汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】

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I 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計 摘要： 隨著現(xiàn)代社會交通運輸?shù)男枨笕找嬖鲩L，現(xiàn)代汽車的行駛速度越來越快，相應(yīng)的安全問題也愈發(fā)被重視。于是有了安全氣囊、安全座椅等的發(fā)展，但只是減輕事故后的人員受傷程度解決不了問題，要從源頭上減少事故的發(fā)生才是根本。電子控制技術(shù)在交通安全方面的應(yīng)用發(fā)展應(yīng)運而生。 本設(shè)計研究 的是 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)，利用超聲波 不易受外界環(huán)境影響且測量精度高等特點，設(shè)計出 了以 片 為主控芯片 的 智能 防撞預(yù)警系統(tǒng)， 闡述 了超聲波測距的原理并設(shè)計出了 所 需的硬、軟件系統(tǒng)， 提出 了 要 實現(xiàn)系統(tǒng)功能 所需 的關(guān)鍵性 技術(shù)和一些相關(guān)問題 。本文中所設(shè)計的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)對于提高車輛行駛安全性，降低交通事故發(fā)生的風(fēng)險 從而 保障安全駕駛具有重要的意義。 關(guān)鍵詞： 片；超聲波；測距；汽車防撞 in of is So is of to of to of is in of is a of is to as of of ut of to in is of to of of so as to 錄 摘要?????????????????????????????????? I ????????????????????????????? 目錄????????????????????????????????? 緒論 .................................................................. 1 車防撞預(yù)警系統(tǒng)簡介 .................................................. 1 車防撞預(yù)警系統(tǒng)定義 ................................................ 1 車防撞系統(tǒng)組成 .................................................... 1 前 研究所 面臨的主要問題 ............................................ 1 車防撞預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展 現(xiàn)狀 ............................................ 1 內(nèi)外 汽車 測距系統(tǒng)設(shè)計方案 ............................................ 3 波雷達測距方式 .................................................... 3 米波雷達測距方式 .................................................. 3 聲波雷達測距方式 .................................................. 3 光雷達測距方式 .................................................... 3 外線雷達測距方式 .................................................. 4 于視覺的智能防撞 .................................................. 4 車互通信測距系統(tǒng) .................................................. 4 傳感器 組合 防撞系統(tǒng) ................................................ 4 課題研究的主要內(nèi)容 .................................................. 5 2 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)總體 設(shè)計方案 .......................................... 6 統(tǒng)設(shè)計方案 .......................................................... 6 聲波傳感器的選擇和測距原理 ......................................... 7 聲波傳感器的選擇 ................................................. 7 聲波 的 測距原理 ................................................... 8 感器位置 ............................................................ 9 計方案的論證 ........................................................ 9 于設(shè)計的必要性 ................................................. 9 結(jié)構(gòu)、工作原理和選型依據(jù) ...................................... 10 示器件的選擇 ....................................................... 12 章小結(jié) ............................................................. 12 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ......................................................... 13 片設(shè)計 ......................................................... 13 片 的 引腳功能 ................................................... 13 片最小系統(tǒng) ..................................................... 17 口通信電路設(shè)計 ..................................................... 17 聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計 ............................................. 18 聲波發(fā)射電路設(shè)計 ................................................. 18 聲波接收電路設(shè)計 ................................................. 19 示 報警模塊設(shè)計 ..................................................... 21 碼管顯示模塊設(shè)計 ................................................. 21 警模塊 的 設(shè)計 ..................................................... 22 統(tǒng)整體電路 ......................................................... 22 章小結(jié) ............................................................. 23 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ......................................................... 24 統(tǒng)軟件設(shè)計整體框架 ................................................ 24 聲波發(fā)射接收模塊 ................................................... 24 頻模塊 ............................................................ 24 數(shù)處理 ............................................................ 24 描顯示模塊 ........................................................ 25 于 聲波測距系統(tǒng)性能分析 ..................................... 25 5 總結(jié)與展望 ........................................................... 27 文的主要工作和結(jié)論 ................................................ 27 望 ................................................................ 27 附錄 ................................................................... 29 V 參考文獻 ............................................................... 30 致謝 ................................................................... 31 1 1 緒論 車防撞預(yù)警系統(tǒng)簡介 車防撞預(yù)警系統(tǒng)定義 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)屬于車輛碰撞警告系統(tǒng)的組件，是預(yù)防車輛相互碰撞的一種智能系統(tǒng)。它會自動檢測周圍車輛，以便采取措施來避免與行人或障礙物的碰撞，并對駕駛員進行提示或者自動采取一系列規(guī)避行為，從而避免碰撞的發(fā)生。該系統(tǒng)核心在于能精準(zhǔn)、迅速地測出車輛與障礙物（其他車輛）之間的距離，并及時傳遞給控制系統(tǒng)，以達到避免碰撞，保證安全的目的。 車防撞系統(tǒng)組成 信號收集系統(tǒng)：運用超聲波、紅外線、影像、雷達等技術(shù)測出本車相對于前后車輛的運動狀態(tài)以及車距。 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：計算機芯片收集、分析并處理信號收集系統(tǒng)傳遞過來的信息，開始判斷當(dāng)前狀態(tài)是否安全，如果不是安全狀態(tài)則啟動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)干涉當(dāng)前狀態(tài)。 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行 來自 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的指令 并 發(fā)出警報 以提醒 駕駛員。 圖 車防撞 預(yù)警 系統(tǒng)組成 前 研究所 面臨的主要問題 如何識別是否 是人 為 的 誤操作以及 如何 避免過度保護。如果安全系統(tǒng)過于敏感的話，就會對前后所有車輛的正?？拷l(fā)出警報；如果在安全系統(tǒng)認為不安全的情況下，駕駛員想要超車、加速時，系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)就會進行干涉，這就會導(dǎo)致駕駛員忽略安全系統(tǒng)發(fā)出的警告，從而導(dǎo)致安全系統(tǒng)毫無意義。 車防撞預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展 現(xiàn)狀 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu) 信號采集系統(tǒng) 2 世界各大汽車公司，在政府支持下的大學(xué)正在進行這項研究與開發(fā)工作。日本主要汽車制造商如豐田，日產(chǎn)，本田，三菱等公司，為實現(xiàn)其運輸省的發(fā)展提出“先進的安全車（ 劃”，致力于新型安全車輛技術(shù)研發(fā)，并取得重要進展進展。豐田公司 則利用 毫米 波 和 雷達 的測距方法以及 機來監(jiān)控車輛的 行駛狀況以及與周邊車 距。當(dāng)兩輛車之間的距離小于指定值時，系統(tǒng)會發(fā)出一個直觀的報警信號，提醒司機。日產(chǎn)汽車公司采用緊急制動咨詢系統(tǒng)，采用先進的車輛距離監(jiān)控系統(tǒng)跟蹤距離動態(tài)監(jiān)控，當(dāng)需要減速或制動時，用剎車燈提醒司機，及時監(jiān)控駕駛員控制駕駛踏板在踏步狀態(tài)下，必要時，汽車的自動制動系統(tǒng)作用下降速度，在最危險的時刻自動制動。本田使用帶有扇形激光束掃描的雷達傳感器， 不過 即使車輛能夠在行駛時檢測到與前車或障礙物之間的距離，駕駛員 收到一個警告信號 也 來不及采取適當(dāng)?shù)男袆?來避免碰撞 。 雷達 的工作 頻率 一般是 60? 61右 ， 檢測范圍可達到 120 米 ，日產(chǎn) 公司研發(fā)的雷達測距系統(tǒng) ， 使 用 的便是 毫米波雷達 的測距方式，自帶有自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng) 。 同樣的， 德國和法國等歐洲國家也研究 過 毫米波雷達技術(shù)，特別是梅賽德斯 馬等著名汽車制造商，雷達用于 頻波（ 頻段選擇 的是 76? 77梅賽德斯 撞 報警系統(tǒng)，檢測距離達到 150 米，當(dāng)實際測量 車 距小于 安全車距時 ， 觸發(fā) 聲光報警 器報警，并且 該系統(tǒng) 現(xiàn)實 已 經(jīng) 應(yīng)用。 美國 的 汽車防撞技術(shù) 的發(fā)展 相 對更加 先進，福特汽車公司 所 開發(fā)的 汽車 防撞系統(tǒng) 的 工作頻率為 測 范圍 約為 106 米 左右 。據(jù)說，該系統(tǒng)理論上可以根據(jù)轉(zhuǎn)彎的角度信息適應(yīng)道路的轉(zhuǎn)彎，只能檢測車道的車輛信息，以避免目標(biāo)對車道的影響。戴姆勒 - 克萊斯勒的碰撞結(jié)構(gòu)主要是兩個測距儀和視頻系統(tǒng)，她可以測量安全距離，發(fā)現(xiàn)在障礙物前面，電腦可以自動觸發(fā)制動裝置。戴姆勒 - 克萊斯勒的實驗結(jié)果表明，速度為每小時 里 /小時，距離障礙物 米處停車。 中國汽車防碰撞系統(tǒng)與 國外發(fā)達國家的研究與開發(fā)存在較大差距，近年來已有若干研究機構(gòu)，大學(xué)和公司廠商進行了這項研究。 雷達雷達等特寫報警現(xiàn)在正在蓬勃發(fā)展的車輛上安裝使用，但國內(nèi)長距離測量的生產(chǎn)一般不能滿足要求，距離距離遠離距離遠的距離誤差遠遠不及 公路安全車距離要求，還需要進一步研究。 3 內(nèi)外 汽車 測距系統(tǒng)設(shè)計方案 波雷達測距方式 因其探測近距離優(yōu)越的性能而廣泛應(yīng)用于汽車防撞及工業(yè)物位領(lǐng)域 ，但 這種測距方式 成本 較 高，經(jīng)濟 適用性較 低， 對 路障 的檢測不準(zhǔn)確 ，不利于廣泛 應(yīng)用 。 米波雷達測距方式 探測器發(fā)出雷達波，收集反射的雷達波，找到目標(biāo)并定位，定位距離盲區(qū)沒有距離，并且容易實現(xiàn)非常高的距離分辨率。然而，由于干擾源，雜波消除和多目標(biāo)測量要求，毫米波雷達測距在微處理器上計算，分析能力要求高，另外檢測器發(fā)射機和接收機同時發(fā)揮功能，當(dāng)檢測距離遠時，所需的功率將變得非常大，導(dǎo)致距離方法的距離受到限制。 聲波雷達測距方式 作為 一種 非接觸 型 檢 測方式 ， 超聲波的 波長短，方向性 強 ， 且 輻射可以定向，反射效果 也比較好 。這些 特點 有利于 以 超聲波 作為 介質(zhì) 來 測量物體的位置，距離 和形狀。 超聲波防撞技術(shù)是 利用 超聲波回波距離原理，測量經(jīng)過一定距離物體后，及時 檢測 車輛 前 方障礙物的距離和 位置 ， 并 按照安全 距離、 警示 距離、 緊急停車 距離來警告 或 通過 語音信號警告 行駛 車輛不同的緊急 狀況 ，駕駛?cè)藛T可以采取適當(dāng)措施，防止發(fā)生事故。本設(shè)計采用就是超聲波雷達測距，這種測距方式具有以下優(yōu)點：能量損耗緩慢，因此可用于直接測量較近目標(biāo)之間的距離。 用于識別玻璃等透明類的物體，抗干擾性較好；超聲波 同樣不易受 光照 以及 電磁 干擾 ， 因此 可 在黑暗或霧霾 嚴重、電磁干擾 較強烈等環(huán)境 下工作 。 結(jié)構(gòu)較為精簡，占用體積小，成本低，信息處理方式簡單可靠易于集成制造，且方便進行實時控制。 光雷達測距方式 這種測距方式 的工作原理 和 微波雷達 測距方式較為相似 ，測距方法 可 分為連續(xù)波 測距 和脈波 測距兩種 。連續(xù)波相位測距是無線電頻段的頻率，激光束的幅度調(diào)制和調(diào)制光線由單相延遲產(chǎn)生的線，然后轉(zhuǎn)換成波長調(diào)制的相位延遲表示為距離 ，確定光線通過所需時間的方法。通過測量往返脈沖之間的距離來 判斷 激光脈沖 的可測量 范圍。時間測量方法是使用時鐘脈沖來填充時間和終點之間的計數(shù)。這種方法非常準(zhǔn)確。 4 外線雷達測距方式 紅外線 是一種肉眼無法觀察到的光波，其波長比其他可見光長 ， 穿透性較強且具有顯著的熱效應(yīng) 。同時任何時候任何物體都會發(fā)出紅外線。紅外 線 測距 方式 和激光 雷達以及 超聲波測距 的 原理 基本一致 ，都是 通過 波長 以及 反射波 返回的 時間 從而確定目標(biāo) 之間的 距離，紅外 線 測距 技術(shù)相對較為困難 ， 所以盡管這種 系統(tǒng)成本 不高 ，但由于紅外 線 傳感器是基于測量傳感器附近物體 的 熱量來 檢測間 距， 因此系統(tǒng) 響應(yīng)時間過長的缺點，使司機得到預(yù)警時通常 已來不及 避免碰撞， 這就 限制 了 其在汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)方面的 廣泛 應(yīng)用。 于視覺的智能防撞 視覺信號 能 以最 為 全面的方式 概括 道路上 能接觸 的所有信息，并且可以充分利用待識別的道路和車輛的特點和特征，特別是對于道路 通暢、 場景 明亮、 目標(biāo) 明顯的情況下，只需 使用適當(dāng)?shù)膱D像處理 就 可以 高效 地實現(xiàn) 對 目標(biāo) 車輛或障礙物的間距檢測， 并且 相機 的 成本 相對于 激光 、 雷達等要低得多。因此，使用視覺 信號來 進行汽車自動 駕駛并智能 防撞是自控智能車輛 發(fā)展 的最佳 方案 之一。 車互通信測距系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用 使 車輛通信系統(tǒng)可以克服 視野 盲 區(qū) ，如當(dāng)通過彎道時。以基礎(chǔ)的基于 基于 防碰撞預(yù)警系統(tǒng) 為例 。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（ 1）無盲 區(qū)地 收集周邊信息；（ 2）使用 測 可以不受時間、 地理位置等因素 限制，不間斷地 進行檢測 工作， 并且 隨著 度的 不斷提高， 基本可以 完全替代光學(xué)傳感器；（ 3）成本低。 始普及大眾 ， 車主不需要 安裝多余的 測距儀器 ， 從而 降低了 防撞 系統(tǒng)的成本；（ 4）抗干擾性強，密封性好。 傳感器 組合 防撞系統(tǒng) 充分利用多種傳感器資源，將來自多個信息來源的數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)、組合、關(guān)聯(lián)、合并、將包含不同類型或形式數(shù)據(jù)的相似特征，按照某些原則和方法進行比較，權(quán)衡和 綜合判斷，獲得一致的解釋或描述的被測物體。 優(yōu)點： 這類信息融合防撞系統(tǒng)代表有： 1. 基于 線網(wǎng)絡(luò)通信的防撞系統(tǒng) 5 使用 行定位， 然后將 數(shù)據(jù)通過 線網(wǎng)絡(luò) 來 傳輸，報告尾部控制器根據(jù)機器等內(nèi)部維護機器的 位信息計算出兩輛車的相對距離，相對速度，最后根據(jù)默認維護大型機器的安全參數(shù)來確定碰撞的風(fēng)險，輸出相應(yīng)的尾部報警信息。預(yù)警距離 100易受天氣影響，成本高昂。一般用于火車等。定位精度較高。 器視覺 和激光測距的防撞系統(tǒng) 車載攝像機和激光測距車輛碰撞避免系統(tǒng)可以自動測量車輛與前車的相對距離及相對速度，然后根據(jù)安全距離進行計算，危險判斷，及時提醒司機采取適當(dāng)?shù)男袆觼肀苊馄嚤仨毐罎ⅰＪ褂昧Ⅲw視覺圖像和激光測距克服單傳感器的可靠性低，有效檢測范圍小缺點，從而確保系統(tǒng)隨時提供完整可靠的信息，幾乎沒有不準(zhǔn)確的距離和速度。 課題研究的主要內(nèi)容 車輛安全的核心問題是通過在車輛上安裝各種傳感器來對車輛的正式參數(shù)進行實時監(jiān)控。 檢測得到 的車輛 相關(guān) 信息的可靠性 以及 準(zhǔn)確性也是 應(yīng)該考慮的 核心問題之一 。對于防撞警告系統(tǒng)，選擇距離測量模式和數(shù)據(jù)處理方法非常重要。汽車雷達測量過程中存在很多干擾，目前的碰撞系統(tǒng)生產(chǎn)有兩個基本問題需要解決： 信號實時問題：將雷達作為車輛安全的重要組成部分，其實時性非常重要。本文選 用了 片作為信號數(shù)據(jù) 核心 處理器 ，這種芯片 可同時執(zhí)行 不同工作 ， 有利于 提高系統(tǒng)的 時效性，使系統(tǒng)更加 可靠， 還 可以 同時進行多個 數(shù)據(jù) 的傳輸 ， 以便及時 得 顯示當(dāng)前車輛 的 駕駛狀態(tài)。 6 2 汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)總體 設(shè)計方案 統(tǒng)設(shè)計方案 設(shè)計汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)主要是測得前方汽車與本車之間的距離，系統(tǒng)的關(guān)鍵是采集到超聲波發(fā)射器經(jīng)過發(fā)射和反射后的超聲波，此信號中包含有前方運動障礙物的距離， 集到這些外部數(shù)據(jù)，經(jīng)過快速的分析判斷是否屬于安全距離范圍內(nèi)，若小于安全距離則發(fā)送警報命令提示駕駛員。汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)整體包含發(fā)射超聲波探測前方障礙物的超聲波探測器，信號數(shù)據(jù)處理器，顯示屏，蜂鳴報警器等。 圖 聲波模擬圖 圖 于 超聲波 的 汽車防撞原理框圖 超聲波距離測量系統(tǒng)由發(fā)射電路 、 接收電路 、 顯示電路 等 核心 模塊以及 一些輔助 性 功能 電路 組成 [1]。 使用發(fā)射機分離發(fā)射和接收電路有兩個優(yōu)點：一個是發(fā)射信號不與接收到的信號重疊；二是探針被放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫鼙苊馄渌矬w對超聲波反射的干擾 ，從而提高系統(tǒng)的應(yīng)用。 超聲波發(fā)射器 放大電路 超聲波接收器 放大電路 檢波電路 定時器 單片機 控制 顯示器 報警系統(tǒng) 7 汽車行駛 使 用的超聲波 防撞系統(tǒng)， 是 利用 超聲波能 夠 在空氣中 進行 傳播和反射的原理， 通過發(fā)射和接收 相關(guān) 信號 ，然后 根據(jù)接收 到 超聲回波的時間差和 超聲波的傳播速度 來 計算超聲波傳播距離 再 除以二 得到的就是 汽車和障礙 物（前車） 的 間距 。 聲波傳感器的選擇和測距原理 聲波傳感器的選擇 超聲 波的 振動頻率 在 20上， 已經(jīng)遠遠 超出 了 人耳 的 聽覺極限。為了 確保本設(shè)計的 可行性， 選 用 的是 現(xiàn) 有 的模塊化系統(tǒng)。 由于 傳感器信號 是 由 片產(chǎn)生的 波信號， 所以最終選用的 傳感器的 額定 工作電壓不能 太 高，當(dāng)然也可選 配變壓器 或者 繼電器 ； 該設(shè)計是用于收發(fā)器集成超聲波測距系統(tǒng)的車輛，體積不應(yīng)該太大。 傳感器的主要性能 要求 有： （ 1）靈敏度：它主要取決于模塊本身。 機電的 耦合系數(shù) 和傳感器的靈敏度成正比。 （ 2）工作溫度： 可以在較低溫度的壞境下長時間工作 而不會發(fā)生故障 。 （ 3）工作頻率：壓電晶體的諧振頻率。如果靈敏度達到最高，則交流電壓兩端的頻率和芯片諧振頻率等于此時的輸出能量最大。 表 聲波 傳感器模塊 電氣參數(shù)表 電氣參數(shù) 聲波模塊 工作電壓 作電流 15作頻率 40遠射程 4M 最近射程 2量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10 沖 輸出回響信號 輸出 的 號與射程成 一定 比例 規(guī)格 45*20*15度集成的小尺寸超聲波模塊，僅提供 信號能夠接收到返回信號正常使用測量距離 [2]。電氣參數(shù)如表 8 該模塊 工作狀態(tài)時會 自動 且 連續(xù) 地 發(fā)送 8 個 頻率為 40 脈沖 ， 然后 自動檢測 回響信號 ，工作過程如下圖： 圖 塊工作時序圖 由 上圖 可得。我們 只需要提供超過 10脈沖觸發(fā)信號，模塊 就會 在八個40 周期內(nèi) 自動 發(fā)出注釋 并 檢測回 響信號 [3]。 當(dāng)檢測到回 響 信號時，輸出回波信號。 回波信號的快速響應(yīng)與檢測到的距離成比例。 由此通過對晶體進行計數(shù)然后 獲得 其 時間間隔， 就 可以計算 出需藥 測量的距離。 聲波 的 測距原理 司 和 司在 1946 年 首先提出 了一種叫做 脈沖回波法 的測距方法 ， 該測距方法的原理是 利用超聲波 會在物體表面發(fā)生 反射 的 特性 來 測 距 。 超聲波信號由傳感器向外發(fā)射超聲波信號。 同 時 自動檢測 反射回來的 信號，并記錄從發(fā)送超聲波到通過晶體計時碼表接收回波的時間， 通過 下列公式： 可 計算出被測物體 與傳感器的間 距。原理如圖 示： 圖 聲波測距原理 圖中 S 為被測距離 ， L 為兩 個 傳感器 的 探頭中心距的一半， 根據(jù) 勾股定理可得： ? 9 當(dāng) S 遠大于 L 時 超聲波 的 傳播 會受到很多因素的 影響，為了簡化 數(shù)學(xué) 模型， 通常情況下 只 需 考慮溫度 對超聲波傳播 的影響，遵循以下公式： C 是聲速， T 是溫度（攝氏度）， K 是常數(shù) ]。 感器位置 距離測量系統(tǒng) 的發(fā)射器 和接收 器的頭部應(yīng)當(dāng)在同一條直線位置上，此為 超聲波反射型 的 分離結(jié)構(gòu)。距離和角度誤差引起的衰減問題和通信過程中的超聲信號引起的，發(fā)射探頭和接收器探頭不能分開太遠，為了避免發(fā)射和接收信號的干擾，不能太靠近。 根據(jù)以往 的經(jīng)驗來看， 傳感器的 發(fā)射探頭和接收器應(yīng) 當(dāng) 放置在離中心軸 4至 8 厘米 處 。發(fā)射機超聲波范圍模塊在波形啟動定時器開始接收回波，導(dǎo)致負跳轉(zhuǎn)到微控制器中斷，微控制器 做出 反應(yīng)并 立刻 停止計數(shù)。 可通過計算超聲波在空氣中的傳播時間來計算時間差，從而計算距離。 計方案的論證 超聲波探測技術(shù)主要用于中距離測距，結(jié)構(gòu)測試，智能控制等領(lǐng)域，超聲波換能器是核心部件，傳感器根據(jù)其工作介質(zhì)可分為氣相，液相和固相傳感器 ; 傳輸光束寬度可分為寬光束和窄光束傳感器 ; 根據(jù)其工作頻率可分為 3840不同級別。本設(shè)計采用 40聲波換能器。 超聲波測距最常見的兩種方法分別是計算 強度法和反射時間法 [5]。 本設(shè)計 所 采用 的就是 反射時間法。 反射時間法是 通過計算 超聲波從發(fā)射 出去直 到被障礙物 （被測物體） 反射回來的時間 差展開計算的 [6]。在 距離較短的情況下 ,可以 將 聲速 作為一個 常數(shù) 來計算。 我們使用公式 T = V *(T / 2)來計算回波時間的 這種方法不會受到 其他 聲波的 影響 ， 因此可以 直接 進行信號 耦合 ，非常適合用于短距離測量。 本 篇 設(shè)計 中使用的就是 這種方法。 于設(shè)計的必要性 )]/(ar ?? ? 21? 10 一種半定制的集成電路，具有良好的實時性，結(jié)合當(dāng)代計算機技術(shù)可以直接將控制程序?qū)懭氲目煞膺吙旖莸臉?gòu)建數(shù)字系統(tǒng)。 片采用硬件語言編寫，具有較強的邏輯結(jié)合能力和時序控制能力。雖然沒有指揮控制系統(tǒng)，但 其 控制能力 也 相對較弱， 因此 對于通信接口，特別是對于不同的速率，不同協(xié)議的高速通信接口可以橋接和耦合。運行快速記錄非?？?。 現(xiàn)場可編程門陣列 ， 簡稱 種 基于 術(shù)開發(fā)的 器件開發(fā)系統(tǒng) 。他利用電腦輔助設(shè)計，繪出用戶邏輯示意圖，硬件描述語言等的實現(xiàn)，內(nèi)存設(shè)計輸入，滿足用戶滿足專用集成電路的要求，真正滿足用戶自己的設(shè)計，開發(fā)和自主生產(chǎn)的集成電路其顯著特點是高速，高密度，小型化。從幾萬到幾千萬門系統(tǒng)門系統(tǒng)的周期性密度， 使得這種 系統(tǒng) 的 性能可以達到幾十兆赫茲。 這種非常 靈活的設(shè)計 讓它 可 以 重復(fù)無限 次的 編程，并進行現(xiàn)場仿真調(diào)試 來進行 驗證， 從而極大地 縮短了電子系統(tǒng) 的 開發(fā)周期。 結(jié)構(gòu)、工作原理和選型依據(jù) 目前主流 商有 種 [7]。芯片的基本結(jié)構(gòu)主要由可編程 I / O 單元，基本可編程邏輯單元，嵌入式 富的布線資源和底層嵌入式單元等組成。如下 圖 所示： 圖 片結(jié)構(gòu) （ 1）可編程 I / O 單元： 是 芯片和外部電路接口 端 ， 用來滿足 輸入和輸出信號驅(qū)動器 所需要的不 同的電特性。 （ 2）基本可編程邏輯單元：可以根據(jù)設(shè)計任務(wù)的具體要求修改鏈接和配置設(shè)置的內(nèi)部部分，以完成更多的邏輯功能。 11 （ 3）嵌入式 ： 片上基本都裝載有 模塊提高 了 片 的靈活性 以及 應(yīng)用范圍。 入式 可以靈活 地 配置單端口 、 雙端口 、偽雙端口 以及 常用內(nèi)存結(jié)構(gòu)。 （ 4）豐富的布線資源：布線資源聯(lián)通芯片所有的資源在連接長度和過程中確定信號對連接驅(qū)動器的容量和傳輸速度。 的接線資源根據(jù)大小和過程分為不同級別。 在 該過程 中 ，不需要 設(shè)計人員來 選擇接線資源，而是 由 系統(tǒng) 來 布線 并 自動路由聯(lián)通底層單元模塊。 （ 5）底層嵌入式功能單元： 這個單元是 片生產(chǎn) 廠商 應(yīng)用在 硬件電路中 的具有較高水平 的嵌入式功能模塊， 通常 用 以 完成 系統(tǒng)中所需的 時鐘功能。發(fā)展趨勢是芯片中集成的 源越來越豐富，功能復(fù)雜，包括 統(tǒng)的硬件設(shè)計意味著逐步過渡到系統(tǒng)設(shè)計平臺。 （ 6）嵌入式專用內(nèi)核：主要是指一些較不常見的，并不是所有的 片都包含在硬核中。 基于 以上幾種 考慮， 本設(shè)計采用的 司生產(chǎn)的 系列 片 具有以下幾個主要特點 ： ? 具有 1 能和額外的 624 活 道，可為高性能差分 I / O 輸入和輸出通道提供多達 124 個支持。 ? 支持常用的 耦合邏輯的編寫，并且支持接技術(shù) 。 ? 采用最新的 通制造工藝，與使用鋁互連技術(shù)的制造設(shè)備相比，采用各層銅互連技術(shù)的器件性能可提高 30? 40％。 ? 采用 集成芯片超過 89,000個邏輯單元和 ? 特別是集成 4， 4， 4， 持功能，可與數(shù)據(jù)路徑 據(jù)包處理器，主要應(yīng)用高速總線接口，處理器等設(shè)備配合使用接口 ? 該器件的密度范圍為 16640 個邏輯單元和 425984 個 上 完全基于 裝技術(shù)，引腳間距 12 示器件的選擇 對于顯示器件有如下方面的考慮： 示屏和 用最廣泛， 示屏功耗低，體積小，重量輕，可顯示漢字，與 比清晰美觀，雖然 格便宜，但是無法顯示漢字，因此不予采用。 經(jīng)過 以上考慮 ，本設(shè)計采用 了 1602晶顯示器 來 作為 系統(tǒng)的 執(zhí)行單元 ，用來 顯示測距距離。其主要技術(shù)參數(shù)如下表： 表 示器參數(shù) 顯示容量 16? 2 個字符 芯片工作電壓 作電流 5V） 最佳控制電壓 符尺寸 章小結(jié) 在 整體設(shè)計中 ， 各個模塊的 設(shè)備選擇 對于 整個系統(tǒng) 的 設(shè)計 都十分 重要。本章還詳細介紹了其他模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行模塊的選擇基礎(chǔ)以及選擇的優(yōu)缺點以及超聲波距離測量原理。通過引入 關(guān)知識，描述了使用 片的必要性，分析了 結(jié)構(gòu)和工作原理，這是 擇的基礎(chǔ)。 13 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 片設(shè)計 在系統(tǒng)的總體設(shè)計中，關(guān)鍵在于 系統(tǒng) 完成設(shè)計任務(wù)的能力，最重要的是核心設(shè)備系統(tǒng)是否合適，而芯片 則 是控制系統(tǒng)的核心， 因此 芯片的選擇 就顯得尤為 重要。選 對了 合適的芯片，不僅可以最大限度地簡化系統(tǒng)的運行，其功能 也會 是最好的，系統(tǒng)的 可靠性比較高，整個系統(tǒng) 的操作也會 更 加 方便。本設(shè)計選擇的是 系列 片。 片 的 引腳 分布 如下圖所示： 圖 片引腳 片 的 引腳功能 （ 1）電源引腳 40 腳）： 用于接入電 源 ， 電 源 額定 電壓 5 V。 20 腳）：接地端。 14 （ 2）晶振電路的引腳 了產(chǎn)生時鐘信號， 輸入端口 片中提供 了 反相放大器， 而作為 輸出 端口。 個端口外部 都裝載有 頻率為 12 ， 因此依靠自振方式工作，并 產(chǎn)生時鐘信號， 再通過 電路產(chǎn)生 系統(tǒng) 時鐘頻率 。產(chǎn)生的 時鐘頻率越高， 芯片內(nèi)部 運算速度 就 越快，時鐘頻率 決定了芯片指令執(zhí)行的速度 。 晶振 電路如圖 示。 圖 振電路 （ 3）復(fù)位 9 腳） 當(dāng)程序運行出錯或操作錯誤時 ， 系統(tǒng)處于鎖 死 狀態(tài)，要想擺脫麻煩，還需要重啟重啟按鈕。因此，系統(tǒng)復(fù)位電路必須準(zhǔn)確可靠運行。 只需要在 口輸入 一個 寬度 大于 20 正脈沖 就可完成電路的 復(fù)位，復(fù)位電路如圖 示 。 當(dāng)電路通 電 時 ， 端口 電源電壓 在 同 一水平 電位， 端口電位會 隨著電容電壓 的增大而降低 ， 就會在 產(chǎn)生 一個正脈沖。該脈沖 寬度大于 20完成電路 復(fù)位。當(dāng)按下 鈕 時，電容 過 迅速放電 。等到按鈕 彈起后， 電容 次充電， 這就 實現(xiàn) 了 手動 電路 復(fù)位 [8]。 假如使 口 始終 保持高電平 輸入狀態(tài) ，那么 統(tǒng)電路 就會 不斷地進行復(fù)位 操作 。復(fù)位后 口均 處于 高電平，這 時 程序 內(nèi)部的 計數(shù)器 以及 寄存器 的所以數(shù)據(jù)就會 全部清零。本設(shè)計的復(fù)位電路如圖 示。 15 圖 位電路 （ 4）輸入輸出口（ I/O 口）引腳 是個三 狀 態(tài)雙向 端 口， 既可用于 數(shù)據(jù)地址的復(fù)用 分端 口， 還 可以 用來當(dāng)做數(shù)據(jù) 通用 的 輸入 /輸出口。在 系統(tǒng)裝載有 外部擴展存儲器的情況下， 口將用作地址或數(shù)據(jù) 的 總線端口 來 使用， 也就是一個 雙向端口；而在沒有 裝載 擴展存儲器的情況下 ， 還可以當(dāng)做 通用的 I/O 接口 端來 使用，但只是一個準(zhǔn)雙向 端 口； 可 驅(qū)動 8 個 載 ，因此該端口的 輸出電流不 能小于 800 是一個 內(nèi)部自 帶上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 不過 只 能作為 通用 I/O 接口 端來使用 ， 并且 只 能驅(qū)動 4 個 載； 因為 自帶上拉電阻，因此 通常不需要 額外 接 入 電阻就 可以使 發(fā)光二極管 工作 ； 口設(shè)置為 1，內(nèi)部上拉電阻將端口提升為高電平，然后作為輸入端口使用 。 關(guān)于 輸出 方面 ，在 芯片 工作時，可通過 編輯 指令 來 控制 芯片 引腳 來 輸出高電平亦或是 低電平。 舉個例子 ：指令 清零 ） ， 是 指控制 口 來輸出低電平；指令 置 1） ， 是 指控制 口 來 輸出高電平。 和 類似，也是自 帶上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 可 驅(qū)動 4 個 當(dāng) 口設(shè)置為 1 時， 內(nèi)部上拉電阻將端口提升為高電平，然后作為輸入端口使用 ；在編輯程序內(nèi)部存儲器中， 口可以接收高 8 位地址和控制信號，而在訪問其他程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲器時， 口將發(fā)出地址和控制信號 。 而在訪問 8 位地址的外 載式 數(shù)據(jù)存儲器時， 這段時間內(nèi) 口 引腳 功能不會發(fā)生變化 。 16 的第二 個 功能如表 示。內(nèi)置上拉電阻 8 位雙向 I/O 端口， 也 可 負載四個 引腳 還擁有 第二個功能。 用來當(dāng)做 通用 I/O 口接口 端使用 時，其二 功能輸出 線是 高電平。 置 1 時，內(nèi)部 的 上拉電阻將端口 的 電位 提 到高電平 來作為一個 輸入 端 口 來 使用； 而 在對 芯片內(nèi)部 存儲器 進行 編程時， 該 端 可 接 收 控制信息。 表 3口第二功能表 腳 兼用功能 行通訊輸入口（ 行通訊輸出口（ 部中斷 0 請求輸入端 （ 部中斷 1 請求輸入端 （ 時器 0 輸入端 (時器 1 輸入端 (部數(shù)據(jù)存儲器信號輸出端（ / 部數(shù)據(jù)存儲器信號輸出端（ / （ 5）其它 的 控制或復(fù)用引腳 （ a） 30 腳）： 是一種 有效 的鎖存地址信號 輸出端 口 [9]。訪問外部存儲器時， 口輸出兩次信號 每周期 。當(dāng)外部存儲器未被訪問時， 口將 以 振蕩器頻率的 1/6 的穩(wěn)定頻率來發(fā)出 信號。 而當(dāng) 外部數(shù)據(jù)存儲器 被訪問時 ，該 端口輸出 的 信號 會產(chǎn)生間歇中斷情況 ， 因此 不能用作時鐘輸出。對 內(nèi)部 含有 芯片進行 編程時， 口可以 用 來 輸入編程脈沖 或作為 輸入端口 。 （ b） /29 腳）： 是外部 存儲器 的信號 輸出端， 在 低電平 環(huán)境下才能進行工作 。當(dāng) 片 從外部存儲器 中提 取 相關(guān) 指令或 部分 常數(shù)時， 該端口會 每周期輸出 2 個 信號 脈沖， 可由 數(shù)據(jù)總線 的 口 讀 取相關(guān) 指令或 所需 常數(shù)。 不過 在訪問外 部的 數(shù)據(jù)存儲器時， 該端口并 不會 輸出信號 脈沖。 17 （ c） /31 腳）： 作為 外部存儲器 的 可選 型 端口 ，在 訪問外存儲器時，必須保持低電平來使 片 可以完成 訪問；而在 對系統(tǒng)內(nèi)部存儲器進行編程時， 該端口還可以 用 來給 程 輸入 電壓。 片最小系統(tǒng) 拓展系統(tǒng)的基礎(chǔ)即為最小系統(tǒng) ， 而 芯片最小系統(tǒng) 則 指 一個可以正常工作 的最小芯片 配置系統(tǒng) [10]。 片，由于內(nèi) 部 自帶程序存儲器， 因此 只 需 要外 部 接 上 復(fù)位電路 以及時鐘電路 就組成了 芯片的 最小系統(tǒng)了。 片的最小系統(tǒng)如圖 圖 片最小系統(tǒng)原理圖 口通信電路設(shè)計 串口就是指串行數(shù)據(jù)接口，一般用于管理控制數(shù)據(jù)的傳輸，并且還支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，即可以完成和計算機的通信任務(wù)。串口電路如圖 示。 18 圖 口通信電路 聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計 振動頻率超過 20 機械波 稱為超聲波 ，可沿 著 直線 方向進行 傳播， 方向性好，傳播距離也較遠 ， 并且在傳播過程中碰到障礙物會產(chǎn)生反射波 。 因為 超聲波具有上述幾個 特點， 因此被 廣泛應(yīng)用 在測距 方面 的工作， 是一種 較為理想的 測距 方式 。 當(dāng) 開始測距 時，超聲波 的 發(fā)射 器和 接收器 分別進行 超聲波的發(fā)射 、 接收 工作 ，與此同時 定時器 開始 計數(shù)。 先通過 超聲波發(fā)射 器 向前方發(fā)射超聲波并 開始 計時， 發(fā)射出去的超聲波在空氣中碰 到 任何 障礙物 時 會 產(chǎn)生 反射 波 ， 等到反射波被超聲波的接收器檢測到時， 就 會產(chǎn)生 負脈沖 傳給定時器 使其 馬上 停止計時 工作 。 這樣一來，安裝的 定時器就能夠記超聲波 從 發(fā)射 開始直到反射波傳回這一段 所用時間 t（ s）。已知 常溫下超聲波在空氣中的傳播速度約為 340 m/s， 可得 障礙物到發(fā)射 器的探頭間距為： S=340× t/2=170× t 已知 本設(shè)計中 芯片內(nèi)部定時器的周期為 T， 時鐘頻率 f 取 12 設(shè)計數(shù)值為 N， 可得 ： T＝ 12/f=1μ s t=N× T＝ N× s） S＝ 170× N× T＝ 170× N/1000000（ m） 在程序中按式 S＝ 170× N× T＝ 170× N/1000000 計算距離。 聲波發(fā)射電路設(shè)計 超聲波 的 發(fā)射電路 是 由 發(fā)射器以及 放大器組成 的 。 發(fā)射器 將電信號轉(zhuǎn)換 成超聲波 ，而 單片機 產(chǎn)生的 40 波脈沖 通過 放大 器放大從而 驅(qū)動 發(fā)射器發(fā)射超聲波。本設(shè)計選 用的是 74片 來進行放大 信號 工作 ，超聲波 的 發(fā)射電路如圖 19 示。 由 74主要 構(gòu)成的電路 比較 簡單，調(diào)試 工作也相對 容易， 且容易靠相應(yīng)軟件 來進行 控制 操作 [11]。 由 片 產(chǎn)生 的方波 通過 74相器 以 推挽 方式傳遞到 發(fā)射器 兩極 ，這樣 可以提高發(fā)射器 發(fā)射強度。 如圖將 兩個 “非”門 的 輸出 端 接 在 一起 ，這種方式可以 提高 輸入 電流， 增強電路整體的 驅(qū)動能力。 圖 聲波發(fā)射電路 電阻 提高了電路的阻尼大小的同時也 提 高了 74出高電平的 工作效率 。 其流程圖如圖 示 圖 程圖 發(fā)射電路原理：當(dāng) 片 通過 端口 生 脈沖 ，然后通過 放大 器放大，使 激勵換能器 夠 發(fā)射超聲波 [12]。 聲波接收電路設(shè)計 超聲波在傳播過程中 會產(chǎn)生 衰減 現(xiàn)象 ， 因此傳播 距離 越 遠，接收電路所接收到的 超聲波 信號就會 越 微弱 。所以 需要對接收到的信號進行 多倍 放大。由集成電路片 所 構(gòu)成的 超聲波接收電路 ， 可 對超聲波信號進行放大、比較等 操作 ，通過 比較后超聲波接收電路 會發(fā)出 一個低電平 信號給 片 從而 中斷 系統(tǒng)計時 ，并 進行后續(xù)的 數(shù)據(jù)處理 操作 。 20 片的前置放大器 可對控制信號進行自動識別來決定是否工作 ，當(dāng) 檢測 為較近 距離時，放大器不 工作 ；當(dāng) 檢 測 為較遠 距離時， 因為 超聲波信號 在空氣的傳播過程中會產(chǎn)生衰減 ， 這時 放大器 會對接收到的超聲波信號進行放大 。 較強 ，靈敏度也較高， 可以 滿足本 文 設(shè)計的 基本 要求。接收電路如圖 示。 片 是產(chǎn) 于索尼公司 的 一種 紅外 線式 遙控接收器 （通常用于電視遙控器） ，也可用于超聲波測試 [13]。 單列 8 引 腳直插式 芯片 ， 結(jié)構(gòu)小巧 ， 額定電壓 5V。 引 腳 1 作為 超聲波輸入端 口 ； 引 腳 2 端口接的電阻 容 接收器 R 的工作效率成比例 ， 通過 增大 阻值 或減小電容 大 器的放大 倍數(shù) 就會 下降， 同時 電容 C