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汽车安全间距测量设计方案班级应物1001班组员崔东金星康华沛日期2012-3-30目录TOC\o1-4\h\z\u-、设计思路及原理
31.1其原理如下图
31.2设计思路3
二、超声波发射、接受模块
42.1超声波测距原理及发射接受电路
42.2超声波接受信号的处理5
三、单片机选型及控制系统
73.1单片机选型
73.2控制系统
83.3蜂鸣器电路
93.4系统报警电路10
四、温度补偿电路11
五、LCD1602显示模块12-、设计思路及原理
1.1其原理如下图
1.2设计思路超声波是由机械振动产生的可在不同介质中以不同的速度传播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,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现超声测距是一种非接触式的检测方式与其它方法相比,如电磁的或光学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辨力,因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点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超声波测距的方法有多种,本超声波测中系统的原理为:检测出从超声波发射器发出的超声波,经气体介质的传播到接收器的时间,将这个时间与气体中的声速相乘,就是声波传输的距离超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时单片机开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时超声波在空气中的传播速度随温度变化,其对应值如表2-1,根据计时器记录的时间t见图2-1,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,即:s=vt/2表2-1声速与温度的关系温度℃-30-20-100102030100声速m/s313319325323338344349386图1-2超声波测距时序图
二、超声波发射、接受模块
2.1超声波测距原理及发射接受电路谐振频率高于20k赫兹的声波称作超声波,频率越高其绕射能力就越弱,但其反射能力就会越强,利用超声波的这种性能,就制作了超声波换能器,它是一种既能将电能转换成机械能(声波),又能把机械能(声波)转换为电能的装置换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能,向外发送超声波;反之,当换能器处在接收状态时,它可将声能机械能转换为电能本实验采用压电式超声波发生器超声波发射、接收电路如图3-1超声波发射部份由电阻R2及超声波发送头T40板成;接收电路由BG
1、BG2X组成的两组三级管放大电路组成;检波电路、比较整形电路由C
7、D
1、D2及BG3组成40kHz的方波由MCS51单片机驱动超声波发射头发射超声波,经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波,由于声波在空气中传播时衰减,所以接收到的波形幅值较低,经接收电路放大,整形,最后输出一负跳变,输入单片机的引脚该测距电路的40kHz方波信号由单片机MCS51的一个引脚5发出方波的周期为1/40ms,即25µs,半周期为
12.5µs每隔半周期时间,让方波输出脚的电平取反,便可产生40kHz方波由于单片机系统的晶振为12M晶振,因而单片机的时间分辨率是1µs,所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号,频率分别为
41.67kHz和
38.46kHz本系统在编程时选用了后者,让单片机产生约
38.46kHz的方波
2.2超声波接受信号的处理使用超声波接发芯片CX20106A对超声波信号进行处理,其主要优缺点如下优点简单易用,电路简单,减少了生产调试的麻烦 缺点必须保证接收到的信号为40KHz,否则无法解调出当CX20106A接收到40KHz的信号时,会在第7脚产生一个低电平下降脉冲,这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入,其主要电路为HYPERLINKhttp://space.ednchina.com/upload/2008/5/12/75c44ca4-64ff-4649-878e-ae90993e
8544.jpg\t_blankINCLUDEPICTUREhttp://space.ednchina.com/upload/2008/5/12/75c44ca4-64ff-4649-878e-ae90993e
8544.jpg\*MERGEFORMATCX20106A引脚说明
三、单片机选型及控制系统
3.1单片机选型在此次设计中我们采用美国INTE公司推出的MCS51系列单片机,其主要性能指标如下 ·8位CPU ·4kbytes程序存储器ROM ·128bytes的数据存储器RAM ·32条I/O口线 ·111条指令,大部分为单字节指令 ·21个专用寄存器 ·2个可编程定时/计数器 ·5个中断源,2个优先级 ·一个全双工串行通信口 ·外部数据存储器寻址空间为64kB ·外部程序存储器寻址空间为64kB ·逻辑操作位寻址功能 ·双列直插40PinDIP封装 ·单一+5V电源供电MCS-51具有比较大的寻址空间,地址线宽达16条,即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达216=64kB,这作为单片机控制来说已是比较大的,这同时具备对I/O口的访问能力此外,MCS-51采用模块化结构,可方便地增删一个模块就可引脚和指令兼容的新产品从而容易使产品形成系列化 由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元,处理功能强,中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器,硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令,这给应用提供了极大的便利 MCS-51的指令系统近乎完善,指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说,是相当灵活和方便的 MCS-51单片机的工作频率为2-12MHz,当振荡频率为12MHz时,一个机器周期为1us这个速度应该说是比较快的 MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上,使得数据传送距离大大缩短,可靠性更高,运行速度更块由于属于芯片化的微型计算机,各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化,抗干扰能力加强,工作亦相对稳定因此,在工业测控系统中,使用单片机是最理想的选择单片机属于典型的嵌入式系统,所以它是低端控制系统最佳器件
3.2控制系统该控制系统应用MCS51单片机,晶振,复位电路,电源滤波电路构成,如上图
3.3蜂鸣器电路图
3.
2.蜂鸣器电路本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户按键按下了,现在单片机开始了测距蜂鸣器时一块压电晶片,在其两端加上3~5V的直流电压,就能产生3KHz的蜂鸣声电路如图
3.
2.通过单片机软件产生3KHz的信号从P
3.7口送到三极管
9.13的基极,控制着电压加到蜂鸣器上,驱动蜂鸣器发出声音
3.4系统报警电路系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成R25的阻值为1K,R26的阻值为10K对于二级运算放大都采用F007芯片.两级放大电路均是负反馈接法即反相比例运算电路.而反相比例运算电路中输入信号从反相输入端输入同相输入端接地.根据“虚短”和“虚断”的特点,即u_=u+i_=i+=
0.可得u+=
0.而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零,即Uid=u_=u+
0.即u_=u+而u0具有一定值由于两个输入端间的电压为零,而又不是短路,故称为“虚短”而“虚断”是由于理想集成运放的输入电阻Rid,故可以认为输入端不取电流,即i_=i+
0.这样,输入端相当于断路,而又不是断开,称为“虚断”而电路中,反相输入端与地端等电位,但又不是真正接地,这种情况称为“虚地”所以iI=iF==,因为i_=0iI=if则可得u0=-uI.故可将信号进行放大图
3.7系统报警电路当单片机通过P
1.0,P
1.1,P
1.2三个I/O口,发射出超声波的信号,即输出一个高电平给这三个I/O口,大约5V的电压,同时单片机计数器T0开始计时则信号经过三极管T1,T2,T3进行放大使电流达到T40-16的工作电流,从而发射出超声波当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来,这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收,并转换成电信号,经过运算放大器的两极放大,将信号送给LM567的输入端,当LM567的输入端电流大于25mA时,其8号输出引脚会产生一个信号,使得单片机AT89C51产生一个中断这样,计数器便停止计数单片机把计得的时间差进行运算,根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离,并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示如果距离小于
0.5m,则单片机AT89C51便给P
1.5口一个信号,使得报警电路工作,实现报警
四、温度补偿电路温度传感器使用了DSl8B20数字温度计提供可选择的12位二进制温度读数来指示周围环境的温度信息经过单线接口DQ与单片机进行数据交互从主机CPU到DSl8B20仅需一条数据接线和地线DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要接外部电源由于每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上实现多点温度测量温度传感器DSl8B20的测温范围从-55摄氏度到+125摄氏度增量值为
0.5度可在ls典型值内把温度变换成数字量,因此采用DS18B20实现温度补偿电路的设计
五、LCD1602显示模块在本设计中采用LCD1602液晶显示器,主要因为其体积小,功耗低,不需要外加驱动电路,显示内容丰富,能够显示2行16个字符,其主要结构如下第一脚GND接地第二脚VCC+5V电源第三脚VO对比度调整端使用时通过接一个10K的电阻来调节第四脚RS:寄存器选择信号线第五脚RW:读写信号线第六脚E使能端,当E由高电平跳变为低电平时执行命令第7~14脚8位数据线D0~D7第十五脚BLA:背光电源正极输入端第十六脚BLK:背光电源负极输入端图
4.1LCD显示电路超声波接受模块超声波发射模块单片机控制系统数据显示模块温度补偿模块图3-4温度补偿电路原理图。