毕设1 单片机测距.docx
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毕设1 单片机测距.docx
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毕设1单片机测距
基于单片机的汽车防撞报警器设计
摘要:
随着科学技术的快速发展,超声波将在科学技术中的应用越来越广。
本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析,利用模拟电子、数字电子、微机接口、以及超声波在介质的传播特性等知识,采用以C8051f020单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案,最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性,采取了相应的抗干扰措施。
就超声波的传播特性,超声波发射、接收电路,LCD显示电路,语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明.实现障碍物的距离测试、显示和报警,超声波测距范围2cm-450cm,精度在1毫米左右。
这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好,经过系统扩展和升级,可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如:
测量液位、井深、管道长度等场合。
可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。
关键词:
C8051f020,超声波传感器,LCD1602,ISD4004
TheDesignofvehiclecollisionavoidancealarmBasedonMicrocontroller
Abstract:
Alongwiththescienceandtechnologyfastdevelopment,theultrasonicwavemoreandmorewillbebroadinthescienceandtechnologyapplication.Thisarticlehascarriedonthetheoreticalanalysistotheultrasonicsensorrangefinderpossibility,theusesimulationelectron,thedigitalelectron,themicrocomputerconnection,theultrasonicwavetransducer,aswellastheultrasonicwaveinmediumknowledgeandsoondisseminationcharacteristic,usestakeC8051f020monolithicintegratedcircuitasthecorelowcost,thehighaccuracy,themicrominiaturizednumeraldemonstratedtheultrasonicwavedistancegaugethehardwareelectriccircuitandthesoftwaredesignmethodhasdesignedthesystemoverallconceptinthisfoundation,finallyhasrealizedeachfunctionmodulethroughthehardwareandthesoftware.
Inordertoensurethereliabilityandstabilityoftheultrasonicsensor,adoptsthecorrespondingantiinterferencemeasures.Ultrasonicpropagationproperties,ultrasonictransmittingandreceivingcircuit,LCDdisplaycircuit,avoicealarmcircuitandsystemsoftwarearedescribedindetails.Toachieveobstacledistancemeasurement,displayandalarm,ultrasonicrangefinder2cm-450cm,accuracyofabout1mmin.
Thissetofsystemhardwareandsoftwaredesignisreasonable,stronganti-interferenceability,goodperformanceofreal-time,afterthesystemexpansionandupgrade,canbeusedforreversingradar,thebuildingconstructionworksite,someindustryscene,forexample:
tomeasureliquidlevel,depth,thelengthofthepipeline.Canbewidelyusedinindustrialproduction,medicalexamination,dailylife,unmannedaerialvehicles,automaticworksceneautomatedguidedvehicle,robot,liquidlevelmeter.
Keywords:
C8051F020,ultrasonicwavesensor,LCD1602,ISD4004
目录
1引言1
1.1课题背景1
1.2课题设计的意义1
1.3超声波测距在汽车上应用的介绍2
1.4本文结构2
2课题的方案设计与论证3
2.1系统总体设计3
2.2设计方案的论证3
3系统硬件结构的设计5
3.1单片机最小系统的设计5
3.2超声波传感器的选择10
3.3显示模块的设计12
3.4语音报警模块的设计13
4系统软件的设计16
4.1超声波汽车防撞电路的算法设计16
4.2各模块指令说明及时序17
4.3程序流程图22
5调试24
5.1硬件调试24
5.2软件调试24
6结论26
附录A27
附录B28
参考文献40
致谢41
1引言
1.1课题背景
随着经济的发展与汽车科学技术的进步,公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势[1]。
同时,随着汽车工业的飞速发展,汽车的产量和保有量都在急剧增加。
但公路发展、交通管理却相对落后,导致了交通事故与日剧增,城市里尤其突出。
智能交通系统ITS[2]是目前世界上交通运输科学技术的前沿技术,它在充分发挥现有基础设施的潜力,提高运输效率,保障交通安全,缓解交通赌塞,改善城市环境等方面的卓越效能,已得到各国政府的广泛关注。
中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。
汽车防撞系统[3]作为ITS发展的一个基础,它的成功与否对整个系统有着很大的作用。
从传统上说,汽车的安全可以分为两个主要研究方向:
一是主动式安全技术,即防止事故的发生,该种方式是目前汽车安全研究的最终目的;二是被动式安全技术,即事故发生后的乘员保护[4]。
目前汽车安全领域被动安全研究较多,主要从安全气囊、ABS(防抱死系统)和悬架等方面着手,以保证驾乘人员的安全。
从经济性和安全性两方面来说,这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护,有很大的局限性,因而车辆的主动安全研究尤为重要,引出了本文研究的基于单片机的超声波测距系统。
这个系统是一种可向司机预先发出视听语音信号的探测装置。
它安装在汽车上,能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物;能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号,促使司机采取应急措施来应付特殊险情,避免损失[5]。
1.2课题设计的意义
随着现代社会工业化程的发展,汽车这一交通工具正为越来越多的人所用,但是随之而来的问题也显而易见,那就是随着车辆的增多,交通事故的频繁发生,由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。
对于公路交通事故的分析表明,80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的,超过65%的车辆相撞属于追尾相撞,其余则属于侧面相撞。
奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明:
若驾驶员能够提早1S意识到有事故危险并采取相应的正确措施,则绝大多数的交通事故都可以避免[6]。
因此,大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置,减少驾驶员的负担和判断错误,对于提高交通安全将起到重要的作用。
显然,此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景[7]。
1.3超声波测距在汽车上应用的介绍
超声波倒车测距仪(俗称电子眼)是汽车倒车防撞安全辅助装置,能以声音或者更为直观的数字形式动态显示周围障碍物的情况[8]。
其较早的产品是用蜂鸣器报警,蜂鸣声越急,表示车辆离障碍物越近。
后继的产品可以显示车后障碍物离车体的距离。
其大多数产品探测范围在0.4~1.5m,有的产品能达到0.35~2.5m,并有距离显示、声响报警、区域警示和方位指示,有些产品还具备开机自检功能。
目前市场上还出现了具有语音报警功能的产品[9]。
这些产品存在的主要问题是测量盲区大,报警滞后,未考虑汽车制动时的惯性因素,使驾驶者制动滞后,抗干扰能力不强,误报也较多。
汽车防撞雷达之所以能实现防撞报警功能,主要有超声波这把无形尺子,它测量最近障碍物的距离,并告诉给车主。
其实超声测距原理简单:
它发射超声波并接收反射回波,通过单片机计数器获得两者时间差t,利用公式S=C*t/2计算距离,其中S为汽车与障碍物之间的距离,C为声波在介质中的传播速度[10]。
1.4本文结构
本设计说明书共分为6章:
第1章介绍了一些有关于汽车防撞报警器的背景、意义及超声波测距在汽车上的应用;第2章对设计系统方案介绍及论证;第3章对系统中用到的每个模块进行了硬件设计,比如单片机最小系统、超声波传感器、LCD显示、语音报警等;第4章对模块的软件部分进行了说明,画出了一些用到的流程图;第5章是总结,总结了本次设计中的收获、回顾了设计过程。
2课题的方案设计与论证
2.1系统总体设计
构成超声测距系统的电路功能模块包括超声波传感器模块、LCD显示模块、语音报警模块、单片机核心功能模块及一些辅助电路。
图2.1超声波汽车防撞原理框图
2.2设计方案的论证
超声波探测技术主要用于中程测距、结构探伤、智能控制等领域。
当利用超声波探测器测距时常用两种方法——强度法和反射时间法,强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离,被测物越远其反射信号越弱,根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近,但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除,在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效,由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。
反射时间法其原理是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离,对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数,我们通过测量回波时间T利用公式S=V×(T/2)(其中S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间(
)计算出路程,这种方法不受声波强度的影响,直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服,因此这种方法非常适合较远距离的测距,如果对声速进行温度修订,其精度还可进一步提高,本设计中选用此方法。
而超声波传感器一般要在40KHZ才能得到最大的震荡,超声波才能传的更远,而要产生40KHZ的方波可以通过选择超声波传感器US-100的工作方式来实现,在电平触发模式下,只需要在Trig/TX管脚输入一个10US以上的高电平,系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲,然后检测回波信号;在串口触发模式下,只需要在Trig/TX管脚输入0X55(波特率9600),系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲,然后检测回波信号。
本设计中选用串口触发模式。
单片机的功能特点及测距原理
在串口触发模式下C8051f020向超声波传感器模块Trig/TX管脚输入0X55然后对接收到的信息进行处理后,被测的距离在LCD上显示,报警电路发出适当的警告提示音。
3系统硬件结构的设计
3.1单片机最小系统的设计
在系统的设计中,选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键,而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。
目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机,并提供了良好的开发环境。
选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统,而且功能优异,可靠性好,成本低廉,具有较强的竞争力[11]。
目前,市面上的单片机不仅种类繁多,而且在性能方面也各有所长。
一般来说,选择单片机需要考虑以下几个方面:
(1)单片机的基本性能参数。
例如指令执行速度,程序存储器容量,I/O引脚数量等。
(2)单片机的增强功能。
例如看门狗、多指针、双串口等。
(3)单片机的存储介质。
对于程序存储器来说,最好是Flash存储器。
(4)芯片的封装形式。
如DIP(双列直插)封装,PLCC(PLCC有对应插座)封装及表面贴附等。
(5)芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。
如果设计户外产品,必须选用工业级。
(6)芯片的功耗。
(7)供货渠道是否畅通、价格是否低廉。
(8)技术支持网站的速度如何,资料是否丰富。
包括芯片手册,应用指南,设计方案,范例程序等。
(9)芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。
CygnalC8051F(已被SiliconLab收购)系列单片机是真正能独立工作的片上系统SOCCPU有效地管理模拟和数字外设可以关闭单个或全部外设以节省功耗FLASH存储器,还具有在系线重新编程的能力即可用作程序存储器又可用作于非易失性数据存储。
应用程序可以使用MOVC和MOVX指令对FLASH进行读或改写。
根据本系统的实际情况,选择C8051f020单片机[12]。
图3.1C8051f020实物图
图3.2C8051f020引脚图
单片机的引脚功能说明:
1.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
图3.3时钟信号电路
本系统使用的石英晶振频率为22.118400MHZ。
2.复位电路引脚RST(低电平有效)
图3.4复位电路图
3.电源电路引脚
因C8051f020单片机内集成了数字电路和模拟电路,所以又两路电源电路:
模拟电源正(AV+)、模拟电源地(AGND)
数字电源正(VDD)、数字电源地(DGND)
图3.5电源电路图
4.JTAG电路(程序的下载和调试)
C8051f020MCU有一个片内JTAG接口和逻辑,提供生产和在系统测试所需要的边界扫描功能,支持FLASH的读和写操作以及非侵入式在系统调试,JTAG接口使用MCU上的四个专用引脚,它们是:
TCK、TMS、TDI和TDO。
图3.6JTAG电路图
5.电源监控引脚MONEN
通过将MONEN引脚直接连VDD来使能VDD监视器,这是MONEN引脚的推荐配置。
6.单片机的8个I/O口:
P0-P7
7.其余引脚:
(1)电压比较器0、1的同相和反相输入端:
CP0+、CP0-、CP1+、CP1-
(2)带隙电压基准输出:
VREF
(3)ADC0和ADC1的电压基准输入:
VREF0、VREF1
(4)DAC的基准电压输入端:
VREFD
(5)ADC0的8路输入通道:
AIN0.0-AIN0.7
(6)数模转换器0、1的电压输出:
DAC0、DAC1
单片机的最小系统:
图3.7单片机的最小系统
3.2超声波传感器的选择
超声波传感器模块采取收发分离方式的好处:
一是收发信号不会混叠,接收探头所接收到的纯为反射信号;二是将接收探头放置在合适位置,可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰,提高系统的可靠性。
根据设计要求并综合各方面因素,选择了US-100超声波测距模块。
图3.8US-100实物图
US-100超声波测距模块引脚功能如下:
表3.1US-100的引脚功能
编号
符号
功能说明
1
VCC
接VCC电源(供电范围2.4V-5.5V)。
2
Trig/Tx
当为UART模式时,接外部电路UART的TX端;当为电平触发模式时,接外部电路的Trig端。
3
Ecno/Rx
当为UART模式时,接外部电路UART的RX端;当为电平触发模式时,接外部电路的Echo端。
4
GND
接外部电路的地。
5
GND
接外部电路的地。
US-100超声波测距模块基本工作原理与使用方法、电气参数:
表3.2基本工作原理与使用方法
基本工作原理
(1)采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;
(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;
使用方法
本模块使用方法简单,一个控制口发一个10us以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,即可以达到你移动测量的值。
表3.3电气参数
主要
技术
参数
1:
使用电压:
DC5V
2:
静态电流:
小于2mA
3:
电平输出:
高5V低0V
4:
感应角度:
不大于15度
5:
探测距离:
2cm-450cm
6:
高精度:
优于2mm
参考US-100与单片机的引脚功能画出它们连接的原理图如下:
图3.9US-100与单片机的连接原理图
3.3显示模块的设计
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
随着科技的发展,液晶显示模块的应用前景将更加广阔。
本系统选用LCD液晶1602显示器作为显示模块
图3.10LCD1602实物图
LCD1602引脚功能如下
表3.4LCD1602的引脚功能
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
GND
电源地
9
D2
数据
2
VCC
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
参考LCD1602与的单片机的引脚功能画出它们连接的原理图如下:
图3.11LCD1602与单片机连接的原理图
3.4语音报警模块的设计
本系统选用ISD4004语音芯片作为语音报警模
图3.12ISD4004实物图图3.13ISD4004引脚图
ISD4004引脚功能如下:
电源:
(VCCA,VCCD)为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。
地线:
(VSSA,VSSD)芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。
同相模拟输入(ANAIN+)这是录音信号的同相输入端。
输入放大器可用单端或差分驱动。
单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3KΩ电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。
差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV,为ISD33000系列相同。
反相模拟输入(ANAIN-)差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。
信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV
音频输出(AUDOUT)提供音频输出,可驱动5KΩ的负载。
片选(SS)此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令,两条指令之间为高电平。
串行输入(MOSI)此端为串行输入端,主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。
串行输出(MISO)ISD的串行输出端。
ISD未选中时,本端呈高阻态。
串行时钟(SCLK)ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。
数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。
中断(/INT)本端为漏极开路输出。
ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持。
中断状态在下一个SPI周期开始时清除。
中断状态也可用RINT指令读取。
OVF标志----指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。
EOM标志----只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1。
行地址时钟(RAC)漏极开路输出。
每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的
存贮器共2400行)。
该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。
快进模式下,RAC的218.75μs是高电平,31.25μs为低电平。
该端可用于存储管理技术。
外部时钟(XCLK)本端内部有下拉元件。
芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在+1%内。
商业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在+2.25%内。
工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。
若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表所列)。
由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。
输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。
在不外接地时钟时,此端必须接地。
自动静噪(AMCAP)当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。
通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。
检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。
大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。
1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。
本端接VCCA则禁止自动静噪。
参考ISD4004与单片机的引脚功能画出它们连接的原理图如下:
图3.14ISD4004与单片机的连接原理图
4系统软件的设计
软件设计的主要思路是将初始化设置、超声波测距、LCD1602显示、ISD4004语音报警等功能编成独立的模块,在主程序中采用查询和中断的方式,在一定周期内,依次执行各个模块,调用初始化设置子程序、超声波查询发射子程序、超声波中断接收子程序,并把测量的结果进行分析处理,根据处理结果决定显示程序的内容以及调用语音报警程序。
主程序首先是对系统环境初始化,调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲,串口0中断程序接收返回的超声波信号。
超声波汽车防撞电路的软件设计主要由主程序、超声波发发子程序、超声波接收中断程序、显示子程序及语音报警子程序组成。
我们知道C语言程序有语法简洁、运算符
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