基于51單片機汽車智能燈光控制系統設計仿真程序

ID:1141540 · 發表于 2024-12-26 17:25

一、設計項目
根據本次設計的要求，設計出一款基于51單片機的自動切換遠近光燈的設計。
技術條件與說明：
1. 設計硬件部分，中央處理器采用了STC89C51RC單片機；
2. 使用兩個燈珠代表遠近光燈，感光部分采用了光敏電阻，因為光敏電阻輸出的是電壓模擬信號，單片機不能直接處理模擬信號，所以經過ADC0832進行轉化成數字信號；
3. 顯示部分采用了LCD1602液晶，還增加按鍵部分電路，可以選擇手自動切換遠近光燈；
4. 用超聲模塊進行檢測距離；
二、設計要求
1. 要有硬件選型與硬件電路設計；
2. 體現出電路原理圖、流程圖、仿真圖、元件清單、調試步驟；
3. 設計報告一份，6000字以上，按指導的要求書寫。
三、設計期限及時間進度安排
1.設計開始時期：2024年11月18日
2.設計完成時期：2024年11月29日
3.進度安排：
第1-2天：下達任務書，查閱資料，確定設計方案與硬件選型；
第3-5天：完成硬件電路設計；
第6-7天：完成軟件設計；
第8-10天：完成系統測試，撰寫、完善設計報告。

目  錄
一、引言
1.1摘要
1.2課題研究意義
二、控制系統方案設計       2
2.1汽車智能遠近光燈設計簡介
2.2系統設計的工作原理
三、硬件設計
3.1 單片機簡介
3.2LCD1602液晶簡介
3.3 ADC0832簡介
3.4 超聲波測距模塊
四、軟件設計
4.1開發環境
4.2 主程序
4.3 液晶顯示流程
4.4 PCB和原理圖
致謝       12
參考文獻
附錄14

一、引言
1.1摘要
考慮到汽車的安全性能，設計了一款采用 STC89C52 單片機為電子控制單元核心的汽車前照燈遠近光自動切換系統。該系統主要由光強檢測系統和單片機系統組成。詳細介紹了系統的基本原理、理論分析及硬件設計，并提出了軟件的實現方法。其中，硬件系統模塊包括處理器模塊、傳感器模塊、顯示模塊。該前照燈系統較智能化，確保了汽車夜間行車的安全性。
1.2課題研究意義
隨著日益成熟的交通網絡的發展，汽車成為了人類出行不可缺少的交通工具。交通事故的頻繁發生成為了人們日漸擔憂的問題，人們更加關心汽車的安全性能。根據報道的數據顯示，我國夜間發生的交通事故中，70%左右是由于違章使用氙氣燈造成燈光炫目，使駕駛員無法看清前方路況而發生的。照明系統是汽車主動安全的重要組成部分之一，如今汽車前照燈燈光光型單一的傳統照明系統已經無法跟上當前汽車安全性能發展的趨勢；所以，為了減少交通事故的發生，考慮到汽車的人性化設計。本文采用 STC89C52 單片機設計了一款自動切換遠近光的汽車前照燈系統。這種前照燈系統更加智能化，能消除存在的安全隱患。

二、控制系統方案設計
2.1汽車智能遠近光燈設計簡介
夜間行駛的車輛相會時,很多駕駛員由于疏忽或者缺乏會車常識而不進行遠近光燈的切換,帶來了很大的安全隱患。這樣，有些車輛為了減少安全隱患，提高車輛夜間行車的安全性能，在前照燈電路中采用了自動變光系統。該系統主要由光敏管(光敏電阻)及放大器單元(感光器)、靈敏度調節器、遠/近光繼電器、變光開關、閃光超車開關等部件組成結合光電檢測技術、坡路檢測技術、路況智能檢測技術,設計實現了汽車遠近光燈智能切換系統。試驗表明,該系統可以靈敏地實現在會車時也可以準確地遠近光燈的自動切換。
2.2系統設計的工作原理
整體系統的工作分了兩種模式，手動和自動模式，手動狀態就是可以根據用戶主動按按鍵去控制打開關閉遠近光燈，自動狀態下，首先需要通過按鍵來設置遠近光燈自動切換的距離和開啟遠近光燈的光強閾值數據，由光敏電阻來檢測當前環境的光強，當前光強小于我們所設置的光強閾值，說明此時環境光比較暗，開啟燈光，但是，開啟遠光還是近光燈就由超聲測距得到的數據來決定，如果所測得的數據小于我們所設置的距離數據，說明前方人或其他物體，此時開啟近光燈，否則開啟遠光燈。
實物圖

三、硬件設計
根據本次設計的要求，設計出一款基于51單片機的自動切換遠近光燈的設計。所以本次設計硬件部分，中央處理器采用了STC89C52RC單片機，另外使用兩個燈珠代表遠近光燈，感光部分采用了光敏電阻，因為光敏電阻輸出的是電壓模擬信號，單片機不能直接處理模擬信號，所以經過ADC0832進行轉化成數字信號，還有顯示部分采用了LCD1602液晶，還增加按鍵部分電路，可以選擇手自動切換遠近光燈，最后還是用了超聲模塊進行檢測距離。整體硬件框圖如下：
3.1單片機簡介
單片機是STC公司最新推出的一種新型51內核的單片機。片內含有Flash程序存儲器、SRAM、UART、SPI、PWM等模塊。封裝圖如下圖：

（1）高集成度，體積小，高可靠性單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。單片機程序指令，常數及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。
（2）控制功能強為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統均有極豐富的條件:分支轉移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。
（3）低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品。為了滿足廣泛使用于便攜式系統，許多單片機內的工作電壓僅為1.8V～3.6V，而工作電流僅為數百微安。

3.2LCD1602液晶簡介
顯示部分則主要用于顯示溫度與溫度的上下限度。在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產品的通用器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產品中都可以看到，顯示的主要是數字、專用符號和圖形。在單片機與人的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發光管、LED數碼管、液晶顯示器。本設計中采用的是液晶顯示器作為輸出器件的。
在單片機系統中應用液晶顯示器作為輸出有以下幾個優點：
顯示質量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。
數字式接口液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統的接口更加簡單可靠，操作更加方便。
體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統顯示器要輕得多
低功耗：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。
字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。本設計采用的液晶顯示器為1602字符型液晶顯示器。
LCD顯示的基本原理：
點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節的8位，即每行由16字節，共16×8=128個點組成，屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區1024字節相對應，每一字節的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由RAM區的000H——00FH的16字節的內容決定，當（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。

3.3ADC0832簡介
ADC0832是國半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，其目前已經有很高的普及率。學習并使用ADC0832可是使我們了解A/D轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。
ADC0832具有以下特點：
● 8位分辨率；
● 雙通道A/D轉換；
● 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；
● 5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間；
● 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS；
● 一般功耗僅為15mW；
● 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝；
● 商用級芯片溫寬為0°C to +70°C?，工業級芯片溫寬為40℃ to +85℃
下面看看它的引腳及功能說明。
ADC0832引腳說明
（1） /CS片選使能，低電平有效。
（2） CHO模擬通道0，差分輸入時，作為IN+或IN-使用。
（3） CH1模擬輸入通道1，差分輸入時，作為IN+或IN-使用。
（4） GND 電源地。
（5） DI數據信號輸出，選擇通道控制。
（6） DO數據信號輸出，轉換數據輸出。
（7） Vcc/Vre電源輸入及參考電壓輸入（復用）。
（8） CLK芯片時鐘信號
ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。
正常情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯在一根數據線上使用。
3.4超聲波測距模塊
聲波是一種機械波，它可以在氣體、液體和固體等介質中傳播。超聲波是指頻率高于20 kHz，在彈性介質中傳播的一種機械振蕩。正常人的聽覺可以聽到20赫茲（Hz) -20千赫茲（kHz)的聲波，低于20赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過20千赫茲的聲波稱為超聲波。超聲波是聲波大家族中的一員，和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，是一種能量和動量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。郎之萬第一次采用居里兄弟發現的壓電晶體作為超聲波發射和接收的核心部件，是超聲波技術發展的一個里程碑。產生超聲波的裝置有機械型超聲換能器(例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用電磁感應和電磁作用原理制成的電動超聲換能器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應和鐵磁物質的磁致伸縮效應制成的電聲換能器等。超聲波按照波沿傳送方向的波動方式可分為縱波，橫波，表面波和板波。我們常見的是縱和橫波，本設計中用到的超聲波是縱波。縱波是指介質中的質點的振動方向與波的傳播方向相互平行或一致的波，用L表示。當介質質點受到交變拉壓應力作用時，質點之間產生相應的伸縮變形，從而形成縱波。這時介質質點疏密相間，故縱波又成為壓縮波或疏密波。凡能承受拉伸或壓縮應力的介質都能傳播縱波。固體介質既可承受拉力又可承受壓縮力，因此固體介質可以傳播縱播。液體和氣體介質雖不能承受拉力，但能承受壓應力產生體積或容積的變化，因此液體和氣體也可傳播縱波。
HC-SR04超聲波傳感器
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研究而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。  超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。
超聲波傳感器的主要性能指標，包括：
①工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
②工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。
③靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。  本文采用HC-SR04超聲波傳感器，其主要技術參數為：使用電壓：DC---5V 靜態電流：小于2mA 電平輸出：高5V，低0V 感應角度：不大于15度探測距離：2cm—4m 精度：0.2cm
超聲波測距
利用單片機輸出一個觸發信號，把觸發信號輸入到超聲波測距模塊，再由超聲波測距模塊的發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時單片機通過軟件開始計時，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物返回，接收器接收到反射波產生一個信號反饋給單片機，此時計時停止。在常溫25℃時，超聲波在空氣中的傳播速度為346m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=346t/2。
該部分采用HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到0.2cm，模塊包括超生波發射器，接收器與控制電路。工作原理：
① 采用IO口TRIG觸發測距，給至少給10us的高電平；
② 模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；
③ 有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。  測試距離=（高電平持續時間*聲速（346m/s））/2 。時序圖如下：
以上時序圖表明，只需提供一個10us以上的脈沖信號，該模塊內部將發出8個40KHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發射信號到接收到回響信號的時間間隔可以計算得到距離[8]。優點：超聲波檢測障礙物的精度高，反映靈敏，受外界干擾小，計算簡單、易于做到實時控制。

四、軟件設計
4.1開發環境
STC89C52單片機軟件開發平臺為Keil uvision4 C52，仿真環境為Protues，下載軟件為STC_ISP。
Keil C52是美國Keil Software公司出品的52系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統。
Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8052、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。
STC-ISP 是一款單片機下載編程燒錄軟件，是針對STC系列單片機而設計的，可下載STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC單片機，使用簡便，現已被廣泛使用。
4.2主程序
整體的程序部分分了按鍵部分，超聲檢測部分，液晶顯示部分，以及遠近光燈驅動部分。

4.3液晶顯示流程
液晶顯示采用了LCD1602液晶，這是種常用的液晶，驅動起來方便，使用簡單，顯示數據的整體流程無非是，首先液晶初始化，然后送入要在哪一個地址顯示的地址數據，再送如要顯示的數據即可，但是要注意的是，1602液晶是字符屏，送入的顯示的數據必須是字符。顯示流程圖如下：
4.4PCB和原理圖
  如下圖