修改版汽车距离自动测定系统1讲解.docx
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修改版汽车距离自动测定系统1讲解
课程设计说明书
课程名称：
单片机课程设计
所在院系：
机电学院
姓名：
李振钦黄弘毅洪宏坝王文峰
班级：
12机电本
学号：
41444342
指导教师：
杨永
日期：
2015年1月7日
目录
第一章设计任务及要求1
1.2主要任务3
1.3设计要求3
第二章、红外测距的方法和原理4
2.1几种红外测距原理及选择4
2.1.1 相位测距原理4
2.1.2 PSD测距原理4
2.1.3 带运动机构的双象比较法原理4
2.1.4 时间差测距法原理4
2.1.5 反射能量法原理5
2.1.6三角法红外测距原理5
2.1.7 红外测距原理的选择5
第三章、红外测距的基本结构及系统框图6
3.1红外测距的过程6
红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图1所示。
反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
6
3.2 红外测距系统框图8
第四章、红外测距硬件电路设计9
4.1单片机最小系统模块9
还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
12
4.2数据传输模块（程序下载电路）17
4.3电源电路17
4.4液晶1602显示18
4.6 夏普GP2D12测距模块20
第五章电路板的制作21
5.1原理图的绘制21
5.2PCB图的生成22
6.1程序设计步骤23
6.2软件设计框图24
6.3 Proteus仿真24
第七章测量精度分析27
参考文献29
附录31
电路原理图31
主程序31
第一章设计任务及要求
随着经济的发展，交通运输业日益繁荣，但由于道路状态、交通管理等硬件难以跟上，加上驾驶超车、出车开小差、错误估计车距等主观的原理，使相互碰撞的交通事故频频发生。
解决这个问题的根本措施在于给行进中的汽车安装能自动跟踪测距，在危险距离内自动刹车的装置。
由于电子技术的发展，先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。
其中激光测距是靠激光束照射在前车上的反射镜（汽车尾部）反射回来的激光束探测两车距离。
由于受恶劣的天气、汽车激烈的振动，反射镜表面磨损，污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少1/2～1/3，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用元件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。
当前测距系统所用的测距基本原理都是建立在测量时间差的基础上，而测量时间的方法主要有“脉冲方式”和“调频2连续波方式”。
这两种测量方式都是以模拟电路来实现，由于器件延时的影响，使测量精度大大下降。
本文采用“计数”方式，通过单片机处理，使测量准确度有了很大提高。
因此，本文研究的红外测距系统成本较低，机体尺寸小，而且利用一种新的测距原理结合单片机技术的处理，使测量精度有了较大提高；同时把这种测距系统应用于汽车防撞系统中，并进行了装车防撞试验。
试验结果表面，这种系统能探测的距离大于40m，且分析判断险情的速度快，准确性较高。
1.2主要任务
本次课程设计的任务比较明确，主要是测量红外线到反射物的距离，此设计中最关键的是计算红外线发出到途中遇到障碍物反射回来的往返时间，然后利用有关参数根据距离公式计算出所测的距离，要求测距的范围是20到30米，所测得的距离要能实时显示；如果距离小于10米，要能发出警报声。
1.3设计要求
本设计要求设计一测距系统，测距的范围是20~30米，所测到的距离能够实时显示，如果距离小于10米，将启动警报声响。
在设计中采用单片机为核心器件，形成相应的测距电路，信号处理电路及警报电路，自行编制单片机控制程序，并进行硬件调试、软件调试，最后进行软硬件调联，达到性能要求。
系统性能要求如下：
1、收发传感器均采用红外线传感器
2、距离要求显示
3、探测距离20~30米
4、工作温度-20到45度
第二章、红外测距的方法和原理
2.1几种红外测距原理及选择
2.1.1 相位测距原理
由主控振荡器 （即主振）产生的调制信号频率f ，经放大后加到发光管，经电流调制出射红外调制光，从发射光学系统出射射向镜站的反光镜 ；经反射后，回光被接收光学系统所接收，到达硅光敏二极管 ；经过光电转换，得到高频的测距信号。
2.1.2 PSD测距原理
利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件（Position Sensitive Device）的PSD组件来获得二路输出信号, 根据这二路信号来获得物体的距离量值。
2.1.3 带运动机构的双象比较法原理
系统中有二套光路对被测物体成像，其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图像, 当二者一致时, 就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息。
2.1.4 时间差测距法原理
红外线发射器发射出频率为40kHz的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。
测出发射波与接收到反射波的时间差t，即可求出距离s。
2.1.5 反射能量法原理
反射能量法:
仪器发射一束光（通常是近红外光） 照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量, 根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。
2.1.6三角法红外测距原理
红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来。
反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
2.1.7 红外测距原理的选择
本文测距原理选择的是三角法红外测距原理。
第三章、红外测距的基本结构及系统框图
3.1红外测距的过程
红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图1所示。
反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
图3-1红外测距原理图
可以看到，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。
当物体距离D很大时，L值就会很小。
这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说
CCD 的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。
要检测越是远的物体，CCD的分辨率要求就越高。
非线性输出：
Sharp GS2XX系列的传感器的输出是非线性的。
每个型号的输出曲线都不同。
所以，在实际使用前，最好能对所使用的传感器进行一下校正。
对每个型号的传感器创建一张曲线图，以便在实际使用中获得真实有效的测量数据。
从上图中，可以看到，当被探测物体的距离小于10cm的时候，输出电压急剧下降，也就是说从电压读数来看，物体的距离应该是越来越远了。
但是实际上并不是这样的，想象一下，你的机器人本来正在慢慢的靠近障碍物，突然发现障碍物消失了，一般来说，你的控制程序会让你的机器人以全速移动，结果就是，"砰"的一声。
当然了，解决这个方法也不是没有，这里有个小技巧。
只需要改变一下传感器的安装位置，使它到机器人的外围的距离大于最小探测距离就可以了。
3.2 红外测距系统框图
本设计主要由五部分组成：
红外发射电路、红外接收电路、单片机电路、液晶显示。
其工作过程如图所示：
第四章、红外测距硬件电路设计
4.1单片机最小系统模块
STC12C5A60S2系列单片机简介
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，
是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12
倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。
针对电机控制，强干扰场合。
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051
2.工作电压：
STC12C5A60S2系列工作电压：
5.5V-3.5V（5V单片机）
STC12LE5A60S2系列工作电压：
3.6V-2.2V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz
4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节......
5.片上集成1280字节RAM
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）
可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，上拉，仅为输入/高阻，开漏
每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器
可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）
9.看门狗
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）
11.外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器
5V单片机为1.33V，误差为±5%,3.3V单片机为1.31V，误差为±3%
12.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为±5%到±10%以内）
用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟
常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～17MHz
3.3V单片机为：
8MHz～12MHz
精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准
13.共4个16位定时器
两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立
波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器
14.3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独
立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模
块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,
CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）
16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）
---也可用来当2路D/A使用
---也可用来再实现2个定时器
---也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）
17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）
18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051可再用定时器或PCA软件
实现多串口
19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设
置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）
20.工作温度范围：
-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）
21.封装：
LQFP-48,LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,QFN-40
I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,
还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
STC12C5A60S2系列单片机的内部结构
STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图所示。
STC12C5A60S2单片机中包含中
央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串
口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路
等模块。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称
得上一个片上系统。
STC12C5A60S2系列单片机引脚图
STC12C5A60S2系列单片机的I/O口结构
I/O口各种不同的工作模式及配置介绍
I/O口配置
STC12C5A60S2系列单片机所有I/O口均（新增P4口和P5口）可由软件配置成4种工作类型之
一，如下表所示。
4种类型分别为：
准双向口/弱上拉（标准8051输出模式）、强推挽输出/强
上拉、仅为输入（高阻）或开漏输出功能。
每个口由2个控制寄存器中的相应位控制每个引脚
工作类型。
STC12C5A60S2系列单片机上电复位后为准双向口/弱上拉（传统8051的I/O口）模
式。
2V以上时为高电平，0.8V以下时为低电平。
每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯
片最大不得超过120mA。
1、电源电路
电源电路是单片机工作的动力源泉。
对应的接线方法为：
单片机的第40引脚（Vcc）为电源引脚，工作时接+5V电源；第20引脚（Vss）为接地线。
2、时钟电路
时钟是单片机核心，相当于单片机的心脏，其XTAL1和XTAL2引脚上的波形为方波，频率为所选晶振频率，在51单片机中晶振频率一般为11.0592M或12M。
频率决定单片机的运行速度，波形的好坏决定单片机系统的稳定性，一般需要在晶振两个引脚接两个电容滤波，电容一般选择15~45pf。
3、复位电路
4、复位电路设计的好坏直接影响单片机系统工作的稳定性，由于单片机上电瞬间电源电压不稳定，此时单片机不能立即投入工作，需要继续保持一段时间的复位状态，待电源稳定后单片机才开始工作。
复位电路一般有手动按键（上电）复位、上电复位和积分复位三种。
在此介绍最简单的上电复位：
即上电后由于电容作用单片机延时一段时间后再开始工作。
上电复位电路如下图所示：
（选择电解电容有正负极，耐压10V以上，容量10uF，使用时不可以接反，电容外壳上标有白色端的为负极，黑色为正极）。
4、控制引脚EA的接法
控制引脚EA为片内、外程序存储器的选择控制引脚，当EA我低电平时，单片机从外部程序存储器取指令；当EA接高电平时，单片机从内部程序存储器中取指令
应用增强型12C5A单片机设计并制作一个单片机最小系统，应达到如下基本要求：
1、具有上电复位和手动复位功能
2、使用单片机片内程序存储器
3、具有基本的人机交互接口
4、具有一定的可扩展性，单片机I/O口可方便地与其他电路板连接
4.2数据传输模块（程序下载电路）
4.3电源电路
电源适配器（Power adapter）是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备，一般由外壳、电源变压器和整流电路组成，按其输出类型可分为交流输出型和直流输出型；按连接方式可分为插墙式和桌面式。
广泛配套于电话子母机、游戏机、语言复读机、随身听、笔记本电脑、蜂窝电话等设备中。
输出电压：
5V（直流） 输入电压：
100~240V（交流） 输出电流：
最大2A
输出电压精度：
±5%（空载） 输入范围宽，电压精度高
电源极性：
内正外负，内㈩外㈠输出插头样式：
5.5*2.1mm
4.4液晶1602显示
1.指令介绍LCD1602已很普遍了，市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，定义如下表所示：
DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。
共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表：
功能：
<1>把光标撤回到显示器的左上方;<2>把地址计数器（AC）的值设置为0;<3>保持DDRAM的内容不变。
GP2D12是日本SHARP公司生产的红外距离传感器，价格便宜，测距效果还不错，主要用于模型或机器人制作。
技术规格如下：
探测距离：
10-80cm工作电压：
4-5.5V标准电流消耗：
33-50mA输出量：
模拟量输出，输出电压和探测距离成比例。
4.6 夏普GP2D12测距模块
GP2D12是SHARP公司的一种新型红外测距传感器，工作电压为4~5.5V，输出为模拟电压，探测距离为10~80cm，最大允许角度大于40度，刷新频率为25Hz（40ms），模拟输出噪声小于200mV，标准电流消耗为33~50mA。
GP2D12产品规格参数：
1.测量射程范围：
10 to 80 cm
2.最大允许角度：
>40°
3.电源电压：
4.5 to 5.5V
4.平均功耗：
35Ma
5.峰值功耗：
约200mA
6.更新频率/周期：
25Hz/40ms
7.模拟输出噪声：
<200mV
8.测量距离与输出模拟电压关系：
2.4V~0.4V模拟信号对应10cm~80cm，输出与距离成反比非线性关系。
第五章电路板的制作
5.1原理图的绘制
本次设计的超声波测距的原理是通过查阅大量的资料，在图书馆以及网上查找资料所得到的，经过综合的分析其可行性，经济性等方面要求前提下做出的电路原理图。
而在有可靠的电路原理图之后，我需要再做的就是将电路原理图变成一个硬件，使其实现预定的功能。
如果使用的是万能板，则不需要绘制电路图，只要根据原理图的元器件在万能板上摆放好，用导线将其焊接起来即可。
但是在使用万能板时有许多的不便之处，比如说在焊接的过程中需要跳线，而板子本身也不够美观，好看。
所以为了获得更好的效果，我们一般都使用腐蚀板，这样我们就首先的步骤就是在PROTEL中绘制电路原理图。
在我设计的电路图中的元器件，在PROTEL的标准元件库里基本上都有，但是四位七段的共阳数码管在标准库里没有找到，所以在绘制电路图时就需要自己画一个数码管，同时也要做一个它的封装图，做好了这个基本上就可以了画出完整的电路原理图了。
首先我们先要在元器件库中调入各个元器件，将各个模块的元器件放在一起，然后用线将其连接起来其可完成原理图的基本绘制。
5.2PCB图的生成
由前面一节我提到在PROTEL里绘制的原理图，如果要生成制作电路板所用的PCB图的话，首先要确认我们前面画的电路原理图的正确性，确定每个元器件的连线都连接上，所以在生成PCB之前我们要对每个元器件进行封装，封装库没有的元器件要自己做一个，比如前面讲到的四位七段数码管的封装。
在对每个元器件封装的同时定义每个元器件的编号，编号要一一对应，不能有重复。
电阻：
AXIAL0.3-AXIAL0.7其中0.4-0.7指电阻的长度，一般用AXIAL0.4瓷片电容：
RAD0.1-RAD0.3。
其中0.1-0.3指电容大小，一般用RAD0.1电解电容：
RB.1/.2-RB.4/.8其中.1/.2-.4/.8指电容大小。
一般<100uF用RB.1/.2,100uF-470uF用RB.2/.4,>470uF用RB.3/.6二极管：
DIODE0.4-DIODE0.7其中0.4-0.7指二极管长短，一般用DIODE0.4集成块：
DIP8-DIP40,其中8－40指有多少脚，8脚的就是DIP8贴片电阻石英晶体振荡器XTAL1三极管TO单排多针插座SIP双列直插元件DIP等等然后是进行元器件的电气检测，检测没有错误的话会显示没有错误，如果错误，连线没有连上等等都会在原理图中只指示出来。
然后就是生成网络报表，显示所有的元器件的封装号，编号等。
之后就可以在Design设计里更新PCB，只要没有出现错误就可以生成PCB图。
生成PCB后需要对其进行布线，设计焊盘的大小，导线的粗细，各个元器件实际放的位置，布线是一件很麻烦的事情，要尽量没有交叉，不限还要美观等等，这个工作长的话需要两三天到一个星期的时间，熟悉的话半天一天就可以完成。
像我以前没有接触太多，所以布线起来比较困难，需要较多时间，但从中也学到了不少东西。
第六章软件模块设计
6.1程序设计步骤
在系统硬件已经确定的情况下，程序设计为:
① 分析问题：
熟悉和明确问题的要求、已知条件及对运算控制的要求，准确地规定程序将要完成的任务。
② 确定算法：
根据设计问题的要求和指令系统特点，选择解决问题的方法。
③ 设计程序流程图：
直观、清晰地体现程序的设计思想。
④ 分配内存单元：
确定程序和数据区的起始地址。
⑤ 编写源程序：
根据流程图和指令系统编写源程序。
⑥ 调试源程序：
先将源程序通过汇编生成目标文件，并消除语法错误，然后在用户板上调试，达到预定要求。
6.2软件设计框图
在整个系统运行过程中，当红外系统被启动后，首先，对单片机进行初始化。
当单片机接收到红外接收电路传输的电压信号后，经A/D转换程序，将片外的模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，并经电压—距离转换子程序，将变化的电压转换为距离。
最后，在数码管上显示出来。
6.3 Proteus仿真
因本系统是利用单片机进行系统控制，所以需采用单片机仿真工具Proteus进行仿真。
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。
Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。
因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
（1）proteus的工作过程
运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。
在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。
通过工具栏中的p（从库中选择元件命令）命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Definecode generation tools菜单
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