉,致使超聲波在空氣中傳播的時間很難 精確測量。這些因素是使用超聲測距引起誤差的原因。 2.3 單片機控制芯片 AT89S52 是一種低功耗、高性能 cmos 8 位微控制器，具有 8K 在系統可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產 品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規(guī)編程 器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾 多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 6 - 圖 2.3 AT89S52 管腳圖 （1）主要特性： 與 MCS-51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000 寫/擦循環(huán) 數據保留時間：10 年 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器/計數器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 （2）管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 7 - P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它 可以被定義為數據/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸 出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下 拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。 并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣 故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出 地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據 存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗 時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門 電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由 于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時 間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 8 - （3） 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內 振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。 有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任 何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 （4） 芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非 空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種 軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數器，串 口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止所用 其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 2.4 超聲波發(fā)射與接收芯片 2.4.1 超聲波發(fā)射芯片 在超聲波發(fā)射電路中，需要對超聲波發(fā)射器進行驅動，所以需要在電路中連接一 個超聲波傳感器的驅動器。 74ls04 為六組反向器， 共有54/7404、 54/74H04、 54/74S04、 54/74LS04 四種線 路結構形式。 其引腳圖如下： 圖 2.4 74ls04 引腳圖 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 9 - 2.4.2 超聲波接受芯片 超聲波接受電路中用到兩個芯片，在超聲波接受器后先用 NE5532 運算放大器， 對已經衰減的超聲波信號進行放大。是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器。 相比 較大多數標準運算放大器，如 1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅動能力 和相當高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應用在高品質和專業(yè)音響設備， 儀器和控制電路和電話通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建議使用 5532A 版， 因為它能保證噪聲電壓指標。其特點是更好的噪聲性能，提高輸出驅動能力和相當高 的小信號和電源帶寬，這使得該器件特別適合用在專業(yè)的儀器和控制電路中。前兩級 放大電路構成 10 000 倍的放大器，對正弦波信號進行足夠放大。其主要電特性如下： NE5532 極限參數： 參數 符號 NE5532 單位 電源電壓 Vcc ±22 V 差分輸入電壓 Vdif ±13 V 輸入電壓 Vi 提供電壓 V 功耗，T A=25℃ PD 1100 mW 工作溫度 TOPR 0~70 ℃ NE5532 電氣參數 參數 符號 測試條件 最小值 標準 最大值 單位 輸入失調電壓 VIO - - 0.5 4.0 mv 輸入失調電流 IIO - - 10 150 nA 輸入偏置電流 IBIAS - - 200 800 nA 供電電流 ICC - - 6.0 16 mA 輸入電壓范圍 VI(R) - ±12 ±13 - V 共模抑制范圍 CMRR TA=25℃ 70 100 - dB 電源抑制比 PSRR TA=25℃ 輸出電壓范圍 VO(P-P) RL≥600Ω ±12 ±13 - V 輸入電阻 RI TA=25℃ 30 300 - KΩ 短路電流 ISC - - 38 - mA 過調 OS RL=600Ω,CL=100P F - 10 20 % 電壓增益 GV f=10kHz 2 2.2 - V/mv 增益帶寬 GBW CL=100PF, RL=600Ω 8 10 - MHz 轉換速率 SR RL=1K,CL=100PF RL=600Ω - 6 8.0 V/us 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 10 - 輸入噪聲電壓 eN fo=30Hz fo=1kHz - 8.0 5.0 - nv/√Hz 其引腳圖如下： 圖 2.5 NE5532 引腳圖 在運算放大器后，還要對已經放大的信號進行整波，所以本設計選用 LM311。LM311 是一種多用途的電壓比較器，采用集成 LM311-8 比較器對前級放大信 號進行調理。其主要特性如下表 LM311 絕對最大額定值： Total Supply Voltage (V84) 總供給電壓（V84） 36V Output to Negative Supply Voltage (V74)輸出到負電源電壓 （V74） 40V Ground to Negative Supply Voltage (V14) 地到負電源電壓 （v14) 30V Differential Input Voltage 差分輸入電壓 ±30V Input Voltage (Note 13) 輸入電壓（注 13） ±15V Power Dissipation (Note 14) 功耗（注 14） 500 mW ESD Rating (Note 19) ESD 額定值（注 19） 300V Operating Temperature Range 工作溫度范圍 0℃ to 70℃ Output Short Circuit Duration 210℃ 10 sec 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 11 - LM311 電氣特性： Parameter 參數 Conditions 測試條件 Min 最小 Typ 典型 Max最大 Units單位 Input Offset Voltage 輸入偏移電壓 （注 16） TA=25℃, RS≤50k 2.0 7.5 mV Input Offset Current 輸入失調電流 （注 16） TA=25℃ 6.0 50 nA Input Bias Current 輸入偏置電流 TA=25℃ 100 250 nA Voltage Gain 電壓增益 TA=25℃ 40 200 V/mV Response Time (Note 17) 響應時間 （注 17） TA=25℃ 200 ns Saturation Voltage 飽和電壓 VIN≤?10 mV, IOUT=50 mA TA=25℃ 0.75 1.5 V Strobe ON Current (Note 18) TA=25℃ 2.0 5.0 mA Output Leakage Current 輸出漏電流 VIN≥10 mV, VOUT=35V TA=25℃, ISTROBE=3 mA V? = Pin 1 = ?5V 0.2 50 nA Input Offset Voltage 輸入偏移電壓 （注 16） RS≤50K 10 mV Input Offset Current 輸入失調電流 （注 16） 70 nA Input Bias Current 輸入偏置電流 300 nA Input Voltage Range 輸入電壓范圍 ?14.513.8,-14.713.0 V Saturation Voltage 飽和電壓 V+≥4.5V, V?=0 VIN≤?10 mV, IOUT≤8mA 0.23 0.4 V Positive Supply Current 正電源電流 TA=25℃ 5.1 7.5 mA Negative Supply Current 負電源電流 TA=25℃ 4.1 5.0 mA LM311 引腳圖如下： 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 12 - 圖 2.6 LM311 引腳圖 2.5 本章小結 本章中，主要對本設計的系統工作原理;超聲波測距原理進行了分析與概括，還 對系統控制芯片以及超聲波發(fā)射與接受模組中用到的單片機和芯片進行了選擇。 在設計的過程中，對于超聲波測距原理，其大部分信息來自老師的講解。在設計 之初對超聲波測距原理及汽車泊車輔助系統的工作原理完全沒有思路，在老師的指導 下，查閱大量資料，才對汽車泊車輔助系統的原理有了較深刻的認識與理解。 在單片機與超聲波發(fā)射與接受模組芯片的選擇中，主要本著以下幾點原則，性能 優(yōu)異；各元件兼容性；各元件的電壓以及系統整體的經濟性。保證系統能夠運行并且 運行穩(wěn)定的前提下，降低設計成本。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 13 - 第 3 章 超聲波傳感器電路設計 3.1 超聲波發(fā)射電路 在超聲波發(fā)射電路中，由單片機提供的 40KHz 方波信號由 74LS04 的第三引腳 接入集成電路，再由 2 引腳連接第 5 引腳、11 引腳和 14 引腳，再用第 4 引腳連接 7 引腳和 9 引腳，最后由第 6 引腳，第 10 引腳，第 12 引腳，第 15 引腳分別連接電容 負方向。 圖 3.1 超聲波發(fā)射電路原理圖 考慮到發(fā)射頭一般需要 5 個方波周期達到穩(wěn)定震蕩狀態(tài)的 95%，經 1.5 倍上升時 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 14 - 間達穩(wěn)定震蕩狀態(tài)的 99%。為保證最大程度的觸發(fā)，單片機每組產生 12 個帶寬為 12 μs 的方波經調理電路傳到發(fā)射頭。 在發(fā)射電路中， 總 是 可 以 區(qū) 分 為 驅 動 的 源 和 被 驅 動 的 負 載 。 如 果 負 載 電 容 比 較 大 ， 驅 動 電 路 要 把 電 容 充 電 、 放 電 ， 才 能 完 成 信 號 的 跳 變 ， 兩 個 連 接 在 傳 感 器 的 電 容 能 夠 幫 助 壓 電 式 超 聲 波 換 能 器 （ 超 聲 波 發(fā) 射 探 頭 ） 一 方 面 提 高 反 向 器 的 驅 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 震 蕩 的 時 間 。 3.2 超聲波接收放大電路 超聲波在空氣中傳播的衰減程度隨傳播距離的增加而增大，所以反射回來被接收 頭收到的信號非常微弱，不能直接送入后級電路處理，首先要經過信號放大。超聲波 接收放大電路如下圖： 圖 3.2 超聲波接收電路原理圖 被接收頭收到的回波信號為正弦波信號，信號強度一般只有幾十毫伏。接收部分 前置放大電路是由集成運放 NE5532 組成的自舉式同向交流放大電路。前兩級放大電 路構成 10 000 倍的放大器，對正弦波信號進行足夠放大。后級采用集成 LM311-8 比 較器對前級放大信號進行調理，通過 IN-引腳引入一個標準電平，輸入包絡信號的電 位高于標準電平則為 1，低于標準電平則為 0，將包絡信號轉變?yōu)閱纹瑱C可識別的中 斷脈沖信號。當與單片機的中斷輸入端相連的 LM311 的第 7 管腳輸出一個低電平時， 計數器立即停止計時并保存數據。 3.3 報警電路 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 15 - 聲光報警是指當汽車泊車輔助系統探測到的距離小于所設定的安全值時，發(fā)出聲 音提醒駕駛員，報警電路設計如下圖所示。報警電路模塊由 VCC 電源驅動，當所測距 離小于所設安全值時，89C51 單片機發(fā)出信號，設置報警狀態(tài)，信號由 pnp 型三極管 進行放大，總而驅動蜂鳴器發(fā)聲對駕駛員進行提示。 圖 3.3 報警電路原理圖 3.4 顯示電路 在顯示電路中，本設計選用 3 個 1 位共陰極數碼管，由于本設計是應用數碼管的 動態(tài)顯示，故對數碼管做動態(tài)驅動，動態(tài)驅動是將所有數碼管的 8 個顯示筆 “a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外每個數碼管的共極 com 增加位選通控 制控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制。 3.5 本章小結 本章中對汽車泊車輔助系統的各模塊電路進行了設計。在本設計中，發(fā)射電路所 需的 40KHz 方波由 89C51 單片機提供，經 CD4049 集成芯片對超聲波發(fā)射器進行驅動， 從而發(fā)出超聲波，再由超聲波接受器接收信號，經 NE5532 放大，LM311 芯片正波， 再將信號傳入單片機進行中斷，本設計中，89C51 單片機進行運算，顯示驅動，報警 信號的發(fā)出等工作，再由數碼管，蜂鳴器完成距離顯示和報警的工作。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 16 - 第 4 章 軟件設計 4.1 汽車泊車輔助系統測距的算法及系統程序設計 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器的計數功能記 錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端 產生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請 求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。 4.2 主程序 晶振采用 6M，P1 口為數碼管段輸出口，P3.0~P3.2 為數碼管位輸出口，P3.5 超 聲波發(fā)送輸出，P3.7 超聲波接收。 超聲波測距 中斷入口程序 ORG 0000H ljmp start ORG 002BH 主程序 void main() //主函數 { EA=1; //開中斷 TMOD=0x11; //設定時器 0 為計數，設定時器 1 定時 ET0=1; //定時器 0 中斷允許 ET1=1; //定時器 1 中斷允許 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 17 - TH0=0x00; TL0=0x00; TH1=0x9E; TL1=0x57; csbds=0; csbint=1; csbout=1; cl=0; ōpto=0xff; jpjs=0; sj1=45; sj2=200; sj3=400; k4cl(); TR1=1; while(1) { keyscan(); if(jpjssj3) { buffer[2]=0x76; buffer[1]=0x76; buffer[0]=0x76; } else if(s=1; //循環(huán)右移 1 位 } } 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 20 - void timeToBuffer()//轉換段碼功能模塊 { xm0=s/100; xm1=(s-100*xm0)/10; xm2=s-100*xm0-10*xm1; buffer[2]=convert[xm2]; buffer[1]=convert[xm1]; buffer[0]=convert[xm0]; } void delay(i) { while(--i); } void timer1int (void) interrupt 3 using 2 { TH1=0x9E; TL1=0x57; csbds++; 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 21 - if(csbds=40) { csbds=0; cl=1; } } void csbcj() { if(cl==1) { TR1=0; TH0=0x00; TL0=0x00; i=10; while(i--) { csbout=!csbout; } TR0=1; i=mqs; //盲區(qū) 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 22 - while(i--) { } i=0; while(csbint) { i++; if(i=2450) //上限值 csbint=0; } TR0=0; TH1=0x9E; TL1=0x57; t=TH0; t=t*256+TL0; s=t*csbc/2; TR1=1; cl=0; } } 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 23 - 4.6 本章小結 本章中隊系統的軟件進行了設計，主程序的設計中主要有主程序復位，數碼管和 計數器的初始化，在發(fā)射了方波之后，是否有回波被接收到，決定了程序的復位還是 外部中斷，在沒有回波的情況下，主程序執(zhí)行復位動作，繼續(xù)發(fā)射方波，直到接收到 回波，單片機進行外部中斷，執(zhí)行顯示子程序，最后結束。在定時器中斷子程序中， 先進行定時器初始化，執(zhí)行發(fā)射子程序，在發(fā)射未完成的情況下繼續(xù)執(zhí)行發(fā)射子程序， 當發(fā)射完成后，推出定時器中斷子程序，并返回主程序。在外部中斷子程序中，由外 部中斷入口開始，執(zhí)行關總中斷，關計數器中斷，送單片機數值，計算距離，后打開 中斷返回主程序。在設計過程中，遇到了很多困難，在老師的幫助下，對遇到的困難 進行了解決， 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 24 - 第 5 章 各硬件單元的焊接及系統整體測試與 調整 5.1 系統硬件焊接 在電路板的制作過程中，元件的焊接是非常重要的一個環(huán)節(jié)，焊接質量直接影響 到電路工作的可靠性。因此，焊接技術是完成硬件焊接的基本功，只有熟練的掌握焊 接技術，才能保證電路的焊接質量，以減少電路在調試中的不必要的故障隱患。所以， 在進行系統硬件的焊接之前，必須對電路的焊接技術進行學習。 焊接質量包括：電器的可靠連接，機械性能牢固和光潔美觀三個方面，其中最關 鍵的一點是必須避免虛焊。 使用工具：內熱式電烙鐵;焊錫絲；助焊劑（松香） ；尖嘴鉗，偏口鉗，鑷子，小 刀等。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 25 - 圖 5.1 焊接工具 在焊接過程中出現的問題： 1、焊錫用量過多,形成焊點的錫堆積；焊錫過少,不足以包裹焊點。 2、冷焊。焊接時烙鐵溫度過低或加熱時間不足,焊錫未完全熔化、浸潤、焊錫表 面不光亮(不光滑),有細小裂紋。 3、夾松香焊接,焊錫與元器件或印刷板之間夾雜著一層松香,造成電連接不良。 若夾雜加熱不足的松香,則焊點下有一層黃褐色松香膜；若加熱溫度太高,則焊點下有 一層碳化松香的黑色膜。對于有加熱不足的松香膜的情況,可以用烙鐵進行補焊。對 于已形成黑膜的,則要“吃“凈焊錫,清潔被焊元器件或印刷板表面,重新進行焊接才行。 4、焊錫連橋。指焊錫量過多,造成元器件的焊點之間短路。這在對超小元器件及 細小印刷電路板進行焊接時要尤為注意。 5、焊劑過量,焊點明圍松香殘渣很多。當少量松香殘留時,可以用電烙鐵再輕輕 加熱一下,讓松香揮發(fā)掉,也可以用蘸有無水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊劑。 6、焊點表面的焊錫形成尖銳的突尖。這多是由于加熱溫度不足或焊劑過少，以 及烙鐵離開焊點時角度不當浩成的內。 5.2 系統硬件的調試 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 26 - 由于本設計涉及的模塊比較多，包括了超聲波測距模塊，單片機模塊，顯示報警， 所以調試起來比較費力，設計的不定因素也比較多，所以，調試的時候采用了分塊調 試的方法，排除了各個模塊的干擾。 在電路安裝完畢后，不要急于通電測試，而首先必須做好調試前的檢查工作。 檢查連線情況。 經常碰到的有錯接（即連線的一端正確，而另一端誤接）、少接（指安裝時漏接 的線）及多接（指在電路上完全是多余的連線），等連線錯誤。檢查連線可以直接對 照電路原理圖進行，但若電路中布線較多，則可以以元器件（如運放、三極管）為中 心，依次檢察查其引腳的有關連線，這樣不僅可以查出錯接或少接的線，而且也較易 發(fā)現多余的線。 為確保連線的可靠，在查線的同時，還可以用萬用表電阻檔對接線作連通檢查， 而且最好在器件外引線處測量，這樣有可能查出某些“虛焊”的隱患。 檢查元器件安裝情況：元器件的檢查，重點要查集成運放、三極管、二極管、電 解電容等外引線與極性有否接錯，以及外引線間有否短路，同時還須檢查元器件焊接 處是否可靠。這里需要指出，在焊接前，必須對元器件進行檢測，確保元器件能正常 工作，以免給調試帶來不必要的麻煩。 檢查電源輸入端與公共接地端間有否短路在通電前，還需用萬用表檢查電源輸入 端與地之間是否存短路，若有則須進一步檢查其原因。 在完成了以上各項檢查并確認無誤后，才可通電調試，但此時應注意電源的正、 負極性不能接反。 5.3 系統軟件調整 在程序燒寫前，要對 AT89S52 單片機程序燒寫的設備進行了解，本設計采用的 匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器碼的一 種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的 CPU，其匯編語言 可能有所差異，所以不易移植。所以本次設計選用 C 語言。 對于目前普遍使用的 RISC 架構的 8bit MCU 來說，其內部 ROM、RAM、STACK 等資 源都有限，如果使用 C 語言編寫，一條 C 語言指令編譯后，會變成很多條機器碼，很 容易出現 ROM 空間不夠、堆棧溢出等問題。而且一些單片機廠家也不一定能提供 C 編 譯器。而匯編語言，一條指令就對應一個機器碼，每一步執(zhí)行什么動作都很清楚，并 且程序大小和堆棧調用情況都容易控制，調試起來也比較方便。所以在資源較少單片 機開發(fā)中，建議采用匯編語言比較好。 C 語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編 語言的功能。C 語言有功能豐富的庫函數、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 27 - 植性，而且可以直接實現對系統硬件的控制。C 語言是一種結構化程序設計語言，它 支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下結構化程序設計技術。此外，C 語言程序具 有完善的模塊程序結構，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保 障。因此，使用 C 語言進行程序設計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用 C 語言來編寫目 標系統軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充， 從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統，用 C 語言進行單片機程序設計是單片機開 發(fā)與應用的必然趨勢。所以作為一個技術全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統開發(fā)的單片 機開發(fā)人員最好能夠掌握基本的 C 語言編程。使用 C 語言肯定要使用到 C 編譯器， 以便把寫好的 C 程序編譯為機器碼，這樣單片機才能執(zhí)行編寫好的程序。 KEIL UVISION2 是眾多單片機應用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不 同公司的 MCS51 架構的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持，PLM， 匯編和 C 語言的程序設計，它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易 學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。因此本系統采用 KEIL UVISION2 進行軟件的編寫和調試。 超聲波接收發(fā)射調試過程 把燒錄好的芯片放置在電路中，接上電源，檢驗程序是否如自己所設計的那樣可 以實現所要求的功能。如果電路板上的結果和設想的不同，由于在硬件檢查部分已經 確定了硬件沒問題。則應該是軟件部分即程序方面的問題。需要檢查程序。首先檢查 紅外接收部分，用示波器檢查紅外接收管的輸出口或是 INT0 口的波形是否正確。紅 外接收部分沒有問題后再調試電機部分，看電機是否能按照遙控要求那樣轉動。然后 是超聲波部分，主要看數碼管的現實是否正常，還有就是控制按鈕是否按要求控制。 因為前面已經確定硬件沒有問題了，所以，在軟件調試的時候可以結合硬件來在線調 試，這樣很直觀，而且發(fā)現問題也很容易。 調試程序如下： #define k1 P3_4 #define csbout P3_5 #define csbint P3_7 #define csbc=0.034 #define bg P3_3 unsigned char csbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,key,jpjs; unsigned char convert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 - 28 - unsigned int s,t,i, xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,s