【正文】 是 超聲波 測(cè)距 模塊 ，其他相關(guān)模塊都是在測(cè)距的基礎(chǔ)上拓展起來(lái)的 ，測(cè)距模塊是利用超聲波傳感器，之后選擇合適單片機(jī)芯片，以下就是從相關(guān)方面來(lái)論述 的 。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量 的 距離遠(yuǎn)、速度快、測(cè)量 精確 度高 、量程 范圍 大 ，缺點(diǎn)是 對(duì) 人體 存在 安全 問(wèn)題 ， 而且 制作 的 難度大成本 也比較 高 [3]。其優(yōu)點(diǎn)是 成本低廉 ， 使用 安全，制作 簡(jiǎn)單 ，缺點(diǎn) 就 是 測(cè)量 精度低，方向性 也 差， 測(cè)量 距離近 [3]。超聲波傳感器 在 工作 的 時(shí) 候就 是 將 電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換，當(dāng) 超聲波傳感器 發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉(zhuǎn) 化的 超聲波發(fā)射出去， 當(dāng) 接 收 超聲波時(shí)，超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn) 化的 電壓回送到 單片機(jī)控制芯片 。在中 、 長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí) ，超聲波傳感器的 精度 和 方向性都 要大大 優(yōu)于紅外線傳感器， 但 價(jià)格 也稍 貴。 根據(jù) 對(duì) 以上 三種傳感器 性能的比較， 雖然 能 明顯 看出來(lái)激光傳感器是比較理想的 選擇，但是 它的 價(jià)格 卻 比 較高， 而且安全度不夠高 。 系 統(tǒng)方案 此方案 選擇 51 單片機(jī)作為控制核心，所測(cè) 得的距離數(shù)值由 4 位 共陽(yáng)極 數(shù)碼管顯示， 與障礙物之間的不同距離利用 蜂鳴器 頻率 的不同報(bào)警聲提示，超聲波發(fā)射 信號(hào) 由51 單片機(jī) 的 口 送出 到超聲波發(fā)射電路 ， 將超聲波發(fā)送出去， 超聲波 接收 電路由CX20216A 芯片和超聲波接收探頭組成的電路 構(gòu) 成 ，報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器電路構(gòu)成。 本設(shè)計(jì)的汽車(chē)防撞裝置的 系統(tǒng) 框圖如圖 所示。在超聲波發(fā)射電路 啟動(dòng)的同 時(shí) 單片機(jī) 啟動(dòng)中斷定時(shí)器，利用其計(jì)數(shù)的功能記錄超聲波發(fā)射 超聲波 到接收到超聲波回波的時(shí)間。 結(jié)合 各方面的因素 考慮， 依據(jù) 設(shè)計(jì) 的 要求， 查閱相關(guān) 數(shù)據(jù) 資料， 選擇 了 超聲波測(cè)距傳感器 TR4016Q（其中 T 表示超聲波發(fā)射探頭， R 表示超聲波接收探頭） ，綜合考慮設(shè)計(jì)的要求出于簡(jiǎn)便角度，選用了 HCSR04 超聲波集成模塊 。更有 利于測(cè)距的準(zhǔn)確 性 。 超聲波接受器 檢波電路 51 單片機(jī) 超聲波發(fā)射器 放大電路 放大電路 報(bào)警系統(tǒng) 顯示模塊 3 硬件電路 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的 汽車(chē)防撞裝置由 51 單片機(jī)、超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、 4 位共陽(yáng)極數(shù)碼管、蜂鳴器組成。本設(shè)計(jì)的 硬件電路分為 五 部分： 單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波 發(fā)射和接收電路 、蜂鳴器報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路 。如果選擇了一個(gè) 合適的單片 機(jī) 不僅 可以最大地簡(jiǎn)化 系統(tǒng) 的 操作 ，而且 其 功能可能是最好的， 可靠性 也比較 高 ， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更方便 。 在 一般 的 情況下 來(lái)講 ， 在 選擇單片機(jī) 時(shí)要 需要考慮 的 幾個(gè)方面 有 [5]： （ 1）單片機(jī) 最 基本性能參數(shù) 指標(biāo) 。 （ 2）單片機(jī)的 某些 增強(qiáng) 的 功能。 例如： 對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，最好 選用的 是 Flash 的 存儲(chǔ)器。 封裝的形式多種多樣， 例 如 ： 雙列直插 封裝 、 PLCC 封裝及表面貼附等。 例如：在 進(jìn)行 設(shè)計(jì)戶(hù)外 的 產(chǎn)品 時(shí) ， 就 必須 要 選用工業(yè)級(jí) 的芯片 ，以達(dá)到溫度范圍的要求 。例如 ， 如果 信號(hào)線取電只能提供幾 mA 的電流， 所以為了能滿(mǎn)足低功耗的要求 這個(gè)時(shí)候 選用 STC 的 單片機(jī)是最合適的 。 （ 8） 單片機(jī) 技術(shù) 的支持網(wǎng)站如何 ， 賣(mài)家 提供的芯片 資料是否 足夠 完善， 是否包含了 用戶(hù) 手冊(cè)，設(shè)計(jì)方案 舉例 ， 相關(guān) 范例程序等。 51 系 列單片機(jī)它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源 等方面 與標(biāo)準(zhǔn) 的 52 系列的 單片機(jī) 可以 完全 的 兼容。根據(jù)本系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的實(shí)際要求 ，選擇AT89S52 單片機(jī) 做為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)使用 ， 它 是由 ATMEL 公司生產(chǎn) 的 高性能、低功耗的 CMOS 8 位單片機(jī)。 單片機(jī)的引腳功能圖 如圖 所示 。 GND（ 20 腳 ）： 接地端 。單片機(jī) 使用 的工作方式是 自激振蕩 的 方式， XTAL1 和 XTAL2 外接 的是12 MHz 的 石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率 頻率進(jìn)行 振蕩， 從而 就 可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào) 。 圖 時(shí)鐘信號(hào)電路 （ 3） 復(fù)位 RST（ 9 腳 ） 當(dāng) 振蕩器運(yùn)行時(shí)， 只要有 有兩個(gè)機(jī)器周期 即 24 個(gè)振蕩周期 以上的高電平在 這個(gè)引腳 出現(xiàn) 時(shí)， 那么 就 將 會(huì) 使單片機(jī)復(fù)位， 如果將 這個(gè) 引 腳保持高電平， 那么 51 單片機(jī) 芯片 就會(huì) 循環(huán) 不斷地進(jìn)行 復(fù)位 [5]。 本課題設(shè)計(jì) 的 單片機(jī) 復(fù)位電路如圖 所示。 P0 口在有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)將 會(huì) 被作為地址 /數(shù)據(jù)總線口，此時(shí) P0口 就 是一個(gè)真正的雙向口； 而 在沒(méi)有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也可以作為通用的 I/O接口 使用 ，但此時(shí)只 是 一個(gè)準(zhǔn)雙向口；另外， P0 口的輸出級(jí)具有驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載的能力即輸出電流不小于 800 uA[5]。 對(duì)于輸出功能，在單片機(jī)工作 的時(shí)候， 可以通過(guò)用 程序 指令控制單片 機(jī)引腳輸出高電平或 低電平 [5]。 P2 口 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 而且 P2 口具有 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL負(fù)載 的能力 [5]。 在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) ， P2 引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變 [5]。 P3 口作為通用 I/O 口接口時(shí)，第二功能輸出線為高電平。 P3 口的 第二 功能， 如表 所示 [5]。在 訪問(wèn)片外 存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許） 以每機(jī)器周期兩次進(jìn)行信號(hào)輸出，其下降沿用于控制鎖存 P0口 輸出的低 8 位地址；在不訪問(wèn)片外 存儲(chǔ)器 的 時(shí) 候 ， ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào) (此頻率是振蕩器頻率的 1/6),而在訪問(wèn)片外 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 脈沖 會(huì)跳空一個(gè) ,此時(shí) 是 不可以做為時(shí)鐘輸出 [5]。 （ b） /PSEN（ 29 腳）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平 時(shí) 有效。但 在訪問(wèn)片外 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， /PSEN 將不會(huì)有脈沖輸出 [5]。當(dāng)該引腳訪問(wèn)片外 程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng) 該 輸入 的是 低電平， 要使 89S51 只訪問(wèn)片外 程序存儲(chǔ)器 ,這時(shí)該引腳必須保持低電平； 而在 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，用于施加 Vpp 編程電壓 [5]。對(duì)于 80S51 單片機(jī)，由于片內(nèi) 已經(jīng)自帶 有 了 程序存儲(chǔ)器， 所以 只 要 單片機(jī) 外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就 可以 組成了 單片機(jī)的 最小系統(tǒng) 了 。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 原理圖 超聲波 發(fā)射 和接收 電路 設(shè)計(jì) 超聲波是一種 振動(dòng) 頻率超過(guò) 20 kHz 的機(jī)械波， 它 可以 沿直線 方向 傳播， 而且 傳播的 方向性好，傳播 的 距離 也 較遠(yuǎn)，在介質(zhì)中傳 播時(shí) 遇到 障礙物 在入射到它 的反射面上就 會(huì)產(chǎn)生反射波 [6]。 而且， 超聲波 的 測(cè)量是一種比較理想的 的非接觸式 的 測(cè)距方法 [6]。首先由 超聲波 發(fā)射 探頭 向 倒車(chē)的方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中 傳播 的途中一旦遇到障礙物后就 會(huì) 被反射回來(lái)，當(dāng)接收探頭 收到反射波后 就會(huì) 給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其 立刻停止計(jì) 時(shí) []。由于 在 常溫下 超聲波 在空氣中的傳播速度 大 約為 340 m/s[7]，所以障礙物 到發(fā)射探頭之間 的距離為： S=340t/2=170t 因?yàn)?單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上 就 是對(duì)機(jī)器周期 T的計(jì)數(shù)， 而本 設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率 fosc取 12 MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值 N，則 ： T＝ 12/fosc=1μs t=NT＝ N（ s） S＝ 170NT＝ 170N/1000000（ m） 在 程序中按 式 S＝ 170NT＝ 170N/1000000 計(jì)算距離。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而 單片機(jī) 所產(chǎn)生的 40 kHz 的方波 脈沖 需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng) 實(shí)際上 就是一個(gè)信號(hào) 的放大 電路，本設(shè)計(jì)選用 74LS04 芯片進(jìn)行信號(hào)放大， 超聲波發(fā)射 電路如圖 所示。 超聲波接收電路設(shè)計(jì) 由于超聲波在空氣中的傳播 過(guò)程中 是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么 超聲波接收電路 所接收到的超聲波信號(hào)就 會(huì) 比較微弱，因此需要 對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行 放大而且放大 的 倍數(shù)也要比較大。 CX20216A 芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制 的 功能，當(dāng)測(cè)量 的 距離 比 較 近 時(shí)，放大器不會(huì)過(guò)載；而當(dāng)測(cè)量距離 比 較遠(yuǎn)時(shí) ，超聲波信號(hào)微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。 CX20216A 芯片 電路 本身就 具有很高的抗干擾 的 能力，而且靈敏度也比較高， 所以， 能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。 圖 超聲波接收電路 HRSR04 超聲波集成模塊 HRSR04 超聲波集成模塊 是 將超聲波發(fā)射探頭 ， 超聲波接收探頭 ， CX20216A 芯片 電路 ， 74LS04 芯片 放大 電路 集成 到 的 一起的 一個(gè) 超聲波 集成 模塊。 圖 HRSR04 超聲波集成模塊正面外觀圖 HRSR04 型 超聲波集成模塊的工作電壓為 5 V，而且 此模塊的 靜態(tài)工作電 流 是 小于 2 mA 的 ，工作 時(shí)候可以 比較 穩(wěn)定 。 可以 減少了很大部分可能存在的角度干擾問(wèn)題。 HRSR04 超聲波集成模塊采用 的是 I/O 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10 us 的高電平信號(hào)。 一個(gè)控制口發(fā) 出 一個(gè) 10 us 以上的高電平 ， 就可以在接收口等待高電平輸出 。 這樣 不斷的 循環(huán) 周期測(cè) ， 就可以 在不停地移動(dòng)的過(guò)程中 測(cè)量 距離 值了 。 顯示報(bào)警模塊 設(shè)計(jì) 數(shù)碼管 顯示模塊設(shè)計(jì) 發(fā)光二極管 的縮寫(xiě) 是 LED， 在 每個(gè) 數(shù)碼管里面 都 有 8只發(fā)光二極管， 它們 分別記作 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp，其中 dp是 小數(shù)點(diǎn)，每一只發(fā)光二極管都有一根電極引到外部 的 引腳上，而另外一只 二極管的 引腳就連接在一起同樣也引到外部引腳上， 此引腳就 記作公共端 COM。共陽(yáng)極 是 數(shù)碼管里面的發(fā)光二極的陽(yáng)極接在一起作為公共引腳 即公共陽(yáng)極 ，在使用時(shí) 此 公共 引腳接 到 電源正極。 單 片機(jī)對(duì)數(shù)碼管的顯示可以分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，靜態(tài)顯示能夠穩(wěn)定地顯示數(shù)值， 但是搭建電路 時(shí) 比較煩索， 而 動(dòng)態(tài)顯示是數(shù)碼管輪流顯示再利用人眼的“視覺(jué)暫留”特性，這樣看出來(lái)的就是在顯示不同數(shù)值 [8]。 顯示模塊選用 4 位 共 陽(yáng) 極 數(shù)碼管 進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，此掃描方式 能 完全 達(dá)到顯示要求。 圖 顯示模塊 連接 電路圖 報(bào)警模塊設(shè)計(jì) 報(bào)警 模 塊通 過(guò)單片機(jī)給定不同頻率 利用 蜂鳴器發(fā)出不同聲音。 圖 報(bào)警 模塊電路圖 3． 4 系統(tǒng)整體電路 根據(jù) 本章 前面對(duì) 設(shè)計(jì)的 各個(gè)相關(guān)模塊的 分別講述 講 述， 再 結(jié)合單片機(jī)的引腳功能，從而得到 系統(tǒng)整體電 路 圖，如圖 所示。單片機(jī)的 接到 蜂鳴器報(bào)警電路，用于 蜂鳴器 測(cè)距 報(bào)警 。主程序完成 單片機(jī)的 初始化， 超聲波的 發(fā)射和接收、 計(jì)算 超聲波發(fā)射點(diǎn) 與障礙物 之間 的距離 、 數(shù)碼管顯示 和 蜂鳴器報(bào)警 等 。 主程序設(shè)計(jì) 主程序?qū)?整個(gè)單片機(jī) 系統(tǒng) 進(jìn)行 初始化后，先將超聲波 的 回波接收標(biāo)志 位 置位 并且使 單片機(jī) 輸出一個(gè)低電平 用來(lái) 啟動(dòng)超聲波發(fā)射電路，同時(shí) 將 定時(shí)器 T0啟動(dòng) ，然后調(diào)用距離 計(jì)算 的 子程序， 再 根據(jù)定時(shí)器 T0記錄的時(shí)間計(jì)算出 所需要 測(cè) 量 的 距離 ，然后再 調(diào)用顯示子程序， 再 將測(cè)出 的 距離以十進(jìn)制 的形式 送 到 數(shù)碼管 顯示，同時(shí)調(diào)用聲音處理程序 來(lái) 控制蜂鳴器 進(jìn)行 報(bào)警 。 整個(gè) 系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)的 關(guān) 鍵 是對(duì)距離 進(jìn)行 測(cè)量 的 ，然 后通過(guò)單片機(jī)來(lái)處理 測(cè)量數(shù)據(jù)是 比較容易實(shí)現(xiàn)的 ，能精確的實(shí)現(xiàn)測(cè)距 。超聲波 接收回路中的超聲波信號(hào) 一 共有兩 種 波 信號(hào) ： 第一 種 波 信號(hào)為余波信號(hào) 就是當(dāng) 發(fā)射探頭 發(fā)射出 信號(hào) 之 后 ， 超聲波接收探頭 馬上就接收到 的 超聲波信號(hào) ，實(shí)際就是超聲波的發(fā)射信號(hào) [7]； 另一 種 波 信號(hào)就是 有效信號(hào)，即經(jīng)過(guò) 障礙物 表面反射 回來(lái) 的 超聲波 回波信號(hào) [7]，也是所需要測(cè)量的距離數(shù)值。余波就是在發(fā)射超聲波時(shí) 超聲波信號(hào)直接到達(dá)接受探頭的 波 信號(hào) ， 同時(shí) 余波信號(hào)也 是 超聲波 測(cè)量時(shí) 存在測(cè)量盲區(qū)的 最 主要 的 原因 [7]。 程序中對(duì)測(cè)距 距離的計(jì)算 方法是按 S=17N/1000=N(cm)進(jìn)行計(jì)算 的 ，其中， N為計(jì)數(shù)器的值，聲速 的值 取為 340 m/s。 圖 系統(tǒng)主程序流程 圖 中斷處理程序 負(fù)責(zé)計(jì)算車(chē)尾與 障礙物 之間 的距離 是 /INT0 的 中斷程序 。進(jìn)入中斷 處理 后，定時(shí)器 T0 和外部中斷 0 就 立即 被 關(guān) 閉 ， 同時(shí)讀取時(shí)間值，并給回波接收標(biāo)志位清零即 成功接收 到 回波信號(hào)。 開(kāi)始 單片機(jī)初始化 超聲波模塊復(fù)位 發(fā)射超聲波并啟動(dòng) T0 開(kāi)中斷 接收到回波的同時(shí)中斷停止 計(jì)算測(cè)量距離 顯示距離同時(shí)蜂鳴器報(bào)警 延時(shí) 圖 中斷處理程序流程圖