電氣工程及其自動化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計 文獻綜述 開題報告】汽車倒車防撞報警系統(tǒng)軟件設(shè)計

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1、電氣工程及其自動化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計+文獻綜述+開題報告】汽車倒車防撞報警系統(tǒng)軟件設(shè)計 （20_ _屆） 本科畢業(yè)設(shè)計 汽車倒車防撞報警系統(tǒng)軟件設(shè)計 摘 要 本文開始就此次選題的背景和意義做了說明，以及針對倒車雷達在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀作了較詳細的分析。 本文詳細介紹了此次基于AT89C51單片機的超聲波脈沖測距倒車雷達系統(tǒng)，它是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知條件，通過超聲波反射回來的時間來測量距離。本文描述了系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)以及超聲波傳感器部分的電路設(shè)計。 論文簡述了超聲波測距的發(fā)展和基本原理，并且介紹了超聲波傳感器的

2、原理及它所具有的特性，還對超聲波的發(fā)射、接收信號電路及報警電路做了概述。在單片機方面論文介紹了AT89C51單片機的芯片結(jié)構(gòu)和引腳功能，并對單片機與超聲波測距結(jié)合作了有關(guān)介紹。 本文還論證了倒車雷達系統(tǒng)的實用性，分析了幾種可能會影響超聲波測距精度的因素，闡述了如何應(yīng)對的一些方法。 關(guān)鍵詞：單片機，超聲波，測距 The Hardware Design of Anti-collision Alarm System for Auto Reversing Abstract The beginning of the topic to the background and signific

3、ance of this was illustrated,and it made a more detailed analysis for reversing radar research status at home and abroad. This paper describes the AT89C51 microcontroller based ultrasonic pulse ranging reversing radar system, It is the use of ultrasonic propagation velocity in the air which path

4、 is known, reflected back by the time ultrasound to measure the distance. This article describes the theoretical basis of system design and the ultrasonic sensor part of the circuit design. Paper outlines the development and the basic principles of the ultrasonic distance measurement, And introd

5、uced the principle of ultrasonic sensors and it has the features, but also on the ultrasound transmitting and receiving signal circuits and alarm circuits were outlined. This paper introduces the SCM AT89C51 microcontroller chip architecture and pin functions, and the combination of microcontroller

6、and ultrasonic distance measurement made on introduction. This article also demonstrates the practicality of reversing radar system, analysis of several that may affect the accuracy of ultrasonic ranging factors ,and it explained how to deal with the methods.朗讀顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音Keywords: SCM,Ultrason

7、ic, measure distance 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1選題的背景與意義 1 1.2汽車雷達國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1 汽車雷達的歷代變革 2 1.2.2 汽車雷達的國內(nèi)研究 3 1.2.3 汽車雷達的國外研究 3 1.3課題研究的主要內(nèi)容 4 2系統(tǒng)方案設(shè)計 5 2.1系統(tǒng)方案設(shè)計 5 2.2系統(tǒng)方案評價 5 3 超聲波測距原理 7 3.1超聲波及其基本性質(zhì) 7 3.2 超聲波傳感器 9 3.3 超聲波測距原理 10 3.4 溫度對超聲波測距精度的影響 11 4 AT89C51單片機介紹 13 4

8、.1 89C51單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點 13 4.2 89C51單片機引腳及功能 14 5系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16 5.1 主要器件選擇和介紹 16 5.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計和接收檢測電路 18 5.3顯示電路、溫度補償及報警電路設(shè)計 19 6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 22 6.1 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 22 6.2 超聲波測距儀的軟件規(guī)劃 22 6.3 主程序及其流程圖 23 6.4 溫度檢測電路 25 6.5 超聲測距測量與顯示電路程序設(shè)計 29 7 超聲測距系統(tǒng)誤差分析 32 7.1 超聲測距誤差原因及解決方案 32 總結(jié) 34 參考文獻 35 致謝 37 附 錄 38

9、 1 緒論 1.1選題的背景與意義 從1886年世界上第一輛汽車誕生至今，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，汽車制造業(yè)迅猛發(fā)展，汽車的價格也越來越便宜，這使得越來越多的人擁有汽車。亞洲制造業(yè)協(xié)會首席執(zhí)行官兼秘書長羅軍二十四日透露，到2010年，全球汽車保有量將達到十億輛，中國將突破七千萬輛。當然有一個問題不能忽視，在我們享受汽車給我們帶來便利的同時，汽車的交通安全問題也越來越突顯。目前，在每年的車禍中有120多萬人死亡，1200多萬人傷殘，全球50%的交通事故受害者年齡在15～24歲，每年交通事故造成的經(jīng)濟損失達5180億多美元，相當于每年發(fā)生兩次日本廣島核爆炸[1][2]。美國高速公路交通安全管

10、理局NHTSA表示，每年因倒車事故導(dǎo)致的平均死亡人數(shù)達292人[3]。伴隨著汽車保有量的增加和城市布局的日益密集化，汽車的活動空間越來越小，特別是汽車倒車時司機由于視野不能很好的達到后面加上車后的盲區(qū)，使得倒車事故逐年上升。對于公路交通事故的分析表明，超過65%的交通事故屬于追尾相撞，80%以上的交通事故是駕駛員由于反應(yīng)不及時引起的[4]。一項由Mercedes Benz主導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，只要增加0.5秒警示時間，就能避免60%的追撞事故；如果警示時間增加至1.5秒，更能提高到90%[5]。汽車倒車防撞系統(tǒng)是一種安裝在汽車上實時進行汽車與障礙物距離檢測的裝置，一旦發(fā)現(xiàn)障礙物與汽車的距離小于安全距

11、離就發(fā)出警報來提醒司機。因此，根據(jù)目前汽車防撞系統(tǒng)研發(fā)的現(xiàn)實意義和長遠的汽車應(yīng)用前景上考慮，越來越多的汽車生產(chǎn)廠家和科研院所以及一些大學(xué)投人大量的人力和物力來研究汽車倒車防撞系統(tǒng)。 本課題研究的意義在于通過對汽車倒車防撞系統(tǒng)的研究使得汽車在白天和晚上倒車時都能很好的實現(xiàn)安全倒車防止碰撞，而且應(yīng)用單片機和超聲波技術(shù)汽車倒車防撞系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性都大大提高，從被動的防撞到主動防撞。而針對多種測距的方法，我發(fā)現(xiàn)由于超聲波指向性強，因而對于距離的測量利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，所以本次課題我采用超聲波測距結(jié)合單片機技術(shù)來實現(xiàn)

12、汽車倒車防撞報警系統(tǒng)。 1.2汽車雷達國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 汽車雷達的歷代變革 從二十世紀六十年代對汽車防撞雷達的研究開始，汽車雷達可以說是經(jīng)歷了一代又一代的變革與發(fā)展，起初人們對于交通事故中車后撞車的問題開始興起對汽車防撞的研究。汽車倒車防撞的研究可以分為六代[6]。 第一代是倒車喇叭。相信大家都記憶猶新，記得小時候，每當有汽車倒車時總會有“倒車，請注意!”的提示音來提醒汽車旁或汽車后面的行人，從而確保汽車倒車時的安全，對于那個時候的倒車防撞系統(tǒng)而言是相當先進的了。但這種倒車喇叭不能使司機很好的起到觀察車后的作用，畢竟這只對人而言能有效地防止碰撞，可是如果遇到車后有障礙物時就沒

13、有多大作用。 第二代是倒車蜂鳴器。它的原理是事先先設(shè)計障礙物與車尾的碰撞距離，當障礙物離汽車尾部越來越近時，蜂鳴器的叫聲尖銳程度會越來越大，以此來提醒司機注意倒車速度與車距。但是，我們知道光從蜂鳴器的叫聲來判斷車后的障礙物到底有多遠，能不能再往后倒點等事項上還是有很大的不足的。 第三代是數(shù)碼波段顯示[7]。相對于第一、第二代產(chǎn)品而言，第三代產(chǎn)品在汽車倒車防撞上起到很大的作用。它有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示和波段顯示。數(shù)碼顯示是產(chǎn)品能夠顯示距離數(shù)字。而波段顯示由三種顏色來區(qū)別：綠色代表車后障礙物或人與車的距離在安全范圍意外;黃色代表障礙物已經(jīng)進入與車的警示距離，需要引起司機的注意；紅色代表的是障

14、礙物與車的距離已經(jīng)超出警示距離，司機必須格外的小心。 第四代是液晶熒屏顯示。它使得只要汽車一經(jīng)啟動就可以讓司機能夠看到顯示器上出現(xiàn)的汽車圖案與障礙物的距離，以及車的周圍障礙物的距離。但液晶熒屏顯示的不足是它的抗干擾能力不強，誤報出現(xiàn)的次數(shù)也多。 第五代是魔幻鏡倒車雷達[8]。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新放聲超聲雷達技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準確測知2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的提醒駕駛員。魔幻鏡倒車雷達可以把后視鏡、倒車雷達、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多功能整合在一起，并設(shè)計了語音功能。因為其外形就是一塊倒車鏡，可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)后

15、視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配。 第六代是無線倒車雷達。全新無線液晶倒車雷達，融無線連接、倒車雷達、彩色液晶顯示、BP警示音于一體。由于普通倒車雷達安裝時，從車后雷達主機到車前儀表臺上顯示器要布一條線，這樣要拆除車內(nèi)的裝飾板、膠條等，非常不方便?，F(xiàn)在最新推出的新六代無線液晶倒車雷達，一舉解決此問題，車后主機和顯示器之間無線連接，方便快捷。更可在大巴、卡車等車身長的車上使用，使安裝更容易。雷達測距數(shù)碼顯示，無線連接（主機和顯示器之間無線連接）。彩屏顯示，BiBiBi三級跳報警音，動感車模（車后探頭方位閃動，智辨左右），全天候設(shè)計，可以適應(yīng)不同的環(huán)境[9]。

16、 1.2.2 汽車雷達的國內(nèi)研究 在國內(nèi)的一些汽車倒車防撞系統(tǒng)研究中，已經(jīng)開始使用了數(shù)字無盲區(qū)可視倒車雷達系統(tǒng)，比如尼桑天籟就采用了倒車影像設(shè)計，做到真正無盲區(qū)探測，聲音和圖像，倒車顯示屏顯示。成都泰信電子科技有限公司研發(fā)的“探路神”倒車雷達系統(tǒng)，填補了貨運車無倒車雷達的空白[10]。又如廣東鐵將軍紅蝙蝠倒車雷達3066采用3CPU（外理器）設(shè)計，厘米能精密探測，防水、防霜、防風(fēng)沙，探測器探頭自檢，異常提示[11]。還有清華同方LED三色燈報警顯示雷達（四個探頭）CRD-H01通過裝在車尾部的超聲波探測器，探測汽車尾部與障礙物之間的距離，并提供LED三色燈報警顯示和數(shù)碼距離顯示，三級警報提

17、示音。其他一些汽車廠商在汽車倒車防撞雷達研究中也有不錯的汽車產(chǎn)品，如上海通用06款別克凱越系列除三廂1.6LX MT之外，其余車型都加裝了倒車雷達。此外，還有許多廠家在新推出的中低檔車型中安裝了倒車雷達，如：北京現(xiàn)代的伊蘭特、索納塔、途勝；上海通用的別克LaCROSSE君越；東南汽車的三菱戈藍、三菱藍瑟；上海大眾的帕薩特增值版POLO勁情；廣州本田的雅閣、奧德賽、兩廂飛度；神龍汽車的東風(fēng)雪鐵龍C6、新薩拉??畢加索、愛麗舍、塞納；江淮汽車的瑞風(fēng)??祥和；奇瑞汽車的A5 1.6；千里馬汽車的RIO千里馬；長安福特汽車的蒙迪歐、兩廂?？怂沟萚12]。 1.2.3 汽車雷達的國外研究 在國外，日

18、本馬自達汽車公司研制的掃描激光雷達和超聲波傳感器，可以檢測到前方是否有行人和在斜角方向是否有車駛來，以避免事故發(fā)生[13]。美國通用汽車公司于1997年研制成一種為“視控雷達”的防撞裝置，車載電腦根據(jù)脈沖多普勒雷達原理來測兩車距離和相對速度、本車信號，最后于雷達測出的實際距離作比較[14]。德爾福于1998年SAE年會上推出了“防撞系統(tǒng)”[15]。它采用雷達及超聲波技術(shù)，來提高汽車的安全性。作為汽車技術(shù)較先進的戴姆勒-克萊斯勒公司成功開發(fā)出供商用車（尤指卡車）使用的電子剎車系統(tǒng)，它與其他剎車系統(tǒng)的區(qū)別在于，其在卡車車頭設(shè)有雷達感應(yīng)器，感應(yīng)器在車前觀察周圍環(huán)境，并將所有收集的信息交由一控制器加工

19、處理，形成一虛擬景象[16]。 1.3課題研究的主要內(nèi)容 本課題主要是研究如何避免汽車在倒車的情況下發(fā)生碰撞而引起交通事故，由于汽車倒車時車的后視鏡只能觀察到車尾部兩邊的車況而不能看到尾部正后方的情況，所以在這種情況下很容易發(fā)生碰撞事故。本課題通過安置在車尾部的超聲波測距器不斷的發(fā)射超聲波和接收超聲波來告知駕駛者車后是否有障礙物并且顯示具體的距離，這樣駕駛者就可以更清楚的了解到車后的情況從而避免碰撞事故的發(fā)生。本課題通過超聲波測距器與AT89C51單片機的結(jié)合來達到測距與顯示和報警的效果。首先我們要針對超聲波測距來制作超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，測距開始時發(fā)出一連串脈沖信號，單

20、片機開啟計數(shù)器，當單片機接收到反射回來的回波后，運行中斷程序來關(guān)閉計數(shù)器，根據(jù)計數(shù)周期T，得到過渡時間TL NT，NTL的乘積的一半。 2系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1系統(tǒng)方案設(shè)計 本設(shè)計用AT89C51單片機，采用12MHz高精度的晶振，來獲得穩(wěn)定的時鐘頻率。通過定時器來輸出與超聲波傳感器所匹配的40KHz超聲波脈沖，再通過超聲波傳感器的發(fā)射探頭輸出超聲波來進行探測障礙物并進行反射回波，與此同時單片機內(nèi)的計數(shù)器開始計數(shù)，當另一個超聲波傳感器的接收探頭檢測到有超聲波返回時，單片機的中斷程序開始執(zhí)行，它關(guān)閉計數(shù)器。于是，單片機內(nèi)開始執(zhí)行事先編寫好的距離計算程序，再將計算結(jié)果顯示在4位LED數(shù)

21、碼管上。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，因此，在本設(shè)計中專門增加了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它能起到實時檢測環(huán)境溫度的作用，使超聲測距更加準確。本系統(tǒng)還設(shè)置了一個安全距離報警模塊，當車與障礙物距離小于3m時安全報警模塊啟動。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如2-1所示。 圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 2.2系統(tǒng)方案評價 通過查閱超聲波測距的相關(guān)書籍與論文所知，超聲波的指向性非常強，能量消耗慢，并且它在介質(zhì)中傳播的距離也較遠，因而用超聲波來進行本設(shè)計的測距是最合適的選擇。更重要的一個方面是利用超聲波測距設(shè)計比較方便，它的計算處理也簡單，這對于本設(shè)計的可行性而言是很關(guān)鍵的。 超聲波發(fā)生器發(fā)展到現(xiàn)在也已比較完

22、善，特別是近距離測量方面較為常用的壓電式超聲波換能器，它在超聲波發(fā)射與接收時都有很好的性能。本設(shè)計中的溫度傳感模塊DS18B20它本身就具有A/D轉(zhuǎn)換功能，這樣的話根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，它使89C51的引腳使用量大大減少了，從而可以閑出多余的引腳來用于LED顯示與其他模塊的使用。 3 超聲波測距原理 3.1超聲波及其基本性質(zhì) 各種各樣的聲信號存在于我們的生活中，在聲學(xué)中將頻率高于人類聽覺上限頻率（約20000Hz）的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。而人類能產(chǎn)生超聲的核心部件是超聲傳感器，也稱超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能，也可以把聲能轉(zhuǎn)化為光能的裝置。 波長這樣短

23、的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)[17,18]： （1）超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能焦聚，因此可進行定位、測量、探傷等； （2）超聲波發(fā)射的波長很短，由超聲波發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不會亂發(fā)散，它的方向性很強，當波長越短時它的方向性愈強，所以超聲技術(shù)可用于水下探測、探傷； （3）超聲波能發(fā)出窄的脈沖波。為了能讓探測分辨率和精度有所提高，就要求超聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖非常窄，由于超聲波的波長較短，故可作為超聲波窄脈沖發(fā)生器來發(fā)射窄脈沖； （4）功率大，超聲波本身能夠傳送很大的能量。當超聲波作用在物體上時，物體中的一些分子也會隨著超聲波

24、的頻率而運動，它們的振動頻率和作用在物體上的聲波頻率相同，當超聲波的頻率愈高，物體中的分子運動就愈來愈快。 由物理知識可知，任何聲波在真空是不能運動的，它們需要通過液體、固體、氣體或者是它們?nèi)齻€的組合體作為傳播媒介才能正常傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為344。 超聲波的傳播特性： （1）聲速 超聲波在介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|(zhì)的聲速，用C表示。它是一秒鐘超聲波等相面通過的距離，與介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)有關(guān)。對于液體介質(zhì)，只能傳播縱波，以CL表示。 （3-）K---介質(zhì)的體積彈性模量; ---介質(zhì)

25、的密度。 聲速是隨著介質(zhì)及其狀態(tài)（如溫度）的不同而不同。如在常溫下，空氣中的聲速約為334，在水中的聲速約為1440，而在鋼鐵中約為5000。除水以外，大部分液體的聲速隨溫度的升高而增加。 （2）（3-）（3）（1）（2）（3）（3-）（3-） 式中 p0-------距離聲源X 0處的聲音的壓強； I0--------距離聲源X 0處的聲音的強度； ------衰減系數(shù)，（奈培/厘米）； 超聲波三種衰減為吸收衰減、散射衰減和擴散衰減[20]： （1）吸收衰減。在介質(zhì)中傳播的超聲波，質(zhì)點由于介質(zhì)的粘滯特性會產(chǎn)生內(nèi)摩擦，這樣就會有一些聲能轉(zhuǎn)化為

26、勢能；而且熱傳導(dǎo)性也是介質(zhì)的一種特性，介質(zhì)的稀疏和稠密兩部分之間會進行某種程度的熱交換，因此聲能的損耗也就隨之產(chǎn)生。 （2）散射衰減。超聲波在介質(zhì)中傳播遇到障礙物，當阻礙物的尺寸與超聲波長可相比或更小時會產(chǎn)生散射衰減。產(chǎn)生散射衰減的因素很多，總的來說是由于介質(zhì)阻抗的不連續(xù)性造成的。 （3）擴散衰減。由于聲束的擴散，隨著傳播距離的增加，波束界面愈來愈大，從而使單位面積上的能量逐漸減少。 3.2 超聲波傳感器 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的，即晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。它的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-1所示。 圖3-1 超聲換能器原理圖 超聲波發(fā)生器是一個具有

27、超聲頻率的電子振蕩器，當把振蕩器上產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲發(fā)生器的壓電晶體上時，壓電晶體部件就開始在電場的作用下產(chǎn)生縱向運動。壓電部件振動時，其振幅很小，約為（1～10）（10～103）g （3-）V為超聲波的波速，常溫下取344。 在測量距離時要求有一個遠限，原因在于接收信號時的幅值至少要大于規(guī)定的閥值（又叫臨界值）。而這個閥值取決于對信噪比的要求。信噪比，即SNR Signal to Noise Ratio ，又稱為訊噪比。它是指一個電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)中信號與噪聲的比例。因此如果想增大要測的距離，就要從兩個方面來解決，一方面盡量降低噪聲，另一方面盡可能增大發(fā)射信號的幅值。 本系統(tǒng)在測

28、距開始時，由單片機開始發(fā)出指令使超聲波發(fā)生器發(fā)出一串脈沖，與此同時單片機開啟計數(shù)器，當檢測到回波信號后，單片機又執(zhí)行中斷功能來關(guān)閉計數(shù)器，根據(jù)計數(shù)脈沖的重復(fù)周期T，得到過渡時間TL nT，nTL實際上就可變成讀出距離計數(shù)器的數(shù)碼值n。目標距離L與計數(shù)器讀數(shù)n之間的關(guān)系式為： （3-）（3-）f為計數(shù)脈沖的重復(fù)頻率，計數(shù)脈沖頻率f越高，測距精度越高[21]。 3.4 溫度對超聲波測距精度的影響 超聲波是一種聲波，故聲速C為：

29、 （3-8） 上式中為氣體的絕熱體積系數(shù)（空氣為1.4），P為氣體的氣壓（海平面為），為氣體的密度（空氣為1.29）。 對于1mol空氣，質(zhì)量為m，體積為V，則密度應(yīng)為，故 （3-9） 0℃時，空氣中C0 331.45。 對于任意溫度下，有： （3-10） 因此，超聲波在理想氣體條件下空氣中傳播速度可表示為：

30、 （3-11） 下表3-1為超聲波在不同溫度下對應(yīng)的速度： 表3-1 不同溫度下超聲波聲速表[22] 溫度（℃） -30 -20 -10 0 10 20 30 50 聲速（m/s） 313 319 325 323 338 344 349 361 由于溫度不是一個固定的值，由于它的不確定性，所以需要有一個溫度傳感系統(tǒng)來對溫度進行實時監(jiān)測，從而保證測距的精確。本設(shè)計中的溫度測量電路基于DS18B20一線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡潔，具體電路如圖3-2所示。DS18B20是美國DALLS公司推出的DS1820的替代產(chǎn)品[22]。具

31、有9、10、11和12位轉(zhuǎn)換精度，未編程時默認精度為12位，測量精度一般為0.5℃，軟件處理后可達0.1℃。溫度輸出以16位符號擴展的二進制數(shù)形式提供，低位在先，以0.0625℃/LSB形式表達。 DS18B20的引腳判斷方法是：字面朝人，從左到右分別是1（GND）2（輸入/輸出）、3（VDD）R8為上拉電阻，阻值可選為5左右[23]。 1 2 3 +5

32、 P1.7 R8 圖3-2 溫度測量電路 4 AT89C51單片機介紹 4.1 89C51單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點 4.1.1單片機基本結(jié)構(gòu)框圖介紹[24] 圖4-1所示為89C51帶閃存（Flash ROM） 圖4-1 89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖 89C51單片機芯片內(nèi)包括： 一個8位的80C51微處理器（CPU）256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果

33、以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 片內(nèi)4KB程序存儲器Flash ROM,用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。 4個8位并行I/O端口P0～P316位的定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制。 具有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。 一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信。 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許振蕩頻率為24MHz。 89C51單片機與8051相比，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式

34、及掉電方式。 4.2 89C51單片機引腳及功能 圖4-2為89C51的引腳圖，是雙列直插封裝（DIP） 圖4-2 89C51單片機引腳圖 1、電源引腳VCC和VSS VCC（40腳）：電源端，為+5V。 VSS 20腳 ：接地端。 2、外界晶體引腳XTAL1和XTAL2 XTAL2（18腳）：接外接晶體和微調(diào)電容的一端。 XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。 3、控制信號引腳RST、ALE、和 RST（9腳）：RST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。 ALE（30腳）：地址鎖存允許信號端。 29腳 ：程序存儲器允許輸出信號端。

35、 31腳 ：外部程序存儲器地址允許輸入端。 4、輸入/輸出端口P0、P1、P2、P3 P0端口（P0.0～P0.7，39~32腳）：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。 P1端口（P1.0～P1.7）：P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。 P2端口（P2.0～P2.7）：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。 P3端口（P3.0～P3.7）：P3是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在89C51中，P3端口還用于一些復(fù)用功能。其復(fù)用功能如表4-1所示。 表4-1 P3端口引腳與復(fù)用功能表 端口引腳 復(fù)用功能 P3.0 RXD（串行輸入口

36、） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0 外部中斷0 P3.3 INT1 外部中斷1 P3.4 T0（定時器0的外部輸入） P3.5 T1（定時器1的外部輸入） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 5系統(tǒng)的硬件設(shè)計 5.1 主要器件選擇和介紹 1、4 圖5-1 七段數(shù)字顯示器發(fā)光段組合圖 （a）分段布置圖 （b）段組合圖 共陽極電路中，七個發(fā)光二極管的陽極連在一

37、起接高電平，需要某一段發(fā)光，就將相應(yīng)二極管的陽極接低電平。如圖5-2所示為二極管顯示器共陽極等效電路[25]。 a b c d e f g 圖5-2 二極管共陽極顯示器等效電路 2、74LS244緩沖器、NPN三極管8550 74LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動器。74LS244沒有鎖存的功能。地址鎖存器就是一個暫存器，它根據(jù)控制信號的狀態(tài)，將總線上地址代碼暫存起來。8086/8088數(shù)據(jù)和地址總線采用分時復(fù)用操作方法，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂?。它主要?/p>

38、于三態(tài)輸出，作為地址驅(qū)動器，時鐘驅(qū)動器和總線驅(qū)動器，定向發(fā)送器等。其真值表如表5-1所示。 表5-1 74LS244真值表 輸入 輸出 G A Y L L L L H H H X Z 三極管由兩個PN結(jié)的三層半導(dǎo)體制成的。中間是一塊N型半導(dǎo)體。從三塊半導(dǎo)體上各自接出的一根引線就是BJT的三個電極，它們分別叫做發(fā)射極e、基

39、極b和集電極c，對應(yīng)的每塊半導(dǎo)體稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)[26]。圖5-3為NPN型BJT的示意圖和表示符號。 C集電極 c N 集電區(qū) 集電結(jié) B基極 P基區(qū) b N發(fā)射區(qū) 發(fā)射結(jié) E發(fā)射極 e

40、 a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 表示符號 圖5-3 NPN型BJT的示意圖和表示符號 3、集成電路CX20106A芯片 CX20106A是一款由日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號接收集成芯片。CX20106A通過外部所接電阻，可以將內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0設(shè)置成40 kHz，那么就能接收放大的超聲波電信號，整形后輸出負脈沖電壓。圖5-4為CX20106A的結(jié)構(gòu)框圖。 圖5-4 CX20106A芯片結(jié)構(gòu)框圖 4、 DS18B20 DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量16位符號擴展的

41、二進制補碼讀數(shù)形式提供 圖5-6 超聲波發(fā)射電路 2、超聲波檢測接收電路設(shè)計 超聲波檢測接收電路中，我用到了集成電路CX20106A芯片，CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片。因為紅外線遙控常用的載波頻率38KHz與本次測距的超聲波頻率40KHz接近，所以可用它制作超聲波檢測接收電路。超聲波檢測接收電路如圖5-7所示。 圖5-7 超聲波檢測接收電路 5.3顯示電路、溫度補償及報警電路設(shè)計 1、顯示電路設(shè)計 本設(shè)計中的單片機選用的型號是AT89C51單片機，該單片機的芯片特性和引腳功能已在論文的前面作了詳細的介紹。單片機的復(fù)位操作有兩種方式即上電自動復(fù)位和按

42、鍵手動復(fù)位[24]。本設(shè)計采用上電自動復(fù)位，它是在加電瞬間電容通過充電來實現(xiàn)的，其電路如圖5-8所示。 VCC VCC C + 22μF TST/VPD R 1 VSS 圖5-8為自動復(fù)位 在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。只要電源VCC的上升時間不超過1，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。關(guān)于參數(shù)的選定，在振蕩穩(wěn)定后應(yīng)保證復(fù)位高電平持續(xù)時間

43、（即正脈沖寬度）大于2個機器周期。當采用晶體頻率為6MHZ時，可取C 22，R 1;當采用晶體為12MHZ時可取C 10，R 8.2。根據(jù)本次設(shè)計的實際情況，取C 20，R 10。 單片機用P1.0端口輸出超聲傳感器所需要的40KHZ的方波信號，通過利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。本設(shè)計的顯示電路用了4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用NPN三極管8550驅(qū)動。該單片機系統(tǒng)及顯示電路如圖5-9所示。 圖5-9 單片機及顯示系統(tǒng)電路圖 2、溫度補償電路及系統(tǒng)報警電路設(shè)計 DS18B20溫

44、度傳感器將被測環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成帶符號的數(shù)字信號（以十六位補碼形式，占兩個字節(jié)），溫度補償電路如圖5-10所示。 圖5-10溫度補償電路 系統(tǒng)報警電路是由一個運算放大器、一個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器組成。R19 1，R18 10，此次的運算放大器采用F007芯片，兩級放大電路均是負反饋的接法，而反相比例運算電路中，輸入信號從反相輸入端輸入，同時輸入端接地。系統(tǒng)報警電路如圖5-11所示。 圖5-11 系統(tǒng)報警電路6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 6.1 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法是公認的面向過程編程應(yīng)遵循的基本方法和原則。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法主要包括：1、只采用三種基本的程序控制結(jié)構(gòu)來編制程序，從而

45、使程序具有良好的結(jié)構(gòu)；2、程序設(shè)計自頂而下；3、用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計流程圖表示算法。 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的總體思想是采用模塊化結(jié)構(gòu)，自上而下，逐步求精。即首先把一個復(fù)雜的大問題分解為一些單獨的小問題。在設(shè)計時若小問題還是難以解決，那么可以繼續(xù)把剛才分的小問題繼續(xù)不斷的分解，直到使這些問題能直接用程序的三種基本結(jié)構(gòu)法表達為止。然后，針對各小問題來編輯程序模塊，最后把解決的模塊再重新組合在一起。這就是自上而下的程序設(shè)計方法。 一個優(yōu)秀的程序編寫者應(yīng)該有良好的程序設(shè)計風(fēng)格，而擁有一個良好的程序設(shè)計風(fēng)格就要注意以下幾點： 1 語句形式化。程序語言是標準的形式化語言，要做到準確，無二義性。所以，形

46、式呆板、內(nèi)容活潑一直是軟件行業(yè)的風(fēng)范； 2 程序一致性。保持程序中的各部分風(fēng)格一致，文檔格式一致； 3 結(jié)構(gòu)規(guī)范化。程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、甚至軟件的體系結(jié)構(gòu)要符合結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計原則； 4 適當使用注釋。注釋是幫助程序員理解程序，提高程序可讀性的重要手段，對某段程序或某行程序可適當加上注釋； 5 標識符貼近實際。程序中數(shù)據(jù)、變量和函數(shù)等的命名原則是：選擇有實際意義標識符，以易于識別和理解。 6.2 超聲波測距儀的軟件規(guī)劃 超聲波測距儀的程序主要包括以下幾個功能模塊： DS18B20溫度傳感器模塊，分為初始化子程序、寫入子程序及讀取子程序等部分； 距離計算模塊，分為超

47、聲波發(fā)射控制程序、接收處理子程序及距離計算子程序部分； 主模塊，分為系統(tǒng)的初始化及各子程序調(diào)度管理部分。圖6-1為各程序模塊功能及相互關(guān)系。 圖6-1 各程序模塊功能及相互關(guān)系 本次設(shè)計中控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。因為匯編語言它容易精確計算程序運行時間且有很高的效率，而C語言則有利于一些復(fù)雜的算法編寫。 6.3主程序及其流程圖 系統(tǒng)上電后，初始化單片機中各寄存器，使單片機AT89C51中的定時/計數(shù)器T0裝入65ms的計數(shù)值。定時/計數(shù)器T0的數(shù)初值為TH0 00H，TL0 00H。安裝汽車尾部的超聲波收發(fā)裝置，當定時/計數(shù)

48、器T0產(chǎn)生65ms中斷時，單片機的P1.0口經(jīng)定時器T1產(chǎn)生一個40KHZ的超聲波脈沖，此時計數(shù)器T0開始計數(shù)，當單片機的外部中斷腳P3.2端口接收到了發(fā)射脈沖的反射波時T0計數(shù)器便停止計時，通過單片機中的距離計算程序和溫度檢測程序來計算障礙物與超聲波測距器的距離，系統(tǒng)中以障礙物與汽車之間3m的距離為報警信號，當距離小于3m時，啟動聲光報警，同時LED數(shù)碼顯示管顯示汽車與障礙物的距離圖6-2為主程序流程圖。 圖 6-2 主程序流程圖 部分程序代碼: INTT0: Clr tr0 Mov th0, #00h

49、 Mov tl0, #00h Setb et1 Setb ea Setb tr0 ;啟動計數(shù)器t0，用以計算超聲來回時間 Setb tr1 ;開啟發(fā)超聲波用定時器t1 OUT: retI ;t1中斷，發(fā)超聲波用 INTT1: JNB TF1， $ ;T1沒有溢出等待

50、CLR TF1 ;產(chǎn)生溢出，清標志位 cpl VOUT ;P1.0取反輸出一個完整的40KHz的超聲波 Djnz r4, retiVOUT ;發(fā)送4個超聲波脈沖 Clr tr1 ;超聲波發(fā)送完畢，關(guān)t1 Clr et1 Mov r4, #04h ;超聲波脈沖個數(shù)控制 Set

51、b ex0 ;開啟接收回波中斷 RETIOUT: reti ;外中斷0，收到回波時進入 PINT0: clr tr0 ;關(guān)計數(shù)器 Clr tr1 Clr et1 Clr ea Clr ex0 Setb 20h

52、 ;接收成功標志 Reti 6.4 溫度檢測電路 溫度接收電路主要是針對開始測距時，我們首先要對DS18B20的接口進行程序設(shè)計，DS18B20的一線工作協(xié)議流程為，初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作順序包括：初始化時序、寫時序和讀時序。 1.DS18B20初始化 DS18B20初始化是使得DS18B20復(fù)位，主要通過判斷存在脈沖的形式來實現(xiàn)。首先主機發(fā)復(fù)位脈沖，即寬度范圍是的負脈沖，拉高以延時等待，然后通過輸入/輸出線讀存在脈沖，如果返回的是低電平則說明存在，復(fù)位成功。 DS18

53、B20_RST: CLR WDIO ;發(fā)復(fù)位信號 MOV R7, #33 ;延時500 LCALL DELAY15US SETB WDIO ;恢復(fù) MOV R7, #4 ;等待60 LCALL DELAY15US CLR EXIST ;清存在標志 JB WDIO, DS18B20_RS

54、T_0 ; 1，則不存在，跳轉(zhuǎn) SETB EXIST ;存在，則置位標志 MOV R7, #28 ;數(shù)據(jù)線持續(xù)低電平420 LCALL DELAY15US DS18B20_RST_0: RET 字節(jié)寫DS18B20程序 字節(jié)寫為拉低輸入/輸出線至少15以作為起始信號，接著芯片按從低位到高位順序取出欲寫字節(jié)中的1位數(shù)據(jù)，寫入輸入/輸出線中，延時等待15后再將輸入/輸出線拉高作為停止信號，以等待下一位寫入。 DS18B20_WRITE:

55、 CLR C MOV R1, #8 ;1字節(jié)8位 DS18B20_WR_1: CLR WDIO ;產(chǎn)生寫信號 MOV R7, #1 LCALL DELAY15US RRC A ;取出待寫位 MOV WDIO, C ;寫入DS18B20 MOV R7, #1 LCALL DELAY15US SETB WDIO

56、 ;停止 NOP DJNZ R1, DS18B20_WR_1 ;1字節(jié)寫完否 SETB WDIO ;寫完后恢復(fù)返回 RET 字讀DS18B20程序 字讀DS18B20的程序設(shè)計思想為DS18B20連續(xù)讀2字節(jié)子程序，讀出值存儲在全局變量：TEMP,TEMP+1。 DS18B20_READ: CLR C MOV R1, #2 ;連讀2字節(jié) MOV R0, #TEMP ;讀數(shù)據(jù)存儲區(qū)首址 DS18B20_RD_1: M

57、OV R, #8 ;1字節(jié)8位 DS18B20_RD_2: SETB WDIO NOP NOP CLR WDIO ;產(chǎn)生讀信號 NOP NOP SETB WDIO ;準備讀入數(shù)據(jù) MOV R7, #1 ;等待15 LCALL DELAY15US MOV C, WDIO

58、;讀入數(shù)據(jù) RRC A ;右移以拼接數(shù)據(jù)字節(jié) DJNZ R2, DS18B20_RD_2 MOV @R0, A ;1字節(jié)讀完后存入相應(yīng)單元 INC R0 ;指向下一存儲單元 DJNZ R1, DS18B20_RD_1 RET ;2字節(jié)讀完后返回 4.啟動DS18B20轉(zhuǎn)換子程序： DS18B20_START:

59、 LCALL DS18B20_RST ;DS18B20復(fù)位 JNB EXIST, DS18B20_ST_0 ;DS18B20不存在則直接返回 MOV A, #0CCH ;發(fā)跳過ROM命令 LCALL DS18B20_WRITE MOV A, #44H ;發(fā)啟動轉(zhuǎn)換命令 LCALL DS18B20_WRITE DS18B20_ST_0: RET 5.DS18B20讀取溫度子程序： DS18B20_GET: LCALL DS18B20_RST

60、 ;復(fù)位 MOV A, #0CCH ;單個DS18B20，跳過多傳感器檢測 LCALL DS18B20_WRITE MOV A, #0BEH ;發(fā)讀DS18B20命令 LCALL DS18B20_WRITE LCALL DS18B20_READ ;讀取高低溫度字節(jié) RET END 以下是對DS18B20進行溫度讀取操作的流程框圖如圖6-3所示： 圖 6-3 DS18B20操作流程圖 6.5 超聲測距測量與顯示電路程序設(shè)計 超聲波測

61、距主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計器T停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值以表示此次測距不成功 N Y 圖 6-4 超聲測距流程圖 部分源程序如下： 7 超聲測距系統(tǒng)誤差分析 7.1 超聲測距誤差原因及解決方案 超聲測距中主要引起誤差的原因

62、有兩個：一個是溫度對聲速的影響從而對測距產(chǎn)生誤差；還有一個是盲區(qū)會對超聲測距產(chǎn)生影響。 1.溫度對聲速的影響及解決方法 本設(shè)計在第二章中已詳細介紹溫度對聲速的影響，從式7-1中就可知： （7-1） 式中聲速跟空氣中的溫度有關(guān)，因此實時的檢測溫度并傳送至單片機來修改測距計算中的聲速非常必要的。為此本設(shè)計中采用了DS18B20溫度傳感器來對溫度進行實時檢測來做到溫度補償。表7-1為溫度與聲速的二維關(guān)系表，它是為了方便起見，在表格中的聲速值乘以機器周期1再乘以100得到折合后的聲速值。因為機器周期為常數(shù)，因此將

63、乘法運算直接設(shè)計在表格中，避免了程序中的乘法運算。這里乘以100是從精度和運算復(fù)雜性兩者結(jié)合起來考慮，這樣既保證了2位精度，同時又能進行2字節(jié)與2字節(jié)的乘法運算。 表7-1 溫度與聲速的二維關(guān)系表 溫度℃ 聲速（m/s） 折合后的聲速 對應(yīng)的十六進制數(shù) -30 313 31300 7A44H -20 319 31900 7C9CH -10 325 32500 7EF4H 0 332 33200 81B0H 10 338 33800 8408H 20 344 34400 8660H 30 349 34900 8854H 40 355 35

64、500 8AACH 50 361 36100 8D04H 2.盲區(qū)對超聲測距的影響及解決方法 當采用車尾后中部安裝一套超聲波測距裝置時，由于超聲波覆蓋范圍有限，比如車的兩側(cè)和車尾后下方就不能被超聲波探及，這些不能被探及的地方就是盲區(qū)。正因為有盲區(qū)的存在使得超聲測距有很多不確定性。 為了解決盲區(qū)給超聲測距帶來的不良影響，我們采取的方案是在車尾中部和兩側(cè)及車尾靠下方各裝設(shè)超聲波測距器。我們把倒車測距器設(shè)計成4測量通道，實際顯示的是汽車與障礙物之間的距離是4個超聲測距器與障礙物之間的距離的最小值?？紤]到倒車測距器有4個測量通道，因而對4個探頭采用掃描工作法，工作時可以共用一個信號處理電路，從

65、而達到降低成本的目的。 總結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計由于時間和其它客觀上的原因，沒有做出實物。但是我想它對設(shè)計卻是一個非常好的理論基礎(chǔ)。此設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距器能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量車尾與障礙物的距離，以數(shù)字LED的形式顯示測量距離并在危險距離時發(fā)出聲光報警。 超聲波測距的原理是利用超聲波發(fā)射和，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出距離。 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路超聲波檢測接收電路部分。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動段碼用74LS244驅(qū)動。超聲波74LS04和超聲波

66、發(fā)射換能器T構(gòu)成，利用推挽方式將方波信號加到超聲波換能器上，可以有效地提高超聲波的發(fā)射強度。 超聲波檢測接收電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片。因為紅外遙控常用的載波頻率為38KHz與測距的超聲波頻率40KHz很接近，所以這次選用它作為超聲波的接收芯片。 超聲波測距的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序顯示子程序組成。超聲波測距主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。 參考文獻 [1] 張維剛.汽車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)[D].湖南大學(xué)博士學(xué)位論文，2002年10月. [2] 雷正保.汽車縱向碰撞控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論與方法[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2000. [3] 中國機械工程學(xué)會.超聲波檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005. [4] 馬義德，李伯年，申建軍.汽車防撞系統(tǒng)研究[J].刑警與科技,2004 7 . [5] 奠石鎂.超聲波測距在汽車倒車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].人工智能及識別技術(shù), 2007. [6] 紀壽文等.國內(nèi)外智能車輛研究進