PAGE5基于51單片機的倒車輔助系統(tǒng)設計目錄1緒論 51.1研究的背景 51.2研究的主要內容 61.3應解決的關鍵問題 62電路方案論證 72.1方案比較 72.1.1激光測距 72.1.2超聲波測距 72.2電路總體方案 73單片機概述 93.1STC89C51主要性能 93.2STC89C51外部結構及特性 93.3STC89C51內部組成 114超聲波測距模塊 124.1超聲波傳感器介紹 124.2HC-SR04超聲波測距模塊的性能特點 134.3HC-SR04的管腳排列和電氣參數(shù) 144.3.1管腳簡介 144.3.2HC-SR04的電氣參數(shù) 144.4超聲波時序圖 155系統(tǒng)硬件電路設計 165.1單片機最小系統(tǒng) 165.1.1STC89C51芯片 165.1.2復位電路 165.1.3晶振電路 175.2驅動顯示電路及報警電路 185.2.1LED數(shù)碼管顯示電路 185.2.2蜂鳴器和LED報警 185.3HC-RS04超聲波測距原理 195.4按鍵設置電路 205.5語音芯片電路 206系統(tǒng)程序的設計 226.1主程序 226.2顯示數(shù)據(jù)子程序 226.3報警子程序 236.4按鍵子程序 23結論 25摘要：改革開放的先進政策惠及了我國的各行各業(yè)，在經濟發(fā)展態(tài)勢十分喜人的情況下，我國的汽車工業(yè)已經相應的交通產業(yè)發(fā)展態(tài)勢同樣讓廣大老百姓感到十分開心。因為隨著我國的汽車產業(yè)越來越發(fā)達，相應汽車的價格也會逐漸降低，普通民眾購買私家車的能力也越來越強。但是，這種繁榮帶來了越來越嚴重的交通堵塞。有時也會發(fā)生倒車不慎所引起的交通事故，在這種情況下，很多普通老百姓因為駕駛員的操作不當或者倒車時的違規(guī)操作喪失了自己寶貴的生命，通過廣大勞動者付出汗水而得到的財富也蒙受重大損失。對于這樣的情況，需要設計安全性高的，且價格親民適合廣大老百姓運用于日常生活的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)就是倒車輔助系統(tǒng)。而想要設計的倒車輔助系統(tǒng)的價格普通老百姓可以接受，那么就需要用到超聲波傳感器作為該系統(tǒng)的核心構成。而超聲波的特點以及原理與我們所要解決的倒車問題十分契合，因此超聲波傳感器被用于倒車的輔助系統(tǒng)中是十分合理且可行的且常見的。此系統(tǒng)所依據(jù)的原理就是以超聲波傳感器的原理和以及相應單片機的功能和特性設計的可以幫助駕駛員在行駛過程中用于幫組自己進行安全倒車的系統(tǒng)即本文所要介紹的倒車輔助系統(tǒng)。超聲波得特點有很多，其優(yōu)點是指向性強，能量消耗速度比較慢，傳輸距離長。因此，在使用傳感器相關技術的后置距離測量方法中，超聲波測量距離是目前使用最多的方案。它被廣泛用于防盜和倒車等普通老百姓所能接觸到的普通生活場景中大大的方便了民眾的日常生活、它同樣也會被用于水位檢測、建筑工地和一些工業(yè)現(xiàn)場等專業(yè)性較高的場景來幫助相關人員進行工作生產活動。AT89C51單片機的功能和特性以及超聲波傳感器的規(guī)則和特征都將在本輔助系統(tǒng)的設計中一一被介紹到。基于國內外超聲波傳感器和AT89C51單片機，檢索了設計背包輔助系統(tǒng)的相關報道，并對相關研究的最新結果進行了調查。對以超聲波傳感器的原理和相應的超神波特性設計的后置雷達輔助系統(tǒng)的制作進行相應的探討以及相應的研究。這個倒車支援系統(tǒng)分為以下3個模塊。3個模塊分別是“距離測量、系統(tǒng)控制及警報顯示”。同時研究了各個模塊的設計方案，設計了以超聲波傳感器為原理設計的背包包裝輔助系統(tǒng)的各模塊結構和必要的設計方案。在該包層輔助系統(tǒng)的硬件電路中，該包層輔助系統(tǒng)具有AT89C51宏處理器的相關特性和低成本、高精度、以數(shù)字顯示所代表的相應優(yōu)點為中心，構思與設計了與超聲波測量器的相關原理和特性十分契合的設計方案，這一方案包括相應的軟件程序方案。也同樣包括與所設計的軟件程序相契合的硬件電路的設計方案。這個幫助駕駛員在行駛過程中安全倒車的系統(tǒng)的電路是使用由5個模塊構成的模塊設計的，以此為基礎實現(xiàn)超聲波傳感器，具備測量距離的各種功能。在這個原理上上研定了幫助駕駛員在行駛過程中倒車的系統(tǒng)的相應的整體方案，并通過完成相應的軟件程序方案和硬件電路設計方案的實現(xiàn)了各模塊的設計。關鍵詞：超聲波、測距系統(tǒng)、單片機、聲音、輔助系統(tǒng)1序論1.1研究背景各個汽車與汽車周圍的物體距離過近或者是汽車的相對速度過高是導致交通事故發(fā)生并對民眾的生命以及財產造成危害的主要原因。因此，為了防止因駕駛員的操作不當或者倒車時汽車發(fā)生倒車失靈從而導致的在倒車過程中物體相撞的事故的發(fā)生，此倒車輔助系統(tǒng)將會保證汽車在倒車時的速度由相應的兩個方面來進行控制，第一方面由執(zhí)行機構來對車速進行控制，第二方面由汽車在倒車過程中與各個方向物體的距離邊長或者變短來控制，從而來保證汽車在倒車過程中以安全的速度行駛，在必要時會發(fā)出警報以提醒駕駛員進行相應的操作，進而能夠達到設計此系統(tǒng)的目的，即降低因倒車所引起的交通安全的事故的發(fā)生頻率。因駕駛員操作不當所引起的倒車時汽車碰撞事故的50%是汽車與各個方向的物體發(fā)生的正面碰撞事故，其余的情況則是汽車與其余方向的物體發(fā)生的碰撞事故，而如果能夠有相應的倒車防撞的輔助系統(tǒng)給予駕駛員1秒的警報時間就可以防止倒車碰撞事故中的90%的追尾和60%的迎擊，從而提高倒車的安全性。為了避免因駕駛員操作不當所引起的汽車在倒車過程中與汽車各個方向的物體發(fā)生碰撞，因此需要用一定的裝備來測量各個方向障礙物的與正在倒車的汽車之間距離長短的變化情況，并將此情況及時準確地回饋到車輛，當出人意料并將造成碰撞事故的意外情況發(fā)生時，此系統(tǒng)將通過進行警報或自動的事先設定操作，來指導司機進行諸如緊急剎車或改變汽車倒車方向以及減速等相應的補救操作來避免因為駕駛員的疲勞、疏忽、或者是駕駛員的錯誤判斷所引起的交通事故?，F(xiàn)如今，大家把防止碰撞技術的關鍵點以及核心放在了車輛距離測定技術上，而超聲波的相關原理以及特征與此類問題的契合度相當高，且制作相對簡單，成本相對較低，因此被廣泛應用于測量車輛之間的距離的方案上。1.2研究的主要內容課題“基于51的超聲波測距汽車倒車輔助以防止發(fā)生碰撞系統(tǒng)”由最小系統(tǒng)、以超聲波傳感器相應特性和原理設計的超聲波測距的模塊、以及相應的硬件電路組件等構成。本設計所需要的硬件電路即包括三個主要的硬件電路，其一為驅動顯示電路，其二為警報電路，其三為按鈕電路。利用超聲波范圍模塊測量距離，對汽車在倒車過程中與各個方向的距離變化作為數(shù)據(jù)傳遞至51單片微控制器，并由LED數(shù)字管顯示相應的距離，并且可通過對于按鈕進行相關的操作來調整將會觸發(fā)警報器發(fā)出報警的汽車與物體的距離來應對不同行駛情況下的不同要求。同時電源部分采用壓力穩(wěn)定的直流電源。1.3應解決的關鍵問題1、設計此防撞倒車輔助駕駛系統(tǒng)的主要硬件電路，而在制造相應的實物系統(tǒng)時，聲音如何發(fā)射以及時間的計算方案是能否成功設計相應系統(tǒng)的兩個關鍵問題。2、通過相應的軟件編程方案來實現(xiàn)在防撞倒車輔助系統(tǒng)中對于超聲測距的范圍的要求。3、超聲波測距的死區(qū)解決。4、用按鈕按下警報值的設置。5、實時語音廣播。2.1超聲波測距本系統(tǒng)即汽車倒車防撞輔助系統(tǒng)中的超聲波測距模塊的相應原理借鑒于應用廣泛的雷達測距原理，利用于眾所周知的聲音傳播速度，查閱可知聲音在空氣中的傳播速度為331m/s，從而可以測量超聲波經過發(fā)射后并且與汽車各個方向的物體發(fā)生碰撞后在路途中所消耗的相應的時間，根據(jù)相應的計算公式即s=v*t來計算車輛在倒車過程中與各個方向的物體的距離，且其中的t必須要除以二，因為在路程所消耗的時間為超聲波來去的時間。2.2回路整體方案圖2.1是整個電路的在設計時所設計的原理框圖，其中包括的是51單片微控制器最小系統(tǒng)、超聲波測量車輛與物體距離的范圍模塊、以及相應會在本系統(tǒng)設計中用到的硬件電路，其中包括LED數(shù)字顯示電路（主要顯示為在倒車過程中車輛與各個方向的距離），蜂鳴器報警電路（主要是為了給駕駛員提供相應的警報信息以供其進行相應的避險操作），鍵電路(用于進行相應的按鍵操作)，以及聲音發(fā)射電路。圖2.1回路基本框圖數(shù)碼管顯示蜂鳴器報警數(shù)碼管顯示蜂鳴器報警按鍵設置語音播報超聲波測距模塊STC89C51電源供電3單片微控制器概要3.1STC89C51的主要性能STC89C51是STC公司發(fā)表的CMOS8位的單片機處理芯片STC89C51RC的系統(tǒng)。這種單片微控制器的性能十分強大，具有很多優(yōu)點，其中與本系統(tǒng)所要解決的問題契合度十分高的優(yōu)點包括以下主要四點，其一是該系統(tǒng)的的防干擾性十分的強，與倒車防撞系統(tǒng)所要求的高精度十分契合。其二是可在線進行編程，這易于在進行設計制作時修正相應的軟件程序。其三是該單片機處理芯片系統(tǒng)運行處理的速度較快。其四是該單片處理系統(tǒng)的能耗很低，這與本設計所秉持的節(jié)能環(huán)保的理念相契合。正因為其有著如此優(yōu)越的性能，因此其可用于許多復雜的控制應用的相關程序，其中就包括此次所設計的倒車輔助防撞系統(tǒng)。3.2STC89C51外部結構及特性此單片微控制器的外形包裝有兩種方法。如下圖3.1所展示的分為總線型和非總線型圖 3.1外形包裝的兩種方法圖3.2STC89C51針排列STC89C51的4個8位I/O口的各個分別的功能如下敘述所示。（1）P0口：作為輸出口，每個人可以驅動8個TTL邏輯電平。如果在P0端口上寫上“1”，則引腳將作為高阻抗輸入使用。在這種模式下，P0具有內部拉伸電阻。程序驗證時輸出命令字節(jié)。而在程序驗證時，也需要提高其外部阻力。（2）P1口：P1口只作為一般IO口。作為輸入使用時，外部的引腳因內部電阻而變?yōu)檩敵鲭娏鳎↖L）。（3）P2端口：P2作為一般IO口還在在讀寫外部存儲器作高8位的地址總線。作為輸入使用時，外部的引腳因內部電阻而變?yōu)檩敵鲭娏鳎↖L）。訪問外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX@DPTR），則P2端口發(fā)送8比特的高地址。（4）P3端口：是一個多功能口，其主要功能分為兩大功能，其中第一功能為-I/O準雙向口，與P1口相同。

P3口還被用作AT89C52的特殊功能（第二功能）。P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INTO（外部中斷0輸入口）P3.3INT1（外部中斷1輸入口）P3.4TO（計時器0外部輸入）P3.5TI（計時器1外部輸入）P1.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫入信號）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀出選擇信號）3.3STC89C51內部結構STC89C51單片機系統(tǒng)性能十分強大，它將CPU、RAM、ROM、計時器/計數(shù)器、門衛(wèi)犬、以及具有各種功能的I/O口裝置等集成到一個芯片中。STC89C51單片機中包含的具體部分如下圖所示。圖3.3STC89C51內部框圖4超音波量程模塊4.1超聲波傳感器的介紹超聲波得特點有很多，其優(yōu)點是指向性強，能量消耗速度比較慢，傳輸距離長。因此，在使用傳感器相關技術的后置距離測量方法中，超聲波測量距離是目前使用最多的方案。它被廣泛用于防盜和倒車等普通老百姓所能接觸到的普通生活場景中大大的方便了民眾的日常生活、它同樣也會被用于水位檢測、建筑工地和一些工業(yè)現(xiàn)場等專業(yè)性較高的場景來幫助相關人員進行工作生產活動。因此以超聲波傳感器為原理來進行此次的倒車防撞輔助系統(tǒng)是十分簡潔的方案，其中超聲波傳感器是一種轉換能量形式的元件。而由于超聲波傳感器的應用范圍十分廣泛，而現(xiàn)實中的各種需要其的場景也十分眾多，因此組成超聲波傳感器的的結構也會隨之發(fā)生變化。本倒車輔助防撞系統(tǒng)則采用的是壓電超聲波傳感器。其結構圖如下圖所示圖4.1壓電超聲波傳感器的結構圖4.2HC-SCR04超聲波范圍模塊的性能特征HC-SCR04超聲波范圍模塊的主要功能是為本次設計的防止在汽車在倒車過程中因駕駛員的操作不當而發(fā)生碰撞事故的系統(tǒng)提供相應的傳感功能，范圍精度可以達到3mm。模塊可以分為三個重要的組成部分，其一為超聲波發(fā)射器（負責超聲波的發(fā)射），其二為超聲波接受器（主要功能為接受受到汽車相應方向碰撞過后返回的超聲波），其三包括控制電路。該模塊可以分為三個重要組成部分，如下圖所示。圖4.2模塊組成這個模塊的性能很穩(wěn)定。測量距離準確，主要特點是：（1）超小型，相當于兩個發(fā)射。接收頭的面積不會再小了。（2）無盲（10mm內成三角形的誤差大，所以可以簡單地將其視為0）（3）反應速度快，在10ms的測量周期內，很難失去高速目標。（4）發(fā)送頭和接收頭緊貼在一起，并且基本上與測量對象成直線關系。（5）模塊有LED指示，便于觀察和測試。4.3HC-SCR04的引腳排列和電氣參數(shù)4.3.1管腳介紹HC-R04的外形及銷排列如圖4.3所示。（1）VCC是5V電源。（2）GND是地線。（3）TRIG觸發(fā)控制信號輸入。ECH0回波信號輸出。圖4.3外形及其管腳排列圖4.3.2HC-SCR04的電氣參數(shù)電氣參數(shù)如表4.1所示。表4.1電氣參數(shù)表電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm電參數(shù)HC-SCR04超聲波模塊工作電壓DC5V工作電流15mA工作頻率40Hz最大射程4m最近的射程是2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回聲信號輸出TTL電平信號，與射程成比例。規(guī)格尺寸45*20*15mm4.4超聲波時序圖此次設計的倒車防撞輔助系統(tǒng)的超聲波時序圖如下所示圖4.4超聲波時序圖當系統(tǒng)檢測到回饋的右回聲信號后，會輸出回聲信號。由此，可以計算到所接收的回波信號為止的時間間隔。官方：uS/58=cm或uS/148=英寸或：距離=高級別時間*音速（331M/S）/25系統(tǒng)硬件電路設計5.1單片機最小系統(tǒng)5.1.1STC89C51芯片這次的設計采用了STC89C51單片機。這種單片微控制器的性能十分強大，具有很多優(yōu)點，其優(yōu)點與本系統(tǒng)所要解決的問題契合度十分高?？梢源邢螺d也可以在線編程。5.1.2復位電路微機系統(tǒng)中的電路的穩(wěn)定以及可以執(zhí)行可靠性高的動作是關系到此次設計的倒車防裝輔助系統(tǒng)硬件模塊的關鍵所在，而復位電路正是這關鍵中的關鍵，因此為了確保復位電路的穩(wěn)定運行，我們此次系統(tǒng)采用的是鋁電解電容器。此次所設計的系統(tǒng)中的復位電路當剛接觸到電源時，電容的數(shù)值可以忽略不計，5V的電源通過電阻對電解電容進行充電。電容兩端的電從0V緩慢上升到4V左右。引起了內部電路的復位工作。此時可以按下復位按鈕，進行相應的復位作業(yè)。圖5.1復位電路5.1.3晶振電路此次設計的倒車輔助防撞系統(tǒng)將會保證單片機系統(tǒng)正常運行。如果振蕩器不振動，系統(tǒng)將無法運行。如果振蕩器不動作，系統(tǒng)執(zhí)行程序時會發(fā)生時間誤差，通信中會顯示。這是由一個水晶和兩個瓷器的容量組成的。晶狀體和瓷器的容量不是正負，兩個瓷器的容量相連的一端一定要接地。如圖5.2所示。圖5.2晶片電路一般單芯片的晶片在并行諧振狀態(tài)下操作，并且也可以理解為諧振電容器的一部分。這是根據(jù)晶片制造商提供的晶片請求負載容量的選擇值的東西。機器周期：從通常存儲器讀取命令字的最短時間，并規(guī)定CPU周期。時鐘周期=1秒/晶圓頻率，因此單芯片的機器周期=12秒/晶圓頻率補充了其他幾個周期。指令周期（InstructionCycle）：取出一個命令執(zhí)行的時間。總線周期（BUSCycle）：也就是說，用于內存和I/O端口的操作的時間。時鐘周期（ClockCycle）：也稱為節(jié)拍周期，是處理動作最基本的單位。（晶圓頻率的倒數(shù)也稱為T狀態(tài)）一般處理器的一個機器循環(huán)由12個時鐘周期構成。因此，本次系統(tǒng)所用到的單片微控制器以12M的頻率波動，運行速度為1M。兩個容量的取值相同。或者有很大的區(qū)別的話，容易引起共振的不平衡，會變成停止或不流暢的狀態(tài)。它起到并行諧振的作用，可以使脈沖更加穩(wěn)定和協(xié)調。5.2驅動顯示電路和報警電路本次系統(tǒng)的顯示電路由LED數(shù)字管顯示汽車在倒車過程中與超聲波傳感器所檢測的其與相應方向的距離，并且可通過對于按鈕進行相關的操作來調整將會觸發(fā)警報器發(fā)出報警的汽車與物體的距離來應對不同行駛情況下的不同要求。5.2.1LED數(shù)字管顯示電路該本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描方式。動態(tài)方法的優(yōu)點是耗電量省，顯然在動態(tài)掃描期間，只有一個數(shù)字管處于工作狀態(tài)。具體原理圖如圖5.3所示。圖圖5.3顯示電路5.2.2蜂鳴器和LED報警本次所設計的倒車防撞輔助系統(tǒng)采用的是電磁式蜂鳴器。即，驅動蜂鳴器由PNP類型的三極管8550放大。原理圖請參照圖5.3LED電路由兩大重要的組成部分組成，如圖5.4所示圖5.4LED電路組成圖LED一般工作在5ma到20ma，所以選擇1K電阻進行限流。如圖5.5所示。圖5.5蜂鳴器驅動電路5.3HC-RS04超聲波范圍原理此次所設計的倒車輔助防撞系統(tǒng)中的超聲波模塊測距的相關原理為利用相應的物理知識并且由于眾所周知的聲音在空氣中傳播速度為331m/s,可由公式：s=v*t/2（其中需要特別注意的是t所代表的量為超聲波傳感器中的接受模塊所接收到時間值減去發(fā)射模塊發(fā)出時的時間值，并且因為此時間為來回的時間所以需要在最后除以二，得到最終所求的值。）該系統(tǒng)框圖在圖5.5中示出。定時器控制定時器控制計算傳輸調制40k振蕩超聲波發(fā)射計時增益放大超聲波接收障礙物圖5.5系統(tǒng)框圖5.4鍵設定電路按鍵電路是處理按鍵輸入信號的電路。按鍵電路的基本原理如下圖5.6所示，而對于此次所設計系統(tǒng)中的按鍵電路，我們應做的事情是在程序中調查這個端口的水平后，知道我們有沒有按按鈕的動作，因此此次倒車輔助防撞系統(tǒng)我們采用了軟抖動的方式，硬件電路圖如5.7所示圖5.6按鍵電路基本原理圖5.7鍵電路圖5.5音頻芯片電路語音芯片一共有三個IO口。外周最少也可以用一個104個電容器穩(wěn)定工作。產品方案的成本極低。整體方案費用節(jié)省30%到50%左右的優(yōu)勢說明。工作電壓為2.2-5.5V，適用范圍很廣。喇叭是8歐洲-16歐洲范圍內的任何喇叭（推薦在0.25-W內），該芯片是特定的固定標準模塊可以通過至少兩個微控制器IO端口來控制語音標準芯片，所述語音標準芯片結合到128級的任何語音呼叫。芯片基腳的位圖如