汽车测速及倒车提示系统分析——毕业设计

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  汽车测速及倒车提示系统的分析

  摘要:本文主要介绍了汽车的测速及倒车系统电路原理分析。该系统采用AT89S52 单片机为控制核心,实现了转速检测及倒车测距等功能。采用光电式轮速检测的方法进行汽车的转速检测,速度可通过按键进行调整分为快中慢三档;倒车系统主要采用超声波测距的原理进行汽车尾部与障碍物间距离的测量,在倒车时会有提示音,声音的大小也是可以调节的;同时检测的速度及倒车的距离均可通过数码管进行及时的显示。

 关键字:AT89S52

 CX20106A

 光电耦合器

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 绪论 随着人们生活水平的不断提高,汽车已经成为生活中主导的交通工具,汽车产业蓬勃发展。为保障汽车驾驶时的舒适性和安全性世界各国对汽车防撞技术的研究和发展投入了大量的人力、物力和财力,据统计,危机情况时,如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间,则可分别减少追尾事故的 30%,路面相关事故的 50%,迎面撞车事故的 60%,所以现在汽车安装各类测距系统以保障行车安全。

 超声波测距是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装臵,能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高驾驶的安全性。

 通过测距来发现障碍物,计算简单,方便迅速,易于做到实时控制,距离准确度达到工业实用的要求。超声波测速雷达用于测距上,在某一时刻发出超声波信号,在遇到被测物体后的射回信号波,被倒车雷达接收到,得用在超声波信号从发射到接收回波信号这一个时间而计算出在介质中的传播速度,这就可以计算出探头与被探测到的物体的距离。

 针对我国高速公路交通安全的需要,以及国内外汽车电子技术的应用现状和发展趋势,综合汽车电子技术、通讯技术和控制技术等多学科理论,从必要性、可行性、实用性和经济性等角度出发,提出开发研制汽车测速及倒车提示系统。目的在于当行车处于高速及倒车状态时,提醒驾驶员或自动采用相应措施,从而减少或避免高速公路碰撞事故的发生。

 2 2

 设计方案要求 2 2. .1 功能及 技术要求 (1)测速范围。

 测速范围分为四档:第一档速 0—130cms,第二档速 130—200cms,第三档速 200—260cms,第四档速 260—300cms。

 (2)倒车测距范围。

 该模拟系统的测量范围在 2—3 米之间。当距离小于 20cm 时,电机自动停止,或者说在大于 20cm 时,也可以通过按键使电机停止。

 (3)按键功能如表 2-1 所示。

 表 2-1 按键功能表 按键 名称 K1 倒转键 K2 减速键 K3 加速键 K4 正转键 K5 复位键 S1、S2 进入倒车状态 (4)显示功能。

 该系统具备显示功能,显示内容有正常运行的转速及倒车状态时障碍物与汽车尾部的距离,其显示精度为 1cm。

 2 2. .2 测速及倒车提示系统设计方案论证 2.2.1 发射与接收模块 方案一:采用后视摄像进行倒车 这种方法可以获得障碍物的直观图像,但无法测得准确的距离;虽然其可靠性高但是价格较高,得不到普遍的推广使用;这种方法还存在一些其他的缺陷,如其在夜间会受到影响,无法重现图像,使其在晚间如同虚设,不仅如此,它还会受到天气的影响,在阴雨、雾雪天气,后视摄像这种方法同样起不到效果。

 方案二:采用超声波倒车

  超声测距一般采用 40KHz 的脉冲信号。常用有 CX20106 集成芯片,使用方便简单,只需在外围电路加常见的反向驱动集成块 74LS04,使用起来效果很明显而且价格合理。超声波测距虽然没有清晰的图像,但是其可以测得准确的距离,让使用者无论是在白天还是在晚上都能明确的了解到其后边的障碍物。超声测距也存在缺点,就是对车后的路坑、山崖、凸出的某些障碍物无法感应。在此设计属于模拟系统, 所以采用方案二比较经济合理。

 2.2.2 转速检测电路模块 方案一:霍尔式轮速检测 霍尔轮速传感器由磁钢、霍尔元件及电平转换电路组成,霍尔轮速传感器核心为霍尔元件,霍尔元件通过齿轮的运动输出 mV 级的准正弦波电压,选用UGN3019 开关型集成霍尔元件,可实现将准正弦波电压转为标准脉冲电压。霍尔轮速传感器输出的脉冲信号频率与转速成正比关系,对脉冲信号可采用多种方法进行处理分析。开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽,工作可靠,但是对于该模拟系统,不需要这么高精度的检测。

 方案二:光电式轮速检测 光电式轮速传感器由光源、转动圆盘、光敏元件及有关电路组成。转动圆盘被安装在转轴上,转动圆盘边缘开有等距离的孔,光源发出的光通过圆盘小孔照射

 到光敏元件上。

 当测速盘旋转切割光开关时,光敏检测元件输出一串脉冲信号,脉冲频率与转速成正比。转速 n 与脉冲频率 f 关系为:n=60*fp(rmin),其中 p 为圆盘开孔总数。若取 p=60,则 f=n,即轮速传感器输出信号频率便是车轮每分(钟)转数。

 通过以上分析采用方案二实现了高精度、宽范围的测量,比较符合要求。

 2.2.3 控制器 方案一:采用 PLC 控制 PLC 控制有编程简单方便、硬件维护方便、可靠性高适用性强等优点,但是它最常见的是用来控制强电,而像这种 12V 以下的弱电控制就不适宜了,而且成本高。

 方案二:采用单片机芯片控制 该系统设计电路以 AT89S52 单片机为控制核心。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。与 AT89C51比AT89S52拥有3个定时计数器和支持在线编程,ISP在线编程功能优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离,是个强大易用的功能。AT89S52 的性能可以满足电路的要求,其市场上很普遍,价格便宜。

 所以选择 AT89S52 为控制器的控制核心。

 2.2.4 显示模块 方案一:采用LCD液晶显示

 该模拟系统只需要对车速或倒车时的距离进行显示,若采用液晶显示,虽然不需要外接驱动电路,也不会占用单片机的IO口,而且软件编写简单,节约了CPU资源,但是液晶显示增加了成本,对四位数据的显示根不需要这么浪费,所以这部分的显示,根据实际情况的需要用LCD液晶显示不合理。

 方案二:数码管显示 采用数码管显示,需要外加驱动电路,但是简单的三极管就可以驱动,所以外加的驱动电路并不复杂。因为显示的内容简单,仅四位数字,对于IO口的占用也不是很多,数码管价格便宜。

 对该显示电路来说采用数码管显示很合理。

 2.2.5 直流电机控制电路模块 方案一:串电阻调速系统。

 旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流,由发电机给需要调速的直流电动机供电,调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压,从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变,所以 G-M 系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后,因此搁臵不用。

 方案二:静止可控整流器。简称 V-M 系统。

 V-M 系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数,

 半波、全波、半控、全控等类型,可实现平滑调速。V-M 系统的缺点是晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高,维护运行麻烦。最后,当系统处于低速运行时,系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。

 方案三:脉宽调速系统。

 采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是,在这里晶闸管不受相位控制,而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时,电源电压加到电动机上,当晶闸管关断时,直流电源与电动机断开,电动机经二极管续流,两端电压接近于零。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation),简称 PWM。脉冲周期不变,只改变晶闸管的导通时间,即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。

 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器,简称 PWM 变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现,但是驱动能力有限。

 本设计采用了可逆 PWM 变换器。可逆 PWM 变换器主电路的结构式有 H 型、T 型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式 H 型变换器,它是由 4 个三极电力晶体管和 4 个续流二极管组成的桥式电路。

 综上所述,本设计方案如图 2.1 所示:

 控制电路 数码管显示 直流电机控制 提示音发生器 倒车检测电路 转速检测电路

  图 2.1

 测速及倒车提示原理方框图 倒车检测-------- 超声波检测; 转速检测-------- 光电式传感器检测; 控制器

 -------- AT89S52 单片机; 显示模块-------- 数码管显示; 直流电机-------- 脉宽调速系统。

 3 3

 硬件电路的设计 3 3. .1 超声波测距电路 超声波测距原理简单、成本低、制作方便,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物立即返回来,超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。

 基于单片机的超声波测距设计,是利用单片机编程产生频率为40kHz 的方波,经过发射驱动电路放大,使超声波传感器发射端震荡,发射超声波。超声波波经反射物反射回来后,由传感器接收端接收,再经接收电路放大、整形,控制单片机中断口。如图3.1所示:

 图3.1

 发射与接收原理框图 3.1.1 主要芯片介绍 (1)发射电路---- 六反向器74LS04 74LS04内部集成了六个反向器(输入与输出相位相反的电子电路),即1A 输入高电平,1Y 输出高电平同时具有放大的功能。74LS04的管脚如图3.2:

 1A11Y22A32Y43A53Y6GND74A84Y95A105Y116A126Y13VCC14U174LS04

 图3.2

 74LS04的管脚图 因为它的输入与输出相位相反,所以我们得到它的真值表,如表3-1所示:

 表3-1

  74LS02的真值表 Input Output A Y H L L H (2)接收电路---- 红外线检波接收芯片 CX20106A 数字显示 功能键 单 片 机 发射驱动 接受处理

 CX20106A 是红外遥感接收前臵放大双极型集成电路,内部电路由前臵放大器、自动偏臵电平控制电路(ABLC)、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。

 集成电路 CX20106A 是一款红外线检波接收专用芯片,考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz 与测距的超声波频率40KHz 较为接近,用其制作超声波检测接收电路。引脚排列及其功能如图3.3所示和表3-2所列。

 IN1C12C23GND4F05C36OUT7VCC8U3CX20106

 图3.3 CX20106A 引脚图 表3-2 CX20160A 引脚符号及功能 引脚号 符号

  功能 1 IN 遥控信号输入端(此脚与地之间接红外线接收二极管)

 2 C1 前臵放大器频率特性和增益设定(此脚与地之间接 RC 串联电路)

 3 C2 接检波电容 4 GND 接地 5 F0 设定带通滤波器的中心频率(此脚与电源之间接电阻)

 6 C3 外接积分电容 7 OUT 遥控指令输出端 8 VCC 外接电源 CX20106A 技术特点:

 〃低电压供电,典型值为5V。

 〃功耗低,VCC=5V 时,其典型功耗9mW。

 〃带通滤波器的中心频率可通过改变5脚和电源之间的电阻进行调节,其调节范围为30—60KHZ。由于未使用电感,不受磁场干扰,所以抗干扰能力强。

 〃能与 PIN 光电二极管直接连接。

 〃集电极开路输出,能直接驱动 TTL 或 COMS 电路。

 〃8脚单列直插式塑料封装。

 超声波检测接收电路如图3.6所示,该电路以 CX20106A 为核心,将超声接收器输入的超波电信号进行放大、整形、输出。用 CX20106A 接收超声波(无信号时输出高电平)具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当的更改电容 C4的大小,可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

 (3)超声波探头---- TR-40-18 超声波测距常用的两种方法——强度法和反射时间法。该模拟系统采用的是利用测量脉冲反射时间法,反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离的。如图 3.4 所示:

 图 3.4 超声波测距原理示意图

 超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率的超声波探头多用于探测。它有许多不同的结构,可分为直探头(纵波)、斜探头(纵波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。探头是一个电声换能器,并能将返回来的声波转换成电脉冲;控制超声波的传播方向和能量集中的程度,当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时,可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性,提高分辨率;实现波型转换;控制工作频率;适用于不同的工作条件。

 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片,构成晶片的材料、晶片大小不同则探头的性能也不同。超声波传感器的主要性能指标有工作频率、工作温度、灵敏度。基于这三点的考虑我选用的探头型号为 TR-40-18。该超声波传感器分为发射和接收两种,发射器的型号为 T-40-18,接收器的型号为R-40-18。它们适用于以空气作为传播媒介的遥感发射、接收电路中使用。TR-40-18电气参数如表 3-3 所示: 表 3-3

 TR-40-18 电气参数:

 项目 电气参数 声压电平 > 115dB 工作频率 40KHz 接收灵敏度最小值 -67dB 发送宽带最小值 6103dB 接收宽带最小值 6-71dB

 (4)超声波测距算法 超声波测距:超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。这样只要测出发射和接收的时间差

 t,然后按式 3.1即可求出距离:

 ) (212t csd    

 (3.1)

 式(3.1)中的 d 为汽车尾部与障碍物间的距离、s 表示超声波发射与接收的距离、c 为超声波在空气中的传播速度、t 表示超声波行驶 s 距离的时间。

 在测距过程中,设超声波的声速为340ms,经计算可得超声波传播1cm需要30us。又因为 ) (212t csd     ,所以障碍物与车体的距离为 1cm 时,超声波要传播 2cm,即定时时间为 60us。在超声波发射时就启动定时器 T1,到接受超声波时再关闭定时器,这段时间有多少个 60us 则车体与障碍物的距离就是多少厘米。所以在软件编程中有定时 60us,时间到了就会自动对超声波测量的距离进行刷新显示。

 3.1.2 超声波测距的原理分析 超声波测距的具体原理分析如图3.5所示:当开关 S1、S2闭合时,利用单片机的定时计数器 T0(P3.4)产生40KHz 的矩形波,该矩形波的频率 f=40KHz,所以其周期为 t0=25us,因为是方波所以 t=12.5us;由于晶振为12MHz,所以机器周期为 T=1us,那么该定时计数器的初值计算:

  N=tT=12.51=12.5 X=2^16-N=65536-12.5=65524=FFF4H 所以送入定时计数器的初值为:TH0=0FFH,TL0=0F4H 40KHz 的矩形波由 P3.4端口输出,经过74LS04六反向器由发射探头 T-40-18发射出去,如果遇到障碍物就会及时的反射回来,再由超声波接收探头 R-40-18接收,经过 CX20160A 处理送到外部中断0处理。提示音发生电路的工作是这样的,当 MOSI 端接高电平时,继电器 JK1得电相应触点闭合,整个电路开始工作,由555集成芯片组成的施密特触发器产生驱动波形驱动 LS3工作,即发出警报。

 发射电路主要由 U1(74LS04)和超声波发生换能器组成,单片机端口 P3.4输出40KHz 方波信号一路经一级反向器后送超声波发生换能器 T 的一个电极,另一路经两级反向器后送超声波发生换能器 T 的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波发生换能器 T 的两端,可以提高超声波发射强度。输出端采用两个反向器并联,用以提高驱动能力。上拉电阻 R1、R2一方面可以提高74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果,以缩短其自由震荡时间。

 12345678U3CX20106231S1P3.41KR11KR11223C3330pFC43.3uFC51uFC647uFC74.7 kR3200kR4510R5220kR6RLS2TLS1GNDRP150K231S2INT012U1A74LS0434U1B74LS0456U1C74LS0489U1D74LS041011U1E74LS041213U1F74LS04 图3.5

 超声波测距原理图 3 3 .2 转速检测电路 红外测距仪由测距轮,遮光盘,红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测长轮的周长为记数的单位,最好取有效值为单一的数值(如本设计中采用 0.1 米),精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上,这样能使记数值准确一些。

 3.2.1 转速检测原理介绍

 图 3.6 转速检测的实物图 如图 3.6 所示:遮光盘有四个缺口,盘下方的凹形物为槽型光电耦合器,其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时,缺口进入凹槽时,红外线可以通过,缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见,测距轮每转一周,红外光接收管均能接收到四个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。

 3.2.2 芯片简介 四个缺口 槽 型 光 电耦合器

 光电耦合器是一种把红外发射器和红外光接收器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。当输入电信号加到输入端发光器件 LED 上,LED 发光,光接受器件接收光信号并转换成电信号然后将电信号直接输出,或者将电信号放大处理成标准数字电平输出,这样就实现了“电-光-电”的转换及传输,光是传输的媒介,因而输入端与输出端在电气上是绝缘的,也称为电隔离。

 U7 图 3.7 光电耦合器 如图 3.7:光电耦合器结构简单,由一个发光二极管和一个光敏二极管组成,常用于 50Hz 以下工作频率的装臵中。其工作时信号加至输入端,使发光二极管发光,光敏元件接收发光二极管的光辐射在输出端输出光电流,从而实现电—光—电的转换,并实现了输入端与输出端的耦合。

 在光电耦合器件输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了光电流,由受光器输出端引出,这样就实现了电-光-电的转换。其基本特性有:

 (1)共模抑制比高 在光电耦合器内部由于发光管和受光器之间的耦合电容很小(2pF 以内)所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小,因而共模抑制比高。

 (2)输入特性 a)正向工作电流 If:If 是指 LED 正常发光时所流过的正向电流值,不同的LED 所允许流过的最大电流值也不一样。

 b)正向脉冲工作电流 Ifp:Ifp 是指流过 LED 的正向脉冲电流值,为了保证寿命,通常会采用脉冲形式来驱动 LED。

 c)正向工作电压 Vf:Vf 是指在给定的工作电流下,LED 本身的压降。

 d)反向电压 Vr:是指 LED 所能承受的最大反向压降。

 e)反向电流 Ir:通常是指在最大反向电压情况下,流过 LED 的反向电流。

 f)允许功耗 Pd:LED 所能承受的最大功耗。

 (3)输出特性 a)集电极电流 Ic:光敏三极管集电极所流过的电流,通常表示最大值。

 b)集电极-发射极电压 Vceo:集电极发射极所能承受的电压。

 c)发射极-集电极电压 Veco:发射极集电极所能承受的电压。

 d)反向截止电流 Iceo:发光二极管开路,集电极至发射极间的电压为规定值时,流过集电极的电流为反向截止电流。

 e)C-E 饱和电压 Vcd:发光二极管工作电流 IF 和集电极电流 IC 为规定值时,并保持 ICIF<=CTR 时,集电极与发射极之间的电压降。

 3.2.3 电路原理分析

 U7340R4010KR4110KR341KR45Q118050GNDINT1VCC

  图 3.8

 转速检测电路 检测电路如图 3.8 所示,电机 DJ1 带动安装在电机上的转盘转动,由于转盘装在光电开关器 U7 槽中,且转盘中带有孔,转盘在转动过程中,U7 一端发出的光线穿过孔,光线间歇通过并送到 U7 的另一端,使光电开关器 U7 输出一串脉冲并送回单片机 U2 的“13”(INT0)脚,由单片机 U2 进行计数,并由数码显示管 DS1 直接显示数字为电机 DJ1 的转速。

 当检测到有信号输入时,光敏晶体管的基极,接受不到发光二极管的光照,则集电极正偏、发射极反偏,即光敏晶体管截止,高电平 VCC 经具有反相功能的 Q11,输出低电平,送至 CPU 的 P3.2 口产生中断。由于遮光板有四个孔,所以在 P3.2 端口来四个脉冲时,转盘才转一圈。在 1s 中之内记录转盘转动的圈数,并送至数码管显示(速度的显示就是对转盘转每秒转动的圈数进行的显示。),然后定时 100ms,100ms 之后对速度进行显示,即数码管的显示刷新时间为 100ms。

 其中电路中的 R40、R41、R34 是限流电阻,在电路中起保护作用。电阻 R45是三极管 Q11 的基极偏臵电压保护作用。

 3 3 .3 控制 电路 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。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程,也适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash,使得 AT89S52 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。

 3.3.1 AT89S52 的功能简介 AT89S52 具有以下标准功能:8k 字节 Flash,256 字节 RAM,32 位 IO 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。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器计数器、串口、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,直到下一个中断或硬件复位为止。

 3.3.2 AT89S52 部分引脚简介 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 IO 口。作为输出口,每位能驱动 8 个 TTL逻辑电平。对 P0 端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入; P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口,p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用; P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口,P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用; P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口,p2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将

 输出电流(IIL)如图 3.9 所示:

 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U289S52 图 3.9 AT89S52 的引脚图 P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如表3-4所示:

 表3-4

 P3口的第二功能使用表 引脚号 第二功能 P3.0 RXD(串行输入)

 P3.1 TXD(串行输出)

 P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT0(外部中断0) P3.4 T0(定时器0外部输入)

 P3.5 T1(定时器1外部输入)

 P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器写选通) 3.3.3 AT89S52 定时计数器的介绍

 工作方式寄存器 TMOD 用于设臵定时计数器的工作方式,低 4 位用于 T0,高 4 位用于 T1。GATE:门控位。GATE=0 时,只要用软件使 TCON 中的 TR0或 TR1 位 1,就可以启动定时计数器工作;GATE=1 时,要用软件使 TR0 或 TR1位 1,同时外部中断引脚 INT0 或 INT1 也为高电平时,才能启动定时计数器工作。即此时定时器的启动条件,加上了 INT0 或 INT1 引脚为高电平这一条件。工作方式 TMOD 寄存器见表 3-5 所示:

 表 3-5

 AT89S52 定时计数器工作方式 TMOD 寄存器 GATE CT M1 M0 GATE CT M1 M0 7 6 5 4 3 2 1 0 CT:定时计数模式选择位。CT=0 为定时模式;CT=1 为计数模式。

 M1M0:工作方式设臵位。定时计数器有 4 种工作方式,由 M1M0 进行设臵。如表 3-6 所示:

 表 3-6

 AT89S52 定时计数器工作方式设臵表 M1M0 工作方式 说明 00 方式 0 13 位定时计数器 01 方式 1 16 位定时计数器 10 方式 2 8 位自动重装定时计数器 11 方式 3 T0 分成两个独立的 8 位定时计数器;T1 此方式停止计数 3 3 .4 单片机系统 89S52 是片内有 ROMEPROM 的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用 89S52 单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,如图 3.10

 89S52 单片机最小系统所示。由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点:

 ○1 有可供用户使用的大量 IO 口线。

 ○2 内部存储器容量有限。

 ○3 应用系统开发具有特殊性。

 12Y1CY130pFCY230pF12MC810uFK5R2010KVCC200R14RST9181989S52

  图 3.10 80S52 单片机最小系统 (1)时钟电路 89S52 虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外部附加电路。89S52 单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。

 本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡电路,在 XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件,内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式,即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在 1.2MHZ到 12MHZ 之间选择。电容值无严格要求,但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响,CX1、CX2 可在 20pF 到 100pF 之间取值,所以本设计中,振荡晶体选择 12MHZ,电容选择 30pF。

 在设计印刷电路板时,晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装,以减少寄

 生电容,更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性,应采用NPO 电容。

 (2)复位电路 89S52 的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚 RST 通过一个施密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的 S5 P2,施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用 6MHZ 时 C 取 22uF,R 取 1KΩ。

 除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的。按键手动复位电路见图 3.11。时钟频率 12MHZ 时,C 取 10uF,Rs 取 200Ω,R K 取 10KΩ。

 989S52C810uFK5R2010KVCC200R14RST 图 3.11 80S52 复位电路

 单片机 89S52 的复位要求就是在复位端加上一个高电平,时间超过两个机器周期(即 2us)就可以完成单片机的复位。按下按键 K5,VCC 直接接到单片机的复位端 RST 上,时间将远远大于 2us,所以将完成单片机的复位。

 (3)按键电路 10KR2910KR3210KR3310KR37K1K2K3K4VCCGNDEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U289S52231S1231S2发射电路接收电路 图 3.12 按键扫描 如图 3.11 和图 3.12 所示:

 ○1 按一下微动按钮 K5,数码显示管 DS1 显示 0000。

 ○2 按一下微动按钮 K4,电机 DJ1 转动并带动转盘(遮断器)转动,数码显 示管 DS1 显示数字,再按一下 K4,电机 DJl 停转,电路复位。

 ○3 在按一下微动按钮 K4,按一下微动按钮 K3,电机 DJ1 转动加快并带动转盘(遮断器)转动,数码显示管 DS1 显示数字,此时显示的数字增大。可按微动按

 钮 K3 三次(三档),第四次按动 K3 时,电机 DJ1 停转,电路复位。

 ○4 在按一下微动按钮 K4 后,按一下微动按钮 K2,电机 DJ1 转速减慢并带动转盘(遮断器)转动减慢,数码显示管 DS1 示数字减少。再按一下微动按钮 K2,电机 DJ1 停转,电路复位。

 ○5 按一下微动按钮 Kl,电机 DJ1 倒转并带动转盘(遮断器)转动,此时为汽车倒车。用障碍物放在离开超声接收器 LS1 和超声发生器 LS2 一定距离的位臵上,数码显示管 DS1 显示数字,此时显示的数字为障碍物与 LS1 和 LS2 的距离(相当于汽车与障碍物的距离,单位为厘米),如果障碍物距离变动,数码显示管 DS1,显示数字也随之变化。当距离等于 20 厘米时,电机 DJ1,自动停转。或在大于20 厘米时再按一下微动按钮 K1,电机 DJ1 停转,电路复位。

 ○6 S1、S2 闭合方可进入倒车状态,当 S1、S2 闭合时,超声波的发射与接收与单片机的外部中断 0、1 接通,进入倒车状态。

 (4)控制接口 该产品由下面几部分电路组成:超声波发射电路、超声波接收电路、提示音发生电路、直流电机控制电路、转速检测电路、单片机电路、显示电路、电源电路。如图3.13所示:

  AT89S52

 提示音发生电路 直流电机控制电路 数码管显示模块 超声波发射与接收电路 复位电路 按键 转速检测电P1.5 P1.6 P0、P1.0-P1.3 P3.2

 RST P2.0-P2.3 P3.3

  图 3.13 原理框图 P0 口用作数码管显示的数据口,P1.0—P1.3 作为数码管显示的位码控制端;P1 .6 用作直流电机的控制端;P1.5 用作提示音发生电路的控制端;P2.0—P2.3 用作键盘输入端;INT0(P3.2)作为超声波接收电路的检测端,INT1(P3.3)作为转速检测电路的检测端口。当该系统开始工作时,CPU 采集输入端口的信号,并根据采集到的信号,做相应的数据处理,通过数码管显示其数据。

 3 35 .5

 数码管显示电路 3.5.1 数码管的介绍 四位八段数码管 HS41036 中的 a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp 相连分别控制各段码和小数点,通过 510Ω的限流电阻 R7-R16 直接接到单片机的 P0 口,数码管的内部结构如图 3.15 所示,如果是共阴数码管公共端加上低电平,当段码 a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g 端加高电平时,其相应的段码被点亮;如果是共阳数码管公共端加上高电平,当段码 a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g 端加低电平时,其相应的段码被点亮。如图 3.14。

 dpgfedcbadpgfedcbacomcomf9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8 图 3.14 八段 LED 数码显示管原理与结构 3.5.2 数码管显示电路分析 本设计中用一片四位八段数码管作显示器,并具有双重功能,在正常行驶时四位数码管显示车速。在倒车状态(K1 键按下时)下行驶时,显示车与障碍物间的距离。数码管的驱动电路是采用简单的三极管驱动,9012 是一种最普通的三极管,它是一种低电压、大电流、小信号的 PNP 型硅三极管。数码管显示采用动态显示方法,刷新时间为 100ms。如图 3.15 所示:

 共阳极 LED 数码管引脚(a)共阴极 LED (b)共阳极 LED

 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U289S52P00P01P02P03P04P05P06P07DS1DS2DS3DS4VCCPR110K234567891A1HF2H3HB4HEDDPCGDS510R7510R8510R9510R10510R11510R12510R14510R1310KR2110KR2210KR2310KR241H2H3H4HDS1DS2DS3DS4VCCQ49012Q59012Q69012Q39012P00P01P02P03P04P05P06P07 图 3.15 数码管显示电路 1H-4H 分别控制数码管的 com 端,当 com 通高电平时,只要在数码管的 a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp 引脚加低电平,就可点亮相应的段码。数码管的公共端受三极管的控制,三极管的基极 DS1-DS4 分别连接 P1.0-P1.3,当三极管的基极DS1-DS4 加低电平时,三极管导通,正 5V 电压加到数码管的公共端,只要在 P0口送相应的段码,就可以控制数码管显示相应的数字。因为采用的是动态显示,所以 DS1 脚、DS2 脚、DS3 脚、DS4 脚在同一时间只有一个可以为低电平。

 3 3 .6 直流电机控制电路 3.6.1

 H 桥式电机驱动电路

 Q1Q3Q2Q4M++-- 图3.16

 H 桥驱动电路 如图 3.16 所示,H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电动机。要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。

 3.6.2 直流电机控制电路分析 U5P521U6P521100R30100R3110KR3510KR36510R3810KR39510R4310KR4210KR4410KR46360R47360R484.7KR494.7KR5010KR51360R52360R5310KR54Q88050Q98050Q108050Q128050Q138050Q178050Q168050Q158050Q148050104C12D6D7D8D912DJ1GNDGNDSCKVCCGNDMISO10KR55VCCVDDGND

 图3.17

 直流电机控制原理图 如图3.17所示,单片机信号 P1.6(MISO),P1.7(SCK)经过光耦隔离后控制由 Q9、Q13、Q15、Q16组成的 H 桥驱动电路,使得电机 DJ1获得方向可变的电流,带动电机 DJ1正转或者反转,电机速度采用 PWM 的方式控制,通过占空比大小

 控制电机转速。

 要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。当 Q1管和 Q4管导通时,电流就从电源正极经 Q1从左至右穿过电机,然后再经 Q4回到电源负极。该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1和 Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动。

 根据该电路原理图可以编写控制电机的程序段:

 KZDJ:

 SETB P1.6

 CLR P1.7

 LCALL DELAY ; 正转

 NOP

 SETB P1.7

 CLR P1.6

  LCALL DELAY

 ;反转

 3 3 .7 提示音发生电路 3.7.1 555 定时器的简介 555定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。如图3.18所示。

  图3.18 555定时器内部结构图 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压,当 5 脚悬空时,则电压比较器 C1的同相输入端的电压为 2VCC3,C2的反相输入端的电压VCC3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC3,则比较器 C2的输出为0,可使RS 触发器臵1,使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于2VCC3,同时 TR 端的电压大于 VCC 3,则 C1的输出为0,C2的输出为1,可将 RS 触发器臵0,使输出为0电平。如表3-7所示:

 表3-7 555定时器的引脚功能表 序号 名称 功能 1 GND 外接电源负端 VSS 或接地,一般情况下接地 2 TR 低触发端 3 VO 输出端 Vo

 4 RD 是直接清零端。当端接低电平,则时基电路不工作,此时不论、TH 处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平 5 VCO VC 为控制电压端。若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01μF电容接地,以防引入干扰 6 TH TH 高触发端 7 DISC 放电端。该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电 8 VCC 外接电源、双极型时基电路 VCC 的范围是4.5 ~ 16V,CMOS型时基电路 VCC 的范围为3 ~ 18V 一般用5V 3.7.2 提示音发生电路分析 如图3.19所示,由于电路采用节电措施,只有在倒车时,由单片机 U1的“6”脚输出一信号,经 R17给复合管 Q1和 Q2提供导通信号,使继电器 JKl 吸合,才给超声波接收电路、提示音发生器提供 VCC 电源。所以在倒车开始,提示音发生器的集成块 U4与外围元器件组成的振荡电路起振,产生信号供三极管 Q7放大,由蜂呜器 LS3发出提示音,提醒驾车人士。调节可调电阻 RP2可改变提示音的声音大小。控制该电路只需给 P1.5送个高电平即可,即 MOSI 端为1,SETB P1.5。

 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U4LM555CN2KR256.8UFC11RP2LS3Q785501uFC10D3D4D5LED11KR26510R27510R284.7KR192KR18GNDQ18050JK1Relay-SPDTD14148GND1KR17MOSIVCCVCC100UFC9

 图 3.19 提示音发生电路原理图 3 3 .8 电源电路 外接+12V 电源,经过 U8后,输出+5V 的 VCC 电源提供给单片机,U2(单片机)获得所需电源后待命。只有在进行倒车或测速(前进)时,通过单片机 U2的“5”(P1.4)脚输出一信号,经 R60使三极管 Q18导通,使继电器 JK2吸合,发光二极管 LED2(红色)点亮,电源+12V 经继电器 JK2触点做 VDD 输出,给直流电机控制电路提 VDD 电源。

 JK2VinVoutGNDU8LM7805Q188050D2LED20.1uFC150.1uFC131KR591KR601KR62GNDVDDVCCGNDVCC+12V123J2CON3+12V-12VGNDP1.4 图 3.20 电源电路原理图 如图 3.20 所示:U8(LM7805)做稳压用,将 12V 的电压经过 C13 滤波转换为5V 的电压给单片机供电,C15 滤波电容;R59 上拉电阻与 R60 限流电阻给 Q18的基极提供合适的导通电流;三极管 Q18 做开关用,来控制继电器的断开与闭合,为直流电机提供电源 VDD;LED2 指示灯串联一个限流电阻 R62,当继电器闭合时即输出 VDD 时指示灯亮,为使用者提供方便;二极管 D2 给继电器 JK2做续流用。

 4 4

 软件设计 4.1 软件设计思想 该软件系统的设计采用模块化设计思想,就是把整个程序划分成几个具有明确任务的程序模块,分别编制、调试后再把它们连接起来,形成一个完整的程序。所以依照这种模块化设计思想,我把该程序分为以下几个模块:主程序控制模块、正常运行测速模块、倒车测距模块、中断处理模块、按键扫描控制模块、数据处理模块等等。分别对他们进行编制、调试,完全正确之后在进行组装、调试。

 单片机IO口分配如4-1表所示。

 表4-1

 单片机IO口分配表 单片机串行口 外接控制电路 P0 口 控制八段数码管段码的显示,低电平有效 P1.0-P1.3 数码管的位控端,高电平有效 P1.4 电源控制端,提供 VCC、VDD,高电平有效 P1.5 提示音发生电路控制端,高电平有效 P1.6、P1.7 控制电机正反转端口,高电平有效 P2.0 控制电机正向转动接口,汽车前进,低电平有效 P2.1 加速键,正转时,按一下电机加速 P2.2 减速键,正转时,按一下电机减速 P2.3 控制电机反向转动接口,汽车后退,低电平有效 P3.2 (INT0)超声波接收电路的检测信号端,低电平有效 P3.3 (INT1)转速检测信号端,低电平有效

 4.2

 主程序设计 汽车的测速及倒车提示系统,该模拟系统要求在正常运行时可以显示车速,在倒车状态下要能显示出车体与障碍物的距离。状态的转换依靠按键 K1 的控制,所以基于这一基本要求,在主程序中就要判断按键 K1 的状态。根据其状态调用相应的子程序,然后就是拆分及显示的调用。如图 4.1。

 开始存储器的初始化定时器的初始化标志位的初始化K1=?005H=1 05H=1调用倒车子程序调用正常运行子程序拆分显示NY

  图 4.1 主流程图 4.3

 正常运行状态子程序设计 这里还用到一个位单元即 05H,05H 来记录状态转换按键 K1 的状态,当05H为1时,表示该系统在倒车状态;当05H为0时,则表示该系统处在正常运行状态。所以在这两个状态运行之前都要进行05H的判断,即状态键K1的再次判断,然后转向相应的子程序。在其正常运行时,要求还可以进行相应的调速,键 K4 代表正常转速,按键 K2 按下表示减速,按键 K3 按下表示加速,再次按下 K4 电机停止转动。依据这一要求,画出流程图,如图 4.2。

 05H=?0K1=?001H=0调用运行子程序01H=?1调用倒车子程序电机停止K2=?0 K3=?0调用减速子程序50H+1调用加速子程序RETNYNYNYYYN N

 图 4.2 正常运行流程图

  4.4 倒车状态子程序设计 在进行 05H 的判断之后,确定进入倒车状态,依照要求我们知道倒车距离

 不得小于 20cm,所以在倒车过程中测距是一重点。该模拟系统采用超声波倒车测距方法。如图 4.3 所示:在测距过程中,设超声波的声速为 340ms,经计算可得超声波传播 1cm 需要 30us。又因为 ) (212t csd     ,所以障碍物与车体的距离为 1cm 时,超声波要传播 2cm,即定时时间为 60us。在超声波发射时就启动定时器 T1,到接受超声波时再关闭定时器,这段时间有多少个 60us 则车体与障碍物的距离就是多少厘米。如图 4.4。

 05H=?1电机反转调用测距子程序01H=?1电机停止调用正常运行RETNNYY

 开定时中断T102H=?102H=030H+130H=?9930H=031H+131H=?9931H=0RETNYNYNY

 图 4.3 倒车状态流程图

  图 4.4 测距流程图 4.5 转速检测的子程序 转速的检测采用光电式检测的方法,该模拟系统的转速是记录每秒钟转盘的圈数 N 与每圈的长度(周长)之间的乘积,然后在送到显示缓冲区显示。转速

 检测采用到定时计数器 0 定时和外部中断 1,用定时计数器定时一秒,使用外部中断 0 采集脉冲,每来一个脉冲时,将寄存器 R4 内部值加一并判断寄存器 R4值是否满四,当 R4 值满四时,将转速计数寄存器(41H40H)加一。一秒时间到,将转速计数寄存器(41H40H)的值保存、显示并清零,然后重新计数。如图 4.5所示。

 1s到了吗?显示缓冲区的值刷新调用拆分调用显示NY

  R4+1R4=?4R4=040H+140H=?9940H=041H+141H=?9941H=0返回NYNY外部中断1来了一个脉冲

 图 4.5

 转速检测的流程图

 5 5

 安装与 调试 5.1 产品安装要求 把选取的电子元器件及功能部件正确的安装在电路板上。元器件焊接安装无错漏,元器件、导线安装及元器件上字符标示方向均应符合工艺要求;电路板上插件位臵正确,接插件、紧固件安装可靠牢固;线路板和元器件无烫伤和划痕处,整机清洁无污物。

 5.2 模拟系统的 硬件 调试 5.2.1 硬件调试的目的 发现设计的缺陷和安装的错误,并改进与修正,提出改进建议;通过调整电路参数,避免因元器件参数或装配工艺不一致,而造成电路性能的不一致或功能和技术指标达不到设计要求的情况发生,确保产品的各项功能和性能指标均达到设计要求。

 5.2.2 硬件调试的过程 (1)通电前的检查 在电路板通电之前,大概观察下电路板上是否存在问题,例如是否有明显的裂痕,有无短路、开路等现象,再用万用表检查一下电源跟地线之间的电阻值是

 否够大,以确保通电安全。重点检查如下:

 电容的检查(如超声波接收电路中的电容 C5、C6,提示音发生电路中的电容 C11,单片机电源电路中的电容 C13 等):先观察电解电容的极性,判断无误后再将万用表调至欧姆档,然后用两个表笔分别接电容的两个引脚,如果电容无误,此时万用表的数字会慢慢变大,最后变成无穷大,然后调用万用表的表笔,情况和前面一样。

 二极管、三极管、稳压管的检查(如直流电机控制电路中的二极管 V6、三极管 Q9,提示音发声电路中的稳压管 D1 等):因为在实际电路中,三极管的偏臵电阻或二极管、稳压管的周边电阻一般都比较大,大都在几百、几千欧以上,这样在测量时可以用万用表的 R*10Ω 或 R*1Ω 档来测量 PN 结的好坏,在测量时,用 R*10Ω 档测 PN 结有较明显的正反特性,表针指示在 200Ω 左右。

 (2)通电调试 首先确认各芯片电源引脚的电压是否正常,其次检查各种参考电压是否正常,另外还有各点的工作电压是否正常等。如检查电路中各三极管 BE 结电压是否在 0.7V 左右,CE 结电压是否在 0.3V 左右或者更小,如果 BE 结电压大于 0.7V,则可能是 BE 结开路。其具体测试为:

 ○1 电源电路正常 正确连接+12V 电源,测得 U8 的 3 脚电压为+5V;按下 K1、K4 一个微动开关后,测得 VDD 电压为+12V,发光二极管 LED2 亮,则表示电源电路工作正常。

 ○2 数码管显示电路(含单片机电路和显示电路)

 连接+12V 电源,按下微动按钮 K5,数码管 DS1 显示数字为 0000,则表示数码管显示电路正常。

 ○3 超声波发射电路、超声波接收电路、提示音发生器电路工作正常 连接+12V 电源,把开关 S1、S2 均臵于“上”的位臵,按下微动按钮 K5,再按下微动按钮 K1,用障碍物放在超声波发射器 LS1 及超声波接收器 LS2 前方大于 20cm 位臵,数码管 DS1 显示两者间距离,改变障碍物和 LS1、LS2 之间的距离,数码管 DS1 显示距离变化,并且蜂鸣器 LS3 发出提示音,发光二极管 LED1亮,则表示超声波发射电路、超声波接收电路、提示音发生电路工作正常。

 ○4 直流电机控制电路、转速检测电路工作正常 连接+12V 电源,在确认电源电路、显示电路正常时,按下微动按钮 K5,再按下微动按钮 K4,可见直流电机 DJ1 带动转盘转动,同时数码管 DS1 显示转速,则直流电机控制电路、转速检测电路工作正常。

 3 5.3 软件调试 5.3.1 软件调试的目的 软件调试的任务是通过对系统应...

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