張琪

摘 要：AT89C51單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能微處理器，業(yè)內(nèi)習(xí)慣稱之為單片機(jī)。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，AT89C51單片機(jī)技術(shù)也取得了巨大的技術(shù)突破和進(jìn)步，AT89C51單片機(jī)以其高靈活性和價(jià)格低廉的特點(diǎn)廣泛地應(yīng)用在諸多行業(yè)，為很多嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種可行的解決方案。本文將AT89C51單片機(jī)技術(shù)和超聲波測(cè)距技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種基于51單片機(jī)的倒車監(jiān)視系統(tǒng)。本文主要對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)組成進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的主要硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；微電子技術(shù)；超聲波測(cè)距；倒車監(jiān)視系統(tǒng)

1 緒論

1.1 課題的目的及意義 隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和汽車價(jià)格的持續(xù)下降，汽車逐漸走進(jìn)了越來越多的普通家庭之中。汽車以其快捷性給人們帶來了極大的便利，方便了人們的出行，但是在這個(gè)過程中也出現(xiàn)了很多日益嚴(yán)重的問題，其中以倒車事故最為突出。有數(shù)據(jù)顯示，大約15%的事故都是汽車倒車視野差造成的。為了使倒車過程更加方便、安全，減少倒車事故的發(fā)生率，我們對(duì)倒車監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計(jì)?；?1單片機(jī)的倒車監(jiān)視系統(tǒng)具有倒車可視化、實(shí)時(shí)音頻提示等功能，在倒車過程中發(fā)揮著巨大的作用，對(duì)減少倒車事故發(fā)生率，保證倒車過程順利進(jìn)行有著重要的意義。

1.2 倒車監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 我國的倒車監(jiān)控系統(tǒng)始于2000年前后，最初只有少數(shù)高檔車應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)成為各種品牌汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。我國的倒車監(jiān)視系統(tǒng)在發(fā)展過程中，從最初的蜂鳴器語音報(bào)警到如今最先進(jìn)的全景數(shù)顯倒車監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)歷了六代的技術(shù)改良和跨越，未來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，汽車倒車監(jiān)視系統(tǒng)將會(huì)朝著更加小型化、智能化的方向發(fā)展。

2 超聲波測(cè)距技術(shù)概述

2.1 超聲波測(cè)距原理 超聲波是一種振動(dòng)頻率大于20000Hz的聲波，由于其振動(dòng)頻率很高超過了人耳聽覺所能認(rèn)知的上限，所以人耳不能聽到，因此這種聲波被稱為超聲波。由于其頻率高，因而超聲波具有許多諸如大功率、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。再者由于它頻率很高，波長短，衍射不嚴(yán)重，有著優(yōu)良的定向傳播特性，利用超聲波的這種特性，人們制成了超聲波傳感器。超聲波測(cè)距的原理是借助超聲波頻率高、定向性好的優(yōu)點(diǎn)利用超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器功能開始計(jì)時(shí)，傳播過程中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波的同時(shí)單片機(jī)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。同時(shí)利用計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間和超聲波在空氣中的傳播速度通過公式算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離。

2.2 超聲波測(cè)距方式 利用超聲波在發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的傳播，根據(jù)測(cè)量反射波和發(fā)射波之間的計(jì)時(shí)間隔，從而達(dá)到測(cè)距的目的。

2.2.1 聲波幅值檢測(cè)法。聲波幅值檢測(cè)法是利用接收器接受反射波并對(duì)其反射波的波幅進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)反射波的幅度大小的檢測(cè)來判斷發(fā)射點(diǎn)和障礙物之間的距離。這種檢測(cè)方法簡單廉價(jià)，但是檢測(cè)的精度較低。在使用過程中因其精度低所以使用較少。

2.2.2 相位檢測(cè)法。相位檢測(cè)法測(cè)距是通過測(cè)量連續(xù)的調(diào)制聲波往返距離產(chǎn)生的相位延遲，間接的測(cè)定聲波在空氣中往返于發(fā)射點(diǎn)和障礙物之間的飛行時(shí)間，從而求出被測(cè)距離。這種檢測(cè)方法最精確，但是受反射波的影響較大，導(dǎo)致測(cè)量距離較近。

2.2.3 渡越時(shí)間檢測(cè)法。渡越時(shí)間檢測(cè)法是通過對(duì)反射波的返回時(shí)延進(jìn)行檢測(cè)，并以此為依據(jù)判斷距離遠(yuǎn)近。這種檢測(cè)法不太復(fù)雜，測(cè)量精度高、測(cè)量距離大，應(yīng)用極其廣泛。

3 51單片機(jī)概述

3.1 51單片機(jī)基本信息 我們將所有的兼容因特爾8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)總稱為51單片機(jī)。該類型單片機(jī)的原始型號(hào)為因特爾8004單片機(jī)，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，8004單片機(jī)在某些性能指標(biāo)上取得了突破，廣泛地應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)之中，其中以ATMEL公司的AT89型號(hào)單片機(jī)為代表型號(hào)，它廣泛的應(yīng)用在工業(yè)測(cè)量控制系統(tǒng)之中。有很多公司為了占據(jù)市場(chǎng)份額，因而推出了多種類型的兼容型51系列單片機(jī)。雖然51單片機(jī)不具備自編程能力，但是其作為一種基礎(chǔ)入門型的單片機(jī)，應(yīng)用仍舊極其廣泛，本文中基于51單片機(jī)的倒車監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的AT89C51型單片機(jī)即是帶有4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的高性能CMOS 8位微處理器。

3.2 51單片機(jī)特性 AT89C51型單片機(jī)可以提供很多諸如閃存存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM、I/O 接口標(biāo)準(zhǔn)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、終端結(jié)構(gòu)等功能。同時(shí)，AT89C51也可以在0Hz下完成靜態(tài)邏輯操作，并可以以節(jié)電工作模式來工作。在空閑方式下工作時(shí)，系統(tǒng)雖然停止了CPU的工作，但是RAM和定時(shí)/計(jì)數(shù)器繼續(xù)保持工作狀態(tài)。在掉電模式下工作時(shí)，系統(tǒng)可以保存RAM中的內(nèi)容，但是在下一個(gè)硬件復(fù)位之前，振蕩器和其他所有部件都停止工作。

3.3 51單片機(jī)封裝形式 圖1系列單片機(jī)DIP封裝圖給出了雙列直插式封裝，DIP封裝與MCS-51系列單片機(jī)的引腳完全兼容，可以互換使用。CMOS工藝制造的低功耗芯片也采用塑封方型扁平式封裝和塑封有引線芯片載體封簇形式，這兩種封裝采用44個(gè)引腳，其中4個(gè)引腳不用，其引腳的排列如51系列單片機(jī)PQFP和PLCC封裝圖。

4 基于51單片機(jī)的倒車監(jiān)視系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1.1 基于51單片機(jī)的倒車監(jiān)視系統(tǒng)概述。倒車監(jiān)視器也叫汽車監(jiān)視器、車載監(jiān)視器、倒車監(jiān)視器，每個(gè)人的叫法不一樣，但是是一樣的產(chǎn)品。因目前大部分的公交車，大巴都已經(jīng)安裝了，自從國內(nèi)多次出現(xiàn)公交車爆炸，公交車交通事故后，更是受到廣大用戶的喜愛，該系統(tǒng)最初是倒車監(jiān)視器與車載攝像頭，傳輸線組成，有利于駕駛員在駕駛位置觀察上下車情況及倒車過程中尾部畫面，廣泛應(yīng)用于各種類型車輛之上。這種系統(tǒng)雖然現(xiàn)在廣泛應(yīng)用，但產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，行業(yè)也缺乏具體的型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)以供用戶選擇和參考，導(dǎo)致很多用戶安裝了這種系統(tǒng)后，未能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的效果?；?1單片機(jī)的倒車監(jiān)視系統(tǒng)由裝在車尾的攝像頭和超聲波檢測(cè)設(shè)備把倒車過程中尾部獲取的畫面，通過傳輸線把信號(hào)送到安裝在駕駛位的顯示器之中，以圖像的方式顯示車輛倒車過程中的障礙物情況，并以語音的形式進(jìn)行提示。這樣一來就擴(kuò)大了駕駛者的倒車視野范圍，使駕駛者更好地了解車輛周圍的狀況，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)車后的障礙物，使倒車過程更加方便、更加安全。

4.1.2 倒車監(jiān)控系統(tǒng)的功能。①電源輸出功能。視頻監(jiān)視器和超聲波檢測(cè)設(shè)備工作的電源DC12V，因目前市場(chǎng)上有好些廠家，設(shè)計(jì)的時(shí)候沒有考慮這個(gè)功能，攝像頭電源必須外接電源，造成的影響是攝像頭工作時(shí)間長了，經(jīng)常燒壞，由其是車載啟動(dòng)瞬間，最為明顯；另一方面，因?yàn)榫€路復(fù)雜、煩瑣，留下很多隱患，最專業(yè)倒車監(jiān)視器，是攝像頭的電源由監(jiān)視器內(nèi)部通過電源電路轉(zhuǎn)換，輸出DC12V電源，這樣電壓穩(wěn)定，紋波系數(shù)少，不易造成干擾。AT89C51單片機(jī)P3.3端口以一定的周期輸出頻率為40kHz的矩形脈沖信號(hào)，同時(shí)通過模擬開關(guān)以一定的周期將矩形脈沖信號(hào)傳輸?shù)匠暡z測(cè)設(shè)備。本系統(tǒng)采用數(shù)字化顯示屏幕和蜂鳴器作為監(jiān)控、報(bào)警裝置，其電路如圖3所示。超聲波檢測(cè)設(shè)備的主要作用是提高傳感器脈沖電壓幅值、進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換從而增大發(fā)射距離，將返回的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其電路集成圖如圖4所示。②抗震系統(tǒng)功能。由于倒車監(jiān)視系統(tǒng)安裝在不同的汽車載體之上，在運(yùn)行過程中震動(dòng)較大，這對(duì)倒車監(jiān)視系統(tǒng)的抗震功能提出了嚴(yán)格的要求，因此在設(shè)計(jì)過程中倒車系統(tǒng)必須具備系統(tǒng)抗震功能。③數(shù)字顯示和語音提示功能。當(dāng)汽車掛倒檔倒車時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通位于車尾的攝像系統(tǒng)和倒車檢測(cè)設(shè)備，將車后狀況清晰地顯示在駕駛座的液晶顯示屏上，準(zhǔn)確地把握后方路況。

4.2 系統(tǒng)組成框架 基于AT89C51單片機(jī)的倒車監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制模塊（以AT89C51為倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)控制芯片）對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行控制，發(fā)射模塊通過發(fā)射數(shù)字信號(hào)和超聲波信號(hào)對(duì)倒車過程中的障礙狀況進(jìn)行了解，并通過接收模塊接收發(fā)射模塊發(fā)射的數(shù)字信號(hào)和超聲波信號(hào)且通過單片機(jī)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。另一方面還存在著顯示模塊和報(bào)警模塊，起到顯示和報(bào)警作用，直接實(shí)現(xiàn)基于51單片機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能，系統(tǒng)組成框架圖見圖5。

4.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基于AT89C51單片的倒車監(jiān)控系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由AT89C51單片機(jī)控制，其超聲波發(fā)射電路可以在AT89C51單片機(jī)控制下發(fā)射超聲波。當(dāng)單片機(jī)接收電路接收到系統(tǒng)的反饋信號(hào)時(shí)，信號(hào)直接輸入到單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算和處理，最后通過單片機(jī)的計(jì)算程序計(jì)算出汽車尾部與障礙物之間的距離，然后將計(jì)算處理后的結(jié)果輸入到系統(tǒng)顯示電路，對(duì)比系統(tǒng)初設(shè)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，通過數(shù)字化顯示器和音頻報(bào)警系統(tǒng)顯示視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)倒車影像。

4.3.2 發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；贏T89C51單片機(jī)的倒車監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)主要由超聲波換能器和反向器74ALS04等組成，其電路圖如圖6所示。

系統(tǒng)超聲波接收模塊電路圖如圖7所示，其結(jié)構(gòu)主要有接收探頭、信號(hào)放大電路和波形變換電路。

4.4 實(shí)物仿真系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后應(yīng)通過仿真予以驗(yàn)證，實(shí)物仿真系統(tǒng)可以仿真各種模擬電路，支持單片機(jī)系統(tǒng)。通過實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的倒車監(jiān)控系統(tǒng)可以模擬倒車的整個(gè)過程，當(dāng)汽車和障礙物距離在1米以內(nèi)時(shí)，仿真系統(tǒng)報(bào)警電路模塊能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的目標(biāo)。在諸多仿真系統(tǒng)中，由Labcenter公司推出的ISIS系統(tǒng)是一款性能十分出色的實(shí)物仿真系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用。

5 總結(jié)

本文詳細(xì)的闡述了基于51單片機(jī)的倒車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課題研究目的及意義、倒車監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對(duì)超聲波測(cè)距原理、51單片機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究。同時(shí)也對(duì)基于51單片機(jī)的倒車監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的預(yù)期設(shè)計(jì)功能基本實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理，有較好的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)型。此外，本次設(shè)計(jì)還引入了實(shí)物仿真系統(tǒng)，通過實(shí)物仿真系統(tǒng)對(duì)倒車監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，對(duì)于發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)問題有著很大的實(shí)際意義。