基于AT89C52单片机倒车防撞报警系统设计毕业论文.docx
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基于AT89C52单片机倒车防撞报警系统设计毕业论文
基于AT89C52单片机倒车防撞报警系统设计毕业论文
摘要i
ABSTRACTii
第一章绪论1
第一节课题研究的背景1
第二节课题研究的目的及意义2
第三节目前国外的研究现状2
第四节超声波的特性及作用原理3
第二章AT89C52单片机简介4
第一节单片机基础知识4
一、单片机的部结构4
二、单片机的基本工作原理7
第二节单片机的分类及发展8
一、单片机的分类8
二、8位单片机的新发展8
第三节单片机AT89C52的特性9
一、主要特性9
二、管脚说明10
三、振荡器特性12
四、芯片擦除12
五、特殊功能寄存器12
六、引脚号功能特性13
七、中断寄存器13
八、数据存储器13
九、定时器13
十、中断14
第三章系统构建与方案设计15
第一节系统设计要求15
第二节系统构建15
第三节系统方案设计16
一、测距系统方案设计16
二、超声波测距方案设计18
三、控制系统方案设计19
四、显示报警系统方案设计20
五、复位电路方案设计22
六、时钟电路方案设计23
第四章系统硬件设计25
第一节系统硬件设计思想25
第二节测距系统设计26
一、超声波测距原理26
二、测量与控制方法26
三、超声波发射模块电路设计27
四、超声波检测接收电路28
五、CX20106A的原理与应用28
第三节显示电路原理30
一、LED数码管30
二、LED数码管的显示方法31
三、74LS244芯片说明32
四、PNP三极管901233
第四节时钟电路34
第五节复位电路35
第六节电源电路35
第七节温度补偿36
一、DSl8B20简介36
二、利用单片机AT89C52与DSl8B20构成最小测温系统37
第八节硬件抗干扰37
第五章系统软件的设计39
第一节超声波测距仪的算法设计39
第二节主程序39
第三节超声波发生子程序和超声波接收中断程序42
第四节显示程序45
第五节报警程序47
第六节软件抗干扰47
总结49
参考文献51
附录52
外文资料62
中文翻译68
致谢73
第一章绪论
第一节课题研究的背景
随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。
在享受汽车给我们带来的便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。
一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越来越少；另一方面，新司机及非专职司机越来越多，因倒车引起的纠纷越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。
在2006年汽车事故的发生比例中，倒车引起的事故占28％，倒车已成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。
据统计，危险境况时，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％。
改善倒车遇到的窘境被越来越多的人所关注，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可将车快速准确地停放到指定的位置。
汽车倒车中存在的困难，其一是来自于驾驶者坐在驾驶座位上无法完全了解汽车四周特别是后方的环境。
驾驶者只能依赖后视镜观察后方障碍物，后视镜受其位置的限制，视野狭窄、清晰度差，根本无法达到倒车中后视的目的。
其二是倒车时驾驶者同时要兼顾车辆前方、两侧的情况，必须扭身回头观察车辆后面的情况，体力和脑力消耗过大，易产生不安全因素。
其三，倒车是一个复杂的工程，它依赖于驾驶者的驾驶经验、驾驶技巧及反应灵敏程度；任一环节出问题都导致驾驶员无法快速准确地完成倒车任务。
解决汽车的倒车难问题目前有两种思路，一是寄希望于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟，目前这项技术仍处于研制开发阶段，短期尚未推广应用；第二是采用简单的汽车倒车预警系统，但是传统的汽车倒车预警系统的功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断车后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务。
本文研究的汽车倒车预警系统属于第二种思路，能很大程度地解决倒车难题，同时为汽车自动驾驶的研究应用奠定了基础。
第二节课题研究的目的及意义
在汽车电子领域中，倒车雷达（CarReversingAidSystem）全称“倒车防撞雷达”又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，主要针对汽车倒车时无法目测到车尾的物体和距离车身的距离而设计开发的。
本课题设计的汽车倒车预警系统将为驾驶者提供一个倒车提示和距离报警，本课题的现实应用的意义在于：
（1）将倒车自动化从被动防撞引向智能控制方向发展；
（2）体现了“以人为本”的驾驶理念，倒车时驾驶者的视线可集中在前方，不需顾及车后状况，增加了倒车的安全性和可靠性，并且它的应用可减轻司机体力和脑力劳动的强度；
（3）安全可靠的防碰撞预警，使驾驶者无论是白天还是夜晚都能实现安全倒车；
（4）这一方案建立在安装小组件的基础上，避免对汽车整个车的影响，为应用和普及创造了条件，经济性较好，易于普及。
汽车倒车雷达预警系统的运用可极大地减轻驾驶者的体力、脑力劳动强度，降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起的事故，同时它将对提高汽车智能化水平和最终实现汽车无人驾驶产生积极的意义。
第三节目前国外的研究现状
超声波是指频率在20kHz～106kHz的机械波，波速一般为1500m/s，波长为0.01cm～10cm。
超声波的波长远大于分子尺寸，说明超声波本身不能直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用影响分子，所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。
超声波既是一种波动形式，又是一种能量形式，在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。
超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。
随着科学技术的发展,相关技术领域相互渗透，使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。
超声波作为一种特殊的能量输入方式，所具有的高效能在材料化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用。
仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说,是其他方法所望尘莫及的，更不用说超声波定量控制的效果了。
近年来,随着超声波技术的日益发展与成熟，其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等领域都得到了广泛的应用。
在材料合成中，尤其是纳米材料的制备中，超声波技术有着极大的潜力。
通过超声波方法制备纳米材料，达到了目前我们采用激光、紫外线照射和热电作用所无法实现的目标，具有很好的前景。
第四节超声波的特性及作用原理
与可闻波相比，超声波由于频率高、波长短，在传播过程中具有许多特性:
a、方向性好。
由于超声波的功率高，其波长较同样介质中的声波波长短得多，衍射现象不明显，所以超声波的传播方向好。
b、能量大。
超声波在介质中传播时，当振幅相同时，振动频率越高能量越大。
因此，它比普通声波具有大得多的能量。
c、穿透能力强。
超声波虽然在气体中衰减很强，但在固体和液体中衰减较弱。
在不透明的固体中，超声波能够穿透几十米的厚度，所以超声波在固体和液体中应用较广。
d、引起空化作用。
在液体中传播时，超声波与声波一样是一种疏密的振动波，液体时而受拉时而逐级压缩，产生近于真空或含少量气体的空穴。
在声波压缩阶段，空穴被压缩直至崩溃。
在空穴崩溃时产生放电和发光现象，这种现象称为空化作用。
超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的通用技术之一。
目前，超声技术的应用已经深入到社会生活的各个领域。
超声技术是通过声波的产生、传播及接收的物理过程而完成的，它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开的。
第二章AT89C52单片机简介
本课题所设计的倒车防撞系统是基于单片机控制的，本课题以Atmel公司的单片机AT89C52为核心。
第一节单片机基础知识
单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller）。
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，部包含有计算机的基本功能部件：
CPU（CentralProcessingUnit,中央处理器）、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
一、单片机的部结构
单片机部结构如图2-1所示。
图2-1单片机部结构
与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。
它是由中央处理器（CPU）芯片、ROM芯片、RAM芯片和I/O接口芯片等通过印刷电路板上总线（地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB）连成一体的完整计算机系统。
其中，中央处理器（CPU）的字长长，功能强大；ROM和RAM的容量很大；I/O接口的功能也大，这是单片机无法比拟的。
因此，单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。
由图2-1可见，中央处理器（CPU）是通过部总线与ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。
为此，在分析单片机工作原理前，先对图2-1中各部件作一基本介绍是十分必要的。
（一）存储器
在单片机部，ROM和RAM存储器是分开制造的。
通常，ROM存储器容量较大，RAM存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。
1．ROM
ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）一般为1~32K字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。
由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。
为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片ROM中，根据片ROM的结构，单片机又可分为无ROM型、ROM型和EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，可擦除可编程只读存储器）型三类。
近年来，又出现了EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory，电擦除可编程只读存储器）和Flash型ROM存储器。
无ROM型单片机特点是片不集成ROM存储器，故应用程序必须固化到外接的ROM存储器芯片中，才能构成有完整功能的单片机应用系统。
ROM型单片机部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的，程序一旦固化进去便永远不能修改。
EPROM型单片机部的程序存储器是采用特殊FAMOS管构成的，程序一旦写入，也可以通过特殊手段加以修改。
因此，EPROM型单片机是深受研制人员欢迎的。
2．RAM
通常，单片机片RAM（RandomAccessMemory，随机存取存储器）容量64～256字节，最多可达48K字节。
RAM主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。
（二）中央处理器（CPU）
中央处理器的部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理图来加以分析介绍是根本不可能的。
下面简单概述一下几个主要部分的工作原理。
1．运算器
运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行。
运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成。
累加器A（Accumulator）是一个具有输入/输出功能的移位寄存器，由8个触发器组成。
TR（TemporaryRegister，暂存器）也是一个8位寄存器，用于暂存另一操作数。
ALU（ArithmeticandLogicalUnit，算术逻辑单元）主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四则运算和逻辑操作。
PSW（ProgramStatusWord，程序状态字）也由8位触发器组成，用于存放ALU操作过程中形成的状态。
2．控制器
控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。
控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。
指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。
指令是一种能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。
时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。
微操作控制部件可以为ID（InstructionDecoder,指令译码器）输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可与外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。
（三）部总线
单片机部总线是CPU连接片各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共通道。
部总线主要由三种不同性质的连线组成，它们是地址线、数据线和控制线/状态线。
地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由CPU发出并被存储器或I/O接口电路所接收。
数据线用来传送CPU写入存储器或经I/O接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经I/O接口读入的数据。
因此，数据线通常是双向信号线。
控制/状态线有两类：
一类是CPU发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求、存储器忙和系统复位信号等。
（四）I/O接口和特殊功能部件
I/O接口电路有串行和并行两种。
串行I/O用于串行通信，它可以把单片机部的并行8位数据（8位机）变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给CPU处理。
并行I/O口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据（8位机）。
二、单片机的基本工作原理
单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。
因此，单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理。
为此，先从指令程序谈起。
（一）单片机的指令系统和程序编制
指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码（InstructionCode）。
指令码由操作码（OperationCode）和地址码（AddressCode）构成：
操作码用于指示机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的数在哪里。
其格式为：
操作码
地址码
指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符形式来表示，表2-1所列。
表2-1指令的三种形式
指令的二进制形式
指令的十六进制形式
指令的汇编形式
01110100data1
74data1
MOVA,#data1;A←data1
00100100data2
24data2
ADDA,#data2;A←data1+data2
100000001111110
80FE
SJMP$;停机
指令的集合或指令的全体称为“指令系统”（InstructionSystem）。
微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。
所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排列起来的有序指令的集合。
程序的编制称为“程序设计”。
通常，设计人员采用指令的汇编符（即助记符）形式编程，这种程序设计称为“汇编语言程序设计”。
（二）单片机执行程序的过程
为了弄清单片机的工作原理，现以如下的Y=5+10求和程序来说明单片机的工作过程。
7405HMOVA,#05H；A←05H
240AHADDA,#0AH；A←5+10
80FEHSJMP$；停机
该程序由三条指令组成，每条指令均为双字节指令（即第一字节为操作码,第二字节为地址码）。
第一条指令的含义是把05H传送到累加器A中；第二条指令是加法指令,它把累加器A中的5和立即数10相加，结果保留到累加器A中；第三条是停机指令，机器执行后处于动态停机状态。
第二节单片机的分类及发展
1974年，美国仙童（Fairchild）公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8，该机由两块集成电路芯片组成，结构奇特，具有与众不同的指令系统，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。
从此，单片机开始迅速发展，应用围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。
一、单片机的分类
20世纪80年代以来，单片机有了新的发展，各半导体器件厂商也纷纷推出自己的产品系列。
迄今为止，市售单片机产品已达60多个系列，600多个品种。
按照CPU对数据处理位数来分，单片机通常可以分为以下四类。
（一）4位单片机4位单片机的控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制数。
这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。
（二）8位单片机8位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。
和4位机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址围，而且中断源、并行I/O接口和定时器/计数器个数都有不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。
在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。
特别是8位机中的高性能增强型单片机，除片增加了A/D和D/A转换器以外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器（Watchdog）、总线控制部件和晶体振荡电路等。
这类单片机由于其片资源丰富且功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。
（三）16位单片机16位单片机是在1983年以后发展起来的。
这类单片机的特点是：
CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的单片机寻址能力高达1MB，片含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。
这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器。
（四）32位单片机32位单片机的字长为32位，是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。
近年来，随着家用电子系统的新发展，32位单片机的市场前景看好。
二、8位单片机的新发展
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是8位单片机已成为当前单片机的主流。
8位单片机的新发展具体体现在如下四个方面：
（一）CPU功能增强；
（二）部资源增多；
（三）引脚的多功能化；
（四）低电压和低功耗。
第三节单片机AT89C52的特性
AT89C系列单片机是Atmel公司生产的一款标准型单片机。
其中数字9表示含Flash存储器，C表示CMOS工艺。
AT89C52是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。
片含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
一、主要特性
兼容MCS51指令系统
8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
32个双向I/O口
256×8bit部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
AT89C52管脚图如图2-2所示。
图2-2AT89C52单片机管脚图
二、管脚说明
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
VCC：
电源电压。
GND：
接地。
P0：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。
在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。
与AT89C51不同之处是，Pl.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（Pl.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。
P2口：
P2口是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电路。
对端口P2写“l”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXADPTR指令）时，P2送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器，如执行MOVXARi指令）时，P2口输出P2锁存器的容。
FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口：
P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
端口引脚第二功能
P3.0RXD（串行输入口〕
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0〕
P3.3INT1（外中断l）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5Tl（定时/计数器l）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位。
可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活，此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LBI被编程，复位时部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端）,CPU则执行部程序存储器中的指令。
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