【毕业设计】汽车倒车雷达防护系统的设计

1、汽车倒车雷达防护系统的设计摘 要随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。这些事故常常给驾驶员带来许多麻烦。因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。倒车雷达是汽车泊车安全辅助装置，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。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。它可以提醒驾驶员进入警戒区域，同时进行声光报警。无须占用司机的视觉资源，使司机可以把全部注意力用于观察车前及车旁的路况。超声波发射部分由AT89C51单片机产生高电平信号，触发测距模块；系统接收部分由接收探头拾取反射回来的信号，当接收电路接

2、收到反射信号就中断AT89C51的计数器，停止计数，从而得到超声波从发射到接收信号的时间差，进而计算出车与后方障碍物之间的距离，指导司机安全倒车。关键词：倒车雷达，超声波，单片机Design of Vehicle Reversing Radar Protection System ABSTRACT With the development of the economy of China, many people have their own cars. Then, the accidents that caused by parking and reversing will be increa

3、singly common. These accidents often bring many troubles to drivers. So, the reverse radar comes out to help drivers to park and reverse. The reverse radara set of safety assistant installation applied on automobile parking. Also, it can tell drivers that there are many obstacles around them by voic

4、e or visual display. This design is a kind of reverse radar system based on SCM, using ultrasonic to measure distance. It can remind drivers that they have entered warning area as well as achieve audible and visual alarm. With the help of the radar, drivers are able to focus on observing the situati

5、on around the roads without occupying the drivers visual resources. Ultrasonic launch section produces high level signal to trigger ranging module through AT89C51. The system receiving part receives reflected signal by the sensor. When the receiver circuit receives reflected signals, it will interru

6、pt AT89C51 counter to stop counting. As a result, it can get The Time Difference from transmitting to receiving signal, and then calculate the distance between the obstacles. It can thus guiding drivers to back a car safely.KEY WORDS：reverse radar, ultrasonic, SCM目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪论11.1 课题研究

7、意义11.2 国内外发展现状11.3 研究内容及论文安排21.3.1 研究内容21.3.2 论文安排22 系统设计方案42.1 系统总体介绍42.2 系统功能介绍42.3设计方案的比较与论证42.3.1 控制器的选择42.3.2 测距方式的选择52.3.3 显示模块的选择52.3.4 报警模块的选择62.4 本章小结63 超声波测距雷达工作原理73.1 超声波传感器介绍73.2 超声波测距的原理及实现93.3 本章小结104 系统硬件设计114.1 设计目标114.2 系统框图114.3 微处理器114.3.1 AT89C51单片机简介114.3.2 单片机的内部结构124.3.3 单片机AT

8、89C51的特性144.3.4 单片机复位电路174.3.5 单片机时钟电路184.4 液晶芯片1602184.4.1 1602工作原理184.4.2液晶芯片1602功能介绍194.4.3 液晶芯片1602的指令说明及时序204.5 超声波测距模块HC-SR04214.5.1 HC-SR04的内部结构与工作原理234.5.2 发射电路的设计244.5.3 接收电路的设计244.6 DS18B20温度补偿模块244.7 报警模块255 系统软件设计265.1 系统主程序的设计265.2 中断处理程序的设计275.3 测距模块的设计285.4 DS18B20温度补偿模块的设计285.5 显示及报警

9、模块的设计286 总结296.1 结论296.2 展望29致 谢30参 考 文 献31附录 系统原理图32附录 部分源程序代码331 绪论倒车雷达全称“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，由超声波传感器、控制器、显示器及蜂鸣器等部分组成。它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、倒车和启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。1.1 课题研究意义近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，公路上、停车场上的汽车越来越多，交通也越来越拥挤。由于空间的有限性，

10、汽车在公路上行驶或者出入停车场时，其倒车、转弯的几率大大增加，而驾驶员的视线由于受到限制，尾撞和刮擦事故时有发生。据相关调查统计15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速，准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，本文设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。1.2 国内外发展现状通常的倒车雷达主要由感应器（探头）、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接受到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。感应器装在后保险杠上，以角45度辐

11、射，检测目标，能探索到那些低于保险杠而驾驶员从后窗又难以看见的障碍物并报警。显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示驾驶员停车。根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可分为数字式、颜色式和蜂鸣式。数字式显示设备可以直接安装在驾驶台上，有数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。倒车防撞雷达发展到现在经历了5代。第一代的倒车雷达系统是轰鸣器。倒车时，如果车后1.5米至1.8米处有障碍物，轰鸣器就会开始工作，轰鸣越急，表示车辆离障碍物越近。没有语音提示，也没有距离显示

12、。第二代倒车雷达可以显示车后障碍物离车的距离。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有0.8米以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6米至0.8米；红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到0.6米的距离，必须停止倒车。第三代用液晶荧屏显示，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围的障碍物的距离。该雷达动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。第四

13、代魔幻镜倒车雷达，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米内的障碍物，用区别等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。其外型就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。第五代倒车雷达是专门为高档轿车生产的，它的整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。因为是新品，售价也较高。倒车雷达的发展实际上已经融入了整车的设计，随着技术的成熟，价格的降低，倒车雷达将会逐渐普及成为标准配置。1.3 研究内

14、容及论文安排1.3.1 研究内容基于超声波测距原理。介绍了一种以单片机AT89C51为主控制器的倒车雷达防护系统。此系统在汽车倒车时自动启动，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，达到设定的距离时显示并播报。为了减小测距的误差在数据处理部分还采用了温度补偿来修正距离。主要完成三个主要模块的功能：超声波测距系统，单片机控制系统和显示报警系统。 本设计的主要研究内容有以下几个方面:(1) 简述了设计汽车倒车雷达系统的目的和意义，以及汽车倒车雷达系统的应用及发展状况。(2) 简要论述了汽车倒车雷达系统的工作原理、

15、基本组成，以及系统的方案，工作流程和系统的性能要求。(3) 重点对汽车倒车雷达系统硬件部分进行了分析与设计。主要是对超声波发射、接收，报警及显示电路的分析与设计。(4) 较为详细的说明了系统软件流程，关键部分给出了流程图和相关程序。(5) 最后对汽车倒车雷达系统研制过程中所做工作进行了总结。1.3.2 论文安排论文第1章为绪论，主要介绍了汽车倒车雷达防护系统的现状及其研究意义，本设计研究的内容及论文安排；第2章为系统设计方案的介绍，包括其具体可实现的功能及电路的设计；第3章为超声波测距雷达的工作原理，这部分详细的介绍了各种测距方式的对比，着重介绍了超声波测距的工作原理；第4章为硬件设计部分，这

16、部分详细介绍了所选硬件的特性及其各部分对实现自己所需要功能的作用及其电路图；第5章为软件设计部分，给出了主程序和各子程序流程图，程序清单以附件的形式附在论文最后。第6章为结论部分。接下来为致谢和参考文献。最后附有原理图及程序清单。2 系统设计方案2.1 系统总体介绍本次设计选用单片机AT89C51为主控制芯片，用超声波测距模块HC-SR04来实现测距功能，并进行信息的采集，经过单片机内部处理以后，进行数据计算，再将得到的数据进行存储，同时送入显示模块进行显示，由单片机控制蜂鸣器以及LED灯进行相应的报警提示。系统的总体框图如图2-1所示。图2-1 系统的总体框图2.2 系统功能介绍本系统利用超

17、声波测距系统HC-SR04进行测距，由单片机进行数据内部的计算存储，然后控制LCD来显示距离，蜂鸣器以及LED进行报警。主要功能为：测得当前汽车与障碍物的距离：由HC-SR04超声波测距模块采集到时间，并使用距离计算公式进行运算，得到汽车与障碍物的距离。单片机控制其显示方式，将得到的数据送入LCD1602。蜂鸣器及LED进行报警提示：完成防碰撞预警功能，在预设障碍物距离小于0.8米，报警指示灯亮；当距离小于0.4米，蜂鸣器发出声音。LCD数据显示：最小车距显示，显示模块能够显示最小车距以提醒驾驶者。2.3设计方案的比较与论证2.3.1 控制器的选择方案I：选用一片CPLD（如EPM7128LC

18、84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而超声波测距对处理速度要求不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案II：采用单片机作为整个系统的核心，用其处理超声波数据，以实现其既定的性能指标。充分分析系统，其关键在于实现超声波测距，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、

19、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。在综合考虑了传感器等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用AT89C51单片机的资源。2.3.2 测距方式的选择方案I：红外传感器。其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号强弱判断物体的距离。 方案II：激光传感器。它是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可

20、分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。 方案III：超声波传感器。超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。其原理犹如蝙蝠，它嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接收来判断是否检测到物体。 根据以上性能的比较，我们能看出来激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较

21、高，不易为大众接受。考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较短的响应时间，最终选用超声波传感器作为此方案的技术扩展。2.3.3 显示模块的选择方案I：采用12864液晶来充当显示模块，该液晶显示器功耗小，显示内容丰富，可以同时显示字母和汉字，体积小，超轻薄，在电子产品中广泛应用。方案II：采用1602液晶来充当显示模块，该显示器与12864特点相似，但是其显示内容比较单调，只能显示数字和字母。由于本设计只要显示数字及字母即可，出于以上考虑，选用方案II。2.3.4 报警模块的选择方案I：采用轰鸣器提示，当车体与障碍物的距离发生改变时，电路中电压或电流变化不同给蜂鸣器以不同信号，轰鸣声越急

22、，表示车辆离障碍物越近。方案II：声音LCD距离显示指示灯的方式，LCD显示距离，声音、指示灯提示，比较实用、直观、方便。通过对预警提示方式的分析，由于在该设计中只涉及到简单的报警声音，可以直接用单片机的某一引脚产生方波控制。我拟定采用简单的蜂鸣器来实现该功。2.4 本章小结本章全面介绍了系统设计原理和设计思路，分别详细介绍了控制器、测距方式、显示模块及报警模块的设计方法。3 超声波测距雷达工作原理3.1 超声波传感器介绍超声波是一种频率超过20KHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，

23、可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要

24、求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。 超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：压电传感器，磁致伸缩传感器，静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传

25、感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的

26、接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。图3-1 压电式超声波传感器结构图压电式超

27、声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图3-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制

28、成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可以防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性：(1) 频率特性如图3-2是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，f040KHz为超声发射传感器的中心频率，在f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在f0处所产生的超声声压能级最高。而在f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声

29、波发射传感器一定要使用非常接近中心频率f0的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。图3-2 超声波传感器频率特性曲线(2) 指向特性 实际

30、的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。3.2 超声波测距的原理及实现 超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感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，超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为v=340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障

31、碍物的距离(S)，即： （3-1）其中，t0就是所谓的渡越时间。 可以看出其主要部分有： (1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）； (2) 使接收和发射隔离的开关部分； (3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；(4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备； (6) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。 在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声

32、波测量中，常使用40KH的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。 距离测量系统常用的频率范围为25KHz300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时

33、及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。3.3 本章小结本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理产生超声波的。 4 系统硬件设计本系统主要由微处理器、超声波测距模块、显示模块、报警模块和温度补偿模块组成。下面介绍各部分原理及电路图。4.1 设计目标报警器利用超声波回波测距，测量车后一定距离内的物体，并以单片机作为中央控制单元。这种超声波雷达可及时显示车后障碍物的距离并报警，以警示司机不同程度的紧急状态。4.2 系统框图该报警器由控制系统、超声波发射电路、接收电路、报警电路、LED显示电路组成，系统原理框图见图4-1。 单 片 机驱动电路放

34、大电路显示电路报警电路驱动电路超声波发射电路超声波接收电路图4-1 系统原理框图4.3 微处理器4.3.1 AT89C51单片机简介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，内部包含有计算机的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，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。4.3.2 单片机的内部结构单片机内部结构如图4-2

35、所示: 图4-2 单片机内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)的字节长，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4-2可见，中央处理器(CPU)是通过内部总线与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

36、。为此，在分析单片机工作原理前，先对图4-2中各部件作一基本介绍是十分必要的。(1) 存储器在单片机内部，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。(a) ROM ROM(Read Only Memory，只读存储器)一般为132K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内ROM中，根据片内ROM的结构，单片机又可分为无ROM型、ROM型和EPROM(Erasable Programmable

37、Read Only Memory,可擦除可编程只读存储器)型三类。近年来，又出现了EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,电擦除可编程只读存储器)和Flash型ROM存储器。无ROM型单片机特点是片内不集成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型单片机内部，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型单片机内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

38、受研制人员欢迎的。 (b) RAM通常，单片机片内RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)容量为64256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。(2) 中央处理器(CPU)中央处理器的内部结构极其复杂，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。(a) 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(Accum

39、ulator)是一个具有输入/输出能力的移位寄存器，由8个触发器组成。TR(Temporary Register,暂存器)也是一个8位寄存器，用于暂存另一操作数。ALU(Arithmetic and Logical Unit，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(Program Status Word，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。(b) 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。

40、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(Instruction Decoder，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。(3) 内部总线单片机内部总线是CPU连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共通道。内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

41、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。(4) 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，它可以把单片机内部的并行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

42、/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)。4.3.3 单片机AT89C51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表示内含Flash存储器，C表示CMOS工艺。其管脚图如图4-3所示。图4-3 AT89C51 单片机管脚图AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器

43、可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。(1) 主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：100写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器

44、和时钟电路 (2) 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位

45、地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“

46、1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部

47、存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次

48、有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。(3) 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过

49、一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。(4) 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4.3.4 单片机复位电路

50、复位发生时，所有的系统寄存器恢复默认状态，程序停止运行，同时程序计数器PC清零。复位结束后，系统从向量0000H处重新开始运行。AT89C51有以下几种复位方式： (1) 上电复位；(2) 看门狗复位；(3) 掉电复位；(4) 外部复位（仅在外部复位引脚处于使能状态）。任何一种复位情况都需要一定的响应时间，系统提供完善的复位流程以保证复位动作的顺利进行。对于不同类型的振荡器，完成复位所需要的时间也不同。因此，VDD的上升速度和不同晶振的起振时间都不固定。在这里所用的复位为外部复位。外部复位引脚为施密特触发结构，高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。复位引脚处于低电平

51、时，系统正常运行。当复位引脚输入高电平信号时，系统复位。外部复位操作在上电和正常工作模式时有效。需要注意的是，在系统上电完成后，外部复位引脚必须输入低电平，否则系统将一直保持在复位状态。外部复位的时序如下：(1) 外部复位：系统检测复位引脚的状态，如果复位引脚不为低电平，则系统会一直保持在复位状态，直到外部复位结束；(2) 系统初始化：初始化所有的系统寄存器；(3) 振荡器开始工作：振荡器开始提供系统时钟；(4) 执行程序：上电结束，程序开始运行。外部复位可以在上电过程中使系统复位。良好的外部复位电路可以保护系统以免进入未知的工作状态。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位

52、是通过外部复位电路的电容充电来实现的，它在系统上电的过程中能够为复位引脚提供一个缓慢上升的复位信号。这个复位信号的上升速度低于VCC的上电速度，为系统提供合理的复位时序，当复位引脚检测到高电平时，系统复位结束，进入正常工作状态。本设计所采用的复位电路如图4-4所示。图4-4复位电路原理图以上的复位电路在通电时，是通过10uF的电容充电，并在复位端口和地之间加10k欧电阻从而使复位端口能够保持高电平，并有效保持复位按键按下后能够准确复位。4.3.5 单片机时钟电路单片机各种功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量影响单片

53、机系统的稳定性。时钟电路有两种设计有两种方式，一是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。我采用的是内部时钟方式，其电路图如图4-5所示。图4-5 时钟电路原理图单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为单片机的XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚外部跨接石英振荡器Y1和微调电容C1和C2，构成了稳定的自激振荡器。而电容的大小会影响振荡的频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性，因此对于电容选择是很关键的，我们这次设计的时钟电路采用了所提供的33pF电容可以构成稳定的自激振荡器电路。4.4 液晶芯片16024.4.1 1602工作原理1602LCD分为

54、带背光和不带背光两种,带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。LCD1602主要技术参数有： (1) 显示容量:162个字符 ；(2) 芯片工作电压:4.55.5V ；(

55、3) 工作电流:2.0mA(5.0V) ；(4) 模块最佳工作电压:5.0V ；(5) 字符尺寸:2.954.35(WH)mm。4.4.2液晶芯片1602功能介绍1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明见表4-1所示:表4-1 液晶芯片1602的外部接口编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读 /写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存