汽车泊车辅助系统设计
汽车泊车辅助系统设计,汽车,泊车,停车,辅助,系统,设计
SY-025-BY-5毕业设计(论文)中期检查表填表日期年 月 日迄今已进行 7 周剩余 9 周学生姓名祁皓系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆B07-3班指导教师姓名齐益强职称实验师从事专业汽车运用是否外聘是否题目名称汽车泊车辅助系统设计学生填写毕业设计(论文)工作进度已完成主要内容待完成主要内容1、收集毕业设计有关资料,完成开题报告; 2、确定系统整体电路;3、绘制完成系统电路原理图;4、硬件焊接与调试。 1、 电路及软件的设计,电路原理图的绘制;2、 撰写设计说明书存在问题及努力方向对电路绘制软件进行学习,对软件设计仍需进一步学习。学生签字: 指导教师意 见 指导教师签字: 年 月 日教研室意 见教研室主任签字: 年 月 日本科学生毕业设计 汽车泊车辅助系统设计 系部名称: 汽车与交通工程学院 专业班级: 车辆工程 07-3 学生姓名: 祁皓 指导教师: 齐益强 职 称: 实验师 黑 龙 江 工 程 学 院 二一一年六月 The Graduation Design for Bachelors 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 2011-06Harbin 黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 随着我国经济的快速发展,交通运输车辆及私家用车的不断增加,不可避免的交 通问题瞬时成为人们关注的问题。其中由于泊车事故发生的频率高,已引起了社会和 交通部门的高度重视。泊车事故发生的原因是多方面的,造成泊车时的事故率远大于 汽车正常行驶时的事故率,尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。而泊车事故给车 主带来许多麻烦,不仅经济上,更有人身伤害,例如撞上别人的车,如果伤及儿童更 是不堪设想,基于此基础,汽车高科技产品中,专为汽车泊位设置的“汽车泊车辅助 系统”应运而生,汽车泊车辅助系统的加装可以解决司机的不少麻烦,大大降低了泊 车事故的频率。 由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经 常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时 控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。本系统工作过程中超声波发射器 发出一系列的脉冲信号,由单片机对接收的信号依据时间差进行处理,自动计算出车 与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单,成本低,制作方便,但其传输速度受天 气影响较大,不能精确测距;因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中本文根据声 波在空气中传播反射原理,以超声波换能器为接口部件 该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光 报警显示模块等部分组成,文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及 软件结构。接收电路使用 NE5532 及 LM311 芯片对回波信号进行整波,对衰减后的信 号进行了放大和整波,更好的实现了超声波的接受,对单片机提供外部中断信号。 关键词:超声波;报警;AT89S52;设计;调试 黑龙江工程学院本科生毕业设计 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 elses 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 课题的研究目的1 1.2 课题的的研究现状2 1.3 课题主要内容3 第 2 章 汽车泊车辅助系统工作原理及硬件选择4 2.1 汽车泊车辅助系统工作原理4 2.2 超声波测距原理4 2.3 单片机控制芯片5 2.4 超声波发射与接收芯片8 2.5 本章小结10 第 3 章 泊车辅助系统电路设计11 3.1 超声波发射电路11 3.2 超声波接收电路11 3.3 报警电路12 3.4 显示电路13 3.5 本章小结14 第 4 章 软件设计15 4.1 汽车泊车辅助系统测距的算法及系统程序设计15 4.2 主程序16 4.3 超声波发生子程序18 4.4 超声波接收中断子程序19 4.5 显示子程序19 4.6 本章小结23 第 5 章 各硬件单元的焊接及系统整体测试与调整24 5.1 系统硬件焊接24 5.2 系统硬件的测试25 5.3 系统软件调整36 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5.4 本章小结28 结论29 参考文献30 致谢31 附录32 附录 A 英文文献与中文参考译文 32 附录 B 整机原理图 39 附录 C 实物效果图42 附录 D 材料清单 44 附录 E 源程序 46 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究目的 随着我国经济的快速发展,交通运输车辆及私家用车的不断增加,不可避免的交 通问题瞬时成为人们关注的问题。其中由于泊车事故发生的频率高,已引起了社会和 交通部门的高度重视。泊车事故发生的原因是多方面的,造成泊车时的事故率远大于 汽车正常行驶时的事故率,尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。而泊车事故给车 主带来许多麻烦,不仅经济上,更有人身伤害,例如撞上别人的车,如果伤及儿童更 是不堪设想,基于此基础,汽车高科技产品中,专为汽车泊位设置的“汽车泊车辅助 系统”应运而生,汽车泊车辅助系统的加装可以解决司机的不少麻烦,大大降低了泊 车事故的频率。由于存在视觉盲区,无法看清车附近状况,司机在泊车时很容易发生 事故。为了减少带来的损失,需要有一种专门帮助司机安全泊车的装置。目前市场上 用于辅助司机泊车的装置主要有:语音告警装置、后视系统以及倒车雷达等。语音告 警装置用于播放提示语以提醒车后的行人注意避让正在泊车的汽车。这种装置价格便 宜且使用方便,缺点是只能对车后的行人起告警作用,对于其他障碍物则不起作用, 所以其应用范围有限。后视系统是由视频捕捉装置和视频播放装置组成,通过视频司 机可以很直接地看到车后的障碍物。由于这类装置的价钱较高,目前还没有普及。 汽车泊车辅助系统,是汽车泊车安全辅助装置,能以声音或者后视镜的显示通告 司机车附近的状况,解除了司机泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的麻烦,并帮 助司机解决由视觉引起的缺陷,提高驾驶的安全性,泊车辅助系统的原理与普通雷达 一样,是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。通 过感应装置发出超声波来判断前方是否有障碍物,以及障碍物的距离、大小、方向、 形状等。只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制,目前其主要功能仅为判断障 碍物与车的距离,并做出提示。司机在倒车时,启动倒车雷达,在控制器的控制下, 由车尾保险杠上的探头发送超声波,遇到障碍物,产生回波信号,传感器接收到回波 信号后经控制器进行数据处理,从而计算出车体与障碍物之间的距离,判断出障碍物 的位置,再由显示器显示距离并发出警示信号,从而使司机倒车时不至于撞上障碍物。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 2 - 1.2 课题的研究现状 通常的汽车泊车辅助系统主要由感应器(探头) 、主机、显示设备等三部分组成。 感应器发出和接受超声波信号,并将接受到的信号传输到主机,再通过显示设备显示 出来。感应器装在后保险杠上,以角 45 度辐射,检测目标,能探索到那些低于保险 杠而驾驶员从后窗又难以看见的障碍物并报警,如花坛、蹲在车后玩耍的儿童等;显 示设备装在仪表板上,提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少距离,到危险距离时,蜂 鸣器就开始鸣叫,提示驾驶员停车。根据感应器种类不同,汽车泊车辅助系可分为粘 贴式、钻孔式和悬挂式。粘贴式感应器后有 1 层胶,可直接粘在后保险杠上;钻孔式 感应器是在保险杠上钻一个洞,然后把感应器嵌进去;悬挂式感应器主要用于载货车。 根据显示设备种类不同,汽车泊车辅助系又可分为数字式、颜色式和蜂鸣式。数字式 显示设备是一只如传呼机大小的盒子,安装在驾驶台上,直接有数字表示汽车与后面 物体的距离,并可精确到 1 厘米,让驾驶员一目了然。汽车泊车辅助系发展到现在已 经历经 5 代。 第一代的汽车泊车辅助系是轰鸣器。倒车时,如果车后 1.5 米-1.8 米处有障碍 物,轰鸣器就会开始工作,轰鸣越急,表示车辆离障碍物越近。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。 第二代汽车泊车辅助系可以显示车后障碍物离车的距离。这一代产品有两种显示 方式,数码显示产品显示距离数字,而波段显示产品由三种颜色来区别:绿色代表安 全距离,表示障碍物离车体距离有 0.8 米以上;黄色代表警告距离,表示离障碍物的 距离只有 0.6 米-0.8 米;红色代表危险距离,表示离障碍物只有不到 0.6 米的距离, 必须停止倒车。 第三代用液晶荧屏显示,特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。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的障碍物的距离。该雷达动 态显示,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。不过液 晶显示器外观虽精巧,但灵敏度较高,抗干扰能力不强,所以误报也较多。 第四代魔幻镜汽车泊车辅助系,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 2 米内的障碍物,并一不用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 显示等多功能整合在一起,并设计了语音功能,是目前市面上最先进的倒车雷达系统。 其外型就是一块倒车镜,所以可以不占用车内空间,直接安装在车内倒视镜的位置。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 3 - 第五代汽车泊车辅助系是专门为高档轿车生产的,它的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。因为是新品,售价也较高。 汽车泊车辅助系的发展实际上已经融入了整车的设计,随着技术的成熟,价格 的降低,倒车雷达将会逐渐普及成为标准配置。 1.3 课题研究的主要内容 利用超声波测距原理,通过超声波传感器以及一系列的电器元件最终将汽车与障 碍物之间的距离对汽车驾驶员进行提醒。 从而解决汽车驾驶员在进行泊车的时候,由于视觉盲区,所导致事故的问题。 具体来说,本设计的第二章,对超声波测距原理和汽车泊车辅助系统的工作原理 进行了介绍并给出了超声波测距原理图以及汽车泊车辅助系统工作原理图。而且对系 统硬件中需要使用的主要电子元器件进行了选择。第三章将对系统中,超声波发射及 接受电路进行设计,还将对测距显示电路及报警电路进行设计。在第四章中,将对系 统的软件进行设计。其中包括主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序显示 子程序。第五章中,将对设计好的系统硬件进行焊接,最后将软件编写在系统硬件中, 并进行调试,使系统运转正常。 本设计主要解决的问题是: 第一、对系统的硬件进行设计 第二、对系统软件进行编写 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 4 - 第 2 章 汽车泊车辅助系统工作原理及硬件选择 2.1 汽车泊车辅助系统工作原理 以单片机作为主控电路元件,以 12MHZ 晶振作为标准脉冲振荡电路元件,通过软 件编程实现 40KHZ 方波的产生,经过放大驱动超声波发射探头产生谐振,发射超声波 信号,同时单片机开中断并开始计时,超声波信号遇到障碍物后反射回来被超声波接 收探头接收,经过整形滤波及放大驱动音频译码器 LM311,锁相后,该芯片 8 脚变为 低电平接在 INT1 上,关中断,计时结束,根据超声波测距原理:L=ct/2,调用测距 子程序,计算距离。除了设计主测距电路外还需设计好电源部分、声光报警部分,及 其接口部分,以便很好的与上位机通讯,进行实时控制。系统工作原理图如下: 图 2.1 汽车泊车辅助系统工作原理图 2.2 超声波测距原理 在超声波探测电路中, 发射端输出一系列脉冲方波, 其宽度为发射超声波与接收 超声波的时间间隔, 被测物距越远, 脉冲宽度越大, 输出脉冲个数与被测距离成正比。 超声波测距的方法有多种, 如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相 位检测法虽然精度高, 但检测范围有限可检测到汽车倒车中, 其障碍物与汽车的距离; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本文硬件设计采用超声波往返时间检测法, 其测 量原理图如图所示。 发射探头 放大电路 AT89S52 数码管显示 报警接受探头 放大电路 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 5 - 图 2.2 超声波测距原理图 其原理为: 在超声波发射器两端输入40KHZ 脉冲串, 脉冲信号经过超声波内部振 子, 振荡产生机械波, 并通过空气介质传播到被测面, 由被测面反射到超声波接收器 接收, 在超声波接收器两端, 信号是毫伏级的正弦波信号, 超声波经气体介质的传播 到接收器的时间, 即为往返时间。 超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法,其中常用脉冲回波法测距。超声波测 距的原理一般采用渡越时间法 ,其原理是超声传感器发射超声波, 超声波在空气中传 播至障碍物, 经反射后由超声传感器接收反射脉冲, 测量出超声脉冲从发射到接收的 时间, 再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离, 即: L=ct/2 (1) 式(1)中, L 为超声传感器与被测障碍物之间的距离, c 为超声波在介质(空气) 中的传输速率, t 为超声波从发射到接收的时间。超声波在空气中的传播速度为: 00cT , 其中 T 为绝对温度数值, 0273.15Tk, 031.4Cms。在测量精度 不是很高的情况下, 一般可以认为 c 为常数 340m/s。由于温度影响超声波在空气中 的传播速度;超声波反射回波又很难精确捕捉,致使超声波在空气中传播的时间很难 精确测量。这些因素是使用超声测距引起误差的原因。 2.3 单片机控制芯片 AT89S52 是一种低功耗、高性能 cmos 8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业 80C51 产 品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程 器。在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash,使得 AT89S52 在众 多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 6 - 图 2.3 AT89S52 管脚图 (1)主要特性: 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命:1000 写/擦循环 数据保留时间:10 年 全静态工作:0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 (2)管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 7 - P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时,被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器,它 可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时,P0 口作为原码输入口,当 FIASH 进行校验时,P0 输出原码,此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口:P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 口缓冲器能接收输 出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后,被内部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部下 拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时,P1 口作为第八位地址接收。 P2 口:P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 口缓冲器可接收,输出 4 个 TTL 门电流,当 P2 口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。 并因此作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时,P2 口输出 地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据 存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验 时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口:P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口,可接收输出 4 个 TTL 门 电流。当 P3 口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由 于外部下拉为低电平,P3 口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口,如下所示: 口管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断 0) P3.3 /INT1(外部中断 1) P3.4 T0(记时器 0 外部输入) P3.5 T1(记时器 1 外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 8 - (3) 振荡器特性: XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内 振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任 何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (4) 芯片擦除: 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非 空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。 此外,AT89C51 设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种 软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU 停止工作。但 RAM,定时器,计数器,串 口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存 RAM 的内容并且冻结振荡器,禁止所用 其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。 2.4 超声波发射与接收芯片 2.4.1 超声波发射芯片 在超声波发射电路中,需要对超声波发射器进行驱动,所以需要在电路中连接一 个超声波传感器的驱动器。 74ls04 为六组反向器, 共有54/7404、 54/74H04、 54/74S04、 54/74LS04 四种线 路结构形式。 其引脚图如下: 图 2.4 74ls04 引脚图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 9 - 2.4.2 超声波接受芯片 超声波接受电路中用到两个芯片,在超声波接受器后先用 NE5532 运算放大器, 对已经衰减的超声波信号进行放大。是一种双运放高性能低噪声运算放大器。 相比 较大多数标准运算放大器,如 1458,它显示出更好的噪声性能,提高输出驱动能力 和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备, 仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的,因此建议使用 5532A 版, 因为它能保证噪声电压指标。其特点是更好的噪声性能,提高输出驱动能力和相当高 的小信号和电源带宽,这使得该器件特别适合用在专业的仪器和控制电路中。前两级 放大电路构成 10 000 倍的放大器,对正弦波信号进行足够放大。其主要电特性如下: NE5532 极限参数: 参数 符号 NE5532 单位 电源电压 Vcc 22 V 差分输入电压 Vdif 13 V 输入电压 Vi 提供电压 V 功耗,T A=25 PD 1100 mW 工作温度 TOPR 070 NE5532 电气参数 参数 符号 测试条件 最小值 标准 最大值 单位 输入失调电压 VIO - - 0.5 4.0 mv 输入失调电流 IIO - - 10 150 nA 输入偏置电流 IBIAS - - 200 800 nA 供电电流 ICC - - 6.0 16 mA 输入电压范围 VI(R) - 12 13 - V 共模抑制范围 CMRR TA=25 70 100 - dB 电源抑制比 PSRR TA=25 输出电压范围 VO(P-P) RL600 12 13 - V 输入电阻 RI TA=25 30 300 - K 短路电流 ISC - - 38 - mA 过调 OS RL=600,CL=100P F - 10 20 % 电压增益 GV f=10kHz 2 2.2 - V/mv 增益带宽 GBW CL=100PF, RL=600 8 10 - MHz 转换速率 SR RL=1K,CL=100PF RL=600 - 6 8.0 V/us 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 10 - 输入噪声电压 eN fo=30Hz fo=1kHz - 8.0 5.0 - nv/Hz 其引脚图如下: 图 2.5 NE5532 引脚图 在运算放大器后,还要对已经放大的信号进行整波,所以本设计选用 LM311。LM311 是一种多用途的电压比较器,采用集成 LM311-8 比较器对前级放大信 号进行调理。其主要特性如下表 LM311 绝对最大额定值: Total Supply Voltage (V84) 总供给电压(V84) 36V Output to Negative Supply Voltage (V74)输出到负电源电压 (V74) 40V Ground to Negative Supply Voltage (V14) 地到负电源电压 (v14) 30V Differential Input Voltage 差分输入电压 30V Input Voltage (Note 13) 输入电压(注 13) 15V Power Dissipation (Note 14) 功耗(注 14) 500 mW ESD Rating (Note 19) ESD 额定值(注 19) 300V Operating Temperature Range 工作温度范围 0 to 70 Output Short Circuit Duration 210 10 sec 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 11 - LM311 电气特性: Parameter 参数 Conditions 测试条件 Min 最小 Typ 典型 Max最大 Units单位 Input Offset Voltage 输入偏移电压 (注 16) TA=25, RS50k 2.0 7.5 mV Input Offset Current 输入失调电流 (注 16) TA=25 6.0 50 nA Input Bias Current 输入偏置电流 TA=25 100 250 nA Voltage Gain 电压增益 TA=25 40 200 V/mV Response Time (Note 17) 响应时间 (注 17) TA=25 200 ns Saturation Voltage 饱和电压 VIN10 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 输出漏电流 VIN10 mV, VOUT=35V TA=25, ISTROBE=3 mA V = Pin 1 = 5V 0.2 50 nA Input Offset Voltage 输入偏移电压 (注 16) RS50K 10 mV Input Offset Current 输入失调电流 (注 16) 70 nA Input Bias Current 输入偏置电流 300 nA Input Voltage Range 输入电压范围 14.513.8,-14.713.0 V Saturation Voltage 饱和电压 V+4.5V, V=0 VIN10 mV, IOUT8mA 0.23 0.4 V Positive Supply Current 正电源电流 TA=25 5.1 7.5 mA Negative Supply Current 负电源电流 TA=25 4.1 5.0 mA LM311 引脚图如下: 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 12 - 图 2.6 LM311 引脚图 2.5 本章小结 本章中,主要对本设计的系统工作原理;超声波测距原理进行了分析与概括,还 对系统控制芯片以及超声波发射与接受模组中用到的单片机和芯片进行了选择。 在设计的过程中,对于超声波测距原理,其大部分信息来自老师的讲解。在设计 之初对超声波测距原理及汽车泊车辅助系统的工作原理完全没有思路,在老师的指导 下,查阅大量资料,才对汽车泊车辅助系统的原理有了较深刻的认识与理解。 在单片机与超声波发射与接受模组芯片的选择中,主要本着以下几点原则,性能 优异;各元件兼容性;各元件的电压以及系统整体的经济性。保证系统能够运行并且 运行稳定的前提下,降低设计成本。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 13 - 第 3 章 超声波传感器电路设计 3.1 超声波发射电路 在超声波发射电路中,由单片机提供的 40KHz 方波信号由 74LS04 的第三引脚 接入集成电路,再由 2 引脚连接第 5 引脚、11 引脚和 14 引脚,再用第 4 引脚连接 7 引脚和 9 引脚,最后由第 6 引脚,第 10 引脚,第 12 引脚,第 15 引脚分别连接电容 负方向。 图 3.1 超声波发射电路原理图 考虑到发射头一般需要 5 个方波周期达到稳定震荡状态的 95%,经 1.5 倍上升时 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 14 - 间达稳定震荡状态的 99%。为保证最大程度的触发,单片机每组产生 12 个带宽为 12 s 的方波经调理电路传到发射头。 在发射电路中, 总 是 可 以 区 分 为 驱 动 的 源 和 被 驱 动 的 负 载 。 如 果 负 载 电 容 比 较 大 , 驱 动 电 路 要 把 电 容 充 电 、 放 电 , 才 能 完 成 信 号 的 跳 变 , 两 个 连 接 在 传 感 器 的 电 容 能 够 帮 助 压 电 式 超 声 波 换 能 器 ( 超 声 波 发 射 探 头 ) 一 方 面 提 高 反 向 器 的 驱 动 能 力 , 另 一 方 面 可 以 增 加 超 声 波 换 能 器 的 阻 尼 效 果 , 缩 短 其 自 由 震 荡 的 时 间 。 3.2 超声波接收放大电路 超声波在空气中传播的衰减程度随传播距离的增加而增大,所以反射回来被接收 头收到的信号非常微弱,不能直接送入后级电路处理,首先要经过信号放大。超声波 接收放大电路如下图: 图 3.2 超声波接收电路原理图 被接收头收到的回波信号为正弦波信号,信号强度一般只有几十毫伏。接收部分 前置放大电路是由集成运放 NE5532 组成的自举式同向交流放大电路。前两级放大电 路构成 10 000 倍的放大器,对正弦波信号进行足够放大。后级采用集成 LM311-8 比 较器对前级放大信号进行调理,通过 IN-引脚引入一个标准电平,输入包络信号的电 位高于标准电平则为 1,低于标准电平则为 0,将包络信号转变为单片机可识别的中 断脉冲信号。当与单片机的中断输入端相连的 LM311 的第 7 管脚输出一个低电平时, 计数器立即停止计时并保存数据。 3.3 报警电路 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 15 - 声光报警是指当汽车泊车辅助系统探测到的距离小于所设定的安全值时,发出声 音提醒驾驶员,报警电路设计如下图所示。报警电路模块由 VCC 电源驱动,当所测距 离小于所设安全值时,89C51 单片机发出信号,设置报警状态,信号由 pnp 型三极管 进行放大,总而驱动蜂鸣器发声对驾驶员进行提示。 图 3.3 报警电路原理图 3.4 显示电路 在显示电路中,本设计选用 3 个 1 位共阴极数码管,由于本设计是应用数码管的 动态显示,故对数码管做动态驱动,动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔 “a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起,另外每个数码管的共极 com 增加位选通控 制控制电路,位选通由各自独立的 I/O 线控制。 3.5 本章小结 本章中对汽车泊车辅助系统的各模块电路进行了设计。在本设计中,发射电路所 需的 40KHz 方波由 89C51 单片机提供,经 CD4049 集成芯片对超声波发射器进行驱动, 从而发出超声波,再由超声波接受器接收信号,经 NE5532 放大,LM311 芯片正波, 再将信号传入单片机进行中断,本设计中,89C51 单片机进行运算,显示驱动,报警 信号的发出等工作,再由数码管,蜂鸣器完成距离显示和报警的工作。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 16 - 第 4 章 软件设计 4.1 汽车泊车辅助系统测距的算法及系统程序设计 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0,利用定时器的计数功能记 录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时,接收电路输出端 产生一个负跳变,在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号,单片机响应外部中断请 求,执行外部中断服务子程序,读取时间差,计算距离。 4.2 主程序 晶振采用 6M,P1 口为数码管段输出口,P3.0P3.2 为数码管位输出口,P3.5 超 声波发送输出,P3.7 超声波接收。 超声波测距 中断入口程序 ORG 0000H ljmp start ORG 002BH 主程序 void main() /主函数 EA=1; /开中断 TMOD=0x11; /设定时器 0 为计数,设定时器 1 定时 ET0=1; /定时器 0 中断允许 ET1=1; /定时器 1 中断允许 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 17 - TH0=0x00; TL0=0x00; TH1=0x9E; TL1=0x57; csbds=0; csbint=1; csbout=1; cl=0; pto=0xff; jpjs=0; sj1=45; sj2=200; sj3=400; k4cl(); TR1=1; while(1) keyscan(); if(jpjssj3) buffer2=0x76; buffer1=0x76; buffer0=0x76; else if(s=1; /循环右移 1 位 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 20 - void timeToBuffer()/转换段码功能模块 xm0=s/100; xm1=(s-100*xm0)/10; xm2=s-100*xm0-10*xm1; buffer2=convertxm2; buffer1=convertxm1; buffer0=convertxm0; void delay(i) while(-i); void timer1int (void) interrupt 3 using 2 TH1=0x9E; TL1=0x57; csbds+; 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 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; /盲区 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 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; 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 23 - 4.6 本章小结 本章中队系统的软件进行了设计,主程序的设计中主要有主程序复位,数码管和 计数器的初始化,在发射了方波之后,是否有回波被接收到,决定了程序的复位还是 外部中断,在没有回波的情况下,主程序执行复位动作,继续发射方波,直到接收到 回波,单片机进行外部中断,执行显示子程序,最后结束。在定时器中断子程序中, 先进行定时器初始化,执行发射子程序,在发射未完成的情况下继续执行发射子程序, 当发射完成后,推出定时器中断子程序,并返回主程序。在外部中断子程序中,由外 部中断入口开始,执行关总中断,关计数器中断,送单片机数值,计算距离,后打开 中断返回主程序。在设计过程中,遇到了很多困难,在老师的帮助下,对遇到的困难 进行了解决, 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 24 - 第 5 章 各硬件单元的焊接及系统整体测试与 调整 5.1 系统硬件焊接 在电路板的制作过程中,元件的焊接是非常重要的一个环节,焊接质量直接影响 到电路工作的可靠性。因此,焊接技术是完成硬件焊接的基本功,只有熟练的掌握焊 接技术,才能保证电路的焊接质量,以减少电路在调试中的不必要的故障隐患。所以, 在进行系统硬件的焊接之前,必须对电路的焊接技术进行学习。 焊接质量包括:电器的可靠连接,机械性能牢固和光洁美观三个方面,其中最关 键的一点是必须避免虚焊。 使用工具:内热式电烙铁;焊锡丝;助焊剂(松香) ;尖嘴钳,偏口钳,镊子,小 刀等。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 25 - 图 5.1 焊接工具 在焊接过程中出现的问题: 1、焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积;焊锡过少,不足以包裹焊点。 2、冷焊。焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表 面不光亮(不光滑),有细小裂纹。 3、夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。 若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜;若加热温度太高,则焊点下有 一层碳化松香的黑色膜。对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。对 于已形成黑膜的,则要“吃“净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。 4、焊锡连桥。指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。这在对超小元器件及 细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。 5、焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻 加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。 6、焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以 及烙铁离开焊点时角度不当浩成的内。 5.2 系统硬件的调试 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 26 - 由于本设计涉及的模块比较多,包括了超声波测距模块,单片机模块,显示报警, 所以调试起来比较费力,设计的不定因素也比较多,所以,调试的时候采用了分块调 试的方法,排除了各个模块的干扰。 在电路安装完毕后,不要急于通电测试,而首先必须做好调试前的检查工作。 检查连线情况。 经常碰到的有错接(即连线的一端正确,而另一端误接)、少接(指安装时漏接 的线)及多接(指在电路上完全是多余的连线),等连线错误。检查连线可以直接对 照电路原理图进行,但若电路中布线较多,则可以以元器件(如运放、三极管)为中 心,依次检察查其引脚的有关连线,这样不仅可以查出错接或少接的线,而且也较易 发现多余的线。 为确保连线的可靠,在查线的同时,还可以用万用表电阻档对接线作连通检查, 而且最好在器件外引线处测量,这样有可能查出某些“虚焊”的隐患。 检查元器件安装情况:元器件的检查,重点要查集成运放、三极管、二极管、电 解电容等外引线与极性有否接错,以及外引线间有否短路,同时还须检查元器件焊接 处是否可靠。这里需要指出,在焊接前,必须对元器件进行检测,确保元器件能正常 工作,以免给调试带来不必要的麻烦。 检查电源输入端与公共接地端间有否短路在通电前,还需用万用表检查电源输入 端与地之间是否存短路,若有则须进一步检查其原因。 在完成了以上各项检查并确认无误后,才可通电调试,但此时应注意电源的正、 负极性不能接反。 5.3 系统软件调整 在程序烧写前,要对 AT89S52 单片机程序烧写的设备进行了解,本设计采用的 汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言,是最接近机器码的一 种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的 CPU,其汇编语言 可能有所差异,所以不易移植。所以本次设计选用 C 语言。 对于目前普遍使用的 RISC 架构的 8bit MCU 来说,其内部 ROM、RAM、STACK 等资 源都有限,如果使用 C 语言编写,一条 C 语言指令编译后,会变成很多条机器码,很 容易出现 ROM 空间不够、堆栈溢出等问题。而且一些单片机厂家也不一定能提供 C 编 译器。而汇编语言,一条指令就对应一个机器码,每一步执行什么动作都很清楚,并 且程序大小和堆栈调用情况都容易控制,调试起来也比较方便。所以在资源较少单片 机开发中,建议采用汇编语言比较好。 C 语言是一种编译型程序设计语言,它兼顾了多种高级语言的特点,并具备汇编 语言的功能。C 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 27 - 植性,而且可以直接实现对系统硬件的控制。C 语言是一种结构化程序设计语言,它 支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外,C 语言程序具 有完善的模块程序结构,从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保 障。因此,使用 C 语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用 C 语言来编写目 标系统软件,会大大缩短开发周期,且明显地增加软件的可读性,便于改进和扩充, 从而研制出规模更大、性能更完备的系统,用 C 语言进行单片机程序设计是单片机开 发与应用的必然趋势。所以作为一个技术全面并涉足较大规模的软件系统开发的单片 机开发人员最好能够掌握基本的 C 语言编程。使用 C 语言肯定要使用到 C 编译器, 以便把写好的 C 程序编译为机器码,这样单片机才能执行编写好的程序。 KEIL UVISION2 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一,它支持众多不 同公司的 MCS51 架构的芯片,它集编辑,编译,仿真等于一体,同时还支持,PLM, 汇编和 C 语言的程序设计,它的界面和常用的微软 VC+的界面相似,界面友好,易 学易用,在调试程序,软件仿真方面也有很强大的功能。因此本系统采用 KEIL UVISION2 进行软件的编写和调试。 超声波接收发射调试过程 把烧录好的芯片放置在电路中,接上电源,检验程序是否如自己所设计的那样可 以实现所要求的功能。如果电路板上的结果和设想的不同,由于在硬件检查部分已经 确定了硬件没问题。则应该是软件部分即程序方面的问题。需要检查程序。首先检查 红外接收部分,用示波器检查红外接收管的输出口或是 INT0 口的波形是否正确。红 外接收部分没有问题后再调试电机部分,看电机是否能按照遥控要求那样转动。然后 是超声波部分,主要看数码管的现实是否正常,还有就是控制按钮是否按要求控制。 因为前面已经确定硬件没有问题了,所以,在软件调试的时候可以结合硬件来在线调 试,这样很直观,而且发现问题也很容易。 调试程序如下: #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,buffer3,xm1,xm2,xm0,key,jpjs; unsigned char convert10=0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/09 黑龙江工程学院本科生毕业设计 - 28 - unsigned int s,t,i, xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,s
收藏