基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)系 部： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：2022年3月18日AbstractABSTRACTAlong with the rapid development of economy of our country，more and morepeople have their own cars, as well as the parking and reversing the accident caused will beincreasingly.These accidents often bring ma

2、ny troubles to drivers, so, the reverse radar of helpdrivers parking and of reversing arise at the historic moment.Reverse radar, the automobileparking safety auxiliary devices,more intuitive to told the driver of around obstacles by voiceor display. This paper designs a kind of using ultrasonic ran

3、ging principle research highperformance-to-price ratio reverse radar;it can remind drivers entered exclusionary area,simultaneously the acousto-optic alarm. The radar need not occupy the drivers visualresources, and can make the driver putting the whole attention to observe the passenger side ofthe

4、front and roads. Ultrasonic launching 10us partly by AT89C51 produce the high levelsignal to triggering ranging module; System receiving part reflected by the receiving probe ofthe signal and when the receiving circuit receives reflected signals will interrupt AT89C51counter stop counting. Thus obta

5、ins from the launch to receiving signal ultrasonic lag betweendriving，and then calculating the distance between the obstacles to instruct driver safetyreverse.Keywords:Reverse radar; Ultrasonic ; Single-chip microcomputer;Sound-light ala 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的人擁有自己的汽車，由此引發(fā)的停車和倒車事故也將越來越多。這些事故往往給駕駛員帶來很多麻煩，

6、因此，倒車?yán)走_(dá)幫助駕駛員停車和倒車應(yīng)運(yùn)而生。倒車?yán)走_(dá)是一種汽車標(biāo)記安全輔助設(shè)備，通過語音或顯示器更直觀地告知駕駛員周圍的障礙物。本文設(shè)計(jì)了一種利用超聲波測距原理研究高性價(jià)比的倒車?yán)走_(dá)；它可以提醒司機(jī)進(jìn)入禁區(qū)，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。雷達(dá)不需要占用駕駛員的視覺資源，可以使駕駛員全神貫注地觀察前方和道路的乘客側(cè)。超聲波發(fā)射部分由AT89C51單片機(jī)發(fā)射10U，產(chǎn)生高電平信號(hào)至觸發(fā)測距模塊；系統(tǒng)接收部分由接收探頭反射信號(hào)，當(dāng)接收電路接收到反射信號(hào)時(shí)將中斷AT89C51計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。從而得出從發(fā)射到接收信號(hào)之間的超聲波滯后移動(dòng)，然后計(jì)算障礙物之間的距離，以指示駕駛員安全轉(zhuǎn)向。關(guān)鍵詞：反向雷達(dá)；超聲波單片機(jī)

7、；聲光ala目錄目 錄 第1章 緒論1第2章 方案論證及選擇21.1微處理器選擇21.2測距傳感器選擇21.3語音報(bào)警器的選擇31.4顯示子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3第2章 超聲波測距雷達(dá)工作原理42.1超聲波傳感器介紹42.1.1超聲波傳感器的特性62.2超聲波測距的原理及實(shí)現(xiàn)6第3章 硬件設(shè)計(jì)83.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖83.2 AT89C51單片機(jī)83.3 電源電路113.4 時(shí)鐘電路113.5復(fù)位電路123.6 超聲波測距模塊HC-SR04133.7 74HC573芯片143.8 數(shù)碼管顯示及報(bào)警電路設(shè)計(jì)16第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)184.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)184.2 中斷處理程序的設(shè)計(jì)204.3 測距

8、模塊的設(shè)計(jì)214.4 顯示及報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)21第5章 致謝23參考文獻(xiàn)24河南工學(xué)院畢業(yè)論文第1章 緒論隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車已逐漸成為人們不可或缺的交通工具。由于汽車的日益普及，人為原因而產(chǎn)生的碰撞問題也日益突出，其中倒車碰撞占據(jù)很大一部分。因此，增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來的研究熱點(diǎn)。倒車?yán)走_(dá)全稱叫“倒車防撞雷達(dá)”，也叫“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者顯示器的顯示通告司機(jī)車后的狀況，解除了司機(jī)泊車和啟動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的麻煩，并幫助司機(jī)解決由視覺引起的缺陷，提高駕駛的安全性。倒車?yán)走_(dá)的原理與普通雷達(dá)一樣，是根據(jù)蝙蝠在黑夜

9、里高速飛行而不會(huì)與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開發(fā)的。由于倒車?yán)走_(dá)體積大小及實(shí)用性的限制，目前其主要功能僅為判斷障礙物與車的距離，并做出提示。司機(jī)在倒車時(shí)，啟動(dòng)倒車?yán)走_(dá)，在控制器的控制下，由車尾保險(xiǎn)杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出車體與障礙物之間的距離，再由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號(hào)，從而使司機(jī)倒車時(shí)不至于撞上障礙物。當(dāng)前國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的研究現(xiàn)狀:通常的倒車?yán)走_(dá)主要由感應(yīng)器、主機(jī)、顯示設(shè)備等三部分組成。感應(yīng)器發(fā)出和接受超聲波信號(hào)，并將接收到的信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)，再通過顯示設(shè)備顯示出來。據(jù)感應(yīng)器種類不同，倒車?yán)走_(dá)可分為粘貼式、鉆孔式

10、和懸掛式等種。粘帖式感應(yīng)器后有一層膠，可直接粘在后保險(xiǎn)杠上:鉆孔式感應(yīng)器是在保險(xiǎn)杠上鉆一個(gè)洞，然后把感應(yīng)器嵌進(jìn)去:懸掛式感應(yīng)器主要用于載貨車。根據(jù)顯示設(shè)備種類不同，倒車?yán)走_(dá)又可以分為數(shù)字式、顏色式和蜂鳴式等三種。數(shù)字式顯示設(shè)備是一只如傳呼機(jī)大小的盒子，安裝在駕駛臺(tái)上，直接用數(shù)字表示汽車與后面物體的距離，并可精確到1厘米，讓駕駛員一目了然。經(jīng)過幾年的發(fā)展，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)過了數(shù)代的技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上，還是從性能價(jià)格上，這幾代產(chǎn)品都各有特點(diǎn)，目前使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)這3種。本文旨在設(shè)計(jì)一種以AT89C51單片機(jī)為核心控制芯片，高性價(jià)比的倒車?yán)走_(dá)。第2章 方案論證及

11、選擇1.1微處理器選擇方案一:使用51單片機(jī)51單片機(jī)具有功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、軟硬件資源都比較豐富等特點(diǎn)，其外圍接口電路簡單，具有很高的性價(jià)比，成本低，而且它經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)也相當(dāng)成熟。方案二:使用AVR Mega系列單片機(jī)Mega系列是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的AVR 8位單片機(jī)中的高端產(chǎn)品，由于市場和技術(shù)原因，市場占有率挺高，采用精簡指令集系統(tǒng)。方案三:使用MPS430，凌陽61單片機(jī)等16位單片機(jī)或者ARM系列32位單片機(jī)。由于本系統(tǒng)控制功能簡單，沒有必要為了提高性能而增加成本和開發(fā)難度。經(jīng)過綜合考慮，本題目采用第一套方案，選取性價(jià)比較高的51單片機(jī)。1.2測距傳感器選擇方案一:紅

12、外傳感器其原理是傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，接收管接收的光強(qiáng)隨反射物體的距離變化，據(jù)此判斷前方是否有障礙物并根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱判斷物體的距離。方案二:激光傳感器它是利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等。激光測距在技術(shù)途徑上可分為脈沖式激光測距和連續(xù)波相位式激光測距。脈沖式激光測距原理與雷達(dá)測距相似，測距儀向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，碰到目標(biāo)就要被反射回來，由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號(hào)的往返時(shí)間，用光速（30萬千米/秒）乘以往返時(shí)間的二分之一，就是所要測量的距離。方案三:超聲波傳感器。超聲波就

13、是空氣中傳播的超過人類聽覺頻率極限的聲波。其原理猶如蝙蝠，它嘴里發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到小昆蟲的時(shí)候，它的耳朵能夠接收反射回波，從而判斷昆蟲的位置并予以捕殺。超聲波傳感器的工作方式是通過發(fā)送器發(fā)射出來的超聲波被物體反射后傳到接收器接收來判斷是否檢測到物體。根據(jù)以上性能的比較，我們能看出來激光傳感器是比較理想的選擇，但是其價(jià)格較高，不易為大眾接受?？紤]到車輛行駛過程中測距應(yīng)當(dāng)有較強(qiáng)的抗干擾和較短的響應(yīng)時(shí)間，最終選用超聲波傳感器作為此方案的技術(shù)擴(kuò)展。1.3語音報(bào)警器的選擇由于在該設(shè)計(jì)中只涉及到簡單的報(bào)警聲音，可以直接用單片機(jī)的某一引腳產(chǎn)生方波控制。我擬定采用簡單的蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)該功能。1.4顯示子系

14、統(tǒng)的設(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。最簡單的顯示器可以用LED發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)簡單，易于安裝，但給出只是一個(gè)簡單的開關(guān)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，從能夠?qū)崿F(xiàn)顯示功能以及個(gè)人設(shè)計(jì)簡單方便方面考慮，本設(shè)計(jì)中采用三位8段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示功能。第2章 超聲波測距雷達(dá)工作原理2.1超聲波傳感器介紹超聲波是一種頻率超過20kHz 的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦苑瓷洹⒄凵?、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等?/p>

15、點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。利用超聲波檢測往往比較迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如:液位、井深、管道長度等場合。超聲波測量在國防、航空航天、電力、石化、機(jī)械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測物體內(nèi)部情況。超聲檢測設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。近十幾年來，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、

16、信號(hào)處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進(jìn)一步開拓了其適用范圍。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。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有:1壓電傳感器;2磁致伸縮傳感器;3靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。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，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等

17、組成，是超聲檢測中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鋸酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變;相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信

18、號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(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。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波

19、相同的電信號(hào)。圖2.1 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，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。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

20、尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，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，金屬殼可以防止外界力量對(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。2.1.1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:頻率特性 如圖2.2是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中，f0=40KHz為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在f0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

21、是說在f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在f0兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率f0的交流電壓來激勵(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似。曲線在f0處曲線最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，即在f0處圖2.2超聲波傳感器頻率特性曲線接收靈敏度最高。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具有較寬得帶寬，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

22、輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。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)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波)，這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某-點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射)，卻有指向性。2.2超聲波測距的原理及實(shí)現(xiàn) 超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應(yīng)用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度

23、為C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(S)，即:S=C*t/2=C*t0其中，t0就是所謂的渡越時(shí)間。可以看出主要部分有:（1）供應(yīng)電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路);（2）使接收和發(fā)射隔離的開關(guān)部分；（3）轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器;（4）接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)的接收傳感器;（5）接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備;（6）記錄/控制設(shè)備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較

24、多;頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內(nèi)測量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。 距離測量系統(tǒng)常用的頻率范圍為25KHz300KHz的脈沖壓力波,發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去;接收放大器用于放大回聲信號(hào)以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，接收放大器要有足夠的頻帶寬度;收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強(qiáng)大的發(fā)射信

25、號(hào);記錄/控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖按照系統(tǒng)所需功能，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)可以劃分為三大主要模塊:測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及顯示和語音報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如3.1所示。圖3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖其中測距系統(tǒng)有超聲波發(fā)肘、接收子系統(tǒng)構(gòu)成;控制部分以AT89C51單片機(jī)為核心，其P2.0口輸出10us的觸發(fā)信號(hào)制超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生40KHz的超聲波，利用外部中斷監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào);顯示報(bào)警部分由顯示系統(tǒng)及語音系統(tǒng)構(gòu)成，其中顯示系統(tǒng)采用簡單實(shí)用的3位共陽8段數(shù)碼管。3.2 AT89C5

26、1單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100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MCS-51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，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。如圖3.2所示。圖3.2 AT89C51管腳圖主要特性: 與MCS-51兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命:1000 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間:10年 全靜態(tài)工作:0H

27、z-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說明： vCC:供電電壓 GND:接地 P0口:PO口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向IO口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。PO能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，PO口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口:P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫

28、入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口:P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLA

29、SH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口:P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向IO口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL)這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示:P3口管腳備選功能:P3.0 RXD（串行輸入口)P3.1 TXD（串行輸出口)P3.2 /INTO(外部中斷0）0P3.3/INT1（外部中斷1)P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入)P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)P3.7/RD(外部數(shù)據(jù)

30、存儲(chǔ)器讀選通)RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。（3）振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（4）芯片擦除:整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合,并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。

31、在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.3 電源電路本設(shè)計(jì)使用汽車尾燈的12V電源為系統(tǒng)供電，但本系統(tǒng)適用電壓為5V，需設(shè)計(jì)電源電路將其轉(zhuǎn)化為5V電壓。電源電路如圖3.3所示。圖3.3電源電路圖三端穩(wěn)壓集成電路7805:用7805三端穩(wěn)壓器組成穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定，電壓大小為+

32、5V，滿足單片機(jī)的工作電源需求，7805所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。橋堆2W10:將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。整流橋堆是由四只整流硅芯片作橋式連接，外用絕緣朔料封裝而成，大功率整流橋在絕緣層外添加鋅金屬殼包封，增強(qiáng)散熱。整流橋品種多:有扁形、圓形、方形、板凳形（分直插與貼片）等，有GPP與 O/J結(jié)構(gòu)之分。最大整流電流從0.5A 到100A，最高反向峰值電壓從50V到1600V。3.4 時(shí)鐘電路單片機(jī)各種功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量影響單片機(jī)系

33、統(tǒng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘電路有兩種設(shè)計(jì)有兩種方式，一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。我采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，其電路圖如圖3.4所示。圖3.4 時(shí)鐘電路圖單片機(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，該高增益反相放大器的輸入端為單片機(jī)的XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳外部跨接石英振蕩器Y1和微調(diào)電容C1和 C2，構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。而電容的大小會(huì)影響振蕩的頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，因此對(duì)于電容選擇是很關(guān)鍵的，我們這次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路采用了所提供的33pF電容可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器電路。3.5復(fù)位電路復(fù)位電路是采用手動(dòng)按鍵電平來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位的。復(fù)位電平是

34、通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的其復(fù)位電路圖如圖3.5所示。 圖3.5 復(fù)位電路圖 常見的復(fù)位電路為上電復(fù)位電路，它能有效的實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)為高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期以上才能完成復(fù)位操作。在復(fù)位電路通電瞬間，由于RC的充電過程，在 RST端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持一定寬度，就能使單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位。以上的復(fù)位電路在通電時(shí)，是通過10uF的電容充電，并在復(fù)位端口和地之間加10k歐電阻從而使復(fù)位端口能夠保持高電平，并有效保持復(fù)位按鍵按下后能夠準(zhǔn)確復(fù)位.3.6 超聲波測距模塊HC-SR04本系統(tǒng)超聲波測距模塊采用HC-SR04測距模塊。HC-SR

35、04測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能,測距精度可達(dá)到3mm,模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路?；竟ぷ髟?（1）采用IO口 TRIG觸發(fā)測距，,加至少10us的高電平信號(hào);（2）模塊自動(dòng)發(fā)生8個(gè)40KHZ的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回;（3）有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高低平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S )/2.HC-SR04的外型及引腳如圖3.6所示，HC-SR04的性能參數(shù)和引腳定義分別如表3.1和表3.2所示。圖3.6 HC-SR04超聲波測距模塊外形圖表3.1 HC-SRO4性能參數(shù)表

36、3.2 HC-SR04引腳定義3.7 74HC573芯片74HC573是高性能硅門CMOS器件，為八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器。當(dāng)鎖存使能引腳LE為高時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是透明的(也就是說輸出同步)，當(dāng)鎖存使能引腳LE變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保存時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。74HC573芯片的引腳圖如圖3.7所示，功能表如表3.3所示。表3.3 74HC573功能表圖3.7 74HC573芯片引腳圖23河南工學(xué)院畢業(yè)論文3.8 數(shù)碼管顯示及報(bào)警電路設(shè)計(jì)LED是發(fā)光二極管的縮寫。LED數(shù)碼管里面有8只發(fā)光二極管，分別記作a、b、c、d、e、f、 g、dp，其中 dp為小數(shù)點(diǎn)，每一只發(fā)光二極管都有一根電

37、極引到外部引腳上，而另外一只引腳就連接在一起同樣也引到外部引腳上，記作公共端（COM)，其中引腳的排列因不同的廠商而有所不同。LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位。根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)位解碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O口多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要58=40個(gè)I/O口來驅(qū)動(dòng),要知道一個(gè)51單片機(jī)可用的I/O口才32個(gè)。故實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增

38、加解碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示界面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃“a、b、c、d、e、f、 g、dp”的同名端連在一起，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。透過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1 m

39、s2 ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。動(dòng)態(tài)掃描顯示方式在數(shù)碼管應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用得最為廣泛，這也是我在本設(shè)計(jì)中的顯示方法。共陽極與共陰極這兩種方法難度差不多，考慮到我自己對(duì)于共陽極的編程更熟悉，因此在該設(shè)計(jì)中我也采用數(shù)碼管共陽極的接法。至于語音報(bào)警，則采用一個(gè)簡單的蜂鳴器，利用單片機(jī)產(chǎn)生方波來控制。根據(jù)所測距離的長短來決定該方波的頻率，即蜂鳴器的報(bào)警頻率。語音報(bào)警電路和數(shù)碼管顯示電路分別如圖3.8和圖3.

40、9所示。圖3.8語音報(bào)警電路圖圖3.9數(shù)碼管顯示電路圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主要功能為發(fā)送超聲波、對(duì)回波進(jìn)行檢測、計(jì)算測量距離、顯示測量距離、聲光報(bào)警等。軟件包括主程序、超聲波發(fā)射子程序、INT0中斷服務(wù)程序、定時(shí)器T0溢出中斷程序四個(gè)主要模塊組成。4.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)主程序?qū)ο到y(tǒng)環(huán)境初始化后，首先置位回波接收標(biāo)志和由單片機(jī)P2.0口輸出一個(gè)高電平以啟動(dòng)超聲波發(fā)射電路，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T0。然后調(diào)用計(jì)算距離子程序，根據(jù)定時(shí)器T0記錄的時(shí)間計(jì)算出待測距離。接著調(diào)用顯示子程序，將測出距離以十進(jìn)制BCD碼方式送LED顯示，同時(shí)也調(diào)用聲音處理程序，控制蜂鳴器的發(fā)聲。最后主程序通過回波信號(hào)的接收

41、;若標(biāo)志位清零，說明接收到回波信號(hào)，則主程序返回到起始端重新置位回波接收標(biāo)志位和在P2.0 上發(fā)送高電平，如此往下運(yùn)行，循環(huán)往復(fù)。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的核心技術(shù)在于距離的測量，精確的測距后通過單片機(jī)來處理數(shù)據(jù)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。各種信號(hào)都將干擾到測距，其中余波信號(hào)的干擾嚴(yán)重影響到本設(shè)計(jì)中精確的測距。接收回路中的超聲波信號(hào)共有兩個(gè)波束，第一個(gè)波束為余波信號(hào)，即超聲波接收探頭在發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)后，馬上就接收到了超聲波信號(hào)。另一個(gè)波束為有效信號(hào)，即經(jīng)過被物體表面反射的回波信號(hào)。超聲波在測距時(shí)，需要測的是從開始發(fā)射到接收到信號(hào)的聲波往返的時(shí)間差，需要檢測的有效信號(hào)為反射物體反射的回波信號(hào)，故要盡量避免檢測到余波

42、信號(hào)。所謂余波就是在剛發(fā)射超聲波時(shí)直接到達(dá)接受探頭的直達(dá)波，它是超聲波檢測中存在測量盲區(qū)的主要原因。超聲波接收電路收到回波后，比較器動(dòng)作，發(fā)出有效信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過外部中斷引腳感受回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，中斷發(fā)生后表示已接收到回波信號(hào)，此時(shí)停止計(jì)時(shí)，并讀取計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)值即為需要測量的時(shí)間差的數(shù)據(jù)。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，所以發(fā)射點(diǎn)距障礙物之間的距離為:S=340*t/2=170*t 由于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上是對(duì)機(jī)器周期T機(jī)的計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率fosc取12MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值N，則 s = 1 7 * N / 1 0 = 0 .0 1 7 *N ( c m )程序中對(duì)測距數(shù)據(jù)的處理方法是:距離按上方公式進(jìn)行計(jì)算，其中，N為計(jì)數(shù)器的值，此時(shí)聲速取為340m/s。綜上所述，可得到系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.1所示。 圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖 在系統(tǒng)初始化的過程中，主要是設(shè)定定時(shí)器0的工作方式，同時(shí)還要打開總中斷等。當(dāng)P2.0發(fā)出一個(gè)時(shí)長為10us的高電平，便可啟動(dòng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生40KHZ超聲波，同時(shí)打開定時(shí)器進(jìn)行及時(shí)。當(dāng)超聲波接收到回波信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平給INT0,之后進(jìn)入中斷處理程序。在主程序中又會(huì)恢復(fù)定時(shí)器的初值等，依次進(jìn)行循環(huán)。4.2 中斷處理程序的設(shè)計(jì)