1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第1章 概 述1.1 課題研究背景和意義汽車業(yè)與電子業(yè)是世界工業(yè)的兩大金字塔，隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越來廣泛，汽車電子化的程度越來越高。隨著交通運輸向高密度發(fā)展，電子控制技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于汽車的乘坐安全性和導(dǎo)航方面。電子技術(shù)在汽車安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了增強(qiáng)汽車的安全性。汽車中應(yīng)用的電子技術(shù)主要有：電子控制安全氣囊，智能記錄儀，雷達(dá)式距離報警器，中央控制門鎖，自動空調(diào)，自動車窗、車門、座椅、刮水器，車燈控制，電源控制以及充電器等。近年來汽車的自動調(diào)速系統(tǒng)1，汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測和自診斷系統(tǒng)以及汽車導(dǎo)航系統(tǒng)被人們廣泛應(yīng)用。

2、在過去2030年中，人們主要把精力集中于汽車的被動安全性方面，例如，在汽車的前部或后部安裝保險杠、在汽車外殼四周安裝某種彈性材料、在車內(nèi)相關(guān)部位安裝各種形式的安全帶及安全氣囊等等2，以減輕汽車碰撞帶來的危害。安裝防撞保險杠固然能在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無法消除對被撞物體的傷害；此外，車上安裝的安全氣囊系統(tǒng)，在發(fā)生車禍時不一定能有效地保護(hù)車內(nèi)乘車人員的安全。所有這些被動安全措施都不能從根本上解決汽車在行駛中發(fā)生碰撞造成的問題。為預(yù)防撞車事故的發(fā)生，必須在提高汽車主動安全性方面下功夫。汽車發(fā)生碰撞的主要原因是由于汽車距其前方物體（如汽車、行人或其他障礙物）的距離與汽車本身的距離近而相

3、對速度太高。為了防止汽車與前方物體發(fā)生碰撞，汽車與前方物體之間要保持一定的距離。這樣就會大大提高汽車行駛的安全性，減少車禍的發(fā)生。發(fā)展汽車防撞技術(shù)，對提高汽車智能化水平有重要意義3。據(jù)統(tǒng)計，危險境況時，如果能給駕駛員半秒鐘的預(yù)處理時間，則可分別減少追尾事故的30%，路面相關(guān)事故的50%，迎面撞車事故的60%。1秒鐘的預(yù)警時間可防止90%的追尾碰撞和60%的迎頭碰撞。理論上，汽車防撞裝置可在任何天氣、任何車速狀態(tài)下探測出將要發(fā)生的危險情況并及時提醒司機(jī)及早采取措施或自動緊急制動4，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。汽車防撞裝置是借助于檢測測技術(shù)監(jiān)視汽車前方和后方的車輛、障礙物，并根據(jù)當(dāng)時的距離自動判斷是否達(dá)到危

4、險距離5，及時向司機(jī)發(fā)出警告。1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀鑒于交通事故的不可預(yù)測性和不可絕對避免性，為了減少交通事故，優(yōu)化交通秩序，利用計算機(jī)及信息技術(shù)來提高道路交通安全和效率已成為國內(nèi)外研究的熱點。二十世紀(jì)八十年代以后展開的關(guān)于智能交通系統(tǒng)的研究6，被認(rèn)為是解決各種交通問題的一個很好的途徑。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)7、通訊數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)以及計算機(jī)處理系統(tǒng)有效地應(yīng)用于整個運輸管理體系8，使人、車、路環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而建立一個全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)9。其中智能車輛系統(tǒng)涉及到計算機(jī)測量與控制、計算機(jī)視覺、傳感器數(shù)據(jù)融合、車輛工程等諸多領(lǐng)域。視覺系統(tǒng)在智能車

5、輛中起到環(huán)境探測和辨識作用10。與其他傳感器相比，機(jī)器視覺具有檢測信息量大，單純以當(dāng)前的現(xiàn)實條件出發(fā)解決，容易導(dǎo)致系統(tǒng)實時性差11。根據(jù)計算車輛與目標(biāo)的相對位移，并用自適應(yīng)濾波對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減少環(huán)境的不穩(wěn)定性造成的測量誤差12。在智能車輛領(lǐng)域，常用的還有雷達(dá)、激光、GPS等傳感器。利用信息感知、動態(tài)辨識、控制技術(shù)的方法提高安全性，是先進(jìn)汽車控制與安全系統(tǒng)(AVCSS)的主要研究內(nèi)容13.世界各大汽車公司都在開展這方面的研究與開發(fā)工作。日本各大汽車制造企業(yè)如豐田、日產(chǎn)、馬自達(dá)、本田、三菱等公司致力于新型安全汽車技術(shù)研究開發(fā)，并取得了重要的進(jìn)展。豐田汽車公司使用毫米波雷達(dá)和CCD攝像機(jī)對本

6、車的距離進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測14，當(dāng)兩車距離小于設(shè)定值時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號提醒本車駕駛員。日產(chǎn)汽車公司使用緊急制動勸告系統(tǒng)，利用先進(jìn)的車距監(jiān)測系統(tǒng)對跟車距離進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，當(dāng)需要減速或制動時，用制動燈亮來提醒駕駛員，并及時監(jiān)測駕駛員操縱駕駛踏板的踏踩狀態(tài)，必要時使汽車的自動制動系統(tǒng)起作用降低車速，在最危險時刻自動制動。本田公司使用具有扇形激光束掃描的雷達(dá)傳感器15，即使車輛在彎道行駛也能檢測到本車與前方汽車或障礙物的距離降到設(shè)定值時，駕駛員仍未及時采取相應(yīng)措施，便發(fā)出警告信號。三菱和日立公司在毫米波雷達(dá)防撞方面也做了大量的研究，其雷達(dá)中心頻率主要選擇6061GHZ或7677GHZ，探測距離為120m，

7、尼桑公司為41LV-Z配備了自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)16。德國和法國等歐洲國家也對毫米波雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了研究17，特別是奔馳、寶馬等著名汽車生產(chǎn)廠商，其采用的雷達(dá)為調(diào)頻毫米波雷(Frequency Modulation Continuous Wave)18，頻段選擇7677GHZ。如奔馳汽車公司和英國勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車防撞報警系統(tǒng)，探測距離為150m，當(dāng)測得的實際車間距離小于安全車間距離時，發(fā)出聲光報警信號。該系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。美國的汽車防碰撞技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，福特汽車公司開發(fā)的汽車防碰撞系統(tǒng)的工作頻率為24.725GHZ,探測距離約106m。僅探測本車道內(nèi)車輛的信息19，從而可避免旁車道上

8、目標(biāo)物的影響。戴姆勒-克萊斯勒公司的防撞結(jié)構(gòu)主要是兩個測距儀和一個影像系統(tǒng)，她能夠測出安全距離，發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，計算機(jī)能夠自動引發(fā)制動裝置。戴姆勒-克萊斯勒公司的實驗結(jié)果顯示，車速以每小時32.18公里/小時的速度行駛，在距離障礙物2.54的地方停下來。近距離報警如倒車?yán)走_(dá)現(xiàn)已蓬勃地車輛上安裝使用，但國內(nèi)目前生產(chǎn)的中遠(yuǎn)距離測量普遍達(dá)不到要求，表現(xiàn)在最遠(yuǎn)測距距離近，測距誤差大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足高速公路的安全車距離要求，需進(jìn)一步研究。1.3 超聲波傳感器原理超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本設(shè)計中超聲波傳感器采用電氣方式中的

9、壓電式超聲波換能器20。它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶體和一個共振板21。當(dāng)它的兩級外加脈沖信號其頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率時，壓電晶體片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶體片做振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器22。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能檢測到的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)看清器件上的標(biāo)志23。超聲波測距的方法有很多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法24。本設(shè)計采用往返

10、時間檢測法測距25。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖26，其所經(jīng)歷的時間即往返時間。往返時間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)27。根據(jù)測試傳輸時間可以得出距離。假設(shè)S為被測物體到測距儀之間的距離，測的的時間為t，超聲波傳播的速度為v表示。則有關(guān)系式： (1-1)在精度的要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(1-2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 (1-2)中，T為實際溫度單位為,V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為M/S。表1-1 一些溫度下的聲速溫度-30-20-100102030

11、聲速313319322331337344350第2章 硬件簡介本設(shè)計采用以AT89S51單片機(jī)為核心芯片的電路來實現(xiàn)，主要由AT89S51芯片、時鐘電路、復(fù)位電路、LED顯示、超聲波傳感器5部分組成。AT89S51單片機(jī)的時鐘電路由18（XTAL1）管腳和19管腳的時鐘端（XTAL2）組成。給單片機(jī)一定的周期。與12MHz的晶振Y1電容C9電容C10組成，采用片內(nèi)振蕩方式。復(fù)位電路采用簡易的開關(guān)復(fù)位電路，主要由電阻R2，電容C7，開關(guān)K2組成，分別接至AT89C51的RST復(fù)位輸入端。2.1 AT89S51單片機(jī)概述AT89S51 是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)。片內(nèi)4KBytes

12、ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP FLASH 存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89S51具有如下特點：40個引腳，4K Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器，128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入、輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。主要特性： 8031 CPU與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) 全靜態(tài)工

13、作：0Hz-33MHz 三級程序存儲器保密鎖定 128*8位內(nèi)部RAM 32條可編程I/O線 兩個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2.1.1 AT89S51單片機(jī)功能特性概述AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，

14、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。2.1.2 AT89S51單片機(jī)引腳說明AT89S51單片機(jī)的主要管腳有：XTAL1(19管腳)和XTAL2(管18腳)為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd(9腳)為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。采用低電平復(fù)位。Vcc（40管腳）和Vss（20管腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。在本設(shè)計中用P0。0P0.7控制數(shù)碼管段選。用p2端口(P2.4P2.7管腳)控制數(shù)碼管顯示的位選?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：各引腳在AT89S51單片機(jī)上的

15、排列順序，如下圖2-1所示。 圖2-1 AT89S51引腳圖P2.0：接地P4.0：正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM寫程序時，接+5V電源。P1.9：時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端，是外接晶體的一個引腳。P1.8：時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端，是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。RST/VPP(PIN1):復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。P0.0p0.7：輸入信號用于控制LED段選。P1.0:連接AT89SISP紅外解碼芯片。P1.0和p1.5、p1.6、p1.7與單片機(jī)編程器連接，是程序下載端口。AT89S51的時鐘有兩種

16、方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18腳和19腳外接石英晶體(2MHz-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10pF-30pF。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。P3.0：ALE是允許地址鎖存輸出/編程脈沖輸入引腳。當(dāng)訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當(dāng)訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。PSE：復(fù)位。EA：電源輸入端。2.1.3 復(fù)位電路單片機(jī)AT89S51作為

17、主控芯片，控制整個電路的運行。單片機(jī)外圍需要一個復(fù)位電路，復(fù)位電路的功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。該設(shè)計采用含有電阻的復(fù)位電路，復(fù)位電路可以有效的解決電源毛刺和電源緩慢下降(電池電壓不足)等引起的問題，在電源電壓瞬間下降時可以使電容迅速放電，一定寬度的電源也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。復(fù)位電路如圖2-2示： 圖2-2 復(fù)位電路圖復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，使CPU及各專用存儲器處于一個確定的初始狀態(tài)，其中把PC的內(nèi)容初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開

18、始執(zhí)行程序，除了系統(tǒng)的正常開機(jī)(上電)復(fù)位外，當(dāng)程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死循環(huán)狀態(tài)時，為擺脫困境，可按復(fù)位鍵進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電路由片外和片內(nèi)兩部分電路組成。AT89S51的RST引腳為復(fù)位引腳，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平，即可實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位通常有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方法。本設(shè)計采用的是按鍵復(fù)位，當(dāng)按下按鍵后，電容被短路，RST引腳就處于高電平，就可以達(dá)到復(fù)位的目的。復(fù)位電路工作原理：當(dāng)按下S1時電容C7短路，R2為防止電容放電，RST此時為高電平；不按S1時，由于電容通交流阻直流，RST仍為低電平。2.2 各芯片功能及工作原理在本設(shè)計中用到了74HC04芯片、CX2

19、016芯片、晶振芯片。芯片在本設(shè)計設(shè)計中起到了關(guān)鍵作用。2.2.1 晶振芯片本設(shè)計中采用了12MHZ的晶體振蕩器。只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機(jī)械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機(jī)械變形的振幅突然增大。晶體振蕩電路連接圖如圖2-3所示。圖2-3 晶振電路圖LED顯示簡介第1管腳：VSS為電源地，接GND。第2管腳：VDD接5V正電源。第3管腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4管腳：RS為寄

20、存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5管腳：RW為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6管腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714管腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15管腳：BLA背光電源正極(+5V)輸入引腳。第16管腳：BLK背光電源負(fù)極，接GND。 注意：液晶模塊背光須消耗電流約為50mA左右，S51增強(qiáng)型實驗板上設(shè)計了DIP微動開關(guān)來控制背光的開關(guān)，如右圖所示，當(dāng)實驗板上的DI

21、P開關(guān)(第3位)撥打到ON狀態(tài)時，液晶背光顯示，撥到OFF狀態(tài)時，背光關(guān)閉。TC1602液晶模塊內(nèi)帶標(biāo)準(zhǔn)字庫，內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了192個5×7點陣字符，32個5×10點陣字符。另外還有字符生成RAM（CGRAM）512字節(jié)，供用戶自定義字符。如表1所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是0B（41H），顯示時模塊(xian shi mo kuai)把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。 2.2.2 8位數(shù)碼管8段數(shù)碼管屬于LED發(fā)

22、光器件的一種。LED發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點陣。8段數(shù)碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為8段：A、B、C、D、E、F、G、P 10根管腳，每一段有一根管腳。其中P為小數(shù)點。數(shù)碼管常用的有另外兩根管腳為一個數(shù)碼管的公共端，兩根之間相互連通，如圖2-4所示:圖2-4 LED的引腳和電路原理數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。數(shù)碼管有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示管的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的

23、段被顯示。同樣，共陽極LED顯示管的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示。本次設(shè)計所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陰極。LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為1.52V，額定電流為10mA，最大電流為40mA。靜態(tài)顯示時取10mA為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過40mA。如表2-1所示。表2-1 數(shù)碼管輸出真值表 管腳值顯示字符dpgfedcba十六進(jìn)制數(shù)0110000000C0H1111110010F9H2101001000A4H3101100000B0H41001100199H5

24、1001001092H61000001082H711111000OF8H續(xù)表2-181000000080H91001000090HA1000100088HB1000001183HC110001100C6HD101000010A1HE1000011086HF100011108EH2.2.2 74HC04芯片高速CMOS-六反相器.對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間相對于LSTTL邏輯IC，功耗減少很多工作電壓：2V到6V兼容直接輸入LSTTL邏輯信號, VIL= 0.8V (Max), VIH = 2V (Min)兼容CMOS邏輯輸入, 1A at VOL, VOH 如圖2-4所示。寬工作溫度范圍：-55

25、-125。74HC041413812111091346572GND3A3YVCC6A6Y5Y5A4A4Y2YTY2A3A圖2-4 74HC04反相器在本設(shè)計中74HC04起到驅(qū)動電壓的作用。2.2.3 CX20106芯片 CX20106內(nèi)部由前置電路將接收到的信號，轉(zhuǎn)換成CX20106可以接收的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，送到CX20106的1管腳。CX20106的總放大增益約為80dB，其7管腳輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.55V 范圍內(nèi)?？傇鲆娲笮∮?管腳外接的R1.。9、C1.4決定，R1.9越小或C1.4越大，增益越高。但取值過大時將造成頻率響應(yīng)變差，C1.4為10uF。采用峰值檢波方式檢波電容C

26、1.2為10uF。R2為帶通濾波器中心頻率f0的外部電阻。積分電容C1.3取330pF。經(jīng)CX20106處理后的脈沖信號由7管腳輸出給AT89S51進(jìn)行譯碼處理。CX2016:紅外解碼芯片。CX20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。前置放大器限幅放大通帶濾波峰值濾波積分比較整形輸出1D2R19C1.4C1.2345678R2.0R3.2C1.3輸出5V輸出圖2-5 CA20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第3章 汽車防撞報警系統(tǒng)設(shè)計3.1 汽車防撞報警系統(tǒng)總方案本設(shè)計是以AT89S51單片機(jī)控制的汽車防撞報警系統(tǒng)。該裝置將單片機(jī)的實時控制及數(shù)據(jù)處理功能與超聲波的測距技術(shù)相結(jié)合，可檢測汽車運行中與前方障礙物的距離，

27、通過LED顯示裝置顯示距離，并由蜂鳴器根據(jù)距離遠(yuǎn)近發(fā)出警告聲。本設(shè)計中將電路分為以下幾個主要的組成部分,分別是超聲波發(fā)射，超聲波接收，溫度測量，顯示和報警，電源等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。測溫電路單片機(jī)外圍電路AT89S51發(fā)射電路接收電路顯示電路報警電路超聲波發(fā)射換能器超聲波接收換能器障礙物電源電路圖3-1 系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S512控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器和一支超聲波接收換能器。超聲波信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射到空氣中，遇被測物反射后回聲波被超聲波接收換能器接收。進(jìn)行相關(guān)處理后，輸入單片機(jī)的INTO腳產(chǎn)生

28、中斷，計算中間經(jīng)歷的時間，同時再根據(jù)具體的溫度計算相應(yīng)的聲速，根據(jù)式(1-2)就可得出相應(yīng)的距離。報警系統(tǒng)根據(jù)LED顯示的距離發(fā)出報警。3.2 超聲波發(fā)射模塊超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器能向外界發(fā)出40KHZ左右的方波脈沖信號。40KHZ左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如555振蕩產(chǎn)生或軟件。本設(shè)計采用單片機(jī)軟件編程控制。由單片機(jī)P1.0端口輸出40KHZ左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40KHZ方波脈沖信號分成兩路送給一個由74HLS04組成的推挽式4電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器以聲波形式發(fā)射到空氣

29、中。發(fā)射部分的電路如圖3-2所示。圖中輸出端上拉電阻R16,R17一方面可以提高反向器74HLSO4輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。圖3-2 超聲波發(fā)射電路圖3.3超聲波接收模塊超聲波換能器發(fā)射的超聲波信號在空氣中傳播遇到障礙物就會返回，超聲波接收模塊是為了將反射回波順利接收到超聲波接收換能器進(jìn)行轉(zhuǎn)換成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理。本設(shè)計中采用的是索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106。超聲波接受換能器將得到的一個負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2 (INT0)引腳，便產(chǎn)生一個中斷。接收模塊的電路如圖 3-3所示。 由電路圖可以看出集

30、成芯片CX20106在接收模塊電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接受的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點。由于紅外遙控常用的載波頻率38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0可由其5引腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060KHZ。所以本設(shè)計中采用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程是：接收到的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇、濾除干擾信號，再經(jīng)整

31、形，送到輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7教直接接收到AT89S52的P3.2引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R4.2,將濾波器的中心頻率設(shè)置在40KHZ就可達(dá)到理想的效果。圖3-3 超聲波接收電路圖3.4 其它主要模塊3.4.1溫度測量模塊由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同。為提高系統(tǒng)的精確度，本設(shè)計采用了溫度補償功能。這里采用的主要元器件是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。將單片機(jī)的P1.1口與DS18B20

32、數(shù)據(jù)線相連就可以實現(xiàn)溫度測量，如圖3-4所示。 GNDVCCP11GND123DQVDDDS18B20U5圖3-4 溫度測量電路圖3.4.2 LED顯示模塊本設(shè)計顯示模塊采用LCD顯示所測距數(shù)值。TC1602顯示的容量為2行16個字。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、適用方便等諸多優(yōu)點。與數(shù)碼管相比顯得更專業(yè)、美觀。從價格上考慮本設(shè)計采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管分為共陰數(shù)碼管和共陽數(shù)碼管，本系統(tǒng)中使用共陰數(shù)碼管，其工作原理為：公共端接地（低電位），然后給abcdefgh各段賦予高電位，即可顯示不同的數(shù)值顯示。單片機(jī)通過P0口輸出數(shù)字80的二進(jìn)制代碼，給數(shù)碼管賦予了段值，再通過P2端

33、口將數(shù)碼管位選通，數(shù)碼管就可以顯示出出設(shè)定的安全距離80。原理：P2.4P2.7口為高電平時，三極管截止，S1S4為低電平，數(shù)碼管位選通；P2.4P2.7口為低電平時，三極管導(dǎo)通，S1S4為高電平，對P2.4P2.7口賦予高電位或低電位可以選擇不同位的數(shù)碼管亮。顯示如圖3-5所示：圖3-5 LCD顯示電路圖3.4.3 電源模塊電源模塊電路采用LM7805三端穩(wěn)壓集成電路，用LM7805三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源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，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的LM78或LM79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如

34、LM7805表示輸出電壓為正5V。此電源模塊電路利用LM7805芯片不僅生成了穩(wěn)壓電源，并且并聯(lián)了一個限流電阻和一個發(fā)光二極管，當(dāng)有電流流過時，發(fā)光二極管發(fā)光；無電流時，二極管滅?？蓪崿F(xiàn)對電源的檢測作用，方便及時發(fā)現(xiàn)電源供給問題所在。如圖3-6所示。圖3-6電源電路圖3.4.4. 聲音報警模塊在很多車上裝備防撞系統(tǒng)，用于減少車輛在駐車、倒車和低速行駛時發(fā)生撞車的概率。儀表板上有指示燈指示車輛與障礙物的距離，在車輛與障礙物十分接近時有指示燈和聲音報警。本設(shè)計中采用一個蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前經(jīng)過一個三極管9012的放大。聲音報警的電路連接圖如圖3-7所示。圖為報警

35、器電路，R6,R10為限流電阻，當(dāng)P2.0口輸出高電平是，三極管Q1.1截止，此時由于2為高電平，LED與揚聲器沒有電流流過，即LED不亮，揚聲器不響；當(dāng)P2.0口輸出低電平時，三極管Q1.1導(dǎo)通，LED與揚聲器有電流流過，即LED亮,揚聲器響起圖3-7 聲音報警電路圖3.5 總體電路設(shè)計通過對整個系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計，由此可以基本確定本次系統(tǒng)設(shè)計的總體電路的基本框圖，如圖3-8所示。圖3-8 總體電路圖第4章 軟件設(shè)計4.1 主程序流程設(shè)計本系統(tǒng)采用匯編語言編程，系統(tǒng)程序包括主控程序、T1中斷服務(wù)子程序、INT0中斷服務(wù)子程序、測溫子程序、距離計算子程序、顯示子程序、延時子程序和報警子程序設(shè)計

36、等。主程序流程圖如圖4-1所示。上電開始超聲波測距L<=80cm數(shù)碼管顯示斷電結(jié)束顯示報警是否復(fù)位無復(fù)位圖4-1 主程序流程圖 4.2控制程序流程設(shè)計系統(tǒng)初始化后就啟動定時器T1從0開始計數(shù)。此時主程序進(jìn)入等待，當(dāng)?shù)竭_(dá)65ms時T1溢出進(jìn)入T1中斷服務(wù)子程序；在T1中斷服務(wù)子程序中將啟動一次新的超聲波發(fā)射，此時將在P1.0引腳上開始產(chǎn)生40KHZ的方波，同時開啟定時器T0計時，為了避免折射波的繞射需要延時1ms后再開INT0中斷允許；INT0中斷允許打開后若此時p3.2(INT0)引腳出現(xiàn)低電平則代表收到回波信號。將提出中斷請求進(jìn)入INT0中斷服務(wù)子程序，在INT0中斷服務(wù)子程序中將停止

37、定時器T0計時，讀取定時器T0時間值到相應(yīng)的存儲區(qū)，同時設(shè)置接收成功標(biāo)志；主程序一旦檢測到接收成功標(biāo)志，將調(diào)用溫測子程序，采集超聲波測距時的環(huán)境溫度，并換算出準(zhǔn)確的聲速，存儲到RAM存儲單元中；單片機(jī)再調(diào)用距離計算子程序進(jìn)行計算，計算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離；此后主程序調(diào)用顯示子程序進(jìn)行顯示；若超過設(shè)定的最小報警距離還將啟動揚聲器報警。當(dāng)一次發(fā)射、接受、顯示的過程完成后系統(tǒng)將延遲100ms重新讓T1置初值，再次啟動T1以溢出，進(jìn)入下一次測距。如果猶豫障礙物過遠(yuǎn)超出量程以致在T0溢出時尚未接收到回波則顯示“ERROR”重新回到主程序流程進(jìn)入新一輪測試。開始系統(tǒng)初始化啟動T1定時65秒，開T1

38、中斷T1定時器65ms定時到進(jìn)入T1中斷服務(wù)子程序計時發(fā)射超聲波脈沖回波接收成功關(guān)總中斷允許EA調(diào)用測溫子程序補償聲速調(diào)用距離計算子程序距離小于預(yù)設(shè)值調(diào)用揚聲器報警子程序調(diào)用子程序顯示距離并延時清回波接收成功標(biāo)志位T0溢出調(diào)用子程序NNYYYNY圖4-2流程圖第5章 調(diào) 試5.1 硬件調(diào)試第一步，通電觀察。將電路通電觀察有無異?，F(xiàn)象，例如有無器件冒煙現(xiàn)象，有無異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)斷電源，待排除故障后再通電。第二步，靜態(tài)調(diào)試。將信號輸入端加固定的電平信號后進(jìn)行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點的電位，通過和理論估算值比較，結(jié)合電路原理的分析，判斷

39、電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調(diào)整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設(shè)計要求。第三步，動態(tài)調(diào)試。動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在電路的輸入端加入合適的信號，按信號的流向，用示波器順序檢測各測試點的輸出信號，若發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，應(yīng)分析其原因，并排除故障，再進(jìn)行調(diào)試，直到滿足要求。5.2 軟件調(diào)試所謂軟件調(diào)試，是將編制的程序投入實際運行前，用手工或編譯程序等方法進(jìn)行測試，修正語法錯誤和邏輯錯誤的過程。這是保證單片機(jī)正確運行的必不可少的步驟。編完單片機(jī)程序，必須送入單片機(jī)中測試。我把軟件調(diào)試過程分為兩步：第一步，使用軟件調(diào)試程序。將編輯好的

40、匯編語言程序進(jìn)行編譯連接，消除基本的語法錯誤，再通過軟件自帶的調(diào)試工具進(jìn)行必要的程序調(diào)試。第二步，聯(lián)系程序的實際運行情況調(diào)試程序。此步主要是消除程序中的邏輯錯誤，因為在編輯程序時在邏輯思維上可能會出現(xiàn)漏洞導(dǎo)致操作時出錯。我們將編輯好的匯編語言程序編譯連接并生成hex文件，并將hex文件下載到單片機(jī)中。通過實際操作尋找邏輯上的錯誤，不斷的修改程序，最終達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的操作步驟及顯示格式等多方面的要求。5.3 測試結(jié)果為了保證實際制作出來的汽車防撞報警系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運行，我們對各個功能模塊和程序運用仿真軟件protus進(jìn)行了仿真測試。但實際制作出的電路和理論又會有一定的差距，為此我們還使用實驗

41、儀器對該汽車防撞報警系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)測試。在本電路的調(diào)試中，如果一直發(fā)射超聲波，在7腳將會有周期的低電平產(chǎn)生。不會像通常認(rèn)為的那樣，即一直發(fā)射信號時，7腳一直為低電平。這是剛用CX20106時的一個常見錯誤。只要通過單片機(jī)來來計算發(fā)射信號時到收到信號是產(chǎn)生下降沿這段時間的長度，再通過數(shù)學(xué)計算，轉(zhuǎn)化為距離，然后在顯示器上顯示。在測試過程中的總結(jié)：1、定時器T1之所以是65ms溢出是因為它是16位定時/計數(shù)器。在使用12MHZ的晶振時，一個機(jī)器周期是1us,計數(shù)器65ms技術(shù)器溢出。2、本設(shè)計中40KHZ方波的產(chǎn)生采用軟件方式實現(xiàn)：控制p1.0口輸出12us的高電平，再輸出13us的低電平，這樣得到

42、一個周期的40KHZ的脈沖。再循環(huán)發(fā)送8次。3、在cpu停止發(fā)送脈沖后，由于阻尼換能器不能立即停止發(fā)送超聲波。在一段時間內(nèi)仍然會發(fā)送，故這段時間內(nèi)不可立即開啟INT0接收回波，要等待一段時間后，這樣就避免發(fā)送端的部分直射波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收端。4、最大測試距離將取決于：兩次脈沖發(fā)送之間的最小時間間隔和脈沖的能量。一般來說發(fā)射端脈沖個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(yuǎn)。但也不是無限制的。本設(shè)計中讀取定時器T0的計數(shù)值。測試結(jié)果如圖 5-1所示：圖5-1 調(diào)試結(jié)果結(jié) 論利用AT89S51單片機(jī)設(shè)計的超聲波防撞報警系統(tǒng)便于操作、讀數(shù)直觀。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較

43、低、有良好的性價比、設(shè)計中在超聲波接收電路中使用了CX20106集成芯片，減少了電路之間的相互干擾，減少了電噪聲。本設(shè)計系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于小距離測量。通過試驗驗證該設(shè)計系統(tǒng)靈活方便，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，精確度高，能夠有效的防止小車碰撞前面的障礙物。超聲波換向器能很好的接收和發(fā)射信號，很大程度上降低了小車周圍實物的干擾性，提高抗干擾性。得到了預(yù)期的效果。在本設(shè)計中，出現(xiàn)一個問題就是蜂鳴器一直響。原因是：(1)蜂鳴器是由程序控制的，只要檢測到距離小于80cm，程序執(zhí)行中斷來處理蜂鳴器響這條指令。(2)檢查電池沒有有電。通過本設(shè)計我學(xué)到了很多在實際操作中的知識：(1)AT89S51各個管腳的功

44、能。(2)LED顯示段選和位選的控制。(3)每個模塊的電路圖的功能。致 謝本論文是在我的指導(dǎo)老師李艷輝老師的親切關(guān)懷與細(xì)心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，李老師始終都給予了細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在他的身上，我們可以感受到一個學(xué)者的嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實，這些都讓我們獲益菲淺，并且將終生受用無窮。畢竟“經(jīng)師易得，人師難求”，希望借此機(jī)會向李老師表示最衷心的感謝！此外，本文最終得以順利完成，也是電氣信息工程學(xué)院其他老師的幫助分不開的，雖然他們沒有直接參與我的論文指導(dǎo)，但在開題時也給我提供了不少的意見，提出了一系列可行性的建議，在此向他們表示深深的感謝！最后要感謝的是我的父母，在未來的日子里，我會

45、更加努力的學(xué)習(xí)和工作，不辜負(fù)父母對我的殷殷期望！我一定會好好孝敬和報答他們！參考文獻(xiàn)1 翟金輝超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計M中國儀器儀表2007(8)：44-45.2 袁佑新，吳妍，劉蘇敏可視汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計M微計算機(jī)信息2007(23)：268-270.3 宋永樂高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計M現(xiàn)在電子技術(shù).2008,31(15)：137-139.4 吳斌方超聲波傳感器的研究J湖北理工學(xué)院學(xué)報，2006(6):26-28.5 高吉祥電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計M北京:電子工業(yè)出版社，2002：283-288.6 孫肖子張企民.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1版西安,西安電子科技大學(xué)出版社，2001：33-39.7

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