【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 早的產(chǎn)品是用蜂鳴器報(bào)警 ,蜂鳴聲越急 ,表示車(chē)輛離障礙物越近， 后 繼的產(chǎn)品可以顯示車(chē)后障礙物離車(chē)體的距離。汽車(chē)防撞雷達(dá)之所以能實(shí)現(xiàn)防撞報(bào)警功能 。 汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)的探頭 主要安裝于前后保險(xiǎn)杠上 ，根據(jù) 汽車(chē)的 不同價(jià)格和品牌，探頭有二、三、四、六、八、十、十二只不等 。 其中 探頭能夠以最大水平120 度垂直 70 度范圍輻射，上下左右搜尋目標(biāo)。 一般的汽車(chē) 擋位桿掛入倒擋時(shí)，倒車(chē)?yán)走_(dá)自動(dòng)開(kāi)始工作， 超聲波這把無(wú)形尺子 能夠 測(cè)量 到那些低于 保險(xiǎn)杠 而司機(jī)從后窗難以看見(jiàn)的障礙物 （ 如花壇、路肩、蹲在車(chē)后玩耍的小孩等 ） ，并 顯示距離與 報(bào)警 。 圖 22 汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)示意圖（后 4 個(gè)探頭） 基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 本 設(shè)計(jì)介 紹的超聲測(cè)距系統(tǒng)共有 2 只超聲波換能器 ( 俗稱(chēng)探頭 ) , 假設(shè) 分別布置在汽車(chē)的后左、后右 2 個(gè)位置上。能檢測(cè)倒車(chē)方向障礙物距離 顯示范圍為～ , 當(dāng)距離小于 2 米時(shí) 發(fā)出一定的聲響 , 起到提示和警戒的作用。 本系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)對(duì)兩路超聲波信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集 ，已達(dá)到上述效果 。 超聲波傳感器的介紹 超聲波傳感器介紹 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的 超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。 由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱(chēng)也有不同 ， 目前常用的超聲傳感器有電聲型與流體動(dòng)力型 兩 大類(lèi) 。電聲型主要有： 壓電傳感器、 磁致伸縮傳感器、 靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類(lèi)型的哨笛。 壓電傳感器 是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電 能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分， 其 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （如圖 23）由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。 其中，壓電晶片是傳感器的核心 等組成。 ， 當(dāng) 在 壓 電晶片 上加有大小和方向不斷變化的交流電壓 （或者脈沖） 時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī) 械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。同理 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振 蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波； 反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。 錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及 錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 23壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)， 改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。， 用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器的特性 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性， 這里以 TR 系列的 超聲波傳感器的特性為例加以說(shuō)明 （ 1） 頻率特性 4 04 3聲 壓 能 級(jí)T / R 4 0 1 6 A T / R 1 8 AT / R 4 0 2 4 A 3 74 0 4 3靈 敏 度 T / R 4 0 1 6 AT / R 4 0 1 8 AT / R 4 0 2 4 A a) b) 圖 24超聲波傳感器的 頻率特性圖 (a) 超聲波傳感器的聲壓能級(jí) (b) 超聲波傳感器的靈敏度 圖 24 是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度。 如圖（ a） 所示 40KHz 處為超聲波發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40KHz 處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)在 40KHz 處所產(chǎn)生 的超聲聲壓能級(jí)最高 ,而在 40KHz 兩側(cè)，基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 聲壓能級(jí)迅速衰減。其頻率特性 （ b） 所示 , 可見(jiàn) 40KHz 處 其 靈敏度最高 。 因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 40KHz 的電壓 （或者脈沖） 來(lái)激勵(lì)。 另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類(lèi)似。曲線在40KHz（ 波長(zhǎng) λ = ） 處最尖銳，輸出電信號(hào)的振幅最大，即在 40KHz 處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R也有很大關(guān)系，如果 R很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在 這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果 R較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時(shí)靈敏度 也 隨之降低 ， 并且最大靈敏 度 向稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。 (2)指向特性 實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩器，輻射出一個(gè)半球而波（子波），這些子波沒(méi)有指向性。但離開(kāi)超聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)， 聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為 40度到 80 度，本設(shè)計(jì)要求傳感器的指向角為 75 度。圖 25是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性及結(jié)構(gòu)。 1 0 2 0 3 0 1 0 0 d B 3 0 2 0 1 06 03 00 d e c3 06 0 圖 25 超聲波傳感器指向特性 超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路 和超聲波發(fā)射電路兩個(gè)部分，探頭（ 超聲波換能器）選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(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)后基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū) 動(dòng)電流 100mA 以上的驅(qū)動(dòng)電路。第二種方法是利用超聲波專(zhuān)業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，但缺點(diǎn)是靈活性低。本設(shè)計(jì)采用第二種方法產(chǎn)生 40KHZ 的 超聲波發(fā)射信號(hào) 。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 要求 此 系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足以下要求 ： 1） 基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá) 系統(tǒng) 2） 具有為單片機(jī)提供工作的電源及指示 3） 顯示障礙物離汽車(chē)的距離 （ 10 米內(nèi)） 4） 距離小于指定值時(shí) （小于 2米） ，系統(tǒng) 發(fā)出聲音 預(yù)警 信號(hào) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 本 設(shè)計(jì)的應(yīng)用背 景是基于 型號(hào)為 AT89C51 的 單片機(jī)發(fā) 出 40KHz 的超聲波 信號(hào)， 超聲波 信號(hào) 經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器 的探頭發(fā)射，當(dāng)遇到障礙物時(shí)則反射信號(hào)， 超聲波接收器 探頭 將接收到的 反射回來(lái) 信號(hào)經(jīng)放大器放大 和濾波，送入單片機(jī)并 啟動(dòng)機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間 差 ，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。若測(cè)得距離小于事先設(shè)定的數(shù)值，則發(fā)出聲音預(yù)警。 其系統(tǒng)原理圖如圖 31 所示： 基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 31系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)系統(tǒng)介紹 AT89C51 單片機(jī) 介 紹 （ 1） AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位 微處理器 ，俗稱(chēng) 單片機(jī) 。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié) 閃存可編程可擦除 只讀存儲(chǔ) 器 的 單片機(jī) 。 單片機(jī) 的可擦除 只讀存儲(chǔ)器 可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器 制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍 存儲(chǔ)器 組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C51 單片機(jī) 為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51 主要由微處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 、程序存儲(chǔ)器（ ROM） 、并行 I/O 口、串口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器（ SFR）組成。其結(jié)構(gòu)圖如 32 所示： 基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 32 AT89C51 結(jié)構(gòu)圖 （ 2）主要特性 1) 與 MCS51 兼容 2） 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器 3） 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 6） 三級(jí) 程序存儲(chǔ)器 鎖 定 7） 1288 位內(nèi)部 RAM 8） 32 個(gè) 編程 I/O線 9） 兩個(gè) 16位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 10） 5個(gè) 中斷源 11） 可編程串行通道 12） 低功耗的閑置和掉電模式 13） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （ 3）引腳及功能 圖 33 AT89C51 引腳排列 AT89C51 單片機(jī)為 40腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其引腳排列順序及引腳符號(hào)基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 如圖 33 所示。 各引腳功能如下： 1） 電源及接地 GND:電源接地端。 Vcc:供電電壓即正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)時(shí)為 +5V電源 (士 10%)。 2） 時(shí)鐘及復(fù)位信號(hào) XTAL1:是片內(nèi)振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入 端 。當(dāng)采用外部振蕩器為時(shí)鐘源時(shí)，此腳必須接地。 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。使用外部振蕩器時(shí)，可 由此腳引入外部時(shí)鐘信號(hào)。 RST:復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。若此輸入端保持 2 個(gè)機(jī)器周期（ 24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）以上的高電平，即可以將 89C51 完成復(fù)位操作。此外， RST 引腳的第二功能是 VPD，即備用電源的輸入端。當(dāng)主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)將 +5v 電源接入 RST端，為 RAM 提供備用電源，以保證存儲(chǔ)在 RAM 中的信息不丟失，以使復(fù)電后能繼續(xù)正常運(yùn)行。 3） 地址鎖存允許 /編程信號(hào)端 ALE/PROG:當(dāng) 89C51 上電正常工作后， ALE管腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的六分 之一。 CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，此信號(hào)作為鎖存地址總線的低 8 位地址的控制信號(hào)。因此 ALE 信號(hào)可以對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。 ALE端的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為 8 個(gè) LS 型 TTL。 4）程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)端 PSEN———— ： 在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此管腳接 EPROM 的 OE 端， PSEN 端有效，即允許讀出 EPROM/ROM 中的指令碼。當(dāng) CPU 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，要產(chǎn)生兩次 PSEN 負(fù)脈沖信號(hào)， 當(dāng) CPU 訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN 不跳變。此端驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL。 5） 外部程序存儲(chǔ)器地址通話(huà)輸入端 /固化編程電壓輸入端 EA—— /VPP:當(dāng) EA 端接高電平時(shí)， CPU 只訪問(wèn)片內(nèi) EPROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令，但在 PC的值超過(guò) 0FFFH 時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng) EA端接低電平時(shí)，則 CPU只訪問(wèn)外部 EPROM 并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。此管腳的第二功 能 Vpp是對(duì) 89c51 片內(nèi)基于單片機(jī)的汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) XX 工業(yè)學(xué)院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 EPROM 固化編程時(shí)，作為施加較高編程電壓的輸入端。 6） 輸入 /輸出端口 I/O 端口引腳： I/O 端口 P0～ P3（地址為 80H， 90H， A0H， B0H），且 P0～P3為四個(gè) 8位特殊功能寄存器，分別為四個(gè)并行 I/O 端口的鎖存器。它們都有字節(jié)地址，每一個(gè)端口鎖存器還有位地址，所以每一條 I/O線獨(dú)立地用做輸入或輸出時(shí)，數(shù)據(jù)可以鎖存；作輸入時(shí)，數(shù)據(jù)可以緩沖。 P0 口 ：