毕业设计（论文）基于MCS51单片机的汽车测距与制动系统

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1、编号：05023442河南大学 2010 届本科毕业论文 汽车测距与制动系统 Automobile distance and brake system论文作者姓名 作 者 学 号： 05023442 所 在 学 院： 计算机与信息工程学院 所 学 专 业： 自动化 导师姓名职称： 论文完成时间： 2010 年 5 月 开题报告河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）开题报告届毕业论文（设计、创作）开题报告（由学生本人认真填写）学号姓名导师姓名职称开题时间2009 年 12 月 1 日课题题目汽车测距与制动系统课题来源导师指定 自定 其他来源课题的目的、意义以及和本课题有关的

2、国内外现状分析：1目的：为了保证车辆在高速行驶时的安全，驾驶员必须控制两车之间的安全距离。多少的制动距离是安全的呢？一般在高速行驶时，主要靠驾驶员的经验。为了减少事故，这里设计一种能自动检测两车的安全距离的装置，在小于或者等于安全距离时，车辆能警告驾驶员并自动减少供油量，以达到增加车辆的距离。2意义：本课题设计的汽车测距以及制动系统能有效的解决车速过快而刹车不及带来的严重后果。3现状：现目前通过超声波来测量距离等应用已经很成熟，有很多集成的芯片或者电路能够直接运用，例如采用超声波测距来控制汽车倒车系统等都是应用得非常广泛和成熟的。研究目标、研究内容和准备解决的问题：1目标：通过本课题设计出基于

3、单片机的车距测量以及制动系统。2内容：用 MCS-51 系列单片机的汽车测距与制动系统，该系统通过超声波探头发出超声波，利用超声波探头进行接收，根据超声波在空气中传播以及反射原理, 以超声波传感器为接口部件,利用超声波在空气中的时间差来测量距离。3准备解决的问题：如何将采集到的超声波信号经过单片机进行计算采用数字显示方法进行显示，并且对整车进行制动控制。开题报告开题报告拟采取的方法、技术或设计（开发）工具：采用 MCS-51 系列单片机的汽车测距与制动系统，该系统通过超声波探头发出超声波，利用超声波探头进行接收，根据超声波在空气中传播以及反射原理, 以超声波传感器为接口部件,利用超声波在空气中

4、的时间差来测量距离，并使用高速单片机 MCS-51 进行计算距离。预期成果毕业论文进度计划：2009.12.1 - 2010.3.5： 查找资料、搜集相关素材2010.3.6 - 2010.3.26：完成需求分析2010.3.27 - 2010.4.7： 完成概要设计2010.4.8 - 2010.4.15：完成详细设计2010.4.16 - 2010.4.28：完成编码2010.4.29 - 2010.5.4： 完成软件测试2010.5.5 - 2010.5.15：整理资料、撰写毕业论文2010.5.16 - 2010.5.20：根据导师要求，完善毕业论文指导教师对选题报告的意见：指导教师签

5、名： 2009 年 12 月 1 日开题报告任务书河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）任务书届毕业论文（设计、创作）任务书题目名称 汽车测距与制动系统学生姓名赵昊学院计算机与信息工程学院学号05023442所学专业自动化毕业论文(设计、创作)要求1. 可行性分析：完成系统的技术可行性分析2. 系统设计：对系统中用到的关键技术进行初步设计3. 程序开发与调试：具体进行项目的开发4. 撰写论文：完成论文撰写毕业论文(设计、创作)进度安排2009.12.1 - 2010.3.5： 查找资料、搜集相关素材2010.3.6 - 2010.3.26：完成需求分析2010.3.27

6、- 2010.4.7： 完成概要设计2010.4.8 - 2010.4.15：完成详细设计2010.4.16 - 2010.4.28：完成编码2010.4.29 - 2010.5.4： 完成软件测试2010.5.5 - 2010.5.15：整理资料、撰写毕业论文2010.5.16 - 2010.5.20：根据导师要求，完善毕业设计和论文三、需收集的资料和指导性参考文献任务书指导教师签名：2009 年 12 月 8 日中期检查表河南大学河南大学 20102010 届毕业设计（论文、创作）中期检查表届毕业设计（论文、创作）中期检查表题目名称：汽车测距与制动系统学生姓名赵昊学院计算机与信息工程学院学

7、号05023442所学专业自动化一、毕业论文(设计、创作)进展情况二、毕业论文(设计、创作)存在问题及解决方案三、指导教师对学生毕业论文(设计、创作)进展方面的评语指导教师签名 2010 年 月 日综合成绩表（一）河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（一）届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（一）学院名称：计算机与信息工程学院学 号姓名专业指导教师综合得分论文题目指导教师评语该生的课题选择立意新，论文叙述条理清晰、详略得当，并按时完成了项目所要求的功能，是一篇优秀的本科论文。指导教师对毕业论文（设计、创作）评分评分项目分值撰写开题报告、文献综述15调查研究查阅整

8、理资料10学习态度与规范要求 10数据处理、文字表达10论文（设计、创作）质量和创新意识55合计100得分指导教师评语及得分指导教师签名 2010 年 5 月 20日评阅教师评语评阅毕业论文（设计、创作）评分评分项目分值撰写开题报告、文献综述15调查研究查阅整理资料10学习态度与规范要求10数据处理、文字表达10论文（设计、创作）质量和创新意识55合计100评阅教师评语及评分得分综合成绩表（一）评阅教师签名 2010 年 5 月 22日此表由教师填写综合成绩表（二）河南大学河南大学 20102010 届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（二）届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（二）学号姓名所在学

9、院计算机与信息工程学院答辩委员会评语答辩委员签字： 2010 年 5 月 25 日论文答辩小组评分答辩情况论文质量评分 项目 分值内容表达情况（15）答辩问题情况（25）规范要求与文字表达（20）论文（设计、创作）质量和创新意识（40）合计（100）答辩委员会评语及评分得分答辩委员会主任签字： 2010 年 5 月 25 日毕业论文（设计、创作）成绩综合评定： 分综合评定等级：备注：一、论文的质量评定，应包括对论文的语言表达、结构层次、逻辑性理论分析、设计计算、分析和概括能力及在论文中是否有新的见解或创新性成果等做出评价。从论文来看学生掌握本专业基础理论和基本技能的程度。二、成绩评定采用结构评

10、分法，即由指导教师、评阅教师和答辩委员会分别给分（以百分计） ，评阅教师得分乘以 20%加上指导教师得分乘以 20%加上答辩委员会得分乘以 60%即综合成绩。评估等级按优、良、中、差划分，优 90-100 分；良 76-89 分；中 60-75 分；差 60 分以下。三、评分由专业教研室或院组织专门评分小组（不少于 5 人） ，根据指导教师和答辩委员会意见决定每个学生的分数，在有争议时，应由答辩委员会进行表决。四、毕业论文答辩工作结束后，各院应于 6 月 20 日前向教务处推荐优秀论文以汇编成册，推荐的篇数为按当年学院毕业生人数的 1.5%篇。五、各院亦可根据本专业的不同情况，制定相应的具有自

11、己特色的内容。须报教务处备案。六、书写格式要求：1. 目录；2. 内容提要须书写 200 左右汉字，开题报告（文科除外）的内容要根据不同专业的课题任务要求，阐述查阅文献、文案论证、解题思路、工作步骤等；综合成绩表（二）3. 正文（含引言、结论等） ；4. 参考文献（或资料）承诺书河南大学本科生毕业论文（设计、创作）承诺书河南大学本科生毕业论文（设计、创作）承诺书论文题目论文题目汽车测距与制动系统姓姓 名名所学专业所学专业学学 号号完成时间完成时间指导教师指导教师姓名职称姓名职称承诺内容：承诺内容：1本毕业论文（设计、创作）是学生本毕业论文（设计、创作）是学生 在导师在导师 的指导下独立完成的，

12、没有的指导下独立完成的，没有抄袭、剽窃他人成果，没有请人代做，若在毕业论文（设计、创作）的各种检抄袭、剽窃他人成果，没有请人代做，若在毕业论文（设计、创作）的各种检查、评比中被发现有以上行为，愿按学校有关规定接受处理，并承担相应的法查、评比中被发现有以上行为，愿按学校有关规定接受处理，并承担相应的法律责任。律责任。2学校有权保留并向上级有关部门送交本毕业论文（设计、创作）的复印件和学校有权保留并向上级有关部门送交本毕业论文（设计、创作）的复印件和磁盘。磁盘。备注：学生签名：学生签名： 指导教师签名：指导教师签名： 2010 年年 月月 日日 2010 年年 月月 日日说明：学生毕业论文（设计、

13、创作）如有保密等要求，请在备注中明确，承诺内容第 2 条即以备注为准。河南大学本科毕业生学士学位论文第页目 录摘 要.ABSTRACT.第 1 章 绪 论.11.1 超声波的性质及参数.11.1.1 超声波的应用.11.1.2 超声波测距研究的可行性.21.2 超声波测距原理.21.3 课题研究的意义和目的.2第 2 章 系统整体方案分析系统整体方案分析.42.1 多种方案的比较.42.2 设计方案的选定.6第 3 章 系统硬件设计.83.1 系统的构成及工作原理.8 3.2 超声波发射电路.93.3 超声波接收电路.103.4 主控制器.123.5 LED 显示电路.133.6 直流稳压电源

14、.143.7 单片机控制燃油喷射系统的硬件构成.15第 4 章 系统软件的设计.184.1 汽车测距与制动系统的软件规划.184.2 主模块的程序设计.184.3 超声波发射模块的设计.204.4 超声波接收模块的设计.214.5 距离计算模块的设计.224.5.1 乘法子程序 .244.5.2 除法子程序.264.5.3 数码转换.284.6 显示模块的设计.29 4.7 制动系统控制模块的设计.29河南大学本科毕业生学士学位论文第页结 论.31参考文献.32河南大学本科毕业生学士学位论文第页摘摘 要要本文介绍一种基于 MCS-51 系列单片机的汽车测距与制动系统，该系统通过超声波探头发出超

15、声波，利用超声波探头进行接收，根据超声波在空气中传播以及反射原理, 以超声波传感器为接口部件,利用超声波在空气中的时间差来测量距离并使用高速单片机 MCS-51 进行计算距离，然后经过单片机处理，使用四位 LED 数码管显示测距距离，可以直观地显示前车与后车之间的距离，并以此来控制车速并提醒驾驶员注意保持车距与车速。关键词关键词 超声波；MCS-51单片机；LED显示；车距测量河南大学本科毕业生学士学位论文第页ABSTRACTThis paper describes a microcontroller based on MCS-51 family of vehicles ranging and

16、 braking system, which sent through the ultrasonic probe ultrasound, used ultrasound probe receives, according to ultrasonic wave propagation in the air and the reflection principle, ultrasonic sensors to the interface components use of ultrasound in air to measure the distance of time difference an

17、d use high-speed microcontroller MCS-51 for calculating the distance, and then through the single chip processing, using four LED digital display ranging from the can directly to the show after the car before the car and the distance between and use it to control the speed and remind drivers pay att

18、ention to maintaining vehicle distance and vehicle speed.Keywords: Ultrasonic; MCS-51 microcontroller; LED display; Vehicle Distance Measurement河南大学本科毕业生学士学位论文第 1 页第第 1 章章 绪绪 论论1.11.1 超声波的性质及参数超声波的性质及参数超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点，具有指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播距

19、离远等特性。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率越高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz 等。 1.1.11.1.1 超声波的应用超声波的应用人耳最高只能感觉到大约20000Hz的声波，频率更高的声波就是超声波了。超声波有三个特点，一个是能量大，二个是沿直线传播

20、，三是传播速度低。它的应用就是按照这三个特点展开的。在工业领域，超声波应用于金属无损探伤、超声波焊接、超声波电镀、超声波清洁设备、超声波测距、超声波测厚、超声波液位测量和超声波比重计等。在交通、医疗卫生和银行中有超声波汽车倒车防撞报警、汽车轮胎漏气报警、汽车防盗报警、铁路安全警示、铁路探伤、超声波诊断和治疗仪和银行自动取款机系统中。超声波传感器也广泛应用于家庭。如防盗警报系统、非接触式开关、自动水龙头、洗手间自动冲水控制系统、灯具控制、防近视报警等。例如渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了。这种仪器叫做声纳。声纳也

21、可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度具体的来说就是探测与障碍物之间的距离。河南大学本科毕业生学士学位论文第 2 页1.1.21.1.2 超声波测距研究的可行性超声波测距研究的可行性本课题研究的是利用超声波在空气中的时间差来测量距离。由于超声波在空气中的传播速度较慢，一般为 340m/s 左右，它具有频率较高，沿直线传播、方向性好、绕射性小、穿透力强、传播速度慢等特点。超声波对液体和固体的穿透力很强，尤其对在阳光下不透明的固体可穿透几十米的深度。超声波遇到杂质或分界面会发生反射波，利用这一特性可构成超声波探伤仪或测距仪。这使得超声波测距仪使用变得异常简单，而利用它去测量距离就不再困

22、难了。综上所述，利用 MCS-51 型单片机，超声波测距数字显示装置的课题研究是可行的。1.21.2 超声波测距原理超声波测距原理超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，反射波称为回声。其所经历的时间与超声波传播的路程的远近有关，测试传输时间可以得出距离，只要从测量点某一时间发射超声波，并测量该声波返回的时间即可实现测距。假如S(m)表示物体之间的距离，测得的时间为T(s)，传播速度为V (ms)表示，则有以下关系式：S=TV2 (m) (1-1)即：S=340 T2 (m) (1-2)1.31.3 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的在现实生活

23、中，传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。在日常机场保障与维护过程中，工程车、充气车、电源车、加油车等诸多车辆常常需要在停机坪附近穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与飞机非常接近，驾驶员的视野颇受限制，碰撞和拖挂飞机的事故时有发生，在夜航时则更显突出。河南大学本科毕业生学士学位论文第 3 页为确保飞机安全，设计一种测距装置，通过空气传播超声波测出离障碍物的距离。有效地提高飞机在保障

24、和维护过程中的安全性和可靠性。目前市面上常见的超声波测距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的应用领域中难以得到广泛的应用。在高速行驶的公路上， 车辆很容易造成追尾事故，原因主要是前后两车的相对距离较近。当后车驾驶员发现情况，采取制动时已为时已晚。因为，当车辆在高速行驶中制动时，制动距离与制动时的速度成正比，另外还需要加上后车驾驶员的反应时间（设车辆的制动性能相同）所需要的距离。为了保证车辆在高速行驶时的安全，驾驶员必须控制两车之间的安全距离。多少的制动距离是安全的呢？一般在高速行驶时，主要靠驾驶员的经验。为了减少事故，这里设计一种能自动检测两车的安全距离的装

25、置，在小于或者等于安全距离时，车辆能警告驾驶员并自动减少供油量，以达到增加车辆的距离。为解决这一系列难题，设计基于 MCS-51 单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距和制动系统。河南大学本科毕业生学士学位论文第 4 页第第 2 章章 系统整体方案分析系统整体方案分析2.12.1 多种方案的比较多种方案的比较2.1.1 发射模块方案一：利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生 40kHz 的超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。方案二：利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软

26、件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流为 100mA 以上的驱动电路。2.1.2 接收模块超声波接收器包括超声波接收探头，信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波接收探头必须采用与发射探头对应的型号(主要是频率要求一致，否则会因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收)。由于经接收探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦信号不能直接被处理器接收，因此最后必须进行波形变换。方案一：采用集成锁相环 NE567 对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由RC 值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已

27、进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。这种方法的特点是电路简单，但锁相环接收的频带较窄，不易锁相。方案二：采用红外线检波接收的专用集成芯片 CX20106A，它常用于电视机红外遥控接收器，由于红外遥控常用的 38kHz 载波与测距用的 40kHz 超声波接近，当它没有接收到信号时输出为高电平，当它接收相近频率的信号时输出为低电平。因此它可以用来作为超声波检测接收电路。这种方法的特点是不仅灵敏度很高，抗干扰能力很强，而且还不需要放大电路，可使系统电路更为简洁、调试更方便。方案三：采用集成运放芯片（LM324）作为比较器对放大后的信号进行波形变换。当输入信号的

28、电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电压小河南大学本科毕业生学士学位论文第 5 页于基准电压时，输出为“0”；这样就取到对输入信号进行变换的目的。这种方法的特点是电路简单（主要是与放大电路共用一块芯片），但放大系数和选择比较电压选择非常关键。调试起来有一定难度。2.1.3 温度补偿超声波测量距离的可用式（2-1）表示， （2-1）式中 C 为超声波在空气中的传播速度，0时为 331m/s, 25时为 347m/s其与环境温度 T（）的关系如式（2-2） （2-2） 由此可见，声速与温度有着密切关系，在应用中如果温度变化不大并且无特殊要求，可认为声速基本不变的，否则必须进行温度补偿。在

29、硬件上，温度补偿主要采用测温电路来实现。它一般是由 DS18B20 测温专用芯片来测定。得到的数据送到串行口，单片机就会根据温度变化将声速作相应得处理；在软件上，温度补偿常有方法有以下两种：方案一：每次先按照式（2-2）计算当时的声速 C，然后再按式（2-1）计算距离。方按二：根据当时的环境温度，查取特征温度值（声速表中最接近温度对应的声速值）作为当前声速，然后按照式（2-1）进行距离计算。其特点是可采用事先得到温度声速二维表，将之固化到系统程序中，然后直接使用查表法得到声速值，这样程序实现比较简单，但精度没有方案一高。方案三：忽略温度对超声波传播速度的影响，这样的系统应用于精确度要求不是很高

30、的测距系统。另外，由于发射与反射之间存在一定的夹角 2 ，当 很小时，可直接按式（2-1）计算距离；当 很大时，则必须进行距离修正，其修正公式为（2-3） 。 （2-3） 在式（2-3）倾角 与超声波发射装置和接收装置的安装位置有关，在实际应用中应注意适当安装,减小方向角对装置的影响。sct2C331.40.61 Tscos c t2河南大学本科毕业生学士学位论文第 6 页2.1.4 显示模块：方案一: 采用 LED 数码管显示.其优点在于它能在低电压,小电流的条件下发光,能与 CMOS,TTL 电路兼容;发光响应时间短( 0.1 秒),高频特性好,单色性好,亮度高，体积小,抗冲击性能强等。.

31、以上优势使得 LED广泛运用于数字仪器、数控装置、计算机等显示部件中。方案二: 采用 LCD 液晶显示。LCD 的工作电流比 LED 小几个数量级,故功耗很低;尺寸小,厚度约为 LED 的 1/3;字迹清晰,美观,使用方便;编程简单,信息量大。2.1.5 电源模块方案一: 采用电池(1.5V2)。这样供电很简单,而且组成系统时,占用的空间小;但供电的功率低,运行单片机系统的时候,因为其要求的电流较大,可能会造成单片机程序跑飞,复位等异常现象,严重时会造成系统死机。方案二: 采用主要由三端稳压片 LM7805 构成的电源。这种电源与前者相比较为复杂,但是其带载能力明显强于前者,在单片机系统中得到

32、了广泛的应用。2.1.6 控制模块：方案一：采用单片机控制燃油喷射系统，从而控制油量，在汽车距离小于或等于安全距离时，达到汽车减速的目的。方案二：采用单片机控制汽车电控自动变速器，在汽车距离小于或等于安全距离时，达到汽车减速的目的。2.22.2 设计方案的选定设计方案的选定按照设计要求并根据以上分析，经综合考虑，测距仪的设计方案确定为以ATMEL 公司生产的 89C51 作为系统的核心。具体描述如下:2.2.1 超声波频率及探头的选用 超声波在空气中,频率越高,功率越大,精度越高,但在空气中衰减越快;相反,频率越低,功率越小,空气中衰越慢,但误差大. 综合考虑75 kHz、40 kHz、25

33、kHz ,取40 kHz 可以较好地解决这个矛盾。为了便于超声波的发送和接收，本文采用共振频率为40 kHz的超声波探头，其发射探头选用TCT40-12T,其对应的接收探头选用TCT40-12R。2.2.2 超声波的产生 本系统采用方案二，用软件产生 40kHz 的超声波信号。2.2.3 超声波的接收 本系统采用方案二，这种方法比其它方案电路简单，实现很方便。河南大学本科毕业生学士学位论文第 7 页2.2.4 温度补偿 本系统采用方案三，这种方法对测量精度要求一般，实现也很方便。2.2.5 显示器的选用 本系统采用方案一,这种方法编程简单,应用广泛，价格低廉，元器件容易购买，驱动电路容易实现，

34、所以采用 LED 显示。2.2.6 电源的选用 为提高测量范围,在发射部分要求的功率较大,而在接收部分对其要求一般,所以本系统发射部分用的是由 LM7805 构成的稳压电源提供 5V 供电。2.2.7 控制器的选择 相比较，选择方案一单片机控制燃油喷射系统。河南大学本科毕业生学士学位论文第 8 页第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计3.13.1 系统系统的构成及工作原理的构成及工作原理本课题的汽车测距与制动系统主要由超声波发射器、接收器、主控制器、LED显示电路、电源部分及单片机控制油量控制车距等几大部分构成 。如图3-1所示。下面我来给大家介绍下系统的工作原理：本系统采用的是定时器中断从

35、P1口产生40kHz的超声波信号，超声波传感器由74LS04组成的驱动电路实现一定功率的超声波发射。定时器中断产生40kHz的超声波信号就可以通过超声波探头将其发射出去，超声波遇见障碍物就反射回来，反射回来被超声波接收探头所接收。但是由于超声波探头接收到的信号很微弱很小，所以还必须经过一个放大电路进行放大，因为单片机不能直接接收这样的信号，所以最后再通过波形变换电路将信号转换成单片机能接收的信号进行接收。单片机接收信号后关闭计时器、禁止P1口工作，最后通过显示电路显示测量到的距离。LED数码显示一段时间后将进行下一回合的测量。在整个测量过程中由于电源电路提供能量才使得各模块电路在单片机的控制下

36、成功有序地完成一次距离测量。可见电源电路也是该系统不可缺少的一部分，而且起非常重要的地位。图 3-1 超声波测距仪的原理方框图河南大学本科毕业生学士学位论文第 9 页3.23.2 超声波发射电路超声波发射电路超声波发射是由单片机软件设置程序从P1.0发出40KHz的方波信号，然后通过74LS04组成驱动器驱动电路推动发射探头工作。其原理图如图3-2所示图3-2 超声波发射驱动电路从P1.0输出40KHz的方波信号，由于输出的方波信号驱动电流比较小，通过74LS04组成的驱动电路实现较大功率的输出。其原理为当P1.0输出为高电平时经过U4A反相输出到U4B、U4D，两个反相器并联输出高电平信号；

37、另一路由P1.0输出到U4C、U4E反相放大后为低电平。反过来，当P1.0为低电平时U4B、U4D输出低电平，U4C、U4E输出高电平。R8、R9为上拉电阻实现输出功率补偿，当为上正下负的时候有电流流过R8推动超声波传感器工作；当下正上负时R9有电流流过传感器推动传感器工作，实现传感器比较大功率的工作。超声波发射头采用开放式封装TCT40-12T超声波发射探头配对接收头为TCT40-12R其接收灵敏度高适用于测距仪及其它超声波器件其参数如表3-1所示：表 3-1 超声波发射和接收头参数+5VR81KLS1TX(F)R91KP1.012U4A74LS0434U4B74LS0456U4C74LS0

38、498U4D74LS041110U4E74LS04河南大学本科毕业生学士学位论文第 10 页 器件特性发射头 器件特性接收头中心频率40010 kHz带宽(-6 dB)20 kHz发射声压at10V(0dB=0.02mPa)112dB接收灵敏度-65 dB min6dB 指向角70o探测距离（m）0.220m外形尺寸12mm最大驱动电压20 Vrms探测距离（m）0.2-20m3.33.3 超声波接收电路超声波接收电路超声波接收器主要由超声波接收探头和红外线检波接收集成电路两部分组成。具体电路如下图3-3所示LS4RX(S)C103.3uFC9473R15200KC173.3uFC6330PR

39、144.7+5V+5VR16220KC1110412345678CX20106AJ4CX20106A图3-3 超声波接收电路CX20106A红外遥控接收器是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，即是红外遥控接收前置放大双极型集成电路。内部电路有前置放大器、自动偏置电平控制电路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。CX20106A 是 CX20106 的改进，二者之间的主要差别在于电参数略有不同。河南大学本科毕业生学士学位论文第 11 页CX20106A 采用单列 8 脚直插式，超小型封装，5V 供电。其内部方框图如图3-4 所示，其引脚功能如下表 3-2 所

40、示。图332 CX20106A 内部方框图 图 3-4 CX20106A 内部结构表 3-2 CX20106A 的引脚功能详表超声波接收电路外部电路设计为：1 脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k。 2 脚：该脚与地之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻 R1 或减小 C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C1 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=3.3F。 3 脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏河南大学

41、本科毕业生学士学位论文第 12 页度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为 3.3f。 4 脚：接地端。 5 脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取 R=200k 时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率 f038kHz。 6 脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为 220k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号

42、时则产生下降。 8 脚：电源正极，4.55V。超声波接收工作过程为：当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶片作振动，将机械能转化成电信号，即红外线检波接收集成芯片CX20106A接到电信号后，对信号进行放大、限幅、滤波、检波比较、整形、滞后比较等一系列处理后，对所接信号进行识别，若频率在40kHz左右，则输出低电平，否则没有识别信号输出高电平。3.43.4 主控制器主控制器主控制器主要由单片机 MCS-51、时钟振荡器和复位电路三部分组成。设计原理图如 3-5 所示，由于它是单片机工作的必要组成部分，所以又称为单片机最小系统。主控制器是测距仪的控制中枢，也是整个系统的核心部分。主控制器

43、之所以这样重要是因为它在测距仪中发挥了三个作用：（1）控制超声波的发射；（2）负责处理接收电路发出的信号；（3）时间转化成距离的数据处理。综上所述，主控制器的正常工作是保证超声波测距仪成功测距的先决条件和基础，单片机最小系统的设计虽简单但是很关键很重要。河南大学本科毕业生学士学位论文第 13 页Y112MH ZEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P24

44、25P2526P2627P2728PSEN29ALE /P30TXD11RXD10U58051C2520PC2020P+5VS10RESTR3210KRDWRP1.0P1.1C193.3uF+5V图 3-5 主控制器系统电路图 3.53.5 LEDLED 显示电路显示电路4 位数码扫描显示电路，其中每个数码管的 8 个段：dp、g、f、e、d、c、b、a（dp 是小数点）都连在一起，4 个数码管分别由 4 个选通信号来选择。被选通的数码管显示数据。例如，在某一时刻，Q 2 为低电平，其余选通信号为高电平，从单片机 P0 口输出显示的段码。这时仅 Q2 对应的数码管显示来自段信号端的数据，而其它

45、 3 个数码管呈现关闭状态。根据这种电路状况，如果希望在 4 个数码管显示希望的数据，就必须使得 4 个选通信号Q2、Q3、Q4、Q6 分别被单独选通，并在此同时，在段信号输入口加上希望在该对应数码管上显示的数据，同样如此循环下去，在下一时刻又只让另一位玄同线处于选通状态，而其他的位选通信号处于关闭状态，由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示时间间隔足够短，则可造成多位同时亮的假象，达到显示的目的。于是当选通信号的扫变频率大于 24Hz，就能实现扫描显示无闪烁现象。 LED 显示电路由单片机、段码驱动电路、四位 LED 数码管、位码驱动电路四部分组成。其设计原理图如图 3-6 所示。段码信号从

46、8051 单片机 P0 口输出，经过 74LS245 同相驱动器，驱动段码信号送到数码管显示。位码信号从 P2.4-P2.7 口输出到由 9012 组成的位码驱动电路。当 P2.4 为低电平时，P2.5-P2.7 为高电平，Q6 导通，也就是 DS4 这个数码管选通，这是从 P0 口输出段码信号，就可以在 LED 上显示出来。河南大学本科毕业生学士学位论文第 14 页图3-6 超声波测距仪显示模块3.63.6 直流稳压电源直流稳压电源本系统所需能源是由自制的集成直流稳压电源提供。它主要由整流滤波电路和稳压电路所组成。如图3-7所示。132VVGNDINOUTU778L05D2206J3POWE

47、R+ C161000UF+ C151000UF+5VD1POWER-LE DR301kC8104C7104图3-7 超声波测距仪直流稳压电源在这个系统中,因为在整个电路中分有发射电路和接收电路两个分离的部分而接收部分采用 5V 电压供电。为得到+5V 由三端稳压集成块 LM7805 完成。其河南大学本科毕业生学士学位论文第 15 页中 D2 为桥式整流电路，完成交流转换成脉冲直流电，经过 C16 和 C8 组成的滤波电路滤波。然后经过 LM7805 稳压构成的电源提供 5V 电压。3.7 单片机控制燃油喷射系统的硬件构成单片机控制燃油喷射系统的硬件构成ECU 控制电路包括传感器控制器和执行器

48、3 大部分。3.7.1 传感器及其处理电路该系统的传感器包括曲轴转速传感器、凸轮轴位置传感器、车速传感器、节气门位置传感器、空气流量计、水温及进气温度传感器、爆震传感器和氧传感器等。传感器输入信号分模拟和数字两种，在进入单片机之前必须经过滤波、整型和放大等处理，转化成与微处理器兼容的信号。（1）曲轴转速传感器曲轴转速传感器为电磁式传感器，其输出脉冲电压随转速变化，从一波动，所以它的信号处理非常重要，而巳精度要求高，否则会引起发动机工作混乱。如下图 3-8 所示图为信号处理电路简图 。 图 3-8 曲轴转速传感器信号处理电路信号需先通过滤波器滤去高频噪音，施密特触发器用于把脉冲整形为标准方波。触

49、发器抗丁扰性强，它的滞回值可编程，低频时滞回值降低，高频时滞回值升高。（2） 凸轮轴位置传感器凸轮轴位置传感器为霍尔式传感器，输出高低电平数字信号，经过简单的整形处理就可进入单片机。（3）空气流量计空气流量计为热线式，它的信号是小于的电压信号。其精度决定了空燃比的控制精度，信号在进入转换之前需进行滤波处理，如下图 3-9 是信号处理电路简图。 图 3-9 空气流量计信号处理电路（4）带有电位器的节气门调节器它包括节气门位置传感器、怠速节气门位置传感器和怠速开关。节气门位置传感器是轴头滑线变阻器，两端加载 5v 电压，中间抽头信号输出 0v-河南大学本科毕业生学士学位论文第 16 页5v。ECU

50、 根据输入电压来判断节气门位置，信号处理只需简单的滤波。怠速开关是高低电平数字信号。怠速节气门位置传感器用于怠速控制，其处理电路与节气门位置传感器相同。（5）水温及进气温度传感器水温及进气温度传感器为热敏电阻传感器，与 ECU 中的电阻串联，热敏电阻阻值变化，其输出电压也随之变化（0v-5v） ，可直接进行转换，如下图3-10 是信号处理电路简图。 图 3-10 温度传感器信号处理电路3.7.2 单片机单片机型号的选择直接决定了系统功能的强弱，高性能单片机已发展得十分成熟。这里选用 MCS-51 系列的单片机。3.7.3 功率驱动模块包括燃油喷射驱动、点火驱动、AKF 阀及继电器驱动、节气门力

51、矩电机驱动及加热驱动等。驱动芯片的选择决定了控制的精度和可靠性，虽然市场上功率驱动芯片很多，但发动机的工作条件和性能要求芯片必需集成度高、有自保护、控制精度高、能忍受恶劣工况及与微处理器兼容。如下图 3-11 所示喷油器、AKF 阀及继电器的驱动芯片电路结构简图，此电路是通道智能开关，有个低电平输入和个输出，每个通道独立驱动。适用于驱动负载大的电磁阀和继电器等。它内部集成了故障诊断接口，可以进行超载、短路和超压等保护。 图 3-11 喷油驱动芯片电路河南大学本科毕业生学士学位论文第 17 页如下图 3-12 所示为点火驱动芯片电路，它是智能路功率开关，适用于汽车点火驱动。它由逻辑信号驱动，具有

52、负载短路保护，可以提供故障反馈，输出电流0.5A。力矩电机采用 5-A 高桥功率驱动芯片。氧传感器采用 TEMPFET 芯片驱动。 图 3-12 点火驱动芯片电路3.7.4 外围可编程系统系统的结构见如下图 3-13 所示。它是一个高度集成的系统，并且给用户提供可编程能力，能与 8 位和 16 位微控器实现无逻辑连接，其总线控制逻辑能对多种型号微处理器产生的控制信号译码。包括 40 个 I/O 口，可构成标准的I/O 口、PLD 口、锁存的地址输出和特殊功能口。IMEPROM 可构造成 8 位或16 位总线。16KSRAM 用于微控器 SRAM 的扩展和存储系统掉电的后备信息。ZPLD 使用户

53、能有效地实现各种状态机、逻辑功能、地址译码及功能模块的控制。此系统把所有的外围部分都组织在一起，大大缩小了电路板的空间，使成本降低。 图 3-13 外围可编程系统河南大学本科毕业生学士学位论文第 18 页第第 4 章章 系统软件的设计系统软件的设计汽车测距与制动系统的软件主要由主模块、超声波发生模块、超声波接收模块、显示模块、距离计算模块及制动系统模块构成。主模块用于循环检测并且保存测量的结果以及计算的相关参数于寄存器中；超声波发生模块主要是通过软件产生一定周期的方波信号通过单片机端口输出方波来控制超声波的发送；超声波接收模块主要用于停止定时器计时，暂存计时值并置位接收成功接收标志位；距离计算

54、模块通过对超声波发射和接收时间和速度关系等一系列复杂的运算实现；而显示模块则主要是显示超声波测量的距离;制动系统模块是由单片机控制燃油喷射系统以控制油量从而控制车距。下面具体介绍一下各程序设计过程。4.14.1 汽车测距与制动系统汽车测距与制动系统的软件规划的软件规划本系统的软件设计必须充分考虑到 MCS51 的硬件和软件特点，同时充分利用其内部资源包括存储器资源、功能部件等。其程序主要包括六个功能模块：主模块、超声波发射、超声波接收、距离计算模块、显示模块及制动系统模块。如图 4-1 所示形象地描述了各模块功能及相互之间的关系。图 4-1 各程序模块功能及相互关系4.24.2 主模块的程序设

55、计主模块的程序设计超声波接收主模块超声波发射显示模块距离计算制动系统河南大学本科毕业生学士学位论文第 19 页主模块主要分为初始化子程序及各子程序的调度管理等部分。其工作流程是：上电后首先对系统进行初始化,（对数据存储单元进行清零、接收标志位清零、定时器初始化、端口初始化等）。紧接着开定时器总中断，再接着调用显示子程序，显示完后判断有没有超声波被接收，若有，则关中断停止计时并将计时值送入距离计算子程序，然后调用显示子程序将所测距离显示，最后返回进行下一轮测距，若没有信号进来，则继续调用显示子程序。具体如图 4-2 所示。就测距仪而言，由于使用了 8051 的若干个 I/O 口，因此对它的初始化

56、包含两个方面：（1） 端口、数据存放区及寄存器的初始化；（2）外中断和定时器的初始化。对堆栈段设置为 4FH 单元以上的数据存储单元；40H-43H 为显示数据存放区，40H 为最高位显示数据存放区，依次为 41H 为次高位、42H 为次低位、43H为最低位。初始化时将显示存储器上数据清零；44H、45H 为定时器输出数据暂存器，44H 接收定时器 0 上低 8 位 TL0 的数据，45H 暂存定时器 0 高 8 位 TH0 的数据；20H 作为接收模块上超声波信号接收的标志位，当标志位为 0 时表示没有接收到超声波信号，当标志位为 1 时表示已经接收到超声波信号，初始化过程中应该把标志位清零

57、。对定时器的初始化，把定时器 1 和定时器 0 都初始化为方式 1，允许超声波发射和反射的时间为 65536uS，也就是把 T0、T1 定时器计数初值初始化为0。设置外部中断优先级别为最高优先级别，便于实现超声波接收时能够第一时间发出中断请求。开启总中断允许位，开启各个中断源允许位。 外部端口全部初始化为高电平。 河南大学本科毕业生学士学位论文第 20 页开始40H-4BH清零定时器初始化P0-P3端口初始化开中断调用显示子程序调用距离计算程序测量时间间隔调用显示子程序接收标志清零开中断接收标志位跳转开始接收标志清零关中断标志位=1图 4-2 主程序流程图4.34.3 超声波发射模块的设计超声

58、波发射模块的设计利用发射电路产生产生超声波，这部分的程序较简单，主要是由定时器 T0来实现。具体控制是这样的：通过软件运行时间的关系，每一条基本指令为1uS 控制运行指令的周期在 25uS 左右，通过不断对 P1.0 进行每 13uS 取反可以得到接近 40KHz 的方波信号，当 P1.0 输出方波信号时开启定时器 T0，就可以实现计时器与发送超声波的同步。对方波信号的发出周期有一定次数控制，这样就不会有多次接收到超声波反射回波的现象，避免重复接收超声波信号造成测量不准确。在方波信号输出后，有一段时间的延时时间才开启回波中断允许，避免超声波发射后直接被接收，没有通过障碍物的反射，造成测量不准确

59、。具体见其流程图 4-3 所示。河南大学本科毕业生学士学位论文第 21 页T0中断入口关中断重装初值开中断40k方波产生方波产生次数控制延时开启接收回波中断中断返回图 4-3 T0 中断子程序4.44.4 超声波接收模块的设计超声波接收模块的设计超声波接收模块主要由外部中断子程序来实现。其主要过程是：判断 P3.2口电平信号，当电平信号为高电平时没有接收到超声波回波信号，当有外来信号输入时 P3.2 口信号变为低电平。将触发外中断，向 CPU 申请中断进入外中断子程序后，第一，关定时器停止计时、关总中断、及外部中断允许；第二，将定时器的计时值载入处理单元；第三，置成功接收标志位。具体过程如图

60、4-4流程图所示。河南大学本科毕业生学士学位论文第 22 页外部中断0入口关中断P3.2电平？0将T0计数值移入44H、45H单元重装初值将接收成功标志置1中断返回再次判断P3.2电平是图 4-4 外部中断子程序4.54.5 距离计算模块的设计距离计算模块的设计距离计算模块是超声波测距仪最难实现的模块。程序设计的关键在于得到超声波的发送与接收的时间差的获取。而时间差的获取则是通过定时器 T0 的计数来实现的，即在发射超声波后启动该定时器计数，得到第一个回波信号停止计数。计时值为 2 个字节（单位：微秒）高字节存在 TH0，低字节存在 TL0 中，则可按照（4.1.1）式计算，即可得到被测物体与

61、测距器之间的距离，设声速为C（m/s），则有： S = Ct/ 217*T0/1000 cm (4.1.1 )其中 T0 为计数器 T0 的计数值。最后将计算出距离送往 LED 显示。具体过程见流程图 4-5 所示。河南大学本科毕业生学士学位论文第 23 页距离计算模块主要实现距离计算和数码转换两大功能，其具体过程为：首先把要保护的数据推入堆栈累加器 A、寄存器 B 和 PSW 推入堆栈；改用寄存器组 3，把 44H、45H 中的时间数据放入寄存器 R2、R3 中，把乘数 0017 放入寄存器 R1、R0 中，调用乘法子程序实现 17* T0 计算出数据，把除数 1000 放入R3、R2 中，

62、调用除法子程序实现乘法后的数据除以 1000，实现距离的计算。然后把距离数据转换成数码管能够显示的数码分别把最高位数码放到 40H，次高位放到 41H，次低位放到 42H，最低位放到 43H 单元中，把栈底数据推出堆栈，程序返回。开始入栈保护改用寄存器组3将T0计数值移入R3R2载入处理数据调用乘法子程序装入除数1000调用除法子程序数码转换出栈返回图 4-5 计算距离流程图河南大学本科毕业生学士学位论文第 24 页4 4. .5 5. .1 1 乘乘法法子子程程序序乘法子程序模块实现 16 位定时器 T0 输出的时间计数值乘以 17 其具体过程见流程图 4-6 所示。 把 16 位定时器输出

63、的时间值放到寄存器 R3、R2 中，R3 存放 TH0 值，R2存放 TL0 值，把 17 存放在寄存器 R1、R0 中。两数相乘结果放在寄存器R7R6R5R4中，其乘法实现的原理及过程为：乘法子程序实现多字节数的相乘，其原理是：通过对 R7-R4，R1R0 中数据向左带进位移动一位（移动次数为 16 次），并判断 R1R0 中的移动到 CY 的数据是否为 1，不为 1 则移动次数减 1 后继续带进位左移，当检测到 CY 位为1 的时候则把 R2 的数和 R4 相加，R3 的值和 R5 相加，R6、R7 与进位值相加，移动次数减 1 后继续移动，直到移动次数减到 0 为止。例如：初值： CY

64、R7 R6 R5 R4循环 0 0 0 0 016 次 CY R1 R0 右移 R6R7R5R4R1R0 并检测 R1R0 的 CY + R2 R3 当 CY=1 CY R7 R6 R5 R4 得部分积并左移对位首先把 R7-R4 全部清零，防止 R7-R4 中的数据影响计算结果。把 R4 高位数字移入 CY，然后在移入 R5 的最低位，R5 最高位移入 CY 再移入 R6 最低位，R6 最高位移入 CY 然后移入 R7，R7 最高位(初值为零)移入 R4;判断 R0R1 中每一位是否为 1，当为 1，R4+R2 值，R5+R3 值，R6、R7 加上进位，并左移，直到 16 次移位完成为止。河

65、南大学本科毕业生学士学位论文第 25 页开始A、R4-R7清零移位循环次数初值进位端清零R4带进位左移暂存R4R5带进位左移R6带进位左移R7带进位左移暂存R6暂存R0暂存R5暂存R7R0（低位乘数）带进位左移R1（高位乘数）带进位左移暂存R1CY=?1R4+R2暂存在R4R5+R3暂存在R5R6、R7加CY端暂存在R6、R7返回46H不为0移位次数146H=0CY=0图 4-6 乘法子程序流程图河南大学本科毕业生学士学位论文第 26 页4.5.24.5.2 除法子程序除法子程序除法子程序用于距离计算和二进制数转换成 BCD 码两大重要功能。其具体流程如下图 4-7 所示。 除法原理及实现过程

66、为： R7R6R5R4 存储被除数，R3R2 存储除数，R1R0 是余数存储器，除法完成后商存储于 R7R6R5R4。首先设置循环移位次数为 32 次，并将余数存储器清零。其实现的过程分为五步：1.将 R7R6R5R4 数据带进位左移一位，并将溢出位送入 R1R0 中。2.对齐 R1R0 中高位被除数试减除数。3.若够减商上 1，保存余数；不够减商上 0 且恢复余数。循环次数-14.余数左移对位，商移入逐位 R4R5R6R7 中。5.循环重复前 3 步，直至取够相应位数的商。例如： CYR1R0R7R6R5R40 - R3R2 + 1 够减商+1 移入 CY 位，保存相减后余数R2R3 不够减恢复余数 循环 32 次河南大学本科毕业生学士学位论文第 27 页开始循环次数设定为32次R0、R1清零R4-R7带进位左移,并分别暂存移位后的值于R4-R7CY取反暂存比较后余数R0-R1带进位左移,暂存移位后值于R0-R1CY清零，比较R1R0与R3R2的大小CY=?1R4-R7带进位左移,并分别暂存移位后的值于R4-R7返回循环次数为0？为0不为0为1图 4-7 除法子程序流程图河南大学本科