汽车防撞预警系统设计【优秀毕业课程设计】

I 汽车防撞预警系统设计 摘要： 随着现代社会交通运输的需求日益增长，现代汽车的行驶速度越来越快，相应的安全问题也愈发被重视。于是有了安全气囊、安全座椅等的发展，但只是减轻事故后的人员受伤程度解决不了问题，要从源头上减少事故的发生才是根本。电子控制技术在交通安全方面的应用发展应运而生。 本设计研究 的是 汽车防撞预警系统，利用超声波 不易受外界环境影响且测量精度高等特点，设计出 了以 片 为主控芯片 的 智能 防撞预警系统， 阐述 了超声波测距的原理并设计出了 所 需的硬、软件系统， 提出 了 要 实现系统功能 所需 的关键性 技术和一些相关问题 。本文中所设计的汽车防撞预警系统对于提高车辆行驶安全性，降低交通事故发生的风险 从而 保障安全驾驶具有重要的意义。 关键词： 片；超声波；测距；汽车防撞 in of is So is of to of to of is in of is a of is to as of of ut of to in is of to of of so as to 录 摘要 I 目录 绪论 . 1 车防撞预警系统简介 . 1 车防撞预警系统定义 . 1 车防撞系统组成 . 1 前 研究所 面临的主要问题 . 1 车防撞预警系统的发展 现状 . 1 内外 汽车 测距系统设计方案 . 3 波雷达测距方式 . 3 米波雷达测距方式 . 3 声波雷达测距方式 . 3 光雷达测距方式 . 3 外线雷达测距方式 . 4 于视觉的智能防撞 . 4 车互通信测距系统 . 4 传感器 组合 防撞系统 . 4 课题研究的主要内容 . 5 2 汽车防撞预警系统总体 设计方案 . 6 统设计方案 . 6 声波传感器的选择和测距原理 . 7 声波传感器的选择 . 7 声波 的 测距原理 . 8 感器位置 . 9 计方案的论证 . 9 于设计的必要性 . 9 结构、工作原理和选型依据 . 10 示器件的选择 . 12 章小结 . 12 3 系统硬件设计 . 13 片设计 . 13 片 的 引脚功能 . 13 片最小系统 . 17 口通信电路设计 . 17 声波发射和接收电路设计 . 18 声波发射电路设计 . 18 声波接收电路设计 . 19 示 报警模块设计 . 21 码管显示模块设计 . 21 警模块 的 设计 . 22 统整体电路 . 22 章小结 . 23 4 系统软件设计 . 24 统软件设计整体框架 . 24 声波发射接收模块 . 24 频模块 . 24 数处理 . 24 描显示模块 . 25 于 声波测距系统性能分析 . 25 5 总结与展望 . 27 文的主要工作和结论 . 27 望 . 27 附录 . 29 V 参考文献 . 30 致谢 . 31 1 1 绪论 车防撞预警系统简介 车防撞预警系统定义 汽车防撞预警系统属于车辆碰撞警告系统的组件，是预防车辆相互碰撞的一种智能系统。它会自动检测周围车辆，以便采取措施来避免与行人或障碍物的碰撞，并对驾驶员进行提示或者自动采取一系列规避行为，从而避免碰撞的发生。该系统核心在于能精准、迅速地测出车辆与障碍物（其他车辆）之间的距离，并及时传递给控制系统，以达到避免碰撞，保证安全的目的。 车防撞系统组成 信号收集系统：运用超声波、红外线、影像、雷达等技术测出本车相对于前后车辆的运动状态以及车距。 数据处理系统：计算机芯片收集、分析并处理信号收集系统传递过来的信息，开始判断当前状态是否安全，如果不是安全状态则启动相应的执行机构干涉当前状态。 执行机构：执行 来自 数据处理系统的指令 并 发出警报 以提醒 驾驶员。 图 车防撞 预警 系统组成 前 研究所 面临的主要问题 如何识别是否 是人 为 的 误操作以及 如何 避免过度保护。如果安全系统过于敏感的话，就会对前后所有车辆的正常靠近发出警报；如果在安全系统认为不安全的情况下，驾驶员想要超车、加速时，系统的执行机构就会进行干涉，这就会导致驾驶员忽略安全系统发出的警告，从而导致安全系统毫无意义。 车防撞预警系统的发展 现状 数据处理系统 执行机构 信号采集系统 2 世界各大汽车公司，在政府支持下的大学正在进行这项研究与开发工作。日本主要汽车制造商如丰田，日产，本田，三菱等公司，为实现其运输省的发展提出“先进的安全车（ 划”，致力于新型安全车辆技术研发，并取得重要进展进展。丰田公司 则利用 毫米 波 和 雷达 的测距方法以及 机来监控车辆的 行驶状况以及与周边车 距。当两辆车之间的距离小于指定值时，系统会发出一个直观的报警信号，提醒司机。日产汽车公司采用紧急制动咨询系统，采用先进的车辆距离监控系统跟踪距离动态监控，当需要减速或制动时，用刹车灯提醒司机，及时监控驾驶员控制驾驶踏板在踏步状态下，必要时，汽车的自动制动系统作用下降速度，在最危险的时刻自动制动。本田使用带有扇形激光束扫描的雷达传感器， 不过 即使车辆能够在行驶时检测到与前车或障碍物之间的距离，驾驶员 收到一个警告信号 也 来不及采取适当的行动 来避免碰撞 。 雷达 的工作 频率 一般是 60 61右 ， 检测范围可达到 120 米 ，日产 公司研发的雷达测距系统 ， 使 用 的便是 毫米波雷达 的测距方式，自带有自适应巡航控制系统 。 同样的， 德国和法国等欧洲国家也研究 过 毫米波雷达技术，特别是梅赛德斯 马等着名汽车制造商，雷达用于 频波（ 频段选择 的是 76 77梅赛德斯 撞 报警系统，检测距离达到 150 米，当实际测量 车 距小于 安全车距时 ， 触发 声光报警 器报警，并且 该系统 现实 已 经 应用。 美国 的 汽车防撞技术 的发展 相 对更加 先进，福特汽车公司 所 开发的 汽车 防撞系统 的 工作频率为 测 范围 约为 106 米 左右 。据说，该系统理论上可以根据转弯的角度信息适应道路的转弯，只能检测车道的车辆信息，以避免目标对车道的影响。戴姆勒 - 克莱斯勒的碰撞结构主要是两个测距仪和视频系统，她可以测量安全距离，发现在障碍物前面，电脑可以自动触发制动装置。戴姆勒 - 克莱斯勒的实验结果表明，速度为每小时 里 /小时，距离障碍物 米处停车。 中国汽车防碰撞系统与 国外发达国家的研究与开发存在较大差距，近年来已有若干研究机构，大学和公司厂商进行了这项研究。 雷达雷达等特写报警现在正在蓬勃发展的车辆上安装使用，但国内长距离测量的生产一般不能满足要求，距离距离远离距离远的距离误差远远不及 公路安全车距离要求，还需要进一步研究。 3 内外 汽车 测距系统设计方案 波雷达测距方式 因其探测近距离优越的性能而广泛应用于汽车防撞及工业物位领域 ，但 这种测距方式 成本 较 高，经济 适用性较 低， 对 路障 的检测不准确 ，不利于广泛 应用 。 米波雷达测距方式 探测器发出雷达波，收集反射的雷达波，找到目标并定位，定位距离盲区没有距离，并且容易实现非常高的距离分辨率。然而，由于干扰源，杂波消除和多目标测量要求，毫米波雷达测距在微处理器上计算，分析能力要求高，另外检测器发射机和接收机同时发挥功能，当检测距离远时，所需的功率将变得非常大，导致距离方法的距离受到限制。 声波雷达测距方式 作为 一种 非接触 型 检 测方式 ， 超声波的 波长短，方向性 强 ， 且 辐射可以定向，反射效果 也比较好 。这些 特点 有利于 以 超声波 作为 介质 来 测量物体的位置，距离 和形状。 超声波防撞技术是 利用 超声波回波距离原理，测量经过一定距离物体后，及时 检测 车辆 前 方障碍物的距离和 位置 ， 并 按照安全 距离、 警示 距离、 紧急停车 距离来警告 或 通过 语音信号警告 行驶 车辆不同的紧急 状况 ，驾驶人员可以采取适当措施，防止发生事故。本设计采用就是超声波雷达测距，这种测距方式具有以下优点：能量损耗缓慢，因此可用于直接测量较近目标之间的距离。 用于识别玻璃等透明类的物体，抗干扰性较好；超声波 同样不易受 光照 以及 电磁 干扰 ， 因此 可 在黑暗或雾霾 严重、电磁干扰 较强烈等环境 下工作 。 结构较为精简，占用体积小，成本低，信息处理方式简单可靠易于集成制造，且方便进行实时控制。 光雷达测距方式 这种测距方式 的工作原理 和 微波雷达 测距方式较为相似 ，测距方法 可 分为连续波 测距 和脉波 测距两种 。连续波相位测距是无线电频段的频率，激光束的幅度调制和调制光线由单相延迟产生的线，然后转换成波长调制的相位延迟表示为距离 ，确定光线通过所需时间的方法。通过测量往返脉冲之间的距离来 判断 激光脉冲 的可测量 范围。时间测量方法是使用时钟脉冲来填充时间和终点之间的计数。这种方法非常准确。 4 外线雷达测距方式 红外线 是一种肉眼无法观察到的光波，其波长比其他可见光长 ， 穿透性较强且具有显著的热效应 。同时任何时候任何物体都会发出红外线。红外 线 测距 方式 和激光 雷达以及 超声波测距 的 原理 基本一致 ，都是 通过 波长 以及 反射波 返回的 时间 从而确定目标 之间的 距离，红外 线 测距 技术相对较为困难 ， 所以尽管这种 系统成本 不高 ，但由于红外 线 传感器是基于测量传感器附近物体 的 热量来 检测间 距， 因此系统 响应时间过长的缺点，使司机得到预警时通常 已来不及 避免碰撞， 这就 限制 了 其在汽车防撞预警系统方面的 广泛 应用。 于视觉的智能防撞 视觉信号 能 以最 为 全面的方式 概括 道路上 能接触 的所有信息，并且可以充分利用待识别的道路和车辆的特点和特征，特别是对于道路 通畅、 场景 明亮、 目标 明显的情况下，只需 使用适当的图像处理 就 可以 高效 地实现 对 目标 车辆或障碍物的间距检测， 并且 相机 的 成本 相对于 激光 、 雷达等要低得多。因此，使用视觉 信号来 进行汽车自动 驾驶并智能 防撞是自控智能车辆 发展 的最佳 方案 之一。 车互通信测距系统 无线网络技术的应用 使 车辆通信系统可以克服 视野 盲 区 ，如当通过弯道时。以基础的基于 基于 防碰撞预警系统 为例 。该系统具有以下优点：（ 1）无盲 区地 收集周边信息；（ 2）使用 测 可以不受时间、 地理位置等因素 限制，不间断地 进行检测 工作， 并且 随着 度的 不断提高， 基本可以 完全替代光学传感器；（ 3）成本低。 始普及大众 ， 车主不需要 安装多余的 测距仪器 ， 从而 降低了 防撞 系统的成本；（ 4）抗干扰性强，密封性好。 传感器 组合 防撞系统 充分利用多种传感器资源，将来自多个信息来源的数据进行校准、组合、关联、合并、将包含不同类型或形式数据的相似特征，按照某些原则和方法进行比较，权衡和 综合判断，获得一致的解释或描述的被测物体。 优点： 这类信息融合防撞系统代表有： 1. 基于 线网络通信的防撞系统 5 使用 行定位， 然后将 数据通过 线网络 来 传输，报告尾部控制器根据机器等内部维护机器的 位信息计算出两辆车的相对距离，相对速度，最后根据默认维护大型机器的安全参数来确定碰撞的风险，输出相应的尾部报警信息。预警距离 100易受天气影响，成本高昂。一般用于火车等。定位精度较高。 器视觉 和激光测距的防撞系统 车载摄像机和激光测距车辆碰撞避免系统可以自动测量车辆与前车的相对距离及相对速度，然后根据安全距离进行计算，危险判断，及时提醒司机采取适当的行动来避免汽车必须崩溃。使用立体视觉图像和激光测距克服单传感器的可靠性低，有效检测范围小缺点，从而确保系统随时提供完整可靠的信息，几乎没有不准确的距离和速度。 课题研究的主要内容 车辆安全的核心问题是通过在车辆上安装各种传感器来对车辆的正式参数进行实时监控。 检测得到 的车辆 相关 信息的可靠性 以及 准确性也是 应该考虑的 核心问题之一 。对于防撞警告系统，选择距离测量模式和数据处理方法非常重要。汽车雷达测量过程中存在很多干扰，目前的碰撞系统生产有两个基本问题需要解决： 信号实时问题：将雷达作为车辆安全的重要组成部分，其实时性非常重要。本文选 用了 片作为信号数据 核心 处理器 ，这种芯片 可同时执行 不同工作 ， 有利于 提高系统的 时效性，使系统更加 可靠， 还 可以 同时进行多个 数据 的传输 ， 以便及时 得 显示当前车辆 的 驾驶状态。 6 2 汽车防撞预警系统总体 设计方案 统设计方案 设计汽车防撞预警系统主要是测得前方汽车与本车之间的距离，系统的关键是采集到超声波发射器经过发射和反射后的超声波，此信号中包含有前方运动障碍物的距离， 集到这些外部数据，经过快速的分析判断是否属于安全距离范围内，若小于安全距离则发送警报命令提示驾驶员。汽车防撞预警系统整体包含发射超声波探测前方障碍物的超声波探测器，信号数据处理器，显示屏，蜂鸣报警器等。 图 声波模拟图 图 于 超声波 的 汽车防撞原理框图 超声波距离测量系统由发射电路 、 接收电路 、 显示电路 等 核心 模块以及 一些辅助 性 功能 电路 组成 1。 使用发射机分离发射和接收电路有两个优点：一个是发射信号不与接收到的信号重叠；二是探针被放置在适当的位置，能避免其他物体对超声波反射的干扰 ，从而提高系统的应用。 超声波发射器 放大电路 超声波接收器 放大电路 检波电路 定时器 单片机 控制 显示器 报警系统 7 汽车行驶 使 用的超声波 防撞系统， 是 利用 超声波能 够 在空气中 进行 传播和反射的原理， 通过发射和接收 相关 信号 ，然后 根据接收 到 超声回波的时间差和 超声波的传播速度 来 计算超声波传播距离 再 除以二 得到的就是 汽车和障碍 物（前车） 的 间距 。 声波传感器的选择和测距原理 声波传感器的选择 超声 波的 振动频率 在 20上， 已经远远 超出 了 人耳 的 听觉极限。为了 确保本设计的 可行性， 选 用 的是 现 有 的模块化系统。 由于 传感器信号 是 由 片产生的 波信号， 所以最终选用的 传感器的 额定 工作电压不能 太 高，当然也可选 配变压器 或者 继电器 ； 该设计是用于收发器集成超声波测距系统的车辆，体积不应该太大。 传感器的主要性能 要求 有： （ 1）灵敏度：它主要取决于模块本身。 机电的 耦合系数 和传感器的灵敏度成正比。 （ 2）工作温度： 可以在较低温度的坏境下长时间工作 而不会发生故障 。 （ 3）工作频率：压电晶体的谐振频率。如果灵敏度达到最高，则交流电压两端的频率和芯片谐振频率等于此时的输出能量最大。 表 声波 传感器模块 电气参数表 电气参数 声波模块 工作电压 作电流 15作频率 40远射程 4M 最近射程 2量角度 15 度 输入触发信号 10 冲 输出回响信号 输出 的 号与射程成 一定 比例 规格 45*20*15度集成的小尺寸超声波模块，仅提供 信号能够接收到返回信号正常使用测量距离 2。电气参数如表 8 该模块 工作状态时会 自动 且 连续 地 发送 8 个 频率为 40 脉冲 ， 然后 自动检测 回响信号 ，工作过程如下图： 图 块工作时序图 由 上图 可得。我们 只需要提供超过 10脉冲触发信号，模块 就会 在八个40 周期内 自动 发出注释 并 检测回 响信号 3。 当检测到回 响 信号时，输出回波信号。 回波信号的快速响应与检测到的距离成比例。 由此通过对晶体进行计数然后 获得 其 时间间隔， 就 可以计算 出需药 测量的距离。 声波 的 测距原理 司 和 司在 1946 年 首先提出 了一种叫做 脉冲回波法 的测距方法 ， 该测距方法的原理是 利用超声波 会在物体表面发生 反射 的 特性 来 测 距 。 超声波信号由传感器向外发射超声波信号。 同 时 自动检测 反射回来的 信号，并记录从发送超声波到通过晶体计时码表接收回波的时间， 通过 下列公式： 可 计算出被测物体 与传感器的间 距。原理如图 示： 图 声波测距原理 图中 S 为被测距离 ， L 为两 个 传感器 的 探头中心距的一半， 根据 勾股定理可得： 9 当 S 远大于 L 时 超声波 的 传播 会受到很多因素的 影响，为了简化 数学 模型， 通常情况下 只 需 考虑温度 对超声波传播 的影响，遵循以下公式： C 是声速， T 是温度（摄氏度）， K 是常数 。 感器位置 距离测量系统 的发射器 和接收 器的头部应当在同一条直线位置上，此为 超声波反射型 的 分离结构。距离和角度误差引起的衰减问题和通信过程中的超声信号引起的，发射探头和接收器探头不能分开太远，为了避免发射和接收信号的干扰，不能太靠近。 根据以往 的经验来看， 传感器的 发射探头和接收器应 当 放置在离中心轴 4至 8 厘米 处 。发射机超声波范围模块在波形启动定时器开始接收回波，导致负跳转到微控制器中断，微控制器 做出 反应并 立刻 停止计数。 可通过计算超声波在空气中的传播时间来计算时间差，从而计算距离。 计方案的论证 超声波探测技术主要用于中距离测距，结构测试，智能控制等领域，超声波换能器是核心部件，传感器根据其工作介质可分为气相，液相和固相传感器 ; 传输光束宽度可分为宽光束和窄光束传感器 ; 根据其工作频率可分为 3840不同级别。本设计采用 40声波换能器。 超声波测距最常见的两种方法分别是计算 强度法和反射时间法 5。 本设计 所 采用 的就是 反射时间法。 反射时间法是 通过计算 超声波从发射 出去直 到被障碍物 （被测物体） 反射回来的时间 差展开计算的 6。在 距离较短的情况下 ,可以 将 声速 作为一个 常数 来计算。 我们使用公式 T = V *(T / 2)来计算回波时间的 这种方法不会受到 其他 声波的 影响 ， 因此可以 直接 进行信号 耦合 ，非常适合用于短距离测量。 本 篇 设计 中使用的就是 这种方法。 于设计的必要性 )/(ar 21 10 一种半定制的集成电路，具有良好的实时性，结合当代计算机技术可以直接将控制程序写入的可封边快捷的构建数字系统。 片采用硬件语言编写，具有较强的逻辑结合能力和时序控制能力。虽然没有指挥控制系统，但 其 控制能力 也 相对较弱， 因此 对于通信接口，特别是对于不同的速率，不同协议的高速通信接口可以桥接和耦合。运行快速记录非常快。 现场可编程门阵列 ， 简称 种 基于 术开发的 器件开发系统 。他利用电脑辅助设计，绘出用户逻辑示意图，硬件描述语言等的实现，内存设计输入，满足用户满足专用集成电路的要求，真正满足用户自己的设计，开发和自主生产的集成电路其显着特点是高速，高密度，小型化。从几万到几千万门系统门系统的周期性密度， 使得这种 系统 的 性能可以达到几十兆赫兹。 这种非常 灵活的设计 让它 可 以 重复无限 次的 编程，并进行现场仿真调试 来进行 验证， 从而极大地 缩短了电子系统 的 开发周期。 结构、工作原理和选型依据 目前主流 商有 种 7。芯片的基本结构主要由可编程 I / O 单元，基本可编程逻辑单元，嵌入式 富的布线资源和底层嵌入式单元等组成。如下 图 所示： 图 片结构 （ 1）可编程 I / O 单元： 是 芯片和外部电路接口 端 ， 用来满足 输入和输出信号驱动器 所需要的不 同的电特性。 （ 2）基本可编程逻辑单元：可以根据设计任务的具体要求修改链接和配置设置的内部部分，以完成更多的逻辑功能。 11 （ 3）嵌入式 ： 片上基本都装载有 模块提高 了 片 的灵活性 以及 应用范围。 入式 可以灵活 地 配置单端口 、 双端口 、伪双端口 以及 常用内存结构。 （ 4）丰富的布线资源：布线资源联通芯片所有的资源在连接长度和过程中确定信号对连接驱动器的容量和传输速度。 的接线资源根据大小和过程分为不同级别。 在 该过程 中 ，不需要 设计人员来 选择接线资源，而是 由 系统 来 布线 并 自动路由联通底层单元模块。 （ 5）底层嵌入式功能单元： 这个单元是 片生产 厂商 应用在 硬件电路中 的具有较高水平 的嵌入式功能模块， 通常 用 以 完成 系统中所需的 时钟功能。发展趋势是芯片中集成的 源越来越丰富，功能复杂，包括 统的硬件设计意味着逐步过渡到系统设计平台。 （ 6）嵌入式专用内核：主要是指一些较不常见的，并不是所有的 片都包含在硬核中。 基于 以上几种 考虑， 本设计采用的 司生产的 系列 片 具有以下几个主要特点 ： 具有 1 能和额外的 624 活 道，可为高性能差分 I / O 输入和输出通道提供多达 124 个支持。 支持常用的 耦合逻辑的编写，并且支持接技术 。 采用最新的 通制造工艺，与使用铝互连技术的制造设备相比，采用各层铜互连技术的器件性能可提高 30 40。 采用 集成芯片超过 89,000个逻辑单元和 特别是集成 4， 4， 4， 持功能，可与数据路径 据包处理器，主要应用高速总线接口，处理器等设备配合使用接口 该器件的密度范围为 16640 个逻辑单元和 425984 个 上 完全基于 装技术，引脚间距 12 示器件的选择 对于显示器件有如下方面的考虑： 示屏和 用最广泛， 示屏功耗低，体积小，重量轻，可显示汉字，与 比清晰美观，虽然 格便宜，但是无法显示汉字，因此不予采用。 经过 以上考虑 ，本设计采用 了 1602晶显示器 来 作为 系统的 执行单元 ，用来 显示测距距离。其主要技术参数如下表： 表 示器参数 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 作电流 5V） 最佳控制电压 符尺寸 章小结 在 整体设计中 ， 各个模块的 设备选择 对于 整个系统 的 设计 都十分 重要。本章还详细介绍了其他模块：数据采集模块和执行模块的选择基础以及选择的优缺点以及超声波距离测量原理。通过引入 关知识，描述了使用 片的必要性，分析了 结构和工作原理，这是 择的基础。 13 3 系统硬件设计 片设计 在系统的总体设计中，关键在于 系统 完成设计任务的能力，最重要的是核心设备系统是否合适，而芯片 则 是控制系统的核心， 因此 芯片的选择 就显得尤为 重要。选 对了 合适的芯片，不仅可以最大限度地简化系统的运行，其功能 也会 是最好的，系统的 可靠性比较高，整个系统 的操作也会 更 加 方便。本设计选择的是 系列 片。 片 的 引脚 分布 如下图所示： 图 片引脚 片 的 引脚功能 （ 1）电源引脚 40 脚）： 用于接入电 源 ， 电 源 额定 电压 5 V。 20 脚）：接地端。 14 （ 2）晶振电路的引脚 了产生时钟信号， 输入端口 片中提供 了 反相放大器， 而作为 输出 端口。 个端口外部 都装载有 频率为 12 ， 因此依靠自振方式工作，并 产生时钟信号， 再通过 电路产生 系统 时钟频率 。产生的 时钟频率越高， 芯片内部 运算速度 就 越快，时钟频率 决定了芯片指令执行的速度 。 晶振 电路如图 示。 图 振电路 （ 3）复位 9 脚） 当程序运行出错或操作错误时 ， 系统处于锁 死 状态，要想摆脱麻烦，还需要重启重启按钮。因此，系统复位电路必须准确可靠运行。 只需要在 口输入 一个 宽度 大于 20 正脉冲 就可完成电路的 复位，复位电路如图 示 。 当电路通 电 时 ， 端口 电源电压 在 同 一水平 电位， 端口电位会 随着电容电压 的增大而降低 ， 就会在 产生 一个正脉冲。该脉冲 宽度大于 20完成电路 复位。当按下 钮 时，电容 过 迅速放电 。等到按钮 弹起后， 电容 次充电， 这就 实现 了 手动 电路 复位 8。 假如使 口 始终 保持高电平 输入状态 ，那么 统电路 就会 不断地进行复位 操作 。复位后 口均 处于 高电平，这 时 程序 内部的 计数器 以及 寄存器 的所以数据就会 全部清零。本设计的复位电路如图 示。 15 图 位电路 （ 4）输入输出口（ I/O 口）引脚 是个三 状 态双向 端 口， 既可用于 数据地址的复用 分端 口， 还 可以 用来当做数据 通用 的 输入 /输出口。在 系统装载有 外部扩展存储器的情况下， 口将用作地址或数据 的 总线端口 来 使用， 也就是一个 双向端口；而在没有 装载 扩展存储器的情况下 ， 还可以当做 通用的 I/O 接口 端来 使用，但只是一个准双向 端 口； 可 驱动 8 个 载 ，因此该端口的 输出电流不 能小于 800 是一个 内部自 带上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 不过 只 能作为 通用 I/O 接口 端来使用 ， 并且 只 能驱动 4 个 载； 因为 自带上拉电阻，因此 通常不需要 额外 接 入 电阻就 可以使 发光二极管 工作 ； 口设置为 1，内部上拉电阻将端口提升为高电平，然后作为输入端口使用 。 关于 输出 方面 ，在 芯片 工作时，可通过 编辑 指令 来 控制 芯片 引脚 来 输出高电平亦或是 低电平。 举个例子 ：指令 清零 ） ， 是 指控制 口 来输出低电平；指令 置 1） ， 是 指控制 口 来 输出高电平。 和 类似，也是自 带上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 可 驱动 4 个 当 口设置为 1 时， 内部上拉电阻将端口提升为高电平，然后作为输入端口使用 ；在编辑程序内部存储器中， 口可以接收高 8 位地址和控制信号，而在访问其他程序和 16 位外部数据存储器时， 口将发出地址和控制信号 。 而在访问 8 位地址的外 载式 数据存储器时， 这段时间内 口 引脚 功能不会发生变化 。 16 的第二 个 功能如表 示。内置上拉电阻 8 位双向 I/O 端口， 也 可 负载四个 引脚 还拥有 第二个功能。 用来当做 通用 I/O 口接口 端使用 时，其二 功能输出 线是 高电平。 置 1 时，内部 的 上拉电阻将端口 的 电位 提 到高电平 来作为一个 输入 端 口 来 使用； 而 在对 芯片内部 存储器 进行 编程时， 该 端 可 接 收 控制信息。 表 3口第二功能表 脚 兼用功能 行通讯输入口（ 行通讯输出口（ 部中断 0 请求输入端 （ 部中断 1 请求输入端 （ 时器 0 输入端 (时器 1 输入端 (部数据存储器信号输出端（ / 部数据存储器信号输出端（ / （ 5）其它 的 控制或复用引脚 （ a） 30 脚）： 是一种 有效 的锁存地址信号 输出端 口 9。访问外部存储器时， 口输出两次信号 每周期 。当外部存储器未被访问时， 口将 以 振荡器频率的 1/6 的稳定频率来发出 信号。 而当 外部数据存储器 被访问时 ，该 端口输出 的 信号 会产生间歇中断情况 ， 因此 不能用作时钟输出。对 内部 含有 芯片进行 编程时， 口可以 用 来 输入编程脉冲 或作为 输入端口 。 （ b） /29 脚）： 是外部 存储器 的信号 输出端， 在 低电平 环境下才能进行工作 。当 片 从外部存储器 中提 取 相关 指令或 部分 常数时， 该端口会 每周期输出 2 个 信号 脉冲， 可由 数据总线 的 口 读 取相关 指令或 所需 常数。 不过 在访问外 部的 数据存储器时， 该端口并 不会 输出信号 脉冲。 17 （ c） /31 脚）： 作为 外部存储器 的 可选 型 端口 ，在 访问外存储器时，必须保持低电平来使 片 可以完成 访问；而在 对系统内部存储器进行编程时， 该端口还可以 用 来给 程 输入 电压。 片最小系统 拓展系统的基础即为最小系统 ， 而 芯片最小系统 则 指 一个可以正常工作 的最小芯片 配置系统 10。 片，由于内 部 自带程序存储器， 因此 只 需 要外 部 接 上 复位电路 以及时钟电路 就组成了 芯片的 最小系统了。 片的最小系统如图 图 片最小系统原理图 口通信电路设计 串口就是指串行数据接口，一般用于管理控制数据的传输，并且还支持双向数据传输，即可以完成和计算机的通信任务。串口电路如图 示。 18 图 口通信电路 声波发射和接收电路设计 振动频率超过 20 机械波 称为超声波 ，可沿 着 直线 方向进行 传播， 方向性好，传播距离也较远 ， 并且在传播过程中碰到障碍物会产生反射波 。 因为 超声波具有上述几个 特点， 因此被 广泛应用 在测距 方面 的工作， 是一种 较为理想的 测距 方式 。 当 开始测距 时，超声波 的 发射 器和 接收器 分别进行 超声波的发射 、 接收 工作 ，与此同时 定时器 开始 计数。 先通过 超声波发射 器 向前方发射超声波并 开始 计时， 发射出去的超声波在空气中碰 到 任何 障碍物 时 会 产生 反射 波 ， 等到反射波被超声波的接收器检测到时， 就 会产生 负脉冲 传给定时器 使其 马上 停止计时 工作 。 这样一来，安装的 定时器就能够记超声波 从 发射 开始直到反射波传回这一段 所用时间 t（ s）。已知 常温下超声波在空气中的传播速度约为 340 m/s， 可得 障碍物到发射 器的探头间距为： S=340 t/2=170 t 已知 本设计中 芯片内部定时器的周期为 T， 时钟频率 f 取 12 设计数值为 N， 可得 ： T 12/f=1 s t=N T N s） S 170 N T 170 N/1000000（ m） 在程序中按式 S 170 N T 170 N/1000000 计算距离。 声波发射电路设计 超声波 的 发射电路 是 由 发射器以及 放大器组成 的 。 发射器 将电信号转换 成超声波 ，而 单片机 产生的 40 波脉冲 通过 放大 器放大从而 驱动 发射器发射超声波。本设计选 用的是 74片 来进行放大 信号 工作 ，超声波 的 发射电路如图 19 示。 由 74主要 构成的电路 比较 简单，调试 工作也相对 容易， 且容易靠相应软件 来进行 控制 操作 11。 由 片 产生 的方波 通过 74相器 以 推挽 方式传递到 发射器 两极 ，这样 可以提高发射器 发射强度。 如图将 两个 “非”门 的 输出 端 接 在 一起 ，这种方式可以 提高 输入 电流， 增强电路整体的 驱动能力。 图 声波发射电路 电阻 提高了电路的阻尼大小的同时也 提 高了 74出高电平的 工作效率 。 其流程图如图 示 图 程图 发射电路原理：当 片 通过 端口 生 脉冲 ，然后通过 放大 器放大，使 激励换能器 够 发射超声波 12。 声波接收电路设计 超声波在传播过程中 会产生 衰减 现象 ， 因此传播 距离 越 远，接收电路所接收到的 超声波 信号就会 越 微弱 。所以 需要对接收到的信号进行 多倍 放大。由集成电路片 所 构成的 超声波接收电路 ， 可 对超声波信号进行放大、比较等 操作 ，通过 比较后超声波接收电路 会发出 一个低电平 信号给 片 从而 中断 系统计时 ，并 进行后续的 数据处理 操作 。 20 片的前置放大器 可对控制信号进行自动识别来决定是否工作 ，当 检测 为较近 距离时，放大器不 工作 ；当 检 测 为较远 距离时， 因为 超声波信号 在空气的传播过程中会产生衰减 ， 这时 放大器 会对接收到的超声波信号进行放大 。 较强 ，灵敏度也较高， 可以 满足本 文 设计的 基本 要求。接收电路如图 示。 片 是产 于索尼公司 的 一种 红外 线式 遥控接收器 （通常用于电视遥控器） ，也可用于超声波测试 13。 单列 8 引 脚直插式 芯片 ， 结构小巧 ， 额定电压 5V。 引 脚 1 作为 超声波输入端 口 ； 引 脚 2 端口接的电阻 容 接收器 R 的工作效率成比例 ， 通过 增大 阻值 或减小电容 大 器的放大 倍数 就会 下降， 同时 电容 C