汽車倒泊防撞報警器的設計1

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1、編編 號號xx 大學 xx 學院畢畢業(yè)業(yè)設設計計（論論文文）題目：題目： 汽車倒泊防撞報警器的設計汽車倒泊防撞報警器的設計 系系 專專業(yè)業(yè)學 號： 學生姓名： 指導教師： （職稱： ） （職稱： ）xxxx 年 x 月 xx 日Ixxxx 大學大學 xxxx 學院本科畢業(yè)設計（論文）學院本科畢業(yè)設計（論文）誠誠 信信 承承 諾諾 書書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 汽車倒泊防撞報警器的設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果,其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用,表示致謝的內容外,本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 學 號：

2、 作者姓名： 年 月 日Ixx xx 大學大學 xx xx 學院學院 機電機電 系系 電子信息工程電子信息工程 專業(yè)專業(yè)畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計論論 文文 任任 務務 書書一、題目及專題：一、題目及專題：、題目汽車倒泊防撞報警器的設計 、專題 二、課題來源及選題依據二、課題來源及選題依據 由于隨著科學技術和汽車工業(yè)的發(fā)展,許多汽車安全裝置也得到大力的發(fā)展.汽車上面安裝防撞報警器能夠極大地方便司機的駕駛,保障司機的安全,并且能在緊急的情況下自動剎車防止汽車之間的相撞.隨著人們安全意識的提高,在汽車上安裝防撞倒泊警報器將必不可少 . 三、本設計（論文或其他）應達到的要求：三、本設計（論文或其他）應達

3、到的要求： 1.熟悉超聲波的相關知識，知道超聲波傳感器的主要性能特性； 2.了解單片機的概念及特點，知道單片機的發(fā)展及應用范圍； 3.設計兩個設計方案，并選擇出一個合適的設計方案。此設計中，最終選擇的是基于 AT89C51 單片機的超聲波防撞報警系統。介紹一下選擇該方案的原因； 4.對基于 AT89C51 單片機的超聲波防撞報警系統的設計進行硬件設計，包括芯片的選擇、用 Protel 畫出相應的硬件圖； 5.對設計進行軟件設計，包括程序流程圖、中斷流程圖的研究及系統程序的編程； 6.對設計進行誤差分析。 四、接受任務學生：四、接受任務學生： 班班 姓名姓名 II五、開始及完成日期：五、開始及完

4、成日期：自自 年年 月月 日日 至至 年年 月月 日日六、設計（論文）指導（或顧問）：六、設計（論文）指導（或顧問）：指導教師指導教師簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名教教研研室室主主任任學科組組長研究所所長學科組組長研究所所長簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 xxxxxxxx 年年 xxxx 月月 xxxx 日日III摘摘 要要隨著中國經濟的高速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高,居民擁有汽車的數量越來越多。道路上、停車場變得越來越擁擠。倒車的總次數不斷增長,而汽車駕駛員視野又是非常有限,碰撞和拖掛的事故時有發(fā)生,夜間就更不安全了。駕駛員希望能有一種汽車報警系統,在行駛的時候能夠不斷測量車輛車尾與后面障

5、礙物的距離 （或車與車的距離）, 而且能夠在儀表板上顯示出來,并在不同的警示距離范圍發(fā)出不同的報警信號,以提高駕駛的安全性。實時數字顯示測得的距離,在不同距離范圍內能發(fā)出不同的聲光報警信號。目前超聲波測距已得到廣泛應用, 國內一般使用專用集成電路根據超聲波測距原理設計各種測距儀器, 但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機為核心的測距儀器可以實現預置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能, 并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠。能夠有效的提高汽車的安全性能,保障汽車駕駛人員的安全。本文介紹的是基于 AT89C51 單片機的超聲波倒泊防撞報警器,介紹了硬件選擇,軟件方案,系統基本功能,

6、和待改進的方向。關鍵詞關鍵詞：超聲波；測距；報警系統；單片機IVAbstractWith Chinas rapid economic development and the continuous improvement of living standards of residents, the residents have an increasing number of motor vehicles. Roads, parking lots become more crowded. The total number of reversing the growing, and the car d

7、river is a very limited field of vision, collision and trailer when the accident occurred the night even more dangerous. Drivers want to have a car alarm system, when in a moving vehicle can be continuously measured and the back of the rear obstacle distance (or the distance between cars and trucks)

8、, and can be displayed in the dashboard, and alerts from different range of different alarm signals in order to improve driving safety. Real-time digital display of the distance measured in the range of different distances can be issued a different sound and light alarm signal. At present, ultrasoun

9、d has been wide ranging applications, the use of domestic general ASIC design based on the principle of a variety of ultrasonic ranging range finder device, but the high cost of application specific integrated circuit, a single function. The single-chip microcomputer as the core of the range finder

10、can be the achievement of preset, multi-port detection, display, alarm and other functions, and low-cost, high precision, simple operation, reliable work. Can effectively improve the performance of automotive safety, protect the safety of motorists. In this paper, it is based on AT89C51 microcontrol

11、ler parked down anti-ultrasonic alarm system on hardware options, software programs, the basic functions of the system, and the direction to be improved.Key words: ultrasonic;distance measurement system;warning system;microcomputerV目目 錄錄1 緒論 .11.1 課題來源.11.2 科學依據.11.3 超聲波傳感器.11.4 超聲波應用.11.5 超聲波傳感器的主要

12、性能指標.21.6 研究內容.22 單片機基礎知識.32.1 單片機的概念及特點.32.2 單片機的發(fā)展.32.3 單片機的應用.43 設計方案 .63.1 備選方案.63.1.1 方案一：基于 AT89C2051 單片機的超聲波防撞報警系統.63.1.2 方案二：基于 AT89C51 單片機的超聲波防撞報警系統.73.2 選擇方案依據.84 硬件設計 .94.1 芯片的選擇.94.1.1 控制器選擇.94.1.3 超聲波接收電路.134.1.4 LED 顯示電路.154.1.5 高低頻報警電路.164.2 硬件圖.184.2.1 總體結構框圖.184.2.2 系統總體硬件圖.195 軟件設計

13、 .215.1 程序流程圖.215.2 中斷流程圖.225.3 系統子函數.225.3.1 蜂鳴器報警子程序和信號燈.225.3.2 延時子程序.235.3.3 單片機初始化子程序.235.4 系統總程序.246 誤差分析 .28VI由溫度產生的誤差.287 結論與展望 .297.1 結論.297.2 不足之處及未來展望.30致謝 .31參考文獻 .32汽車倒泊防撞警報器的設計11 緒論緒論1.1 課題來源課題來源由于隨著科學技術和汽車工業(yè)的發(fā)展,許許多多的汽車安全裝置也得到大力的發(fā)展。汽車上面安裝防撞警報器能夠極大的方便司機的駕駛,保障司機的安全,并且能在緊急情況下能自動剎車防止汽車之間的相

14、撞。隨著人們安全意識的提高,在汽車上安裝防撞倒泊警報器將必不可少。1.2 科學依據科學依據單片機的應用日益普及,汽車的數量急劇增加,保障汽車駕駛人員的安全也變得越來越重要了。目前在汽車警報器經過20多年的發(fā)展 ,已經歷了從開始的由單片機的蜂鳴器到由頻率控制聲音的急促報警到進一步的可視的智能化防撞報警系統。汽車防撞裝置主要是通過車與障礙物之間的距離,車速信號的發(fā)射與接收由信號控制系統既是利用單片機來控制車速。并發(fā)出不同頻率的報警信號。當車速與車距距離進入比較危險的狀態(tài)時,單片機自動控制發(fā)出緊急制動信號剎車,以此來達到防撞的目的。 由上述可知,汽車與障礙物的距離只有在危險距離狀態(tài)才有發(fā)生碰撞的可能

15、,汽車防撞裝置系統的設計任務主要是采集汽車與障礙物的距離和本車車速,并與當時車速下安全警報距離與危險距離之間進行比較,判斷汽車與障礙物的距離是否安全。當達到的安全警報距離時能發(fā)出聲音報警。1.3 超聲波超聲波傳感器傳感器用超聲波作為檢測手段,必須有超聲波發(fā)射器和超聲波接收器分別來發(fā)射和接收超聲波,完成這兩種功能的器件就是超聲波傳感器（本設計中采用 CSB40T1 和 CSB40R1） 。超聲傳感器探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波（高于 20KHZ）,在電壓的激勵下壓電晶片發(fā)生振動產生的。超聲波傳感器具有以下幾個

16、特性：(1)在自身特性諧振點 40KHz 附近可獲得較高的靈敏度,通常選用 40KHZ 為其工作頻率。(2)諧振帶寬、波束角可以通過制作控制得很窄,有利于抗聲波干擾設計。(3)不受無線電頻譜的資源限制,易于進行抗電磁干擾設計。(4)超聲波系統成本低、性能穩(wěn)定,應用前景好。1.4 超聲波應用超聲波應用超聲波的頻率高至 20000Hz 以上（每秒振動 20000 次以上）,由于它的頻率高,因此具有以下特點：（a）方向性好,幾乎沿直線傳播；（b）穿透能力強,能穿透許多電磁波不能穿透的物質；xx 大學學士學位論文2（c）在媒質中傳播時能產生巨大的作用力,可以用來為硬質材料做切割、鑿孔等,也可以用來清洗

17、和消毒等對于超聲波的應用；我們比較熟悉的就是醫(yī)院中常用的 B 超,它是把超聲波射入人體,根據人體組織對超聲波的傳導和反射能力的變化來判斷有無異常,如對人體臟器做病變檢查、結石檢查等,它具有對人體無損傷、簡便迅速的優(yōu)點。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上,“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中,超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來,將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波測距系統設計：超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩,它是由與介質相接觸的振蕩源所引起的,其頻率在 20000Hz 以上。由于它有指向性強、方向性好、傳播能量大、傳播速度為 340m/s。超聲波

18、測距的工作原理是超聲波發(fā)射探頭不斷地發(fā)射出 40KHz 超聲波,遇到障礙物后反射回反射波,超聲波接收探頭接收到反射波信號, 并將其轉變?yōu)殡娪嵦枴?測出發(fā)射和接收回波的時間差 Dt,然后求出距離 S。在已知速度 C 的情況下,求出SC*T/2（C 為超聲波音速）13。1.5 超聲波傳感器的主要性能指標超聲波傳感器的主要性能指標（1）工作頻率：工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時,輸出的能量最大,靈敏度也最高。 （2）工作溫度：由于壓電材料的居里點一般比較高,特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長時間地工作而不失效。（3）靈敏度

19、：主要取決于制造晶片（壓電晶片）本身。機電耦合系數大,靈敏度高；反之,靈敏度低。1.6 研究內容研究內容在倒車時不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離,并實時顯示其與障礙物之間的距離,在不同的距離范圍內發(fā)出不同的報警信號,并且提高報警系統的穩(wěn)定性,以提高汽車倒車時的安全性。本文設計了一種超聲波汽車倒泊防撞報警器,本報警器具有以下功能：最大測距 4.9m,最小測距 0.1m,實時顯示測得的距離；在不同的時間利用三個不同的超聲波傳感器進行測距,能夠有效的提高報警的穩(wěn)定性。在不同的危險距離范圍內發(fā)出不同的頻率報警信號,駕駛員還可以根據個人需要調整設置報警距離。利用 555 來控制蜂鳴器的發(fā)聲頻率,直接

20、運用單片機的 I/O 口控制報警器的工作。能夠大大降低軟件的復雜程度。該報警器與其它報警器相比具有功能多、硬件電路簡單、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點47。汽車倒泊防撞警報器的設計32單片機基礎知識單片機基礎知識2.1單片機的概念及特點單片機的概念及特點單片機是將計算機的中央處理器（CPU） 、隨機存取存儲器（RAM） 、只讀存儲器（ROM） 、多種輸入輸出接口（I/O） 、定時器/計數器（Timer/Counter） 、中斷(Interruption)系列等集成在一塊芯片上,因此,被稱為單片微型計算機(Single Chip Microcomputer),簡稱單片機。單片機是針對控制與檢測應用而設計的,

21、又稱為微控制器(Microcontroller Unit,MCU)。另外,由于它可以很容易地嵌入到各種儀器和現場控制設備中,因此也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU） 。單片機具有以下幾個特點：（1）集成度高、功能強。單片機在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O 接口等資源,在芯片上還包含了中斷系統、串行通信接口、定時器/計數器等功能部件,芯片功能強、體積小、集成度高。（2）具有較高的性能價格比。單片機盡可能地把應用所需的各種資源集成在一塊芯片內,性能高,但是價格卻相對低廉。（3）抗干擾能力強。單片機是面向工業(yè)檢測控制環(huán)境設計的,因此,抗噪聲干擾能力較強。程序固化在 ROM

22、類型的存儲器中不易被破壞；許多資源集成在一個芯片上,可靠性高。2.2單片機的發(fā)展單片機的發(fā)展自 20 世紀 70 年代初期單片機問世以來,它已經經歷了 5 個發(fā)展階段。第一階段（1971-1976）：單片機萌芽階段；第二階段（1976-1980）：初級單片機階段；第三階段（1980-1983）：高性能單片機階段；第四階段（1983-1990）：8 位單片機鞏固發(fā)展及 16 位單片機推廣階段；第五階段（1990-）：單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等方面全方位地向更高水平發(fā)展。20 世紀 90 年代以來,在工業(yè)控制、智能儀表等應用領域,8 位單片機系列較好地兼顧了性能和價格因素,仍然

23、是單片機中的主流產品。目前,8 位單片機表現出多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、存儲容量大和 I/O 功能加強及結構兼容的特點。（1）在單片機中采用精簡指令集（RISC） ；（2）提升了指令提升速度；（3）在芯片上集成大容量的 Flash 存儲器,可以實現 ISP 和 IAP 編程；（4）使用數字-模擬相混合的集成技術；（5）增加增強通信接口；（6）低電壓、低功耗、低價位。盡管目前單片機的品種很多,但在國內,Intel 公司的 MCS-51 系列單片機和與其內核80C51 兼容的單片機應用最為廣泛。xx 大學學士學位論文42.3單片機的應用單片機的應用現在,單片機被廣泛地應用到各個領域,

24、在智能儀器儀表、家用電器和軍事設備的智能化以及實時過程控制等方面,單片機都扮演者越來越重要的角色,具有廣闊的應用前景。所下大致介紹一些典型的應用領域和應用特點。（1）家用電器目前,各種家用電器已普遍采用單片機控制取代傳統的控制電路,如全自動洗衣機、電冰箱、空調機、微波爐、電飯煲、電視機、錄像機、手機、MP3、MP4、攝像機及其他視頻音像設備的控制器；（2）辦公自動化現在辦公室中所使用的大量通信、信息產品多數都采用了單片機，如計算機系統中的鍵盤譯碼、硬盤驅動、打印機、繪圖儀、復印機、電話、傳真機、考勤機、計算機等；（3）商業(yè)領域商業(yè)營銷系統廣泛使用的電子秤、收款機、條形碼閱讀器、倉儲安全檢測系統

25、、商場的導購電子顯示系統、保安系統、空氣調節(jié)系統、冷凍保鮮系統等，目前已紛紛采用單片機構成專用系統；（4）工業(yè)領域智能儀器儀表：目前變送器、電器測量儀表普遍采用單片機應用系統替代傳統的測量系統，使測量系統具有各種智能化功能，如存儲、數據處理、查找、判斷、聯網和語音功能等。智能傳感器：單片機與傳感器相結合可以構成智能傳感器，它對經傳感器初級變換后的電量做進一步的變換、處理，輸出能滿足遠距離傳送、能與微機接口的數字信號；工業(yè)過程控制、過程監(jiān)測、工業(yè)控制器及機電一體化控制系統等，這些系統除一些小型工控機之外，許多都是以單片機為核心的單機或多機網絡系統。如工業(yè)機器人的控制系統是由中央控制器、感覺系統、

26、行走系統、抓舉系統等節(jié)點構成的多機網絡系統；（5）汽車電子單片機用于集中顯示系統、動力監(jiān)測控制系統、自動駕馭系統、GPS 系統、汽車倒泊防撞報警器的設計、通信系統以及運行監(jiān)視器等；（6）航空航天與軍事5航空航天器的飛行姿態(tài)控制、參數顯示、動力監(jiān)測控制、通信系統、導航等以及軍事領域武器系統的控制，如戰(zhàn)機、軍艦、坦克、火炮、導彈、智能武器系統等，都要用到單片機。單片機應用重要的意義在于：它從根本上改變了傳統控制系統的設計思想和設計方案。從前必須由硬件實現的控制功能，現在可以通過單片機用軟件方法實現，這種以軟件取代硬件并提高系統性能的控制計術，稱為微控制技術。隨著單片機應用技術的推廣普及，微控制技術

27、將發(fā)揮越來越重要的作用。汽車倒泊防撞警報器的設計5xx 大學學士學位論文63 3 設計方案設計方案3.1 備選方案備選方案3.1.13.1.1 方案一：方案一：基于基于 AT89C2051AT89C2051 單片機的超聲波防撞報警系統單片機的超聲波防撞報警系統(1) 硬件系統 圖 3.1 AT89C2051圖 3.1AT89C2051 主要功能特性：兼容 MCS51 指令系統 15 個雙向 I/O 口兩個 16 位可編程定時計數器時鐘頻率 024 兩個外部中斷源可直接驅動 LED 低功耗睡眠功能可編程 UARL 通道 2K 可反復擦寫 (1000 次可反復擦寫)6 個中斷源 2.76V 的寬工

28、作電壓范圍 128*8bit 內部 RAM 兩個串行中斷兩級加密位內置一個模擬比較放大器,軟件設置睡眠和喚醒功能。該報警器由控制系統,超聲波發(fā)射電路、接收電路測速電路報警電路、LED 顯示電路組成電路原理框圖超聲波發(fā)射電路由 CC7555 時基電路和超聲波發(fā)射探頭組成,單片機AT89C2051 的 P1.7 引腳控制 CC7555 時基電路產生 40KHZ 的頻率信號給超聲波發(fā)生器,由超聲波探頭發(fā)射的超聲波射向障礙物。利用超聲波測距具有以下特點：測量靈敏度高,穿透力強,測量速度快,測量角度大可對較大范圍內的物體進行檢測。(2) 超聲波發(fā)射與接收電路超聲波接收電路由超聲波接收探頭放大器和整形器組

29、成,由障礙物反射回來的超聲波經接收探頭變換為電脈沖信號。再由放大器整形器放大和整形后送入到單片機AT89C2051 的 P3.2 引腳,放大器宜選用有足夠增益和較低噪聲的寬帶放大器以保持脈沖信號,尤其是信號前沿不發(fā)生畸變以提高測距的精度。(3) LED 顯示電路 LED 顯示電路由數碼管和驅動電路組成,用兩個數碼管顯示距離,數碼管采用靜態(tài)顯示,由芯片 MCS14495 驅動顯示 P1.4、P1.5 分別作為驅動芯片 MCS14495 的鎖存信號用于汽車倒泊防撞警報器的設計7控制產生的 BCD 二進制編碼表示的十進制數碼是顯示高位還是低位。(4) 測速電路測速電路由傳感器脈沖放大器整形器 CC7

30、555 時基信號電路選通門組成霍爾集成傳感器將車輪轉速信號變成脈沖信號輸出經放大整形電路后送入選通門。由 CC7555 時基電路產生的單位時基信號控制選通門的開與閉。以控制轉速信號在單位時間內通過選通門,送入單片機 AT89C2051 的 P3.5 引腳 控制 T1 計數器計數實現了在單位時間內的計數。(5) 報警電路 報警電路由 CC7555 電路和揚聲器組成 AT89C2051 的 P1.6 控制 CC7555 電路根據測量結果,產生一定頻率的信號驅動揚聲器發(fā)出報警聲在揚聲器發(fā)出報警聲時,時基電路 CC7555 處于暫穩(wěn)態(tài)此時電源向電容充電從而使 CC7555 結束暫穩(wěn)態(tài)回復到穩(wěn)定狀態(tài)輸出

31、低電平。使揚聲器停止發(fā)出報警聲,直到下一次測距結束產生新的報警聲。(6) 系統的總體硬件圖圖 3.2 用 89c2051 實現的系統總體的硬件圖3.1.2 方案二：基于方案二：基于 AT89C51 單片機的超聲波防撞報警系統單片機的超聲波防撞報警系統該系統的硬件電路主要由單片機、超聲波傳感器、LED 顯示模塊,蜂鳴器報警模塊等組成。系統中單片機采用 ATMEL 公司的 AT89C51 作為核心控制芯片,便于系統的設計和調試。超聲波傳感器是超聲波測距電路中的重要元件其性能優(yōu)劣直接影響到測距準確度和可靠性。通常超聲波傳感器有兩類：一類是發(fā)射電路和接收電路互相獨立的分體式超聲波傳感器,此類傳感器測距

32、有效范圍比較大。另一類是同時具有發(fā)射與接收功能的收發(fā)xx 大學學士學位論文8一體式超聲波傳感器,此類超聲波測距有效范圍比較小,但防塵、防水性能比較分體式超聲波傳感器要好。本系統選擇分體式超聲波傳感器?？紤]到超聲波具有指向性,本系統在汽車尾部左、中,右三個部位各安裝一個超聲波傳感器,適當調整安裝位置,可準確測量汽車后部障礙物。運用 p1.1、p1.2、P1.3 分別控制CD4051 的 A、B、C 來控制不同超聲波發(fā)射器和接收器的工作,INT0 超聲波信號檢測。當完成數據測量后,測量數據進行處理,然后顯示測量結果范圍,當車輛離障礙物的距離超過安全警戒線時發(fā)出報警信號。實際安裝時,該系統的單片機安

33、裝在汽車的尾部。a.超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路由超聲波換能器(或稱超聲波振頭)和超聲波發(fā)生器兩部分組成,電路如所示。系統中,超聲波換能器的型號為 CSB40T。它將超聲波發(fā)生器提供的電信號轉換為機械振動并發(fā)射出去。40KHz 的超聲波信號是利用 NE555 時基電路振蕩產生的,振蕩頻率約為 f=1.44(R1+2R2)*C21),通過選擇 R2=1.3k 的電阻使頻率達到 40KHZ。工作時,單片機通過 I/O 口定時向超聲波發(fā)生電路發(fā)出控制信號。超聲波發(fā)生電路產生 40KHz 的調制脈沖,轉換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。b.超聲波接收電路超聲波接收電路采用了集成電路 LM324,LM324

34、 采用的超聲波接收電路采用了集成電路 LM324,將接收到的超聲波信號用前三極放大后,最后一級用比較器使之成為數字信號（高電平為 5V,低電平為 0V）,當單片機接收到中斷信號時,說明檢測到了反射回來的超聲波,單片機就進入中斷狀態(tài),開始距離計算,并將計算結果發(fā)送給單片機。 c.溫度檢測電路溫度測量電路基于 DS18B20（這是美國 DALLS 公司出品的數字溫度傳感器）其耐磨耐碰、 體積小、使用方便、封裝形式多樣,適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域?；诔暡ǖ钠嚪雷矆缶到y的設計中,采用的是 DS18B20 數字溫度傳感器。溫度檢測電路采用 DALLS 公司的 DS18B20 數字溫

35、度傳感器。電路連接非常簡單,但是必須保證時序與單片機嚴格同步。DS18B20 具有 9,10,l1 和 12 位轉換精度。3.2 選擇方案依據選擇方案依據由于目前市場上已經研制出超聲波傳感器的專用集成芯片,而且集成芯片的技術已經相當成熟,因此,不必自己設計超聲波發(fā)生與接收電路,以上兩個方案各有優(yōu)點,對于本項目直接利用超聲波傳感器（CSB40T 和 CSB40R）,而且相對而言對于 AT89C51 單片機比較熟悉,選用的 CD4051、ULN2801、LM324、555(多諧振蕩器) 、7 段 LED 的數碼管等都是我們平時比較熟悉的芯片,而且這些芯片價格普遍比較低。因此選擇方案二的性價比最高,

36、能用價格比較低廉的硬件來實現良好的功能,因此我們選用第二方案來實現本系統功能。汽車倒泊防撞警報器的設計94 硬件設計硬件設計4.1芯片的選擇芯片的選擇4.1.1 控制器選擇控制器選擇圖 4.1 AT89C51 芯片引腳微型計算機的出現與發(fā)展已廣泛應用到各行各業(yè)中,使人們的日常生活工作都發(fā)生了重大變化,如果沒有微型計算機,人們的工作生活的質量都受到很大的損失。單片微型計算機是微型計算機發(fā)展中的一個重要分支,其獨特的結構與性能,越來越普及地應用于國民經濟的各個領域,以下主要介紹圖 4.1 中的 89C51 單片機,以及外部 I/O 口。 一、單片機的組成單片微型計算機簡稱單片機,它在一塊芯片上集成

37、了各種功能部件：中央處理器（CPU） 、隨機存取存儲器（RAM） 、只讀存儲器（ROM） 、定時器/計數器、和各種輸入/輸出（I/O）接口（如并行 I/O 口、串行 I/O 口和 A/D 轉換器）等。構成一個完整的微型計算機。80C51 單片機的引腳描述及片外總線結構芯片的引腳描述CHMOS 制造工藝的 89C51 單片機采用 40 引腳的雙列直插封裝（DIP 方式）,在單片機的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳,2 條外接晶體的引腳,4 條控制與其它電源復xx 大學學士學位論文10用的引腳,32 條輸入/輸出（I/O）引腳。下面按其引腳功能為四部分敘述這 40 條引腳功能。電源引腳

38、 VCC 和 VSS。其中：VCC（40 腳）接+5V 電壓。VSS（20 腳）接地。接晶體引腳 XTAL1 和XTAL2。XTAL1（19 腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內部,它是一個反相放大器的輸入端,這個放大器構成了片內振蕩器。當采用外部振蕩器時,對 CHMOS 單片機,此引腳作為驅動端。XTAL2（18 腳）接外部晶體的另一端。在單片機內部,接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時,對 CHMOS 單片機,該引腳懸浮、控制或與其他電源復用引腳 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN 和 EA/VPP。ST/VPD（9 腳）：當振蕩器運行時,在此引腳上出現兩個機器周期

39、的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與 VSS 引腳接一個約 8.2K 的下拉電阻,與 VCC 引腳之間連接一個約 10uf 的電容,以保證可靠地復位。（1）VCC 掉電期間,此引腳可接上備用電源,以保持內部 RAM 的數據不丟失。當 VCC 主電源下掉到低于規(guī)定的電平,而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內,VPD 就向內部 RAM 提供備用電源。（2）ALE/PROG（30 腳）：當訪問外部存儲器時,ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器,ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此,它可用作對外輸出的時鐘,或用于定時目的。

40、然而要注意的是,每當訪問外部數據存儲器時,將跳過一個 ALE 脈沖。ALE 端可以驅動（吸收或輸出電流）8 個 LS 型的 TTL 輸入電路。對于 EPROM 型的單片機,在 EPROM 編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖（PROG） 。（3）RSEN（29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀寫選通信號。在從外部程序存儲器取令（或常數）期間,每個機器周期兩次 PESN 有效。但在此期間,每當訪問外部數據存儲器時,這兩次有效的 PSEN 信號將不出現,PSEN 同樣可以驅動（吸收或輸出）8 個 LS型的 TTL 輸入。（4）EA/VPP：當 EA 端保持高電平時,訪問內部程序存儲器,但在 PC（

41、程序計數器）值超過 0FFFH 時,將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序,當 EA 保持低電平時,則只訪問外部程序存儲器,不管是否有內部程序存儲器,對于常用的 89C51 來說,無內部程序存儲器,所以EA 腳必須常接地,這樣才能只選擇外部程序存儲器。對于 EPROM 型單片機,在 EPROM 編程期間,此引腳也用于施加 21 伏的編程電源（VPP） 。輸入/輸出 I/O 引腳 P0、P1、P2、P3共 32 根。a)P0 口（39 腳32 腳）：是雙向 8 位三態(tài) I/O 口,外接存儲器時,與地址總線的低 8 位及數據總線復用,能以吸收電流的方式驅動 8 個 LSTTL 負載。b)P1 口（1

42、 腳8 腳）：是 8 位準雙向 I/O 口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài),輸入也不能瑣存,故不是 真正的 I/O 口。門口能驅動（吸收或輸出電流）4 個 LSTTL 負載,對8052、8032,P1.0 引腳的第二功能為 T2 定時/計數器的外部輸入,P1.1 引腳的第二功能為T2EX 捕捉、重裝觸發(fā),即 T2 的外部控制端。對 EPROM 編程和程序驗證時,它的接收低 8位地址。c)P2 口（21 腳28 腳）：是 8 位準雙向 I/O 口。在訪問外部存儲器時,它可以作為擴展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址,在對 EPROM 編程和程序驗證期間,它的接收高 8位地址。P2 可以驅動（

43、吸收或輸出電流）4 個 LSTTL 負載。是復用雙功能口,P3 能驅動汽車倒泊防撞警報器的設計11（吸收或輸出電流）4 個 LSTTL 負載。作為第一功能用時,就作為普通的 I/O 口用,功能和操作方法與 P1 口相同。d)P3 口（10 腳17 腳）：是 8 位準雙向 I/O 口,在 89C51 中,這 8 個引腳還用于專門功能,值得強調的是,P3 口的每一條引腳都可以獨立定義第一功能的輸入輸出或第二功能。4.1.2 超聲波發(fā)射電路單片機 AT89C51 單片機通過 P1.1、P1.2、P1.3 引腳來控制 CD4051 的輸出端1、2、3 口,通過 ULN2801(達林頓反向驅動器)來增大

44、電流進而驅動超聲波發(fā)射器（CSB40T）然后單片機不停的檢測 INT0 引腳,當 INTO 引腳電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲已返回,通過單片機 T0 計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間,通過編程換算可得出超聲波和障礙物間的距離,由單片機處理后通過 P0.0-P0.7 口送出待顯示的信號并且通過 2 位數碼管顯示所測的距離。(a)壓電式超聲波傳感器：常用的超聲波發(fā)生器可以分為二大類,一是用電氣方式產生超聲波,如變磁阻式、電 容式、磁電式、壓電式等超聲波發(fā)生器；二是用機械方式產生超聲波,有加爾統笛、液哨 和氣流旋笛等。它們產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同。這里采用第一類 中的壓

45、電式超聲波發(fā)生器,是利用壓電晶體的電致伸縮現象,即壓電效應。目前的壓電式 具有以下三個優(yōu)點：（1）靈敏度和分辨率高,線性范圍比較大,結構簡單、牢固,可靠性好,壽命長；（2）體積小,重量輕,剛度、強度、承載能力和測量范圍比較大,動態(tài)響應頻帶寬,動態(tài)誤差小；（3）易于大量生產,便于選用,使用和校準方便,并且便于近測和遙測； 常用的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷等。在壓電材料切片上施加一定頻率的交變電壓,當外加信號頻率等于壓電晶片的固有頻率時,會產生電致伸縮振動,產生共振,并帶動共振板振動,產生超聲波。 超聲波的頻率越高,指向性越好,但是考慮到如果頻率過高會使得衰減過快,使測量距離不夠。綜合考慮可以選

46、用超聲波的頻率 f=40kHz,波長=085cm,此時接收時可以有較高的靈敏度。(b) 超聲波發(fā)射器的工作原理 超聲波發(fā)射及驅動電路,多諧振蕩器產生 40kHz 的振蕩源,為了控制振蕩的產生或者停止,將 555 的 4 號端口作為一個輸入端作為控制端 C,當 C=“0”時,振蕩停止,反之 C=“1”時,產生振蕩。將 C 端與 AT89C51 單片機的 P1.0 口連接后,就可通過單片機對 p1.0 口來控制555 的工作,進而控制超聲波傳感器的發(fā)射。由于單片機的時鐘頻率遠遠高于 40KHZ,故可以實現使得 P1.0 口的電平的頻率高于 40KHZ。由于超聲波傳播的距離和超聲波的振幅成正比的關系

47、,所以可以適當地放大發(fā)射的功率,可以提高超聲波的傳播距離。使用 ULN2801（達林頓反向驅動器）組成的驅動電路能夠增大電流從而增大發(fā)射的功率,這樣就能夠使傳輸的距離達到實際的需要（即遠大于設定的 10M）89。xx 大學學士學位論文12 圖 4.2 CD4051 的芯片引腳圖單八路模擬開關 CD4051,CD4051 引腳功能見表 4-2。CD4051 相當于一個單刀八擲開關,開關接通哪一通道,由輸入的 3 位地址碼 ABC 來決定。 “INH”是禁止端,當 “INH”=1 時,各通道均不接通。此外,CD4051 還設有另外一個電源端 VEE,以作為電平位移時使用,從而使得通常在單組電源供電

48、條件下工作的 CMOS 電路所提供的數字信號能直接控制這種多路開關,并使這種多路開關可傳輸峰峰值達 15V 的交流信號。例如,若模擬開關的供電電源 VDD=5V,VSS=0V,當 VEE=5V 時,只要對此模擬開關施加 05V 的數字控制信號,就可控制幅度范圍為5V5V 的模擬信號。真值表如表 4-3 中所示：表 4-3 CD4051 的真值表INPUTSTATES“ON” CHANNELSINPUTCBACD405100000000110010200113010040101501106011171NONENONENONENONE (c)超聲波發(fā)射電路本設計中的超聲波發(fā)射電路,采用一片 555

49、 產生 40KHZ 的信號,通過 CD4051 可以輸送8 路 40KHZ 信號,可以有效的節(jié)約 555 芯片。通過 ULN2801 反向驅動器來放大電流來驅汽車倒泊防撞警報器的設計13動超聲波發(fā)射器工作。而且同時可以通過選擇 CD4051 的 A、B、C 口來選擇不同的超聲波發(fā)射器工作。具體的電路圖如圖 4-4 所示：圖 4.4 超聲波發(fā)射電路圖4.1.3 超聲波接收超聲波接收電路電路超聲波接收電路采用了集成電路 LM324,將接收到的超聲波信號用前三極放大后,最后一級用比較器使之成為數字信號（高電平為 5V,低電平為 0V）,當單片機接收到中斷信號時,說明檢測到了反射回來的超聲波,單片機就

50、進入中斷狀態(tài),開始距離計算,并將計算結果發(fā)送給單片機。 圖 4.5LM324 的雙列直插引腳圖 圖 4.5 中,LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比 ,它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的電源下 ,靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源 ,因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。LM324 的特點：(1)短跑保護輸出xx 大學學士學位論文14(2)真差動輸入級(3)可單電源工作： 3V-32V(4)低偏置電流：最大 100nA(5)每封裝含四個運算放

51、大器(6)具有內部補償的功能(7)共模范圍擴展到負電源(8)行業(yè)標準的引腳排列(9)輸入端具有靜電保護功能 01234567ABCINHCOMP1.1P1.2P1.3P1.4INT0CD4051CSB40R1CSB40R2CSB40R3VCC1KVCC1KVCC1KR810KC710uFR131K23467R161KVCCR4100KC20.1uFR111K23467VCCR141KR171KC9100PFR510KLABEL1C3100PFR121K23467CLC409R61KR15100KC1010uFVCCC4100PF23467VCC1KC11100PFR191KR181KR71KV

52、CCOUT0.1uFR810KC710uFR131K23467R161KVCCR4100KC20.1uFR111K23467VCCR141KR171KC9100PFR510KLABEL1C3100PFR121K23467CLC409R61KR15100KC1010uFVCCC4100PF23467VCC1KC11100PFR191KR181KR71KVCCOUTC?0.1uFR810KC710uFR131K23467R161KVCCR4100KC20.1uFR111K23467VCCR141KR171KC9100PFR510KLABEL1C3100PFR121K23467CLC409R61KR

53、15100KC1010uFVCCC4100PF23467VCC1KC11100PFR191KR181KR71KVCCOUTC10.1uF 圖 4.6 超聲波接收電路圖按照超聲波原理,微處理器需要的只是第一個回波的時刻。接收電路的設計可采用通汽車倒泊防撞警報器的設計15用電路來實現。如圖 4.6 超聲波在空氣中傳播時,其能量的衰減程度與距離成正比,距離越近、信號越強,距離越遠、信號越弱,通常在 1mv1V 之間。放大電路采用單電源供電,信號放大和變換采用一片 LM324 通用運算放大器,前三級為放大器設計,后一級為比較器設計。為滿足交流信號的需要,每一級放大器均采用電容電路進行電平偏移,即圖 3

54、b 中的C7、C9、C10 和 C11,容量均為 10mf,實現單電源條件下交流信號的放大。對交流信號而言,電容為短路,前三級放大電路的放大增益均為 10。故信號可以放大到 1000 倍,當沒有信號時,3 號端的輸入（2.5-5V）大于 2 號端口,當有信號輸入時,2 號端口的輸入為 1000Vi,再適當的調節(jié) 4 號口的電壓,一旦 1000ViV3 時,就會輸入一個低電平使 INT0 產生中斷。 實驗中發(fā)現,距離較近時,兩級放大的增益能輸出足夠強度的信號,在第 3 級有可能出現信號飽和,但距離較遠時,必須采用三級放大電路。合理調節(jié)電位器 1K 的滑動變阻器,選擇比較基準電壓,使測量更加準確和

55、穩(wěn)定。具體的電路圖如圖 4-7 所示： 圖 4.7 由 LM324 組成的放大比較電路4.1.4 LED 顯示電路顯示電路 用單片機控制 LED 信號燈的工作,當汽車與障礙物的距離沒有達到安全距離時,通過控制端 P1.5、P1.6 輸入低電平來控制信號燈不亮。當距離到達危險距離時,單片機通過將P1.5 置 0,P1.6 置 1 來使得黃燈亮,紅燈不亮,當距離到達需要緊急剎車時,P1.5 口置 1,P1.6 口置 0 來控制紅燈亮,黃燈不亮,從而提醒司機要緊急剎車。 LED 信號燈 LED 發(fā)光機理：PN 結的端電壓構成一定勢壘,當加正向偏置電壓時勢壘下降,P 區(qū)和 N 區(qū)的多數載流子向對方擴散

56、。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多,所以會xx 大學學士學位論文16出現大量電子向 P 區(qū)擴散,構成對 P 區(qū)少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合,復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。LED 信號燈具有以下的幾個優(yōu)點：(1)高節(jié)能：節(jié)能能源無污染即為環(huán)保。直流驅動,超低功耗（單管 0.03-0.06 瓦）電光功率轉換接近 100%,相同照明效果比傳統光源節(jié)能 80%以上。 (2)壽命長：LED 光源有人稱它為長壽燈,意為永不熄滅的燈。固體冷光源,環(huán)氧樹脂封裝,燈體內也沒有松動的部分,不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點,使用壽命可達 6 萬到 10 萬小時,比傳統光源壽命長 10

57、倍以上。 (3)多變幻：LED 光源可利用紅、綠、籃三基色原理,在計算機技術控制下使三種顏色具有256 級灰度并任意混合,即可產生 25625625616777216 種顏色,形成不同光色的組合變化多端,實現豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。 (4)利環(huán)保：環(huán)保效益更佳,光譜中沒有紫外線和紅外線,既沒有熱量,也沒有輻射,眩光小,而且廢棄物可回收,沒有污染不含汞元素,冷光源,可以安全觸摸,屬于典型的綠色照明光源。 (5)高新尖：與傳統光源單調的發(fā)光效果相比,LED 光源是低壓微電子產品,成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等所以亦是數字信息化產品,是半導體光電器件。

58、“高新尖”技術具有在線編程、無限升級、靈活等特點。選用 LED 小型信號燈能夠發(fā)出不同的顏色的光,節(jié)能方面突出,而且使用的壽命特別長,因此選用 LED 小信號燈。采用 LED 的七段數碼管來顯示汽車與障礙物之間的距離,電路上面很容易實現。通過74LS06 來放大電流點亮 LED 數碼管,另外通過 P2.2、P2.3 口來控制兩個數碼管是否工作。運用動態(tài)顯示的方式來顯示當前的距離。4.1.5 高低頻報警電路高低頻報警電路壓電式蜂鳴器,用的是壓電材料,即當受到外力導致壓電材料發(fā)生形變時壓電材料會產生電荷。同樣,當通電時壓電材料會發(fā)生形變。(1)結構十分簡單、可直接將壓電元件安裝在塑料基座上；(2)

59、體積小,重量輕；(3)性能穩(wěn)定可靠；(4)頻響特性好,清晰而不失真,能較好地重現人的聲音；(5)抗外界干擾能力強；(6)耗電少；由于壓電蜂鳴器能耗低,可直接被互補型金屬氧化物半導體(CMOS)和其它集成電路(IC)驅動,所以它還能與大規(guī)模集成電路(LSI)結合,發(fā)出清脆悅耳的樂曲和合成聲音。它被廣泛應用于遙控開關、電機設備、彩色錄像機、普通紙復印機、照相機、報警鐘和傳真設備等,作為聲音合成器件。在電子計數器,鐘表和微機等設備中它還可以用來作時標信號的信號源;在報警鈴、防盜器件、煙霧放敏感器及家用電器中作為蜂鳴器用。 電磁式蜂鳴器,主要是利用通電導體會產生磁場的特性,用一個固定的永久磁鐵與通電導

60、體產生磁力推動固定在線圈上的鼓膜。蜂鳴器是一個發(fā)聲裝置,它是將線圈置于由 永久磁鐵、鐵心、高導磁的小鐵片以及振動膜組成的磁回路中。通電時,小鐵片與振動膜汽車倒泊防撞警報器的設計17受磁場的吸引會向鐵心靠近,線圈接收振動信號則會產生交變的磁場,繼而將電能轉為聲能。和揚聲器不同的是蜂鳴器只能發(fā)出單一的音頻。不論輸入蜂鳴器的是交流電壓還是直流電壓,只要達到蜂鳴器的額定電壓(有 3V,5V,12V 等多種規(guī)格),它就會發(fā)出聲響,即使我們改變輸入的電壓或頻率,蜂鳴器也只發(fā)出一個音頻的聲音。綜合比較以上兩種蜂鳴器,要實現兩種不同頻率的報警信號,應該選用壓電式蜂鳴器。而且壓電式結構簡單耐用比較適合于報警器等

61、設備。電路圖見 4.8、4.9。由 555 電路組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,振蕩頻率 f=1.44/(R1+2R2)C1,當單片機控制端送入高電平到 555 的 4 號口時, HTD 壓電陶瓷片發(fā)聲報警,當送入低電平時停止報警。可以通過調節(jié) R1,R2 的阻值可以使得 HTD 壓電陶瓷片發(fā)聲頻率的不同。圖 4.8 高低頻報警電路xx 大學學士學位論文18圖 4.9 LED 顯示電路以及報警電路4.2 硬件圖硬件圖4.2.1 總體結構框圖總體結構框圖在本系統中采用 AT89C51 作為主控制器,利用如圖 4.10 中的 3 組超聲波傳感器進行檢測當前的距離。LED 顯示電路組合中包括 LED 信號燈

62、、兩個七段數碼管,用于信號燈報警和顯示當前的距離。高低頻報警電路是由兩個 555 控制兩個不同的蜂鳴器發(fā)聲,通過 555 發(fā)出不同的頻率來產生高頻和低頻的報警信號。AT89C51超聲波接收電路1超聲波發(fā)射電路2超聲波接收電路2超聲波發(fā)射電路3超聲波接收電路3r超聲波發(fā)射電路1LED顯示電路組合高低頻報警電路圖 4.10 超聲波測距系統框圖汽車倒泊防撞警報器的設計194.2.2 系統總體硬件圖系統總體硬件圖 N E555CBA7IN 2IN 3IN 4IN 5IN 6IN 7IN 8C D4051U LN 2801R 11KV CC40kH ZIN HIN 10123456C OMO UT1O

63、UT2O UT3O UT4O UT5O UT6O UT7O UT80C SB 40T1C SB 40T2C SB 40T34387V CC1K6210.1uFV CC0.1uF1K8.1K1234567891011121314V CC123456789101112131474LS0774LS07V CC1234567abcdefg8dp9G NDabfcgdedpD S11234567abcdefg8dp9G NDabfcgdedpD S2LED500500LEDY ELLO WR EDP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78IN T113IN T012

64、T115T014EA/V P31X 119X 218W R16R D17R ES ET9P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29A LE/P30TXD11R XD104020AT89C51V CCV CCR 15.1KR 2300K0.01uF6781234PNPV CCB UZZER 1LOW R 15.1KR 2100KC0.01uF1234678PNPV CCB UZZER 2555555R 11KV CCR 11KV CCH

65、 IG H1.3K1KV CC1K 圖 4.11 系統總體的硬件圖 1xx 大學學士學位論文2001234567ABCINHC OMP1.1P1.2P1.3P1.4INT0C D4051C SB 40R1C SB 40R2C SB 40R3VCC1KVCC1KVCC1KR 810KC 710uFR 131K23467R 161KVCCR 4100KC 20.1uFR 111K23467VCCR 141KR 171KC 9100PFR 510KLAB EL1C 3100PFR 121K23467C LC 409R 61KR 15100KC 1010uFVCCC 4100PF23467VCC1KC

66、 11100PFR 191KR 181KR 71KVCCOUT0.1uFR 810KC 710uFR 131K23467R 161KVCCR 4100KC 20.1uFR 111K23467VCCR 141KR 171KC 9100PFR 510KLAB EL1C 3100PFR 121K23467C LC 409R 61KR 15100KC 1010uFVCCC 4100PF23467VCC1KC 11100PFR 191KR 181KR 71KVCCOUTC ?0.1uFR 810KC 710uFR 131K23467R 161KVCCR 4100KC 20.1uFR 111K23467VCCR 141KR 171KC 9100PFR 510KLAB EL1C 3100PFR 121K23467C LC 409R 61KR 15100KC 1010uFVCCC 4100PF23467VCC1KC 11100PFR 191KR 181KR 71KVCCOUTC 10.1uF 圖 4.12 系統總體的硬件圖 2汽車倒泊防撞警報器的設計21 5 5 軟件設計軟件設計5.1 程序流程圖程序