【文章內(nèi)容簡介】 波信號，并通過放大電路（如 74LS04）驅(qū)動換能器開始工作，發(fā)出超聲波，同時單片機(jī)內(nèi)部的定時器 T0 開始計時， 超聲波 遇到障礙物 反 射后返回， 然后通過芯片（如 CX20206A）把接收到的信號傳到單片機(jī)，定時中斷，得到發(fā)射與接收的時間差，利用公式 S=V*T/2（ V 為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的速度， 為 。T 為發(fā)射與接收的時間差 ） 在程序中計算出距離，最后通過 顯示器把距離顯示 出來 ，或發(fā)出警報 。 此距離隨時顯示在汽車駕駛室內(nèi)，軟件可以設(shè)置幾級提示和報警，當(dāng)車障之間距離小于安全距離時，設(shè)置在駕駛室的聲光報警儀即發(fā)出聲光信號，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。 系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 圖 21 超聲波汽車防撞 系統(tǒng) 框圖 核心處理器 STC89C52 本次設(shè)計采用了常見的 STC89C52 單片機(jī)為核心處理器。 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方 案。STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM,32 位 I/0 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、 基于 51單片機(jī)的簡易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計 第 5 頁 共 53 頁 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，知道下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 發(fā)射電路及驅(qū)動設(shè)計 超聲波發(fā)射電路有兩 種比較 實用 的設(shè)計方案，一種是應(yīng)用 555 定時器產(chǎn)生 40KHz的振蕩信號，然后通過 555 定時器驅(qū)動超聲波換能器工作產(chǎn)生超聲波信號；另外一種是應(yīng)用單片機(jī)產(chǎn)生 40KHZ 的方波信號然后通過驅(qū)動輸入超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號，本設(shè)計是應(yīng)用第二種方案。 接收電路的設(shè)計 參考紅外轉(zhuǎn)化接受期刊的電路采用集成電路 CX20206A，這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?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz與測距超聲波頻率 40KHZ 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。從各方面信息了解到其具 有很高的靈敏性和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變外圍電容的大小，可改變接收電路的靈敏性和抗干擾能力。 顯示器模塊 液晶顯示器以其微功耗、體積小，顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功率應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本課題采用的是字符型液晶模塊，這是一種用 5x7 點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器。 報警模塊 考慮到本次課題設(shè)計的目的是以學(xué)習(xí)為主，因此報警模塊由小喇叭與 LED 指示燈構(gòu)成。 設(shè)計方案的論證 超聲波換能器的選擇 基于 51單片機(jī)的簡易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計 第 6 頁 共 53 頁 超聲波探測技術(shù)主要用于中程測距 、結(jié)構(gòu)探傷、智能控制等領(lǐng)域，超聲波 換能 器 是其核心器件，換能器按其工作介質(zhì)分為氣相、液相和固相換能器； 按其發(fā)射束寬度可分為寬波束和窄波束換能器；按其工作頻率又可分為 38KHz、 40KHz 等不同等級。本設(shè)計選用氣相、窄波束、 40KHz 的超聲波換能器。 超聲波測距法的選擇 當(dāng)利用超聲波探測器測距時常用兩種方法 ： 強(qiáng)度法和反射時間法，強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測量被測物的距離，被測物越遠(yuǎn)其反射信號越弱，根據(jù)反射信號的強(qiáng)弱就可以知道被測物 的 遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時由于換能器之間的直接耦合信號很難 消除，在放大器增益較高時這一直接耦合信號就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效，由于直接耦合信號的影響強(qiáng)度法測距只使用與較短距離的且精度要求不高的場合。 反 射時間法其原理是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物發(fā)射回波的時間來測量距離，對于距離較短和要求不 高 的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間 T 利用 S=V (T/2)(其中 S 為被測距離、 V為空氣中聲速、 T 為回波時間（ T=T1+T2）計算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設(shè)置“時間門”來加以克服，因此這種方法非常適合較遠(yuǎn)距 離的測距，如果對聲速進(jìn)行溫度修訂，其精度還可進(jìn)一步提高，本設(shè)計中選用 第二種 方法。 超聲波發(fā)射電路驅(qū)動的選擇 超聲波傳感器一般要在 40KHZ 才能得到最大的震蕩，超聲波才能傳的更遠(yuǎn) 。 超聲波發(fā)射電路驅(qū)動有兩種比較通過用的設(shè)計方案，一種是應(yīng)用 555 定時器產(chǎn)生 40KHz 的振蕩信號，然后通過 555 定時器驅(qū)動超聲波換能器工作產(chǎn)生超聲波信號；另外一種是應(yīng)用單片機(jī)定時器產(chǎn)生 40KHZ 的方波信號然后通過驅(qū)動輸入超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號，因第二種方法方案較簡單，本設(shè)計是應(yīng)用第二種方案。 顯示器的選擇 方案一：使用多個數(shù)碼管顯示。 LED 數(shù)碼管是利用二極管發(fā)光顯示數(shù)字和字母，具有亮度大，接口設(shè)計也比較容易，價格相對較便宜等優(yōu)點。但是由于它工作時電流 基于 51單片機(jī)的簡易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計 第 7 頁 共 53 頁 較大，顯示的信息量有限。 方案二：采用液晶顯示。液晶特別是具有字符顯示功能的液晶顯示器，來實現(xiàn)顯示功能，不僅可以實現(xiàn)基本的顯示信息，而且可以顯示豐富的符號指示信息，信息量豐富且直觀易懂。而且液晶顯示功耗低，體積小。 綜上考慮，本設(shè)計采用方案二，使用 LCD1602 來顯示。 數(shù)據(jù)通信方式的選擇 數(shù)據(jù)通信方式可分為兩種：并行傳送和串行傳送。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，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。 PC 機(jī)的串口采用的是標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 接口，由于 STC89C52 單片機(jī)的串行口電平是TTL 電平，但是 TTL 電平特性與 RS232 的電平特性不匹配，因此為了使 STC89C52 單片機(jī)的串口能與 RS232 接口通信，必須將串行口的輸入 /輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。因此本設(shè)計可以選用集成電平芯片 MAX232 為 RS232C/TTL 電平轉(zhuǎn)換芯片。 該課題設(shè)計的技術(shù)指標(biāo) （ 1） 汽車 行 駛 時，若汽車與障礙物的距離≤ 1m 時，發(fā)出報警聲音，若汽車與障礙物的距離≤ ，剎車制動，剎車指示燈亮； （ 2） 可自動解除報警或手動強(qiáng)制解除報警； （ 3） 采用 LCD 液晶顯示，當(dāng)汽車與障礙物的距離在 6m內(nèi)時，可顯示實際距離； 3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 本系統(tǒng)主要是 應(yīng)用 STC89C52 單片機(jī)為主控制器，以超聲波發(fā)射部分，接收部分，LCD 顯示部分，報警部分為受控模塊，它們共同組成為超聲波測距系統(tǒng)。 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。再由超聲波收發(fā)一體發(fā)出去，遇到障礙物后同樣 通過超聲波收發(fā)一體接收信號傳到 CX20206A 中，當(dāng)CX20206A 芯片接收到超聲波信號后會在第 7 腳產(chǎn)生一個低電平的下降脈沖，利用外部中斷 0 口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號，軟件中通過記錄發(fā)射與接收的時間差計 基于 51單片機(jī)的簡易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計 第 8 頁 共 53 頁 算出距離 S=CT/2，最后在 LCD 上顯示出距離和警報等功能。 核心處理器 STC89C52 在系統(tǒng)的設(shè)計中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能 否成功完成設(shè)計任 務(wù)的 關(guān)鍵，而作為控制系統(tǒng)核心的單片機(jī)的選擇更是重中之重 。 目 前各半導(dǎo)體公司、 電氣商都向市場上推出了形形色色的單片機(jī)，并提供了 良好的開發(fā)環(huán)境 。選擇好合適的單片機(jī)可以最大地簡化單片機(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)的競爭力。目 前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而 且 在性能方 面也各有所長。一般來 說，選擇單片機(jī)需要考慮以下幾個方面： (1)單片機(jī)的基本性能參數(shù)。例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量， I/O 引腳數(shù)量等。 (2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門狗、多指針、 雙 串口等。 (3)單片機(jī)的存儲介質(zhì)。對于程序存儲器來說， Flash 存儲器和 OTP（一次性 可 編程）存儲器相比較，最好是 Flash 存儲器。 (4)芯片的 封裝形式。如 DIP（雙列直插）封裝， PLCC（ PLCC 有對應(yīng) 插座）封裝及表面貼附等。 (5)芯片 工作溫度范圍 符合工業(yè)級、軍 工 級還是商業(yè)級。如果設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用 工 業(yè)級。 (6)芯片的功耗。比如設(shè)計并 口 加密狗時，信號線取電只 能提供幾 mA 的電流，選用STC 單片機(jī)就是 因 為它能滿足低功耗的要求。 (7)供貨渠道是否暢通、價格是否低廉。 (8)技術(shù)支持網(wǎng)站的速度如何，資料是否豐 富。包括芯片手冊，應(yīng)用指南，設(shè)計方案，范例程序等。 (9)芯片保密性能好、單片機(jī)的抗干擾性能好。 STC89 系列單片機(jī)是 MCS51 系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品。它在指令系統(tǒng)、硬件 結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上 與標(biāo)準(zhǔn) 8052 單片機(jī)完全兼容， DIP40 封裝系列 與 8051 為 pintopin 兼容。STC89 系列單片機(jī)高速 (最高時鐘頻率 90MHz)，低功耗，在系統(tǒng)／在應(yīng)用可編程 (ISP，IAP)，不占用戶資源。根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，選擇 STC89C52 單片機(jī) ，單片機(jī) (STC89C52)的引腳功能圖 31 基于 51單片機(jī)的簡易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計 第 9 頁 共 53 頁 圖 31 STC98C52 引腳圖 單片機(jī)的引腳功能說明： 1． 電源引腳 Vcc 第 40 腳 正電源腳， 工作電壓為 5V。 GND 第 20 腳 接地端 2. 時鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 為了產(chǎn)生時鐘信號，在 8052 內(nèi)部設(shè)置了一個反相放大器， XTAL1 是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端， XTAL2 是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的 輸入端。當(dāng)使用自激 振 蕩方式時， XTAL1 和 XTAL2 外接石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩，就產(chǎn)生時鐘信號。 產(chǎn)生時鐘信號電路如圖 32： 圖 32 時鐘信號電路 本系統(tǒng)使用的石英晶振頻率為 12MHz。 3. 復(fù)位 RST 第 9 腳 在振蕩器運行時，有兩個機(jī)器周期（ 24 個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個腳保持高電平， 52 芯片變循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后 P0— P3 口均置 基于 51單片機(jī)的簡易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計 第 10 頁 共 53 頁 1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為 ROM的 0000H 處開始運行程序。 常用的復(fù)位電路如下圖所示。 圖 33 復(fù)位電路圖 本系統(tǒng) 復(fù)位電路是手動復(fù)位電路 ， 如圖 34： 圖 34 復(fù)位電路圖 4. 輸入輸出（ I/0）引腳 Pin39Pin32 為 輸入輸 出 腳，稱為 P0 口 ，是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O口。內(nèi)部不帶上拉電阻，當(dāng)外接上拉電阻時， P0 口能以吸收電流的 方式 驅(qū)動八個 LSTTL負(fù)載電路。通 常在使用時外接上拉電阻，用 來驅(qū)動多個數(shù)碼管。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口 是分時轉(zhuǎn)換的地址（低 8 位）／數(shù)據(jù)總線，不需要外接上拉電阻。 PinlPin8 為 P1. 輸入輸出腳，稱為 Pl 口，是一個帶內(nèi)部上 拉電阻的 8 位雙向I/O 口 。 P1 口 能驅(qū)動 4 個 LSTTL 負(fù)載。通常在使用時外 不 需要外接 上拉電阻，就可以直接驅(qū)動發(fā)光二極管。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 對于輸出功能，在單片機(jī) 工作時，我們可以通過用 指令控制單片機(jī)的引腳輸 出高電平或者 低電平。如： 指令 CLR，清零的意 思。 CLR ：讓單片機(jī)從第一腳輸出低電平。指令 SETB，置 1 的意思。 SETB ；讓單片機(jī)從第一個腳輸出高電平。 Pin21Pin28 為 輸入輸 出 腳，稱為 P2 口，是一個帶內(nèi)部上 拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ， P2 口能驅(qū)動 4 個 LSTTL 負(fù)載。端 口 置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉