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1、山東科技大學畢業(yè)設計（論文）摘 要近年來，我國的汽車數(shù)量正逐年增加，在公路、街道、停車場、車庫等擁擠、狹窄的地方倒車時，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會發(fā)生追尾事故。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雷達便成為近些年來的研究熱點。為此，設計了以單片機為核心，利用超聲波實現(xiàn)無接觸測距的倒車雷達系統(tǒng)。工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測量邏輯電路提供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時間差進行處理，自動計算出車與障礙物之間的距離。目前，國內(nèi)外一般的超聲波測距儀，其理想的測量距離為0.5m5m，因此大都用于汽車倒車雷達等近距離測距中。設計根據(jù)聲波
2、在空氣中傳播反射原理，并且也介紹了基于STC89C52單片機的超聲波測距器。該設計由超聲波模塊HC-SR04、LED顯示電路、鍵盤控制電路以及報警模塊等部分組成，在探測范圍內(nèi)數(shù)碼管顯示出汽車與障礙物的距離，當距離小于所設計的安全距離時，蜂鳴報警器發(fā)出報警聲，輔助駕駛人員能夠安全倒車駕駛。關鍵詞：超聲波；測距；STC89C52；HC-SR04；倒車雷達AbstractIn recent years, the number of cars in China is increasing year by year. On highways, streets, parking lot, garage a
3、nd other crowded, narrow place when reversing, the driver should be forward-looking, want to look back again, a bit not careful collision occurs. Therefore. Increase the car rear view ability, detect obstacles of developing the back of my car reversing radar has become a hot research topic in recent
4、 years. Therefore, designed with the single chip processor as the core, the use of ultrasound to realize non-contact ranging reverse radar system. Work, ultrasonic transmitter continuously emit a series of consecutive pulse,For logic circuit provides a short pulse measurement. , the ideal measuring
5、distance of 0.5 m 5 m, so mostly used in the close distance such as car reversing radar. Design according to the principle of the reflected sound waves in the air, and also introduces the ultrasonic range finder based on STC89C52 single-chip microcomputer. The design by the ultrasonic transmitting,
6、LED detailed introduces the ranging system hardware composition. Ultrasonic receiving circuit using HC - SR04 transceiver discrete integrated ultrasonic probe, the module consists of ultrasonic emitter, receiver and control circuit.KEY WORD:Ultrasonic；Measure distance；STC89C52；HC-SR04；Reversing rada
7、r 目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 緒論11.1 項目研究背景11.2 目前國內(nèi)倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 項目研究內(nèi)容與方法4第2章 總體設計方案及論證52.1 系統(tǒng)的總體框圖52.2 各模塊的功能6第 3 章 超聲波測距原理73.1 超聲波測試分析73.2超聲波測距模塊9第4章 硬件實現(xiàn)及單元電路設計134.1 單片機STC89C52RC134.2 主控制模塊設計164.3 時鐘電路的設計194.4 復位電路的設計214.5 顯示電路的設計224.6聲音報警電路的設計234.7 鍵盤模塊設計244.8 電源設計24第5章 系統(tǒng)的軟件設計255.1 系統(tǒng)的主程序設計25
8、5.2 中斷處理程序285.3 顯示子程序285.4 距離計算子程序29第6章 總結和展望296.1 總結296.2 展望30致 謝31參考文獻32附件1：33 PCB圖、代碼及實物圖36附件243中英文翻譯43IV 第1章 緒論倒車雷達又稱泊車輔助系統(tǒng)，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了駕駛的安全性。當前社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和工業(yè)科學技術的不斷提高，汽車已逐漸進入不少百姓家。汽車使用數(shù)量的不斷增加，從而由此導致的倒車交通安全問題也非常嚴重，道路交通
9、壓力增加，交通安全問題也是面臨嚴峻挑戰(zhàn)。在面臨如此嚴峻的交通安全問題，許多涉及安全問題的汽車輔助系統(tǒng)也紛紛現(xiàn)世。而本設計就是利用單片機知識、傳感器知識等，進行的汽車防撞裝置的設計，在汽車倒車時，這種裝置可以在駕駛員對車尾與障礙物體的距離遠近無法目測和判斷時進行報警。1.1 項目研究背景在現(xiàn)如今伴隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)作為推動經(jīng)濟發(fā)展的龍頭產(chǎn)業(yè)，其規(guī)模也在不斷擴大。中國經(jīng)濟的持續(xù)增長和汽車價格的持續(xù)下降，吸引了越來越多的家庭去購買自己的汽車。隨著汽車擁有量的增加，在享受汽車給我們帶來的便利的同時，由于汽車而產(chǎn)生的問題也日益突出。大多數(shù)有經(jīng)驗的駕駛員對倒車的基本方法很熟悉，然而很少的人知
10、道倒車是多么危險。許多車隊的管理者坦言，在他們所有的機動車事故中，30%60%是倒車事故。一個水平中等的駕駛員花費在倒車上的時間遠遠不足他們總駕駛時間的 1%。這意味著相比較而言，當你向后移動車輛時發(fā)生事故的可能性相當高，在2002年汽車事故的發(fā)生比例中，倒車引起的事故占21%，倒車成為令人們頭痛的一項任務，即使是經(jīng)驗豐富的司機也在抱怨倒車是件費力費神的事。公路、街道、停車場、車庫的擁擠不堪，車輛之間、車輛與人、車輛與墻壁等障礙物之間的碰撞時有發(fā)生，針對這一情況，人們對汽車操縱的便捷提出了更高的要求，希望有種裝置能夠解決汽車倒車給人們帶來的倒車問題。有鑒于此，專門為汽車倒車所設計的“倒車雷達”
11、應運而生， 倒車雷達（Car Reversing Aid System）全稱“倒車防撞雷達”，又稱“泊車輔助裝置”，它是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成。它能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和啟動車輛時前后左右探視所引起的困擾，為倒車導向，提示方向盤該如何打。駕駛者可根據(jù)操作指示完成倒車工作。它的運用可極大地減輕駕駛者的體力、腦力勞動強度，降低倒車難度，避免駕駛員因方向感不強，判斷和操作失誤，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性，大量避免了由于倒車鏡死角和駕駛者目
12、測據(jù)誤差等原因說引起的交通事故。同時在它的研制基礎上，如果完善動力執(zhí)行機構和地圖導航功能，可實現(xiàn)倒車的自動控制，所以本課題的研究也將對最終實現(xiàn)汽車無人駕駛產(chǎn)生積極的意義。1.2 目前國內(nèi)倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過多年的發(fā)展，倒車雷達設計以及使用發(fā)生了質的變化。經(jīng)過這幾年的發(fā)展，倒車雷達系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過了五代技術改良，不管從結構外觀上，還是從性能價格上，這五代產(chǎn)品都各有特點，使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車雷達這三種。 第一代：倒車時通過喇叭提醒 ?！钡管囌堊⒁?！”想必不少人還記得這種聲音，這就是倒車雷達的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有少部分商用車還在使用。只要司機掛上倒檔，它就會響起，提醒周圍的人注意
13、，從某種意義上來說，它對駕駛員并沒有直接的幫助，不能算真正的倒車雷達，基本屬于淘汰產(chǎn)品。 第二代：采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是倒車雷達系統(tǒng)的真正開始。倒車時，如果車后1.8m1.5m處有障礙物，蜂鳴器就會開始工作。蜂鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。但沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠，對駕駛員幫助不大。 第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離范圍。這代產(chǎn)品比第二代進步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在1.8m開始顯示；如果是人，在0.9m左右的距離開始顯示。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由3種
14、顏色來區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物距離有0.8m以上；黃色代表警告距離，表示障礙物距離只有0.6m0.8m；紅色代表危險距離，表示障礙物距離只有不到0.6m，必須停止倒車。 第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實用，但安裝在車內(nèi)影響美觀。 第四代：液晶屏動態(tài)顯示。這一代有一個質的飛躍，特別是熒屏顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過LCD顯示外觀雖精巧，靈敏度較高，但抗干擾能力不強，所以誤報也較多。 第五代：魔幻鏡倒車雷達。結合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新仿
15、生超聲雷達技術，配以高速電腦控制，可全天候準確地測知2m以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車雷達可以把后視鏡、倒車雷達、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項功能整合在一起，并設計了語音功能，是目前市面上最先進的倒車雷達系統(tǒng)。因為其外形就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)后視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個人需求和車內(nèi)裝飾選配。 1.3 項目研究內(nèi)容與方法本課題的任務是設計一個基于單片機的超聲波倒車雷達系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用超聲波測距原理，包括超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器等幾個部分。駕駛者在倒車時，啟動倒車雷達，在控制器的控制
16、下，由裝置于車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。本課題的現(xiàn)實應用的意義在于（1）將倒車自動化從被動防撞引向智能控制方向發(fā)展；（2）體現(xiàn)了“以人為本”的駕駛理念，倒車時駕駛者的視線可集中在前方，不需顧及車后狀況，增加倒車的安全性和可靠性，并且它的應用可減輕司機體力和腦力勞動的強度；（3）它取代了傳統(tǒng)倒車對人的駕車經(jīng)驗和技術的依賴，使初學者不需要旁人指導也能根據(jù)提示完成復雜的倒車任務；（4）安全可靠的防碰撞預警，使駕駛者
17、無論是白天還是夜晚都能實現(xiàn)安全倒車；（5）這一方案建立在安裝小組件的基礎上，避免對汽車整車的影響，為應用和普及創(chuàng)造了條件，經(jīng)濟性較好，易于普及。設計中采用模塊化設計方法，硬件設計包括系統(tǒng)控制模塊、測距模塊即超聲波發(fā)射和接收模塊，顯示報警模塊塊設計等，軟件設計包括計算模塊、測距模塊、顯示模塊設計等。 第2章 總體設計方案及論證2.1 系統(tǒng)的總體框圖本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、四位數(shù)碼管顯示、報警等子模塊。電路結構可劃分為：超聲波傳感器、蜂鳴器、單片機控制電路等。就此設計的核心模塊來說，單片機就是設計的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機應用系統(tǒng)的一種應用。單片機應用
18、系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機、輸入/輸出設備、以及外圍應用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為核心控制單元，當測得的距離小于設定距離時，主控芯片將測得的數(shù)值與設定值進行比較處理。然后控制蜂鳴器報警。系統(tǒng)總體的設計方框圖如圖2.1。電源STC89C52主控制器模塊按鍵控制超聲波傳感器模塊 4位數(shù)碼管顯示模塊蜂鳴器報警模塊 圖2.1 系統(tǒng)總體的設計方框圖2.2 各模塊的功能1.單片機主控模塊 電源啟動后，單片機通過發(fā)送高電平對超聲波模塊進行觸發(fā)。利用內(nèi)部的定時器判斷超聲波的收發(fā)時間。由單片機內(nèi)部進行計算出波源和障礙物的距離。并通過液晶模塊和報警
19、模塊體現(xiàn)出來，若距離小于設定的距離，單片機控制蜂鳴器進行報警。2.鍵盤模塊 按鍵1：復位鍵； 按鍵2：報警距離設定按鍵 按鍵3：自定義報警距離增加1cm 按鍵4：自定義報警距離減少1cm3. 超聲波模塊 超聲波模塊采用現(xiàn)成HC-SR04超聲波集成模塊，該模塊可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。（1）采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；（2）模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；（3）有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試
20、距離=（高電平時間*聲速（340m/s）/2；4.液晶顯示模塊采用4位共陽極動態(tài)顯示模式，用來顯示實時距離。5.蜂鳴器報警電路 在本系統(tǒng)工作過程中，若測得的距離小于設定距離，蜂鳴器會進行報警。第3章 超聲波測距原理3.1 超聲波測距分析 最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V
21、與溫度有關。在使用時，如果傳播介質溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖3.1所示。 圖3.1 超聲波的測距原理 （3-1） （3-2）式中:L-兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 3-3)式中:v超聲波在介質中的傳播速度; t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.將（3-2）、（3-3）代入（3-1）中得： ( 3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=30度時,V=
22、349m/s);當需要測量的距離H遠遠大于L時,則(3-4)變?yōu)? ( 3-5) 而超聲波在空氣中的傳播速度是340m/s,所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H。根據(jù)超聲波測距原理，超聲波收發(fā)設備應該完成超聲波脈沖的發(fā)射以及回波首波的精確檢測。從結構上可以將收發(fā)設備分為收發(fā)一體換能器和收發(fā)分立換能器，這兩種形式各自有優(yōu)缺點。收發(fā)一體超聲波換能器由于超聲波發(fā)射和接收在一個口，因此其不存在近距離形成所謂的三角關系，因此其近距離的測量精度高。但是也由于收發(fā)共用端口的原因，導致了在發(fā)射完成脈沖序列之前不能夠開始接收，這就導致了盲區(qū)的存在，這在原理是是不能消除的。收發(fā)分立超聲波
23、換能器雖然在近距離上可以進行測量，近乎沒有盲區(qū)的存在，但是在近距離上一定會形成一個三角關系，從而導致其近距離上的測量相對誤差極大。而在電路上，由于收發(fā)一體的超聲波換能器的發(fā)射驅動電路和接收極的接收檢測電路彼此相連，導致了電路的相互干擾，增加了抗干擾設計工作。雖然收發(fā)分立形式也存在串擾的缺點，但其是可以通過軟硬件設計消除的。從總體上來說，收發(fā)分立在應用上更加簡單、可靠，本次設計采用收發(fā)分立形式換能器。3.2 超聲波測距模塊3.2.1 HC-SR04超聲波模塊介紹 本設計的超聲波模塊采用現(xiàn)成的HC-SR04超聲波模塊，該模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm。
24、模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎肐O口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2。其中VCC供5V電源，GND為地線，TRIG觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四支線。實物如下圖3.2。 圖3.2 HC-SR04超聲波模塊超聲波探測模塊HC-SR04的使用方法如下：IO口觸發(fā)，給TRIG口至少10us的高電平，啟動測量；模塊自動發(fā)送8個40Khz的方波，自動檢測
25、是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離=（高電平時間*340）/2，單位為m。程序中測試功能主要由兩個函數(shù)完成。超聲波測距模塊HC-SR04時序圖如圖3.3所示。 圖3.3 超聲波時序圖超聲波探測模塊HC-SR04的原理圖如圖3.4所示。 圖3.4 超聲波探測模塊HC-SR04原理圖根據(jù)HC-SR04的原理圖，HC-SR04測距模塊時一個相對獨立的系統(tǒng)。采用的電源芯片MAX232為超聲波換能器提供了合適的電壓，驅動換能器正常工作。它采用了單片機EM78P135作為控制器，完成了對外部觸發(fā)信號的檢測、產(chǎn)生脈沖信號、檢測
26、回波首波信號等工作。與此同時其還肩負著控制電路的開啟，處理超聲波換能器的橫向干擾，并且消除電路固定延時影響等工作。對于本次設計，選用這種測距模塊將極大減少設計的工作，降低設計的成本。 超聲波探測模塊HC-SR04的電氣參數(shù)如圖3.5所示。 圖3.5 HC-SR04的電氣參數(shù)3.2.2 HC-SR04總體性能分析由于HC-SR04在設計上的較為周全的考慮，使得其的精度較高。但是由于其基于性價比優(yōu)先的設計思路，其采用了應用廣泛、性價比較高的經(jīng)典設計，即在回波接收處理電路中采用了放大、濾波、放大、過零檢測的方法。這種方法結構簡單，便于集成化、小型化，但是由于回波信號隨著測量距離的變化將發(fā)生劇烈變化，
27、這將極大增加系統(tǒng)的設計難度，過零檢測電路的參考電壓的設置將極為困難。1. 由于空氣氣流的起伏、目標的形狀和粗糙度不同、傳感器的響應特性較差等原因，使得傳感器的回波信號不是一個規(guī)則信號，有較大的不確定性，給觸發(fā)閥值的設置帶來難度，從而使首波的檢測發(fā)生錯誤。從而帶來了測距的不確定性。2. 由于測量距離、超聲的入射角度、反射介質等方面的不同，使得接收換能器所獲得的回波幅度相差很大。使用單一電平閾值時，若設置的閉值過高，則可能使較微弱回波漏觸發(fā)，出現(xiàn)測量錯誤;若閾值過低，則可能出現(xiàn)的測量相位誤差如圖3.6所示：圖3.6 閾值過低時可能出現(xiàn)的測量相位誤差由于測距模塊的集成化、小型化的設計需求，所以選用的
28、是低壓、小型換能器，其發(fā)射功率較小，這就直接決定了它的測量距離的不足。再加上換能器的發(fā)射角較大，能量不夠集中，這更是減小了其探測范圍。測距能力的不足，一定程度上意味著對較近距離的小體積物體探測能力的不足。第4章 硬件實現(xiàn)及單元電路設計4.1 單片機STC89C52RC4.1.1 單片機簡介 本設計中選用的宏晶科技的STC89C52RC型單片機是一種低功耗、高性能、采用CMOS工藝的8位微處理器，與工業(yè)標準型80C51單片機的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。片內(nèi)8K Flash存儲器可在線重新編程，或使用通用的非易失性存儲器編程器。由于一般的距離測量中，距離的變化速度并不太快，而且單片機的機器周期可達
29、s級，則其計時精度為 s級，完全可以滿足系統(tǒng)測量的要求，并且成本較低，所以本設計中選用STC89C52RC型號的單片機。STC89C52RC單片機，基于STC89C51內(nèi)核，是新一代增強型單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)STC89C51,速度快812倍，帶ADC，4路PWM,雙串口，有全球唯一ID號，加密性好，抗干擾強。STC89C52RC單片機的引腳圖如圖4.1所示。 圖4.1 STC89C52RC單片機的引腳圖STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾
30、多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM， MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/
31、12T可選。STC89C52單片機的基本組成框圖見圖4.2。圖4.2 STC89C52單片機結構圖4.1.2 單片機主要特性1. 一個8 位的微處理器(CPU)。2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM(128B)，用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等，SST89 系列單片機最多提供1K 的RAM。3. 片內(nèi)程序存儲器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機內(nèi)部不帶ROM/EPROM，如8031，8032，80C31 等。目前單片機的發(fā)展趨勢是將RAM 和ROM 都集成在單片機里面，這樣既方便了用戶進行設計又提高了系統(tǒng)的抗干擾性。SST 公司推出的
32、89 系列單片機分別集成了16K、32K、64K Flash 存儲器，可供用戶根據(jù)需要選用。4. 四個8 位并行IO 接口P0P3，每個口既可以用作輸入，也可以用作輸出。5. 兩個定時器計數(shù)器，每個定時器計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機控制。為方便設計串行通信，目前的52 系列單片機都會提供3 個16 位定時器/計數(shù)器。6. 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。現(xiàn)在新推出的單片機都不只5 個中斷源，例如SST89E58RD 就有9 個中斷源。7. 一個全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行IO 口，用于實現(xiàn)單片機之間或單機
33、與微機之間的串行通信。8. 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為12MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達40MHz，因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。 STC89C52單片機的中斷系統(tǒng)：STC89C52系列單片機的中斷系統(tǒng)有5個中斷源，2個優(yōu)先級，可以實現(xiàn)二級中斷服務嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器IE控制CPU是否響應中斷請求；由中斷優(yōu)先級寄存器IP安排各中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內(nèi)各中斷同時提出中斷請求時，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應次序。 STC89C52單片機的定時/計數(shù)器：在單片機應用系統(tǒng)中，常常會有定時控制需求，如定時輸出、
34、定時檢測、定時掃描等；也經(jīng)常要對外部事件進行計數(shù)。89C52單片機內(nèi)集成有兩個可編程的定時/計數(shù)器：T0和T1，它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計數(shù)模式，此外，T1還可以作為串行口的波特率發(fā)生器。4.2 主控制模塊設計 本設計的主控制模塊包括：STC89C52RC單片機，復位電路，超聲波測距模塊，時鐘電路。主控制最小系統(tǒng)電路如圖4.3所示。 圖4.3 主控制最小系統(tǒng)電路電路中用到3個按鍵，一個是設定鍵，一個加鍵，一個減鍵。按下設置鍵，系統(tǒng)進入報警距離設置界面，默認的報警距離是0.5米。當按一下加鍵時，設置距離加一厘米，當按一下減鍵時，設置距離減一厘米。硬件電路總設計原理圖見圖4.
35、4，從以上的分析可知在本設計中要用到如下器件：STC89C52RC、超聲波傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管、蜂鳴器等一些單片機外圍應用電路。其中D1為電源工作指示燈。圖 4.4 總設計電路圖4.3 時鐘電路的設計 本設計的時鐘電路如圖4.5所示，時鐘電路主要結合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。 Y1為12MHZ晶體振蕩器，單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，C2與C3為負載電容。晶振與單片機的腳XTAL2和腳XTAL1構成的振蕩電路中會產(chǎn)生諧波，這個諧波對電路的影響不大，但
36、會降低電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性。為了電路的穩(wěn)定性起見，在晶振的兩引腳處接入兩個10pf-50pf的瓷片電容接地來削減諧波對電路的穩(wěn)定性的影響,所以晶振所配的電容的值處在10pf-50pf之間都可以，本設計C2和C3采用0.1f。51單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機處理速度，頻率越大處理速度越快，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好。 圖4.5 時鐘電路4.4 復位電路的設計 本設計的復位電路如圖4.6所示，具有上電復位和按鍵復位兩種功能，上電復位電路是由電容C與電阻R串聯(lián)組成，電容接VCC，電阻接地，RESET腳接在它們中間，當上電時，電容相當于短路，此時電阻上的電壓等于VC
37、C，經(jīng)過一段時間后電阻電壓逐漸變小直至為0，以達到上電復位的目的。同時只要按下S1按鍵，同樣可以達到復位的目的。 當VCC上電時，C充電，在10K電阻R上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位；幾個毫秒后，C充滿，10K電阻R上電流降為0，電壓也為0，使得單片機進入工作狀態(tài)。工作期間，按下S1，C放電。S松開，C又充電，在10K電阻R上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位。幾個毫秒后，單片機進入工作的狀態(tài)。 單片機最小系統(tǒng)復位電路的極性電容C的大小影響單片機的復位時間，一般采用1030uF，單片機最小系統(tǒng)電容值越大需要的復位時間越短。 圖4.6 單片機復位電路原理圖4.5 顯示電路的設計 超聲波測距系統(tǒng)的顯示要求比較簡
38、單，測量結果采用十進制數(shù)字顯示。只需能顯示0-9的數(shù)字，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。因此顯示部分采用七段半導體數(shù)碼管即LED。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的a-g七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。而在共陽極接法中，剛好與共陰極接法相反。LED數(shù)碼管具有亮度大，響應速度快等優(yōu)點。LED顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式，本設計中采用動態(tài)顯示方式，電路結構圖如圖4.7所示。 本設計通過軟件的編譯來實現(xiàn)由二進制到BCD碼的轉化，從而簡化了顯示電路。但是，在制作超聲波測距系統(tǒng)的過程中，由單片機直接驅動LED顯示，電流較小，LED雖然有顯示但是
39、比較暗，因此顯示電路采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管,位碼用9012驅動。 圖4.7 顯示電路原理圖本設計的顯示電路采用四位一體共陽數(shù)碼管利用單片機進行動態(tài)顯示，動態(tài)顯示的特點是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字型碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。實際設計中本電路單片機的P1.0至P1.7依次控制段碼a、b、c、d、e、f、g、h。利用P3.4、P3.5、P3.6、P3.7口控制位選，從而達到動態(tài)顯示的目的。顯示電路采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管,位碼用9012驅動。4
40、.6聲音報警電路的設計 由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O口是無法直接驅動的，所以要利用放大電路來驅動，一般使用三極管來進行放大電流。蜂鳴器模塊的電路圖如圖4.8所示。圖4.8 聲音報警電路4.7 鍵盤模塊設計本按鍵模塊使用的是多位獨立按鍵，按鍵一端接IO口，一端接地，由于單片機的IO口都有內(nèi)部上拉，因此當按鍵沒有按下的時候，IO檢測到的時候高電平，當按鍵按下的時候，相當于IO短接地，因此這時候單片機檢測到的電平為低電平，通過檢測不同時刻的IO口狀態(tài)就可以判斷按下的是哪個按鍵。 圖4.9 鍵盤模塊電路圖4.8 電源設計 出于實際應用的考慮，本設計的電源采用3節(jié)5號干電池4.5
41、V供電，可以同時滿足實用性和經(jīng)濟因素的考慮。電源接口電路如圖4.9所示。當電源接通時，二極管發(fā)光，表示系統(tǒng)正在工作。開關控制采用自鎖開關，圖中P2為電源盒接口或USB輸入的接口，SW1為電源開關，用來接通電源或斷開電源。 圖4.9 電源接口電路第5章 系統(tǒng)的軟件設計本設計采用的是模塊化的思路來進行設計和編寫程序，程序主要由系統(tǒng)主程序和中斷程序構成。主程序完成單片機的初始化，超聲波的發(fā)射和接收、計算超聲波發(fā)射點與障礙物之間的距離、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器報警等。系統(tǒng)程序設計的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計算測量距離、蜂鳴器報警和數(shù)碼管顯示。5.1 系統(tǒng)的主程序設計 超聲波測距系統(tǒng)的控制核心是單
42、片機，軟件主要完成測量過程控制、精確計時、數(shù)據(jù)計算及結果處理等功能。主程序對整個單片機系統(tǒng)進行初始化后，由單片機的IO口TRIG觸發(fā)測距，給測距模塊輸入端最少10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，同時將定時器T0啟動。有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，同時系統(tǒng)進入中斷服務程序。然后調(diào)用距離計算的子程序，再根據(jù)定時器T0記錄的時間計算出所需要測量的距離，然后再調(diào)用顯示子程序，再將測出的距離以十進制的形式送到數(shù)碼管顯示，同時調(diào)用聲音處理程序來控制蜂鳴器進行報警。最后主程序通過對P3.3端口返回的高電
43、平的接收，完成后續(xù)的工作，假如標志位清零則說明接收到了回波信號，那么主程序就返回到初始端重新將回波接收標志位置位并且在單片機的TRIG端口上發(fā)送10us的高電平信號到超聲波發(fā)射電路，就這樣，連續(xù)不斷地運行，循環(huán)不斷地工作用來實現(xiàn)測距。在進行超聲波測距時，實際上測距就是記錄從超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號開始到接收到信號的聲波的往返時間差，然后通過數(shù)據(jù)計算出距離。其中，N為計數(shù)器的值，聲速的值取為340m/s綜合以上的分析可得到系統(tǒng)主程序流程圖，系統(tǒng)主程序的流程圖如圖5.1所示。開始開始單片機初始化初始化定時器T0發(fā)射超聲波檢測是否有回波NO NO開啟定時器YES讀取計數(shù)值計算距離蜂鳴報警LED數(shù)
44、碼管顯示標志位清零 圖5.1 主程序工作流程圖5.2 中斷處理程序 負責計算車尾與障礙物之間的距離是INT0的中斷程序。根據(jù)前面的對超聲接收電路的分析，在超聲波集成模塊接收到超聲波回波信號后，超聲波測距模塊就會產(chǎn)生一個高電平送至單片機的P3.3引腳，使系統(tǒng)中斷，則系統(tǒng)轉入中斷處理程序。進入中斷處理后，定時器T0就立即被關閉，同時讀取返回的高點平的持續(xù)時間值，并給回波接收標志位清零即成功接收到回波信號。中斷處理程序的程序流程圖如圖5.2所示。 圖5.2 中斷處理程序流程圖5.3 顯示子程序在顯示數(shù)據(jù)時，為了節(jié)省I/O端口資源，降低功耗，本設計采用動態(tài)顯示的方法。其中P1口是段碼，低電平有效。P3
45、口是位碼，低電平有效。P3.7口控制最高位，一直到P3.4口控制最低位。究竟是哪個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的位選端，即可實現(xiàn)數(shù)字的動態(tài)顯示。四個數(shù)碼管的段碼都是P1口的輸出,即四個數(shù)碼管輸入的段碼都是一樣的,為了使其分別顯示不同的數(shù)字,對已處理數(shù)據(jù)查表從高位顯示，經(jīng)過延時再顯示第二位、再經(jīng)過一段延時，依次下去直到最低位，然后循環(huán)。這樣測試結果可通過數(shù)碼管的動態(tài)顯示方法顯示出來。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及
46、發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的。顯示子程序的流程圖如圖5.3所示。 圖5.3 顯示子程序的流程圖 5.4 距離計算子程序在主程序中已經(jīng)介紹了障礙物距離的計算公式為：S=(V*T0)/2=17T0/1000cm（其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值），由于本次設計使用的是程序語言，所以需要調(diào)用乘法與除法子程序。距離計算程序的流程圖如圖5.4所示。 圖5.4 距離計算子程序流程超聲波距離計算方法設計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體（障礙
47、物）后反射回來，回波被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)射超聲波到接收到超聲波信號所用的時間，就可以利用上述公式計算出超聲波發(fā)生器與被測物體之間的距離。在啟動發(fā)射超聲波脈沖信號的同時啟動內(nèi)部定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射與接收到回波之間的時間。當收到超聲波反射波（回波）時，接收芯片在INT1端輸出一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差T0。第6章 總結和展望6.1 總結 隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術
48、及產(chǎn)業(yè)領域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。 本設計主要是基于STC89C52芯片為核心的超聲波測距儀，并有HC-SR04超聲波測距模塊、數(shù)碼管顯示等器件組成，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機復位電路、LED顯示電路和按鍵電路，主要實現(xiàn)車輛超聲波測距并報警功能。設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。本文所設計的超聲波測距報警系統(tǒng)，其結構簡單、體積小、抗干擾性能好，
49、若要滿足更高的精度要求，還須進行適當改進。在某些特殊場合的應用中，還要考慮超聲波的人射角、反射角以及超聲波傳播介質的密度、表面光滑度等因素。本系統(tǒng)不僅適用于車輛距離報警系統(tǒng)，還適用于水文液位測量，應用范圍較廣。6.2 展望本設計還可以在幾個方面進行修改完善，進而使得本設計的測距儀功能更加完善，諸如：1因為超聲波探頭的限制，本設計裝置在溫度不同的環(huán)境下測量誤差也不一樣，所以要根據(jù)實際情況對探頭進行合適的更換。2系統(tǒng)動態(tài)性能不高，當與向障礙物移動速度小的時侯，能夠穩(wěn)定測量并穩(wěn)定顯示，但是如果移動速度太大就會使誤差也逐漸增大。3本設計中并沒有溫度補償模塊，主要是本設計做為倒車雷達使用對精確的距離要求
50、不高主要是起到警報的作用，所以沒有采用溫度補償模塊進行設計。如果在設計中考慮到溫度補償這個模塊，并添加到設計中去，那么整個系統(tǒng)將會更完善。4整個設計利用的是超聲波模塊設計，電路簡單，編程容易，完全能實現(xiàn)功能要求。汽車倒車雷達所涉及的學科的內(nèi)容比較多，諸如傳感器、單片機等，現(xiàn)在各個學科還在不斷的發(fā)展之中，相信也將推動這個系統(tǒng)功能的更加完善，并且應用將更為廣泛。 致 謝首先，我要感謝張瑞老師在畢業(yè)設計中對我給予的悉心指導和嚴格要求，在我畢業(yè)論文寫作期間，老師給我提供了各方面知識上的指導和日常生活上的關懷，沒有您這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業(yè)設計，借此機會，向您表示由衷的感激。接著，我要
51、感謝我的室友給了我很多寶貴的意見。在畢業(yè)設計的短短3個月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠的謝謝你們。感謝山東科技大學，感謝您為我提供了4年大學學習的機會，也許我馬上就要離開，但我永遠不會忘記在這4年中哭過、笑過的回憶。參考文獻1 Vizimuller. RFdesign Guide-systems,cCrcuits,and Equations M.Boston：ArtechHouse，1995.2Keil Software.The Final WorldOnthe 8051M. Germany：Keil.Elektronik Gmbh and Keil
52、 software，1997.3 梁小流，梁建和.基于89S52汽車防撞雷達系統(tǒng)設計J.機電工程技術，2011，10(4)：4951.4 唐桃波, 陳玉林. 基于AT89C51的智能無線安防報警器 J. 電子設計應用, 2003, 5(6): 4951.5 李全利. 單片機原理及接口技術M. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2004.6 薛均義, 張彥斌. MCS-51系列單片微型計算機及其應用M. 西安: 西安交通大學出版社, 2005.7 徐愛鈞, 彭秀華. 單片機高級語言C51應用程序設計M. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2006.8 康華光. 電子技術基礎（模擬部分）M. 北京
53、: 高等教育出版社, 2004.9高海生，楊文煥.單片機應用技術大全M.成都：西南交通大學出版社，1996.10張友德，趙志英，涂時亮.單片機微型機原理、應用與實驗M.上海：復旦大學出版社，1997.附件1：電氣原理圖PCB圖程序代碼：#include /調(diào)用單片機頭文件#define uchar unsigned char /無符號字符型 宏定義變量范圍0255#define uint unsigned int /無符號整型 宏定義變量范圍065535#include #include eeprom52.h/數(shù)碼管段選定義 0 1 2 3 4 56 7 8 9uchar code smg_d
54、u=0 x28,0 xee,0 x32,0 xa2,0 xe4,0 xa1,0 x21,0 xea,0 x20,0 xa0, 0 x60,0 x25,0 x39,0 x26,0 x31,0 x71,0 xff; /斷碼uchar dis_smg8 =0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8;/數(shù)碼管位選定義sbit smg_we1 = P34; /數(shù)碼管位選定義sbit smg_we2 = P35;sbit smg_we3 = P36;sbit smg_we4 = P37;sbit c_send = P32;/超聲波發(fā)射sbit c_rec
55、ive = P33;/超聲波接收sbit beep = P23; /蜂鳴器IO口定義uchar smg_i = 3; /顯示數(shù)碼管的個位數(shù)bit flag_300ms ;long distance; /距離uint set_d; /距離uchar flag_csb_juli; /超聲波超出量程uint flag_time0; /用來保存定時器0的時候的uchar menu_1; /菜單設計的變量/*1ms延時函數(shù)*/void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0;iq;i+)for(j=0;j120;j+);/*處理距離函數(shù)*/void smg_display()
56、dis_smg0 = smg_dudistance % 10;dis_smg1 = smg_dudistance / 10 % 10;dis_smg2 = smg_dudistance / 100 % 10 & 0 xdf; ;/*把數(shù)據(jù)保存到單片機內(nèi)部eeprom中*/void write_eeprom()SectorErase(0 x2000);byte_write(0 x2000, set_d % 256);byte_write(0 x2001, set_d / 256);byte_write(0 x2058, a_a);/*把數(shù)據(jù)從單片機內(nèi)部eeprom中讀出來*/void read_
57、eeprom()set_d = byte_read(0 x2001);set_d = 8;set_d |= byte_read(0 x2000);a_a = byte_read(0 x2058);/*開機自檢eeprom初始化*/void init_eeprom()read_eeprom();/先讀if(a_a != 1)/新的單片機初始單片機內(nèi)問eepromset_d = 50;a_a = 1;write_eeprom(); /保存數(shù)據(jù)/*獨立按鍵程序*/uchar key_can; /按鍵值void key() /獨立按鍵程序static uchar key_new;key_can = 2
58、0; /按鍵值還原P2 |= 0 x07;if(P2 & 0 x07) != 0 x07)/按鍵按下delay_1ms(1); /按鍵消抖動if(P2 & 0 x07) != 0 x07) & (key_new = 1)/確認是按鍵按下key_new = 0;switch(P2 & 0 x07)case 0 x06: key_can = 3; break; /得到k2鍵值case 0 x05: key_can = 2; break; /得到k3鍵值case 0 x03: key_can = 1; break; /得到k4鍵值else key_new = 1;/*按鍵處理顯示函數(shù)*/void key_with()if(menu_1 = 1)/設置報警if(key_can = 2)set_d + ;/加1
畢業(yè)論文-基于STC89C52單片機的智能超聲波倒車雷達系統(tǒng)設計.doc
