【正文】 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本課題主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易的倒車(chē)測(cè)距報(bào)警器， 應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)位置監(jiān)控與報(bào)警。該報(bào)警器主要包括控制模塊、測(cè)距模塊、聲音模塊、距離顯示模塊、電源模塊 五個(gè)部分，控制模塊和測(cè)距模塊是本設(shè)計(jì)的核心，下面我們將從這兩個(gè)個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行論證與選擇。 設(shè)計(jì)方案論證 控制模塊 隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中都會(huì)面臨核心控制元件選擇的困惑，對(duì)于絕大部分的控制任務(wù)來(lái)說(shuō)。無(wú)論是采用單片機(jī)還是 PLC都能完成方案設(shè)計(jì)，但最終選擇還是要根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求來(lái)定。 （ 1）可編程邏輯控制器（ PLC） PLC 發(fā)展初期主要用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，隨著 PLC 技術(shù)的進(jìn)步，它的應(yīng)用領(lǐng)域在擴(kuò)大，不僅可以用于開(kāi)關(guān)量控制，還可用于模擬量及數(shù)字量的而控制，可采集與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、通訊等，如今， PLC 已成為工業(yè)控制中核心元器件之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是功能完善，穩(wěn)定性高抗干擾能力強(qiáng)，擴(kuò)展性好，硬件維護(hù)方便，編程簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是價(jià)格較高，體積較大。 （ 2）單片機(jī) 單片機(jī)與 PLC 本質(zhì)是相同的，它們的發(fā)展都是基于微處理技術(shù)，而 PLC 實(shí)際上是建立在單片機(jī)之上的一種產(chǎn)品，而單片機(jī)實(shí)際上是一個(gè)集成電路，體積相對(duì)較小，成本低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的主控板受軟件布局、環(huán)境溫度、制板工藝等影響，穩(wěn)定性和抗干擾性相對(duì)較弱。 對(duì)比這兩種核心控制元件，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)本課題設(shè)計(jì)任務(wù) ，汽車(chē)倒車(chē)報(bào)警裝置體積要小，這樣便于攜帶、安裝、不占用汽車(chē)空間，顯然由于 PLC體積大的特點(diǎn)而不符合設(shè)計(jì)要求，因此本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)作為核心控制元件。 測(cè)距模塊 （ 1） 激光測(cè)距 激光由于其本質(zhì)性的成因使得激光具有亮度高、單色性好、方向性好、傳光性好等特點(diǎn)，而激光測(cè)距則利用激光的方向性強(qiáng)和傳光性好的特點(diǎn)，用脈沖激光揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 器向目標(biāo)發(fā)射一列很窄的光脈沖 (脈沖寬度小于 50ns)，光達(dá)到目標(biāo)表面后部分被反射，通過(guò)測(cè)量光脈沖從發(fā)射到返回接收機(jī)的時(shí)間，可算出測(cè)距地點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離。 假設(shè)所測(cè)距離為 h，光 脈沖往返時(shí)間為 t，光在空中的的傳播速度為 c，則： h=ct/2，脈沖激光測(cè)距最大測(cè)距也能達(dá)到 30000m 以上，其測(cè)距精度一般為5 米， .最高的可達(dá) 。由于激光對(duì)人體存在安全問(wèn)題，而且制作的難度大成本也比較高，主要在軍事上用于對(duì)各種非合作目標(biāo)的測(cè)距 ,也可在氣象上用于測(cè)定能見(jiàn)度和云層高度 .以及應(yīng)用在對(duì)人造衛(wèi)星的精密距離測(cè)量等領(lǐng)域。 （ 2） 紅外線測(cè)距 紅外線測(cè)距原理是紅外光遇到障礙物會(huì)反射回來(lái)，而反射回來(lái)紅光的強(qiáng)弱由距離而定，距離越遠(yuǎn)，紅光強(qiáng)度越弱， 根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)能夠進(jìn)行障礙物距離遠(yuǎn)近的測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉 ，使用安全，制作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)就是測(cè)量精度低，方向性也差，測(cè)量距離近。 （ 3）超聲波測(cè)距 超聲波是一種超出人類聽(tīng)覺(jué)極限的聲波即其振動(dòng)頻率高于 16kHz的機(jī)械波。超聲波測(cè)距就是將電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉(zhuǎn)化的超聲波發(fā)射出去，當(dāng)接收超聲波時(shí)，超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn)化的電壓回送到控制芯片。超聲波具有振動(dòng)頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小而且方向性好還能夠?yàn)榉瓷渚€定向傳播等優(yōu)點(diǎn)，在中、長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，超聲波測(cè)量的精度和方向性都要大大優(yōu)于紅外線測(cè)量。從安全性，成本、方向性等方面綜合考慮，超聲波傳感器更適 合設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)對(duì)以上三種測(cè)距方法的比較，很明顯激光傳感器是比較理想的選擇，但是它的價(jià)格卻比較高，而且安全度不夠高。因此在一般測(cè)距中不具有普遍適用性，而超聲波測(cè)距具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較短的響應(yīng)時(shí)間，在精度和方向性上都優(yōu)于紅外測(cè)距，因此本方案的距離測(cè)量部件選用超聲波測(cè)距模塊。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)方案的論證與選擇，本設(shè)計(jì)以單片機(jī) AT89C51 為控制核心，外圍配置超聲波發(fā)射接收模塊、聲音提示模塊、距離顯示模塊、電源模塊四部分。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖 21 所示。 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 控 制 器M C U超 聲 波 驅(qū) 動(dòng) 模塊 / 電 聲 換 能超 聲 波 接 收 模塊 / 聲 電 換 能信 號(hào) 調(diào) 理信 號(hào) 調(diào) 理障 礙 物距 離顯 示 模 塊聲 音提 示 模 塊時(shí) 鐘 電 路復(fù) 位 電 路電 源 模 塊 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖 其中，超聲波發(fā)射模塊選用軟件發(fā)生超聲波法，利用軟件產(chǎn)生 40kHz 的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。超聲波接收模塊包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。探頭變換后的正弦波電信號(hào)經(jīng)放大電路放大并進(jìn)行波形變換 。 聲音提示模塊采用蜂鳴器報(bào)警電路，倒車(chē)時(shí)，車(chē)尾與障礙物之間距離小于所設(shè)定的安全值時(shí)，發(fā)出蜂鳴聲提醒駕駛員。鑒于 LED 數(shù)碼管顯示簡(jiǎn)潔、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，距離顯示模塊采用4 位 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51 為控制器，時(shí)鐘電路、手動(dòng)復(fù)位電路、電源和控制器一起構(gòu)成主控電路。利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生超聲波的周期方波信號(hào)，經(jīng)單片機(jī) 口輸出，通過(guò)信號(hào)調(diào)理和換能電路后發(fā)出超聲波。利用單片機(jī)中斷口 接收回波信號(hào)，計(jì)算時(shí)間差并換算距離信息。距離顯示電路采用 4 位 LED 數(shù)碼管顯示，單片機(jī)的 P2 口的高四位提供數(shù)碼管的位選信號(hào)，P0 口作為數(shù)碼管的段碼；聲音提示電路采用蜂鳴器報(bào)警，由單片機(jī)的 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警電路發(fā)出提示聲音。 系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)以 AT89C51 為核心，配置時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路，構(gòu)成系統(tǒng)主控電路。具體主控電路如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)主控電路圖 單片機(jī) AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 AT89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。空閑模式 下， CPU停止工作，允許 RAM、揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。而且，它還具有一個(gè)看門(mén)狗（ WDT）定時(shí) /計(jì)數(shù)器，如果程序沒(méi)有正常工作，就會(huì)強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時(shí)候，讓單片機(jī)復(fù)位而不用整個(gè)系統(tǒng)斷電，從而保護(hù)外圍硬件電路。 AT89C51有 40個(gè)引腳， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2個(gè)全雙工串行通信口，片上 Flash允許程序存儲(chǔ)器 在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。其芯片引腳示意圖如圖 32所示。 圖 32 AT89C51引腳示意圖 主要引腳功能介紹如下： P0口 ： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門(mén)流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必 須被拉高。 P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 出 4TTL門(mén)電流。 P1口管腳寫(xiě)入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P2口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè) TTL門(mén)電流，當(dāng) P2口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口 當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) TTL門(mén)電流。當(dāng) P3口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51的一些特 殊功能口，具體功能如表 31所示。 表 31 P3口引腳功能表 P3口引腳 第二功能 RXD（串行口輸入） TXD（串行口輸出） INT0（外部中斷 0輸入） INT1（外部中斷 1輸入） T0（定時(shí)器 0外部脈沖輸入） T1（定時(shí)器 1外部脈沖輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)脈沖輸出） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖輸出） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 本系統(tǒng)采用內(nèi) 部振蕩 方式， 在 AT89C51 引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振 )或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 具體系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖 33 所示。 圖 33 時(shí)鐘電路 復(fù)位電 路 復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。本系統(tǒng)采用手動(dòng)復(fù)位方式，具體電路如圖 34所示。系統(tǒng)上電時(shí)， RC 電路開(kāi)始充電，因?yàn)殡娙蓦妷翰荒芡蛔儯?RST端的電位接近 Vcc，以后 RST 端的電位將隨電容充電而逐漸下降。只要 RST 端出現(xiàn)的正脈沖時(shí)間保持在 10ms 以上，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。工作過(guò)程中，需要手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下按鈕時(shí)，電容瞬間完成放電， Vcc 的 +5V 電平就會(huì)直接加到RST 端，完成系統(tǒng)復(fù)位。 圖 34 復(fù)位電路圖 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 超聲波發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路主要 由 74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的第一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高發(fā)射強(qiáng)度。具體電路圖如圖 35 所示。 1 2U 4 A7 4 L S 0 4+5V C C3 4U 4 B7 4 L S 0 45 6U 4 C7 4 L S 0 411 10U 4 E7 4 L S 0 49 8U 4 D7 4 L S 0 41KR 1 01KR 1 1T C T 4 0 1 0 F 1S P E A K E RP 1 .0 圖 35 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) 超聲波接收電路主要由 CX20206A 和超聲波換能器構(gòu)成， CX20206A 是一款紅外的專用芯片，考慮到紅外遙控常用的載波頻 38K與測(cè)距的超聲波頻率 40KHz較為接近，故利用它制作超 聲波檢測(cè)接收電路，具體電路圖如圖 36 所示。 22 0KR 1210 KR 1310R 14C733 0P FC40. 05 6 uFRT C T 40 10 S 1V C C2 3 4 6178 5U5C X 2 01 6 0AP + C 63. 3u F+ C 51u F 圖 36 超聲波接收電路 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 測(cè)距顯示電路的設(shè)計(jì) LED 數(shù)碼管簡(jiǎn)介 LED 數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽(yáng)極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽(yáng)極相連接的二極管組成；另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽(yáng)極相連接的二極管組成。共陰極 LED 數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱為位選端），因此稱為共陰極 LED 數(shù)碼顯示器， 8 個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱為段選段，當(dāng)顯示器的公共端接低電平，某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極接高電平時(shí)，該發(fā)光二極管被 點(diǎn)亮；共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陽(yáng)極連接在一起，形成該模塊的公共端，因此稱為共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼顯示器， 8 個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱為段選