【《基于51单片机的倒车辅助系统设计》7300字】

PAGE5基于51单片机的倒车辅助系统设计目录1绪论 51.1研究的背景 51.2研究的主要内容 61.3应解决的关键问题 62电路方案论证 72.1方案比较 72.1.1激光测距 72.1.2超声波测距 72.2电路总体方案 73单片机概述 93.1STC89C51主要性能 93.2STC89C51外部结构及特性 93.3STC89C51内部组成 114超声波测距模块 124.1超声波传感器介绍 124.2HC-SR04超声波测距模块的性能特点 134.3HC-SR04的管脚排列和电气参数 144.3.1管脚简介 144.3.2HC-SR04的电气参数 144.4超声波时序图 155系统硬件电路设计 165.1单片机最小系统 165.1.1STC89C51芯片 165.1.2复位电路 165.1.3晶振电路 175.2驱动显示电路及报警电路 185.2.1LED数码管显示电路 185.2.2蜂鸣器和LED报警 185.3HC-RS04超声波测距原理 195.4按键设置电路 205.5语音芯片电路 206系统程序的设计 226.1主程序 226.2显示数据子程序 226.3报警子程序 236.4按键子程序 23结论 25摘要：改革开放的先进政策惠及了我国的各行各业，在经济发展态势十分喜人的情况下，我国的汽车工业已经相应的交通产业发展态势同样让广大老百姓感到十分开心。因为随着我国的汽车产业越来越发达，相应汽车的价格也会逐渐降低，普通民众购买私家车的能力也越来越强。但是，这种繁荣带来了越来越严重的交通堵塞。有时也会发生倒车不慎所引起的交通事故，在这种情况下，很多普通老百姓因为驾驶员的操作不当或者倒车时的违规操作丧失了自己宝贵的生命，通过广大劳动者付出汗水而得到的财富也蒙受重大损失。对于这样的情况，需要设计安全性高的，且价格亲民适合广大老百姓运用于日常生活的系统，这样的系统就是倒车辅助系统。而想要设计的倒车辅助系统的价格普通老百姓可以接受，那么就需要用到超声波传感器作为该系统的核心构成。而超声波的特点以及原理与我们所要解决的倒车问题十分契合，因此超声波传感器被用于倒车的辅助系统中是十分合理且可行的且常见的。此系统所依据的原理就是以超声波传感器的原理和以及相应单片机的功能和特性设计的可以帮助驾驶员在行驶过程中用于帮组自己进行安全倒车的系统即本文所要介绍的倒车辅助系统。超声波得特点有很多，其优点是指向性强，能量消耗速度比较慢，传输距离长。因此，在使用传感器相关技术的后置距离测量方法中，超声波测量距离是目前使用最多的方案。它被广泛用于防盗和倒车等普通老百姓所能接触到的普通生活场景中大大的方便了民众的日常生活、它同样也会被用于水位检测、建筑工地和一些工业现场等专业性较高的场景来帮助相关人员进行工作生产活动。AT89C51单片机的功能和特性以及超声波传感器的规则和特征都将在本辅助系统的设计中一一被介绍到。基于国内外超声波传感器和AT89C51单片机，检索了设计背包辅助系统的相关报道，并对相关研究的最新结果进行了调查。对以超声波传感器的原理和相应的超神波特性设计的后置雷达辅助系统的制作进行相应的探讨以及相应的研究。这个倒车支援系统分为以下3个模块。3个模块分别是“距离测量、系统控制及警报显示”。同时研究了各个模块的设计方案，设计了以超声波传感器为原理设计的背包包装辅助系统的各模块结构和必要的设计方案。在该包层辅助系统的硬件电路中，该包层辅助系统具有AT89C51宏处理器的相关特性和低成本、高精度、以数字显示所代表的相应优点为中心，构思与设计了与超声波测量器的相关原理和特性十分契合的设计方案，这一方案包括相应的软件程序方案。也同样包括与所设计的软件程序相契合的硬件电路的设计方案。这个帮助驾驶员在行驶过程中安全倒车的系统的电路是使用由5个模块构成的模块设计的，以此为基础实现超声波传感器，具备测量距离的各种功能。在这个原理上上研定了帮助驾驶员在行驶过程中倒车的系统的相应的整体方案，并通过完成相应的软件程序方案和硬件电路设计方案的实现了各模块的设计。关键词：超声波、测距系统、单片机、声音、辅助系统1序论1.1研究背景各个汽车与汽车周围的物体距离过近或者是汽车的相对速度过高是导致交通事故发生并对民众的生命以及财产造成危害的主要原因。因此，为了防止因驾驶员的操作不当或者倒车时汽车发生倒车失灵从而导致的在倒车过程中物体相撞的事故的发生，此倒车辅助系统将会保证汽车在倒车时的速度由相应的两个方面来进行控制，第一方面由执行机构来对车速进行控制，第二方面由汽车在倒车过程中与各个方向物体的距离边长或者变短来控制，从而来保证汽车在倒车过程中以安全的速度行驶，在必要时会发出警报以提醒驾驶员进行相应的操作，进而能够达到设计此系统的目的，即降低因倒车所引起的交通安全的事故的发生频率。因驾驶员操作不当所引起的倒车时汽车碰撞事故的50%是汽车与各个方向的物体发生的正面碰撞事故，其余的情况则是汽车与其余方向的物体发生的碰撞事故，而如果能够有相应的倒车防撞的辅助系统给予驾驶员1秒的警报时间就可以防止倒车碰撞事故中的90%的追尾和60%的迎击，从而提高倒车的安全性。为了避免因驾驶员操作不当所引起的汽车在倒车过程中与汽车各个方向的物体发生碰撞，因此需要用一定的装备来测量各个方向障碍物的与正在倒车的汽车之间距离长短的变化情况，并将此情况及时准确地回馈到车辆，当出人意料并将造成碰撞事故的意外情况发生时，此系统将通过进行警报或自动的事先设定操作，来指导司机进行诸如紧急刹车或改变汽车倒车方向以及减速等相应的补救操作来避免因为驾驶员的疲劳、疏忽、或者是驾驶员的错误判断所引起的交通事故。现如今，大家把防止碰撞技术的关键点以及核心放在了车辆距离测定技术上，而超声波的相关原理以及特征与此类问题的契合度相当高，且制作相对简单，成本相对较低，因此被广泛应用于测量车辆之间的距离的方案上。1.2研究的主要内容课题“基于51的超声波测距汽车倒车辅助以防止发生碰撞系统”由最小系统、以超声波传感器相应特性和原理设计的超声波测距的模块、以及相应的硬件电路组件等构成。本设计所需要的硬件电路即包括三个主要的硬件电路，其一为驱动显示电路，其二为警报电路，其三为按钮电路。利用超声波范围模块测量距离，对汽车在倒车过程中与各个方向的距离变化作为数据传递至51单片微控制器，并由LED数字管显示相应的距离，并且可通过对于按钮进行相关的操作来调整将会触发警报器发出报警的汽车与物体的距离来应对不同行驶情况下的不同要求。同时电源部分采用压力稳定的直流电源。1.3应解决的关键问题1、设计此防撞倒车辅助驾驶系统的主要硬件电路，而在制造相应的实物系统时，声音如何发射以及时间的计算方案是能否成功设计相应系统的两个关键问题。2、通过相应的软件编程方案来实现在防撞倒车辅助系统中对于超声测距的范围的要求。3、超声波测距的死区解决。4、用按钮按下警报值的设置。5、实时语音广播。2.1超声波测距本系统即汽车倒车防撞辅助系统中的超声波测距模块的相应原理借鉴于应用广泛的雷达测距原理，利用于众所周知的声音传播速度，查阅可知声音在空气中的传播速度为331m/s，从而可以测量超声波经过发射后并且与汽车各个方向的物体发生碰撞后在路途中所消耗的相应的时间，根据相应的计算公式即s=v*t来计算车辆在倒车过程中与各个方向的物体的距离，且其中的t必须要除以二，因为在路程所消耗的时间为超声波来去的时间。2.2回路整体方案图2.1是整个电路的在设计时所设计的原理框图，其中包括的是51单片微控制器最小系统、超声波测量车辆与物体距离的范围模块、以及相应会在本系统设计中用到的硬件电路，其中包括LED数字显示电路（主要显示为在倒车过程中车辆与各个方向的距离），蜂鸣器报警电路（主要是为了给驾驶员提供相应的警报信息以供其进行相应的避险操作），键电路(用于进行相应的按键操作)，以及声音发射电路。图2.1回路基本框图数码管显示蜂鸣器报警数码管显示蜂鸣器报警按键设置语音播报超声波测距模块STC89C51电源供电3单片微控制器概要3.1STC89C51的主要性能STC89C51是STC公司发表的CMOS8位的单片机处理芯片STC89C51RC的系统。这种单片微控制器的性能十分强大，具有很多优点，其中与本系统所要解决的问题契合度十分高的优点包括以下主要四点，其一是该系统的的防干扰性十分的强，与倒车防撞系统所要求的高精度十分契合。其二是可在线进行编程，这易于在进行设计制作时修正相应的软件程序。其三是该单片机处理芯片系统运行处理的速度较快。其四是该单片处理系统的能耗很低，这与本设计所秉持的节能环保的理念相契合。正因为其有着如此优越的性能，因此其可用于许多复杂的控制应用的相关程序，其中就包括此次所设计的倒车辅助防撞系统。3.2STC89C51外部结构及特性此单片微控制器的外形包装有两种方法。如下图3.1所展示的分为总线型和非总线型图 3.1外形包装的两种方法图3.2STC89C51针排列STC89C51的4个8位I/O口的各个分别的功能如下叙述所示。（1）P0口：作为输出口，每个人可以驱动8个TTL逻辑电平。如果在P0端口上写上“1”，则引脚将作为高阻抗输入使用。在这种模式下，P0具有内部拉伸电阻。程序验证时输出命令字节。而在程序验证时，也需要提高其外部阻力。（2）P1口：P1口只作为一般IO口。作为输入使用时，外部的引脚因内部电阻而变为输出电流（IL）。（3）P2端口：P2作为一般IO口还在在读写外部存储器作高8位的地址总线。作为输入使用时，外部的引脚因内部电阻而变为输出电流（IL）。访问外部程序存储器或外部数据存储器（例如MOVX@DPTR），则P2端口发送8比特的高地址。（4）P3端口：是一个多功能口，其主要功能分为两大功能，其中第一功能为-I/O准双向口，与P1口相同。

P3口还被用作AT89C52的特殊功能（第二功能）。P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INTO（外部中断0输入口）P3.3INT1（外部中断1输入口）P3.4TO（计时器0外部输入）P3.5TI（计时器1外部输入）P1.6WR（外部数据存储器写入信号）P3.7（外部数据存储器读出选择信号）3.3STC89C51内部结构STC89C51单片机系统性能十分强大，它将CPU、RAM、ROM、计时器/计数器、门卫犬、以及具有各种功能的I/O口装置等集成到一个芯片中。STC89C51单片机中包含的具体部分如下图所示。图3.3STC89C51内部框图4超音波量程模块4.1超声波传感器的介绍超声波得特点有很多，其优点是指向性强，能量消耗速度比较慢，传输距离长。因此，在使用传感器相关技术的后置距离测量方法中，超声波测量距离是目前使用最多的方案。它被广泛用于防盗和倒车等普通老百姓所能接触到的普通生活场景中大大的方便了民众的日常生活、它同样也会被用于水位检测、建筑工地和一些工业现场等专业性较高的场景来帮助相关人员进行工作生产活动。因此以超声波传感器为原理来进行此次的倒车防撞辅助系统是十分简洁的方案，其中超声波传感器是一种转换能量形式的元件。而由于超声波传感器的应用范围十分广泛，而现实中的各种需要其的场景也十分众多，因此组成超声波传感器的的结构也会随之发生变化。本倒车辅助防撞系统则采用的是压电超声波传感器。其结构图如下图所示图4.1压电超声波传感器的结构图4.2HC-SCR04超声波范围模块的性能特征HC-SCR04超声波范围模块的主要功能是为本次设计的防止在汽车在倒车过程中因驾驶员的操作不当而发生碰撞事故的系统提供相应的传感功能，范围精度可以达到3mm。模块可以分为三个重要的组成部分，其一为超声波发射器（负责超声波的发射），其二为超声波接受器（主要功能为接受受到汽车相应方向碰撞过后返回的超声波），其三包括控制电路。该模块可以分为三个重要组成部分，如下图所示。图4.2模块组成这个模块的性能很稳定。测量距离准确，主要特点是：（1）超小型，相当于两个发射。接收头的面积不会再小了。（2）无盲（10mm内成三角形的误差大，所以可以简单地将其视为0）（3）反应速度快，在10ms的测量周期内，很难失去高速目标。（4）发送头和接收头紧贴在一起，并且基本上与测量对象成直线关系。（5）模块有LED指示，便于观察和测试。4.3HC-SCR04的引脚排列和电气参数4.3.1管脚介绍HC-R04的外形及销排列如图4.3所示。（1）VCC是5V电源。（2）GND是地线。（3）TRIG触发控制信号输入。ECH0回波信号输出。图4.3外形及其管脚排列图4.3.2HC-SCR04的电气参数电气参数如表4.1所示。表4.1电气参数表电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40Hz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电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm电参数HC-SCR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40Hz最大射程4m最近的射程是2cm测量角度15度输入触发信号10us的TTL脉冲输出回声信号输出TTL电平信号，与射程成比例。规格尺寸45*20*15mm4.4超声波时序图此次设计的倒车防撞辅助系统的超声波时序图如下所示图4.4超声波时序图当系统检测到回馈的右回声信号后，会输出回声信号。由此，可以计算到所接收的回波信号为止的时间间隔。官方：uS/58=cm或uS/148=英寸或：距离=高级别时间*音速（331M/S）/25系统硬件电路设计5.1单片机最小系统5.1.1STC89C51芯片这次的设计采用了STC89C51单片机。这种单片微控制器的性能十分强大，具有很多优点，其优点与本系统所要解决的问题契合度十分高。可以串行下载也可以在线编程。5.1.2复位电路微机系统中的电路的稳定以及可以执行可靠性高的动作是关系到此次设计的倒车防装辅助系统硬件模块的关键所在，而复位电路正是这关键中的关键，因此为了确保复位电路的稳定运行，我们此次系统采用的是铝电解电容器。此次所设计的系统中的复位电路当刚接触到电源时，电容的数值可以忽略不计，5V的电源通过电阻对电解电容进行充电。电容两端的电从0V缓慢上升到4V左右。引起了内部电路的复位工作。此时可以按下复位按钮，进行相应的复位作业。图5.1复位电路5.1.3晶振电路此次设计的倒车辅助防撞系统将会保证单片机系统正常运行。如果振荡器不振动，系统将无法运行。如果振荡器不动作，系统执行程序时会发生时间误差，通信中会显示。这是由一个水晶和两个瓷器的容量组成的。晶状体和瓷器的容量不是正负，两个瓷器的容量相连的一端一定要接地。如图5.2所示。图5.2晶片电路一般单芯片的晶片在并行谐振状态下操作，并且也可以理解为谐振电容器的一部分。这是根据晶片制造商提供的晶片请求负载容量的选择值的东西。机器周期：从通常存储器读取命令字的最短时间，并规定CPU周期。时钟周期=1秒/晶圆频率，因此单芯片的机器周期=12秒/晶圆频率补充了其他几个周期。指令周期（InstructionCycle）：取出一个命令执行的时间。总线周期（BUSCycle）：也就是说，用于内存和I/O端口的操作的时间。时钟周期（ClockCycle）：也称为节拍周期，是处理动作最基本的单位。（晶圆频率的倒数也称为T状态）一般处理器的一个机器循环由12个时钟周期构成。因此，本次系统所用到的单片微控制器以12M的频率波动，运行速度为1M。两个容量的取值相同。或者有很大的区别的话，容易引起共振的不平衡，会变成停止或不流畅的状态。它起到并行谐振的作用，可以使脉冲更加稳定和协调。5.2驱动显示电路和报警电路本次系统的显示电路由LED数字管显示汽车在倒车过程中与超声波传感器所检测的其与相应方向的距离，并且可通过对于按钮进行相关的操作来调整将会触发警报器发出报警的汽车与物体的距离来应对不同行驶情况下的不同要求。5.2.1LED数字管显示电路该本系统采用动态扫描方式。动态方法的优点是耗电量省，显然在动态扫描期间，只有一个数字管处于工作状态。具体原理图如图5.3所示。图图5.3显示电路5.2.2蜂鸣器和LED报警本次所设计的倒车防撞辅助系统采用的是电磁式蜂鸣器。即，驱动蜂鸣器由PNP类型的三极管8550放大。原理图请参照图5.3LED电路由两大重要的组成部分组成，如图5.4所示图5.4LED电路组成图LED一般工作在5ma到20ma，所以选择1K电阻进行限流。如图5.5所示。图5.5蜂鸣器驱动电路5.3HC-RS04超声波范围原理此次所设计的倒车辅助防撞系统中的超声波模块测距的相关原理为利用相应的物理知识并且由于众所周知的声音在空气中传播速度为331m/s,可由公式：s=v*t/2（其中需要特别注意的是t所代表的量为超声波传感器中的接受模块所接收到时间值减去发射模块发出时的时间值，并且因为此时间为来回的时间所以需要在最后除以二，得到最终所求的值。）该系统框图在图5.5中示出。定时器控制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5.5系统框图5.4键设定电路按键电路是处理按键输入信号的电路。按键电路的基本原理如下图5.6所示，而对于此次所设计系统中的按键电路，我们应做的事情是在程序中调查这个端口的水平后，知道我们有没有按按钮的动作，因此此次倒车辅助防撞系统我们采用了软抖动的方式，硬件电路图如5.7所示图5.6按键电路基本原理图5.7键电路图5.5音频芯片电路语音芯片一共有三个IO口。外周最少也可以用一个104个电容器稳定工作。产品方案的成本极低。整体方案费用节省30%到50%左右的优势说明。工作电压为2.2-5.5V，适用范围很广。喇叭是8欧洲-16欧洲范围内的任何喇叭（推荐在0.25-W内），该芯片是特定的固定标准模块可以通过至少两个微控制器IO端口来控制语音标准芯片，所述语音标准芯片结合到128级的任何语音呼叫。芯片基脚的位图如