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1、学 号天津城建大学单片机原理及应用A课程设计设计说明书汽车倒车测距仪的设计起止日期： 2015 年 01 月12 日至 2015 年 01 月 16 日学生姓名班级成绩指导教师(签字)控制与机械工程学院2015年 01月16 日天津城建大学课程设计任务书2014 2015 学年第 1 学期 控制与机械工程 学院 专业 班级课程设计名称： 单片机原理及应用A课程设计 设计题目： 汽车倒车测距仪的设计 完成期限：自 2015 年 01 月 12 日至 2015 年 01 月 16 日共 1 周设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：一、课程设计的目的1、进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理。2、
2、掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法。3、通过课程设计，掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法和技术。4、通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。5、通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发一单片机应用系统的全过程，为今后从事相应打下基础。二、课程设计的基本要求1、认真认识设计的意义，掌握设计工作程序，学会使用工具书和技术参考资料，并培养科学的设计思想和良好的设计作风。2、提高模型建立和设计能力，学会应用相关设计资料进行设计计算的方法。3、提高独立分析、解决问题的能力，逐步增强实际应用训练。4、课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表
3、达内容完整、清楚、规范。5、课程设计说明书封面格式要求见天津城建大学课程设计教学工作规范附表1。三、课程设计具体要求1、要求每位同学独立完成设计任务。2、原理图设计。 1）原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。 2）图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。 3）原理图要完整，CPU，外围器件，扩器接口，输入/输出装置要一应俱全。3、程序调计 1）根据要求，将总体项能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。 2）根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设直出完整的程序流程图。4、设计说明书 1）原理图设计说明简要说明设计目的，原理图中
4、所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程及顺序。 2）程序设计说明对程序设计总体功能及结构进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述。 3）画出工作原理图，程序流程图如并给出相应的程序清单。四、设计任务利用单片机AT89S51实现单片机在汽车倒车测距仪中的应用控制系统中的接口和编程设计，完成汽车倒车测距的准确性等相关功能。 五、参考资料1 陈明荧，8051单片机课程设计实训教材，清华大学出版社，2004年3月。 2 www.datasheets.org.uk/search.php?q=At89s5&sType=part&ExactDS=Starts3 http:/
5、 维普数据库：http:/211.81.31.53:808/index.asp5 超星电子图书数据库：http:/211.81.31.52:8080/6 CNKI数字图书馆镜像分站数据库http:/202.113.91.130:8080/指导教师（签字）： 系（教研室）主任（签字）： 批准日期：2015 年 1月 8 日目录一 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状1二、系统组成及工作原理22.1 整体电路框图2三主要硬件电路设计33.1 单片机控制电路设计33.2 超声波发生及接收电路设计43.2.1 超声波发射电路的设计53.2.2 超声波接收器63.3 LED显示及报警电路
6、设计73.4整体电路图8四软件设计部分84.1 主程序的设计8五结论10六 参考文献11七附录11一 绪论1.1 研究背景及意义 随着现代生活节奏的加快，交通事故发生的频率也在增加，汽车倒车提示系统也就应运而生。经过调查，绝大部分非职业汽车驾驶员都希望有一种能发现汽车尾部障碍物的“后视眼”。因此我们需设计一种经济实惠的汽车倒车测距仪，以解决驾驶员的“后顾之忧”。一个由单片机控制的汽车倒车测距仪就能满足这种需求。该测距仪将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，能测量并显示车辆后部障碍物离车辆的距离，同时用间歇“嘟嘟”声发出警报，“嘟嘟”声间隙随障碍物距离缩小而缩短
7、，驾驶员不但可以直接观察到显示的距离，还可以凭听觉判断车后障碍物离车辆的远近，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并可以帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。1.2 国内外研究现状 汽车倒车测距仪应该包含有总控制器、测距传感器、语音提示及图像显示部件等。各部件有机地结合起来，实现测距及提示功能。蜂鸣器提示是倒车测距仪系统的真正开始。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。之后液晶荧屏显示的出现是一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒挡，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以
8、及车辆周围障碍物的距离。动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。 现在比较先进的倒车测距仪应该算是魔幻镜倒车测距仪了，它结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。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污染显示等多项功能整合在一起，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，直接安装在车内倒视镜的位置。而且它颜色款式多样，可以按照个人需求和
9、车内装饰选配。 近年来由于电子技术的飞跃发展，使得相关技术日新月异，尤其是汽车电子产业的迅速发展，使得高度信息化、电子化的车辆研制有了基础。目前主流的汽车倒车测距仪都是以单片机为核心的智能测距传感系统。这种测距仪能够连续测距和显示障碍物距离，并采用间歇不同的鸣叫声进行报警和提示距离，以尽量不占用驾驶员的视觉。此外，汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的测距仪具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上去。其中由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、
10、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本设计主要对利用超声波测距来对汽车倒车应用的介绍，能测量并显示车辆后部距障碍物的距离，并能发出“嘟嘟”声报警。本设计针对超声波来测量距离，通过发射和接收到超声波的时间间隔来算出即时的车尾距障碍物的距离，该设计由单片计算机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路、数显电路构成。二、系统组成及工作原理2.1 整体电路框图 图1系统结构框图本设计主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控
11、制单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。三主要硬件电路设计3.1 单片机控制电路设计 本设计采用AT89S51作为系统控制器。它是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程，也可用传统方法进行编程。AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节
12、内部RAM，32个I/O口线，看门狗，2个数据指针，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，单片机振荡器及时钟电路。 图2最小系统图单片机最小系统是指能让单片机工作的最简单的电路，包括电源电路、振荡电路、复位电路如图2。对于其P0口，这组引脚共有8条，P0.7为最高位，P0.0为最低位。这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I /O口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。 第二种情况是8
13、051带片外存储器，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。与此类似，P1.7P1.0口作为I /O口使用时，P1.7P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入/输出数据。同理，P2口也有相似的功能。89S51有INT0和INT1两条外部中断请求输入线，用于输入两个外部中断的中断请求信号，并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式输入中断请求信号。89S51究竟工作于哪种工作中断触发方式，可由用户通过对定时器控制寄存器TCON中IT0和IT1位状态的设定来选取。89S51在每个机器周期的S5P2时对I
14、NT0/INT1线上的中断请求信号进行一次检测，检测方式和中断触发方式的选取有关。若89S51设定为电平触发方式（IT0=0或IT1=0），则CPU检测到INT0/INT1上低电平时就认定其中断请求有效；若设定为边沿触发方式（IT0=1或IT1=1），则CPU需要两次检测INT0/INT1线上的电平方能确定其中断请求是否有效，即前一次检测为高电平且后一次检测为低电平时INT0/INT1上的中断请求才有效。因此，89S51检测INT0/INT1上负边沿中断请求的时刻不一定恰好是其上中断请求信号发生负跳变的时刻，但两者之间最多不会相差一个机器周期时间。 3.2 超声波发生及接收电路设计超声波是一种
15、频率超过20KHz的机械波。它沿直线传播，方向性好，传播距离较远，在质中传播时在不同的分界面上会产生反射波。由于超声波具有以上特点，被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。利用超声波测量是一种有效的非接触式测距方法。3.2.1 超声波发射电路的设计 超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波探头）和超声波发生器两部分，电路如图3所示。系统中，超声波换能器的型号是CSB40T，它将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动并发射出去。 NE555D为8脚时基集成芯片。其时基电路封装形式有两种：一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。其他ha17555、lm555、c
16、a555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555D时基电路是一种使用极为广泛的集成电路.根据外接电路的不同，可作波形发生器，产生方波、锯齿波、窄脉冲等，也可作单稳双稳电路、定时器、比较器等。其时基集成电路的引脚功能如下： 1是地线，2是触发，3是输出电平，4是复位，5是控制电压，6是阀值电压，7是放电，8是电源(VDD)11。 超声波发生器实质上是一个由555 电路组成的多谐振荡器，由于在07脚与06、08脚间跨接了电阻电容，因此其振荡频率可按公式 f1.44/(R2+2R3)C1)来计算，通过R3调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致。本电路中，C1其数值为
17、3300pF，R2数值为1k。按公式计算，其最低频率为39.7KHz，最高频率为436KHz。由超声波振荡器产生的超声波电脉冲，通过压电型超声换能器（相当于一只扬声器）将电脉冲转换为机械波向外界发射。当接通电源后，换挡脉冲振荡器不停地发出换挡脉冲，因此只要不断开电源，电路就不停地自动循环工作下去。图3 超声波发射器工作时，单片机通过P1.0口向超声波发生电路发出复位信号，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。3.2.2 超声波接收器 由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱，所以在设计超声波接收电路
18、时，要有较大的放大倍数；为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。超声波接收电路使用集成电路CX20106A，可用完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能。 其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载；其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外拉电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。
19、 图4超声波接收器工作时，换能器CSB40R将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，送给CX20106A的输入端1，当CX20106A接收到信号时，7脚就会输出一个低电平，可用于单片机的中断信号源。当单片机接收到中断信号时，说明检测到了反射回来的超声波。单片机就进入中断处理程序，开始进行距离计算，分析计算结果后控制LED和蜂鸣器的工作。3.3 LED显示及报警电路设计 LED是发光二极管的缩写。LED数码管里面有8只发光二极管，分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp为小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚上，而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端（
20、COM），如图5所示，市面上常用的LED数码管有两种，分为共阳极与共阴极。共阳极：当数码管里面的发光二极的阳极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源正极。当发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示。而输入高电平的段则不能点亮。相反，共阴极：当数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源负极。当发光二极管的阳极接高电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示，而输入低电平的段则不能点亮。 图5 共阳极二极管 图6 共阴极二极管在单片机应用电路中，最实用的LED数码管显示方法是“动态扫描”。即就是所要工作的若干个数码管轮流显示，只要
21、轮流显示的速度足够快，每秒约50次以上，由于人眼的“视觉暂留”特性，看起来就像是连续显示，这样称为动态扫描。这种显示方式在数码管应用系统中应用得最为广泛，这也是我在本设计中的显示方法。3.4整体电路图 图7整体电路图四软件设计部分本系统的主要功能为发送超声波、对回波进行检测、计算测量距离、显示测量距离等。软件包括主程序、超声波发射子程序、INT0中断服务程序、定时器T0溢出中断程序四个主要模块组成。4.1 主程序的设计 主程序对系统环境初始化后，首先置位回波接收标志和由单片机P1.0口输出一个低电平以启动超声波发射电路，同时启动定时器T0。然后调用计算距离子程序，根据定时器T0记录的时间计算出
22、待测距离。接着调用显示子程序，将测出距离以十进制BCD码方式送LED显示，同时也调用声音处理程序，控制蜂鸣器的发声。最后主程序通过回波信号的接收；若标志位清零，说明接收到回波信号，则主程序返回到起始端重新置位回波接收标志位和在P1.0上发送低电平，如此往下运行，循环往复。系统主程序流程图如下图所示：图8 系统主程序流程图在系统初使化的过程中，主要是设定定时器同时还要打开总中断等。当P1.0发出一个时长为20us的低电平，便可启动超声波发生器产生40KHz超声波，同时打开定时器进行计时。当超声波接收到回波信号后，会产生一个低电平给INT0，之后进入中断处理程序。在主程序中又会恢复定时器的初值等，
23、依此进行循环。4.2 中断处理程序设计INT0中断服务程序负责计算车尾距障碍物的距离，其程序流程图下图所示。 图9外部中断程序流程图 图10定时中断程序流程图在中断处理程序中，主要是进行距离的计算。首先是从定时器0里得到超声波传播的时间，再运用公式计算得出障碍物离车尾的距离，之后将距离值传递到其他模块进行处理。五结论通过这次课程设计，我的心中有了不少的感慨，也使我学到了很多课本上学不到东西，同时对我所学的东西得到进一步的巩固和提高。随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界不可缺少的一部分，也是当今科学领域中非常活跃的一部分，在生活中可以说得是无处不在。这次课程设计为汽车倒车测距仪。
24、我认为课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说在设计电路时各种元器件的选择和资料的搜查不是很熟练，同时对平时所学的知识掌
25、握的还不够牢固通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。六 参考文献1 陈明荧，8051单片机课程设计实训教材，清华大学出版社，2004年3月2 维普数据库：http:/211.81.31.53:808/index.asp3 超星电子图书数据库：http:/211.81.31.52:8080/4 CNKI数字图书馆镜像分站数据库http:/202.113.91.130:8080/5 徐爱钧，单片机原理与应用 ，机械工业出版社6www.datasheets.org.uk/search.php?q=At89s5&sType=part&ExactDS=Stars7 http:/ 0000
26、H LIMP MAIN ；复位转主程序 ORG 0003HLIMP IHTO ；中断ORG 001BHLJMP IT1 ;T1中断ORG 0100HNAZH:MOV SP ,#60H ;置堆栈指针 MOV P1 ,#0FFH ;停显示CLR P1.0 ;不发射SET P1.1 ;灯亮SET P2.0 ;发嘟声MOV 40H , #7EH ;显示子符号“-”显示单元MOV 41H ,#7EHMOV 42H ,#7EHMOV 32H ,#160 ;显示循环数LACALLDIR ;调用显示程序MOV IP ,#000000001B ;置为高优先级MOV TMOD ,#0010001B ;置T0，T1
27、定时器方式1MOV TH1 ,#9EH; 置T1时间常数25Ms,用于控制嘟声音方波脉宽MOV TL1 ,#58HSETB TR1 ;T1运行MOV IE ,#10001001B;T1开中MOV 20H,#00H ;各标志位清零MOV 21H ,#00HMOV 22H,#00HMOV 23H,#00HMOV 44H,#FFH ;置嘟声音方波初值6.375msMOV 45H,#04H ;置闪烁间隙时间=0.1sMOV R2,#04H ;置信号计数器初值MOV R3,#04H ;置连续无回波信号计数器初值TLOOP:MOV THO,#00H ;T0值清零MOV TLO ,#00HSETB P1.0 ;开始发射40KHz超声波SETB TR0 ;启动T0，开始计时LCALLDELAY ;延时1ms，即发射1msCLR P1.0 ;停发射MOV 32H,#20 ;置显示循环邮LXALLDLR ;显示60msLCALLWORK ;信息与数据处理SJMO TLOOP ;循环 INT0中断服务子程序：INT0 :CLR TR0 ;T0停 SETRO1H ;置有回波标志 RET112