行驶汽车防撞报警系统的设计毕业论文

毕毕 业业 论论 文文 设设 计计 题 目 Title 学院 专业 姓名 学号 指导教师 日期 行驶汽车防撞报警系统的设计行驶汽车防撞报警系统的设计 摘要摘要 本设计系统采用霍尔传感器测速技术准确测出本车速度 将其同超声波传感器实时 检测车辆的距离 输送给 AT89S51 实时的判断行驶车辆的安全状态 通过行车安全范 围来控制提醒设置 利用 AT89S51 控制信号的优势 并将判断结果利用声光报警 传达 给司机 达到监测行车安全的目的 倒车时 使用超声波雷达测距原理 加上蜂鸣器提 示安全 避免倒车入库发生车辆碰撞 并且 有温度探测功能 随时关注温度情况 关键词 关键词 超声波雷达 单片机 霍尔元件测速 液晶显示屏 声光报警 TheThe designdesign ofof thethe runningrunning vehiclevehicle anti collisionanti collision alarmalarm systemsystem Summary This system uses radar technology to accurately measure the vehicle speed the real time detection of motor speed sensor driving speed and braking times transmitted to AT89S51 real time and accurate traffic safety condition Set the control by the traffic safety using the AT89S51 control signal strengths and the judgment result by sound and light alarm message to the driver to achieve the purpose of monitoring the traffic safety In reverse the use of ultrasonic ranging radar avoid storage reversing vehicle collision Also a temperature detection function pay attention to the temperature conditions Keywords ultrasonic radar MCU Holzer element velocimetry liquid crystal display alarm 目目 录录 1 1 总体功能及性能指标 1 1 1 1 总体功能 1 1 1 2 性能指标 2 1 2 系统构成及设计思路 2 2 1AT89C51 单片机简介 3 2 1 1 单片机基础知识 3 2 1 2 单片机的基本工作原理 3 2 1 3 单片机 AT89C51 的特性 4 2 1 4 芯片擦除 7 2 2 超声波传感器 7 2 2 1 超声波传感器的原理 8 2 2 2 超声波传感器的特性 9 2 2 3 超声波传感器系统的构成 10 2 2 4 超声波传感器系统主要参数的确定 11 2 3 超声波测距硬件电路设计 12 2 3 1 超声波测距系统电路总体设计方案 12 2 3 2 超声波测距系统电路各部分模块的设计 13 2 4霍尔传感器的测量原理 17 2 4 1霍尔传感器的测量原理 17 2 4 2 集成开关型霍尔传感器 18 2 5 DHT11DS18B20 温度传感器的介绍 19 2 5 1 DS18B20 的封装和管脚定义 19 2 5 2 DS18B20 的多种电路连接方式 21 2 5 3 DS18B20 内部寄存器解析及工作原理 22 2 6160 液晶显示模块设计 25 2 6 1 1602 液晶显示屏简介 25 2 7报警模块 28 2 7 1 蜂鸣器介绍 28 3 1keill 开发环境的介绍 29 3 2 系统设计流程 29 行驶汽车防撞报警系统的设计 1 1 1 总体方案论述总体方案论述 1 1 总体功能及性能指标总体功能及性能指标 1 1 11 1 1 总体功能总体功能 本次毕业设计 行驶汽车防撞报警系统 整个系统单片机由最小系统 传感器模 块 显示模块 时钟模块 声光报警模块等电子元件设计而制作而成的行驶汽车防撞报 警系统 其总体功能的实现系统逻辑框图如下 超声模块主要功能 实时采集对方车辆与我方车辆的距离 并输送给 51 单片机 时钟芯片的功能 1 系统各部分是必须按着节拍做的 可以使电路的各部分运行统 一节拍 2 能够实时 准确的反映出行驶汽车目前的安全性 单片机 8051 1 中央处理器 进行接收信号 计数处理和发送指令 协调和指挥整 个系统的操作 2 作为整个系统的 CPU 通过运行内部烧录程序来支撑整个系统的运作 LCD 显示功能 1 接收单片机发送的指令信息 LCD 显示屏 按照指令显示 2 显示倒车的距离 语音报警功能 1 提醒驾驶员是否超速 2 提醒驾驶员距离是否过近 测距模块测速模块 8051 控制核心 时钟芯片 LCD 显示 蜂鸣器提示 测温模块 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 2 1 1 21 1 2 性能指标性能指标 1 激光测距模块 激光测距模块灵敏 距离长 约 0 1 100 米 精准度比较高 2 超速波测距模块 反应灵敏 精度高 20 米左右 0 2s 3 时钟模块采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据 4 霍尔传感器直流测速 容易操作 精准度高 高稳定性 5 时钟模块有主电源 后背电源双电源引脚 同时提供了对后背电源进行涓细电流充 电的能力 7 温度采集电路 以为 DS18B20 芯片采集温度 耐用 能量消耗少 8 LCD 采用 BCD 编码显示数字 程序编译简单 资源占用少 9 独立按键系统 有 4 个按键 对系统进行调节 1 2 系统构成及设计思路系统构成及设计思路 本设计系统 以控制模块 AT89S51 为核心 电源电路 超声波测距模块电路 电机 测速模块 语音模块 和液晶显示模块等为外围电路 制作实物是 使用超速波测距模 块代替了激光测距模块 液晶显示采用 LCD1602 来显示 系统基本框架图如下 1 2 系统基本框架图 本系统 对行驶中汽车使用超声波雷达测距利用单片机算法的能力 其对反射信号 进行处理 并准确计算出两车间的距离 然后将其同霍尔传感器直流速测检测出车子速 度的信号传送给 AT89S51 实时判断行车安全状态 利用 AT89S51 控制信号将判断结 果通过 LCD 屏幕显示与声音灯光提示灯报警信号 传送给司机 达到监测行车安全 霍尔直流测速 温度测试 蜂鸣器提示 液晶显示 时钟电路 AT89S51 测距模块 复位电路 行驶汽车防撞报警系统的设计 3 同时 在倒车时 使用超声波雷达测距 避免倒车入库时车辆碰撞 同事附带温度显示 功能 2 2 硬件电路的设计硬件电路的设计 2 1AT89C51 单片机简介单片机简介 2 1 12 1 1 单片机基础知识单片机基础知识 51 单片机是一种微控制器 它不但低功耗而且具有高性能的特性 它不仅仅是一个 能控制系统的好硬件 极受许多生产企业的欢迎 而且还是广大高科技设备的主控主板 在工业上 人类利用他来作为系统中心 连接其它外接的硬件软件来形成一个完整的系 统 实现其所需要的功能 给无数商家带来了巨大的受益 在生活上的也是很普遍 许 多生活上的家用电器 通讯设备 线路主控主板都是单片机的存在 而这个 52 单片机 也是一种特性突出 性价比极高的芯片 2 1 22 1 2 单片机的基本工作原理单片机的基本工作原理 单片机工作运行靠的就是执行程序来进行的 机器执行运算任务即是运用程序过 程 因此 单片机执行程序实际上就已经运行了单片机的主要工作原理 为此 先从指 令程序谈起 指令代码由地址代码 操作代码组成的 地址码作用是指示参加操作的数 操作码 用于指示机器执行的各种各样操作 地址码是用表明参加操作的数的所在的位置 其格 式为 操作码地址码 指令码的二进制表示如表 2 1 指令的三种形式 用助记符形式来表示的话 如表 2 1 所列 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 4 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 data1MOVA data1 A data1 00100100 data224 data2ADDA data2 A data1 data2 10000000 111111080 FESJMP 停机 指令系统 分俩种分别是指令集合和指令 指令系统的不一样是因为微处理器类 型不同 程序就是执行指令系统中的指令 根据题目要求所排列起来的指令的合集 程序设计就是程序的编制 现以如下的 Y 5 10 求和程序来说明单片机的工作过程 来了解单片机的运行顺序 7405H MOVA 05H A 05H 240AH ADDA 0AH A 5 10 80FEH SJMP 停机 由上面三条指令所构成的程序 每条指令均为双字节指令 一 二字节分为操作码 和地址码 第一条指令是把 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 第三条指令执行后机器处于 动态停机状态 为停机指令 2 1 32 1 3 单片机单片机 AT89C51AT89C51 的特性的特性 图 2 2 为 AT89C 系列单片机 其管脚图如图 2 2 所示 行驶汽车防撞报警系统的设计 5 P3 4 T0 14 XTAL2 18 XTAL1 19 RESET 9 P3 5 T1 15 GND 20 P3 1 TXD 11 P3 0 RXD 10 P3 3 INT1 13 P3 2 INT0 12 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P2 7 A15 28 P2 6 A14 27 P2 5 A13 26 P2 4 A12 25 P2 3 A11 24 P2 2 A10 23 P2 1 A9 22 P2 0 A8 21 PSEN 29 VCC 40 EA VPP 31 ALE PROG 30 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 AT89C51 图 2 2AT89C51 单片机管脚图 AT89C51 是一个有闪存功能有编程功能只读存储器功能有编程功能有擦除字节功 能的只读存储器功能的 8 位微处理器 称为单片机 AT89C2051 是一种单片机闪速可编 程可擦除 单片机擦除只读存储器的能量达到 100 次 是非易失性存储器制造技术制造 的 1 主要特性 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 100 写 擦循环 数据保留时间 10 年 与 MCS 51 兼容 5 个中断源 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 16 位定时两个和计数器两个 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 片内振荡器和时钟电路 低功耗的闲置和掉电模式 可编程串行通道 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 6 2 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数据 地址的低八位 在 FIASH 编程时 P1 口 P1 口作为低八位地址接收 P2 口 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口将输出电流 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 定时器 计数器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 计数器 1 外部输入 P3 6 WR 片外数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当允许输出电平用于锁存地址的地位字节在 FLASH 问外部存储器时 存访地址锁 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲 信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 当微处理器在外部执行状态 ALE 禁止时 置位 是无效 PSEN 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 PSEN 非 低电平有效 以实现外部 ROM 单元的读操作 全拼为 Program Store Enable EA VPP 外部程序存储器选择信号 低电平有效 在复位期间 CPU 检测并锁存 EA VPP 引脚电平状态 当该引脚为高电平时 从片内程序存储器读取指令 只有当程 序计数器 PC 超出片内程序存储器地址编码范围时 才转到外部程序存储器中读取指令 行驶汽车防撞报警系统的设计 7 当该引脚为低电平时 一律从外部程序存储器中读取指令 XTAL2 来自反向振荡器的输出 3 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 振荡器特点 高稳定性的和高精 准度的 在彩电 计算机 遥控器等各类振荡电路中被广泛使用 石英晶体振荡器是运用了石英晶体的压电效应制作完成的谐振的电子器件 基本结 构是 石英晶体以一定方位角切割而下的石英薄片 简称为晶片 在石英薄片上对应 面上涂敷银层作为电极 在正负电极上分别焊一根引线接到单片机的管脚上 接着封装 上外壳就构成了石英晶体谐振器 我们又称为石英晶体或晶振 跟石英晶体相似的还有陶瓷谐振器 是一种种可以压电的器件 可以将电能和机械 能相互转换 当谐振器的谐振频率和外部添加的交流电场的频率发生共振时 电能和机 械能的转换会发生在谐振器的谐振频率上 具有对激励信号频率 非常敏感的特点 因 为需与种种 IC 搭配来使用 所以谐振器的起动振荡和谐振是按照 IC 搭配的差异来进行 设计的 相对来说 石英晶振温度稳定性比陶瓷谐振器好一点 2 1 42 1 4 芯片擦除芯片擦除 PEROM 的阵列和锁定位通过的控制信号组合来进行电擦除 ALE 管脚处于低电平 10us 来进行完成 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 AT89C51 具有稳定的逻辑逻辑零频率的条件下静态低功耗模式下支持两种软 件可选的下 在空闲模式下 中央处理器停止工作 但是内存 定时器 计数器 串口 和中断系统仍在工作中 在掉电模式下 保存了内存的内容 并冻结了振荡器 禁止使 用其他芯片功能 直到下一个硬件复位 2 2 超声波传感器超声波传感器 要进行超声波运用 我们目前已经制作了大量的超声波发生器 按照一般情况下 超声波产生器有 2 大类 一类是运用电的方法来进行产生超声波 另外一种是进行机械 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 8 的方式来进行超声波的产生 用电产生超速波有 压电式 电动式 磁致伸缩式等等 利用机械的方式超声声波 的有气流旋笛和加尔系统笛等各种 超声波的功率 频率和声波的特性都是不同的 所 以使用的方式也是不同的 目前用的最多是压电的超声发生器 压电式超声波发生器是利用压电晶体谐振器来进行工作的 它有 2 个压电石英晶片 和一个金属的探测板 将正负极性脉冲信号的频率调整到等于压电晶片的固有振动频率 时 晶片将发生压电谐振 与共振驱动板共同振动 这样便产生了超声波 相反 如果 在两根电极之间没有电压的话 当板接收到超声波共振 压电晶片的振动抑制 机械能 可以被转换为电信号 这样便就变成了超声波接收器 2 2 12 2 1 超声波传感器的原理超声波传感器的原理 人类可以听到的声音频率为 20Hz 20kHz 我们称为可听声波 若声音超出此范围 20Hz 以下的声音我们称为低频声波 20kHz 以上称为超声波 人类在交流说话的情况 下 发出声音的频率范围为 100Hz 8kHz 超声波在空气中传播形式是直线的 频率变高的情况下 绕射能力即会越弱 但是 它的反射能力却随频率增强的情况增强 我们利用了超声波的发射能力强和绕射能力弱 的这种性质就制成了可以测距测速的超声波传感器 另外 声音在空气中传播的速度较 慢 约为 330m s 所以超声波传感器运用其功能比较简单 方便 超声波传感器有发送和接收俩个部分 一个超声波传感器有发送接收重作用 即为 可逆元件 市场上有专用型和兼用型俩种 专用型就是发送器和接收器分开工作 兼用 型就是发送器和接收器为一体传感 同时进行工作 超声波传感器的谐振频率 中心频 率 有 23kHz 40kHz 75kHz 200kHz 400kHz 等 超声波传感器的压电效应可分为顺效应和逆效应俩种 超声波传感器一种可逆的元 件 超声波发送器利用压电逆效应来进行工作的 压电逆效应如图所示 在压电元件上 施加电压 元件就会发生变形 称为应变 若在图 3 1 a b c 分别是已极化的压电陶瓷上施加电压 外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥 同时 外部负电荷与极化负电荷相斥 由于相斥的作用 压电陶瓷在厚度方向上缩短 在长度方向上伸长 若外部施加的极性变反 压电陶瓷在厚度方向上伸长 在长度方向 上缩短 行驶汽车防撞报警系统的设计 9 图 2 3 abc 压电逆效应 超声波传感器运用的是双晶振子 将俩个压电陶瓷片和相反极化方处理组合起来 将一片进行伸长处理 另一片就进行缩短的处理 在双晶振子的两面分别涂敷薄膜电极 上面处理是将引线就通过金属板接到其中一个电极端 下面的处理是利用引线直接接到 另一个的电极端上 双晶振子形状是证方形的 正方形俩侧由圆弧形凸起部分支撑着 这两处的支点就成为振子振动的节点 金属板的中心有圆锥形振子 发送超声波时 圆 锥形振子有较强的方向性 因而能高效率地发送超声波 接收超声波时 超声波的振动 集中于振子的中心 所以 能产生高效率的高频电压 2 2 22 2 2 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器有频率特性和指向特性的特点 图为 SZW S40 12M 发射型超声波传 感器 A 频率特性 图 2 4 超声波传感器频率特性 图 2 4 是超声波传感器的频率特性曲线 其中 40KHz 的是超声换能器的中心频率 和超声波传感器是最有力的 也就是说 声压水平是在区域中最高的 两侧 声压水平 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 10 迅速衰落 所以 超声波传感器 需用接近交流电压来驱动的中心频率 此外 超声波 传感器的频率特性 曲线是尖锐 接收机的灵敏度最高 因此 超声波传感器具有良好 的频率选择性 外部电阻 R 超声波接收传感器和输出端的频率特性曲线也有很大的关 系 如果 R 是非常大的 频率特性是锐共振 灵敏度是在共振频率非常高 如果 R 小 光滑和更宽的带宽 和降低的灵敏度的频率特性 并朝向较低频率偏移的最大的灵敏度 具有高输入阻抗 因此 超声波传感器 应与放大器一起使用 B 指向特性 实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片 可以辐射出一个半球面波 子 波 把表面上每个点看成一个振荡源 子波没具有指向性 但离开超声传感器却有 指向性 图 2 5 是电路中选用的超声波发射传感器的指向图 图 2 5 超声波发射传感器指向图 超声波传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成 其物理意义是 0 时声压最 大 角度逐渐增大时 声压减小 超声波传感器的指向角一般为 40 80 课题中超声 波发射传感器的指向角为 75 2 2 32 2 3 超声波传感器系统的构成超声波传感器系统的构成 发送器 通过振子 振动产生超声波并向空中发射信号 接收器 振子接收到超声波时 根据超声波发生相应的机械振动 并将其转换为电 能量 作为接收器的输出 控制部分 通过用集成电路控制发送器的超声波发送 并判断接收器是否接收到信 号 超声波 以及已接收信号的大小 电源部分 超声波传感器通常采用电压为 DC12V 10 或 24V 10 外部直流 行驶汽车防撞报警系统的设计 11 电源供电 经内部稳压电路供给传感器工作 图 2 6 超声波传感器系统的构成 大小 或控制部分是否接收到的信号作为超声波传感器控制输出 超声波传感器的 定义范围 通过控制距离调整电路的门信号 可以接收到任意距离的反射波 此外 通 过改变宽度或时间门信号 可以自由地改变传感器测量的范围 超声波传感器是外部进行的供电 一般是为直流电压 电压范围是 12 24V 10 接着经过传感器内部稳压电路时电压变成了稳定的电压供传感器工作的需要 2 2 42 2 4 超声波传感器系统主要参数的确定超声波传感器系统主要参数的确定 2 2 4 12 2 4 1 测距仪的工作频率测距仪的工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率 当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振 频率相等时 输出的能量最大 灵敏度也最高 工作频率的确定主要基于以下几点考虑 测距的距离不是很大的 声波传播损失就相对增加 介质对声波的吸收随着声 波频率的增大而增大的 是正比例关系 为了减小声波的传播损失 就可以利用降低工 作频率来使声波的传播损失减少 测量障碍物复杂的情况下 工作频率越高 测得的数据越准 波长越短 尺寸分 辨率越高 细节容易辨识清楚 若是测量复杂障碍物表面和要求测量精度来说 工作频 率是要求高一些的 从外观而言 要设计拼频率越小 超声波传感器的外观就越大 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 12 综上所述 测距的工作频率在 40KHz 比较合适 2 2 4 22 2 4 2 声速声速 声速是否稳定决定了测距的测量精度 传播介质中声波的传播速度随温度 杂质含 量和介质压力的变化而变化 声速随温度变化公式为 V 331 5 0 607T m s 式中 T 是温度 由于该测距系统用 于室外测量 且量程要求比较大 所以该系统必须设计温度补偿功能 2 2 4 32 2 4 3 发射脉冲宽度发射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距的测量带宽 也会影响测量精准度的大少 与此同时也与 信号的发射能量会有所关联 查阅资料得知 只要减小发射脉冲宽度的大小即可使测量 精确度得到不少的提示 增大测量范围 但这样做的同时会减小了超声波发射脉冲的能 量 这样发射的能量更少 对回波的接收有不利的影响 测验得出 过宽的脉冲宽度会 减少测量范围 对回波接收及电路比较都会造成一定的影响 使接收困难 在该系统设计中 分别比较了 24 s 1 个 40KHz 脉冲方波 48 s 2 个 40KHz 脉冲方波 240 s 10 个 40KHz 脉冲方波 3 个频率作为发射信号后的接收信号 经 过对比后 最终选用 48 s 2 个 40KHz 脉冲方波 的发射脉冲宽度 此时选用的 48 s 从接收回波信号幅度和测范围两个方面来衡量考虑的话是比较 合适的 2 3 超声波测距硬件电路设计超声波测距硬件电路设计 2 3 12 3 1 超声波测距系统电路总体设计方案超声波测距系统电路总体设计方案 由 51 单片机编程产生 10US 以上的高电平 由 P1 0 口输出 就可以在接收口 P3 2 Echo 引脚 等待高电平输出 一旦有高电平出处 即在模块中经过了模块当中的放 大电路 驱动超声波发射探头发射超声波 发射的超声波经障碍物反射回来后 由超声 波接收头接收到回波的信号 通过接收电路的检波放大 积分整形 一系列操作处理 接收口 P3 2 口变为低电平 读取单片机中定时器的值 单片机利用声波的传播速度和 行驶汽车防撞报警系统的设计 13 发射超声波到接收反射超声波的时间间隔 运用声音的传播速度计算出障碍物的距离 并由单片机控制 LCD1602 液晶显示屏 显示出来 该设计系统其测距系统是由超声波模块和单片机和 LCD 显示电路及 LED 蜂鸣器 组成 传感器的输入端与发射接收电路组成超声波测距模块 超声波模块的输入输出端 与单片机相连接 单片机的输出端与 LCD 显示电路及 LED 蜂鸣器输入端相连接 其 时序图如图 2 8 所示 图 2 8 时序图 超声波测距模块的发射端在 T0 时刻发射方波 同时定时器启动 开始进行计时 当收到回波后 单片机产生一负跳变到中断口 单片机中的中断程序发生响应 定时器 停止计数 单片机 计算时间差 此时 即可得到超声波传播的时间 由此便可推算出 距离 完成测距 2 3 22 3 2 超声波测距系统电路各部分模块的设计超声波测距系统电路各部分模块的设计 2 3 2 12 3 2 1 超声波发射电路超声波发射电路 我设计系统中 超声波模块中产生的 40kHz 的方波是需要进行放大的 才能驱动超 声波传感器来进行发射超声波 发射驱动电路也是脉冲信号的放大电路 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 14 12 U1A 74F04 12 U4A 74F04 12 U2A 74F04 12 U5A 74F04 12 U3A 74F04 12 U6A 74F04 Port LS1 图 2 9 发射电路 2 3 2 22 3 2 2 超声波接收电路超声波接收电路 超声波接收器在接收到超声波后 经过转换后 转换为电信号 此时的电信号还是 会比较弱 所以必需经过放大及整形 所以本系统采用了 LM741 来对接收到的电信号 来进行放大 接收电路如图 2 10 所示 3 2 6 1 5 74 LM741 R3 100K R5 100K R6 100K R1 100K R2 100K D2 DIODE D1 DIODE P3 2 C2 0 1uF C5 0 01uF C1 0 1uF C4 0 01uF C3 1 0uF LS2 5V R4 5V 图 2 10 接收电路 超声波接收探头 接收到反射的超声波后 通过对超速波的转换后 产生一正弦电 行驶汽车防撞报警系统的设计 15 信号 其频率就是传感器的中心频率就是 40kHz 即该信号通过 C4 高通滤波后经 LM741 放大 经二极管整形后并即输出到单片机中断口 图 2 11 为 LM741 管脚图和调 零电路 图 2 11 LM741 管脚图和调零电路 单运放 LM741 芯片引脚功能描述 1 和 5 为偏置 调零端 2 为正向输入端 3 为反向输入端 4 接地 6 为输出 7 接电源 8 空脚 LM741 可通过外接电位器进行调零 如上图 b 所示 操作流程是 控制口发一个 10us 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 此时就测出了 超声波来回时间 插入声速 并可算出距离 2 3 2 32 3 2 3 显示模块显示模块 LCD1602 显示的硬件电路如 2 12 所示 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 16 图 2 12LCD1602 显示电路 显示电路是由单片机的 P0 口连接上电阻后与 LCD1602 模块连接组合而成的 单片 机的 P0 口与 LCD1602 的八位数据端口 D0 D7 相连 脉冲信号传送给单片机 单片机 的运算和传输的数据通过内部程序通过 P0 口是 LCD1602 显示 P2 6 P2 7 分别 P2 5 LCD1602 作为 RS RW 电子控制 信息传输控制 LCD1602 然而 由于 P0 口作为 I O 口输出 P0 口与内部上拉电阻 漏极开路的右侧 无论多少 它的驱动 它不是一个能 量相当于需要的外部电路 所以连接从电源通过上拉电阻提供的电流负载上拉电阻 2 3 2 42 3 2 4 时钟电路时钟电路 单片机的内部时钟电路 单片机的 XATL1 和 XATL2 的作用的用来接石英晶体和微 调电容 如图 2 13 所示 晶体一般可以选在 3M 24M 之间 电容一般选择在 10 47pF 之间 本系统设计选择的是电容为 12MHz 33pF 的晶振 行驶汽车防撞报警系统的设计 17 图 2 13 时钟电路 为了避免或者减少寄生电容的发生 能更好的保证到震荡器稳定地工作 电容和晶 振尽可能安装得与单片机越近越好 便于其稳定的工作 两电容的地线要与单片机的地 线相接 这样能起到抗外来电磁干扰的作用 2 4霍尔传感器的测量原理霍尔传感器的测量原理 2 4 12 4 1霍尔传感器的测量原理霍尔传感器的测量原理 霍尔传感器是一种磁敏传感器其使用的原理的是运用霍尔效应来运行的 处于磁场 中的半导体或者导体通入电流 I 电流的方向与磁场 B 为 90 度关系 这是磁场和电流都 成 90 度垂直的方向上则会出现电势差为 Uh 我们把这种现象 称为霍尔效应 利用霍 尔效应可以制成的元件为霍尔元件 它具有结构简单 抗干扰能力强 测量范围大 体 积小 频率可以响应的宽带宽 比较灵敏 寿命长等一系列特点 因此在测量 自动控 制及信息处理等领域被广泛使用 霍尔效应原理图如图 2 14 所示 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 18 图 1 14 霍尔效应原理图 2 4 22 4 2 集成开关型霍尔传感器集成开关型霍尔传感器 A44E 集成了五个基本部分 如图中分别 A 是霍尔开关由稳压器 B 是霍尔电势发生 器 差 C 为分放大器 D 为施密特触发器和 E 是 OC 门输出如图 3 2 a 所示代表集成 霍尔开关的三个引出端点 根据霍尔效应原理 当霍尔板在磁场中 在与磁场成 90 的 方向上再通过电流 和两个垂直于磁场上方向便产生霍尔电势差 VH VH 信号经放大器 放大后将会送至施密特触发器接着进行整形 使其以一个方波的形式输出 接着输送到 OC 门限来进行输出 当外加磁场达到工作要求时 触发器便会输出高电压 使三极管导 通 此时 OC 门输出低电压输出 当外加磁场达到释放点 触发器输出低电压 三极管 切断 使 OC 门输出高 和状态是关闭的 这时的 2 个电压将会发生转换 此时霍尔开 关便完成开关动作 工作点和释放点存在差异 我们把这个差异称为滞后 因为有这种 差异 V0 不变 所以开关输出稳定可靠 这就是霍尔开关传感器集的优点 该传感器的 主要特点是其输出特性 即输入的磁感应强度 B 与输出电压 V0 之间的关系 A44E 集成 霍尔开关是一种单稳态 由测量数据作出的输出特性曲线如图 2 15 b 所示 我们在测 量时候 将 1 2 两端上加上 5V 直流电压 输出端 3 与 1 之间便接一个 2k 欧姆的负载电 阻 如图 2 15 所示 图 2 15 集成开关型霍尔传感器 行驶汽车防撞报警系统的设计 19 图 2 15 集成霍尔开关接线图 2 5 DHT11DS18B20 温度传感器的介绍温度传感器的介绍 2 5 12 5 1 DS18B20DS18B20 的封装和管脚定义的封装和管脚定义 首先 我们来认识一下 DS18B20 这款芯片的外观和针脚定义 其结构跟普通直插 三极管是一样的 可以找到以 DS18B20Z 和 DS18B20U 俩种形式封装的产品 下面的图 是 DS18B20 封装的图示及引脚图 如图 2 16 所示 开始 测速 LCD 显示51 单片机 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 20 图 2 16 了解这些该芯片的封装形式 下表为该芯片的管脚定义 上面的表中提到了寄生电源 DS18B20 芯片在可以 寄生电源模式 下工作 此模 式允许 DS18B20 工作在无外部电源状态 当总线为高电平时 寄生电源由单总线通过 行驶汽车防撞报警系统的设计 21 VDD 引脚 此时 DS18B20 可以从总线获取能量 并将得到的能量储存到寄生电源储能 电容中 当总线为低电平时释放能量供给器件工作使用 所以 当 DS18B20 工作在寄 生电源模式时 VDD 引脚必须接地 2 5 22 5 2 DS18B20DS18B20 的多种电路连接方式的多种电路连接方式 如下面的两张图片所示 分别为外部供电模式下单只和多只 DS18B20 测温系统的典型 电路连接图 1 外部供电模式下的单只 DS18B20 芯片的连接图 如图 2 17 图 2 17 2 外部供电模式下的多只 DS18B20 芯片的连接图 如图 2 18 图 2 18 这里需要说明的是 DS18B20 芯片通过达拉斯公司的单总线协议依靠一个单线端口 通讯 当全部器件经由一个三态端口或者漏极开路端口与总线连接时 控制线需要连接 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 22 一个弱上拉电阻 在多只 DS18B20 连接时 每个 DS18B20 都拥有一个全球唯一的 64 位序列号 在这个总线系统中 微处理器依靠每个器件独有的 64 位片序列号辨认总线 上的器件和记录总线上的器件地址 从而允许多只 DS18B20 同时连接在一条单线总线 上 因此 可以很轻松地利用一个微处理器去控制很多分布在不同区域的 DS18B20 这 一特性在环境控制 探测建筑物 仪器等温度以及过程监测和控制等方面都非常有用 对于 DS18B20 的电路连接 除了上面所说的传统的外部电源供电时的电路连接图 DS18B20 也可以工作在 寄生电源模式 而下图则表示了 DS18B20 工作在 寄生电 源模式 下的电路连接图 没错 这样就可以使 DS18B20 工作在寄生电源模式下了 不用额外的电源就可以实时采集到位于多个地点的温度信息了 如图 2 19 图 2 19 2 5 32 5 3 DS18B20DS18B20 内部寄存器解析及工作原理内部寄存器解析及工作原理 介绍完 DS18B20 的封装 针脚定义和连接方式后 我们有必要了解 DS18B20 芯片的各 个控制器 存储器的相关知识 如下图所示 为 DS18B20 内部主要寄存器的结果框图 如图 2 20 行驶汽车防撞报警系统的设计 23 图 2 20 结合图中的内部寄存器框图 我们先简单说一下 DS18B20 芯片的主要寄存器工作 流程 而在对 DS18B20 工作原理进行详细说明前 有必要先上几张相关图片 图 2 21 2 3 图 2 21DS18B20 内部寄存器结构图 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 24 图 2 22DS18B20 主要寄存器数据格式图示 行驶汽车防撞报警系统的设计 25 图 2 23DS18B20 通讯指令图 了解了这些内部结构和细节 下面说一下 DS18B20 芯片的工作原理 DS18B20 启动后将进入低功耗等待状态 当需要执行温度测量和 AD 转换时 总线控制器 多为单片机 发出 44H 指令完成温度测量和 AD 转换 DS18B20 将产生 的温度数据以两个字节的形式存储到高速暂存器的温度寄存器中 然后 DS18B20 继 续保持等待状态 当 DS18B20 芯片由外部电源供电时 总线控制器在温度转换指令之 后发起 读时隙 从而读出测量到的温度数据通过总线完成与单片机的数据通讯 DS18B20 正在温度转换中由 DQ 引脚返回 0 转换结束则返回 1 如果 DS18B20 由 寄生电源供电 除非在进入温度转换时总线被一个强上拉拉高 否则将不会有返回值 另外 DS18B20 在完成一次温度转换后 会将温度值与存储在 TH 高温触发器 和 TL 低温触发器 中各一个字节的用户自定义的报警预置值进行比较 寄存器中的 S 标 志位指出温度值的正负 S 0 时为正 S 1 时为负 如果测得的温度高于 TH 或者低 于 TL 数值 报警条件成立 DS18B20 内部将对一个报警标识置位 此时 总线控制器 通过发出报警搜索命令 ECH 检测总线上所有的 DS18B20 报警标识 然后 对报警标 识置位的 DS18B20 将响应这条搜索命令 2 6160 液晶显示模块设计液晶显示模块设计 2 6 12 6 1 16021602 液晶显示屏简介液晶显示屏简介 1602 显示器是很普遍的一种液晶显示器 在我们的平常生活中 我们可以看到很多的 显示屏是液晶的 如在电视 手表 测试仪器 液晶温度计等等 主要是数字 专用符 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 26 号和图形来显示的 LED 数码管比较常见 了解起来也比较简单 所以我的报警方式都 是用来 LED 灯来表现工作情况 这样不仅仅满足我对作品效果的要求 还很好地使用 了它的功效 2 6 1 12 6 1 1 在本次设计中的好处在本次设计中的好处 在设置好参数的前提下 当显示器接收到主板发送过来的信号后 可以保持规定的 一种亮度和色彩 而且保持发光 而阴极射线管显示器需要不断刷新新亮点才能正 常地显示 所以我选择了液晶显示屏 液晶显示器是以数字式显示出来的 不仅仅清晰明了 更容易让人清楚分析采 样结果 对于出解决方案也是有很大的帮助了 液晶显示器小巧 比之前的显示器体型要小得很多 轻得多 携带更方便了 这种显示器耗电少 用在在内部的电极和驱动 IC 上是主要液晶显示器的电量的 消耗之处 图 2 24 25 1602 液晶显示器实物图 图 2 24 液晶屏正面 行驶汽车防撞报警系统的设计 27 图 2 25 液晶屏背面 2 6 1 22 6 1 2引脚说明引脚说明 第 1 脚 VSS 为接地电源 第 2 脚 VDD 是接 5V 正电源的 第 3 脚 VL 可以调节相对度 刚接到正极的时候信号是最弱的 相反 接地线的时候 是最强的信号 这个用电压来控制信号的强弱 使得其很好地控制整个系统 第 4 脚 RS 是寄存器选择端口 控制保存在里面的信号 第 5 脚 R W 是读写信号线路 可以很好地实现控制 第 6 脚 E 为使用能量的端口 在执行命令要在 E 端由高电平跳变成低电平时 第 7 14 脚 8 位双向数据线的端口是 D0 D7 第 15 脚 背光源正极 第 16 脚 背光源负极 1602 内部显示地址如图 2 25 所示 图 2 26 1602 内部显示地址 当接通电源时 液晶显示器就会显示 出现图形 厚度很薄 常用于一些规模相对较大 的集成电路作为驱动 目前已经广泛应用到我们的生活中 比如在笔记本电脑 单反照 相机 和各种通信设备上 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 28 图 2 271602 显示模块 2 7报警模块报警模块 2 7 12 7 1 蜂鸣器介绍蜂鸣器介绍 蜂鸣器主要是用来报警的 它用的是直流电压 有耗电低 成本低的特点 对于我该系 统设计来说 也是一个极为重要的部分 2 28蜂鸣器工作原理图 图 2 28蜂鸣器工作原理图 行驶汽车防撞报警系统的设计 29 3 3软件设计软件设计 用 Keill C51 开发环境编辑设计的软件部分 系统的软件部分的模块有 硬件初始 化模块 液晶显示模块 超声波的发射和接受模块 系统的语音提示报警电路模块 本设计是基于单片机的安全行车的组件 把测出的距离 速度输送给单片机 再利 用已有的处理电路 对驾驶员进行声光报警 提醒至驾驶员 避免安全驾驶 3 1keill 开发环境的介绍开发环境的介绍 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C语言软件开发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学 易用 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 链接器 库管理和一个功能强大的仿真调试 器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 Vision 将这些部分组合在一起 运行 Keil 软件需要 WIN98 NT WIN2000 WINXP 等操作系统 Keil C51 软件提供丰 富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 可以完成编辑 编译 连接 调试 仿真 等整个开发流程 开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件 然后分 别由 C51 及 C51 编译器编译生成目标文件 obj 目标文件可由 LIB51 创建生成库文 件 也可以与库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件 abs abs 文件由 OH51 转 换成标准的 hex 文件 以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试 也 可由仿真器使用直接对目标板进行调试 也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中 而 在本次毕业设计中 主要使用 Keil C51 软件进行编程 运行生成 hex 文件等操作 一般 通过烧录软件把程序烧录进单片机芯片中 3 2 系统设计流程系统设计流程 根据系统的要求 该系统控制核心为单片机 8051 其工作过程是 系统通电后 单 片机 8051 进入监控状态 同时完成对各扩展端口的初始化工作 在没有外部控制信息 输入的情况下 系统自动睡眠 在开始打开电源后 单片机系统以及 LCD1602 开始初 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 30 始化 超速波测距模块开始测量车距 产生脉冲信号送至单片机 I O 口 电机测速模块 开始对车速进行计算 产生脉冲信号送至单片机 I O 口 并在 LCD 显示屏上显示此时速 度 距离 车内温度 并计算 当距离与速度超过门限时 就灯光警告 LED 等提示 提醒已超速或者距离过近 本毕业设计系统流程图如下图所示 开始 液晶显示屏初始化 超声波传感器初始化电机测速传感器初始化 定时器及中断初始LCD 液晶显示内容 电机测速所测信号 发射超声波 行驶汽车防撞报警系统的设计 31 系统原理图 结果输出 N 开外部中断 收到回波 Y N N 数据分析 是否危险 Y N Y Y 蜂鸣器提示 外部中断子程 计算距离 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文 设计 32 4 4 设计心得设计心得 在完成毕业设计时 正式调试完成 毕业设计系统成功的运行的时候 内心的心情 是复杂的 即兴奋又不舍 兴奋的是终于做好了 不舍的是 这些用心做作品的日子 这种埋头于思考作品要怎么完成 每个步骤 需要怎样完成 一步步这个过程是一个很 享受的过程 从一开始从整体框架 原理图做起的时候就发现自己的单片机的知识的掌 握是远远不够的 在设计原理图的过程 不断的查阅资料 通过图书馆书籍 网络 各 平台 才把最初的原理图给画好 见识到 熟练掌握单片机也不是一件简单的事 很多 东西自己以为会的东西 不一定会懂