基于AT89C52单片机倒车防撞报警系统设计毕业论文.doc

基于基于 AT89C52AT89C52 单片机倒车防撞报警系统设计毕业论文单片机倒车防撞报警系统设计毕业论文 目目 录录 摘 要 i ABSTRACT ii 第一章 绪论 1 第一节 课题研究的背景 1 第二节 课题研究的目的及意义 2 第三节 目前国内外的研究现状 2 第四节 超声波的特性及作用原理 3 第二章 AT89C52 单片机简介 4 第一节 单片机基础知识 4 一 单片机的内部结构 4 二 单片机的基本工作原理 7 第二节 单片机的分类及发展 8 一 单片机的分类 8 二 8 位单片机的新发展 8 第三节 单片机 AT89C52 的特性 9 一 主要特性 9 二 管脚说明 10 三 振荡器特性 12 四 芯片擦除 12 五 特殊功能寄存器 12 六 引脚号功能特性 13 七 中断寄存器 13 八 数据存储器 13 九 定时器 13 十 中断 14 第三章 系统构建与方案设计 15 第一节 系统设计要求 15 第二节 系统构建 15 第三节 系统方案设计 16 一 测距系统方案设计 16 二 超声波测距方案设计 18 三 控制系统方案设计 19 四 显示报警系统方案设计 20 五 复位电路方案设计 22 六 时钟电路方案设计 23 第四章 系统硬件设计 25 第一节 系统硬件设计思想 25 第二节 测距系统设计 26 一 超声波测距原理 26 二 测量与控制方法 26 三 超声波发射模块电路设计 27 i 四 超声波检测接收电路 28 五 CX20106A 的原理与应用 28 第三节 显示电路原理 30 一 LED 数码管 30 二 LED 数码管的显示方法 31 三 74LS244 芯片说明 32 四 PNP 三极管 9012 33 第四节 时钟电路 34 第五节 复位电路 35 第六节 电源电路 35 第七节 温度补偿 36 一 DSl8B20 简介 36 二 利用单片机 AT89C52 与 DSl8B20 构成最小测温系统 37 第八节 硬件抗干扰 37 第五章 系统软件的设计 39 第一节 超声波测距仪的算法设计 39 第二节 主程序 39 第三节 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 42 第四节 显示程序 45 第五节 报警程序 47 第六节 软件抗干扰 47 总 结 49 参考文献 51 附 录 52 外文资料 62 中文翻译 68 致 谢 73 0 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 课题研究的背景课题研究的背景 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的同时 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 越来越少 另一方面 新司机及非专职司机越来越多 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撞时有发生 在2006年汽车事 故的发生比例中 倒车引起的事故占28 倒车已成为令人们头痛的一项任务 即 使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事 据统计 危险境况时 如果 能给驾驶员半秒钟的预处理时间 则可分别减少追尾事故的30 路面相关事故的 50 迎面撞车事故的60 改善倒车遇到的窘境被越来越多的人所关注 人们对 汽车操纵的便捷性提出了更高的要求 希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来 的不便 消除驾驶中的不安全因素 可将车快速准确地停放到指定的位置 汽车倒车中存在的困难 其一是来自于驾驶者坐在驾驶座位上无法完全了解汽 车四周特别是后方的环境 驾驶者只能依赖后视镜观察后方障碍物 后视镜受其位 置的限制 视野狭窄 清晰度差 根本无法达到倒车中后视的目的 其二是倒车时 驾驶者同时要兼顾车辆前方 两侧的情况 必须扭身回头观察车辆后面的情况 体 力和脑力消耗过大 易产生不安全因素 其三 倒车是一个复杂的工程 它依赖于 驾驶者的驾驶经验 驾驶技巧及反应灵敏程度 任一环节出问题都导致驾驶员无法 快速准确地完成倒车任务 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开发阶段 短期内尚未推广应用 第二是采用简单的汽车倒车预警系统 但是传统的汽车倒车预警系统的功能简单 驾驶员仍然需要通过后视镜去判断车后的物体 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警系统属于第二种思路 能很大程度地 解决倒车难题 同时为汽车自动驾驶的研究应用奠定了基础 1 第二节第二节 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 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置 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 本课题设计的汽车 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 这一方案建立在安装小组件的基础上 避免对汽车整个车的影响 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 第三节第三节 目前国内外的研究现状目前国内外的研究现状 超声波是指频率在 20kHz 106kHz 的机械波 波速一般为 1500m s 波长为 0 01cm 10cm 超声波的波长远大于分子尺寸 说明超声波本身不能直接对分子起 作用 而是通过周围环境的物理作用影响分子 所以超声波的作用与其作用的环境密 切相关 超声波既是一种波动形式 又是一种能量形式 在传播过程中与媒介相互 作用产生超声效应 超声波与媒介相互作用可分为机械作用 空化作用和热作用 随着科学技术的发展 相关技术领域相互渗透 使超声波技术广泛应用于工业 化工 医学 石油化工等许多领域 超声波作为一种特殊的能量输入方式 所具有的高效 能在材料化学中起到光 电 热方法所无法达到的作用 仅从超声波在液体中释放 的巨大能量来说 是其他方法所望尘莫及的 更不用说超声波定量控制的效果了 近 2 年来 随着超声波技术的日益发展与成熟 其在新材料合成 化学反应 传递过程的 强化以及废水处理等领域都得到了广泛的应用 在材料合成中 尤其是纳米材料的 制备中 超声波技术有着极大的潜力 通过超声波方法制备纳米材料 达到了目前 我们采用激光 紫外线照射和热电作用所无法实现的目标 具有很好的前景 第四节第四节 超声波的特性及作用原理超声波的特性及作用原理 与可闻波相比 超声波由于频率高 波长短 在传播过程中具有许多特性 a 方向性好 由于超声波的功率高 其波长较同样介质中的声波波长短得多 衍射现象不明显 所以超声波的传播方向好 b 能量大 超声波在介质中传播时 当振幅相同时 振动频率越高能量越大 因此 它比普通声波具有大得多的能量 c 穿透能力强 超声波虽然在气体中衰减很强 但在固体和液体中衰减较弱 在不透明的固体中 超声波能够穿透几十米的厚度 所以超声波在固体和液体中应 用较广 d 引起空化作用 在液体中传播时 超声波与声波一样是一种疏密的振动波 液体时而受拉时而逐级压缩 产生近于真空或含少量气体的空穴 在声波压缩阶段 空穴被压缩直至崩溃 在空穴崩溃时产生放电和发光现象 这种现象称为空化作用 超声技术是一门以物理 电子 机械以及材料为基础的通用技术之一 目前 超声 技术的应用已经深入到社会生活的各个领域 超声技术是通过声波的产生 传播及 接收的物理过程而完成的 它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开的 3 第二章第二章 AT89C52 单片机简介单片机简介 本课题所设计的倒车防撞系统是基于单片机控制的 本课题以 Atmel 公司的单 片机 AT89C52 为核心 第一节第一节 单片机基础知识单片机基础知识 单片微型计算机简称单片机 特别适用于控制领域 故又称为微控制器 Microcontroller 单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支 也是一种非常活 跃且颇具生命力的机种 通常 单片机由单块集成电路芯片构成 内部包含有计算机的基本功能部件 CPU Central Processing Unit 中央处理器 存储器和 I O 接口电路等 因此 单片机 只需要与适当的软件及外部设备相结合 便可成为一个单片机控制系统 一 单片机的内部结构一 单片机的内部结构 单片机内部结构如图 2 1 所示 图 2 1 单片机内部结构 与单片机相比 微型计算机是一种多片机系统 它是由中央处理器 CPU 芯片 ROM 芯片 RAM 芯片和 I O 接口芯片等通过印刷电路板上总线 地址总线 AB 数 据总线 DB 和控制总线 CB 连成一体的完整计算机系统 其中 中央处理器 CPU 的 字长长 功能强大 ROM 和 RAM 的容量很大 I O 接口的功能也大 这是单片机 无法比拟的 因此 单片机在结构上与微型计算机十分相似 是一种集微型计算机 主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机 并由此而得名 由图 2 1 可见 中央处理器 CPU 是通过内部总线与 ROM RAM I O 接口以 4 及定时器 计数器相连的 这个结构并不复杂 但并不好理解 为此 在分析单片机 工作原理前 先对图 2 1 中各部件作一基本介绍是十分必要的 一 存储器 在单片机内部 ROM 和 RAM 存储器是分开制造的 通常 ROM 存储器容量 较大 RAM 存储器的容量较小 这是单片机用于控制的一大特点 1 ROM ROM Read Only Memory 只读存储器 一般为 1 32K 字节 用于存放应用程序 故又称为程序存储器 由于单片机主要在控制系统中使用 因此一旦该系统研制成 功 其硬件和应用程序均已定型 为了提高系统的可靠性 应用程序通常固化在片 内 ROM 中 根据片内 ROM 的结构 单片机又可分为无 ROM 型 ROM 型和 EPROM Erasable Programmable Read Only Memory 可擦除可编程只读存储器 型三 类 近年来 又出现了 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory 电擦除可编程只读存储器 和 Flash 型 ROM 存储器 无 ROM 型单片机特点是片内不集成 ROM 存储器 故应用程序必须固化到外接 的 ROM 存储器芯片中 才能构成有完整功能的单片机应用系统 ROM 型单片机内 部 其程序存储器是采用掩膜工艺制成的 程序一旦固化进去便永远不能修改 EPROM 型单片机内部的程序存储器是采用特殊 FAMOS 管构成的 程序一旦写入 也可以通过特殊手段加以修改 因此 EPROM 型单片机是深受研制人员欢迎的 2 RAM 通常 单片机片内 RAM Random Access Memory 随机存取存储器 容量 64 256 字节 最多可达 48K 字节 RAM 主要用来存放实时数据或作为通用寄存器 数据堆栈和数据缓冲器之用 二 中央处理器 CPU 中央处理器的内部结构极其复杂 要像电子线路那样画出它的全部电路原理图 来加以分析介绍是根本不可能的 下面简单概述一下几个主要部分的工作原理 1 运算器 运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作 其操作顺序在控制器控制下 进行 运算器由算术逻辑单元 ALU 累加器 A 通用寄存器 R0 暂存器 TMP 和状 态寄存器 PSW 等五部分组成 累加器 A Accumulator 是一个具有输入 输出功能的移位寄存器 由 8 个触发器 5 组成 TR Temporary Register 暂存器 也是一个 8 位寄存器 用于暂存另一操作数 ALU Arithmetic and Logical Unit 算术逻辑单元 主要由加法器 移位电路和判断电 路等组成 用于对累加器 A 和暂存器 TMP 中两个操作数进行四则运算和逻辑操作 PSW Program Status Word 程序状态字 也由 8 位触发器组成 用于存放 ALU 操作 过程中形成的状态 2 控制器 控制器是发布操作命令的机构 是计算机的指挥中心 相当于人脑的神经中枢 控制器由指令部件 时序部件和微操作控制部件等三部分组成 指令部件是一种能对指令进行分析 处理和产生控制信号的逻辑部件 也是控 制器的核心 指令是一种能供机器执行的控制代码 有操作码和地址码两部分 时 序部件由时钟系统和脉冲分配器组成 用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信 号 微操作控制部件可以为 ID Instruction Decoder 指令译码器 输出信号配上节拍电 位和节拍脉冲 也可与外部进来的控制信号组合 共同形成相应的微操作控制序列 以完成规定的操作 三 内部总线 单片机内部总线是 CPU 连接片内各主要部件的纽带 是各类信息传送的公共通 道 内部总线主要由三种不同性质的连线组成 它们是地址线 数据线和控制线 状 态线 地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号 通常由 CPU 发出并被存储器或 I O 接口电路所接收 数据线用来传送 CPU 写入存储器或经 I O 接口送到输出设备的数据 也可以传送从存储器或输入设备经 I O 接口读入的数据 因此 数据线通常是双向信号线 控制 状态线有两类 一类是 CPU 发出的控制命 令 如读命令 写命令 中断响应等 另一类是存储器或外设的状态信息 如外设 的中断请求 存储器忙和系统复位信号等 四 I O 接口和特殊功能部件 I O 接口电路有串行和并行两种 串行 I O 用于串行通信 它可以把单片机内部 的并行 8 位数据 8 位机 变成串行数据向外传送 也可以串行接收外部送来的数据并 把它们变成并行数据送给 CPU 处理 并行 I O 口电路可以使单片机和存储器或外设 之间并行地传送 8 位数据 8 位机 6 二 单片机的基本工作原理二 单片机的基本工作原理 单片机是通过执行程序来工作的 机器执行不同程序就能完成不同的运算任务 因此 单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理 为此 先从 指令程序谈起 一 单片机的指令系统和程序编制 指令是一种可以供机器执行的控制代码 故它又称为指令码 Instruction Code 指令码由操作码 Operation Code 和地址码 Address Code 构成 操作码用于指示机器 执行何种操作 地址码用于指示参加操作的数在哪里 其格式为 操作码地址码 指令码的二进制形式既不便于记忆 又不便于书写 故人们通常采用助记符形 式来表示 表 2 1 所列 表表 2 1 指令的三种形式指令的三种形式 指令的二进制形式指令的十六进制形式指令的汇编形式 01110100 data174 data1MOV A data1 A data1 00100100 data224 data2ADD A data2 A data1 data2 10000000 111111080 FESJMP 停机 指令的集合或指令的全体称为 指令系统 Instruction System 微处理器类型 不同 它的指令系统也不一样 所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求 排列起来的有序指令的集合 程序的编制称为 程序设计 通常 设计人员采用指令的汇编符 即助记符 形 式编程 这种程序设计称为 汇编语言程序设计 二 单片机执行程序的过程 为了弄清单片机的工作原理 现以如下的 Y 5 10 求和程序来说明单片机的工 作过程 7405H MOVA 05H A 05H 240AH ADDA 0AH A 5 10 80FEH SJMP 停机 该程序由三条指令组成 每条指令均为双字节指令 即第一字节为操作码 第二字 节为地址码 第一条指令的含义是把 05H 传送到累加器 A 中 第二条指令是加法 指令 它把累加器 A 中的 5 和立即数 10 相加 结果保留到累加器 A 中 第三条是停 7 机指令 机器执行后处于动态停机状态 第二节第二节 单片机的分类及发展单片机的分类及发展 1974 年 美国仙童 Fairchild 公司研制出世界上第一台单片微型计算机 F8 该 机由两块集成电路芯片组成 结构奇特 具有与众不同的指令系统 深受民用电器 和仪器仪表领域的欢迎和重视 从此 单片机开始迅速发展 应用范围也在不断扩 大 现已成为微型计算机的重要分支 一 单片机的分类一 单片机的分类 20 世纪 80 年代以来 单片机有了新的发展 各半导体器件厂商也纷纷推出自 己的产品系列 迄今为止 市售单片机产品已达 60 多个系列 600 多个品种 按照 CPU 对数据处理位数来分 单片机通常可以分为以下四类 一 4 位单片机 4 位单片机的控制功能较弱 CPU 一次只能处理 4 位二进 制数 这类单片机常用于计算器 各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制 器 二 8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强 品种最为齐全 和 4 位机相比 它不仅具有较大的存储容量和寻址范围 而且中断源 并行 I O 接口和定时器 计数 器个数都有不同程度的增加 并集成有全双工串行通信接口 在指令系统方面 普 遍增设了乘除指令和比较指令 特别是 8 位机中的高性能增强型单片机 除片内增 加了 A D 和 D A 转换器以外 还集成有定时器捕捉 比较寄存器 监视定时器 Watchdog 总线控制部件和晶体振荡电路等 这类单片机由于其片内资源丰富且 功能强大 主要在工业控制 智能仪表 家用电器和办公自动化系统中应用 三 16 位单片机 16 位单片机是在 1983 年以后发展起来的 这类单片机的特 点是 CPU 是 16 位的 运算速度普遍高于 8 位机 有的单片机寻址能力高达 1MB 片内含有 A D 和 D A 转换电路 支持高级语言 这类单片机主要用于过程控 制 智能仪表 家用电器以及作为计算机外部设备的控制器 四 32 位单片机 32 位单片机的字长为 32 位 是单片机的顶级产品 具有极 高的运算速度 近年来 随着家用电子系统的新发展 32 位单片机的市场前景看好 8 二 二 8 位单片机的新发展位单片机的新发展 目前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展 尤其是 8 位单片机已成为当前 单片机的主流 8 位单片机的新发展具体体现在如下四个方面 一 CPU 功能增强 二 内部资源增多 三 引脚的多功能化 四 低电压和低功耗 第三节第三节 单片机单片机 AT89C52 的特性的特性 AT89C 系列单片机是 Atmel 公司生产的一款标准型单片机 其中数字 9 表示内 含 Flash 存储器 C 表示 CMOS 工艺 AT89C52 是 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256 bytes 的随机存取数据 存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 与标 准 MCS 51 指令系统及 8052 产品引脚兼容 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 FLASH 存储单元 功能强大 AT89C52 单片适用于许多较为复杂控制应用场合 AT89C52 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的 需求 一 主要特性一 主要特性 兼容 MCS51指令系统 8k 可反复擦写 1000次 Flash ROM 32个双向 I O 口 256 8bit 内部 RAM 3个16位可编程定时 计数器中断 时钟频率0 24MHz 2个串行中断 可编程 UART 串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 9 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 AT89C52 管脚图如图 2 2 所示 图 2 2 AT89C52 单片机管脚图 二 管脚说明二 管脚说明 AT89C52 有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外 中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个读写口线 AT89C52 可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 VCC 电源电压 GND 接地 P0 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为 输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和 数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 FLASH 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校 验时 要求外接上拉电阻 P1 口 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 Pl 口的输出缓冲级可驱 动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻 10 把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻某 个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 与 AT89C51 不同之处是 Pl 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数 输入 Pl 0 T2 和输入 P1 1 T2EX P2 口 P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口的输出缓冲级 可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑电路 对端口 P2 写 l 通过内部的上拉 电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电 阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX A DPTR 指令 时 P2 送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX A Ri 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 FLASH 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可 驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上 拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I 0 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如下表所示 端口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 l P3 4 TO 定时 计数器 0 P3 5 Tl 定时 计数器 l P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 此外 P3 口还接收一些用于 FLASH 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单 片机复位 11 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出 脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出 固定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问 外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁止位无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LBI 被编程 复 位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 VPP 当然这必须是该 器件是使用 12V 编程电压 VPP XTAL1 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端 XTAL1 振荡器反相放大器的输出端 三 振荡器特性三 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反相放大器的输入和输出 该反相放大器可以配置为 片内振荡器 石英振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的 脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 四 芯片擦除四 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任 何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 此外 AT89C52 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两 种软件可选的掉电模式 在闲置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数 12 器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 的内容并且冻结振荡器 禁止所用其他芯片功能 直到下一个硬件复位为止 五 特殊功能寄存器五 特殊功能寄存器 在 AT89C52 片内存储器中 80H FFH 共 128 个单元为特殊功能寄存器 SFR 并非所有的地址都被定义 从 80H FFH 共 128 个字节只有一部分被定义 还有相当 一部分没有定义 对没有定义的单元读写将是无效的 读出的数位将不确定 而写 入的数据也将丢失 不应将数据 1 写入未定义的单元 由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的 功能 在这种情况下 复位后这些单元数值总是 0 AT89C52 除了与 AT89C51 所有的定时 计数器 0 和定时 计数器 1 外 还增加了 一个定时 计数器 2 定时 计数器 2 的控制和状态位位于 T2CON 寄存器对 RCA02H RCAP2L 是定时器 2 在 16 位捕获方式或 16 位自动重装载方式下的捕 获 自动重装载寄存器 六 引脚号功能特性六 引脚号功能特性 Pl 0 T2 定时 计数器 2 外部计数脉冲输入 时钟输出 Pl 1 TZEX 定时 计数 2 捕获 重装载触发和方向控制 七 中断寄存器七 中断寄存器 AT89C52 有 6 个中断源 2 个中断优先级 IE 寄存器控制各中断位 IP 寄存器 中 6 个中断源的每一个可定为 2 个优先级 八 数据存储器八 数据存储器 AT89C52 有 256 个字节的内部 RAM 80H FFH 高 128 个字节与特殊功能寄存 器 SFR 地址是重叠的 也就是高 128 字节的 RAM 和特殊功能寄存器的地址是相 同的 但物理上它们是分开的 当一条指令访问 7FH 以上的内部地址单元时 指令中使用的寻址方式是不同的 也即寻址方式决定是访问高 128 字节 RAM 还是访问特殊功能寄存器 如果指令是 直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器 九 定时器九 定时器 AT89C52 的定时器 0 和定时器 1 的工作方式与 AT89C51 相同 定时 2 定时器 2 是一个 16 位定时计数器 它既可当定时器使用 也可作为外部事件计 13 数器使用 其工作方式由特殊功能寄存器 T2CON 的 C T2 位选择 定时器 2 有三种 工作方式 捕获方式 自动重装载 向上或向下计数 方式和波特率发生器方式 工作方式由 T2CON 的控制位来选择 定时器 2 由两个 8 位寄存器 TH2 和 TL2 组成 在定时器工作方式中 每个机器 周期 TL2 寄存器的值加 1 由于一个机器周期由 12 个振荡时钟构成 因此 计数速 率为振荡频率的 1 l2 在计数工作方式时 当 T2 引脚上外部输入信号产生由 1 至 0 的下降沿时 寄存 器的值加 1 在这种工作方式下 每个机器周期的 5SP2 期间 对外部输入进行采样 若在第一个机器周期中采到的值为 1 而在下一个机器周期中采到的值为 0 则在紧 跟着的下一个周期的 S3P1 期间寄存器加 l 由于识别 1 至 0 的跳变需要 2 个机器周 期 24 个振荡周期 因此 最高计数速率为振荡频率的 1 24 为确保采样的正确 性 要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间 以保证输入信号至少 被采样一次 十 中断十 中断 AT89C52 共有 6 个中断向量 两个外中断 INT0 和 INT1 3 个定时器中断 定时器 0 l 2 和串行口中断 这些中断源可通过分别设置专用寄存器 IE 的置位或清 0 来控制每一个中断的允 许或禁止 IE 也有一个总禁止位 EA 它能控制所有中断的允许或禁止 定时器 2 的中断是由 T2CIN 中的 TF2 和 EXF2 逻辑或产生的 当转向中断服务 程序时 这些标志位不能被硬件清除 事实上 服务程序需确定是 TF2 或 EXF2 产 生中断 而由软件清除中断标志位 定时器 0 和定时器 1 的标志位 TF0 和 TF1 在定时器溢出那个机器周期的 S5P2 状态置位 而会在下一个机器周期才查询到该中断标志 然而 定时器 2 的标志位 TF2 在定时器溢出的那个机器周期的 S2P2 状态置位 并在同一个机器周期内查询到 该标志 14 第三章第三章 系统构建与方案设计系统构建与方案设计 第一节第一节 系统设计要求系统设计要求 汽车倒车雷达预警系统由三个子系统组成 分别为测距子系统 超声波发送接收 系统 控制系统和显示报警子系统 本系统主要完成的功能是 当车挂入倒档位后 提供 一 防碰撞预警 当距离小于1米时蜂鸣器发出BiBi声 二 车距显示 在显示屏上显示车距以提醒驾驶者 第二节第二节 系统构建系统构建 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 汽车倒车雷达预警系统结构原理图 按照系统设计要求 汽车倒车雷达预警系统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 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 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 从而计算出距离 15 3 显示报警系统 显示距离及最小距离报警以提醒驾驶员 第三节第三节 系统方案设计系统方案设计 一 测距系统方案设计一 测距系统方案设计 目前汽车倒车雷达预警系统测距技术主要有激光 毫米波雷达 摄像系统 红 外线 超声波等一些测距技术 不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处 但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息判断前方车辆和本车间的相对距离 并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施 下面对五种不同的测距技术方案 进行介绍和比较 方案一 激光测距 激光测距装置是一种光子雷达系统 它具有测量时间短 量程大 精度高等优 点 在许多领域得到了广泛应用 目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非 成像式激光雷达和成像式激光雷达 在汽车测距系统中 激光测距的应用具有局限性 尽管非成像激光雷达同成像式 激光雷达相比 具有造价低 速度快 稳定性高等特点 但由于激光雷达测距仪器 工作环境处于高速运动的车体中 振动大 对其稳定性 可靠性提出了较高的要求 其体积也受到了一定的限制 同时激光测距方式受天气状态 汽车的震动及反射镜 表面磨损 污染等因素影响较大 测距精度难以保证 所以在汽车防撞领域激光测 距方式没有得到发展 方案二 毫米波雷达测距 毫米波是指波长介于l l0mm之间的电磁波 雷达是利用目标对电磁波反射来发 现目标并测定其位置的 作为车载雷达 目前适用的主要有脉冲多普勒雷达 双频CW雷达和FM雷达三 种 应用雷达测距 需要防止电磁波干扰 雷达彼此之间的电磁波和其他通信设施 的电磁波对其测距性能都有影响 毫米波雷达主要应用于防撞 以避免高速公路上 发生追尾碰撞 但是 由于应用毫米波雷达测距易受电磁干扰 而且成本太高 结 构复杂 其价格昂贵 市场价格在1500元以上 一般使用于高档轿车 方案三 摄像系统测距 CCD摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器 它具有尺寸小 质量轻 功耗 16 小 噪声低 动态范围大 光计量准确 其线扫描输出的光电信号有利于后续信号 处理等优良特性 在汽车行业也得到了广泛的应用 双目摄像系统模仿人体视觉原理 测量精度高 但目前价格较高 同时由于受 软件和硬件的制约 成像速度较慢 而且探头容易磨损 使得探测距离精确程度降 低 一般减少至原来的l 2 1 3 方案四 红外线测距 红外线测距和激光 超声波测距在原理上基本相同 均是根据发射波和反射时 间来判断目标的距离 车载仪器通过发射并接收前方物体反射回的红外线 依据信 号的强弱及波长的不同 同时分析时间差 可分析出前方物体的性质及与汽车的距 离 红外线的最大探测距离为10m 测距时响应的时间较慢 约ms 3 1 10 红外线测距在技术上难度不大 构成的测距系统成本较低 但是在恶劣的天气 和长距离探测方面仍然不能满足汽车防撞的要求 同时 红外线的波长比可见光线长 是肉眼看不见的光 有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力 由于任何物体在任 何时候都会发出红外线 而且人类肉眼感知不到红外线 具有极强的隐蔽性 夜间 同样不妨碍测距仪的工作 故该种测距仪广泛应用在军用汽车上 方案五 超声波测距 超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围 在弹性媒质中 如果波源所激起的纵波的频率在20Hz到20000Hz之间 就能引起人的听觉 在这一 频率范围内的振动称为声振动 声振动所激起的纵波称为声波 频率高于20000Hz 的机械波称为超声波 频率低于20Hz的机械波称为次声波 与光波不同 超声波是 一种弹性机械波 它可以在气体 液体和固体中传播 电磁波的传播速度为 m s 超声波在空气中的传播速度约为340m s 常温下 其速度与电磁波相差5 8 3 10 个等级 其速度相对电磁波是非常慢的 由于超声波指向性强 能量消耗缓慢 在介质中传播的距离较远 并且利用超 声波检测往往比较迅速 方便 计算简单 易于做到实时控制 并且在测量精度方 面能达到工业实用的要求 因而超声波经常用于距离的测量 如测距仪和物位测量 仪等都可以通过超声波来实现 在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用 由上 述叙述可知 超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度 可以应用在汽车倒车 系统上 从以上五种测距技术方案的介绍可以看出各个传感器的优点和缺点 超声波技 17 术主要用于短距离探测 成本低 制作安装简便 适应恶劣环境 红外线技术一般 用于夜间环境 对环境适应性差 微波雷达测距和激光测距相对于超声波测距来讲 精度更高 定位更准确 摄像系统技术价格较贵 毫米波雷达技术和激光技术的成 本很高 所以运用其原理进行测量的设备价格也是相当高的 因而现在只是在比较 高级的轿车中才有所应用 具体性能比较见表3 l为各种传感器测距方式的比较 表表3 1 各种传感器测距性能比较各种传感器测距性能比较 超声波红外线摄像系统毫米波雷达激光 最大探测距 离 10m10m大于100m大于150m可达150m 响应时间 较快 约为 15ms 慢 ms 3 1 10 取决于处理时 间 快 可达到1ms很快 约10ms 探头磨损 污染等因素 的影响 几乎没有影 响 影响不大 大 直接影响 分辨能力 较小 很大 使探测距 离减少1 2 1 3 成本比较 探头约20元 一支 工作机 理简单 探头 易安装 约80元大于1000元 大于1500元 价 格昂贵 结构复 杂 约500元 环境适应性 好 可以工作 在恶劣环境 中 差 但在能见度 低时比其他光 学系统好 差 可见性不 好条件下无法 工作 较好 不受能见 度影响 差 受恶劣环境 影响 综合以上考虑和实际应用条件 本系统的测距模块采用的是第五种方案 二 超声波测距方案设计二 超声波测距方案设计 方案一 取输出脉冲的平均值电压 该电压 其幅值基本固定 与距离成正比 测量电压即可测得距离 但比例系数不易测定 方案二 测量输出脉冲的宽度 即发射超声波与接收超声波的时间间隔t 被测 距离为S vt 2 此方法可用单片机程序计算超声波发射接收的时间差 进而计算出 距离 简单可行 精确度较高 故本测量电路采用第二种方案 由于超声波的声速与温度有关 如果温度变化 不大 则可认为声速基本不变 如果测距精度要求很高 则应通过温度补偿的方法 加以校正 超声波测距适用于高精度的中长距离测量 因为超声波在20的空气中C o 的传播速度为334米 秒 由单片机负责计时 单片机使用12 0晶振 所以此系统的测 18 量精度理论上可以达到毫米级 三 控制系统方案设计三 控制系统方案设计 在控制系统的方案选择上 由于整个系统的设计涉及到数据处理 控制实时性 等问题 选用基于微控制器的系统 电路的实现不仅简单而且成本低 功耗低 能 大大缩小整个系统的体积 本系统是精密实时采集传输系统 需要微控制器有很强 的抗干扰能力 而且要求微控制器内部有看门狗定时器 以便在程序走飞时能自动 复位 执行指令速度要快 以便能高速处理采集到实时数据 方案一 采用上位 下位机 PLC 的控制系统 上 下位机 PC PLC 技术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PC PLC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 主控机 PC 但是用可编程控制器PLC通过 数据采集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 安装不方 便 而且成本高 方案二 微控制器选用ATMEL公司的AT89C52单片机的控制系统 AT89C52是一个8k字节可编程FPEPROM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 而且它经过多年的发展 技术也相当的成熟 它与工业标 准MCS 51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 图3 2 单片机控制系统 综合以上比较 方案一 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 而方案二 设计简单 体积小 安装简易 成本低等特点 本 19 系统采用的是第二种方案作为控制系统 四 显示报警系统方案设计四 显示报警系统方案设计 显示器是一个典型的输出设备 而且其应用是极为广泛的 几乎所有的电子产 品都要使用显示器 其差别仅在于显示器的结构类型不同而已 最简单的显示器可 以使用 LED 发光二极管 设计简单 易于安装 成本只要几元 但给出只是一个简 单的开关量信息 而复杂的较完整的显示器应该是 CRT 监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏 其成本在几十元到百元不等 一 数码管 方案一 LCD 液晶显示器 LCD 液晶显示器是利用光的偏振现象来显示的 既 能显示简单的字符 也能显示各种复杂的图形和自定义的字符 因此应用比较广泛 LCD 液晶器具有本身不发光 靠反射或者透射其他光源的优点 同时具有功耗小 可靠性高 寿命长 体积小 电源简单等特点 非常适合于嵌入式系统 移动设备 和掌上设备的使用 方案二 LED 显示器是由 LED 发光二极管发展过来的一种显示器件 是发光 二极管的改型 LED 是发光二极管的简称 是一种将电能转换成光能的设备 本身 也是一种光源 LED 显示器是由发光二极管排列组成的显示器件 它采用低电压扫 描驱动 具有 耗电少 使用寿命长 成本低 亮度高 故障少 视角大 可视距 离远等特点 简单地说 LCD 与 LED 是两种不同的显示技术 LCD 是由液态晶体组成的显 示屏 而 LED 则是由发光二极管组成的显示屏 但是 LED 显示器与 LCD 显示器 相比 LED 在亮度 功耗 可视角度和刷新速率等方面 都更具优势 所以本设计采用方案二 二 显示方式 方案一 静态显示 所谓静态显示 就是当显示器显示某一字符时 相应的发 光二极管恒定的导通或截止 该方式每一位都需要一个8位输出口控制 静态显示时 较小的电流能获得较高的亮度 且字符不闪烁 但当所显示的位数较多时 静态显 示所需的 I O 口太多 造成了资源的浪费 方案二 动态显示 所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位 对于显示 器的每一位来说 每隔一段时间点亮一次 利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示 但必须保证扫描速度足够快 字符才不闪烁 显示器的亮度既与导通电流有关 也 20 与点亮时间与间隔时间的比例有关 调整参数可以实现较高稳定度的显示 动态显 示节省了 I O 口 降低了能耗 本设计从节省 I O 口和降低能耗出发 采用方案二 三 报警方式 报警信号通常有三种类型 一是闪光报警 因为闪动的指示灯更能提醒人们注 意 二是鸣音报警 发出特定的音响 作用于人的听觉器官 易于引起和加强警觉 三是语音报警 不仅能起到报警作用 还能直接给出警报种类的信息 1 闪光报警 闪光报警是最简单 也是最常用的一种报警方式 单片机应用系统中的闪光报 警就是在控制指示灯的程序中加入定时程序 按一定的时间间隔来交替点亮与熄灭 指示灯 闪光报警在硬件连接上非常简单 通常可利用 AT89C52 的 I O 口直接驱动 发光二极管实现 如图 3 3 所示 图 3 3 闪光报警电路 2 鸣音报警 实现鸣音报警的接口电路也比较简单 其发音元件通常可采用压电蜂鸣器 当 在蜂鸣器两引脚上加 3 15V 直流工作电压 就能产生 3kHZ 左右的蜂鸣振荡音响 压电式蜂鸣器结构简单 耗电少 更适于在单片机系统中应用 压电式蜂鸣器 约需 10mA 的驱动电流 可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动 如 图 3 4 所