【正文】 √ 學(xué) 生 姓 名： 李立佩 學(xué) 號(hào)： 0703022123 班 級(jí)： 07 電子信息工程本科 專業(yè)（全稱）： 電子信息工程 系 別： 計(jì)算機(jī)與電氣信息工程 系 指 導(dǎo) 教 師： 龍諾春 2020 年 5 月 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 本文介紹的就是利用超聲波測(cè)距法設(shè)計(jì)的一種 簡(jiǎn)易汽 車防撞系統(tǒng)。論文概述了超聲波檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。 ultrasonic wave。但在公路發(fā)展、交通管理卻相對(duì)落后，導(dǎo)致了交通事故與日俱增，城市里尤其突出。從傳統(tǒng)上說，汽車的安全可以分為兩個(gè)主要研究方向：一是主動(dòng)式安全技術(shù)，即防止事故的發(fā)生，該種方式是目前汽車安全研究領(lǐng)域的最終目的；二是被動(dòng)式安全技術(shù)，即事故發(fā)生后的乘員保護(hù)。它安裝在汽車上，能探測(cè)企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物；能向司機(jī)及乘客提前發(fā)出即將發(fā)生 撞車危險(xiǎn)的信號(hào)，促使司機(jī)采取應(yīng)急措施來應(yīng)付特殊險(xiǎn)情，避免損失。奔馳汽車公司對(duì)各類交通事故的研究表明：若駕駛員能夠提早 1S 意識(shí)到有事故危險(xiǎn)并采取相應(yīng)的正確措施，則絕大多數(shù)的交通事故都可以避免。其較早的產(chǎn)品是用蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器越急，表示車輛離障礙物越近。汽車防撞雷達(dá)之所以能實(shí)現(xiàn)防撞報(bào)警功能，主要有超聲波這把無形尺子，它測(cè)量最近障礙物的距離，并告訴給車主。系統(tǒng)采用一片 STC89C52單片機(jī)對(duì)兩路超聲波信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè) 距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長距離測(cè)量。 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收，以測(cè)量汽車與障礙物的距離。 此距離隨時(shí)顯示在汽車駕駛室內(nèi)，軟件可以設(shè)置幾級(jí)提示和報(bào)警，當(dāng)車障之間距離小于安全距離時(shí)，設(shè)置在駕駛室的聲光報(bào)警儀即發(fā)出聲光信號(hào)，通知駕駛員謹(jǐn)慎操作，從而有效地防止碰撞事故發(fā)生，保證人身及設(shè)備的安全。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 53 頁 中斷繼續(xù)工作?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz與測(cè)距超聲波頻率 40KHZ 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。本課題采用的是字符型液晶模塊，這是一種用 5x7 點(diǎn)陣圖形來顯示字符的液晶顯示器。 超聲波測(cè)距法的選擇 當(dāng)利用超聲波探測(cè)器測(cè)距時(shí)常用兩種方法 ： 強(qiáng)度法和反射時(shí)間法，強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測(cè)量被測(cè)物的距離，被測(cè)物越遠(yuǎn)其反射信號(hào)越弱，根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱就可以知道被測(cè)物 的 遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時(shí)由于換能器之間的直接耦合信號(hào)很難 消除，在放大器增益較高時(shí)這一直接耦合信號(hào)就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效，由于直接耦合信號(hào)的影響強(qiáng)度法測(cè)距只使用與較短距離的且精度要求不高的場(chǎng)合。 顯示器的選擇 方案一：使用多個(gè)數(shù)碼管顯示。液晶特別是具有字符顯示功能的液晶顯示器，來實(shí)現(xiàn)顯示功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的顯示信息，而且可以顯示豐富的符號(hào)指示信息，信息量豐富且直觀易懂。并行傳送速度快， 效率高，但傳送可靠性差，不適合遠(yuǎn)距離傳送；串行傳送數(shù)據(jù)按位順序移動(dòng)，速度較慢，效率偏低，但傳送效率可靠，可以節(jié)省通信子系統(tǒng)的硬件投資。 系統(tǒng)主要通過單片機(jī)輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的 40KHZ 方波信號(hào)。選擇好合適的單片機(jī)可以最大地簡(jiǎn)化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，而且功能優(yōu)異，可靠性好，成本低廉，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 (2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能。 (4)芯片的 封裝形式。 (6)芯片的功耗。包括芯片手冊(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序等。STC89 系列單片機(jī)高速 (最高時(shí)鐘頻率 90MHz)，低功耗，在系統(tǒng)／在應(yīng)用可編程 (ISP，IAP)，不占用戶資源。 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)電路如圖 32： 圖 32 時(shí)鐘信號(hào)電路 本系統(tǒng)使用的石英晶振頻率為 12MHz。 常用的復(fù)位電路如下圖所示。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口 是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址（低 8 位）／數(shù)據(jù)總線，不需要外接上拉電阻。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。指令 SETB，置 1 的意思。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高 8 位地址和控制信息。端口置1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 5．其它的控制或復(fù)用引腳 (1) ALE/PROG 30 訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）的輸出用 于鎖 存地址的低位字節(jié)。當(dāng) STC89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令或常數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期輸出 2個(gè)脈沖即兩次有效。要使 STC89C52 只訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH） ,這時(shí)該引腳必須保持低電平。當(dāng)它的兩電極加脈沖信號(hào)（觸發(fā)脈沖），若其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相臨兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)，以使前后金屬蓋板與同一極性的電極相連，否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的的增大，兩芯片之間，芯片與金屬蓋板間通常以薄黃銅片（厚度小于 ） ，作為焊接電極引線；芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠膠合，在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。超聲波基本應(yīng)用電路主要分為三類： (1)直射型，主要用于遙控及報(bào)警電路 (2)分離反射型，主要用于測(cè)距，料位測(cè)量等電路 (3)反射型，主要用于材料的探傷，測(cè)厚電路 鑒于成本的考慮，選用了普通的 T/R40 系列的超聲波發(fā)射 /接收傳感器。經(jīng)過參考前人的經(jīng)驗(yàn)以及調(diào)試時(shí)的實(shí)際情況， 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 53 頁 應(yīng)保持超聲波發(fā)射頭 和接收頭中心軸線平行并相距 48cm 即可。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)生器 Send_CSB 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40KHZ 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器 U2A 后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器 U2D,U2E 后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。 接收電路的設(shè)計(jì) 集成電路 CX20206A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用 于 電視機(jī)紅外遙控接收器。 CX20206A 的基本性能如下 ： (1)電源電壓典型值 5V，最 大 17V。 (5)輸入阻抗為 27k； (6)濾波器中心頻率 f0 為 30～ 60KHz。 3 C2 檢波電容連接端，該端與地接檢波電容，電容量大，則為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動(dòng)大。 8 VDD 電源正端，接 +5V CX20206A 該 IC 內(nèi)部主要包括前置放大器 ， 限幅放大， 帶通濾波，峰值檢波， 積 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 53 頁 分濾波及波形整形電路等。然后，信號(hào)進(jìn)入限幅放大器， 可 以濾除雜亂的寄生調(diào)幅和其他干擾，輸 出 包絡(luò)脈沖頂部平直的編碼脈沖調(diào)幅 波。然后信號(hào)進(jìn)入峰值檢波器，對(duì)編碼脈沖的 調(diào)幅波進(jìn)行振幅檢波，解調(diào)出數(shù)字編碼脈沖信號(hào)， 3 腳外接電容是 峰值檢波器的濾波電容。而實(shí)用的波形整形電路是積分電路和施密特比較器組成的電路。從而得到超聲波的回波時(shí) 間 t． 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 53 頁 圖 38 聲波接收電路 顯示報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 顯示模塊 液晶顯示器以其微功耗、體秘小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛 的應(yīng)用。 其芯片引腳功能如表 33 所示 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 53 頁 表 33 LCD1602 引腳功能 引腳號(hào) 符號(hào) 狀態(tài) 功能 1 VSS 電源地 2 VDD +5V邏輯電源 3 V0 液晶驅(qū)動(dòng)電源 4 RS 輸入 寄存器選擇 1：數(shù)據(jù) 0: 指令 5 R/W 輸入 讀，寫操作選擇 1： 讀 0： 指令 6 E 輸入 使能信號(hào) 7 DB0 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 (LSB) 8 DB1 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 9 DB2 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 10 DB3 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 11 DB4 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 12 DB5 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 13 DB6 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 14 DB7 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 15 E1 輸入 MDLS40466 上兩行使能信號(hào) 16 E2 輸入 MDLS40466 下兩行使能信號(hào) LCD1602 指令集 1，清屏 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 53 頁 運(yùn)行時(shí)間（ 250KHZ） : 功能：清 DDRAM 和 AC 值。 4，顯示開關(guān)控制 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 1 D C B 運(yùn)行時(shí)間（ 250KHZ） :40uS 功能 :設(shè)置顯示，光標(biāo)及閃爍開，關(guān)。畫面平移一個(gè)字符位； S/C=0。 6，功能設(shè)置 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 DL N F * * 運(yùn)動(dòng)時(shí)間（ 250KHZ） :40Us 功能：工作方式設(shè)置（初始化指令）。 8， DDRAM 地址設(shè)置 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 運(yùn)行時(shí)間（ 250KHZ） :40Us 功能：設(shè)置 DDRAM 地址。 其中： BF=1：忙； BF=0：準(zhǔn)備好。 11，讀數(shù)據(jù) RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 1 數(shù) 據(jù) 運(yùn) 行時(shí)間（ 250KHZ） :40Us 功能：根據(jù)最近設(shè)置的地址性質(zhì)，從 DDRAM 或 CGRAM 數(shù)據(jù)讀出。由 6腳和 4 只 電容構(gòu)成。 其中 13腳 (R1IN)、 12腳 (R1OUT)、 11 腳 (T1IV)、 14 腳 (T10UT)為第 一 數(shù)據(jù)通道。 15 腳 GND、 16 腳 VCC (+5V)。 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 53 頁 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0工 作模式為 16位定時(shí)計(jì) 數(shù)器模式。我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具 有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí) 間 ，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí) 間 （超聲波測(cè)距時(shí)），所以 控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。在啟動(dòng)發(fā)射電路的 同 時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利 用定時(shí)器的計(jì)數(shù) 功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三 方向 超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷子程序主要完成時(shí)間值的讀取、 距離計(jì)算 、結(jié)果的輸出等工作。 //外部中斷 0與定時(shí)計(jì)數(shù)器 0 初始化函數(shù) clear_LCD()。