基于51单片机的简易汽车防撞控制系统设计

基于51单片机的简易汽车防撞控制系统设计内容摘要：

波信号，并通过放大电路（如 74LS04）驱动换能器开始工作，发出超声波，同时单片机内部的定时器 T0 开始计时， 超声波 遇到障碍物 反 射后返回， 然后通过芯片（如 CX20206A）把接收到的信号传到单片机，定时中断，得到发射与接收的时间差，利用公式 S=V*T/2（ V 为超声波在标准空气中的速度， 为。 T 为发射与接收的时间差 ） 在程序中计算出距离，最后通过 显示器把距离显示 出来 ，或发出警报。 此距离随时显示在汽车驾驶室内，软件可以设置几级提示和报警，当车障之间距离小于安全距离时，设置在驾驶室的声光报警仪即发出声光信号，通知驾驶员谨慎操作，从而有效地防止碰撞事故发生，保证人身及设备的安全。 系统框图如图 21 所示。 图 21 超声波汽车防撞 系统 框图 核心处理器 STC89C52 本次设计采用了常见的 STC89C52 单片机为核心处理器。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器。 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。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方 案。 STC89C52 具有以下标准功能： 8K字节 Flash， 256 字节 RAM,32 位 I/0 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、 基于 51单片机的简易汽车防撞系统的设计 第 5 页 共 53 页 中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，知道下一个中断或硬件复位为止。 发射电路及驱动设计 超声波发射电路有两 种比较 实用 的设计方案，一种是应用 555 定时器产生 40KHz的振荡信号，然后通过 555 定时器驱动超声波换能器工作产生超声波信号；另外一种是应用单片机产生 40KHZ 的方波信号然后通过驱动输入超声波换能器产生超声波信号，本设计是应用第二种方案。 接收电路的设计 参考红外转化接受期刊的电路采用集成电路 CX20206A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。 考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz与测距超声波频率 40KHZ 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。 从各方面信息了解到其具 有很高的灵敏性和较强的抗干扰能力。 适当改变外围电容的大小，可改变接收电路的灵敏性和抗干扰能力。 显示器模块 液晶显示器以其微功耗、体积小，显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功率应用系统中得到越来越广泛的应用。 本课题采用的是字符型液晶模块，这是一种用 5x7 点阵图形来显示字符的液晶显示器。 报警模块 考虑到本次课题设计的目的是以学习为主，因此报警模块由小喇叭与 LED 指示灯构成。 设计方案的论证 超声波换能器的选择 基于 51单片机的简易汽车防撞系统的设计 第 6 页 共 53 页 超声波探测技术主要用于中程测距 、结构探伤、智能控制等领域，超声波 换能 器 是其核心器件，换能器按其工作介质分为气相、液相和固相换能器； 按其发射束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；按其工作频率又可分为 38KHz、 40KHz 等不同等级。 本设计选用气相、窄波束、 40KHz 的超声波换能器。 超声波测距法的选择 当利用超声波探测器测距时常用两种方法 ： 强度法和反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物 的 远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难 消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效，由于直接耦合信号的影响强度法测距只使用与较短距离的且精度要求不高的场合。 反 射时间法其原理是利用检测声波发出到接收到被测物发射回波的时间来测量距离，对于距离较短和要求不 高 的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用 S=V (T/2)(其中 S 为被测距离、 V为空气中声速、 T 为回波时间（ T=T1+T2）计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服，因此这种方法非常适合较远距 离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本设计中选用 第二种 方法。 超声波发射电路驱动的选择 超声波传感器一般要在 40KHZ 才能得到最大的震荡，超声波才能传的更远。 超声波发射电路驱动有两种比较通过用的设计方案，一种是应用 555 定时器产生 40KHz 的振荡信号，然后通过 555 定时器驱动超声波换能器工作产生超声波信号；另外一种是应用单片机定时器产生 40KHZ 的方波信号然后通过驱动输入超声波换能器产生超声波信号，因第二种方法方案较简单，本设计是应用第二种方案。 显示器的选择 方案一：使用多个数码管显示。 LED 数码管是利用二极管发光显示数字和字母，具有亮度大，接口设计也比较容易，价格相对较便宜等优点。 但是由于它工作时电流 基于 51单片机的简易汽车防撞系统的设计 第 7 页 共 53 页 较大，显示的信息量有限。 方案二：采用液晶显示。 液晶特别是具有字符显示功能的液晶显示器，来实现显示功能，不仅可以实现基本的显示信息，而且可以显示丰富的符号指示信息，信息量丰富且直观易懂。 而且液晶显示功耗低，体积小。 综上考虑，本设计采用方案二，使用 LCD1602 来显示。 数据通信方式的选择 数据通信方式可分为两种：并行传送和串行传送。 并行传送速度快， 效率高，但传送可靠性差，不适合远距离传送；串行传送数据按位顺序移动，速度较慢，效率偏低，但传送效率可靠，可以节省通信子系统的硬件投资。 PC 机的串口采用的是标准的 RS232 接口，由于 STC89C52 单片机的串行口电平是TTL 电平，但是 TTL 电平特性与 RS232 的电平特性不匹配，因此为了使 STC89C52 单片机的串口能与 RS232 接口通信，必须将串行口的输入 /输出进行电平转换。 因此本设计可以选用集成电平芯片 MAX232 为 RS232C/TTL 电平转换芯片。 该课题设计的技术指标 （ 1） 汽车 行 驶 时，若汽车与障碍物的距离≤ 1m 时，发出报警声音，若汽车与障碍物的距离≤ ，刹车制动，刹车指示灯亮； （ 2） 可自动解除报警或手动强制解除报警； （ 3） 采用 LCD 液晶显示，当汽车与障碍物的距离在 6m内时，可显示实际距离； 3 系统的硬件结构设计 本系统主要是 应用 STC89C52 单片机为主控制器，以超声波发射部分，接收部分，LCD 显示部分，报警部分为受控模块，它们共同组成为超声波测距系统。 系统主要通过单片机输出超声波转化器所需的 40KHZ 方波信号。 再由超声波收发一体发出去，遇到障碍物后同样 通过超声波收发一体接收信号传到 CX20206A 中，当CX20206A 芯片接收到超声波信号后会在第 7 脚产生一个低电平的下降脉冲，利用外部中断 0 口检测超声波接收电路输出的返回信号，软件中通过记录发射与接收的时间差计 基于 51单片机的简易汽车防撞系统的设计 第 8 页 共 53 页 算出距离 S=CT/2，最后在 LCD 上显示出距离和警报等功能。 核心处理器 STC89C52 在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能 否成功完成设计任 务的 关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。 目 前各半导体公司、 电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了 良好的开发环境。 选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统，而且功能优异，可靠性好，成本低廉，具有较强的竞争力。 目 前，市面上的单片机不仅种类繁多，而 且 在性能方 面也各有所长。 一般来 说，选择单片机需要考虑以下几个方面： (1)单片机的基本性能参数。 例如指令执行速度，程序存储器容量， I/O 引脚数量等。 (2)单片机的增强功能。 例如看门狗、多指针、 双 串口等。 (3)单片机的存储介质。 对于程序存储器来说， Flash 存储器和 OTP（一次性 可 编程）存储器相比较，最好是 Flash 存储器。 (4)芯片的 封装形式。 如 DIP（双列直插）封装， PLCC（ PLCC 有对应 插座）封装及表面贴附等。 (5)芯片 工作温度范围 符合工业级、军 工 级还是商业级。 如果设计户外产品，必须选用 工 业级。 (6)芯片的功耗。 比如设计并 口 加密狗时，信号线取电只 能提供几 mA 的电流，选用STC 单片机就是 因 为它能满足低功耗的要求。 (7)供货渠道是否畅通、价格是否低廉。 (8)技术支持网站的速度如何，资料是否丰 富。 包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。 (9)芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。 STC89 系列单片机是 MCS51 系列单片机的派生产品。 它在指令系统、硬件 结构和片内资源上 与标准 8052 单片机完全兼容， DIP40 封装系列 与 8051 为 pintopin 兼容。 STC89 系列单片机高速 (最高时钟频率 90MHz)，低功耗，在系统／在应用可编程 (ISP，IAP)，不占用户资源。 根据本系统的实际情况，选择 STC89C52 单片机 ，单片机 (STC89C52)的引脚功能图 31 基于 51单片机的简易汽车防撞系统的设计 第 9 页 共 53 页 图 31 STC98C52 引脚图 单片机的引脚功能说明： 1． 电源引脚 Vcc 第 40 脚 正电源脚， 工作电压为 5V。 GND 第 20 脚 接地端 2. 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 为了产生时钟信号，在 8052 内部设置了一个反相放大器， XTAL1 是片内振荡器反相放大器的输入端， XTAL2 是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的 输入端。 当使用自激 振 荡方式时， XTAL1 和 XTAL2 外接石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡，就产生时钟信号。 产生时钟信号电路如图 32： 图 32 时钟信号电路 本系统使用的石英晶振频率为 12MHz。 3. 复位 RST 第 9 脚 在振荡器运行时，有两个机器周期（ 24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平， 52 芯片变循环复位。 复位后 P0— P3 口均置 基于 51单片机的简易汽车防撞系统的设计 第 10 页 共 53 页 1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。 当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM的 0000H 处开始运行程序。 常用的复位电路如下图所示。 图 33 复位电路图 本系统 复位电路是手动复位电路 ， 如图 34： 图 34 复位电路图 4. 输入输出（ I/0）引脚 Pin39Pin32 为 输入输 出 脚，称为 P0 口 ，是一个 8 位漏极开路型双向 I/O口。 内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时， P0 口能以吸收电流的 方式 驱动八个 LSTTL负载电路。 通 常在使用时外接上拉电阻，用 来驱动多个数码管。 在访问外部程序和外部数据存储器时， P0 口 是分时转换的地址（低 8 位）／数据总线，不需要外接上拉电阻。 PinlPin8 为 P1. 输入输出脚，称为 Pl 口，是一个带内部上 拉电阻的 8 位双向I/O 口。 P1 口 能驱动 4 个 LSTTL 负载。 通常在使用时外 不 需要外接 上拉电阻，就可以直接驱动发光二极管。 端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对于输出功能，在单片机 工作时，我们可以通过用 指令控制单片机的引脚输 出高电平或者 低电平。 如： 指令 CLR，清零的意 思。 CLR ：让单片机从第一脚输出低电平。 指令 SETB，置 1 的意思。 SETB ；让单片机从第一个脚输出高电平。 Pin21Pin28 为 输入输 出 脚，称为 P2 口，是一个带内部上 拉电阻的 8 位双向 I/O 口 ， P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。 端 口 置 1 时，内部上拉电阻将端口拉。