【正文】 高，而方案二，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，體積小，安裝簡(jiǎn)易，成本低等特點(diǎn)，本19系統(tǒng)采用的是第二種方案作為控制系統(tǒng)。四、顯示報(bào)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使用 LED 發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于安裝，成本只要幾元，但給出只是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 CRT 監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD 液晶屏，其成本在幾十元到百元不等。（一）數(shù)碼管方案一：LCD 液晶顯示器。LCD 液晶顯示器是利用光的偏振現(xiàn)象來顯示的。既能顯示簡(jiǎn)單的字符，也能顯示各種復(fù)雜的圖形和自定義的字符，因此應(yīng)用比較廣泛。LCD 液晶器具有本身不發(fā)光，靠反射或者透射其他光源的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有功耗小，可靠性高，壽命長(zhǎng)，體積小，電源簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，非常適合于嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備和掌上設(shè)備的使用。方案二：LED 顯示器是由 LED 發(fā)光二極管發(fā)展過來的一種顯示器件，是發(fā)光二極管的改型。LED 是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱，是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的設(shè)備。本身也是一種光源。LED 顯示器是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有：耗電少、使用壽命長(zhǎng)、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。簡(jiǎn)單地說，LCD 與 LED 是兩種不同的顯示技術(shù)，LCD 是由液態(tài)晶體組成的顯示屏，而 LED 則是由發(fā)光二極管組成的顯示屏。但是，LED 顯示器與 LCD 顯示器相比，LED 在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢(shì)。所以本設(shè)計(jì)采用方案二。（二）顯示方式方案一：靜態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。該方式每一位都需要一個(gè)8位輸出口控制。靜態(tài)顯示時(shí)較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍。但當(dāng)所顯示的位數(shù)較多時(shí)，靜態(tài)顯示所需的 I/O 口太多，造成了資源的浪費(fèi)。方案二：動(dòng)態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各個(gè)位，對(duì)于顯示器的每一位來說,每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也20與點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示，動(dòng)態(tài)顯示節(jié)省了 I/O 口,降低了能耗。本設(shè)計(jì)從節(jié)省 I/O 口和降低能耗出發(fā)，采用方案二。（三）報(bào)警方式報(bào)警信號(hào)通常有三種類型：一是閃光報(bào)警，因?yàn)殚W動(dòng)的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報(bào)警，發(fā)出特定的音響，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強(qiáng)警覺；三是語音報(bào)警，不僅能起到報(bào)警作用，還能直接給出警報(bào)種類的信息。1．閃光報(bào)警閃光報(bào)警是最簡(jiǎn)單，也是最常用的一種報(bào)警方式。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的閃光報(bào)警就是在控制指示燈的程序中加入定時(shí)程序，按一定的時(shí)間間隔來交替點(diǎn)亮與熄滅指示燈。閃光報(bào)警在硬件連接上非常簡(jiǎn)單，通?？衫?AT89C52 的 I/O 口直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，如圖 33 所示。圖 33 閃光報(bào)警電路2．鳴音報(bào)警實(shí)現(xiàn)鳴音報(bào)警的接口電路也比較簡(jiǎn)單，其發(fā)音元件通常可采用壓電蜂鳴器，當(dāng)在蜂鳴器兩引腳上加 3～15V 直流工作電壓，就能產(chǎn)生 3kHZ 左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗電少,更適于在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。壓電式蜂鳴器，約需10mA 的驅(qū)動(dòng)電流，可在某端口接上一只三極管和電阻組成的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)，如圖 34 所示。21在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警功能，首先在存儲(chǔ)器中要有語音的數(shù)據(jù)塊，然后根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，把在語音采集系統(tǒng)中獲得的語音數(shù)據(jù)可控制、可重組的實(shí)時(shí)恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)語音報(bào)讀或緊急狀態(tài)的語音報(bào)警功能。綜上所述，閃光報(bào)警裝置硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件編程方便，但它只作用于人的視覺器官，有一定的局限性，有時(shí)并不能引起人的警覺；語音報(bào)警雖然警報(bào)信息較直接，但硬件成本高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，軟件量也增加；而鳴音報(bào)警電路，簡(jiǎn)單實(shí)用，能滿足音響報(bào)警的一般需要。所以，本設(shè)計(jì)采用鳴音報(bào)警電路。報(bào)警裝置采用的是有源蜂鳴器，根據(jù)距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報(bào)警，以提示駕駛員。圖 34 鳴音報(bào)警電路五、復(fù)位電路方案設(shè)計(jì)單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期)以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。（一）上電復(fù)位上電復(fù)位電路如圖 35 所示，只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一個(gè)電容至 Vcc 端，下接一個(gè)電阻到地即可。對(duì)于 CMOS 型單片機(jī)，由于在 RST 端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至 1181。F。上電復(fù)位的工作過程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vcc對(duì)電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。22為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST 端的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。上電時(shí),Vcc 的上升時(shí)間約為 10ms，而振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時(shí)間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時(shí)間則為 10ms。在圖 35 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會(huì)使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下，但是,由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器 PC 將得不到一個(gè)合適的初值，因此， CPU 可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。圖 35 上電復(fù)位電路（二）手動(dòng)復(fù)位圖 36 手動(dòng)復(fù)位電路手動(dòng)復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平（圖 36）。一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的+5V 電平就會(huì)直接加到 RST 端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如圖所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)復(fù)位電路。六、時(shí)鐘電路方案設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生 MCS51 單片機(jī)工作所必需的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘電路有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種方式。23（一）內(nèi)部時(shí)鐘方式8052 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。圖 37 是 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘方式的振蕩器電路。圖 37 片內(nèi)時(shí)鐘電路外接晶體以及電容 和 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外1C2接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度穩(wěn)定性。外接晶體時(shí)， 和 的值通常選擇為1C230pF 左右；外接陶瓷諧振器時(shí)， 和 的典型值約為 47pF。MCS51 單片機(jī)常選12擇振蕩頻率為 6MHz 或 12MHz 的石英晶體。（二）外部時(shí)鐘方式外部時(shí)鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號(hào)，常用于多片 MCS51 單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。對(duì)外部脈沖信號(hào)只要求高電平持續(xù)時(shí)間大于 20181。s，一般為低于 12MHz的方波。這時(shí)，外部振蕩器的信號(hào)接至 XTAL2，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端XTAL1 應(yīng)接地，如圖 38。由于 XTAL2 端的邏輯電平不是 TTL 的，故建議接一個(gè)上拉電阻。24圖 38 外部時(shí)鐘電路本設(shè)計(jì)只采用一片單片機(jī)，所以采用片內(nèi)時(shí)鐘電路。25第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可視倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)汽車尾部到障礙物之間的距離測(cè)量。硬件設(shè)計(jì)包括測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)(超聲波發(fā)射接收系統(tǒng))、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊構(gòu)成；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要對(duì)AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要對(duì)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、蜂鳴器和動(dòng)態(tài)顯示電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試，具體放在論文第5章中介紹。第一節(jié) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以8052系列的AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開發(fā)超聲波測(cè)距系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4l所示。圖41 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖41為系統(tǒng)硬件原理圖。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示報(bào)警電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。整個(gè)系統(tǒng)由微處理器控制，根據(jù)“回波測(cè)距”原理設(shè)計(jì)。由超聲波的發(fā)射電路發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播至障礙物后發(fā)生反射，反射的回波經(jīng)空氣傳播給超聲波接收換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)濾波、放大、整形后,輸入到微處理器的外部中斷口1NT0處產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，測(cè)出從超聲波發(fā)射脈沖串時(shí)刻到接收回波信號(hào)時(shí)刻的差，超聲波在同溫同介質(zhì)中的傳播速度由測(cè)溫系統(tǒng)得知，將時(shí)刻差與聲速相乘，得出距離，并顯示。它的各部分電路的說明如下。障礙物發(fā)射傳感器接收電路接收傳感器發(fā)射電路 單片機(jī)報(bào)警電路顯示電路26(1)AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)是核心部分，主要任務(wù)有：發(fā)出40KHz的脈沖信號(hào)，使其頻率與超聲波發(fā)射器的固有頻率相同，使換能器能最大效率工作；T0計(jì)時(shí)；完成測(cè)距數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理軟件干擾。(2)超聲波發(fā)射電路作用是將40KHz 的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器，發(fā)射超聲波。(3)超聲波接收電路主要包括微弱信號(hào)放大，電壓比較中斷信號(hào)輸出等部分。它是用來對(duì)接收到的回波進(jìn)行放大和整形，即將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號(hào)。(4)通過顯示電路將測(cè)距結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示出來。(5)報(bào)警電路。當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于安全距離時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。第二節(jié) 測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、超聲波測(cè)距原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離 S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表41列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是倒車防撞系統(tǒng)測(cè)距部分的機(jī)理。表41 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（m/s ） 313 319 325 323 338 344 349 386二、測(cè)量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而27且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。壓電晶片電極板共振板圖42 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)三、超聲波發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)發(fā)射電路的實(shí)現(xiàn)目的為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號(hào)。依據(jù)電路需要，發(fā)射電路滿足下列要求：(1)驅(qū)動(dòng)能力較高；(2)I/O口控制。當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號(hào)頻率與其固有頻率為同一頻率時(shí)，發(fā)生共振，電信號(hào)電能能高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械聲波的機(jī)械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識(shí)的固有頻率是40KHz，實(shí)際有偏差，如40177。 。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 43 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器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)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻 RR11 一方面可以提高反相器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。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)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)射器；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28壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。圖 43 超聲波發(fā)射電路原理圖四、超聲波檢測(cè)接收電路圖44 超聲波檢測(cè)接收電路超聲波接收部分采用集成芯片CX20226A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱