【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 波信號(hào)，并通過放大電路（如 74LS04）驅(qū)動(dòng)換能器開始工作，發(fā)出超聲波，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0 開始計(jì)時(shí)， 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(hào)傳到單片機(jī)，定時(shí)中斷，得到發(fā)射與接收的時(shí)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(shí)間差 ） 在程序中計(jì)算出距離，最后通過 顯示器把距離顯示 出來 ，或發(fā)出警報(bào) 。 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。 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(jì)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(chǔ)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(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。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。空閑模式下， 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。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(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 發(fā)射電路及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路有兩 種比較 實(shí)用 的設(shè)計(jì)方案，一種是應(yīng)用 555 定時(shí)器產(chǎn)生 40KHz的振蕩信號(hào)，然后通過 555 定時(shí)器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作產(chǎn)生超聲波信號(hào)；另外一種是應(yīng)用單片機(jī)產(chǎn)生 40KHZ 的方波信號(hào)然后通過驅(qū)動(dòng)輸入超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào)，本設(shè)計(jì)是應(yīng)用第二種方案。 接收電路的設(shè)計(jì) 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(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。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(diǎn)，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(diǎn)陣圖形來顯示字符的液晶顯示器。 報(bào)警模塊 考慮到本次課題設(shè)計(jì)的目的是以學(xué)習(xí)為主，因此報(bào)警模塊由小喇叭與 LED 指示燈構(gòu)成。 設(shè)計(jì)方案的論證 超聲波換能器的選擇 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 53 頁 超聲波探測(cè)技術(shù)主要用于中程測(cè)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(jí)。本設(shè)計(jì)選用氣相、窄波束、 40KHz 的超聲波換能器。 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。 反 射時(shí)間法其原理是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物發(fā)射回波的時(shí)間來測(cè)量距離，對(duì)于距離較短和要求不 高 的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測(cè)量回波時(shí)間 T 利用 S=V (T/2)(其中 S 為被測(cè)距離、 V為空氣中聲速、 T 為回波時(shí)間（ T=T1+T2）計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過設(shè)置“時(shí)間門”來加以克服，因此這種方法非常適合較遠(yuǎn)距 離的測(cè)距，如果對(duì)聲速進(jìn)行溫度修訂，其精度還可進(jìn)一步提高，本設(shè)計(jì)中選用 第二種 方法。 超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)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(dòng)有兩種比較通過用的設(shè)計(jì)方案，一種是應(yīng)用 555 定時(shí)器產(chǎn)生 40KHz 的振蕩信號(hào)，然后通過 555 定時(shí)器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作產(chǎn)生超聲波信號(hào)；另外一種是應(yīng)用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生 40KHZ 的方波信號(hào)然后通過驅(qū)動(dòng)輸入超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào)，因第二種方法方案較簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)是應(yīng)用第二種方案。 顯示器的選擇 方案一：使用多個(gè)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(jì)也比較容易，價(jià)格相對(duì)較便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是由于它工作時(shí)電流 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(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。而且液晶顯示功耗低，體積小。 綜上考慮，本設(shè)計(jì)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(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。 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(jì)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(jì)的技術(shù)指標(biāo) （ 1） 汽車 行 駛 時(shí)，若汽車與障礙物的距離≤ 1m 時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲音，若汽車與障礙物的距離≤ ，剎車制動(dòng)，剎車指示燈亮； （ 2） 可自動(dòng)解除報(bào)警或手動(dòng)強(qiáng)制解除報(bào)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(shí)，可顯示實(shí)際距離； 3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(bào)警部分為受控模塊，它們共同組成為超聲波測(cè)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(hào)。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(hào)傳到 CX20206A 中，當(dāng)CX20206A 芯片接收到超聲波信號(hào)后會(huì)在第 7 腳產(chǎn)生一個(gè)低電平的下降脈沖，利用外部中斷 0 口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)，軟件中通過記錄發(fā)射與接收的時(shí)間差計(jì) 基于 51單片機(jī)的簡(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(bào)等功能。 核心處理器 STC89C52 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(chǎng)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(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。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(zhǎng)。一般來 說，選擇單片機(jī)需要考慮以下幾個(gè)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(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)。對(duì)于程序存儲(chǔ)器來說， Flash 存儲(chǔ)器和 OTP（一次性 可 編程）存儲(chǔ)器相比較，最好是 Flash 存儲(chǔ)器。 (4)芯片的 封裝形式。如 DIP（雙列直插）封裝， PLCC（ PLCC 有對(duì)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(jí)、軍 工 級(jí)還是商業(yè)級(jí)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用 工 業(yè)級(jí)。 (6)芯片的功耗。比如設(shè)計(jì)并 口 加密狗時(shí)，信號(hào)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(jià)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(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)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(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。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)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(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 為了產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，在 8052 內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)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(shí)鐘發(fā)生器的 輸入端。當(dāng)使用自激 振 蕩方式時(shí)， 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(shí)鐘信號(hào)。 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。 3. 復(fù)位 RST 第 9 腳 在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)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(jiǎn)易汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 53 頁 1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)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(shí)，芯片為 ROM的 0000H 處開始運(yùn)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(dòng)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(gè) 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(shí)， P0 口能以吸收電流的 方式 驅(qū)動(dòng)八個(gè) LSTTL負(fù)載電路。通 常在使用時(shí)外接上拉電阻，用 來驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。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。 PinlPin8 為 P1. 輸入輸出腳，稱為 Pl 口，是一個(gè)帶內(nèi)部上 拉電阻的 8 位雙向I/O 口 。 P1 口 能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。通常在使用時(shí)外 不 需要外接 上拉電阻，就可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。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。 對(duì)于輸出功能，在單片機(jī) 工作時(shí)，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(gè)腳輸出高電平。 Pin21Pin28 為 輸入輸 出 腳，稱為 P2 口，是一個(gè)帶內(nèi)部上 拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ， P2 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。端 口 置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉