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1、 基于单片机的倒车雷达系统设计学生： 指导教师：内容摘要：随着科学技术的飞速发展，汽车已经由原来的奢侈品变为现在人们日常生活工作中的必需品，在汽车生活中单片机作为一种结构简单价格低廉的控制系统逐渐得到运用。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机一般是作为一个系统的核心部件来使用。单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上集计数和多种接口于一体的微型计算机。它是一种集计数和多种接口于一体的微控制器。而51单片机是一种最为典型最有代表性的单片机。 本设计主要应用AT89S51作为控制核心，与显示器，驱动电路等相结合的系统。利用单片机AT89S51作为报警装置的控制器，能充分发挥AT89
2、S51的数据处理和实时控制功能。使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏度。本次设计的超声波倒车雷达具有体积小、使用方便、硬件电路简单、软件功能完善、控制系统可靠等优点，是现代社会发展必不可少的工具和动力。本设计将安全距离设为0.5m，就可作为汽车倒车报警器，提高汽车倒车时的安全性。该防撞报警器利用超声波实现对汽车的测距，利用单片机的实时控制和数据处理功能完成系统的控制，文章给出了报警器的硬件电路原理及软件设计。 关键词：单片机 AT89S51 超声波 Based on AT89S51 back-draft radar systems designAbstract: In recent years
3、, Along with the science and technology and economy fly ceaselessly, cars have by original luxury into now people daily life work, the necessities in automotive life as a kind of simple structure microcontroller inexpensive control system can be applied gradually. In real-time detection and automati
4、c control of microcomputer application system, microcontroller is generally as a component to the core of the system of the heart for a system function. The main function of single chip computer is computer parts were integrated in a chip used to count and various interface in the integration of mic
5、rocomputer. This design USES 51 SCM is a most typical most representative of microcontroller. This design main application AT89S51 as control core, and display, drive circuit combination of system. AT89S51 microcontroller as alarm device controller, can make full use of data processing and AT89S51 r
6、eal-time control function. Make the system work in the best condition, and improve the system of sensitivity. The design of ultrasonic reverse radar has small volume, convenient, hardware circuit is simple, perfect function, control system software reliability, is the modern social development essen
7、tial tools and power. This design will be safe distance set to 0.5 m, can be used as automobile reverse alarm, improve the safety car while backing. The reverse system using ultrasonic realize for the automobile distance. Of the microcontroller real-time control and data processing function complete
8、 system control and give the alarm hardware circuit principle and software design. Keywords: Microcontroller AT89S51 Ultrasonic II目 录前言11 绪论11.1 超声波检测的发展11.2 单片机发展综述21.3 本设计所涉及问题的现状综述22 超声波简介32.1 超声波特点32.2 超声波传感器定义42.3 超声波传感器的特性52.3.1超声波传感器的频率特性52.3.2 指向特性62.4超声波传感器应用63 各硬件组成单元方案设计73.1 发射和接收单元方案设计73
9、.1.1 主要模块设计73.1.2 发射接收电路中应考虑的问题83.2 显示报警单元方案设计103.2.1系统显示电路设计103.2.2 系统报警电路设计113.3 单片机复位电路113.4 时钟电路113.5 驱动电路113.6 硬件电路设计124 系统硬件及软件实现124.1 单片机硬件介绍124.1.1 单片机AT89S51介绍124.2 CX20106A超声波芯片介绍134.3 探头UCM介绍144.4 系统软件结构154.4.1 软件功能154.4.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序174.4.3 延时程序175 结束语17附录1：系统图19附录2 ：主程序20参考文献：26基于单片机的
10、倒车雷达系统设计前言伴随着中国的国内生产总值(GDP)以两位数持续增长，中国进行着日新月异的变化，汽车最为一种交通、运输工具在现代社会中扮演者不容忽视的地位，因此人们对汽车的需求也相应提高，据统计2009年光是成都市平均每天新增车辆在1000辆左右。如此庞大数量的汽车数量所带来的交通问题成为城市中不容忽视的问题，不仅是城市的规划者还有庞大的汽车车主们都纷纷为此挠头，因为他们不仅要面对道路上的交通问题还要面对停车带来的各种问题。汽车作为一种机械它就有着机械本身的一个特点这就是笨拙，它不会像人或者动物一样判断问题，在倒车的过程中就会出现一系列的问题。特别是新手在倒车的过程中无法达到人车合一的境界，
11、所以一个能使一个新手也能得心应手的把车安全的停到车位上就显得尤为必要倒车雷达（car reversing aid system ）是汽车泊车时的安全辅助装置 , 能以声音警示和距离显示提醒驾驶员后方障碍物的情况 , 解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视的困扰,提高了安全性。目前市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理, 所以设计一种较低成本、较高性能的倒车雷达对国内中低端汽车市场很有价值。1 绪论1.1 超声波检测的发展19世纪人们开始研究超声波，由于超声波是声波的一个分支，只是超声波的频率超过了可听的限度。而超声波作为无损检测的方法最早是由苏联萨哈切夫1929年提出并与1936年经过首次试
12、验并取得成功；后来分别在1943年和1946年由美国和英国开发出发出A型脉冲反射式超声波检测仪，并将其运用于钢板检测和探伤中，到了现在超声波光在各个领域均得到了相当广泛的运用。我国超声波检测仪器起步较晚但是发展迅猛，20世纪50年代我国第一次引进超声波检测技术，1950年我国铁道部首次从瑞士引进的穿透式超声仪运用于路轨检测。1953年，国内首台脉冲反射式超声波检测仪在中科院长春机电研究所研制成功，由此也专门办了培训班塑造出了我国第一代超声波检测人才。到了现阶段我国的超声波技术与国际上还有一些差距，这些差距主要表现在高层次的技术上但从整体上说我国的超声波技术还是有着较高层次的研究和运用。改革开放
13、以来中国的经济蒸蒸日上面对各式各样越来越高的生产要求和工艺要求使得超声波有了发展和进一步完善的大好机会。超声波的进一步开发和利用有待提高。1.2 单片机发展综述单片机是属于微型计算机的一种，二者既有相同的地方，又有区别。单片机集成了微型计算机的很多功能部件，如具有数据处理功能的CPU、随机和只读存储器、输入/输出口和中断系统。但它们的具体结构和处理方法不同。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读存储器，这枚芯片集Flash程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，Atme
14、l公司的功能强大，低价位AT89s51单片机可以提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。尽管AT89S51与89C51在外型管脚上完全相同，但AT89S51在在性能方面比89C51要优越一些，它可以在线编程，这样在改写片内程序时，不需要将芯片从工作环境中取下来，使用更加方便；有了更高的工作频率：范围大概为33MHz，根据有关资料得知89c51的极限工作频率只有24M，使得其计算速度得到了提高；稳定性更好，抗干扰能力更强；烧写次数更多；程序的保密性大大加强；兼容性方面：AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。向89S51也可以向下兼容1比如8051、89S51等早期MCS-5
15、1兼容产品。1.3 本设计所涉及问题的现状综述声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式可以分为横波和纵波。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这种能量的传播方式叫做声波。 超声波是指振动频率大于20kHz的声波,由于频率超出了人耳听觉的上限（20000Hz），我们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波和声波本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式是一种能量的传播形式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。由于超声波
16、的速度和声音传播速度差不多，其传播时间就比较容易检测，并且还具有定向发射、方向性好、强度易于控制等优点是超声波得以广泛应用的先决条件。超声波测距是一种利用声波特性，电子计数相结合来实现非接触式距离测量的方法。超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体与超声波探头之间的传输来测量距离的所以它就能够在某些特定场合和环境比较恶劣的情况下使用2。超声波也是一种机械波，所以它也具有波的反射、干涉、衍射等基本物理特性。波每秒振动的次数我们称为频率，用单位赫兹来恒量其大小。声波范围在20-20000Hz时，我们人耳就能听见，在这范围之外就是我们不能感受到的声波了。高于20KH
17、z的声波我们称为超声波，低于20Hz的声波称为次声波，所以说超声波是一种特殊的声波。由于超声波的频率很高，故它的方向性好、振幅小、穿透能力强，在医药行业、工业制造、农业生产等众多领域都得到了广泛的应用。近年来，随着经济的不断发展超声波的优点逐渐被人们所周知所以对超声波技术也不断深入研究，再加上超声波本身具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波得到了越来越广泛的应用。2 超声波简介2.1 超声波特点3a.超声波的吸收特性：声波在各种介质中传播时，传播强度会随着传播距离的增加逐渐减弱，减弱程度与波的频率和传输介质有关。频率越高强度减少得越多。在固体、液体、气体的传播时，减少的程度分别是小、中、大。
18、本次设计是用波来测距离，波的传播介质是气体，而传播强度在气体中减弱强度最大，故我们应该选择能量交大的超声波。b.超声波的束射性：我们都知道光波是沿直线传播的，具有反射与折射的特性。发生反射时，入射光线与出射光线在同一平面，入射角与初涉角相同。发生折射时，折射光线与折射光线也在同一平面上，折射角与发生折射的两种物质的密度差异有关，差异越多，折射角就越大。超声波的波长很短，故其具有光波的反射与折射的特性。超声波测距就是用了它的反射特性。c.超声波的能量传递特性：超声波比声波具有强大得多的功率这是超声波在日常生活中得到广泛运用的一个主要原因。共振现象是指激励频率与物体的固有频率相同时，物体就会振动。
19、当超声波在介质物质中传播时，超声波会使物质中的分子和自己一起振动，且频率相同，超声波的频率很高，物质分子的频率也很高，从而使得分子振动的速度高，能量大。而普通的声波频率不高，物质中分子获得的能量就不大。首先超声波在功率方面比一般可听声更强大得多。根据有关研究实验表明，一般的讲话声音的能量是很小的而超声波所具有的能量却很大。举个列子来说假设我们想用普通说话的能量来烧开一壶水，那么相当于动员700多万人，连续大声喊叫12个小时将水壶里的水烧开而超声波具有的能量，要比一般可听声大的多，频率为100万赫兹的超声波的能量，要比同幅度的频率为1000赫兹的可听声能量大100万倍。所以由于超声波拥有如此巨大
20、的能量，也就使得超声波在实际生产测验中得到了广泛的运用，而很多具体的应用都是基于超声波的这个特点上的。其次由于超声波的频率较高，所以超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出和普通光线一样的透射、反射和折射现象（在本次倒车雷达设计中就采用的超声波的这个特点）。利用超声波聚集装置可以将超声波束会聚到一点，从而将超声波的声强提高几倍甚至几千倍，利用这样巨大的声强可以做许多很有意义的工作5。例如:超声波切割、超声波钻孔、超声波打磨等。2.2 超声波传感器定义传感器：一种能把特定信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的期间和装置6。超声传感器是利用超声波特性研制的传感器，可以
21、实现超声能和其他形式的能互相转化的一种器件。超声波传感器的形式有很多种，主要结构由压电晶片、吸收块、保护膜和引线等部件组成。日常生活中常用的有两大类:即电声型（压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器）与流体动力型（气体、液体）。压电晶体是一类十分有趣的晶体（水晶（-石英）就是一种有名的压电晶体），当外加力对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生极性不同的电荷，这种现象称为压电效应。超声波传感器的构成也主要是基于压电晶体的这个特性上的。当压电晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，会在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷我们称这种现象叫做内部极化现象。当外力去掉后，压电晶体又会恢复到不带电的状态；当
22、在压电晶体上施加和原来方向相反的外力时，电荷的极性也与之改变。反之如果在压电晶体的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。我们把根据压电效应和逆压电效应而做成的传感器称为为压电传感器。在本次设计中使用的超声波传感器采用的是双压电陶瓷晶片，这种超声传感器具有使用的压电材料较少、价格低廉等优点并且在气体和液体介质中尤其适用，这就为超声波倒车雷达提供了先决条件。在超声波超声波传感器上加交流电压时，利用压电效应就会产生大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的机械变形这时便会发射与电流同频率的超声波。反之如果有超声机械波作用在压
23、电陶瓷晶片上，也会使压电晶片产生与超声机械波一致的机械变形，使压电陶瓷晶片产生电信号5。超声波发生器内部结构如图2.2-1所示。发射超声波时要超声传感器有较高的灵敏度加在电极上面的交变电压的频率就必须与它的固有谐振频率一致。当所用压电材料不变时，其固有谐振频率只与压电陶瓷晶片的几何尺寸有关。利用这种方法可制成各种频率的超声传感器。电极压电晶片共振片图2.2-1 压电式超声波传感器结构图2.3 超声波传感器的特性2.3.1 超声波传感器的频率特性7图2.3.1-1是超声波发射传感器的频率特性曲线。可以看出超声发射传感器在f040KHz时产生的超声声压能级最高。所以，超声波发射传感器的激励交流电压
24、一定要为f0才能产生最强的机械波能量。同理，超声波接收传感器的频率特性也要在特定频率是才能最好的接收到超声波。超声波接收和发射传感器对频率很敏感，所以在频率选择上就必须把频率设定在最佳状态这样才能最好的接收和发送超声波。在电路设计时，要注意超声接收传感器的电路连接，尤其是电路中器件参数的选择。在接收头上会外接一个电阻R，这个电阻的大小决定输入到控制器中的交流电压频率特性。当R大时，频率特性尖锐但灵敏度高；当R小时，频率特性平滑但灵敏度低。我们在设计电路时，这个地方应折中考虑，使超声波的接收效果达到最好。发射灵敏度（db）图2.3.1-1 超声波频率特性2.3.2 指向特性在日常生活中人耳可感受
25、的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散周围均能听到声音。但对于超声波而言由于超声波具有很高的频率，所以方向性（方向性即束射性）就相对要强。实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，发出的超声波在各种媒质中传播时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，所以随着传播路程的增加，声波的强度会随之减弱。超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果，具有很强的指向性。本次设计的汽车倒车雷达主要就是要测出汽车与障碍物的距离，障碍物这一目标是非常明确的，所以我们用的声波需要很强的指向性，超声波是最好的选择。2.4超声波传感器应用超声波传感器主要是产生超声波和接收超声波信号，主要有两种类型，
26、即专用型和兼用型，专用型是把发射器和接收器制作在一起的。超声波的检测也主要有两种方式，即反射式和直射式。反射式是将发送的超声波通过被测物体反射后由探头接收，发射头和接收头位于被测物同一测；直射式是将发射头与接收头分别置于被测物体的两侧8。如图2.4-1。接收发送被测物体RXTXTXRX发送接收图2.4-1 反射式与直射式超声波检测此次设计中超声波的检测方式用的是用的反射式，让压电式超声波传感器在交流电的作用下产生同频率的超声波，发射出去时微处理器开始计时，遇到障碍物时因其具有很强的反射行，会反射回超声波，当接收探头收到超声波信号时，转化为电信号传送给微处理器，此时停止计时，从而测出发射超声波和
27、接收到回波的时间差t。根据超声波常温时在空气中传播的速度C=340m/s就可测得发射器与障碍物的距离L=C*t/2。超声波测距示意图如图2.4-2所示： L障碍物超声波发射器超声波接收器图2.4-2 超声波测距示意图3 各硬件组成单元方案设计3.1 发射和接收单元方案设计该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，通过各个单元模块单独作用通过单片机的整合构成整个单片机倒车雷达系统。通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用综合性能较好的AT89S51单片机。采用压电式超声换能器T40-16作为信号的发送和接收，具体收发电路如图附录一所
28、示。该电路为了符合本设计需要和实验室资源，采用了两级信号放大，增强了接收信号，简单实用。倒车雷达系统在当汽车的档位启动被启动，微处理器利用定时器的功能从开始发送超声波时开始定时，在收到反射的超声波时结束定时，从而记录下超声波在空气中传播的时间。经计算距离中断程序算出汽车与障碍物的距离，如果距离太近了，报警系统会通过蜂鸣器发出警示声音，从而提醒驾驶员安全驾驶。3.1.1 主要模块设计 发射电路发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。由单片机P1.1 口控制其脉冲产生电路产生40KHz 脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。因为脉冲变压
29、器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围所以应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。发射电路由电压为9V的直流电源提供电能，此外还有阻值分别为3.6千欧和360欧的电阻各一个，NPN型三极管和激励换能器T40-16也是各一个。发射电路工作原理：用单片机AT89S51编写一个产生40KHz方波的程序，通过P1.0这个I/O送到发射电路，经过三极管放大,驱动T40-16振动发射出超声波。其原理框图如图3.1.1-1所示。AT89c51单片机P1.0口发出脉冲通过放大器放大励磁换能器T40-16发射超声波图3.1.1-1流程框图 接收电路接收电路的主要任务是接收经过障碍物返回的超声波并向单片机发出中断以停
30、止计时。接收电路设计是影响超声波在空气中传播时间的测量的关键因素。在超声波接收器的设计上本次设计采用T40-16作为超声波的接收芯片。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路识别回波以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够识别的信号并向单片机发出中断信号停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，所以接收电路设置了滤波放大电路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。接收电路如框图3.1.1-2所示。接收器R4016AT89c51单片机超声波通过放大器放大图3.1.1-2 原理框图3.1
31、.2 发射接收电路中应考虑的问题9 超声波是通过压电晶体的振动产生的，但晶体的振动需要一段时间的过度才能稳定，其发射波形如图 3.1.2-1，在不稳定期虽能产生超声波，但灵敏度不高，为了提高灵敏度，我们应该在稳态时产生超声波，本次设计选择脉宽为 120s来消除测量“盲区”，即波形出于暂态的区域，其中包含 5 个调制的 44KHz 的方波信号。激励阶段暂态减幅震荡稳态图 3.1.2-1 发射波形 由于超声波传感器发出的是以声波形式在空气中传播所以在传播的过程中就必然会损失掉部分能量，传感器功能的实现主要取决于发射信号传输过程中的损耗的因素，就比如说声波在空气中损失、反射时的损失、环境噪声等。由于
32、接收的超声波信号很弱，所以在信号放大和滤波方面尤其重要。 信号接收状态是否良好关系到整个系统的准确性和安全性，所以必须考虑对接收信号有影响的各种因素，如超声波在空气介质中传输时回波等其他波的干扰，接收到的超声波产生的电信号是否足够大。为了解决这些问题，在电路中需要安装一个滤波器，它主要起两方面的作用，一是使输出的有用信号成分最强，二是使输出噪声成分尽可能的减小。但是任意的滤波器都行，必须选一个与之相匹配的。 接收电路中需要一个放大器，其作用是放大经障碍物反射回来的超声波信号，并且抑止干扰信号。运算放大器的工作原理如图3.1.2-2。运算放大器的主要技术参数:（a） 开环差模电压增益Au0：Au
33、0是指集成运放在无外加反馈情况下,并工作在线性区时的差模电压增益.用分贝表示则是20lgAu0.性能较好的集成运放的Au0可达140db以上。（b） 输入失调电压及其温漂：失调电压的大小主要反映了差分输入元件的失配；输入失调电压是随温度,电源电压或时间而变化的,通常将输入失调电压对温度的平均变化率称为输入电压温度漂移。（c） 输入失调电流及其温漂：在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流II0。输入失调电流温度漂移是指输入失调电压随温度变化的平均变化率。一般以mA/0C为单位。高质量的为每度几个皮安。（d） 输入偏置电流IIB：IIB是指常温下输入信号为零
34、时，两个输入端静态电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2 （4.2.1）IIB的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小，IIB越小，运算放大器的输入电阻越高，输入失调电流越小。（e） 差模输入电阻Rid：Rid是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般为几兆。（f） 输出电阻R0：运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻即为输出电阻。R0大小放映了运算放大器的负载能力。（g） 共模抑制比KcmRKcmR=Aud/Auc （4.2.2）用dB表示，即为20lg(Aud/Auc).（h） 最大差模输入电压UidM：UidM是指运算放大器同相端和反相端之间所能加的最
35、大电压。（i） 最大共模输入电压UicM：UicM是指运算放大器在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。 前置放大信号带通放大模拟开关程控放大输出控制端A1 A0图3.1.2-2 信号放大器原理图3.2 显示报警单元方案设计当超声波接收器接收到返回的超声波时将信号传送给单片机AT89s51，经过运算得出汽车与障碍物得距离，通过数码管显示出来，如果具体晓得一定范围蜂鸣器就会发出声音，以被驾驶员直接识别，从而避免安全事故发生。显示报警单元主要由显示电路和报警电路组成。3.2.1系统显示电路设计本设计的显示距离范围为8米，用四联共阳极数码管LED进行显示，即汽车与障碍物距离在0到8米内都能通过数码
36、管准确清晰的为驾驶员反映障碍物到保险杠的距离。从而使驾驶员能够将汽车停靠在相应的位置，显示电路图见附录一所示。3.2.2 系统报警电路设计系统报警电路由一个三极管、一个上拉电阻和一个蜂鸣器组成如图附录一所示。当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，通过接收器R40-16接收，并将其转换成相应的电信号，经过运算放大器放大后，将信号送给单片机AT89S51产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机计算相应的时间差，根据S=340*t/2这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示，如果距离小于0.5m，则单片机AT89S51便给P1.5口
37、一个信号，使得报警电路工作，实现显示报警功能7。3.3 单片机复位电路当给单片机上电那一瞬间，电压有在几微秒内（有的是几毫秒内）不是直接跳变到5V的而是一个直线上升的阶段，这时候，单片机不能正常工作，需要复位电路给它延时以等到电压稳定。单片机系统在启动运行时都需要复位，复位中央处理器CPU和内部其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。MCS-51单片机 有一个复位引脚RST，高电平有效。在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。负未有两种方式：上电复位和按钮复位，这里采用按钮复位，复位电路的设计图见附录一9。3.4 时钟
38、电路定时/计数器的核心是16位加法计数器，在图中用特殊功能寄存器TH0、TL0及TH1、TL1表示。TH0，TL0是定时计数器T0加法计数器的高8位和低8位，TH1和TL1是定时计数器T1加法计数器的高8位和低8位。方式寄存器TMOD用于设定定时计数器T0和T1的工作方式，控制寄存器TCON用于对定时/计数器启动。停止进行控制。当定时计数器用于计时时，激发计数器对内部机械周期Tcy计数。用于机械周期时间是定值，所以对Tcy的计数就是定时，如Tcy=1us，计数100，定时100us，这样就需要有一个晶振电路，晶振电路由两个30PF左右的电容和一个11.0592MHz的晶体振荡器组成。只是为方便
39、计算我们常取12MHZ，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高8。3.5 驱动电路怎么样才能让驾驶员知道车尾到后方障碍的准确距离呢？这还得用数字的方法显示出来，这样LED数码管就派上了用场，但是由于单片机的口线驱动能力太弱，要使数码管亮起来光靠单片机自带的电流是远远不够的所以就得加一个驱动电路来驱动数码这样才能让数码管清晰的显示出来，驱动电路如图附录一所示。3.6 硬件电路设计在做好了超声波发射和接收模块后与单片机相结合构成了整个倒车雷达系统设计，设计原理框图如图3.5-1所示由AT89s51作为系统的心脏，支配超声波发射器发射出超声波在发射超声波的同时开始计时，同时开始检测反射回来的超声波，当
40、检测到超声波时由放大整形电路对超声波进行过滤和放大，计算出超声波在整个过程中的传播时间并由此计算出汽车保险杠到障碍物的距离，将数据以十进制的形式发送给数码管进行显示，在小于安全距离时进行报警。 数码管晶振电路AT89S51放大电路放大电路超声波发射电路蜂鸣器报警放大整形电路超声波接收电路图3.5-1 硬件原理框图4 系统硬件及软件实现4.1 单片机硬件介绍4.1.1 单片机AT89S51介绍AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，芯片内集成了通用8位
41、中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：a.在存储器结构上，改单片机采用是将程序指令和数据存储分的哈佛结构，ROM和RAM是严格分开的，两者的访问方式不，使用的寻址方式也不同，通过不同的地址指针访问，这样单片机的存储器在操作时分为开执行，提高了CPU的运行效率。b.在芯片引脚上，虽然AT89S51只有40个引脚，但大部分都采用分时复用技术，一根引脚往往设计了两个或多个功能，每个引脚在当前工作状态是起的什么作用，要看指令和当前机器的状态。c.在指令系统上，采用面向控制系统的指令。因单
42、片机有很强的逻辑控制能力，所以可以满足众多领域的控制要求。为了提高运算速度，在单片机内部有个独立的位处理器，用于位计算。d. 程序的保密性大大加强：全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。e. 兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。向89S51也可以向下兼容1比如8051、89S51等早期MCS-51兼容产品。由于具有编程简单，系统稳定，易于实现，价格低廉等优点在控制领域得到了非常广泛的运用。 图4.1.1-1 AT89S51引脚图4.2 CX20106A超声波芯片介绍CX20106A是索尼公司生产的一款彩色电视专用红外遥控接收器。红外的
43、载波频率为38 kHz，这与超声波频率40 kHz较为接近，故用了这枚芯片。它采用单列8脚直插式封装，需要外部提供+5V的电源。其内部又前置放大电路、限幅放大电路、宽频带滤波电路、比较整形和滞后比较电路组成。CX20106A引脚如图4.2-1，引脚功能如表4.2-1。图4.2-1 CX20106A引脚图表4.2-1CX20106A引脚功能管脚1信号输入端，输入阻抗在40千欧左右管脚2增益调节端，与GND连接组成负反馈，调节电阻与电容参数可改变放大倍数管脚3检测端，与GND连接成为检波电容管脚4接地端管脚5带通滤波器调节端管脚6积分端，连接一个积分电容再接地管脚7信号输出端管脚8电源端4.3 探
44、头UCM介绍表4.3-1 超声波传感器特性参数型号UCMT40K1UCMR40K1结构开放式开放式发射距离810米810米使用方式发射接收谐振频率40KHZ1KHZ40KHZ1KHZ频带宽2KHZ0.5KHZ2KHZ0.5KHZ灵敏度70dB / V / ubar70dB / V / ubar外形尺寸16mm22.5mm16mm22.5mm温度范围20 + 60 20 + 60 相对湿度20 5时达98%20 5时达98%超声波传感器具有体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉等优点是现代生活、工业生产中必不可少的原件被广泛应用于各种遥控电路，测量电路中。4.4 系统软件结构4.4.1 软件功能在
45、系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，开始对各个组件进行融合首先是对系统进行初始化，由单片机产生固定频率作用到超声波发生器发射超声波同时开始计时，当超声波接收器接收到返回的超声波时，计算出超声波在整个过程中传播的时间，对时间进行处理，当处于安全距离时有显示电路显示出距离返回继续发射超声波，当测得的距离小于安全距离时由显示电路显示出距离并且由报警电路进行报警形成一个有机的整体超声波倒车雷达系统。根据所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能流程图如图4.4.1-1所示。NN开始单片机初始化发射超声波外部中断程序发射超声波返回Y有回波吗？三个方向是否发射完？计算距离显示报警图4.4
46、.1-1 主程序流程图 控制信号在编写程序时，我们需要考虑整个系统中所出现的各种信号，如发射脉冲信号、峰值采集信号、滤波信号、中断信号。当各个信号被送到中央处理器时，我们能及时处理，并把结果送到相应的部件上去。 存储数据通过对发射超声波和接收超声波之间的时间差要进行计算，然后存储以便在后来用在计算距离上，然后存储在 RAM 中，对数据进行分析处理，需要注意的是在发生超声波是需要对计数器清零，为下次存储新数据做准备。 处理信号单片机内存中记录的数据是传输时间，而不是距离，说以不能直接显示出来，学院经过S=V*T/2的换算。然后将数据处理由二进制转换为十进制，然后交由单片机软件处理得到的距离送显示输出，用七段 LED显示并进行报警。4.4.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序在进入到倒车程序时，系统启动并开始向车尾发射超声波同时开始计时，当发射出的超声波遇到障碍物时返回，当超声波接收器接收到返回的超声波时单片机进行一次中断由此来计算出超声波在整个传播过程中的时间并用这个时间来计算超声波在空气中传播的距离用这个距离除以2便是后保险杠距离障碍物的距离，并且将这个数据用LED显示出来让驾驶员知道。当距离小于安全距离时通过蜂鸣器进行报警。流程图如4.4.2-1所示。外部中断