1、摘要針對(duì)汽車擁擠的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種反應(yīng)快，穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的汽車防撞測距儀對(duì)當(dāng)今汽車行駛安全現(xiàn)狀勢在必行。汽車防撞測距儀是一種向駕駛員報(bào)警的裝置，此汽車防撞測距儀能在汽車行駛和倒車過程中自動(dòng)檢測障礙物，然后通過超聲波測距原理測出汽車與障礙物之間的距離，并將距離顯示出來。當(dāng)汽車與障礙物之間的距離達(dá)到極限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，達(dá)到提醒司機(jī)防止撞車的目的。本設(shè)計(jì)采用超聲波發(fā)射和接收模塊，模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。如果車輛超過了安全距離，系統(tǒng)可以報(bào)

2、警。關(guān)鍵詞： 汽車防撞報(bào)警系統(tǒng) 單片機(jī) 超聲波 測距目錄第1章緒論21.1課題背景21.2課題設(shè)計(jì)的意義21.3超聲波汽車防撞系統(tǒng)應(yīng)用的介紹21.4課題主要內(nèi)容研究3第2章課題的方案設(shè)計(jì)與論證42.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.1.1系統(tǒng)總體框圖42.1.2傳感器位置52.2設(shè)計(jì)方案的論證62.2.1測距方案的選擇62.2.2電源的選擇62.2.3控制模塊的選擇72.2.4顯示模塊的選擇72.2.5 PWM脈沖控制技術(shù)7第3章硬件電路設(shè)計(jì)93.1單片機(jī)控制模塊93.2超聲波模塊103.2.1 HC-SR04超聲波模塊簡介103.2.2 HC-SR04模塊103.3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路123.4電源電路1

3、33.5顯示模塊133.6報(bào)警模塊14第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)154.1主程序流程圖154.2子程序流程圖164.2.1超聲波流程圖164.2.2 PWM流程圖17第5章實(shí)現(xiàn)與調(diào)試185.1測試儀器185.2硬件功能測試195.3性能測試195.4測量問題與改善195.4.1測量精度的問題195.4.2提高測量精度的措施21參考文獻(xiàn)22致 謝23附錄25附錄A整機(jī)原理圖25附錄B實(shí)物效果圖26附錄C源程序27第1章緒論1.1課題背景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與汽車科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化和駕駛員非職業(yè)化的趨勢。同時(shí)，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的產(chǎn)量和保有量都在急劇增加。但公路發(fā)展、

4、交通管理卻相對(duì)落后，導(dǎo)致了交通事故與日劇增，城市里尤其突出。智能交通系統(tǒng)ITS是目前世界上交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)的前沿技術(shù)，它在充分發(fā)揮現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，提高運(yùn)輸效率，保障交通安全，緩解交通賭塞，改善城市環(huán)境等方面的卓越效能，已得到各國政府的廣泛關(guān)注。中國政府也高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用。汽車防撞系統(tǒng)作為ITS發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)，它的成功與否對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著很大的作用。從傳統(tǒng)上說，汽車的安全可以分為兩個(gè)主要研究方向:一是主動(dòng)式安全技術(shù)，即防止事故的發(fā)生，該種方式是目前汽車安全研究的最終目的;二是被動(dòng)式安全技術(shù)，即事故發(fā)生后的乘員保護(hù)。目前汽車安全領(lǐng)域被動(dòng)安全研究較多，主要從安全氣囊、ABS

5、(防抱死系統(tǒng))和懸架等方面著手，以保證駕乘人員的安全。從經(jīng)濟(jì)性和安全性兩方面來說，這些被動(dòng)安全措施是在事故發(fā)生時(shí)刻對(duì)車輛和人員進(jìn)行保護(hù)，有很大的局限性，因而車輛的主動(dòng)安全研究尤為重要，而且隨著車輛保有量的增加，城市交通越來越擁堵，在高速行駛公路上各種事故頻發(fā)。引出了本文研究的基于超聲波汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)基于超聲波的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)的逐漸嶄露頭角，它可以是駕駛員們行駛更勝高速行駛時(shí)更簡單，更直觀的在汽車接近障礙物的時(shí)候能發(fā)出報(bào)警，大大的方便了駕駛員駕駛途中安全行駛。這個(gè)系統(tǒng)是一種可向司機(jī)預(yù)先發(fā)出視聽信號(hào)的探測裝置。它安裝在汽車上，能探測企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物;能使司機(jī)及乘員提前發(fā)現(xiàn)障

6、礙物并發(fā)出危險(xiǎn)的信號(hào)，促使司機(jī)采取應(yīng)急措施來應(yīng)付撞車掛碰等，避免損失。1.2課題設(shè)計(jì)的意義隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化程的發(fā)展，汽車這一交通工具正為越來越多的人所用，但是隨之而來的問題也顯而易見，那就是隨著車輛的增多，汽車的一些掛碰，一般都是由于駕駛員反應(yīng)不及所引起的，很多時(shí)候都是因?yàn)轳{駛員對(duì)離障礙物的距離判斷不準(zhǔn)造成的。若駕駛員能夠提早知道障礙物的存在或者知道障礙物的遠(yuǎn)近，那么駕駛員將能及時(shí)采取措施，避免事故的發(fā)生。因此，大力研究開發(fā)如汽車防撞裝置等主動(dòng)式汽車輔助安全裝置，減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯(cuò)誤，對(duì)于提高交通安全將起到重要的作用。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)智能超聲波測距，雖其在功能上是不能與高精度的智

7、能超聲波測距儀相比的，但優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)規(guī)模較小，器件更換容易，成本低，有一定靈活性。但不適宜用于測量過于精確或者過大的距離，容易產(chǎn)生誤差。因此，大力研究開發(fā)如汽車防撞裝置等主動(dòng)式汽車輔助安全裝置，減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯(cuò)誤，對(duì)于提高交通安全將起到重要的作用。顯然，此類產(chǎn)品的研究開發(fā)具有極大的實(shí)現(xiàn)意義和廣闊的應(yīng)用前景。1.3超聲波汽車防撞系統(tǒng)應(yīng)用的介紹超聲波測距儀防撞報(bào)警儀( 俗稱電子眼)是汽車行駛防撞安全輔助裝置 ,能以聲音或者更為直觀的數(shù)字形式動(dòng)態(tài)顯示周圍障礙物的情況。其較早的產(chǎn)品是用蜂鳴器報(bào)警 ,蜂鳴聲越急 ,表示車輛離障礙物越近。后繼的產(chǎn)品可以顯示車后障礙物離車體的距離。其大多數(shù)產(chǎn)品探測范

8、圍在0.41.5 m,有的產(chǎn)品能達(dá)到 0.352.5 m,并有距離顯示、聲響報(bào)警、區(qū)域警示和方位指示 ,有些產(chǎn)品還具備開機(jī)自檢功能。目前市場上還出現(xiàn)了具有語音報(bào)警功能的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品存在的主要問題是測量盲區(qū)大 ,報(bào)警滯后 ,未考慮汽車制動(dòng)時(shí)的慣性因素 ,使駕駛者制動(dòng)滯后 ,抗干擾能力不強(qiáng) ,誤報(bào)也較多。汽車防撞雷達(dá)之所以能實(shí)現(xiàn)防撞報(bào)警功能, 主要有超聲波這把無形尺子, 它測量最近障礙物的距離, 并告訴給車主。其實(shí)超聲測距原理簡單: 它發(fā)射超聲波并接收反射回波, 通過單片機(jī)計(jì)數(shù)器獲得兩者時(shí)間差t, 利用公式S=Ct /2計(jì)算距離, 其中S為汽車與障礙物之間的距離, C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度。

9、本文介紹的超聲測距系統(tǒng)共有1只超聲波換能器( 俗稱探頭) , 分別布置在汽車的前方位置上。能檢測前進(jìn)方向障礙物距離, 通過后視鏡內(nèi)置的顯示單元顯示距離和方位, 發(fā)出一定的聲響, 起到提示和警戒的作用。系統(tǒng)采用一片STC60S2單片機(jī)對(duì)一路超聲波信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集。超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)

10、射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算

11、處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本設(shè)計(jì)屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)單元。利用超聲波測距的工作，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。其主要有三種測距方法： （1）相位檢測法，相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限； （2）聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響； （3）渡越時(shí)間檢測法，渡越時(shí)間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)

12、間就是渡越時(shí)間。 本設(shè)計(jì)的超聲波測距就是使用了渡越時(shí)間檢測法。在移動(dòng)車輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時(shí)間差和傳播速度，計(jì)算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。1.4課題主要內(nèi)容研究本設(shè)計(jì)的超聲波測距就是使用了渡越時(shí)間檢測法。在倒車的車輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波）,通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時(shí)間差和傳播速度，計(jì)算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離，并顯示距離，發(fā)聲報(bào)警。課題的主要研究內(nèi)容是：第一、解決硬件

13、平臺(tái)搭建。第二、完成軟件程序編寫。第2章課題的方案設(shè)計(jì)與論證2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1.1系統(tǒng)總體框圖構(gòu)成超聲波防撞報(bào)警系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路。采取收發(fā)分離方式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號(hào)不會(huì)混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?hào)；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 圖2.1 超聲波汽車防撞原理框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，選擇的超聲波測距傳感器是HC-SR04超聲波模塊，最大探測距離為4m，發(fā)射擴(kuò)散角為15度。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當(dāng)它的兩電極加

14、脈沖信號(hào)（觸發(fā)脈沖），若其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反, 電極間未加電壓,則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。相臨兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)，以使前后金屬蓋板與同一極性的電極相連，否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會(huì)導(dǎo)致

15、結(jié)構(gòu)不必要的增大，兩芯片之間，芯片與金屬蓋板間通常以薄黃銅片（厚度小于0.1mm），作為焊接電極引線用；芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠膠合，在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸與圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。在電聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置的幾個(gè)開口，使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。目前市面上出售的超聲波傳感器種類有通用型，拓寬型，寬帶域型，防水型和高頻型等這幾類。雖然通用型超聲波傳感器有頻率帶寬較窄的缺點(diǎn)，但是卻可以換來高靈敏度，抗噪聲干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。超聲波基本應(yīng)用電路主要分為三類： 第一

16、類，直射型，主要用于遙控及報(bào)警電路； 第二類，分離反射型，主要用于測距，料位測量等電路；第三類，反射型，主要用于材料的探傷，測厚電路。鑒于成本的考慮，選用了普通的HC-SR04超聲波模塊。HC-SR04超聲波模塊典型的工作頻率為3941KHz。如圖2.2所示。 圖2.2 超聲波探頭2.1.2傳感器位置超聲波發(fā)生器T是一個(gè)超聲頻電子振蕩器，當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲換能器的壓電陶瓷上時(shí)，壓電陶瓷組件就在電場作用下產(chǎn)生縱向振動(dòng)。壓電組件在超聲振蕩時(shí),仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，約為110. 2Lm，但這種振動(dòng)加速度很大，約10103gn，于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能量，這種巨大的超聲波

17、能量，沿著特定方向傳播出來。其關(guān)鍵技術(shù)是使超聲波波束變細(xì)，除待測物外不受其它構(gòu)造物的影響。超聲傳感器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置，它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。通過上述超聲換能結(jié)構(gòu),配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路，可以使超聲能量的定向傳輸,并按預(yù)期接收反射波，實(shí)現(xiàn)超聲遙控、測距、防盜等檢測功能 。由于是測距系統(tǒng)是采用超聲波發(fā)射和接收分離反射型結(jié)構(gòu)，所以發(fā)射頭和接收頭應(yīng)該在同一平行直線上。出于距離和發(fā)射夾角所引起的誤差以及超聲波信號(hào)在傳播過程中衰減問題的考慮，發(fā)射和接收探頭距離不可以太遠(yuǎn)，而又為了避免發(fā)射頭對(duì)接收頭接收信號(hào)產(chǎn)生的干擾，二者也不能間隔太近。經(jīng)過參考前人的經(jīng)驗(yàn)以及調(diào)試時(shí)的實(shí)際情況，應(yīng)保持超

18、聲波發(fā)射頭和接收頭中心軸線平行并相距3-6cm即可。2.2設(shè)計(jì)方案的論證2.2.1測距方案的選擇超聲波探測技術(shù)主要用于中程測距、結(jié)構(gòu)探傷、智能控制等領(lǐng)域，超聲波換能器是其核心部件，換能器按其工作介質(zhì)可分為氣相、液相和固相換能器；按其發(fā)射波束寬度可分為寬波束和窄波束換能器；按其工作頻率又可分為38KHz、40KHz等不同等級(jí)。本設(shè)計(jì)選用氣相、窄波束、40KHz的超聲波換能器。當(dāng)利用超聲波探測器測距時(shí)常用兩種方法，是強(qiáng)度法和反射時(shí)間法，強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測量被測物的距離，被測物越遠(yuǎn)其反射信號(hào)越弱，根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱就可以知道被測物的遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時(shí)由于換能器之間的直接耦

19、合信號(hào)很難消除，在放大器增益較高時(shí)這一直接耦合信號(hào)就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效，由于直接耦合信號(hào)的影響強(qiáng)度法測距只適合較短距離的且精度要求不高的場合。反射時(shí)間法其原理是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時(shí)間來測量距離，對(duì)于距離較短和要求不高的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時(shí)間T利用公式S=V（T/2）其中S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（T=T1+T2）計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過設(shè)置“時(shí)間門”來加以克服，因此這種方法非常適合較遠(yuǎn)距離的測距，如果對(duì)聲速進(jìn)行溫度修訂，其精度還可進(jìn)一步提高，本設(shè)計(jì)中選用此方法。2.2

20、.2電源的選擇方案一：采用普通的LM7812穩(wěn)壓管輸出12V穩(wěn)壓電源。普通的LM7812穩(wěn)壓管輸出電壓雖然能夠滿足，但是該管的輸出電壓小于1A，而選用風(fēng)機(jī)的額定電壓為12V，額定電流為1.35A無法驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。故不采用該方案。方案二：采用鋼質(zhì)外殼的LM7812K穩(wěn)壓管輸出12V穩(wěn)壓電源。該管的輸出額定電流小3A，能夠滿足風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。綜上所述，故采用方案二。2.2.3控制模塊的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖，并對(duì)電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。對(duì)于控制器的選擇有以下兩種方案。方案一：采用STC89C52作為控制模塊。此

21、類芯片資料多，程序易查找，使用容易。但是其運(yùn)算能力較低，速度較慢，功能相對(duì)單一，且沒有PWM調(diào)制難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的任務(wù)要求。故不采用此方案。方案二：采用STC12C5A60S2作為控制模塊。該芯片指令代碼完全兼容傳統(tǒng)型8051，同時(shí)速度快812倍，還具有 2路PWM，能夠滿足對(duì)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，故采用方案二。2.2.4顯示模塊的選擇方案一： 采用1602液晶顯示。該方案成本低，程序簡單，但占用I/O口多，顯示數(shù)據(jù)少，無法滿足本次設(shè)計(jì)要求。方案二：采用12864液晶顯示。該顯示器程序易移植，支持并口和串口傳輸，支持4行漢字顯示，占用I/O口較少，符合本次

22、設(shè)計(jì)要求。綜上所述，故選用方案二。2.2.5 PWM脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖2.3中a、b、c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖2.3的a為矩形脈沖，圖2.3的b為三角脈沖，圖2.3的c為正弦

23、半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D2.3的d所示的單位脈沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。圖2.3 沖量相同形狀不同的各種窄脈沖根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間T內(nèi)脈沖寬度為t0，幅值為U，由圖2.4可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：，若令，即為占空比，則上式可化為： (U為脈沖幅值) 圖2.4 PWM脈沖 若PWM脈沖為如圖2.5所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述

24、相同，即 （為矩形脈沖占空比） 圖2.5 周期性PWM矩形脈沖上述可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。第3章硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)控制模塊單片機(jī)控制電路分為最小系統(tǒng)部分和外部電路部分，最小系統(tǒng)部分主要是時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，外部電路部分主要是A/D轉(zhuǎn)換、按鍵部分及液晶顯示，基于STC12C5A60S2芯片P1口進(jìn)行8路模數(shù)轉(zhuǎn)換，其控制電路如圖3.1所示。圖3.1 控制電路圖3.2超聲波模塊3.2.

25、1 HC-SR04超聲波模塊簡介 采用超聲波模塊（HC-SR04）來檢測小車與障礙物的距離,當(dāng)小于某一距離時(shí),發(fā)聲報(bào)警。HC-SR04超聲波模塊可提供2cm400cm的非接觸式距離感測功能,測量精度可達(dá)到3mm,模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，模塊如圖見3.2所示。 VCC:+5V電源GND:地線 TRIG:觸發(fā)控制信號(hào)輸入ECHO:回響信號(hào)輸出圖3.2 HC-SR04模塊 表3.1 HC-SR04模塊電氣參數(shù)3.2.2 HC-SR04模塊1、工作原理采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號(hào)。模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平

26、，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2。 圖3.3 超聲波時(shí)序圖超聲波工作的時(shí)序圖如3.3所示。由圖可知，編程時(shí)，只需要提供一個(gè)10S以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40khz的周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。回響信號(hào)的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到接收到回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。建議測量周期在60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。2、超聲波模塊電路超聲波模塊是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波發(fā)射探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，超聲波接受探頭將接收到機(jī)械波轉(zhuǎn)換電信號(hào)儲(chǔ)

27、存下來。此模塊可以自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波脈沖，需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路。由超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路TL074成的，TL074芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。超聲波模塊電路如圖3.4所示。圖3.4超聲波模塊電路3.

28、3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行。通過控制器的PWM寄存器產(chǎn)生一個(gè)46K的矩形波，由于矩形波的低電平，使得CSD19535導(dǎo)通，高電平使得該管截止，從而在MOS管的漏極形成一個(gè)電勢，由于PWM的頻率較高，從而形成的電勢比較穩(wěn)定（即在負(fù)載有一個(gè)穩(wěn)定的電壓），PWM的占空比可調(diào)，使得負(fù)載兩端有電壓可以在0V12V可調(diào)。前面一級(jí)電壓跟隨器增大了驅(qū)動(dòng)電流，就可滿足風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)的要求。電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖3.4電源電路將導(dǎo)線接入的220V/50HZ的正弦交

29、流電源經(jīng)變壓器降壓為18V/50HZ的正弦交流電壓，經(jīng)過開關(guān)SW1后，交流電經(jīng)橋堆全波整流，變成脈動(dòng)直流電，再經(jīng)過C3、C4的濾波后得到平滑的約21V的直流電壓。再經(jīng)過LM7812K的穩(wěn)壓后得到電流約為1A電壓12V的直流電，經(jīng)過C3、C4的進(jìn)一步的濾波接入7805穩(wěn)壓輸出5V直流電，可滿足系統(tǒng)所需。電路原理圖如圖3.5所示。圖3.5 電源電路原理圖3.5顯示模塊點(diǎn)陣圖形式液晶由MN個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上6416個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置

30、的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時(shí)，點(diǎn)陣圖形式液晶由MN個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上6416個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。本設(shè)計(jì)要求顯示小車模型與障礙物之間的距離和模擬的工作狀態(tài)，然后顯示采取措施方案，顯示電路及管教定義如圖3.6所示。圖3.6 12864液晶顯示3.6報(bào)警模塊有源蜂鳴器是靠壓電效應(yīng)的原理來發(fā)聲的，壓電材料，一般常見的是各種壓電陶瓷。這種材料的特別之

31、處在于，當(dāng)電壓作用于壓電材料時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生電荷。就是說這種材料能把機(jī)械變形和電荷相互轉(zhuǎn)化，壓電式蜂鳴器里面的起振片，就是一種壓電陶瓷。如上所述，要讓它振動(dòng)，除了壓電陶瓷本身，還需要適當(dāng)大小和頻率變化的電壓作用于壓電陶瓷。有源蜂鳴器內(nèi)部帶有多諧振蕩器，可以產(chǎn)生1.52.5kHZ的電壓信號(hào)。由此有源蜂鳴器才能發(fā)聲。本設(shè)計(jì)中P2.7口接有源蜂鳴器，當(dāng)小車離障礙物的距離小于35cm時(shí)，置P2.7為低電平，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警；當(dāng)小車距離障礙物的距離大于35 cm時(shí)，置P2.7為高電平，蜂鳴器停止報(bào)警。當(dāng)小車距離障礙物的距離15cm時(shí)，蜂鳴器放出長

32、報(bào)警。報(bào)警模塊如圖3.7所示。圖3.7 報(bào)警模塊第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖本設(shè)計(jì)中通過超聲波測距所得距離值S，進(jìn)行階梯式比較。當(dāng)S35cm時(shí)小車執(zhí)行高速行駛設(shè)定狀態(tài)，當(dāng)35cm=S25cm時(shí)小車執(zhí)行中速行駛設(shè)定狀態(tài)，當(dāng)25cm=S15cm時(shí)小車執(zhí)行低速行駛設(shè)定狀態(tài)，當(dāng)S=35CM關(guān)高速狀態(tài)正常35CMx=25CM短顯中速狀態(tài)正常25CMx=15CM快響低速狀態(tài)正常x15長響制動(dòng)狀態(tài)正常5.4測量問題與改善5.4.1測量精度的問題在測距公式S= 12ct中，聲波在介質(zhì)中的傳播速度c是一個(gè)受多種因素影響的變量，聲時(shí)t是由計(jì)時(shí)電路測量得到的，并隨著被測距離的改變而變化的，對(duì)式(5-1)兩邊

33、微分得到dS= 12（cdt + tdc） （5-2）式(2-5)說明，超聲波測距系統(tǒng)的測量精度是由聲時(shí)和聲速兩個(gè)參數(shù)決定的。1、聲時(shí)的影響修正在影響聲時(shí)精度的諸多因素中，計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率和超聲波的發(fā)射頻率有是兩個(gè)重要因素。(1) 計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率取c為常數(shù)，則（5-2）為：dL= 12cdt (5-3)假設(shè)計(jì)時(shí)頻率為f，則(2-6)為dL= c2f (5-4)(5-4)表明：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率越大，測試精度越高。(2) 超聲波頻率超聲波傳感器收到回波信號(hào)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，電信號(hào)（接收信號(hào)）的幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2-4所示。圖2-4 接收信號(hào)示意圖如果將觸發(fā)計(jì)時(shí)電路的閥值設(shè)為A點(diǎn)所在

34、的水平電信號(hào)，那么，計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)時(shí)間比接收信號(hào)的開始時(shí)間滯后了2個(gè)周期，在測量距離時(shí)將產(chǎn)生1個(gè)波長的誤差，即：L=cT/2 (5-5） 式中：T為超聲波的周期，L為測量距離內(nèi)將產(chǎn)生的誤差。所以，超聲波頻率越大，周期就越小，傳感器的測量精度越高。并且超聲波頻率高，繞射能力弱，擴(kuò)散角小，波束細(xì)，則盲區(qū)比較小。但在選用超聲波換能器時(shí)，還應(yīng)考慮到超聲波換能器的頻率越大，傳播過程中的衰減系數(shù)越大，將影響它的有效測試距離。式(5-2)表明：超聲波測距系統(tǒng)在測量距離時(shí)，必須知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，才能根據(jù)計(jì)時(shí)值中求出所測物體的距離。超聲波的傳播速度是一個(gè)變量，受多種因素影響，即使在傳播介質(zhì)確定的情況

35、下，介質(zhì)溫度、壓力、風(fēng)力等因素的改變，也將影響超聲波的傳播速度。所以，在超聲波測距系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，很難得到一個(gè)穩(wěn)定不變的超聲波速度，因此必須對(duì)超聲波的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。對(duì)于在大氣中傳播的聲波而言，引起聲速變化的主要原因是溫度的變化。2、溫度傳感器校正如果傳播介質(zhì)比較穩(wěn)定，而且溫度是影響傳播速度的最主要因素，那么就可以采用溫度傳感器對(duì)超聲波速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。校正方法：通過試驗(yàn)確定在傳播介質(zhì)中超聲波速度與溫度之間的關(guān)系曲線，按照一定的溫度間隔得到一個(gè)溫度與速度的關(guān)系表格，最后將溫度與速度的關(guān)系表存入超聲波測距系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)測距時(shí)，系統(tǒng)通過溫度傳感器獲得介質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度，然后從速度與溫度關(guān)系

36、表格中取出對(duì)應(yīng)速度，從而清除溫度對(duì)超聲波的影響，則求出實(shí)際測試距離，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表5.1所示：表5.1 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系溫度/-30-20-100102030100聲速m/s3133193253333383443503885.4.2提高測量精度的措施針對(duì)上述測量精度的影響因素，采取如下措施可以提高超聲波測距傳感器的測量精度。1、提高計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率如果選擇1 MHz脈沖頻率，則計(jì)時(shí)頻率周期可達(dá)到T = 1us，如果c = 340m/s，則測試精度為：L=cT=340110-6/2=0.170mm?？梢?，如果提高計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率，則精度會(huì)提高。2、提高超聲波換能器的固有頻率如果超聲波

37、的固有頻率為20 KHz，并假設(shè)接收信號(hào)滯后兩個(gè)周期，則式(2-8)得測試誤差為：L=cT=340=17.00mm。如果超聲波的固有頻率為40KHz，則測試誤差將縮小2倍。所以通過改變超聲波的發(fā)送頻率，也可以提高測量精度。3、超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系根據(jù)當(dāng)前的溫度情況，對(duì)照超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系，采用適合的聲速來進(jìn)行計(jì)算。這樣 ，也可以提高計(jì)算的精度。參考文獻(xiàn)1牛余朋，成曙基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)J兵工自動(dòng)化.2005.42蘇偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術(shù).2004.3浦昭邦，王寶光.測控儀器設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2007.44張國雄.測控電路（第3版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2

38、008.35九州.放大電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.2002.56時(shí)德剛，劉嘩.超聲波測距的研究.計(jì)算機(jī)測量與控制.2002.107李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.2006.128張和生，宋明耀提高超聲波測距精度的設(shè)計(jì)測試測量.2004.79永學(xué)等.1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20及應(yīng)用.電子產(chǎn)品世界.2003.1210陳建元.傳感器技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2008.1011薛紅宣.采用軟件抗干擾設(shè)計(jì)提高微機(jī)系統(tǒng)的可靠性.電子產(chǎn)品世界.2004.112占操，梁厚琴，曹燕.單片機(jī)系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術(shù).電子技術(shù).2003.3附錄C源程序主程序#includ

39、e #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit beep=P27;uint k,x,time0;#include #include #include /*-報(bào)警函數(shù)-*/void BEEP1()uchar i;for(i=0;i100;i+)delay(4);beep=!beep;beep=1;void BEEP2()uchar i;for(i=0;i3;i+)delay(1500);beep=!beep;beep=1;void BEEP3()uchar i;for(i=0;i35)PWM1_set (25

40、5);zhaungtaixianshi1();if(x25)PWM1_set (200);zhaungtaixianshi2();BEEP3();if(x15)PWM1_set (150);zhaungtaixianshi3();BEEP2();if(x0;i-)for(j=110;j0;j-); void time0_int(void) interrupt 1flag0=1;TH0=0;TL0=0;void Count0()time0=TH0*256+TL0;TH0=0;TL0=0;k=(time0*1.7)/100;void julijisuan()delay(10);TX0=1;dela

41、y(1);TX0=0;while(!RX0);TR0=1;while(RX0);TR0=0;Count0(); void pingjunzhi() uint a,b,d;unsigned long int c;for(b=0;b500;b+)a=k;c+=a;d=c/500;c=0;x=d;write_cmd(0x83);write_dat(d/100+0x30);write_dat(d%100/10+0x30);write_dat(d%10+0x30);/*-初始化函數(shù)-*/void chushihua() TMOD=0x01;TH0=0;TL0=0;ET0=1;EA=1;IT0=1;顯示程

42、序uchar code dis1 = 距離: CM;uchar code dis2 = 狀態(tài): ; uchar code dis3 = 高速前進(jìn);uchar code dis4 = 中速前進(jìn);uchar code dis5 = 低速前進(jìn);uchar code dis6 = 制動(dòng)停車; uchar code dis7 = 報(bào)警: ;uchar code dis8 = 關(guān)閉;uchar code dis9 = 短響;uchar code dis10 = 快響;uchar code dis11 = 長響;#define LCD_data P0 /數(shù)據(jù)口sbit LCD_RS = P20; /寄存器選

43、擇輸入 sbit LCD_RW = P21; /液晶讀/寫控制sbit LCD_EN = P22; /液晶使能控制sbit LCD_PSB = P23; /串/并方式控制void delay_1ms(uint x) uint i,j; for(j=0;jx;j+) for(i=0;i110;i+); /*/* */*寫指令數(shù)據(jù)到LCD */*RS=L，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=指令碼。 */* */*/void write_cmd(uchar cmd) LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P0 = cmd;delay_1ms(5); LCD_EN = 1;delay_1ms(5); LCD_EN = 0; /*/* */*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD */*RS=H，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=數(shù)據(jù)。 */* */*/void write_d