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倒車雷達之控制

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    以超音波去截去距離資料並使用單晶片做控制

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    電子工程學系 實務專題報告 倒車雷達 指導教授:賴雲龍 教授 專題學生:王靖顓 林軒宇 中華民國 103 年 06 月 摘要 本專題的可分為兩大電路,超音波測距電路與七段顯示電路。在超音 波測距電路方面利用超音波模組,模組內建超音波發射及接收電路。在七 段顯示方面則是由LED驅動IC MAX7219進行掃描4顆七段顯示器。 因為本專題是利用 距離=音速X時間 的計算方式以測得距離,以當時 測量環境的音速帶入計算公式而得數據,並以8051的計時功能,量測出音 波來回的時間,再將時間換算成距離,即可得以公分為單位的距離值。 1 目錄 摘要…………………………………………………………………...1 目錄…………………………………………………………………...2 圖目錄………………………………………………………………...4 一.簡介………………………………………………………………..6 1-1 製作動機……………………………………………………..6 1-2 方法…………………………………………………………..6 1-3 結果…………………………………………………………..6 二.理論...……………………………………………………………...7 2-1 零件原理……………………………………………………..7 2-1-1 超音波避障……...………………………………………..7 2-1-2 超音波的特長與應用………..…………….……………..7 2-1-3 超音波元件介紹……........………………………….….….9 2-2 糸統方塊圖………………………………………………….13 2-3 主程式流程圖..…………………………………………….14 2-4 實體圖..………….………………………………………….15 三.軟、硬體分析………………………………………………….…16 3-1 電路分析……………………………………………….….16 3-1-1 單晶片主控制電路的設計…………….………………..16 3-1-2 電源電路設計…………….……………………….........17 3-1-3 超音波測距……….…….………………………...….…17 3-1-4 七段顯示器……….…….………………………...…….20 2 3-2 程式碼……………………...………………………………23 四.結論...…………………………………………………………….27 五.附錄………...…………………………………………………….28 六.參考資料…...…………………………………………………….29 3 圖目錄 圖 1 物質的音波傳送速度……………………..……………………..........8 圖 2 壓電陶瓷體....….………………………………………………..........9 圖 3 感度特性之測試.………………………………………………........10 圖 4 頻帶寬(Bw)……………………………………………………........10 圖 5 指向角特性……………………………………………………........11 圖 6 超音波送收波器之諸特性…………………………………………..11 圖 7 溫度特性………………………………………………………........12 圖 8 負荷特性…………………………………………………................12 圖 9 指向性…………………………………………………....................12 圖 10 頻率特性………………………………………………………......12 圖 11 糸統方塊圖…………………………………………………............13 圖 12 主程式流程圖………………………………………………...........14 圖 13 實體圖...……………………………………………………..........15 圖 14 單晶片主控制電路………………………………………………...16 圖 15 電源電路…………..…………………………………………........17 圖 16 超音波測距………………………………………….………….....17 圖 17 HC-SR04 超音波模…………………………………………….....18 圖 18 超音波時序圖...……………………...………………………….....19 4 圖 19 七段顯示器..…………….……………………………………........20 圖 20 Serial-Data Forrmat(16Bits)……………………………………......20 圖 21 Register Address Map………………………………………...........21 圖 22 MAX7219 傳送速據…………………………………………….....22 圖 23 MAX7219……………………………………………………........22 5 一.簡介 1-1 製作動機 不管是什麼類型的汽車都會有死角,即使有車內後照鏡與車身兩側的後照 鏡,也無法看見汽車的每個角落,因此發生了一些兒童在倒車時沒被注意 到而慘遭意外。所以我們以超音波測距作為感測週遭障礙物的裝置,以七 段顯示電路顯示與障礙物的距離有多長,讓駕駛在任何情況時,都能依靠 這第三隻眼睛來監看汽車的每個死角。 1-2 方法 1. 先利用麵包板、電源供應器、電表,測試馬達電路是否能運作 2. 熟悉 89S51 的使用方法、8051 語言使用方法,熟悉燒錄方法, 3. 寫程式 4. 將程式燒入 89S51,測試是否能依據我們的設計正常運作 5. 將電路移植到一般的電路板上,並測試是否正確 6. 連接電池與電路板 7. 做最後的校正及外部包裝結果 6 二.理論 2-1 零件原理 2-1-1 超音波避障 何謂超音波 所謂音波,乃指透過具有彈性與慣性的介質,例如空氣,當空氣本身一 旦產生膨脹或壓縮時,則透過其分子的運動而有波動的傳播產生。因此,音 波無法在真空中進行傳播。人類聽覺能察覺的波動 ,稱之為聲音。此時的音 波,即稱之為可聽波。 雖 然 對 超 音 波 所 下 的 定 義 是 "非 人 類 以 耳 聞 為 目 的 之 聲 音 ",但 是 一 般 把 它 視 作 "頻 率 較 耳 朵 聽 得 見 的 成 音 為 高 之 音 波 "。 通常,吾人所稱之聲音乃是空氣的疏密波 (即由空氣的分子密集而呈 壓力高的部分,和相反地呈疏鬆而壓力低的部分交替出現所振動的音波),因 個人而有所差別,然人類的耳朵所能聽見的最大限度不出 20~20,000Hz 左 右 之 範 圍。疏 密 波 本 身 ,不 論 在 空 氣 中 乃 至 液 體 中 和 固 體 中 都 可 以 發 生 和 傳 播。 2-1-2 超音波的特長與應用 大家都知道波的傳播速度是頻率與波長之乘積。電磁波的速度是 3x10E8m/s,但空中的音波傳播速度邦非常緩慢,約為 340m/s,所以波長短。 此項事實,就成為超音波應用之中的一大特徵。而且,介質並不限於氣 體還有液體和固體,同時也會表現出隨此介質而產生之特徵。圖 1 中表示有 各種物質的音波傳播速度。各該物質的密度和音速之積 叫 做 固 有 音 響 阻 抗。而 此 數 值 相 形 之 下 ,顯 然 液 體 和 固 體 方 面 要 比 氣 體 大 得 多。 超 音 波 ,如 果 在 行 進 中 碰 到 不 同 性 質 的 物 質 就 會 引 起 反 射。假 設 超 音 波 所通過最初物質的固有音響阻抗為 ρlC1,所碰到的物質其固有音響阻抗以 ρlC2 表示,則原來的振幅與反射波的振幅之比 Ar 為: Amplitude-out ρlCl-ρ2C2 Ar = = Amplitude-in ρlCl+ρ2C2 碰到前的原有能量 E1 和反射的能量 E2 之比,也就是反射率 K,則為: E2 ρ1C1-ρ2C2 2 K= =[ ] E2 ρ1C1+ρ2C2 再者,氣體﹑液體裏邊只是縱波,固體則為橫波,而且也有表面波存在,相 同的物質音速也有所不同。不過,除非預先聲明,否則一般所說之音速皆指 縱波之音速而言。 7 圖 1 物質的音波傳送速度 根據以上所述,超音波的特長可歸納如下: (a) 由於波長短所以指向性強,能量集中。也就是說,能夠增強 方向之分解能。 (b) 振動數高,可得巨大的加速度。 (c) 大部分的音響功率碰到音響阻抗不同的物質境界面將被反射。 利用此特性可藉以做物質的探知和距離的測試。 (d) 如果在媒體中或其界面有密度差存在,其境界將會發生界面擾 亂作用,並引起乳化,攪拌混合等之作用。 (e) 若適當選擇頻率,則可使其引起和乳化(分散)相反的凝縮作用。 (f) 把超音波放射於液體中引起孔蝕現象(Cavitation),並藉其局部 的巨大壓力變化可發生強烈的破壞作用。 (f) 利用孔蝕現象形成的排氣氣體之活性化,可以引起氧化作用及 其他化學作用。 (h) 利用媒體中的音波吸收,可在音場內產生熱。 8 2-1-3 超音波元件介紹 超音波微音器之原理﹑構造與諸特性 超音波在空中方面的應用 ,視為不同於電波的應用領域,並有廣闊的利 用範圍。 此空中超音波利用之樞要所在,就是空中超音波送受波器(MIC)。空中 超音波送受波器所使用之頻率 ,一般皆為 20~40KHz。頻率低的話超音波的 到 達 距 離 遠 ,但 空 中 的 雜 音 容 易 增 多 ,未 必 可 喜。反 之 ,頻 率 升 高 則 衰 減 增 大 , 超音波的到達距雖縮短。上面所說的 20~45KHz,不妨把它當作是找到其妥 協點的妥當頻率。再者,可使用之距離為 lOm 左右以內,一般則以 2.5m 居 多。 能夠當作空中超音波送受波器利用者,有高音用揚聲器,圓筒形瓷質振 動 子、雙 形 態 瓷 質 振 動 子 等 各 式 各 樣 的 元 件 ,不 過 此 處 擬 就 使 用 高 感 度 價 格 又低廉的雙形態瓷質振動子和單一形態振動子的,超音波送受波器之原理 與構造加以說明。 原理 壓電陶瓷體供加以電壓的話,將會有順應電壓和頻率的機械性的歪變 產生並起振動。反之,另以歪變壓力施加於壓電陶瓷體則有電荷 產生。應用此原理,如果把壓電陶瓷體兩片,分極方向倒反相貼之雙形態振 動子供加於電壓,則一方將伸展而另一方則收縮。而且,極性反過來的話伸 展收縮也同樣反轉。 還有,關於壓電陶瓷體貼在金屬板而構成之單一形態振動子,同樣藉電 壓之供加使陶瓷體伸縮而產生屈曲振動,亦可利用作共振頻率 為 20~45KHz 之超音波送受波器用振動子。 構造 (a)標準型(寬頻帶型):這是彈性 接 著劑把先前所說明的雙形態振動子 之 節 部 固 定 在 基 部。而 且 ,為 改 善 感 度 起見,另於雙形態振動子之上接合以 樹 脂 的 共 振 喇 叭 體。要 求 寬 頻 帶 的 場 合,構造在基本上雖無二致,但是另外 在基部與共振喇 圖 2 構造 叭 體 上 設 法 以 期 擴 展 頻 帶。構 造 表 示 於圖 2(a)。 (b)防滴型:為供屋外或易沾積灰塵之 處使用起見,特以陶瓷振動子接合在 金 屬 盒 內 之 構 造 來 發 生 屈 曲 振 動。另 外 , 又 以 充 填 樹 脂 的 密 閉 構 造 加 工 完 成 。 構造表示於圖 2(b)。 9 特性之測試: 圖 3 感度特性之測試 (a)受波感度:受波感度,是以 dB 表示 lμbar 之音壓送進時的受話器出口端輸 出電壓。 但是,若以 0dB=lV/μbar,待測試料之輸出電壓為 V2[V],標準微音器在其 待測試料位置所測得之音壓以 P1(μbar)表示,則試料的受波感度 Mv(dB/V/μbar)如下式。測試是按照圖 3 的形態實施 V2 Mv = 20 log V1 (b)送波感度:用以表示在送波器的前方 lm 之位置,對一定驅動電壓(lV)可獲 得幾 μbar 的音壓,係以 1μbar/V=0dB 表示。 按圖 3(b),設送受波器間之距離為 t,則待測試料的送波感度 Sv(dB/μbar/V), 可依下式求得。但是,Mvs 為標準微音器的受波感 度 (dB/V/μubar)。 P1 Sv = 20 log + 20 log - Mvs V1 (c)頻帶寬(Bw):圖 4 上,從峰值降低 3dB 的兩點間之頻率差,就叫做頻帶寬 Bw。 Bw = f2.f1 再者,感度在頻率特性上的尖銳度 Q 可用 下式表之 f0 Q= 圖 4頻帶寬 f2.f1 10 此值隨負荷電阻而變。 (d)指向角:送波器前面的音場分布或者受波器前面的感度分布,一 般皆以送受波器的中心軸(正面)上的感度衰降 6dB 位置的角度 (圖 5-4-4 的 Q )叫做指向角。 圖 5 指向角 指向角乃以送受波器的超音波放射面之面積和超音波的波長 λ 相形 之下愈大則愈尖銳。 圖 5 是指向角特性的一個例 子,這是由圖 5 的方塊圖所示之測 試方法,利用轉盤(Turntable) 使試 料旋轉,記錄其輸出變化所得之結 果。 送受波器之特長 茲將感度,頻帶寬,指向性等 之言習特性和溫度特性、耐濕、 耐振特性等,分別表示於圖 6 及圖 7 至圖 10 內。 根據這些試撿結果,可將超音 波送受波器的特長歸納如下。 (a) 高感度,形體小重量輕。 (b) 耐濕,溫度特性優異。 (C) 耐振動,耐衝擊性優異。 圖 6 超音波送收波器之諸特性 11 圖 7 溫度特性 圖 8 負荷特性 圖 9 指向性 圖 10 頻率特性 12 2-2 糸統方塊圖 超音波模 組 8051 七段顯 示器 蜂鳴器 圖 11 硬體部分主要是由 8051 作為主控制核心,送出控制訊號至超音波模組, 使模組發射出超音波,並在同時間開始計時,直到接收端有超音波時停止 計 時,經 過 運 算、處 理,最 後 將 結 果 顯 示 於 七 段 顯 示 器 上,並 發 出 警 示 音 。 13 2-3 主程式流程圖 開始 七段顯示器 初值設定 發射超音波 並開始計時 等待 58uS 距離值加 1 否 有無反射之 超音波訊號 是 停止計時 取出距離值千、 百、十、個位 顯示距離 倒車雷達音 圖 12 14 2-4 實體圖 圖 13 15 3.軟、硬體分析 3-1 電路分析 3-1-1 單晶片主控制電路的設計 AT89S51 單晶片為 40 腳雙列直插晶片,有四組 I/O 腳 P2,P1,P2,P3, MCS-51 單晶片共有 4 組 8 位的 I/O 口(P2、P1、P2、P3),每一條 I/O 線都能獨立地作輸出或輸入。 單晶片的最小系統如下圖所示,18 腳和 19 腳接振盪電路,第 9 腳為重置輸入 端,接上電容,電阻及開關後為上電重置電路,20 腳為接地端,40 腳為電源端. 如圖 14 所示 C2 +5V 104 C3 30PF C4 12MHZ Y1 30PF +5V C5 + 10uF/25V R3 10K 圖 14 U4 31 EA/VPP 19 XTAL1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 18 20 XTAL2 GND 9 40 RESET VCC 12 13 14 15 P3.2_INT0 P3.3_INT1 P3.4_T0 P3.5_T1 1 2 3 4 5 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 6 7 8 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 89S51 P0.0 39 38 P0.0 P0.1 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 37 36 35 34 33 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.6 P0.7 32 P0.7 P2.0 21 22 P2.0 P2.1 P2.1 23 P2.2 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 24 25 26 27 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.6 P2.7 28 P2.7 P3.7_RD P3.6_WR 17 16 29 P3.7 P3.6 PSEN ALE/PROG P3.1_TXD P3.0_RXD 30 11 10 P3.1 P3.0 16 3-1-2 電源電路設計 主控制 IC 8051 需供給 5V,可經由穩壓 IC 後得到 5V,而 5V 是供應電路 板上所以電的來源,所以我們採用 7805 作為穩壓 IC,穩壓 IC 可以相當 有效的減低成本,減小佔用的空間。三端 IC 穩壓器是非常容易使用的電 子元件。我們所使用的穩壓 IC 7805 有三隻接腳:IN、OUT、GND。分別 接到輸入、輸出及地線。輸出的電壓固定為+5 V。如下圖所示: BT1 7. 5V電 池 SW2 1 2 電源開關 3-1-3 超音波測距 U4 +5V 78M05 3 1 VIN VOUT 2 GND + C8 C7 104 220uF/16V 圖 15 U5 超音波模組(前) VCC 1 Trig 2 Echo 3 4 GND +5V P3.2 P3.3 圖 16 超音波在空氣中傳播速度 S =331 公尺 + 0.6 t° (t° = 測定時溫度) 因為要求折射波所走之速度,因此超音波行走 1cm 折射回來所消耗之時間 T 如下列公式所示(當 t° = 23℃時) 2 T = ─────────── = 58 μs (331 + 0.6 x 23) x 100 因此只要計算超音波發射到收到折返波之時間除以 58μs,其商數=測量距 離。 17 腳位定義: 如下圖接線, 圖 17 VCC 供5V 電源, GND 為地線, TRIG 觸發控制,信號輸入, ECHO 迴響信號輸出 OUT 開關量輸出(當報警模組使用) 參數: 電氣參數 HC-SR04 超音波模組 工作電壓 DC 5 V 工作電流 15mA 工作頻率 40Hz 最遠射程 4.5m 最近射程 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發信號 10uS 的TTL 脈衝 輸出迴響信號 輸出TTL信號,與射程成比例 規格尺寸 45*20*15mm 18 超音波時序圖: 圖 18 以上時序圖所示,8051程式只需要提供一個10uS 以上脈衝觸發信號, 該模組內部就自動發出8個40kHz週期脈波並檢測回波。 一旦檢測到有回波,信號則輸出迴響信號。 迴響信號的脈衝寬度與所測的距離成正比。 由此通過發射信號到收到的迴響信號時間間隔可以計算得到距離。 公式:uS/58=公分 計算超音波發射到收到折返波之時間除以 58μs,其商數=測量距離。 19 5 6 f4 1 2 3 v2 v3 b v1 a 3-1-4 七段顯示器 +5V P2.1 R2 100K C1 + 100uF P2.0 C2 P2.2 104 +5V VCC 19 U1 1 DIN DOUT 24 18 2 ISET 13 CLK 12 DIG0 DIG1 DIG2 DIG3 11 6 7 3 LOAD DIG4 10 DIG5 DIG6 DIG7 5 8 14 SEGA 16 SEGB SEGC SEGD SEGE 20 23 21 15 SEGF SEGG SEGDP 17 22 GND GND 4 9 MAX7219 DIG0 DIG1 DIG2 SEGA SEGB SEGC SEGD SEGE SEGF SEGG LED1 SEGB DIG2 DIG1 SEGF SEGA DIG0 SEGE SEGD SEGC SEGG DIG3 c g v4 e d 10 . 11 12 7 8 9 圖 19 電路使用MAX7219來掃描點亮,MAX7219每次都會接收16位元數據,數 據分成兩段,前8位元是資料,接著是4位元的位址,最後4個高位元沒有 作用如下圖: 圖 20 20 而每個位址有其代表的意義如下圖: 圖21 解碼模式(Decode Mode)暫存器:設定是否啟用BCD解碼功能,這項功能用 於 七 段 顯 示 器 。 設 定 成 0, 代 表 不 解 碼 , 用 於 驅 動 LED矩 陣 。 顯示強度(Intensity)暫存器:顯示器的亮度,除了透過 VCC和ISET接腳之間 的電阻來調整,也能透過此暫存器來設定,亮度範圍從 0~15(或十六進位的 0~F),數字越低亮度也越低。 掃描限制(Scan Limit) 暫存器:設定掃描顯示器的個數,可能值從0到7, 代表顯示1~8個 LED七段顯示器,或者 LED矩陣中的1~8行。設定成7,才能 顯示LED矩陣的全部行數。 停機(Shutdown) 暫存器:關閉LED電源,但MAX7219人可接收資料。 顯示器檢測(Display Test) 暫存器:此暫存器設定為1,MAX7219將進入「測 試」模式MAX7219顯示,需要將它設定成「一般」模式。 傳送數據方式如下圖: 21 圖22 CS為 晶 片 選 擇 腳 , 先 設 為 LOW電 位 , 再 從 DIN傳 出 HIGH、 LOW訊 號 , 接 著給出一個CLK方波,總共要傳16次(16位元),位元傳送順序為高位元先 傳,再傳低位元。 專題中要顯示第幾關和分數共為5顆七段顯示器,若要直接以8051來驅動 的話,會導致接腳不足,所以利用MAX7219來節省8051的接腳。接法如下 圖: +5V P2.1 R2 100K C1 + 100uF P2.0 C2 P2.2 104 +5V VCC 19 U1 1 DIN DOUT 24 18 2 ISET 13 CLK 12 DIG0 DIG1 DIG2 DIG3 11 6 7 3 LOAD DIG4 10 DIG5 DIG6 DIG7 5 8 14 SEGA SEGB SEGC SEGD SEGE 16 20 23 21 15 SEGF SEGG SEGDP 17 22 GND GND 4 9 MAX7219 DIG0 DIG1 DIG2 SEGA SEGB SEGC SEGD SEGE SEGF SEGG 圖23 MAX7219之DIG0~DIG7作為共陰極之掃描訊號,SEGA SEGB……SEGG為 顯示的字型碼。 22 3-2 程式碼 #include #include //Keil library #include //Keil library #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit DIN=P2^1; /*定義腳位*/ sbit CLK=P2^0; /*定義腳位*/ sbit CS1=P2^2; /*定義腳位*/ sbit TR=P3^2; /*定義腳位*/ sbit EC=P3^3; /*定義腳位*/ sbit BZ=P2^4; /*定義腳位*/ uint dd=0,nnt,ddt=20; uchar dis5,dis6,dis7,dis8; void delayms(unsigned int time) { unsigned int n; while(time>0) /*while 作到 time=0 為止*/ { n=120; while(n>0) n--; /*while 作到 n=0 為止*/ time--; /*time 減 1*/ } } void delay58() { unsigned int n; n=5; while(n>0) n--; /*while 作到 n=0 為止*/ } void conversion(uint temp_data) // 資料轉換出 個位,十位,百位,千 位 { 23 dis5=temp_data/1000; //取商運算 temp_data=temp_data%1000; //取餘運算 dis6=temp_data/100; temp_data=temp_data%100; dis7=temp_data/10; temp_data=temp_data%10; dis8=temp_data; //取商運算 //取餘運算 //取商運算 //取餘運算 } void write_bit(unsigned char bitt) { _nop_(); if(bitt==0x80) { DIN=1; _nop_(); } if(bitt==0x00) { DIN=0; _nop_(); } CLK=1; _nop_(); CLK=0; _nop_(); } void max7219(uchar regg,uchar dataa) { //regg 為預設定暫存器之位置,dataa 為預傳出之資料 unsigned char j,chnn; CS1=0; 24 _nop_(); _nop_(); for(j=0; j<8; j++) { chnn = regg << j; chnn = chnn & 0x80; write_bit(chnn); } for(j=0; j<8; j++) { chnn = dataa << j; chnn = chnn & 0x80; write_bit(chnn); } CS1=1; } void main() { delayms(500); max7219(0X0B,7); max7219(0X09,0xff); max7219(0X0A,14); max7219(0X0F,0); max7219(0X0C,1); delayms(1000); //延時 // 設定 MAX7219 暫存器資料的自訂函數 max7219(1,0); max7219(2,0); max7219(3,0); max7219(4,0); while(1) { //主程式迴圈 for(nnt=0; nnt

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