毕业设计（论文）-汽车倒车雷达预警系统的设计及实现.doc

毕 业 论 文 设 计题 目 汽车倒车雷达预警系统的设计及实现 学生姓名 学号 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 通信1204班 指导教师 完成地点 陕西理工学院 2016年6月5日XXXXXXXXXXXX毕业设计（论文） 中文摘要毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1204 学生姓名 一、毕业论文设计题目 汽车倒车雷达预警系统的设计及实现 二、毕业论文设计工作自_2015 _年_ 12 _月_ 日 起至_ 2016_年 6 月 日止三、毕业论文设计进行地点: 物电学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求：1、本次毕业设计要求如下： 设计一个汽车倒车雷达预警系统，要求： 该系统可实现汽车倒车时车尾保险杠和障碍物之间的测距，并能够实时显示； 系统可预设测距报警的下限值，当实际测距小于预设值时，系统应报警提示，同时可实现对预设值的调整和修改； 报警方式要求有两种以上，以更好地提示驾驶员车辆周边的情况，从而提高汽车倒车的安全性。 2、毕业设计成果要求： 程序代码、硬件实物和论文，论文要求计算机打印（A4纸），论文有不少于3000词的相关英文中文翻译。 3、毕业设计时间安排： 14周：查阅相关资料，熟悉题目内容，掌握设计原理，提交开题报告； 510周：根据设计原理，进行相应软、硬件设计； 1112周：完善设计功能，整理资料并进行结果测试及分析； 1314周：毕业设计验收； 1516周：撰写、修改、提交毕业论文，毕业答辩。 指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 I汽车倒车雷达预警系统的设计及实现（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业1204班，陕西 汉中 723001）指导教师：摘 要 汽车倒车雷达预警系统能在汽车倒车时为驾驶员提供周围障碍物信息，可降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起的事故。本课题设计了一个汽车倒车雷达预警系统，倒车时，驾驶者启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇障碍物产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出语音警示信号，以提示驾驶员车辆周边的情况，从而提高汽车倒车的安全性。设计结果表明，该系统操作简单，测距精度高，安全性能好，具有很强的实用价值。关键词 超声波；单片机；测距；传感器；报警6Design And Implementation Of Automobile Reversing Radar Warning System (Grade12,Class 4,Major of Communication Engineering，School of Physics and TelecommunicationEngineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001,China)Tutor: Abstract: Automobile reversing radar warning system can provide the information of the obstacle surroundings when reversing, which can reduce the difficulty of reversing and avoid the accident caused by the sense of direction, the judgment and the operation of the driver. A car reversing radar warning system is designed in this paper.The driver start reversing radar when reversing,then the probe in the rear bumper transmits ultrasonic waves.The sensor can received echo signal from obstacles.After processing by processor,the screen can display the distance between the probe and obstacle.When the distance is greater than the safety distance,the system can alarm and prompt the driver to pay attention when reversing.The system has the advantages of simple operation,high precision of ranging, and good safety performance,which has the good practical value in application. Key words: ultrasonic,Single chip microcomputer,rang,transducer,give an alarm目录引言11.课题研究背景21.1研究现状21.2发展前景21.3应用领域31.4本文研究内容32.方案论证42.1设计要求42.2方案设计42.3方案选择53.硬件设计63.1系统组成63.2单元电路设计63.2.1单片机控制电路63.2.2系统复位电路设计73.2.3晶振电路83.2.4 LCD显示电路93.2.5报警电路设计方案93.2.6按键设置电路103.2.7 HC-RS04超声波测距模块113.2.8语音IC模块124. 软件设计134.1系统对软件的要求134.2主程序134.3显示数据子程序134.4报警子程序144.5按键子程序145.系统调试及分析155.1软件仿真155.1.1 Proteus简介155.1.2 系统仿真155.2硬件调试165.2.1元器件的焊接165.2.2电路调试与分析165.3结果分析16结束语18致谢19参考文献20附录A：外文文献原文21附录B：外文文献译文32附录C：部分程序清单43附录D：元器件清单53附录E：实物图54IV陕西理工学院毕业设计引言汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。电子技术的引入使汽车在安全安全、舒适和方便等方面有了很大的提升。应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。近年来汽车的自动调速系统，主动式汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用。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，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全性领域有较大的突破。如今，拥有私家轿车的人越来越多，带来的交通问题也日益严重。其中安全倒车是驾车技术水平不高或没有安全意识的开车人士最为担心的交通问题之一，如果稍不留神不仅会给自己或别人带来财产损失，还会造成激烈的争吵与纠纷，甚至也威胁到了驾驶员的生命安全。面对这样的情况与问题，倒车防撞报警器就被人们设计出来， 依据声源或以直观的显示提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了驾驶员倒车和启动轿车时前后左右探视所引起的问题，并帮助驾驶员扫除了视觉死角和视野模糊的不足，提高了倒车安全性。现代社会的汽车工业飞速发展，拥有私家轿车的人越来越多，带来的交通问题也日益严重。其中安全倒车是驾车技术水平不高或没有安全意识的开车人士最为担心的交通问题之一，如果稍不留神不仅会给自己或别人带来财产损失，还会造成激烈的争吵与纠纷，甚至也威胁到了驾驶员的生命安全。面对以上种种情况与问题，倒车防撞报警器的重要性越来越强， 依据声源或以直观的显示提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了驾驶员倒车和启动轿车时前后左右探视所引起的问题，并帮助驾驶员扫除了视觉死角和视野模糊的不足，提高了倒车安全性。1.课题研究背景随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。在享受汽车给我们带来的便利同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越來越少。另一方面，新司机及非专职司机越來越多，因倒车引起的纠纷越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰掩时有发生。现如今解决汽车的倒车难问题目前有两种思路，一是寄希望于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟，目前这项技术仍处于研制幵发阶段，短期内尚未能推广应用；二是传统倒车系统，但其功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断乍后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务。本文研究的汽车倒车预替系统属于第二种思路，它在常见的汽车倒乍颅聱装置的基础上进行改进，能很大程度地解决倒车难题。 1.1 研究现状 国外汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，不属于雷达（无线电波）的产品，最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪 或泥尘覆盖，系统就会失效。 欧美有一种电磁感应倒车雷达。在一线路套上一环型的感应圈，以感应车后物体的有无。此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装困难，而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。换言之，如有任何物品 贴在后保险杠，当车一旦停下再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。 德国大众公司已经将超声波测距技术应用在倒车雷达上，并且具有前视和后视功能，采用自举升压的方式驱动路超声波 传感器，目前国内引进车型对这一技术尚不能国产化，仍需要引进德国原厂成 品安装。因此，实用性也相当有限。 日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。据海外媒体报道，戴姆勒一克莱斯勒公司日前成功开 发出供商用车（尤指卡车）使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收 集的信息交由一控制器加上处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判 断所发生状况是否需要利用刹车。这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，其过高的成本限制了它应用的普遍性。 国内倒车雷达报警系统经过多年的发展，倒车雷达设计和使用也都发生了质的变化。倒车雷达系统已经日趋成熟，先后经历了：倒车时通过喇叭提醒，采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员，数码波段显示具体距离或者距离范围，液晶屏动态显示，魔幻镜倒车雷达，专为高档轿车配置的六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点。第一代和第二代产品，从某种意义上来说，对驾驶员并没有直接的帮助；第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观；第四代产品外观精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强；第五代产品结合前几代产品的优点，是目前市面上最先进的雷达系统；第六代产品是专为高档轿车配置的。目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。 1.2 发展前景随着市场的需求越来越大，倒车雷达预警系统也由原来的车主加装到出厂原装发展；由主流4探头向更多探头发展，以提高精准度；功能更加强大，集成音响和音像播放功能；设备趋于小型化、人性化、智能化等。 （1）小型化。产品要求体积小，损耗小。 （2）人性化。以人体行为为研究基础，开发更具科技含量、高效、舒适、健康的智能化安全模式是人们所喜闻乐见的。（3）网络化。控制系统必然伴随着网络，一起给人们生活带来更多的便利；（4）嵌入式。其功能强大、体积小、应用灵活被越来越多的人所关注，现已是多种智能设备的核心元件；（5）可扩展性。与其他外设的联动是大势所趋，因此，要预留扩展端口给将来。（6）品牌化。集众品牌之长于统一的控制平台，则能很好地兼顾各方利益，同时客户在预算上也会有很大的主动性。 1.3 应用领域该系统属于于车辆电子产品，将应用于在汽车倒车时为驾驶员提供倒车时所需信息，防止在倒车或者泊车时发生碰撞等危险事故。同时为汽车将来的自动驾驶技术做铺垫。在汽车电子领域中，倒车雷达（Car Reversing Aid System)全称“倒车防撞雷达”又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装制，主要针对汽车倒车时无法目测到车尾的物体和距离车身的距离而设计开发的。本课题研究的汽车倒车预警系统将为驾驶者提供一个倒车提示和距离报警，本课题的现实应用的意义在于。 （1）将倒车自动化从被动防撞引向智能控制方向发展； （2）体现了“以人为本”的驾驶理念，倒车时驾驶者的视线可集中在前方，不需顾及车后状况，增加了倒车的安全性和可靠性，并且它的应用可减轻司机体力和脑力劳动的强度； （3）安全可靠的防碰撞预警，使驾驶者无论是白天还是夜晚都能实现安全倒车； （4）此系统可以单独存在，避免对汽车整车的影响，为应用和普及创造了条件，经济性较好，易于普及。 汽车倒车雷达预警系统的运用可极大地减轻驾驶者的体力、脑力劳动强度, 降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起的事故，同 时它将对提高汽车智能化水平和最终实现汽车无人驾驶产生积极的意义。 1.4 本文研究内容 本次倒车雷达预警系统的研究工作中，核心部分是中心控制单元、超声波测距系统、语音播报系统，主要是考虑到驾驶员能更准确的接收信息，所以在声光报警的基础上增加了语音报警系统，总的设计流程图如图1.1所示图1.1 系统整体设计思路系统整体设计首先是从方案着手处理的，分析其具有何种功能，需要哪些模块，然后根据功能模块再决定选择什么样的元器件可达到系统的设计目标。随后需要从软件和硬件这两部分来实现，软件主要用来控制硬件的运行，最后需要对系统联调，保证它稳定可靠地工作，让系统总体上完成一个整合，实现方案构思中的所有功能需求。 2.方案论证方案论证是对汽车倒车雷达预警系统的构思，分析用何种方法可以实现，该方法有哪些好处及局限性，并根据功能要求，性价比，实现难易程度等作以综合比较，选择一个最优的解决方案。 2.1 设计要求从任务书角度出发，本课题拟在汽车倒车过程中为驾驶员提供汽车倒车所需信息，并且使得倒车过程更加人性化，安全性也得到很大提升。为达此目的，设计将主要解决以下三个问题。 该系统可实现汽车倒车时车尾保险杠和障碍物之间的测距，并能够实时显示； 系统可预设测距报警的下限值，当实际测距小于预设值时，系统应报警提示，同时可实现对预设值的调整和修改； 报警方式要求有两种以上，以更好地提示驾驶员车辆周边的情况，从而提高汽车倒车的安全性。 由上可知，本系统研究的主要内容是在汽车倒挡挂起时，该系统则需实时显示汽车倒车时车尾保险杠和障碍物之间的距离，另外考虑带场景的不同，设制了可调节的报警阈值。为了驾驶员方便及时的了周边装况，此研究还应该具有声音播报功能，解放驾驶员眼睛需要看显示界面。 2.2 方案设计 方案一：采用上位、下位机（PC.PLC）的控制系统。 上、下位机（PC.PLC）技术如图2.1所示。 图2.1 上、下位机控制系统上下位机是基于工业控制领域广泛应用的可编程序控制器（PLC）控制程序发展而来的。可编程序控制器（PLC）在 PCPLC技术中作为下位机，其运行可靠性得到了一致认可，PLC在系统中的作用是：通过现场检测元件各类传感器，采集系统运行参数，将运行参数送至PLC系统的数据采集单元，现场数据采集单元利用网络技术将数据送到PLC控制主机，由PLC的主机（CPU）对数据进行处理，最后通过总线网络送至上位工业控制计算机PC。但是用可编程控制器PLC通过数据采集卡控制多个传感器的方式，这种方式多用于工业，生产中，体积大，安装不放便，而且成本高。方案二：AT89C51单片机的控制系统。 AT89C51单片机的控制系统如图2.2所示。 图2.2 单片机控制系统 AT89C51是一个8K字节可编程FPEROM的高性能微控制器。具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路 简单。具有很高的性价比，成本低，其价格仅微DSP的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。它与工业标准MCS51的指令和引脚兼容， 因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。 2.3 方案选择方案一 可编程控制器PLC通过数据采集卡控制多个传感器的方式，通过通信协议与下位机通信，将指令传送到下位机，由下位机来实现对各模块的控制，这种方式多用于工业，控制程序大，控制子模块多的实体设计生产。实验中并不常用，因为其体积大，安装不放便，成本高，操作等空难度较大，因此并不是理想的实验方案。方案二单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的；指令系统均有极丰富的条件。分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能；机内的工作电压仅为1.8V3.6V工作电流仅为数百微安；易扩展构成各种规模的计算机应用系统。12 由于单片机的应用十分广泛，渗透于我们生活的多个领域，几乎难以找到哪个领域范围没有单片机的踪迹。譬如导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程中的实时控制和数据处理，各种智能IC卡的广泛使用，全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。但是，它小巧玲珑的同时注定存在一定的局限性，单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序，而且还必须十分了解所用单片机的硬件结构，程序编写困难，代码难以理解，不易于识读，难于移植，排错困难，编写程序花的时间相当多，调试不便等等。综合以上比较，方案一游系统数据处理任务，控制实时性要求高但设计复杂，体积较大，成本高等缺点，而方案二，设计简单，体积小，安装简易，成本低等特点，本系统采用的是第二种方案作为控制系统。 3.硬件设计倒车雷达预警系统主要实现汽车尾部到障碍物之间的距离测量。硬件设计包括测距系统设计（超声波发送接收系统)、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。其中，测距系统由超声波发射模块和超声波接收模块构成；控制系统设计主要对AT89S52单片机系统进行设计：显示报鳘系统设计要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和静态显示电路进行设计。 3.1 系统组成 按照系统设计要求，该系统可实现汽车倒车时车尾保险杠和障碍物之间的测距，并能够实时显示；可预设测距报警的下限值，当实际测距小于预设值时，系统应报警提示，同时可实现对预设值的调整和修改；报警方式要求有两种以上，以更好地提示驾驶员车辆周边的情况，从而提高汽车倒车的安全性。初步决定汽车倒车雷达预警系统将由硬件和软件两部分组成，系统设计采用模块化思想。系统硬件结构分为三个主要模块：测距系统，控制系统和显示报警系统。软件部分对不同功能模块的程序进行分别编程，便于调试和移植。整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图3.1所示。图3.1系统结构原理图各模块所完成的具体功能如下： （1）测距系统：由传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成 测距功能。（2）控制系统：本系统以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各种接口电路进行控制，晶振发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理实现实时时间差采样，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。（3）显示报警系统：显示最小距离及报警以提醒驾驶员。 3.2 单元电路设计 3.2.1 单片机控制电路本次设计我们所采用的是STC89C51单片机，是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能COMOS8的微处理器，线编程，采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C51是个低功耗高性能的单片机，有40个引脚和32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含有2个外中断口，两个16位可编程的定时计数器，两个全双工的串行通信口，STC89C51能够照常规方法进行一定的编程，也能够在线编程。它通用的微处理器与Flash存储器结合在一起，特别是反复式擦写的Flash存储器可有效节省开发的成本3。I/O的端口编程实际为根据应用电路的功能与对I/O的寄存器进行编程，具体的步骤如下。 （1）根据实际的电路要求，选择采用哪些的I/O端口，且用EQU伪指令去定义自身所相对应的寄存器； （2）初始化的端口数据输出的寄存器，应该避免端口作为输出的时侯，开始阶段显现不确定的状态，影响到外围的电路正常工作； （3）根据外围的电路功能，确定I/O端口id方向，初始化的端口数据方向寄存器。把用作输入的端口可以不用考虑其方向的初始化，因为I/O复位缺省值是输入； （4）对于用作输入的I/O管脚，如需上拉，再经过输入上拉让其能寄存器为它内部配置个上拉电阻； （5）最后对I/O的端口进行输出（写数据输出的寄存器）与输入（读端口）编程，完成对外围的电路的相应功能。根据系统设计要求，各接口功能如下。P1.0：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于后方的测距电路）P1.1：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于右侧的测距电路）P1.2：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于左侧的测距电路）：产生中断请求，接后方测距电路。：产生中断请求，接后方测距电路。P1.3：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。P1.4：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。P0.0P0.7：用于显示输出，接显示器。P2.7：接报警电路。P2.0：接报警电路。P2.1：接报警电路。 XTAL1：接入外部晶振的引脚。在单片机的内部，它是一个反相放大器的输入端，这一个放大器构成出片内振荡器。采用外部振荡器的时侯，有些引脚应该接地。XTAL2：接入外部晶振的引脚。在片内接到振荡器反相放大器输出端与内部时钟发生器的输入端。当采用外部振荡器的时侯，此引脚接外部振荡的信号输入。RST：STC89C51复位信号的输入引脚，高电位的工作，当要对芯片复位的时侯，只须将此引脚电位提至高电位，并且持续不变两个机器的周期以上时间，STC89C51就能完成系统的复位各项工作，使内部特殊的功能寄存器内部都被设成已知状态。图3.2 单片机硬件设计 3.2.2 系统复位电路设计在单片机日常工作时，除了系统正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为解决这个问题，也需要复位致使其重新启动。所以，系统复位电路显得尤为重要。单片机复位全靠外部电路实现，每当在时钟电路工作后时，一旦在单片夹中的RST引脚上表现出24个时钟振荡脉冲以上高电平，单片机就会实现初始化状态的复位。为了保证并可靠复位，在设计复位电路时，RST须高电平。只要RST电平不变，单片机就循环复位。单片机复位电路通常采用以下几种方式： 图3.3 上电复位电路 （1）上电自动复位在通电瞬间，由于RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。 （2）按键电平复位 通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。 （3）在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这种特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统由多个复位端时，能保证可靠地同步复位。考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。 3.2.3 晶振电路它是单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作。假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。它是由一个晶振和两个瓷片电容组成的，晶振和瓷片电容是没有正负的，两个瓷片电容相连的那端一定要接地，如图3.4所示。 图3.4 晶振电路一般单片机的晶振工作于并联谐振状态，也可以理解为谐振电容的一部分。它是根据晶振厂家提供的晶振要求负载电容选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差，也能保证温漂等误差。机器周期:通常从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期,(也就是计算机通过内部或外部总线进行一次信息传输从而完成一个或几个微操作所需要的时间),它一般由12个时钟周期组成。而时钟周期=1秒/晶振频率，因此单片机的机器周期=12秒/晶振频率 ，补充其他几个周期： 指令周期（Instruction Cycle）：取出并执行一条指令的时间。总线周期（BUS Cycle）：也就是一个访存储器或I/O端口操作所用的时间。 时钟周期（Clock Cycle）：又称节拍周期，是处理操作的最基本单位。(晶振频率的倒数，也称T状态) 指令周期、总线周期和时钟周期之间的关系：一个指令周期由若干个总线周期组成，而一个总线周期时间又包含有若干个时钟周期。一般处理器的一个机器周期由12个时钟周期所组成。所以单片机用12M晶振，运行速度为1M。负载电容=(Cd*Cg)/(Cd+Cg)+Cic+C6 ，跟晶振特性、单片机内部时钟电路等效电容有关。两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。其起到一个并联协振的作用，这样可以让它的脉冲更平稳与协调。 3.2.4 LCD显示电路显示器是一个典型的输出设备且实际应用广泛，几乎所有电子产品都会使用显示器，各自的差别仅仅在于是显示器结构类型相异而已。其中，最简单的显示器能够使LED发光二极管，并给出一个简单开关的信息，但复杂且较完整的显示器应是CRT监视器或屏幕里较大的LCD液晶屏。综合一些实际要求和考虑单片机的接口资源，采用串行的方式显示的LED驱动输出设备。由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管显示距离的数值。在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式；静态显示驱动和动态显示驱动。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通过恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，在发送新的自行段码。因此，使用这种方法单片机中的CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、编译码等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需要的期间和连线也应该增加，成本也增加。而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这是LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。 图3.5 显示电路 3.2.5 报警电路设计方案系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K，R26的阻值为10K。对于二级运算放大，都采用F007芯片，两级放大电路均是负反馈接法，即反相比例运算电路，而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地，根据“虚短”和“虚断”的特点。所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0。所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。而“虚短”是由于理想集成运放的输入电阻Rid，故可以认为输入端不取电流，这样输入端相当于断路，而不是断开，成为“虚断”。而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况成为“需地”。所以=，=，因为=0，=，则可得=，故可将信号进行放大。图3.6 报警电路 3.2.6 按键设置电路单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：独立键盘每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般10200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机而言则是慢长的。硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。所以这里选择了软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10200毫秒以避开抖动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O口的值，这一次的值如果为1表示低电平的时间不到10200毫秒，视为干扰信号。当读出的值是0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。硬件电路如图3.7所示：图3.7 按键电路图 3.2.7 HC-RS04超声波测距模块 （1）测距原理超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的，设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出：D=ct/2。其系统框图如图3.8所示。定时器控制计算传输调制40k振荡超声波发射计时增益放大超声波接收障碍物图3.8超声波原理框图基本原理：经发射器发射出长约6mm，频率为40khz的超声波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生级的微弱电压信号。 （2）性能特点HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理：1 采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；2 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；3 有信号返回，通过IO口ECH0输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速/340M/S）/2；4 当TRIG从0-1时，主控制板启动，当超时10ms时ECH0仍然没有出现150us的0信号，表示没有障碍。 （3）超声波时序图图3.9超声波时序图此时序图表明只需提供一个10us一上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到右回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：/58=厘米或者/148=英寸；或是，距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms一上，以防止发射信号对回响信号的影响。 3.2.8 语音IC模块 此系列语音芯片是技针对市场推出的一款具有 PWM 输出的 OTP 语音标准芯片。共有 3 个 IO 口，外围最低仅需要一个 104 电容就可以稳定的工作，产品方案成本极低。此语音芯片内置电阻，没有外围元件，外围电路只需要一个 104 电容。整个方案的费用为您节省 30%-50%左右。 图3.10控制脉冲示意图 图3.11 单片机控制之基本应用电路图控制原理说明：此控制方式是采用了模拟串行的控制方式。如需要播放第几个地址的内容就发送几个脉冲（大于 50us 即可，建议采用 100us 左右，下同）的原理，可以快速的控制多达 128 段地址的任意组合。模拟串行工作时各 IO 的作用：BUSY：芯片工作时（播放声音），输出低电平，停止工作或者待机时，保持高电平；DATA：接受控制脉冲的脚位。收到几个脉冲，就播放第几个地址的内容；REST：任何时候，收到一个脉冲的时候，可以使芯片的播放指针归零（就是是 DATA 的脚位恢复到初始状态），同时即刻是芯片停止，进入待机状态；工作示例：例如现在需要播放第十段声音。单片机控制原理是：先发送一个复位脉冲到 RST（Rest）脚，接着发送 10 个脉冲到 DATA 脚。芯片即刻工作，播放第十段的声音；如果需要播放第五段的声音，则是：先发送一个复位脉冲到 REST 脚，接着发送 5 个脉冲到 DATA 脚。芯片即刻工作，播放第5段的声音。4. 软件设计 4.1 系统对软件的要求在系统硬件表现出的超声波测距基本功能的同时，系统软件所实现功能主要是系统功能的实现和数据处理与应用。根据上节所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能：（1）信号控制在系统的硬件中，已完成的发射电路、接收电路、检测电路、显示电路等设计。在系统软件里，要完成出增益控制信号与门控信号、发射脉冲信号与峰值采集信号及远近控制信号的时序及输出。（2）数据传输与显示通过软件的处理得到距离送显示输出，用三位 LED 显示。因为采用单片机STC89C51并且考虑了系统的控制流程，所以整一个系统软件都是 STC89C51系列单片机的汇编语言实现。由于距离值的得出和显示是在中断子程序里完成的，因此在初始化的发射程序后进入到中断响应的等待过程。继中断响应后，原始数据经过计数值和距离值换算子程序与二进制和十进制转换子程序之后显示输出。整一个系统软件的功能实现可以分为主程序、中断服务程序等主要的部分。 4.2 主程序软件设计是完成整个系统的关键，相当于一个部门的主心骨，没有软件的硬件等于没有了灵魂，因此，软件设计必须建立在了解整个系统运作的基础之上。本课题采用模块化的设计思路，先调试每个模块，确认无误后再将其添加到主程序，完成软件整体设计的控制流程。 主程序流程图如图4.1所示。 图4.1主程序流程图主程序的主要功能是负责距离的显示、读出并处理HC-RS04的测量距离值，按键控制有效距离限制，当测量的值超过预设值时，蜂鸣器发声报警。程序思路为先对程序进行初始化，开启超声波模块，然后将测距模块调用开启，如果检测到障碍物，则实时显示与障碍物距离;如果未检测到障碍物，则继续返回初始化，开始新一轮检测。 4.3 显示数据子程序显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理完毕的距离显示在数码管上。显示数据子程序流程图如图4.2所示。 图4.2显示数据子流程图 显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理完毕的距离显示在数码管上。当程序启动显示模块时，此模块将实时显示与障碍物间的距离。 4.4 报警子程序报警子程序流程图如图6.3所示。 图4.3报警子流程图 报警子程序的主要功能是在距离值超过预警值时，能够使蜂鸣器发声从而达到报警的目的。当报警模块检测到报警脉冲时，上电工作，蜂鸣器与LED等开启，用来向外界报警;如果没有检测到报警脉冲则返回继续检测。 4.5