单片机的智能汽车防撞毕业设计论文

长春工程学院毕业设计（论文） 目 录 1 引言.1 1.1 选题研究背景、目的及意义.1 2 总体方案论证.4 2.1 测距系统方案比较与选择.4 2.2 测速系统方案的确定.5 2.3 汽车防撞报警器的总体方案设计.6 2.4 汽车防撞安全模型的建立.7 3 超声波测距系统简介.9 3.1 超声波的应用和发展现状.9 3.2 超声波测距的工作方式.9 3.3 超声波测距原理.10 4 系统的硬件设计.12 4.1 单片机控制系统设计工具平台简介.12 4.2 系统各部分的硬件设计.14 5 系统软件设计.22 5.1 系统软件原理及程序流程图.22 5.2 各部分电路程序设计.23 6 总 结.29 参考文献.31 谢 辞.32 附录一.33 附录二.47 长春工程学院毕业设计（论文） 0 1 引言 1.1 选题研究背景、目的及意义 1.1.1 课题研究背景 据初步统计，汽车交通事故造成的人员死亡在这 100 年内大约有 2 千多万人。这个数字 比第一次世界大战死亡人数 1700 万超出 300 多万人，是第二次世界大战死亡人数 3760 万的 一半多。在美国，从 1872 年埃巴斯生产蒸汽汽车以来至 1994 年共有 304 万人死于汽车交通 事故，这个数据约为美国 1872 年以来战争中死亡人数（117.5 万人)的 3 倍，同期汽车交通 事故中受伤 3 亿人，是过去 200 年间在战争中受伤人数(145 万人)的 200 多倍。1990 年全球 有统计纪录的汽车交通事故损失为 1370 亿美元，1993 年达 5000 亿美元，相比之下 1995 年 日本的阪神大地震经济损失为 1000 亿美元。可见对人类来说，汽车交通事故的总体伤害与 经济损失规模已大于任何一种自然或其它社会灾害所造成的损失规模。全球道路安全形势十 分严峻。2004 年，在法国举行的由世界卫生组织组办的世界卫生日首次以道路交通安全为主 题。目前，全世界每年死于车祸的人数达 120 万人，伤残 5000 万人，直接经济损失 5000 多 亿美元。据预测，到 2020 年，道路交通死亡人数将达 234 万人，道路交通伤害在人类死亡 和致病原因中排名第三，远在艾滋病、结核病、上呼吸道感染等疾病之前。值得指出的是， 在所有道路交通伤害事故中，中等和低收入国家占 90%，而且这一趋势还在继续上升。法国 人惊呼，车祸这种“城市文明病”每年可以摧毁一座尼斯城。1986 年圣诞节前夕，巴黎市发 出了“救救巴黎”新方案，即巴黎副市长勃罗什提出的解决巴黎交通计划。日本则把城市车 祸称为“交通地狱” 。 与世界各国相比，我国的道路交通事故就更为严重。20002003 年，汽车保有量按年均 近 500 万量的数目增长，道路交通死亡人数年均超过 10 万，年均受伤人数 50 多万，年均经 济损失约 30 亿人民币，下面是 2001 年以来全国交通事故数据统计： 19 2001 年，全国公安交通管理部门共受理道路交通事故案件 75.5 万起，事故共造成 10.6 万人死亡，平均每天因交通事故死亡的人数已达 300 人，直接经济损失 30.9 亿元。 2002 年，中国共发生道路交通事故 77.3 万起，造成 10.9 万人死亡、56.2 万人受伤， 直接经济损失 33.2 亿元。 2003 年，全国共受理一般以上道路交通事故 66.75 万起，这些事故造成 10.4 万人死亡， 直接经济损失 33.7 亿元。03 年死伤人数出现了 10 年以来的首次下降，其中“非典”期间事 长春工程学院毕业设计（论文） 1 故下降明显。 2004 年，中国道路交通事故死亡人数达 9.4 万人，居世界第一。因驾驶员因素导致的交 通事故占总数的 89.8%，造成的死亡人数、受伤人数分别占到了总数的 87.4%和 90.6%。 2005 年，全国共发生道路交通事故 450254 起，比 2004 年减少 67635 起，下降 13.1%； 造成 9.9 万人死亡，同比减少 8339 人，下降 7.8%；造成 469911 人受伤，同比减少 10953 人， 下降 2.3%；直接财产损失 18.8 亿元，同比减少 5.1 亿元，下降 21.2%。 2006 年，全国共发生道路交通事故 378781 起，比上年下降 15.9%。自 2000 年以来，道 路交通事故死亡人数首次回落到 9 万人以下，共造成 89455 人死亡，比上年下降 9.4%。 2007 年，全国共发生道路交通事故 327209 起，造成 81649 人死亡、380442 人受伤，直 接财产损失 12 亿元。 由此可见，随着交通工具的现代化和绝对数量的急剧增长，汽车交通事故已成为严峻的 全球性社会问题。虽然近两年有所下降，但是总体数目还是触目惊心。世界上各发达的汽车 工业国都在大力发展车辆安全技术，以减少车辆交通事故或避免车辆交通事故的发生。所以 研究智能汽车防撞报警系统刻不容缓。 1.1.2 选题的目的及意义 在过去 2030 年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，汽车被动安全性 能的提高，虽然明显地减少了乘员的受伤程度和财产损失程度，但并不能从根本上避免交通 事故的发生和真正解决道路交通安全问题。完善道路交通安全设施，健全道路交通法规，加 强道路交通安全管理，以及提高交通参与者的安全意识等措施虽然也能够改善交通安全状况， 但防患于未然的主动安全措施则无疑是最好的安全措施，方能真正的治理交通安全问题。 而当今随着城市车辆，尤其是私家车的增多，现代生活节奏加快，交通事故发生的频率 也随之增加，为提高汽车运行的安全性，本文介绍一种单片机控制的汽车防撞报警系统。该 装置具有将单片机进行实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合， 可检测汽车运行中后方障碍物与汽车的距离及汽车车速，通过数显装置显示距离，并由发声 电路根据距离远近情况发出警告声。从而达到主动防范交通事故的发生，从本质上降低交通 事故。 本文研究的汽车防撞控制系统能实现以上目标，它通过超声波对车辆行驶过程中的各种 对车辆有危险的障碍物进行探测，通过控制单元对可能发生的危险碰撞做出相应的判断并实 长春工程学院毕业设计（论文） 2 施报警，以帮助驾驶员处理行驶过程中所遇到的危险碰撞问题。当探测到存在潜在碰撞危险 时向驾驶员发出警报信号以提醒驾驶员采用转向、制动、减速等措施。确保了防撞控制的可 靠性。 长春工程学院毕业设计（论文） 3 2 总体方案论证 2.1 测距系统方案比较与选择 准确地测量车与障碍物间距离是智能汽车防撞报警系统开发的第一步，提高车间距离测 量的精度是整个防撞系统可靠性的关键。随着电子技术的发展，越来越多的距离测量装置安 装到了汽车上，先后出现了机器视觉、激光雷达、红外线及超声波等测距方式，这些传感器 均可对周边的环境进行非接触探测，以获取周边其他车辆或障碍物的距离、速度等信息。但 是由于各个测距传感器的最大测量距离、方向性、响应时间、成本、尺寸、环境适应性等各 不相同，因此必须仔细研究以选择合适的测量方式。 7 1）机器视觉 测距用视频成像系统是以 CCD(Charge Coupled Device 电荷耦合器件)摄像机观测物体移 动为基础的。物体在被观测区域横向或上下方向移动就决定了物体的位置。通常物体上需要 有给图象处理软件提供物体行踪的可视条(如白色十字)。实际距离的测量取决于预先输入的 详细的所跟踪物体的几何信息。它主要的优点是探测范围广、检测信息量大、能够遥测等， 但是计算量大、系统的实时性较差，易受环境、气候影响、无法获得深度信息。这种方式主 要用于路径识别与跟踪、障碍物识别、驾驶员状态监测、驾驶员视角增强等。由于成本高， 对外界环境敏感，故在许多场合都不可能采用此项技术。 2）激光雷达 激光雷达有脉冲式和连续波式两种。脉冲式激光雷达采用短的、大功率红外光脉冲，根 据光脉冲所需的传播时间确定被测距离。连续波激光雷达是把光调幅在约 100MHz 的正弦波 上，根据发射光与反射光之间的相位差来推算被测距离(也称作相位法测距)。脉冲激光雷达 信号处理比较容易，其应用也最为普遍。由于光束一般很集中，激光雷达主要用于大范围直 线距离的测量。激光雷达量程大、方向强且响应时间快，但成本高，易受外界环境(如能见 度低、传感器表面有泥土等)影响。同时，激光能量必须限制在人眼安全水平范围之内。 3）红外线 红外线对环境适应性好，体积小，重量轻，功耗低。但它不能很准确地确定物体的距离， 分辨率低，响应时间过长，因此主要用于障碍物探测，红外成像，红外夜视等。响应时间过 长使驾驶员得到的提前报警常常不足以躲避碰撞，这就限制了其在车辆碰撞报警系统的应用。 红外线式传感器是基于测量传感器附近物体所发射的热能来实现测距的。红外线测距跟其它 长春工程学院毕业设计（论文） 4 测距原理相同，都是根据发射波和反射波的总时间来确定障碍物的距离的，相比之下，技术 上易于实现，测距系统的成本也比较低廉。但是对障碍物位置的准确判断还存在隐患，在恶 劣天气和长距离探测方面仍然不能满足公路防撞的要求，所以从性能上来看，红外测距是很 不可取的。 本文开发的是适应能力强，能受到大众普遍接受的智能汽车防撞报警系统，考虑到高速 公路上雾天和雨天发生的交通事故比较多，所选用的距离传感器必须在雨天、雾天和晴天都 能够全天候的工作。激光雷达、机器视觉探测方式虽然都能满足要求，但是从成本角度考虑 的话都不适合，普遍推广难度有点大。超声波是指频率在 20kHz 以上的机械振动波，它是针 对障碍物测距的特殊要求而发展起来的一种测距方法。超声波距离传感器一般采用独立的发 射器和接收器，发射器由高频信号(4080kHz)来激励。测量发射一个超声波脉冲至接收到 反射信号所用的时间间隔，便可简单地估计出被测物体的距离。数据处理简单、快速，价格 低。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被 测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在 液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测 距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来， 具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体 积小、信号处理可靠等特点。所以用超声波测距完全符合我们的要求。 2.2 测速系统方案的确定 自车速度通过自车上的转速传感器测得。在整个系统中精确地测量汽车的转速是提高系 统精度的关键。由于汽车自身所带的转速表测量精度很差，故应对其转速传感器进行必要的 选择和设计。根据不同类型转速传感器输出信号大小的不同，可以采用不同方法将结果给单 片机。转速的测量方法有模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的 信号是模拟电压量;而数字式可以采用光码器、光电式、圆光栅、霍尔元件等为检测元件， 得到的是脉冲信号。由于此系统的车速传感器的工作条件十分恶劣，发动机的热源、汽油、 水、电火花放射以及其它的电磁波形成的电气环境较差，光电式、光码器、圆光栅易受到干 扰，稳定性变差。而霍尔转速传感器得到的是数字信号，抗干扰能力强，故本系统采用霍尔 效应的转速传感器。 长春工程学院毕业设计（论文） 5 霍尔集成元件作为传感器具有精度高、灵敏度高、线性度好、体积小、频率响应宽、动 态范围大、无触点等优点，故其测量变速器的转速是合适的。将传感器的输入轴与汽车车速 表驱动轴连接，该轴通过软轴与汽车变速器第二轴后端的车速里程表驱动涡轮轴相连，磁钢 均匀地分布在传感器输入轴的周围。根据霍尔效应，在控制电流恒定条件下，当传感器输入 轴上的每个磁钢经过霍尔感应元件时，由于改变了磁通密度，便输出一个脉冲信号，将变速 器输出轴的转速转换成频率与转速成正比的脉冲序列。该脉冲经过适当的调理后，可直接送 入单片机进行测试。单片机对数据处理后，可得到变速器输出轴的转速。 2.3 汽车防撞报警器的总体方案设计 8 汽车防撞报警系统是智能车辆的重要组成部分，是车载附加安全装置之一。本系统以 AT89C2051 作为系统的主要控制单元，完成对系统数据的采集，并将采集到的数据进行计算 和处理。该报警器由控制系统、超声波发射电路、接收电路、测速电路、报警电路、LED 显 示电路组成，电路原理框图见图 2-1 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 XTAL1 XTAL2 P1.7 P1.6 P3.2 P3.5 AT89C2051 NE555传传传传传传传 传传传传传传 传传传 传传 传传传传 传传传传传传传 传传传传 传传传传传传传 12 XTAL C1 C2 传传传传传传传传 MCS14499MCS14499 图 2-1 系统总原理框图 系统通过安装在汽车前部的超声波发射探头测量自车与前方障碍物的距离，将距离数据 传输到单片机的控制单元，控制单元同时收集自车车速信息，并结合自车的运动状态辨别目 标运动状态(静止或运动)，根据建立的数学模型进行数据处理，计算出汽车此时应保持的安 全距离，并与实测距离进行比较，一旦实测距离小于安全距离，则启动相关的报警单元，提 醒驾驶员采取正确措施，避免碰撞事故发生。 本系统采用单片机通过计算测量模型提醒报警距离与实测距离进行比较，当实测距离值 长春工程学院毕业设计（论文） 6 小于报警距离时，系统报警;当实测距离大于报警距离时，系统不发出报警。在这两种情况 下，同时显示屏显示自车与前方障碍物的距离和自车的速度。但是在一些不必要的场合，系 统的警报应当抑制，如汽车处于转弯、低速、超车和己制动的情况下应抑制报警。因为在转 弯时，频繁的报警会引起驾驶员的厌烦;在低速行驶时，发生重大交通事故的可能性很低； 车时，由于超声波会探测到高速公路护栏，系统不易鉴别，可能会产生虚警;已采取制动时， 事故的可能性己大大地减少，出现恶性事故的可能性更小，因而上述三种情况应抑制报警。 2.4 汽车防撞安全模型的建立 9 在超声波测距中，最为关键的环节就是超声波往返距离的测定，而测量过程是以用户设 置的时间间隔为周期循环进行的，每次的测量周期，需要进行的步骤是： 测量传播时间； 计算测量距离。 在每个测量周期中，单片机根据设置的输入信号处理参数值，评估每次测量是否合理， 有问题的测量结果将被剔除，并用上一次周期的测量结果替代，在每一次测量周期结束后， CPU 处于等待状态直至下一个测量周期的到来。传播时间的测量如下： 单片机复位清零； 清零传播时间计数器； 单片机给出发射信号，驱动发射换能器，发出超声波，同时启动传播时间计数器； 接收换能器将接收到的超声波脉冲转换为电信号输入到接收回路； 接收电路判断输入脉冲是否检测电波的第一个脉冲沿； 校验接收到的信号特征是否符合； 确定该信号是所测信号时停止传播时间计数器； 如果在当前最大估算时间没有检测到信号，则复位所有标志位，重新测量； 根据确定的测量时间，就可以进行距离计算了，而测量时间的确定，还与具体的硬件电 路设置有关，为了提高测量时间的精确性，则要采用比较好的算法。 系统检测距离的原理是通过单片机发出 40kHz 的方波串后，检测接收端是否接收遇障碍 物反射的回波，同时利用单片机计算出收到回波所用的时间 和确定超声波在空中传播的速t 度。则障碍物到汽车距离为根据测出来的相应距离，通过单片机计算后判断作出v 2 t v 报警响应。 长春工程学院毕业设计（论文） 7 为了能够实现准确地测出障碍物到汽车的距离，尽量减少误差，采取算法为：两对超声 波收发传感器分别安装在车前，两者相隔 1.6m，如图 2-2 所示，、分别代表两对超声波AB 收发器，=1.6m 假设代表障碍物，声波的传播速为，由于声波传播是来回反射的，ABFv 则，也就是只要把时间与确定下来就可以计算出与 2 2 t AFv 1 2 t BFv 1 t 2 tBF ，然后利用海伦公式，设，有AF () 2 AFBFAB L ，这就可以求出的面积为，则其()()()SL LAFLBFLABABFS 2S EF AB 中就是汽车前方与障碍物之间的距离。EF A B F t1t2 E 图 2-2 测距算法几何图 3 超声波测距系统简介 长春工程学院毕业设计（论文） 8 3.1 超声波的应用和发展现状 10 众所周知，超声波测距技术由来已久，已在一些领域得到应用。例如利用超声波技术的 自动测距照相机、建筑上使用的手持式墙面测距仪。这些仪器的组成是较为简单的，通常由 超声波测距传感器（分为收、发分体式和一体式）和电子元器件组成。由于这样的仪器功能 不强，现在已逐渐淡出人们的生产生活中。 近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器（单片机）的出现，使超声波 测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高，而且为超声波测 距技术的应用开辟更大的空间。人们首先设计出了基于单片机的超声波测距系统，这样的系 统如雨后春笋般层出不穷，国内外的许多科研单位、厂家研制生产了这样的测距仪。但有些 场合，只装备单个传感器系统已不能满足人们的需要了，于是就有了多个传感器组成的列阵。 支持这类系统的技术是近年来从军事上发展的多传感器信息融合技术、数字信号处理技术、 人工神经网络等高新技术。国内的科研单位也在进行这方面的科研工作。例如：北京中科院 自动化研究所的研制基于 DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理）的多超声波测距数 据采集处理系统；中国矿业大学信息工程院将多超声波传感器列阵应用于矿井下的机器人； 国防科技大学自控系设计用于自主车绕障的超声传感器线阵。而这些系统大多是为自主移动 机器人而开发的。另外，在国外改进超声波传感器的工作也有所进展，在美国已经有人采用 光纤传感器来收集超声波传感器列阵的庞大信息。 3.2 超声波测距的工作方式 大庆石油学院硕士研究生学位论文超声波发生器主要包括两大类，一是用电气方式产生 超声波，包括压电型、磁致伸缩型和电动型；另一类是用机械方式产生，包括加尔统笛、液 哨和气流旋笛。目前较为常用的是压电型超声波发生器。超声测距从原理上可分为共振式、 脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂，在这里使用脉冲反射式。超声波发生器内部 结构如图 3-1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等 于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机 械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。在超声探测电路中，在发射端得到的输 出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物 距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。 长春工程学院毕业设计（论文） 9 图 3-1 超声波发生器内部结构及实物图 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器有两个压电 晶片和一个共振板。发射超声波时，压电传感器中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振， 并带动共振板振动，便产生超声波。接收超声波时，两电极间未外加电，共振波接收到超声 波，将压迫压电晶片作振动将机械能转换为电信号。 11 3.3 超声波测距原理 超声波测距的原理是，通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出 发射超声波和接收到回波的时间差，然后求出距离，其中，为超声波波速。T2/TCSC 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 8 在超声波测距中，虽然可以通过分析波形频率、相位等特征通过数学关系来得到要测量 的距离值，但更为一般的是通过分析发射波与回波的时间差来获取距离值，这也就是一般所 说的声纳原理。 由系统控制单元送出的 40 KHz 超声波频率信号经放大推动输出给升压变压器初级，通 过由变压器副边和压电换能晶片构成的 LC 振荡电路转换成 40KHz 频率的超声波，组成 T20 (周期)为一超声波发射波束，波束时间长度为 0.5ms()，压电换能晶片2520500vsTvs 可将电能转换成超声波发射到被检测物体，或把被检测物体反射的声波转换成电信号。 换能晶片在系统控制单元送出的 40 KHz 信号起振，推动空气发出超声波，超声波能在 固体、液体和气体类的弹性介质中传播，因而具有不怕雨、水和尘等，能在空气中稳定传播， 且不易受外界声音的干扰等特性。换能晶片发出的超声波自振效应越短越好，因此要给 LC 振荡电路加阻尼电阻，降低 LC 振荡电路的值，使发出超声波波束后的阻尼振荡波快速衰Q 减，以等待接收障碍物反射回馈的超声波束信号。 在超声波传感器发出的声波碰到障碍物后反射到换能晶片，在压电反应下产生一振荡电 长春工程学院毕业设计（论文） 10 压送运算放大器电路进行运算放大并整形后送主机控制单元，主机根据发送和接收信号的时 间差及相应的那个 US 回波，就能得出距离。 超声波信号经超声波传感器发出去以后，遇到固体或者液面等障碍物后会反射回来，超 声波接收器接收到反射回来的超声波，并且将其转换为电信号测出，根据接收到的发射波与 发射波的时间差，就可以算出所测的距离，距离计算公式是： 2 vt S 其中：是所测得的距离，是超声波在空气中的传播速度，其试验值Sv 等于 331.45m/s， 是超声波从发射到接收到第一个回波经过的时间。t 对上式进行全微分，得到如下关系式： 1 2 S （tv+v t ） 7 由此可以知道，由于速率的变化或者测量误差、时间的测量误差都会给所测得的距离带 来误差，其中，是由于速率的变化引起的误差，而则是由于计时不准确引起的误差。tvv t 4 系统的硬件设计 长春工程学院毕业设计（论文） 11 4.1 单片机控制系统设计工具平台简介 4.1.1 系统模块的组成及各部分的功能 碰撞报警控制系统实际上是一个单片机系统，主要包括单片机的基本系统、超声波发射 电路、接收电路、测速电路、报警电路、LED 显示电路组成。在数字控制系统中，单片机是 主要的智能单元，控制方案通过软件来实现，利用单片机内部的程序存储器和数据存储器存 储程序和数据参数。测量控制系统面板上的 LED 显示器显示车与障碍物之间的距离和自车的 速度，便于驾驶员及时了解汽车的运行情况，必要的时候实施自动报警。 4.1.2 单片机的选择 1 单片机是数据采集器的核心，因此单片机的选型很重要。在单片机的发展过程中，Intel 公司扮演了重要角色。从 1980 年以来，Intel 公司在 MCS-48 系列单片机的基础上又推出了 MCS-518 位的高档单片机以及今天的 MCS96 系列及各种 CMOS 系列，使单片机技术日趋成 熟和完善。无论是哪一种位数的单片机，哪一系列的单片机，都为新产品的开发、应用系统 的研制、智能控制器的研究等，创造了极其有力的硬件环境。目前世界各生产厂家生产的 4 位、8 位、16 位、32 位通用型以及衍生出的五花/又门的系列及型号，使单片机技术的应用 己达到了无孔不入的地步。但是在国内，单片机使用量最大的还是 8 位单片机，应用范围最 广的也是 8 位单片机。目前世界各生产单片机的公司都在努力提高时钟频率，以提高单片机 速度；精简指令，采用多级流水线操作方式以提高指令的执行速度，扩大寻址能力;扩大片内 程序存储器和数据存储器容量，并在结构上细致化、智能化、密切化，以增加片内功能；尽 量减少外部接口芯片，提供与主机的接口，降低单片机的功耗，提高宽电源的适应能力，增 加高噪声容限，并使其具有更好的电磁兼容性。面向应用对象的多功能多品种的增强型单片 机将不断出现。本系统的主控单元采用了 MCS-51 系列的 AT89C2051 单片机，主要考虑到这 种单片机操作相对简单， 同时价格也较便宜，便于实验时使用。充分运用单片机内部资源， 对汽车的转速、显示和串口通信进行了研究。 4.1.3 AT89C2051 的特点与功能 8 AT89C2051 是一个低功耗、高性能的 CMOS 8 位微处理器，与 MCS-51 系列指令集和引脚 兼容，具有以下特点：128 bytes 内部 RAM，2Kbytes EPROM，15 根 I/O 线，2 个 16 位定时 计数器，5 个两级中断源，1 个全双工串行口，一个片内精密模拟比较器和片内振荡器， 低功耗的闲置和掉电模式。工作电压范围 4.25V5.5V，工作频率取 12MHz。AT89C2051 中的 两个 16 位定时计数器寄存器 T0 和 T1，作定时器时，可计数机器周期，计数频率为振荡频 长春工程学院毕业设计（论文） 12 率的 1/12；作计数器时，可对外部输入引脚 P3.4/T0 和 P3.5/T1 上出现从 1 至 0 的变化时增 1，计数频率为振荡频率的 1/24。AT89C2051 明细如图 4-1 所示。 RST 1 P3.0 2 P3.1 3 X2 4 X1 5 P3.2 6 P3.3 7 P3.4 8 P3.5 9 GND 10 Vcc 20 P1.7 19 P1.6 18 P1.5 17 P1.4 16 P1.3 15 P1.2 14 P1.1 13 P1.0 12 P3.7 11 AT89C2051 图 4-1 AT89C2051 芯片引脚图 AT89C2051 芯片的 20 个引脚功能为： 1. Vcc：电源电压 2. GND：地 3. P1 口：P1 口是 8 位双向 I/O 口。P1 口引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉电阻。P1.0 和 P1.1 要求外部上拉电阻。P1.0 和 P1.1 还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和 反相输入（AIN1)。P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 显示。当 P1 口引脚 写入“1”时，其可用作输入端。当引脚 P1.2P1.7 用作输入并被外部拉低时，它们将因内 部的上拉电阻而流出电流()。P1 口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。 IL I 4. P3 口：P3 口的 P3.0P3.5、P3.7 是带有内部上拉电阻的七个双向 I/0 引脚。P3.6 用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为通用 I/O 引脚而不可访问。P3 口缓冲器可吸 收 20mA 电流。当 P3 口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作 输入时，被外部拉低的 P3 口引脚将用上拉电阻而流出电流()。此外 P3 口还用于实现 IL I AT89C2051 的功能： P3.0：RXD(串行输入端口) P3.1：TXD(串行输出端口) P3.2：INT0(外中断 0) 长春工程学院毕业设计（论文） 13 P3.3：INT1(外中断 1) P3.4：TO(定时器 0 外部输入) P3.5：T1(定时器 1 外部输入) 5. XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 6. XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。 从上述引脚说明可看出，AT89C2051 没有提供外部扩展存储器与 I/O 设备所需的地址、 数据、控制信号，因此利用 AT89C2051 构成的单片机应用系统不能在 AT89C2051 之外扩展 存储器或 I/O 设备，也即 AT89C2051 本身即构成了最小单片机系统。 4.1.4 单片机系统的设计要求 系统设计包括软件和硬件设计两个方面，两者之间互相影响。一般设计原则是简化设计 (采用功能较强的芯片以简化电路，增强可靠性);冗余技术设计(提高系统可靠性和便于维修); 以软代硬(在速度允许的条件下，能用软件的尽量不用硬件)，如用软件低通滤波代替硬件低 通滤波，用软件中断代替硬件中断等。硬件设计一般包括单片机接口电路设计和单片机作用 对象设计。在硬件电路的基础上，高质量的软件可使系统的性能大大地提高，其中包含:中断 控制、定时、显示、数码转换以及数据采集、处理、输出等程序。在设计时，较多的使用硬 件来完成一些功能，可以提高工作速度，减少软件工作量;较多的使用软件来完成一些功能， 则可以降低成本，简化电路，但是增加了编程的工作量。因此，在综合设计时，应根据研制 的周期和市场状况来进行合理的分配。 11 4.2 系统各部分的硬件设计 4.2.1 超声波发射电路的设计 超声波发射电路由 NE555 时基电路和超声波发射探头组成。单片机 AT89C2051 的 P1.7 引脚控制 NE555 时基电路产生 40kHz 的频率信号给超声波发生器，由超声波探头发射的超 声波射向障碍物。利用超声波测距具有以下特点：测量灵敏度高，穿透力强，测量速度快， 测量角度大，可对较大范围内的物体进行检测。其原理图如图 4-2 所示。 18 长春工程学院毕业设计（论文） 14 TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVOLT 5 THR 6 DISC 7 VCC 8 GND 1 U1 NE555 VCC 224 C4 C2 103 C1 103 104 C11 224 C3 22 C22 510 R2 VCC VCC 32 U2A CD4049UB/FP 54 CD4049UB/FP 76 CD4049UB/FP 910 CD4049UB/FP 1415 CD4049UB/FP 1112 CD4049UB/FP PLUS_EN US1 SuperSound_1 1 2 WAVE WAVE U2B U2C U2D U2E U2F 18K R1 5.1K R3 160K R19 图 4-2 超声波发射电路原理图 用于驱动超声波传感器的 40KHz 的方波由一片 NE555 搭成的多谐振荡器生成，受控于 控制器的 PLUS_EN 信号（即 AT89C2051 的 P1.7 引脚） ；40KHz 的方波经 CD4049（驱动功 能的反相器）调理后，成为振幅 18V 的方波，提高发射功率。 4.2.2 超声波接收电路的设计 超声波接收电路由超声波接收探头、放大器和整形器组成。由障碍物反射回来的超声波 经接收探头，变换为电脉冲信号，再由放大器、整形器放大和整形后送入到单片机 AT89C2051 的 P3.2 引脚。放大器宜选用有足够增益和较低噪声的宽带放大器，以保持脉冲 信号尤其是前沿不发生畸变，提高测距的精度。其原理图如图 4-3 所示。 18 8 1 4 3 2 1 U3A NE5532P 84 7 5 6 2 U3B NE5532P 224 C5 20pFC6 100pF C7 20pFC9 104C8 104 C10 Q? JMP_COMCN 1 2 J2 1 3 BAL/STB 6 BAL 5 V- 4 2 7 V+ 8 U4 LM311P US2 SuperSound_1 WAVE WAVE VCC VCC VCC VCC COM_lrmPACK_PLUS 1K R9 22K R10 10K R8 10K R7 1K R11 10K R6 1K R5 10K R4 1K R12 图 4-3 超声波接收电路原理图 发射头发射出去的超声波经障碍物反射后，反射到接收头，而接收到的波形幅度非常小， 所以在回波处理电路中，把接收到的波形放大了 5000 倍，用的是 NE5532 搭成的两级交流放 大电路。经放大后的波形送入，LM311 比较器；经比较器调理后的波形成为方波，可送给 AT89C2051 的 P3.2 引脚。 长春工程学院毕业设计（论文） 15 在此模块电路的设计中，超声波发射头和接收头之间存在一些干扰。一般压电式的超声 波换能器都会存在余波的干扰，发射头和接收头间要有 5cm 的距离。而在发射头发射超声波 后的 3ms 内，接收头会一直接收到发射头传过来的非反射波，这是干扰波，在后面的软件处 理的时候将会清除这些干扰。 4.2.3 门控电路（触发器）设计RS 6 为了在本超声波测距电路中实现对超声波发射和接收的自动控制，必须在电路中加入门 控电路。下面结合系统总原理图（见附录）解释一下该门控电路的作用。由 2 vt S 式中是所测得的距离，是超声波在空气中的传播速度， 是超声波从发射到接收到Svt 第一个回波经过的时间。如果 已知，距离便可确定，如何测量时间 呢？把输出脉冲作为一tt 闸门信号，让已知频率的脉冲恰好能通过闸门，那么： c f C tNT 式中，为已知脉冲的周期；为脉冲周期的个数或脉冲的个数。闸门信号与已知脉冲信 C TN 号的关系如图 4-4 所示。 图 4-4 闸门信号与已知脉冲信号的关系 在本电路设计中门控电路由触发器来完成，而触发器是用触发器 CD4013 来完RSRSD 成。当时复位，即；时置位，即,在原理分析中，就)0( 1SR0Q)0( 1RS1Q 利用它的这一特性。当上电复位时，触发器 CD4013 的脚输出低电平加到单片机的 P3.3DQ 口，不启动内部计数器，处于等待状态。 4.2.4 报警电路的设计 报警电路由语音集成电路、放大电路和扬声器组成。根据测量结果，AT89C2051 的 P1.6 产生一定频率的低电平信号，使电路导通驱动扬声器发出报警声。原理图如图 4-5 所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 16 2 3 54 1 HFC5214 Q2 S9015 D1 IN5989 DS0 VS 6 GND 4 GAIN 8 3 2 5 BYP 7 GAIN 1 U6 LM386N-1 4.7 C22 10 C44 220 C33 3K R13 1K R14 1K R15 820K R16 1K R17 LS0 Speaker VCC U5 图 4-5 语音报警电路原理图 当车前方有障碍物时，反射回来的超声波信号经超声波接收器 US2 接收并转变为相应的 电压信号。该信号经过芯片处理后从 P1.6 以低电平信号输出，三级管导通，语音集成电路 （HFC5214）开始工作，然后再经过 LM386，LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、 电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，经过放大后由扬声 器发出“嘟嘟，请注意！”的语言提示！同时二极管发光，实现声光同时报警提示！ 4.2.5 测速电路设计 测速电路由传感器、倍频电路组成。霍尔集成传感器将车轮转速信号变成脉冲信号输出， 经放大、整形电路后送入倍频电路，送入单片机 AT89C2051 的 P3.5 引脚，控制 T1 计数器 计数，实现了在单位时间内的计数。 转速传感器由霍尔开关元件，带磁钢圆盘（装在汽车车轴上的）及电平转换电路组成。 构成原理框图如图 4-6 所示。 当车轮转动时，磁块与霍尔元件相对位置发生变化，磁块靠近霍尔元件时，磁场增强， 霍尔元件输出低电平，相反则输出高电平，因此车轮转动，霍尔元件输出连续脉冲信号，通 过整形送单片机，根据具体要求进行信号处理计算。 霍尔传感器选用霍尼韦尔公司的 SS41 型霍尔位置传感器/开关输出。它尺寸小，有灵敏 的磁特性，响应速度快，工作频率从 0100kHz，完全满足采样时间的要求。可采用单 5V 电源供电，输出电压值小于 0.4V，故与微机接口时，需有后续电路放大脉冲信号。 长春工程学院毕业设计（论文） 17 图 4-6 测速原理框图 转速测量装置的硬件包括脉冲发生部分以及脉冲信号与微机的接口电路两部分。脉冲的 形成是基于霍尔效应原理。车轮转动霍尔元件输出的脉冲信号频率与转速成正比，由于圆盘 上贴有 60 块（为了计算方便，选用 60 片小磁块）磁块，车轮转动时，每个小磁片经过霍尔 传感器时，霍尔传感器便产生一个脉冲。车轮每转一周，霍尔元件输出 60 个脉冲。若转速 传感器输出频率为，则汽车车轮转速为：fn 60(min) 60 f nf r 因此转速传感器输出信号频率即为车轮每分钟转数。磁片选用 SH30 型，将 60 块磁片 粘贴于非磁性圆盘上，注意辨别每个磁片的 N、S 极，(N 极贴向转动轴，S 极朝向霍尔传感 器)。其原理图如下图所示，其中 SH30 是粘贴于非磁性圆盘上的小磁片。 1 2 3 SS41 SH30 1 2 3 4 5 6 7 8 U7 LM311H NS D2 100K R20 20K R21 15K R22 2K R18 VCC VCC VCC 图 4-7 霍尔传感器测速电路原理图 微机接口电路将传感器输出的微弱的脉冲信号转换为幅值为+5V 的单片机标准输入信号。 用 LM311 比较器实现。实际电路如图 4-7 所示。R18、R21 用于调整比较器的基准电压，设定 为 0.25V。当传感器的输出电压高于基准电压时，比较器输出+5V 的高电平，反之则输出为 0V 的低电平。比较器上拉电阻的大小会影响输出幅度，由 500 改为 15k 后，使输出幅值 长春工程学院毕业设计（论文） 18 增大。D2 用作限幅保护。经该电路输出波形规则稳定。测速算法由单片机编程实现。 4.2.6 倍频电路设计 为了满足对测速精度的更高要求，可将上述脉冲信号进行倍频后，再送到单片机处理。 下图为利用高速 CMOS 单片锁相环电路芯片 4046 实现的二倍频电路。原理图如图 4-8 所示。 VCOOUT 4 PCBIN 3 C1B 7 VCOIN 9 PC2OUT 13 INH 5 R2 12 PCAIN 14 VDD 16 LD 1 PC1OUT 2 GND 8 ZENER 15 C1A 6 R1 11 SFOUT 10 U8 MC14046BCL 4 CLK 3 D 2 1 Q 5 Q 6 CLR PR U9A SN74LS74AD 0.1F C55 0.1F C44 1K R25 10K R23 20K R24 Pulse_In Pulse_Out 图 4-8 倍频电路原理图 4046 由相位比较器和压控振荡器组成，外接低通滤波器。相位比较器的输出正比( ) e V t 于输入信号与压控振荡器输出信号的相位差。经低通滤波器滤除高频分量后( ) e V t 0( ) V t( ) e V t 的