汽车倒车系统的设计-学位论文.doc

毕业设计报告（论文）题 目： 汽车倒车系统的设计 所 属 系： 自动化技术系 班 级： 电子0911班 - 2012届毕业设计（论文）摘 要 为了避免汽车倒车过程中发生碰撞，设计一种基于单片机的倒车雷达系统。通过测距方案选择，详细对比了激光测距、红外线传感器测距、毫米传感器测距、摄像系统测距、超声波传感器测距的优缺点，采用了超声波传感器测距的方案，详细介绍了超声波传感器的结构和基本工作原理。硬件电路包括单片机控制电路、超声波发射和接收电路、温度补偿电路、LCD显示电路、语音报警电路，同时也进行了相应的软件设计。设计的倒车雷达系统具有测距准确、可靠性较高、外围电路简单、实用性强等优点。关键词 倒车雷达系统超声波传感器测距系统硬件电路 I- - 2012届毕业设计（论文）目录1 前言2 测距方案选择2.1 激光测距2.2 红外线感器测距2.3 毫米波传感器测距2.4 摄像系统测距2.5 超声波传感器测距3 超声波测距系统设计3.1 超声波传感器的结构3.2 测距系统工作原理3.2.1 测渡越时间测量法3.2.2 测距系统的理论分析4 系统硬件电路设计4.1 超声波测距系统电路4.2 单片机控制电路4.2.1 单片机的选择4.2.2 单片机最小系统电路4.3 超声波发射和接收电路4.4 温度补偿电路4.5 LCD显示电路4.6 语音报警电路5 软件设计部分5.1 流程设计5.2 应用程序6 结论参考文献致谢II- 2012届毕业设计（论文）1 前言随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有了私家车。在享受汽车给人们带来便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。据初步调查统计，15的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。早期的倒车防撞仪可以测试车后一定距离范围的障碍物从而发出警报，后来发展到根据距离分段报警。随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，对汽车倒车雷达的要求也越来越高。本文设计的基于单片机AT89C51的倒车雷达，采用美国DAL-LAS 半导体公司生产的DS18B20单总线型数字温度传感器进行温度补偿提高了测距精度，采用OC-MJ12232液晶显示模块对车距进行实时显示和 ISD4004语音芯片实现了倒车雷达语音报警的功能，并可以根据距离的不同做出不同的语音提示。由于采用了超声波专用集成电路芯片LM1812，有效地提高了系统的可靠性和稳定性。倒车雷达的快速发展始于20世纪末21世纪初，经过几年的时间，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达在几年的时间里大致经过了六代的演变。第一代：倒车时通过喇叭提醒 。“倒车请注意”！想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.8m1.5m处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在1.8m开始显示；如果是人，在0.9m左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜色来区别：绿色代表安全距离；黄色代表警告距离；红色代表危险距离，必须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。第四代：液晶屏动态显示。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过LCD外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2m以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。第六代：专为高档轿车生产。第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：外观上看，比第五代产品更为精致典雅；功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。起初，倒车雷达只是宝马、奔驰等高档车型的专利，但是近几年，一些新出厂的中低档车型在配置中也增加了倒车雷达。上海通用06款别克凯越系列除三厢1.6LX MT之外，其余车型都加装了倒车雷达 (包括凯越1.8LS AT、凯越1.8LE AT、凯越1.6LE AT、凯越1.6LE MT，以及凯越HRV手动、自动两款车型)。一汽大众2006年6月以后生产的捷达GIF豪华型轿车均配置了后倒车雷达。此外，还有许多厂家在新推车的中低档车型中安装了倒车雷达，如：北京现代的伊兰特、索纳塔、途胜；东南汽车的三菱戈蓝、三菱蓝瑟；上海大众的帕萨特增值版POLO劲情；广州本田的雅阁、奥德赛、两厢飞度；神龙汽车的东风雪铁龙C6、新萨拉毕加索、爱丽舍、赛纳；江淮汽车的瑞风祥和；奇瑞汽车的A5 1.6；千里马汽车的 RIO千里马；长安福特汽车的蒙迪欧、两厢福克斯等等。2 测距方案选择目前，很多科研机构已对汽车倒车技术进行深入开发，国内外也已有相应的产品。经过总结分析，按照工作方式分主要有红外线、激光、毫米波、超声波等一些测量方法，它们的工作原理虽然不完全一样，但最终作用都是通过不同的探测方法判断车后方障碍物与本车的相对距离，并根据程序中定义好的危险等级做出相应的预防措施。2.1 激光测距激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成象式激光雷达和成象式激光雷达。非成象式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是：从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲问的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成象式激光雷达又可分为扫描成象激光雷达和非扫描成象激光雷达。扫描成象激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成象式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。由于非扫描成象激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成象速度在汽车测距系统中，激光测距的应用具有局限性。尽管非成象激光雷达更同成象式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。由于激光雷达测距仪在高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时激光测距方式受天气状态、汽车的震动及反射镜表面磨损、污染等因素影响较大，测距精度难以保证。所以在汽车防撞领域激光测距方式没有得到发展。2.2 红外线感器测距红外线测距和激光、超声波测距在原理上基本相同，均是根据发射波和反射时间来判断目标的距离，车载仪器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时问差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。红外线的最大探测距离为10m，测距时响应的时问较慢，约1000 ms。红外线测距在技术上难度不大，构成的测距系统成本较低，但是在恶劣的天气和长距离探测方面仍然不能满足汽车防撞的要求。同时，红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。由于任何物体在任何时候都会发出红外线，而且人类肉眼感知不到红外线，具有极强的隐蔽性。夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。2.3 毫米波传感器测距毫米波是指波长介于l10mm之间的电磁波，雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。汽车上应用的雷达采用的是30GHZ以上的毫米波雷达，毫米波雷达测距在原理上和以上几种测距方式类似。毫米波频率高、波长短，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高。毫米波雷达的主要特征有：(1)稳定的探测性能。不受被测物体表面形状、颜色等的影响；对大气紊流、气涡等具有适应性。(2)良好的环境适应性。毫米波雷达的穿透能力很强，其测距精度受雨、雪、雾及阳光等天气因素和杂音、污染等环境的影响较小，可以保证车辆在任何天气下的正常运行。作为车载雷达，目前适用的主要有脉冲多普勒雷达、双频CW雷达和FM雷达三种。应用雷达测距，需要防止电磁波干扰，雷达彼此之间的电磁波和其他通信设施的电磁波对其测距性能都有影响。毫米波雷达主要应用于防撞，以避免高速公路上发生追尾碰撞。但是，由于应用毫米波雷达测距易受电磁干扰，而且成本太高，结构复杂，其价格昂贵，市场价格在1500元以上，一般使用于高档轿车。2.4 摄像系统测距 CCD摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确、其线扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。双日摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢，而且探头容易磨损，使得探测距离精确程度降低，一般减少至原来的l213。2.5 超声波传感器测距超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介。超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。其原理犹如蝙蝠，它嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接收来判断是否检测到物体。超声波的应用领域非常广阔，比如军事上的声纳技术，工业上的无损探伤、测距、测厚，生物医学上的诊断和手术，农业上的超声育种、超声培苗、超声催产等。超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在1mV1V之间。超声波的特点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。入射超声波检测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果(实时检测)，能实现自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较短的响应时间，最终选用超声波传感器作为此方案的技术扩展。从以上五种测距技术方案的介绍可以看出各个传感器的优点和缺点：超声波技术主要用于短距离探测，成本低，制作安装简便，适应恶劣环境；红外线技术一般用于夜间环境，对环境适应性差：微波雷达测距和激光测距相对于超声波测距来讲精度更高，定位更准确。摄像系统技术价格较贵：毫米波雷达技术和激光技术的成本很高，所以运用其原理进行测量的设备价格也是相当高的，因而现在只是在比较高级的轿车中才有所应用。具体性能比较见表l为各种传感器测距方式的比较。表l各种传感器测距方式的比较超声波红外线摄像系统毫米波雷达激光最大探测距离10m10m大于100m大于150m可达150m响应时间约15ms1000ms取决处理时间 可达1ms 约10ms探头磨损污染等因素的影响几乎没有影响不大大较小很大成本比较约20元约80元大于1000元大于1500约500元环境适应性好差较差较好差综合以上考虑和实际应用条件，本系统的测距模块采用的是第五种方案，并在超声波测距技术方案的设计上进行了简化和改进。3 超声波测距系统设计3.1 超声波传感器的结构利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围己达m级，频率已扩大到GHz领域，分辨率达m量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。人们为研究和应用超声波，已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器：机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械式方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。超声波传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在60-300KHZ之问；中量程探测距离约为2m-10m，工作频率在40-60KHZ之间：大量程探测距离约为20-50m，工作频率在16-30KHZ之间。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单15晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT-4，PZT-5)等。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波传感器是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线，金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷品片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。 超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。当在两电极加交变脉冲信号(触发脉冲)时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。 通过对此信号的分析处理，可实现各种检测。压电陶瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波发射器才有较高发射效率，接收器才有较好接收灵敏度。 当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于遥控的超声传感器的中心频率一般为40KHz。3.2 测距系统工作原理 距离公式： 距离(S)=时间(T)X速度(V)。 在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。 利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。本超声波测距仪采用渡越时间检测法。超声波测距原理如图1所示。在超声波发射器两端输入10个40kHZ脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波。通过空气，介质传播到被测面，由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为V=344ms(20。C时)依据公式s=（12)vt得距离s。图1超声波测距原理图 3.2.1 测渡越时间测量法 1) 直接计时法 每隔一定时间发射一串超声波脉冲(一串10个)，在发射脉冲串时刻开始单片机定时器计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止单片机TO计时。单片机定时器所计时间，即为传播渡越时间。超声波是一种声波，其声速与温度有关，V=331.45+0.607t，t为摄氏温度，声速高低影响距离值。2) 相位法 测距仪由震荡电路发出一定频率变化的正弦波，由超声波换能器转换成声波。发出的声波到达被测面，经被测面反射，超声波换能器接收端获得调制声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。假设震荡电路波形往返一个角，声波在被测的距离上往返一次需要的时间t为t=w。该方法是一种相位测量方法，但是由f相位测量存在以2n为周期的多值解，从而造成解的不确定性。为了消除这种小确定性，再引入通常的包络检测来消除这种不确定性，从而实现高精度测距。发射二个频率不同的声波，测定与这二个并发声对应的回波信号的相位，根据所测相位进行测距的一种高精度的超声波测距方法。同时使用二个回波的相位以及包络信息，排除了以2n为周期的相位上的不确定性。因此可以得到较高的测量精度。从相位检测角度来看。测量二个不同频率信号的相位和包络相对比较简单快速。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的：A=A(X)cos(wt+kx) A(X)=A0e-ax 频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短，同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。权衡这两点，为达到良好的测距效果，选用频率厂=40kHZ的超声波。 采用合适的频率和波长，使用超声波传感器测距，频率取得太低，外界杂音干扰多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。并且，超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收泄漏波。改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高发射波频率。但发射波串长过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射脉冲群含有816个脉冲，具有较好传播能。3.2.2 测距系统的理论分析 由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。理论上，在13的海水罩声音的传播速度为1500ms。在盐度水平为35，深度为0m温度为0的环境下，声波的速度为1449.3ms。声音在25空气中传播速度的理论值为344ms，这个速度在0时降为334ms。声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。它和温度的关系可以用以下公式表示：c=331.45+0.61T(米秒)。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。 由超声波被混泥土等墙面反射，只需考虑反射波，不考虑透射波。超声波方向性强，扩散少，多次被反射，但多次反射的反射波不易被超声波接收器接收，可以不予考虑。折射波不会被接收，也不予考虑。超声波在传播过程中存在能量损耗，波束多种路径传播，存在着多种干扰信号，但接收器一般只能接收到被被测面垂自反射的信号，因为这个信号晟强，因此，也就滤掉了其它回波等干扰信号。使正确地接收正确信号成为可能。时间由单片机定时器To得到。 超声波测距仪己经应用于某些领域，与传统的测距仪相比，它具有原理简单，易于控制，且具有非接触测量、价格低廉等优点。超声波测距仪的接收器可能接收到三种干扰信号： 1) 面反射的信号。 2) 侧面物体漫反射的信号。 3) 直达信号，即从超声波发射器自接接收信号。 当三种信号幅值足够大，放大后淹没了有用信号时，将会使处理器产生误解，输出错误结果。因此，设计中需避免此类信号进入超声波接收器，或者进入接收器后滤掉，或者处理器及时辨识，不予处理。 利用超声波传感器及设计的硬件电路，可以及时辨识有用的超声波回波信号，利用单片机计时，得时间，时间与速度相乘，得距离。 利用超声波测距方便快捷有效，具有可行性。4 系统硬件电路设计4.1 超声波测距系统电路障碍物超声波接收电路超声波发射电路单片机LCD显示电路语音报警电路温度报警电路超声波传感器图2超声波测距系统整个系统由微处理器控制，根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射电路发射超声波，超声波在空气中传播至障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收换能器接收并转换成电信号，再经滤波、放大、整形后，输入到微处理器的外部中断口1NT0处产生中断，计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。它的各部分电路的说明如下。 1) 单片机系统是超声波测距仪的核心部分，主要任务有：控制一个4KHZ的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器能最大效率工作；实现串口通讯：T0计时；完成测距数据的计算和处理软件除干扰。 2) 超声波发射电路作用是将振荡电路振荡出40KHZ的脉冲信号，信号幅值是18V(可调节)，脉冲信号将驱动超声波发射传感器，发射超声波。 3) 超声波接收电路主要包括微弱信号放大，电压比较中断信号输出、温度测量电路等部分。它是用来对接收到的回波进行放大和整形，即将回波信号转换成单片机的中断信号。通过分析声速受温度的影响，设计温度测量电路，温度测量电路是实时测量出测量时空气中的温度，再将实时温度换成实时的速度，以保证测量距离的精度。 4) 通过显示电路将测距结果实时地显示出来。 5) 电源电路，该电路可以产生稳定的+5V和可调的电压+5+37V。4.2 单片机控制电路4.2.1 单片机的选择应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测，51芯片可能最终形成事实上的标准MCU芯片。 51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128个位，相应位地址为00H7FH），使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可。51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即 MULAB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。 在51系列中，还有一条二进制-十进制调整指令 DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。 Intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4K字节的一次性程序存储器（OTP）。Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器（Flash），容许改写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品AT89C51、AT89C52 等成为了当今最流行的八位单片机。 51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十A甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现，I/O脚不通，电流经R驱动LED发光；低电平时，I/O脚导通，电流由该脚入地，LED灭（I/O脚导通时对地的电压降小于1V，LED的域值1.51.8V）。 51系列I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。故其他系列的单片机（如PIC系列、AVR系列等）对I/O口进行了改进，增加了方向寄存器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。 一些简装的51产品也相应出现，如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051等（闪速存储器分别为1K、2K、4K等，但不能外接数据存储器），指令系统与AT89C51完全兼容，但引脚均为20脚，不光体积小，而且价格低廉，这使得其他的公司竞相仿照。基于以上51系列单片机的优点，我选择51单片机作为本课题的控制处理器。4.2.2 单片机最小系统电路 图3 单片机最小系统电路系统控制部分的核心是ATMEL公司生产的AT89C51。AT89C51采用40引脚的双列直插式封装(DIP)形式，内部由CPU，4 KB的ROM，256 B的RAM，2个16位的定时计数器T0和T1，4个8位的IO端口和一个全双工串行通信口等部分组成。AT89C51单片机具有系统结构简单，成本低，可靠性高，低功耗等特点。特别是内部集成了4 KB的FLASH程序存储器，使单片机系统的结构更加简单，也使其得到了广泛的应用。同时，它还具有高级语言编程的特点，指令丰富，软件开发简单。 AT89C51单片机是整个系统的核心部件，其作用是控制超声波专用集成芯片LM1812的发射和接收，对计时器的计数结果进行数据处理后送入LCD显示以及控制语音报警电路工作。4.3 超声波发射和接收电路本系统采用超声波专用集成电路LM1812作为超声波发射和接收电路的主控芯片。LM1812是一种通用型超声波收发器，主要用在各种各样的测距、定向和通信中。芯片包括一个脉冲调制C类发射器，一个高增益接收器，一个脉冲调制检测器及噪音抑制电路。LM1812第1脚外接L1，C1决定了电路发送或接收的工作频率，其工作频率为：改变电感L1，电容C1的值可以改变振荡频率(本系统中0为40 kHz)，最高可达325 kHz。当LM1812的8脚为高电平时，LM1812处于发射模式；当8脚为低电平时，LM1812处于接收模式。值得注意的是，单片机到LM1812的连接要进行512 V的电平转换。当LM1812处于发射模式时，L1，C1振荡槽路被切换为振荡模式，振荡信号经驱动放大后，由13脚及6脚输出。6和13脚之间所接变压器线圈的匝数比是根据TCF40-25TR1型收发一体式超声波传感器的阻抗来确定的。实验证明，变压器线圈的匝数比大约为4：1时可实现与超声波发送器阻抗相匹配。超声波接收器接收到的超声波信号经电容耦合由4脚输入，再经内部两级放大后同由1脚的谐振回路取出的信号一起送到检测器。当检测到超声波回波信号时，LM1812的14脚(与单片机的INT0端相连)变为低电平，使单片机的T0计数器停止计数。图4超声波发射和接收电路4.4 温度补偿电路图5 温度补偿电路温度补偿电路采用了美国DALLAS半导体公司的DS18B20单总线型数字温度传感器。单总线即只用一根信号线来传输数据，而且数据传输是双向的，单总线具有“线与”功能，连接方便，便于扩展。DS18B20集温度测量、AD转换于一体，具有体积小、动态范围宽、测量精度高等优点。4.5 LCD显示电路图6 LCD显示电路本系统显示电路采用金鹏电子的OCMJ12232液晶显示模块，此液晶模块内含字库，能非常方便地显示汉字。OCMJ12232液晶和单片机 AT89C51的接口电路如图6所示，其中OCMJ12232液晶的15脚接地，即采用串口通信方式。显示内容包括倒车距离和车外温度两部分，分两行显示：第一行显示倒车距离，第二行显示车外温度。倒车距离以cm为单位，精确到0.1 cm；温度以为单位，精确到O.1。4.6 语音报警电路图7 语音报警电路本系统的语音报警电路采用ISD4004语音芯片。ISD4004和单片机AT89C51之间的连接较少。单片机的P00接ISD4004的片选引脚SS，控制ISD4004是否选通；P0l接ISD4004的串行输入引脚MOSI，从该引脚读入放音的地址；P02接ISD4004的串行输出引脚MISO；P03接ISD4004的串行时钟引脚SLCK；P04接拨动开关，用于选择录音或者放音；P05接STOP按钮，用来对ISD4004进行复位；P06接AN按钮，按下时ISD4004开始工作；P33(INT1)接ISD4004的中断引脚INT。ISD4004芯片所需要的连接还有音频信号输出引脚AUD OUT，该引脚通过一个滤波电容，经功率放大电路LM386后与扬声器连接；MIC接入ISD4004：的录音信号输入端(ANA IN-、ANA IN+)；AMCAP为自动静音端，使用时通过一电容接地。此外，由于ISD4004的工作电压为3 V，而单片机所需供电电压为5 V，因此需要采用LM317变压电路得到3 V电压供ISD4004使用。当倒车距离大于3 m时，语音提示为“倒车安全”；当倒车距离在23 m之间时，语音提示为“倒车”；当倒车距离在12 m之间时，语音提示为“倒车小心”；当倒车距离在051 m之间时，语音提示为“倒车危险”；当倒车距离小于05 m时，语音提示为“非常危险，紧急停车”。5 软件设计部分5.1 流程设计软件设计采用模块化设计，由主程序、测温及声速修正子程序、T0中断子程序、距离计算子程序、LCD显示子程序和语音报警子程序等模块组成。主程序流程图如图8所示。 开始初始化温度及声速修正中断子程序收到回波否距离计算LCD显示语音报警碍物音报警NY图8软件主程序流程图程序初始化后，先调用测温及声速修正子程序对声速进行修正。当进行超声波测距时，单片机发出一个宽为125s的脉冲信号，此脉冲信号控制超声波集成电路 LM1812发射5个40 kHz的超声波脉冲串。T0定时器定时30 ms，即每隔30 ms发射5个40 kHz的超声波脉冲串。发射脉冲串的同时单片机的T0计数器开始计数，一旦接收到回波信号立刻停止计数。利用距离计算子程序对测得的时间和修正后的声速进行数据处理后，将结果送入LCD显示和进行语音报警。5.2 应用程序 #include REG51.h#include io.h#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define uint unsigned int uint distance_limi; un