车距语言提示器设计(毕设).doc

摘 要随着汽车的日益普及，停车场越来越拥挤，由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近，而且驾驶员的视野也颇受限制，碰撞事故时有发生，在夜间时则更显突出。而本设计进行的汽车车距语言提示器设计可以在驾驶员对车尾与障碍物体的距离远近无法目测和判断时，利用单片机的实时控制和数据处理功能测量并显示汽车与障碍物之间的距离，并在不同距离范围利用语音芯片实现语音提示车距报警。将车辆行驶中被动防撞向主动预防的方向发展，体现了“以人为本”的驾驶理念。本设计采用超声波检测的方法实现对障碍物的识别。整个电路采用模块化设计，主要将单片机控制模块、超声波测距模块、语音提示模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来，采用以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示车距语言提示器的硬件电路和软件设计方法。系统由主程序、中断子程序、测距及显示子程序、语音播报子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现车距语言提示器的各种功能。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。本设计采用国内生产厂家的通用元件，成本低，性能可靠，有利于推广。关键词：超声波传感器； AT89S52； DS18B20温度补偿； LED显示AbstractWith the increasing popularity of the automobile, car parking is becoming more and more crowded, as a result of these low speed vehicles are very close to each other, and the drivers visual field is restricted, collision accidents, especially at night.The design of the car is designed to be language prompting device driver on the rear of the vehicle and the obstacle distance to visual inspection and judgement, the use of single chip real time control and data processing function to measure and display the distance between the car and the obstacle, and in different distance range using a voice chip voice prompt distance alarm.The vehicle driving in the passive to active prevention for the direction of development, reflects the people-oriented idea of driving.This design uses the ultrasonic detection method for obstacle recognition.The circuit adopts the modular design, the MCU control module, ultrasonic ranging module, a voice prompt module, 4 digital tube display module of the module combination, using AT89S52 microcontroller as the core to the low cost, high precision, miniaturization digital display distance language prompting device the hardware circuit and software design method.The system consists of main program, interrupt subroutine, ranging and display subroutine subroutine modules, voice broadcast.The probe signal by single chip integrated analysis and processing, realize vehicle distance language prompting device for a variety of functions.Relevant portion enclosing the hardware circuit diagram, program flow chart.This design uses a common component of domestic manufacturers, low cost, reliable performance, is conducive to the promotion.Key words：ultrasonic sensor; AT89S52; DS18B20 temperature compensation; LED display 目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 课题背景及意义11.1.1 课题背景11.1.2 课题意义11.2 国内外研究现状21.3 课题研究内容及章节安排32 系统的方案设计与论证52.1 选定测距方案52.1.1 基于图像处理的车距测量52.1.2 超声波测距基本原理82.2 各模块方案论证92.3 系统总体方案论证123 硬件电路设计143.1 单片机系统设计143.1.1 单片机引脚功能153.1.2 单片机最小系统193.2 超声波测距模块193.2.1 HR-SR04超声波集成模块193.2.2 超声波发射电路设计223.2.3 超声波接收电路233.3 数码管显示模块设计243.4 语音模块设计253.4.1 ISD4004简述253.4.2 语音模块电路303.4.3 音频放大电路313.5 温度补偿DS18B20电路324 系统软件设计334.1 主程序设计334.2 中断处理程序354.3 计算及显示模块设计364.4 语音播报模块设计374.5 DS18B20温度补偿程序385 硬件组装及性能调试415.1 系统硬件组装415.2 性能调试425.2.1 现场测距显示425.2.2 误差分析436 结论及展望45致 谢47参 考 文 献48附录A：系统整体原理图49附录B：程序清单501 绪论当前社会经济的不断发展和工业科学技术的不断提高，汽车已逐渐进入不少百姓家。汽车使用数量的不断增加，从而由此导致的交通安全问题也非常严重，道路交通压力增加，交通安全问题也是面临严峻挑战。在面临如此严峻的交通安全问题，许多涉及安全问题的汽车辅助系统也纷纷现世。而本设计就是利用单片机知识、传感器知识，语音芯片知识等，进行的汽车车距语言提示器的设计。在汽车行驶时，这种装置可以在驾驶员对车尾与障碍物体的距离远近无法目测和判断时进行语音播报示警，使驾驶员对距离有准确把握，提前做出反应，增加了行车的安全性和可靠性，减少交通事故的发生。将车辆行驶中被动防撞向主动预防的方向发展，体现了“以人为本”的驾驶理念。1.1 课题背景及意义1.1.1 课题背景我国社会经济的不断发展，人们对汽车这种交通工具的依赖性也越来越大，导致了车辆的日益增加在给城市交通不断施加压力的同时，也引发了非常多行车的安全问题。交通事故中由于没有把握好前后车辆的安全车距而导致的汽车相撞事故占有很大的比例，如果驾驶员能提前知道障碍物的存在并且知道障碍物的距离，那么驾驶员就能及时地采取措施，从而能避免事故的发生，因此能够识别前后车辆的距离问题是防止交通事故发生的保证。与此同时，许多安全系统也应运而生，诸如为了避免交通事故发生的主动安全系统和在发生事故时的防护安全的被动安全系统，而主动安全系统对汽车交通事故的发生能起到避免的作用，所以，主动安全系统的研究更为重要。而本设计的车距语言提示器就是主动安全系统，通过对汽车与障碍物之间距离的提示报警使驾驶员对距离有准确把握避免汽车与障碍物之间的擦碰。本设计要求设计的车距语言提示器能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员前后方车辆的情况，解除了驾驶员行车时前后方车辆行驶所引起的困扰，减少驾驶员的驾驶压力和判断错误，使驾驶员行车倒车更加安全方便，本设计将对提高交通安全起到重要作用。1.1.2 课题意义本设计基于单片机实现车距语言提示，将超声波测距和传感器联系在一起，利用单片机的实时控制和数据处理功能测量并显示汽车与障碍物之间的距离，并在不同距离范围利用语音芯片实现语音提示车距报警，这样驾驶员就能即使不看显示器通仅通过语音提示也能直接判断汽车与障碍物之间的距离范围。本设计的设计简易，虽然精度不高，还不能测量过远的距离，但规模小，外围电路简单，调试方便，成本低，器件更换容易，灵活性高，避免对汽车整体的影响，为应用和普及创造了条件。而且能完全满足驾驶员泊车时的需要，可以完全解除驾驶员在倒车过程中的顾虑和困扰，使驾驶员不用一直盯着显示器来观察车距，大大提高泊车的安全。车距语言提示器这种汽车安全辅助装置能大大减少汽车驾驶员在倒车的时候顾虑和对距离判断的失误，从而能够避免倒车的安全问题的发生，故此装置对于提高交通安全将起到重要的作用。所以，本课题所要求设计的基于单片机的车距语言提示器将具有极大的现实意义和市场。1.2 国内外研究现状本车距语言提示器包含有单片机控制电路、超声波测距传感器、数码管显示部件及语音提示电路等，装置将各部件有机地结合起来，实现超声波测距及车距语音提示的功能。本设计和汽车倒车雷达系统有点类似，只不过是将倒车雷达系统的蜂鸣器报警进一步升级为在具体距离处语音提示。倒车雷达系统中汽车离障碍物距离越近，蜂鸣器报警声越急，蜂鸣器报警虽然使驾驶员知道有障碍物的存在，但却不能确定汽车车尾离障碍物有多远，所以，蜂鸣器报警对驾驶员帮助不是很大。之后一个质的飞跃就是液晶屏显示的出现，特别是液晶显示开始出现动态显示系统，驾驶员就是只要发动车辆，而且不用挂倒挡，液晶显示器上就会出现汽车图案以及汽车与周围的障碍物的距离，液晶显示是动态显示，液晶显示器的外表美观，显示的色彩也很清晰，而且可以直接粘贴在仪表盘上，安装也很方便1。不过由于液晶显示的灵敏度比较高，而且它的抗干扰能力也不是很强，所以误报的情况也较多。现在市面上的魔幻镜倒车雷达应该算是比较先进的倒车雷达了，它结合了前几代产品的优点，并采用了最新仿生超声雷达技术，并用高速电脑控制，可全天准确地进行探测2 m以内的障碍物，并以不同的声音提示和直观的距离显示来提醒驾驶员；魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气温度显示等多项功能整合在一起1，并设计了语音功能，因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，可以直接安装在车内倒视镜的位置，而且它样式种类繁多，可以按照个人需求和车内装饰选配，当然它的价格也是比较贵的1。最新的一代倒车雷达是整合影音系统，除了具备前几代倒车雷达的功能外还兼有影音系统1。随着科学技术水平的迅速发展，相关电子技术也是飞跃前进，当然，汽车电子产业也得到飞速发展，电子产业的飞速发展使得车载电子安全产品有很大的发展前景。倒车雷达当然是每辆车必备的电子安全产品，如今市面上的主流的汽车倒车雷达基本都是以单片机芯片为控制核心的智能测距报警系统。这些的倒车雷达能够连续测距并显示汽车与障碍物之间的距离，而且采用蜂鸣器的不同频率的鸣叫声进行报警提示和距离显示提示，从而能够尽量不占用驾驶员的视觉空间1。此外，汽车电子系统的网络化的发展还要求作为汽车行驶安全辅助系统的倒车雷达要具有通信功能，并能够把数据发送到汽车总线上去2。就目前市面上的产品来讲，目前的汽车倒车雷达主要是具备数码管或者液晶屏的距离显示并且带有蜂鸣器的语音报警为主的汽车安全系统。这些系统主要采用的是以单片机为控制核心的智能超声波测距传感器和蜂鸣器报警系统，这种汽车安全辅助系统便宜耐用，而且达到了汽车电子系统网络化的发展需求。而本设计将原来的蜂鸣器报警改为具体车距的语音提示，将倒车雷达进一步升级，更加符合现代社会的高科技要求。1.3 课题研究内容及章节安排本文所介绍的超声波测距语音提示系统在测距的时候采用的是两个超声波探头分别进行超声波发射和接收来进行距离的测量的。本设计的车距语言提示系统能测量出倒车方向的障碍物与汽车之间的距离，并通过数码管显示单元模块显示两者之间的距离，然后在特定距离通过语音播报模块进行播报，从而起到提示和报警的作用。本系统利用一片AT89S52单片机对超声波信号循环不断地进行采集。系统包括超声波测距单元（超声波集成模块）、AT89S52单片机控制、数码管显示模块和语音播报模块。这个设计要能够连续测距，数据经过单片机的处理后，用4位数码管显示所测量得到的距离，并在特定距离通过语音播报模块进行播报预警。论文构成主要由以下部分组成： 第1章主要介绍了本课题的背景意义和相关技术在国内外的研究现状。 第2章介绍的是系统的总体方案设计。首先介绍系统的设计要求，然后分别对测距传感器的选择和显示报警系统的方案设计做了介绍，最后提出本系统的总体的设计方案，为硬件系统的设计打下了基础。 第3章对硬件系统的设计进行了介绍。首先对超声波传感器的工作原理进行了分析，然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路的硬件设计，最后介绍了显示模块电路和语音播报报警电路的设计。 第4章主要是对系统的软件设计进行了介绍。在软件设计中采用不同模块不同编程进行设计的，本设计分别对系统的主程序模块、中断子程序模块、超声波测距模块、数码管的显示模块和语音播报模块的各个程序进行了设计。第5章是硬件的组装及其性能进行分析。首先对实物进行硬件排版组装和焊接，然后讨论了系统的性能产生的误差。第6章是对本设计的总结和展望。最后一章对全文进行了总结，并指明了系统设计的不足之处，最后也对本系统的车距语言提示系统的发展前景进行了展望。2 系统的方案设计与论证本章从系统方案等一些方面来进行论证。本设计主要是进行距离的测量和语音提示，设计中涉及到的内容较多，主要是将单片机控制模块、测距模块、语音提示模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来。而本设计的核心是测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器，之后选择合适单片机芯片，以下就是从相关方面来论述的。2.1 选定测距方案对如何测量车距做了资料的搜集整理，当前已有超声波、毫米波雷达、激光、基于图像处理的车距测量算法等技术被应用于车载系统以解决车辆对前方物体的测距问题。而且就实现可行性而言初步选定了两种测量车距的方法：基于超声波测距原理和基于图像处理的车距测量算法。2.1.1 基于图像处理的车距测量运用双目视感系统采集车辆前方实时图像，通过模板匹配对采集到的图像进行前方车辆识别，在确认有车辆后运用视差原理进行车距计算。实验表明，该算法运算周期小于30 ms，识别准确率高达99%，在200 m视距内距离检测误差小于1 m。主要分为三步：1. 对前方车辆的识别建立车辆背景模板数据库，收集与整理车辆背景图像作为模板，并事先在车载系统的信号处理器中建立车辆背景模板数据库；（1）车辆前方景物图像的实时采集，将车载双目视感系统实时采集的车辆前方景物图像进行合成获得主视场图像，按照最有利于分析和运算的大小规格截取观测窗口，该窗口的选取使得运算能够集中于车辆行驶车道前方30200 m距离内的车辆识别；（2）快速识别前方车辆，采用空间域模板匹配算法来匹配车辆相似度，从而快速识别前方车辆。具体过程如下：利用数据库中的模板作为滤波算子滑过主视场观测窗口图像，寻求符合匹配基准的图像区域。这个过程又是被称为Back Project，获得的结果图像可以表达为 (2-1) 式(2-1)中为获得结果图像，为模板图像，为现场图像，现场图像尺寸为，模板尺寸为。可以看到，跟模板、现场图像和当前位置有关。具体通过计算模板图像和现场图像之间的误差值得出匹配位置。误差公式如下：绝对误差 (2-2)方差 (2-3)归一化方差 (2-4)模板和现场图像在处的区域内容越接近，误差就越小。求得的结果图像后，找到整个图像上最小的点位置，作为模板匹配的位置。2. 判定前方车辆所出车道（1）计算前方车辆的行投影中心，当车载视感系统在主视场观测窗口内采用模板寻找到匹配区域时，通过模板匹配区域计算前方车辆的行投影中心，计算方法是，对匹配区域作一根水平线相交于左、右边缘两个交点和；作两个交点连线的垂直平分线；则该垂直平分线与横坐标轴的交点即为前方车辆的行投影中心P。 (2-5) 式(2-5)中的i、j分别代表观测窗口图像的横轴和纵轴坐标。（2）对前方车辆行车道进行确认。通过匹配区域的下边缘做一水平线，求其与两侧行标线的交点a和b。将中心点P的i轴坐标P(i)与交点a和b的i轴坐标进行比较，以确定前方车辆所处行车道。进行车道确认后，发现前方车辆与自己车辆在同一车道后，将前方车辆中心点P进行标注。3. 车距测量（1）识别出前方与自己车辆所处车道一致后，利用双目视差测距原理检测当前车辆距我车的距离。图2-1中，、分别为左、右两个摄像机(图像传感器)的光学中心位置(简称光心)；、分别为标注点P在左、右两个摄像机的图像平面(虚成像平面) 上的投影点；、分别为标注点P至连线的垂线与虚成像平面及连线的交点；、分别为过、向虚成像平面作两根垂线与其交点。 图2-1 双目视差测距原理图令，有关系 （2-6）式(2-6)中，lr被称为双目视差，为景物距离，f为成像焦距，b为两个摄像机光心间距。由于两个摄像机光心间距b和成像焦距f通过摄像机参数标定，事先可以确定，属于已知量，因此，两个摄像机的视差lr就成为能够确定景物深度的唯一因素。（2）车距计算利用外极线约束原理快速确定被匹配目标中心点在左右视图图像上的位置。所述外极线约束，即外极线几何约束，就是指左视(或右视)图像上的任一点，在右视(或左视)图像上的对应点只可能位于一条特定的直线上，称为右外极线(或左外极线)。根据寻找到的公共特征点的图像坐标转换为虚成像平面坐标。转换公式为 （2-7） 式(2-7)中，i、j为计算机图像坐标，f为摄像机光学有效焦距，、分别为图像平面上x、y方向上单位像素间的距离，为图像纵横比。、为光心O在计算机成像平面上的像素坐标，即光心坐标(，)。1 通过转换公式计算获知点Al、Pl、Ar和Pr的虚成像平面坐标，即 （2-8）考虑，因此能够求出双目视差lr，即 (2- 9)2 应用视差测距公式直接计算该公共特征点与自身车辆的距离。必须指出，计算过程，两个摄像机光心间距b的计算单位为m，公式(2-6)中其余两个量，即视差lr和成像焦距f的单位均为像素数。2.1.2 超声波测距基本原理超声波测距的基本原理是超声波发射器不断地发射出40kHz超声波，遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S。在已知速度C的情况下，不难得出 (2-10)(2-10)式中，C为超声波音速，由于超声波也是声波，故C即为音速。音速为 (2-11)(2-11)式中，为气体的绝热体积系数(空气为1.4)；为气体的气压(海平面为1.013*106Pa)；气体密度(空气为1.29kg/m3)。对于1mol空气，质量为m，体积为V，则密度 (2-12)故 (2-13）对于理想气体，有 (2-14)(2-14)式中，R为摩尔气体常热；T为绝对温度。因此，有 (2-15)由于、R、m均为已知常数，故是声速C仅与温度T有关。在0C空气中，=331.5m/s。对于任意温度下，有 (2-16)即 (2-17)通过对上式实际分析可得，温度每升高，声速增加为0.607m/s，故可以得出声速与现场环境温度的经验公式是： (2-18)因此，只要测得超声波发射和接收回波的时间差T及现场环境温度，就可以精确计算从出发点到障碍物之间的距离。这就是超声波测距仪的机理。根据对以上两种测距方案的比较，虽然能明显看出来基于图像处理的测距方案是比较精确理想的选择，但是它的实现比较麻烦。而且汽车在行驶的过程中超声波传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波测距原理并选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。2.2 各模块方案论证采用超声波测距这种方案超声波测距模块是本设计的核心，主要由单片机模块电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、语音播报电路、温度补偿电路六部分组成。其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器，之后选择合适单片机芯片，以下就是从相关方面来论述的。1 单片机的选择一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有5：（1）单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。（2）单片机的某些增强的功能。（3）单片机的存储介质。例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。（4）单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。（5）单片机对工作的温度范围的要求。例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。（6）单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用STC的单片机是最合适的。（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面与标准的52系列的单片机可以完全的兼容。51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90 MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程，不占用用户的资源5。 AT89S51单片机具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 AT89S51单片机与AT89C51单片机相比，外型管脚完全相同，AT89C51的HEX程序无须任何转换可直接在AT89S51运行，结果一样。AT89S51比AT89C51新增了一些功能，支持在线编程和看们狗是其中主要特点。AT89S52单片机的主要功能：与MCS-51单片机产品兼容，8K字节在系统可编程Flash存储器，1000次擦写周期，全静态操作：0Hz33Hz，加密程序存储器，32个可编程I/O口线，16位定时器/计数器，八个中断源，全双工UART串行通道，低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒，看门狗定时器，双数据指针。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和8K的系统可编程Flash。AT89S52单片机另外设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。根据本系统设计的实际要求，选择AT89S52单片机做为本设计的单片机使用。 2 超声波发射模块方案一：用555芯片产生40KHz的方波，再通过非门电路稳定波形，通过超声波发射器（T-40）发射信号。此方案的优缺点是：555能稳定产生方波，但硬件难以调节占空比，发射功率不高，接收距离不远。方案二：用555芯片产生40KHz的方波，通过非门电路稳定波形，再用变压器升压，最后通过超声波发射器（T-40）发射信号。此方案的优点是：发射信号功率加大，接收距离远于方案一。但是难以调节占空比。方案三：用单片机定时器产生40KHz的方波，通过非门电路稳定波形，再用变压器升压，最后通过超声波发射器（T-40）发射信号。此方案的优点是：发射信号功率加大，容易控制占空比，也容易控制发送脉冲个数，接收距离远。3 超声波接收模块方案一：接收信号通过两级信号放大后直接通过比较器输出信号。此方案接收信号强，误差时间小，但接收信号杂波较多，单片机难以判别取样。所以放弃此方案。方案二：接收信号通过两级信号放大接着检波滤和滤波，再通过比较器输出信号。这方案信号在传输通道时间较长，误差时间大，但输出信号波形稳定，单片机易于采样，通过软件编程补偿误差时间，提高系统的稳定性和精确度。4 显示模块选择方案一：用数码管显示。数码管实惠且易于编程，但其只能显示数字部分。但能满足方案要求。方案二：用RT1602C模块显示。1602能显示32个字符且价格便宜，但其只能显示英文和数字字符，能显示基本部分的要求，但考虑到发挥显示发挥部分，此模块不可用。5 语音模块的选择方案一：喇叭发声提醒或蜂鸣器报警提示，但此方法仅只能在危险时起到提示作用。方案二：采用美国ISD公司生产的ISD4004语音集成芯片，其特点是采用三线制的SPI串行接口传送数据，外部电路简单，且具有录音时间长、音质好，不需要A/D转换，可重复记录10万次，断电后然可长时间保存数据、性价比好等多方面有点。以查地址的方式可以连续读取存在芯片内的内容。6 温度补偿模块选择方案一：采用铂电阻温度传感器。其优点是：测量精度高，稳定性好。缺点是：其采集到的数据需要进行信号放大，信号处理，外围电路复杂，且难以控制铂电阻的电流小于1.25mA。方案二：采用集成温度传感器DS18B20芯片。其优点是：DS18B20采用1-Wrie总线技术，内部集成A/D转换，不需要接外部电路，只接一根线就能直接读出被测温度的数字值，且精确度达到0.0625C，使用方便，简化编程。2.3 系统总体方案论证此方案选择AT89S52单片机作为控制核心，所测得的距离数值由4位共阴极数码管显示，与障碍物之间的不同距离利用语音芯片的不同语音播报提示，超声波发射信号由51单片机的P0.1口送出到超声波发射电路，将超声波发送出去，超声波接收电路由CX20106A芯片和超声波接收探头组成的电路构成，报警系统由语音电路构成。本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很好的提高系统的可靠性。本设计的汽车防撞装置的系统框图如图2-2所示。图2-2 车距语言提示器系统框图本设计由Keil编程软件对51单片机进行编程，51单片机在执行程序后由P0.1端口产生40kHz的脉冲信号通过74LS04电路进行放大并送到到超声波发射探头，产生超声波。在超声波发射电路启动的同时单片机启动中断定时器，利用其计数的功能记录超声波发射超声波到接收到超声波回波的时间。当接收回射的超声波时，接收电路的输出端产生负跳变输出到单片机产生中断申请，执行外部中断子程序计算距离。结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料，选用了HC-SR04超声波集成模块。此超声波模块的最大探测距离为4m，盲区为2cm，而且发射扩散角不大于15，更有利于测距的准确性。而且，此模块的工作频率范围为39kHz41kHz左右，完全能在40kHz工作频率工作。由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的，所以发射探头和接收探头必须在同一条水平行直线上，这样才能准确地接收反射的回波。而由于测量的距离不同和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传播的过程中的超声波衰减问题，发射探头和接收探头距离不可以太远，而且还要避免发射探头对接收探头在接收信号时产生的干扰，所以二者又不能靠得太近。根据对相关资料查阅，将两探头之间的距离定在5cm8cm最为合适。本设计所用的HC-SR04模块的超声波探头之间的距离大约在6cm左右。3 硬件电路设计本设计的车距语言提示器由51单片机、超声波发射探头、超声波接收探头、4位共阴极数码管、语音芯片，音频放大电路组成。车距语言提示器的测距是利用超声波测距的原理，在单片机内部程序的控制下，由超声波发射探头发射超声波，在超声波遇到障碍物时反射到超声波接收探头，由此回应到单片机，由单片机进行中断处理和数据的处理，计算出距离，由数码管显示距离，并由语音芯片报警提示。本设计的硬件电路分为五部分：单片机最小系统、超声波发射和接收电路、数码管显示电路和语音报警电路。 3.1 单片机系统设计本次我们采用了Atmel 公司的AT89S52，该单片机主要特点如下：(1) AT89S52系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机。(2) AT89S52系列单片机内、内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写。(3) AT89S52采用静态时钟方式，可以节省电能。(4) AT89S52支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序。(5) AT89S52晶振频率高达24M，运行速度更快。(6) AT89S52价格也比较便宜 6元/片。(7) 增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。AT89S52单片机内部结构图如图3-1所示。AT89S52单片机一共有40个引脚分为四类。其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。还有两个时钟引脚XTAL1、XTAL2。还有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的IO引脚。最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。综上所述，单片机的引脚特点是：1 单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。2 单片机具有四种总线形式：P0和P2组成的16位地址地址总线；P0分时复用为8位数据总线；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。图3-1 AT89S52单片机内部结构图3.1.1 单片机引脚功能（1）电源引脚Vcc（40脚）：正电源的引脚，工作电压是5V。GND（20脚）：接地端。DIP封装的AT89S52单片机引脚图如图3-2所示。（2）时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2为了产生时钟信号，在AT89S52单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端5。单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。时钟信号电路如图3-3所示。 图3-2 AT89S52单片机引脚图图3-3 时钟信号电路（3） 复位RST（9脚）当振荡器运行时，只要有有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不断地进行复位5。复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零5。本课题设计的单片机复位电路如图3-4所示。图3-4 单片机复位电路图（4）输入输出口（I/O口）引脚P0口是一个三态的双向口，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口5。P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时，P0口也可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电流不小于800 uA5。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用5。对于输出功能，在单片机工作的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平5。例如：指令CLR是清零的意思，CLR P1.0的意思就是让单片机的P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1的意思，SETB P1.0的意思就是让单片机P1.0端口输出高电平5。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力5。P2端口置1时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；在对内部的Flash程序存储器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口就送出高8位地址5。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容在此期间不会改变5。P3口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能5。P3口作为通用I/O口接口时，第二功能输出线为高电平。P3口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；在对内部Flash程序存储器编程时，此端接控制信息5。P3口的第二功能，如表3-1所示5。表3-1 P3口第二功能表P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入口（RXD）P3.1串行通讯输出口（TXD）P3.2外部中断0请求输入端（）P3.3外部中断1请求输入端（）P3.4定时器0输入端(T0)P3.5定时器1输入端(T1)P3.6外部数据存储器写选通信号输出端（）P3.7外部数据存储器写选通信号输出端（）（5）其它控制或复用引脚（a）ALE/（30脚）：地址锁存有效信号输出端。在访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外存储器的时候，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6)，而在访问片外数据存储器时，ALE脉冲会跳空一个，此时是不可以做为时钟输出5。对片内含有EPROM的机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲的输入端5。（b）（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。当89S52从外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。但在访问片外数据存储器时，将不会有脉冲输出5。（c）/Vpp（31脚）：为片外程序存储器访选用端。当该引脚访问片外程序存储器时，应该输入的是低电平，要使89S52只访问片外程序存储器，这时该引脚必须保持低电平；而在对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压5。3.1.2 单片机最小系统单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础，单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统。对于AT80S5X单片机，由于片内已经自带有了程序存储器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成了单片机的最小系统了。单片机的最小系统如图3-5所示。图3-5 单片机最小系统 3.2 超声波测距模块3.2.1 HR-SR04超声波集成模块HR-SR04超声波集成模块是将超声波发射探头，超声波接收探头，CX20106A芯片电路，74LS04芯片放大电路集成到的一起的一个超声波集成模块。本模块性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。产品应用领域：机器人避障、物体测距、液位检测、公共安防、停车场检测 。1. 基本工作原理(1)采用I/O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ECHO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。本模块使用方法简单，一个控制口发出一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，就能够算出距离。这样不断的循环周期测，就可以在不停地移动的过程中测量距离值了。但是，为防止发射信号对回收信号的影响，本超声波集成模块的测量周期最好定在60ms以上，所以本设计将测量周期定在80ms。2. 实物图HR-SR04超声波集成模块正面外观如图3-6所示，HR-SR04超声波集成模块的背面外观如图3-7所示。图3-6 HR-SR04超声波集成模块正面外观图图3-7 HR-SR04超声波集成模块背面外观图 图3-8 HR-SR04超声波集成模块实物图VCC 供5V电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出。3. 电气参数表3-2 HR-SR04超声波模块电气参数电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40kHz最远射程4m最近射程2cm测量角度15 度输入触发信号10uS 的TTL脉冲输出回响信号输出TTL输出 电平信号，与射程成比例规格尺寸45*204. 超声波时序图图3-9 超声波时序图以上时序图表明你只需要提供一个10us以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有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：us/58=厘米或者us/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以上，以防止发射信号对回响信号的影响。注：1 此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作。2 测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。3.2.2 超声波发射电路设计超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，超声波发射电路如图3-10所示。图3-10 超声波发射电路3.2.3 超声波接收电路由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的