基于51单片机红外避障车辆高速汽车测速仪表设计

1 系统功能介绍

本设计题目为 基于 51 单片机的红外避障车辆高速汽车测速仪表设计。系统以 STC89C52 单片机 为核心控制器，结合 红外避障传感器、LCD1602 液晶、蜂鸣器及电源模块，实现了一个简易的人体反应测试与测速系统。设计思想来源于物理学中的速度测量原理，即通过已知的两点之间的固定距离以及经过该距离所消耗的时间，进而计算出瞬时速度。

整个系统主要功能如下：

1. 测速功能
   系统采用 两路红外避障传感器。当被测试对象经过第一个红外传感器时，系统记录起始时间；当对象经过第二个红外传感器时，系统记录结束时间。结合两传感器之间的固定间距（默认 1 米），系统实时计算速度并在 LCD1602 液晶 上显示。

2. 提示功能
   为了确保被测人员或被测车辆明确知道测试已开始，当第一个红外避障传感器检测到遮挡时，蜂鸣器会鸣叫一声作为提示音。

3. 数据显示功能
   LCD1602 液晶模块可实时显示测速结果，包括测速值以及提示信息，方便使用者查看。

4. 人机交互功能
   测试过程中无需额外操作，系统自动检测与计算，使用便捷，功能直观。

通过该系统，能够实现一个低成本、稳定可靠的简易测速测试仪表，既可用于人体反应测试，也可应用于小车测速等教学实验中。

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2 系统电路设计

系统硬件电路主要由以下几个部分组成：单片机核心电路、红外避障传感器电路、LCD1602 液晶显示电路、蜂鸣器电路、电源电路。以下逐一介绍各部分设计原理与功能。

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2.1 STC89C52 单片机核心电路

本设计采用 STC89C52RC 单片机 作为控制核心，它是基于 8051 内核的 8 位单片机，具有以下特点：

• 片内拥有 8KB Flash 程序存储器，足以容纳测速程序；
• 提供丰富的 I/O 端口，可直接连接红外传感器、液晶显示与蜂鸣器；
• 内置定时器/计数器，能够进行高精度时间测量，这是测速的关键环节；
• 工作电压范围宽，兼容常见 +5V 电源系统。

单片机在系统中主要负责 传感器数据采集、时间计算、速度运算、数据显示与蜂鸣器提示。

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2.2 红外避障传感器电路

测速部分的关键在于 两个红外避障传感器。其基本工作原理如下：

• 红外发射管持续发射红外光；
• 当被测物体经过传感器前方时，遮挡红外光，导致光敏三极管输出电平变化；
• 单片机检测到该电平变化，从而判定目标经过传感器的时刻。

设计中使用两个红外传感器，布置在直线通道上，间距固定为 1 米：

1. 第一个红外传感器：当检测到物体时，单片机立即记录起始时间，并触发蜂鸣器响一声作为提示。
2. 第二个红外传感器：当检测到物体时，单片机记录结束时间，并计算两次时间差。

通过时间差和已知的距离，系统可计算速度：

$$v=\frac{s}{t}$$

其中，$s=1\text{m}$，$t$ 为起始与结束的时间差，单位为秒。

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2.3 LCD1602 液晶显示电路

LCD1602 液晶是本系统的人机交互接口，主要功能是 实时显示测速结果。其特点：

• 一次可显示两行，每行 16 个字符；
• 通过 4 位或 8 位并行方式与单片机通信；
• 显示速度直观，刷新快，适合实时数据显示。

在本设计中，LCD 用于显示以下内容：

• 欢迎界面或提示信息；
• 实际测速结果，单位为 m/s。

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2.4 蜂鸣器电路

蜂鸣器用于在检测到被测物体经过 第一个传感器 时鸣叫一声，提示用户测试已开始。

• 采用有源蜂鸣器，由单片机直接输出高低电平驱动；
• 工作电压 5V，驱动简单；
• 与 LCD1602、传感器等模块形成良好的交互效果。

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2.5 电源电路

系统整体由 +5V 电源供电，电源部分应保证稳定性：

• 使用常见的 7805 稳压芯片或 USB 5V 电源输入；
• 适当增加电解电容与陶瓷电容滤波，确保传感器与单片机工作稳定。

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3 程序设计

程序是整个测速系统的核心。系统采用 C 语言编写，并基于 Keil 编译环境，通过 STC-ISP 下载到单片机。程序设计包括：主程序、传感器检测程序、定时器计时程序、速度计算程序、LCD 显示程序、蜂鸣器程序 等。

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3.1 主程序框架

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "delay.h"sbit IR1 = P1^0;   // 第一个红外传感器
sbit IR2 = P1^1;   // 第二个红外传感器
sbit BEEP = P2^5;  // 蜂鸣器unsigned int start_time = 0;
unsigned int end_time = 0;
unsigned int speed = 0;
bit flag = 0;void main()
{LCD_Init();LCD_ShowString(0,0,"Speed Measure");LCD_ShowString(1,0,"Wait...");Timer0_Init();while(1){if(IR1 == 0 && flag == 0) // 第一个红外触发{start_time = TH0*256 + TL0;LCD_ShowString(1,0,"Start!");BEEP = 0; delay_ms(200); BEEP = 1;flag = 1;}if(IR2 == 0 && flag == 1) // 第二个红外触发{end_time = TH0*256 + TL0;speed = 1000 / ((end_time - start_time) / 12); // 距离=1m，12MHz时钟换算LCD_ShowNum(1,0,speed,4);LCD_ShowString(1,5,"cm/s");flag = 0;}}
}

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3.2 定时器初始化程序

void Timer0_Init(void)
{TMOD |= 0x01;  // 定时器0，方式1TH0 = 0;TL0 = 0;TR0 = 1;       // 启动定时器
}

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3.3 延时程序

void delay_ms(unsigned int ms)
{unsigned int i,j;for(i=ms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);
}

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3.4 LCD 显示程序（部分示例）

void LCD_ShowString(unsigned char x, unsigned char y, char *str)
{LCD_SetCursor(x,y);while(*str != '\0'){LCD_WriteData(*str);str++;}
}

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3.5 蜂鸣器控制

蜂鸣器的控制非常简单，输出低电平即响，高电平关闭：

void Beep_Once(void)
{BEEP = 0;delay_ms(200);BEEP = 1;
}

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4 总结

本设计基于 STC89C52 单片机，利用 红外避障传感器、LCD1602 液晶与蜂鸣器 构建了一个简易的 人体反应测速系统。系统以 定时器计时法为核心算法，结合两个红外传感器的检测，实现了 已知距离下的速度计算。

设计的主要特点包括：

1. 硬件电路简单，仅需单片机、红外传感器、液晶与蜂鸣器；
2. 测速方法直观，通过两点定距法实现速度测量，物理意义明确；
3. 数据显示直观，LCD1602 清晰显示测速结果；
4. 提示功能完善，蜂鸣器在测试开始时给出提示音；
5. 应用场景广泛，可用于小车测速、人体反应测试、教学实验。

本系统具有 低成本、易实现、稳定性好 的优点，为单片机教学与实验性研究提供了一个良好的实例。