设计-汽车防撞预警系统的研究.docx

摘要随着经济的发展，世界汽车持有量加速上升，汽车的便捷性、性能和安全性受到空前的关注。由于驾驶人员的视觉存在盲区，在驾驶汽车的过程中无法判断所有的情况，特别是在倒车中无法知晓车后的障碍物而造成汽车损伤或事故。本文所研究了一种汽车防撞系统，主要用于停车倒车过程中预防汽车发生碰撞。本预警系统采用左右后3个不同方向的超声波传感器对障碍物进行测距，使驾驶员知晓障碍物位置并在接近危险距离时对驾驶员发出警告。该系统采用AT89S52单片机对传感器信号进行处理，通过SMG12864D3液晶屏显示相关信息并使用蜂鸣器及LED闪烁完成警告。另外由于温度对超声波的传播速度有明显的影响，为了提高测距精度，还加入了基于温度传感器DS18B20的温度补偿设计。本文首先就汽车防撞系统研究的现状及发展做了介绍，说明了该研究的目的和意义。然后提出了该系统的总体设计方案，介绍了系统的原理以及功能结构。之后分别就系统的硬件系统和软件系统做了详细介绍。硬件系统分为电源部分、显示部分、报警部分以及传感器电路部分等；对于软件系统，文章详细介绍了各个程序模块的功能并列出了流程图。最后使用仿真软件对系统软硬件做了仿真，给出仿真结果并做出总结。结果表明该系统设计合理，具有成本低、软硬件结构简单易于实现等优点。关键词：超声波，测距，单片机，汽车防撞AbstractWiththedevelopmentofeconomy,theWorldAutomobileHoldingsaccelerated,convenienceandsafetyperfonanceofthecarhasbeenunprecedentedattention.Becausethedriver'svisualblindspotsexist,cannotjudgeallcasesintheprocessofdrivingthecar,especiallyinreversing,injuryoraccidentcouldbecausedbytheunknownobstaclesbehindthevehiclecar.Thispaperstudiesavehiclecollisionpreventionsystemwhichisprocessprimarilyusedforparkingandreversing.Thisearlywarningsystemuses3Ultrasonicsensorsinthecarleftandrightandbehindtomeasurethedistancewiththeobstacles,tomakedriversawareofobstaclesandwarnsthedriverswhentheyapproachdangerousdistance.ThesystemusingAT89S52microcontrollerprocesssensorsignal,usingSMG12864D3LCDdisplayrelatedmessagesandusingthebuzzerandtheLEDtocompletethealarm.Becausetheinfluenceoftemperatureonultrasonicwavepropagationvelocityisobvious,inordertoimprovethemeasurementaccuracy,alsoincreasethetemperaturecompensationdesignbasedontemperaturesensorDS18B20.Thispaperfirstintroducestheresearchstatusanddevelopmentofautomotivecollisionavoidancesystem,explainedthestudy'spurposeandmeaning.Thenputsthesystem,soveralldesignscheme,introducessystem,sprincipleandstructureandfunction.Thenintroducesthehardwaresystemandsoftwaresystem.Thehardwaresystemconsistsofpowersupply,display,alarmandsensorcircuitetc.,forthesoftwaresystems,eachprogrammodulefunctionsaredescribedindetailandliststheflowchart.Usingsimulationsoftwareforsystemtodothesimulation,simulationresultsaregivenanddiscussed.Resultsshowthatthesystemdesignisreasonable,hastheadvantagesoflowcost,hardwareandsoftwarestructureissimpleandeasytoimplement.Keywords:ultrasonic,ranging,Microcontroller,automotivecollisionavoidance目录1 绪论11.1 汽车防撞系统的研究背景和意义11.2 汽车防撞系统研究的现状和发展11.3 本文主要研究内容31.4 本章总结32 汽车防撞预警系统的超声测距原理与设计方案42.1 超声波测距原理42.2 系统原理框图52.3 系统功能结构62.4 本章总结63 .防撞预警系统硬件设计73.1 硬件系统总体设计73.2 单片机核心模块以及时钟复位模块设计83.2.1 单片机选型83.2.2 AT89S52单片机与复位和时钟电路的连接83.3 超声波传感器模块设计93.3.1 TCT40-16R/T超声波传感器93.3.2 超声波发射电路113.3.3 超声波接收电路113.4 温度传感器模块设计133.4.1 DS18B20芯片介绍133.5 温度传感器电路133.6 1.CD显示和报警模块设计143.6.1 SMGI2864D3液晶屏介绍143.6.2 1.CD显示和报警电路153.7 电源模块设计163.8 本章总结174 防撞预警系统软件设计184.1 系统主程序的设计及流程图184.2 1.CD显示子程序说明及流程图194.3 DS18B20读取温度子程序说明及流程图214.4 其他子程序说明224.5 本章总结255 调试与仿真265.1 调试仿真软件简介265.2 仿真替代部分电路说明265.3 仿真结果285.4 本章总结306 结论327 谢338 考文献349 录A系统全部路图3510 B主程序361绪论.汽车防撞系统的研究背景和意义随着科技的快速发展、社会的进步，汽车行业快速发展，汽车已经成为当今世界上最重要的交通工具之一。汽车在造福于人类的同时也给社会制造了无数的难题，比如交通事故、环境污染、能源危机以及交通堵塞等。世界汽车保有量持续增加，公路交通情况愈发难堪，车流密集度、行驶高速度以及驾驶员非专业度都大大增加。而由于公路交通管理的发展速度相较于汽车数量的增加速度显得十分缓慢，导致交通事故与日俱增，对国家和个人造成了不可挽回的损失。交通事故发生的主要原因包括违法占道变道、超速行驶、酒后驾驶和疲劳驾驶等。而碰撞成为交通事故的主要表现形式，其中人与车、车与车的碰撞占了大多数。专家对汽车交通事故的分析结果表明，在造成发生交通事故的原因中,驾驶员无法及时反应而处置不当占了其中的80%o而其中又有65%的事故是由于汽车追尾碰撞造成的，其余则属于侧面碰撞、擦挂所致。因此,德国奔驰公司的专家们在对各类交通事故进行系统研究分析后得出：若驾驶员能在事故发生前提早1秒钟意识到会有交通事故发生,并采取了相应的正确措施,则绝大多数事故都可能避免。汽车防撞预警系统是利用超声波、雷达等方式，在汽车行驶过程中，对汽车前后及左右方向对可能造成危险的障碍物进行检测，在汽车与障碍物有发生危险碰撞的情况下，利用声、光等方式发出警报，提示驾驶员有障碍物接近，令其能够及时采取相应措施。汽车防撞预警系统一般由信息采集、信息判断、信息处理以及危险预警等部分组成。大力发展汽车防撞预警技术，开发如主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对提高交通安全将起到十分重要的作用。显然这一类的技术的研究开发具有巨大的现实意义和广阔的应用前景。1.2 汽车防撞系统研究的现状和发展从二十世纪八十年代起，国内外著名大学、研究机构以及汽车生产厂家就积极地研究汽车防撞预警系统，各个运输公司和保险公司也非常关心如何减少交通事故的发生。早在2009年，美国国家公路交通安全管理局便开始着手研究预防碰撞警示及车道偏移警示的规范。2011年欧盟通过一项决议，所有在欧盟地区贩售的新款汽车自2013年11月1日起必须安装预先紧急煞车系统，2015年11月1日起则欧盟境内的所有车辆必须要安装。经过多年的研究，国内外获得一定程度的成就。根据不同的信息采集技术，将现有的汽车防撞预警系统分为超声波防撞预警系统、雷达防撞系统、激光防撞系统、机器视觉防撞系统、红外线防撞预警系统以及交互式智能化防撞预警系统等。另外各个防撞系统所实现的功能也有不同，一般分为：车距监测与预警，即实时监测汽车与前后方车辆之间的距离，根据接近程度提供警报；汽车越线预警，即在汽车没有开转向灯的情况下,当汽车将要穿过各种车道约零点几秒前产生警报；前方碰撞预警，系统对即将可能发生碰撞的目标进行跟踪定位并估计碰撞时间（2）,在可能发生碰撞的几秒前发出警告;还有其他多种辅助功能。现在汽车中普遍使用的电子眼（倒车辅助设备）就是使用了超声波技术。超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。非接触式检测技术因为传感器以及单片机的飞速发展己经被应用于多个领域。目前，典型的非接触式测量方法有超声波测量、雷达测量、激光测量、CCD测量等。和其他几种测量方式相比，超声波测量可以直接测量较近距离的目标，并且具有纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，覆盖面积大，具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素的优点。目前，超声波技术已经普遍应用于也为测量、移动机器人定位和避障等领域。超声波测距作为非接触式检测技术的典型方法之一，以其价格低廉、信号处理可靠、不受电磁、天气影响等优势，必将拥有广阔的市场前景。随着电子技术的超速发展，也带动着汽车防撞预警技术的发展，成熟的电子技术令防撞预警更加的稳定快速。上个世纪以来，以美国、德国和日本为代表的发达国家一直致力于汽车防撞系统的研究。德国、法国等欧洲国家对毫米波雷达防撞技术进行了研究,奔驰和英国劳伦斯电子合作开发了一款汽车防撞系统，探测距离为150米，测得距离小于安全距离时发出声光警报。90年代以来，日本丰田汽车公司研制主动预防安全系统；三菱和日立公司着手毫米波雷达防撞技术做了大量的研究。美国福特公司开发的系统使用频率为24GHz的雷达，理论上可以自适应转弯情况，探测车道内车辆信息，避免碰撞，但由于虚警和价格原因等原因，尚未实际应用。而到了21世纪，世界上各大汽车公司都纷纷推出使用汽车防撞系统，如奥迪汽车在2010年推出的奥迪A8上采用“AudiPreSensePhis”全方位预警式安全防护系统;福特汽车在2009年推出的林肯MKS、林肯MKT、福特TaUrUS等车款上搭载防撞警示系统,当侦测到与前车的距离过近，系统会在抬头显示器上显示警告，万一驾驶人没有动作，则介入煞车，甚至视情况加强煞车力道等。汽车防撞预警技术将推动汽车系统的智能化、信息化，同时也会对无人驾驶技术起到促进作用。该技术能够让我们的行车生活处于安全、舒适、快捷中。1.3 本文主要研究内容本文主要研究的是以超声波测量技术为依托的汽车防撞预警系统。该系统主要用于停车倒车过程中预防因驾驶员无法看到车后部分情况而发生的碰撞，采用3个超声波测距模块，其中一个用于测量车尾部与障碍物的距离，另外两个测量汽车左右障碍物的距离。本文结论部分介绍了本次研究的背景和目的，还介绍了汽车防撞预警系统研究的现状和发展以及超声波技术的应用。结论之后本文给出了该汽车防撞预警系统的总体设计方案并且阐述了方案中主要的应用的超声波测距原理。然后本文分别就系统的硬件部分和软件部分做了详细的介绍。硬件部分的介绍详细说明了各个模块所使用的器件以及其功能，解释了其原理并给出了各个模块的电路连接图。软件部分则给出构成程序的各个主要部分的流程图，并说明了其原理和实现的功能。之后将设计的软硬件结合，进行了仿真调试，就调试中遇到的问题进行了分析并提出解决方案，最后给出仿真结果并对本次研究做出总结。1.4 本章总结本章讲述了汽车防撞预警系统的发展和现状，并给出了本次研究的背景和意义。之后对超声波技术的应用做了介绍，最后介绍了本文的主要研究内容，给出了组成本文的基本组织结构。2汽车防撞预警系统的超声测距原理与设计方案本系统的主要应用于汽车倒车停车过程之中，在此过程中系统会检测车尾部周围因驾驶员视线盲区而无法观察到的障碍物，实现的功能可以概括为：测距与报警。即使用超声波传感器测量障碍物与汽车的距离，当障碍物距离过近时发出警报。由于在汽车倒车过程中汽车行驶速度较慢，因此对测距的实时性以及精度要求不高，同时也不要求测量距离过远，所以选择超声波传感器作为测距工具，测量范围在0.10米至5米之间，通过软件设置的测量频率为1秒5次左右。另外考虑到在驾驶过程中，驾驶对汽车尾部周围的视野盲区，该系统特别采用3对超声波传感器，分别置于车后侧、车左侧靠后部位、车右侧靠后部位，对车尾周围的障碍物进行检测，降低碰撞发生的概率。2.1 超声波测距原理超声波因为指向性强，能量大，在介质中传播距离远等特点而常常被用于测距。从原理上说，超声波测距的方法有相位法、幅度法以及渡越时间法等，其中时间法是最为简单、应用最广泛的方法。本系统也是应用这种方法，即发出超声波-开始计时-接收超传播声波-停止计时，根据时间差计算距离。测距示意图如右图2-1所示。图中T表示超声波发射装置，R表示波接收装置。T发射超声波之后，经障碍物射，到达R接收超声波，该过程中计时器时，获得时间f,于是再根据超声波在空气传播速度V可得:：25=v*r,当S»a时，认为L=Sf所以当知道渡越时间I以及声波速度U之后即可得到障碍物与车之间的距离L.声波的传播依赖于介质，超声波在空气中传播时温度、空气密度等参数的变化对声速有很大的影响，国内外有许多关于测量声速以及声速与各实验参量之间关系的研究工作。在影响声速的参量中，温度的影响比较大，理论上声速与温度的关系为：vvo+O.6O7*T(2.1)其中所331.5m/s即在零摄氏度时的声速，T的单位为摄氏度。国内很多地方一年的温差可以达到50摄氏度(-1040摄氏度)，这就可能对测距产生10%的误差，所以应该在超声波测距系统中对声速进行温度补偿。2.2 系统原理框图系统原理框图如图2-2所示。从图中可以看出去，本系统由以下部分构成：电源模块、时钟模块、复位模块、测温模块、超声波发射接收模块、LCD显示模块和报警模块。以下对各大部分的作用进行介绍：图2-2系统原理框图(1)电源模块：为其他所有模块提供5V的稳压电源，支持整个系统的运作。(2)单片机、时钟与复位模块：本系统采用手动复位电路对单片机进行复位控制，另外单片机使用片内振荡器作为时钟。时钟与复位电路与单片机组成最小系统，对其他的模块进行控制，主要完成信息的交换与处理，实现系统功能，是整个系统的核心。(3)测温模块：该系统使用温度传感器测量周围温度，用于声速补偿。(4)测距模块：利用超声波传感器，测量汽车外障碍物与汽车的距离，是防撞预警系统的重要模块。(5)显示及报警模块：其中显示模块使用液晶屏幕显示必要信息，报警模块完成声音与闪光报警，使用单片机对他们进行控制。2.3 系统功能结构该防撞预警系统主要功能如下：(1)系统上电后先对液晶屏及温度传感器等进行初始化。(2)对温度进行测量，获得的温度单位为摄氏度，读取温度数值保留到小数点后一位，取得温度之后通过软件对声速进行温度补偿。(3)测距，该模块包含3对超声波发射接收电路，单片机采用轮流操作的形式按照顺序逐对进行发送和接收，使用计时器计时，获得各方向障碍物距离。(4)液晶显示，在液晶屏上显示的东西有：温度，最高位为十位，最低位为小数点后1位，带单位,负数时显示负号；距离，同时显示左右后障碍物距离，最高位为各位,最低位为小数点后2位，带单位M,当计时器溢出即测量距离过远(设置为5米左右),则显示5.00M0另外还在各方向显示距离的右边各自对应一个中文提示，根据距离大小显示“安全”、“警告”、“危险”等字样，当距离大于等于1米时显示“安全”，小于1米大于等于0.2米时显示“警告”，小于0.2米时显示“危险”，具体排版见后文仿真部分。(5)报警，该部分有3个LED灯和一个蜂鸣器，3个LED灯分别对应不同方向，任意一个方向的距离小于设定值，则蜂蜜器发出滴滴声，对应的LED灯闪烁，若各方向距离均小于设定值，3个LED灯同时闪烁。当驾驶员接收到报警之后，可以通过液晶屏显示知晓到底危险来自哪个方向。2.4 本章总结本章首先介绍了本汽车防撞预警系统的总体设计思路，之后介绍了超声波测距的原理。接下来详细的介绍了系统的整体设计，给出了系统原理框图。本系统主要由电源电路模块、单片机核心、时钟和复位电路模块、温度采集模块、超声波发射接收模块、液晶显示模块、报警模块等构成。本章对各个模块及功能进行了介绍，使读者更清楚的了解该系统，为接下来的硬件和软件设计奠定基础。3.防撞预警系统硬件设计上一章主要介绍了系统中的超声测距原理以及系统设计方案，本章则给出具体的电路设计。涉及的内容主要包括：(1)硬件系统设计框图和说明。(2)单片机的选型和其最小系统(3)超声波测距相关器件和电路介绍。(4)温度传感器电路和说明。(5)LCD显示电路和报警电路介绍。3.1 硬件系统总体设计图3-1硬件系统主体框图汽车防撞预警系统的硬件主体框图如图3-1所示。由图中可以知道硬件系统主要构成包括稳压电源电路、时钟电路、测温电路、手动复位电路、3组超声波发射接收电路、LCD显示电路以及声光报警电路。本系统使用Atmel公司的AT89S52单片机芯片作为操作核心,完成信号的处理以及对外围器件的操作。图中各部分电路工作关系如下，单片机从测温电路中获得温度信号,并且测温电路与单片机之间不需要A/D转换器，因为测温电路使用DS18B20数字温度传感器作为测温器件，传送给单片机的温度信号本身就为数字信号。单片机对温度数据处理后进行声速补偿，此后可以操作超声波发射接收电路进行测距。超声波发射电路采用推挽电路原理驱动超声波换能器TCT40-16R/T发出超声波,超声波接收电路同样使用换能器接收超声波，并利用CX20106A芯片对其进行处理。每一对超声波发射接收电路中，单片机通过一个I/O口控制超声波发射，一个I/O口接收CX20106A处理之后的信号。单片机在测距以及获得温度之后，需要对LCD液晶显示屏进行操作，将必要的信息显示在上面。单片机还与LED灯和蜂鸣器等连接，完成报警的功能。另外，以上所有用到的器件都是只需要5V直流电源进行供电，所以使用7805稳压芯片将汽车蓄电池的12V电压转换为稳定的5V电压。3.2单片机核心模块以及时钟复位模块设计3.2.1单片机选型在系统设计中，选择合适的系统核心器件是成功完成系统设计的关键，而单片机作为控制系统的核心，其选型是重中之重。单片机发展至今，为应对各种需求，各厂商推出各种型号。本系统选用AT89S52单片机芯片。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMoS8位微型控制器，具有8K系统可编程FLASH存储器。AT89S52使用了Atmel公司的高密度非易失性存储器技术进行制造，与工业80C51引脚和产品指令完全兼容。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，AT89S52拥有灵巧的8位CPU和系统可编程FlaSh,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。本系统在选择单片机核心时，考虑到系统想要实现的功能，主要看中了AT89S52的以下特性。它拥有8k的系统可编程ISPFIaShROM,可反复写入程序，方便快捷；它使用典型的4.5-5V电源，在选择其他器件时，有多种使用5V电源的器件可供选择，它们可共用一个电源，设计方便；它拥有3个16位的定时器，为系统实现测距、延时、报警提供了足够的资源。另外，相对于89C52,89S52还增加了内部看门狗定时器、双数据指针、电源关闭标识和全新的加密算法，但是价格基本不变，甚至更加便宜。3.2.1AT89S52单片机与复位和时钟电路的连接图3-2为AT89S52连接上复位和时钟电路之后的电路图。图中画出了使用内部时钟时的时钟电路以及手动复位电路。下面介绍这两个电路的设计。复位电路。单片机的RST引脚为复位引脚，片内有一个用来抑制噪声的施密特触发器与它相连，在振荡器运行的情况下，RST引脚上需要出现保持至少2个机器周期以上的高电平，这时才能触发内部复位。复位电路一般有上电复位和手动复位两种模式。手动按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位两种，本系统采用手动电平复位电路，按下机械开关给RST高电平，由于机械开关反应速度相对缓慢，一般能满足高电平时长要求。另外采用RC网络来改善复位电路，防止因为开关抖动而危害电路甚至造成不稳定复位。XTAlIXTAl2RSTVCCPO(VADOP1P1P1P1PVMP1P1-上一.89012345;呼PO1XAD1PO2XAD2PO3AD3P04>A04PO5MD5POdADeP07MD7图3-2AT89S52与复位和时钟电路连接图(2)时钟电路。时钟电路相当于单片机的“心脏”，它产生使所有内部操作同步的时钟脉冲。本系统采用常用的内部时钟方式，XTALI和XTAL2之间连接晶振或者陶瓷谐振器，两引脚通过电容接地。时钟频率在对运行速度要求不高时通常选择1.2MHZ至12MHZ,对电容值没有硬性要求。电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CXl、CX2可在30pF时振荡器有较高的频率稳定性网。本设计中时钟频率选择12MHZ,电容值取30pf03.3超声波传感器模块设计3.3.1TCT40-16R/T超声波传感器超声波传感器又叫超声波换能器，属于声电转换器的一种。超声波换能器是超声波检测系统中实现电能与声能转换的关键性器件，其性能的好坏直接影响着检测能力及检测结果的准确性、可靠性。本系统使用通用型的压电陶瓷超声传感器TCT4O-16TR1(T代表发射，R代表接收,TR代表收发兼用)，本系统使用分体式的超声波传感器，即发射头和接收头分开。TCT40-16T/R1的产品特性如表3-1,指向特性图如图3-3：性能发射接收标称频率(kHz)40发射声压Db(0dB=0.02mPa)最小117-接收灵敏度(4OkHZ时)(OdB=IOVZPa)-最小-65-6dB指向角80°80°表3-1TCT40-l6T/R1产品特性图图3-3TCT40-l6T/R1指向特性图由图3-3可知，超声波发射时是向四周发射的，发射角度越大则声压越小，当声压小于一定值时其反射回来的声波将不能被检测到。由于本系统采用分体式的超声波发射接收头，并且使用渡越时间法测距，所以发射头和接收头的中心应该处于同一水平线上。另外考虑两换能器之间的距离给测距带来的误差，则两换能器不能离得过远。再考虑到超声波从发射头到接收头的直射和干扰，一般将两换能器中心轴线平行并相距4-8cm°3.3.2超声波发射电路本系统采用的超声波换能器的中心频率为40kHz,所以需要生成一个40kHz的脉冲信号（占空比50%）作为输入。一般产生40kHz的脉宽调制信号可以使用单片机I/O口直接发出，也可以使用555芯片做多谐振荡器发出。本系统使用单片机I/O口直接发出10个波长的40kHz脉冲信号。超声波发射出去的声波声压越强则传播距离越远，而声压的大小取决于加在换能器两端的脉冲信号的驱动能力，而为了达到5m的测量距离，仅仅靠单片机I/O口无法直接驱动，所以现在利用74LS04芯片中的5个反相器提高驱动能力。电路图如图3-4。图3-4超声波发射电路该超声波发射电路主要由反相器74LS04和超声波换能器构成，使用单片机PO口产生40kHz的方波信号，并在PO口接上拉电阻，提高电流输出。反相器11与13（输入端编号）的并联和反相器3与5的并联的作用是提高驱动能力。换能器两输入端的信号因反相器1的加入而波形相反，使用这种推挽的方式将方波信号加到换能器两端，可以提高输出功率，获得较大的超声波发射强度。加入两个上拉电阻Rl、R2一方面可以提高反相器的高电平输出能力，另一方面可以增加其阻尼效果，减小换能器的余振时间。3.3.3超声波接收电路超声波接收电路接收超声波的原理利用了压电晶体的压电效应，将接收到的振动转换成同频率的电压信号。而由于产生的电压信号为模拟信号，无法直接送入单片机进行检测，所以需要加上一个超声波处理电路。本系统使用CX201106A芯片做超声波处理电路，当芯片接收到超声波信号时，会在其第7脚产生一个低电平下降沿，单片机通过检测这个下降沿来确定是否接收到超声波信号。CX20106A是一款红外检波接收的专用芯片，也可作为超声波接收处理用，内部集成放大、滤波、整形等电路，采用单列8引脚直插式。其内部结构包括前置放大、限幅放大、滤波、比较、整形、滞后比较器等电路，通过在其管脚连接不同值的电阻电容等器件来调整性能，以适应不同频率、波形的信号输入。图3-5超声波接收电路在使用CX20106A时，一脚为超声波信号输入端，输入阻抗约为40k。2脚与地之间接一个RC串联网络，它们作为负反馈串联网络的一个组成部分，可以通过改变它们的大小来改变前置放大器的增益与频率特性，增大RC串联网络的电阻或者减小电容将使负反馈增大并降低放大倍数，反之增大放大倍数，但是电容的改变会影响频率特性,一般在实际使用中不必改变，选用参数为电阻4.7Q,电容luf。3脚与地之间接一检波电容，电容值大时，为平均值检波，瞬时灵敏度低，电容值小时，为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出脉冲宽度变动大，易造成误动作，一般选用电容值3.3f.4脚为接地端。5脚用于设置带通滤波器的频率，通过一个电阻与电源连接，电阻大小决定频率大小，电阻越小中心频率越低，选电容值为200kQ时中心频率为40kHz。6脚接一个积分电容到地，标准值为330pf,若电容值过大，则影响探测距离。7脚为输出端，以集电极开路输出，所以需要接上一个上拉电阻，当没有信号时输出高电平，选电阻值为22k。8脚接电源正极5V。实践证明，按照上述选择参数值灵敏度较高“°】。最终确定的超声波接收电路如图3-5o使用CX20106A做超声波信号处理优缺点共存，优点是芯片简单易用，电路简洁，减少了调制制作的麻烦，缺点是必须保证接收信号频率在40kHz,误差不能太大，不然无法解调。3. 4温度传感器模块设计该模块作为系统中的辅助模块，作用是测量外界温度以对声速进行补偿。系统采用单线数字温度传感器DS18B20进行温度测量，该传感器为常用温度传感器，体积小、价格便宜、抗干扰能力强并且精度高。DS18B20采用独特的单接线接口方式，与微型处理器仅仅使用单一总线连接即可实现双向通信。3.4. 1DS18B20芯片介绍DS18B20仅有三个引脚，分别为电源地GND、数字信号输入/输出端DQ、外接供电电源输入端VDD。选择DS18B20是因为其有以下特点：(1)使用单总线与微型处理器进行连接，具有经济型好、抗干扰性好并且使用方便等优点，使用户可以轻松组建传感器网络。(2)DS18B20为全数字温度转换及输出的器件。(3)DS18B20的测温范围为55+125°C,在10+85°C范围内，其精度为±0.5。(4)多种封装形式，使用与各种硬件系统。(5)12位数字温度转换时间最大不超过750ms,满足系统要求。DS18B20与单片机之间通过单总线进行数据交换，对DS18B20的读写及初始化操作都是通过这根总线。对DS18B20进行操作时，读写及初始化都有严格的时序要求，需要严格遵守才能正确操作。3.4.2温度传感器电路电路图如图36。电路中数据端DQ接单片机PLl口，由于DS18B20自身不具备输出高电平的能力，需要在DQ端口接一个4.7k。的上拉电阻，令单片机能够准确的读到高电平。工R1<I"I<)47kI_c三-GND©DS18B20图36温度传感器电路3.5LCD显示和报警模块设计由于这两部分电路较为简单，所以和在一起介绍。这两部分包含一块SMGI2864D3液晶显示屏、一个蜂鸣器以及3盏LED灯:3.5.1SMG12864D3液晶屏介绍SMG12864D3是标准图形点阵型液晶显示模块(LCM),由两块64*64点的屏幕组成,分为左右两半屏幕，可以显示128*64点阵，分为8行，16歹J,8*64页(每一页竖向8个点)。内置KSOl08B接口型液晶显示控制器，可以与MUC单片机直接连接。SMG12864D3可以显示8*4个16*16点阵汉字或者8*8个16*8点阵ASCII字符集，另外可以完成图形显示。它与单片机接口采用8位并行数据总线和5条位控制总线进行输入输出。SMGI2864D3共有20个引脚，各管脚说明如下：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1CS2片选IC2信号11DB2DataI/O2CSl片选ICl信号12DB3DataI/O3VSS电源地13DB4DataI/O4VDD电源正极(+5V)14DB5DataI/O5VOLCD偏压输入15DB6DataI/O6RS数据/命令选择(H/L)16DB7DataI/O7RW读写控制信号(H/L)17/RESET复位端8E使能信号18VEE负压输出9DBODataI/O19BLA背光源正极10DBlDataI/O20BLK背光源负极SMG12864D3的显示模式为黄绿膜，其背光颜色也为黄绿色。它的工作电压为4.85.2V,工作电流为5.0mA,背光电流为30mA。另外由于该液晶显示器中使用的是KS0108B控制器，它自身不带字模库，所以当需要在液晶屏上显示汉字或字母数字时需要另外使用取字模的软件进行取模，并将字模存入单片机程序存储器中使用。(1) 5.2LCD显示和报警电路(2) 1.CD显示电路由于电路图是画在Proteus仿真软件上的，而软件器件库中并没有SMG12864D这款液晶屏，所以电路图中使用AMPlREI2864代替。AMPlREI2864相较于SMGI2864D3来说，少了19脚BLA和20脚BLK两个管脚，其余管脚一样。两款液晶屏采用一样的控制器，接线与操作也差不多，所以不影响说明。具体电路图如图3-7o其中滑动变阻器的作用是调节液晶显示的对比度。在实际使用SMG12864D3时只需再在19、20脚接上背光电源即可。(2)报警电路。连接LED灯时，令LED灯正极接5V电源，负极接单片机I/O口，这样连接是为了让I/O口低电平时点亮LED灯，这样不会影响I/O口的逻辑电平。再在其中串联一个电阻用于限流保护。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，即只需要给直流电源就会发出声音，单片机的引脚不能提供足够的驱动电流直接驱动蜂鸣器，可以通过工作在导通/截止状态的三极管来驱动,蜂鸣器采用普通的PNP三级管驱动，一端接单片机I/O口，I/O口为低电平时蜂鸣器发出声响。具体电路如图3-8。AMPIRE128X64图3-7LCD显示电路图3-8报警电路3. 6电源模块设计考虑到一般汽车中使用的蓄电池为直流12V,为了获得5V的电源,本系统使用7805稳压芯片将12V直流电源转换为5V直流电源使用，电路图如图3-9o7805芯片只有3个管脚，分别分输入、输出和接地管脚，其输入电压最大不超过36V,输出电压4.85.2V,最大输出电流为1.5A,并自身带有过流、过热保护电路，足够满足系统要求。7805图3-9电源模块电路图在电源输入和输出端都并联一组电解电容和普通电容，电解电容用于滤波平滑，普通电容滤除高低频干扰。4. 7本章总结本章主要介绍了系统各模块的硬件设计。分别介绍了单片机控制模块、超声波发射接收电路模块、温度传感器电路模块、电源模块和LCD显示与报警电路模块的设计方法，并给出具体的电路。此外还对相关器件AT89S52、TCT40-16T/R、DS18B20>CX20106A等进行介绍。其目的在详细了解系统硬件情况后，注意一些设计上的问题并设计出与之匹配的软件系统。4防撞预警系统软件设计本系统使用C语言进行软件设计，具有可读性好、移植性高的优点。本系统使用了SMGI2864D3液晶显示屏以及DS18B20温度传感器，在对液晶屏进行操作时应配合好其控制器，符合一定的规范，在与DS18B20进行数据交换时有严格的读写时序，不符合其时序就无法正常读写数据。在本系统程序中，使用了测距子程序、声速补偿子程序、字符转换子程序及中断程序等。另外还使用了十分重要的调用液晶显示和读取温度子程序，因为与SMGI2864D3液晶显示屏以及DS18B20温度传感器相关的软件部分较为重要且复杂，需要遵守严格的规范，将在主程序说明之后的两节进行说明。4.1系统主程序的设计及流程图主程序主要完成获得温度、计算测距距离、LCD显示排版布局以及报警等工作。其中LCD显示由包括将温度和距离等数字量转换为显示必须的字符量的工作。主程序流程图如图4-1。在程序开始运行之后，程序先对器件进行初始化。初始化包括单片机初始化，如设置定时器相关寄存器、开中断等；LCD显示屏的初始化、温度传感器的初始化。在初始化之后使用Tl定时器延时0.2秒左右，然后开始无限循环完成其功能。在循环过程中，包括以下几个步骤：测温补偿、距离测量、LCD显示、报警、延时。(1)测温补偿。既是调用温度子程序与DS18B20完成数据交换获得温度，然后调用声速补偿子程序将声速根据温度进行修改。(2)距离测量。单片机依次命令3个