基于51單片機倒車防撞報警系統(tǒng)(共15頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和汽車價格的持續(xù)下降，越來越多的家庭擁有自己的汽車，汽車的安全也成為亟待解決的問題。對汽車倒車預警技術(shù)的研究，具有重要的現(xiàn)實意義?；?1單片機的超聲波測距儀之倒車雷達裝置，安裝在汽車上，可以及時了解前方與后方的障礙物情況，隨時做出正確的判斷，保障人類的生命安全。在此基礎(chǔ)上，本文研究了基于51單片機倒車防撞報警系統(tǒng)，首先簡要闡述了本文的研究背景、意義、超聲波測距的基本理論，并介紹了超聲波測距報警系統(tǒng)。根據(jù)型電氣設(shè)備的設(shè)計要求，在傳統(tǒng)非超聲波測距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了超聲波測距報警系統(tǒng)。整個測距系統(tǒng)的實現(xiàn)包括數(shù)字電路設(shè)計、模擬電路設(shè)計和軟件

2、的編輯。關(guān)鍵詞：51單片機；倒車防撞報警系統(tǒng)；超聲波測距專心-專注-專業(yè)ABSTRACTAs China's economy continues to develop and car prices continued to decline, more and more families have their own cars, car safety has become a problem to be solved. It is of great practical significance to study the warning technology of car astern.

3、Ultrasonic range finder based on 51 single chip microcomputer of reversing radar system, installed on the car, can timely understand the front and rear obstacles, at any time to make the right judgment, to ensure the safety of human life. On this basis, this paper studies the reverse collision warni

4、ng system based on 51 single-chip processor, this paper expounds the research background, significance of this article, the basic theory of ultrasonic ranging, and introduces the ultrasonic ranging alarm system. According to the design requirement of the electric equipment, the ultrasonic range alar

5、m system is designed and implemented on the basis of the traditional non-ultrasonic range system. The implementation of the whole range system includes digital circuit design, analog circuit design and software editing. Keywords: 51 microcontroller; Reversing alarm system Ultrasonic ranging 目 錄第一章 緒

6、論1.1課題概述隨著汽車輛保有量的增加，車庫與停車位的需求量越來越大，室外停車場，地下停車場，車輛密集停車人多，所以撞車、擦碰不斷增多。而事故的發(fā)生，大多數(shù)都是由于駕駛員對離障礙物的距離判斷不準造成的。因此，研究開發(fā)汽車防撞裝置等主動式汽車輔助安全裝置，減少駕駛員的負擔和判斷錯誤，對于提高交通安全將起到重要的作用。隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，采用超聲波進行精確測距已經(jīng)成為可能。超聲波是聲波的一種，超聲波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律和普通機械波一樣，比如會在介質(zhì)的分界面產(chǎn)生反射和折射，而且進入介質(zhì)之后會被吸收而產(chǎn)生衰減現(xiàn)象。由于超聲波的一些特性，使其能夠應用在測距當中。超聲波測距系統(tǒng)根據(jù)其精度和量程的不同

7、，主要用在固定的物體的距離測量或者液體高度的測量，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距在工業(yè)和生活領(lǐng)域得到了廣泛的應用。利用超聲波測距的方法有很多，包括相位法、幅值法和飛行時間法等。其中，相位檢測法利用超聲波發(fā)射信號與接收端接收的正弦電壓信號之間的相位差值來計算所測物體的距離，此種方法具有最高的精度，但是檢測距離較小，并且電路相對復雜，具有很大的局限性；聲波幅值法通過檢測回波幅值的大小來判斷所測目標的距離，此種方法價格便宜、容易實現(xiàn)，但是易受反射波的影響，從而導致測量精度較低；飛行時間法采用脈沖信號激勵超聲波傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)過被測物體反射后形成反射波，換能器把機械信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，通過計算超聲

8、波的飛行時間來實現(xiàn)距離測量，此方法測量精度高，易于實現(xiàn)。超聲波倒車雷達充分運用超聲波測距的原理，并結(jié)合IC或單片機技術(shù)，其結(jié)構(gòu)簡潔，穩(wěn)定性好，可以根據(jù)溫度的改變進行溫度補償，但是，一般的倒車雷達還仍然存在如下一些問題：(1)測距結(jié)果和報警更新速度慢在這段時間之內(nèi)，汽車處于高速行駛之中，明顯存在反應的延遲；(2)超聲波的工作特性與所檢測的物體與換能器平面的角度有關(guān)，隨著角度的變大，超聲波換能器發(fā)射超聲波的能量和接收超聲波的能力逐漸減弱，導致只用一個換能器進行超聲波測距時普遍存在測量死角。而用多個測距系統(tǒng)協(xié)同工作時，雖然可以消除測量死角，但是成本太高；(3)普通的倒車預警系統(tǒng)采用離散的元器件進行電

9、路設(shè)計，往往電路復雜，成本較高，難以得到廣泛應用。基于以上背景，本文設(shè)計了一種基于51單片機倒車防撞報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以放置于司機的視線盲區(qū)，當車輛達到警戒距離時，就可以發(fā)出警報并且制動。而AT89C51與US100以及設(shè)計的整體電路性能可靠，價格低廉，很適合大規(guī)模推廣使用。1.2設(shè)計內(nèi)容本論文目標是完成倒車防撞報警系統(tǒng)研制，提出了一種基于超聲波測距的倒車防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計方法，包含超超聲波測距、聲光報警和供電電路設(shè)立，對各個部分進行了硬件設(shè)計及軟件編程。最后對整個系統(tǒng)進行了仿真試驗和調(diào)試，對試驗結(jié)果進行了分析和歸納。論文總共5章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章首先介紹了課題的研究背景及意義；列出

10、了課題的主要研究內(nèi)容及工作安排。第二章研究并實現(xiàn)了超聲波測距系統(tǒng)。簡要介紹了超聲波測距的基本理論，包括超聲波傳感的工作機理和超聲波測距原理。給出了超聲測距系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，選擇專用于倒車雷達的超聲波測距芯片AT89C51作為主控芯片。第三章設(shè)計了電源電路及聲光報警電路，其中超聲波換能器的驅(qū)動電路是本文著重提出的一個新型驅(qū)動電路。測距系統(tǒng)的軟件部分主要包括測距結(jié)果顯示程序和聲光報警程序，以實現(xiàn)測量距離的顯示和聲光報警，當機車離的障礙物達到設(shè)定的限度時，LED指示燈亮蜂鳴器發(fā)出不同頻率的報警聲。第四章對整個倒車防撞報警系統(tǒng)進行了裝置實現(xiàn)及結(jié)果分析。對電源進行了短路實驗；分析了超聲波傳感器驅(qū)動電路

11、的特性；通過超聲波測距系統(tǒng)的測量結(jié)果分析了其線性度和可重復性；展示了倒車影像系統(tǒng)的視頻顯示結(jié)果。第五章總結(jié)與展望。第二章設(shè)計方案選擇2.1總體方案設(shè)計圖1 超聲波測距系統(tǒng)總體設(shè)計超聲波測距報警系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，根據(jù)超聲波測距裝置的要求，至少應該有三個超聲波換能器配合工作，才能彌補超聲波傳感器的固有盲區(qū)所帶來的測距死角。本測距系統(tǒng)采用四路換能器組合工作的方式,。測距報警系統(tǒng)整體由電源電路、超聲波測距部分和報警顯示部分等構(gòu)成。電源電路模塊提供測距報警系統(tǒng)所需要的各種電壓等級的電壓，包括5V、3.3V和12V等。超聲波測距部分包含發(fā)射電路、回波處理電路和數(shù)據(jù)處理部分。AT89C51作為超聲波

12、測距IC，起著發(fā)射40KHz的脈沖序列來驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波的作用，同時，還能夠接收并處理回波數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為距離信息發(fā)送給下一級單片機。顯示報警模塊由控制單元和顯示報警單元組成，其中控制單元用來接收測距模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)信息并發(fā)出顯示、報警命令，最后，顯示報警單元將距離信息顯示到LCD上并根據(jù)距離的遠近發(fā)出不同等級的報警信號。2.2單片機本文選用AT89C51單片機作為主控制器。AT89C51是一種帶4KFLASH的低電壓、高性能CMOS 8位，俗稱。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造

13、技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C051是它的一種精簡版本。AT89C51為很多提供了一種靈活性高且價廉的方案。下面是AT89C51處理器的功能特點：AT89C51 提供以下標準功能：4k Flash ，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工口，片內(nèi)振蕩器及。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定

14、時/計數(shù)器，串行通信口及繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。AT89C51有一個活動模式和五個軟件可選的低功耗操作模式，只需一個中斷時間就可以將單片機從低功耗模式中喚醒，而且中斷程序一結(jié)束就恢復會低功耗模式。第三章硬件電路設(shè)計3.1超聲波模塊超聲波的發(fā)射電路如圖2所示，主要由反相器74LS04和發(fā)射換能器構(gòu)成。圖2超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波換能器的內(nèi)部由一個換能板和兩個壓電晶片構(gòu)成，當壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵后即可產(chǎn)生振動，發(fā)射聲波脈沖，是逆壓電效應，逆壓電效應用于超聲波的發(fā)射。正壓電效應和逆壓電效應正好相反，當外界的超聲波的聲波信

15、號作用于超聲波換能器的壓電晶片時，晶片將會被迫發(fā)生振動而引起形變轉(zhuǎn)換成電信號，這個過程就是正壓電效應，正壓電效應應用于超聲波的接收。3.3超聲波檢測接收電路的設(shè)計超聲波接收器包括接收發(fā)射探頭、信號放大電路和波形變換電路3個部分，超聲波的接收采用CX20106A集成電路模塊，是一款紅外線檢波接收的芯片，紅外線波的頻率為38kHz，與測距使用的超聲波頻率接近，芯片的f5角連接一個外接電阻，此電阻使濾波器的中心頻率能夠調(diào)節(jié)，當R21的阻值越大濾波器的中心頻率就越低，變化范圍在3060kHz之間。CX20106對收到的信號進行放大、濾波作用，當接收到的聲波信號經(jīng)由放大器，調(diào)整信號的頻率，然后濾波消除干

16、擾信號，最后再經(jīng)過整形，輸出到CX20106的7腳輸出。當接收到的聲波信號與CX20106的中心頻率相符時，它的7腳就會低電平輸出，而7腳接到INT0引腳上，這樣就會中斷。若頻率和CX20106的中心頻率不同時，即可調(diào)節(jié)R21，使濾波器的中心頻率與超聲波測距的頻率相符，超聲波檢測接收電路如圖3所示。圖3超聲波檢測接收電路3.3聲光報警及顯示電路本文設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有聲光報警功能，當障礙物距離達到危險值以內(nèi)時，發(fā)出閃爍光和蜂鳴聲并可以根據(jù)距離的遠近發(fā)出不同頻率的聲音。所設(shè)計的聲光報警器主要應用了發(fā)光二極管以及有源蜂鳴器兩種常見的器件，聲光報警電路如圖4所示。圖4聲光報警電路本文采用的是TM

17、B12A05型有源蜂鳴器以及白發(fā)紅光LED燈，兩者分別通過5V和3.3V直流電壓供電。微處理器采用AT89C51型單片機，利用其中的兩個I/O口來控制蜂鳴器和LED燈電路的導通和關(guān)斷。當障礙物處于安全范圍以外時，一號和二號I/O口分別輸出高電平和低電平，電路處于關(guān)斷狀態(tài)，不發(fā)出任何報警；當障礙物處于安全范圍以內(nèi)時，一號I/O口輸出低電平，控制二極管進行發(fā)光報警，同時二號I/O口將根據(jù)距離的遠近發(fā)出一系列不同頻率的脈沖信號，導致蜂鳴器發(fā)出相應頻率的報警聲音。常用的數(shù)據(jù)顯示方式有兩種：數(shù)碼管顯示和液晶屏顯示。本文選取LCD12864顯示屏來顯示測距結(jié)果，LCD12864自帶中文字庫，并且可以同時顯

18、示文字和圖形；藍色背光和白色字體可以保證在任何環(huán)境下都可以準確讀出測距結(jié)果。液晶驅(qū)動電路如圖5所示。圖5 液晶驅(qū)動電路3.4供電電路本課題所設(shè)計的倒車防撞報警系統(tǒng)采用12V電源統(tǒng)一供電，而超聲波測距部分電路當中還包含另外兩種等級的電壓：5V和3.3V。因此提出了兩級電源變換電路。DC-DC是目前被普遍使用的小型開關(guān)電源器件，通過利用微電子技術(shù)，將集成電路和微電子元件組合而成。相比一般的開關(guān)型穩(wěn)壓器件具有高轉(zhuǎn)化效率、小型化等特點。DC-DC器件并不是沒有缺點，與線性穩(wěn)壓器相比具有較大的紋波。因此根據(jù)PCB空間有限的特點，選則使用DC-DC器件和線性穩(wěn)壓器結(jié)合的方式來實現(xiàn)電壓變換，同時能實現(xiàn)高壓變

19、換時減少發(fā)熱，低壓變換時減小紋波的目的。兩級電壓轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。圖6 兩級電壓轉(zhuǎn)換電路第一級電壓變換電路使用降壓開關(guān)型穩(wěn)壓芯片PS5101，具有寬電壓輸入范圍：7V40V，可輸出穩(wěn)定的5V電壓。該芯片不需要任何附加外圍電路且具有較高的調(diào)壓效率。第二級調(diào)壓電路采用AMS1117-3.3，內(nèi)部集成過熱保護和限流電路。在保證電路正常工作的前提下，盡量減少了電容的使用，只留下三個電容值較小的濾波電容來減小調(diào)壓之后產(chǎn)生的諧波。第四章軟件（程序）設(shè)計4.1系統(tǒng)程序總體工作流程本系統(tǒng)的軟件是基于keilC的單片機C語言。單片機C語言是在C語言的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種適用于對單片機進行編程的語言。相對于傳統(tǒng)的匯

20、編語言來說，單片機C語言更加符合正常語言的形式，對程序員的要求大大降低，而且單片機C語言和匯編語言一樣具有強大的機器級的控制能力，使系統(tǒng)的運行更加可靠。本系統(tǒng)的程序中包括了主函數(shù)（用于初始化定時器與執(zhí)行調(diào)用函數(shù)）、超聲波定時器中斷函數(shù)、距離計算及顯示調(diào)用函數(shù)、PWM速度控制函數(shù)。程序的流程圖如下：圖7 軟件整體流程圖首先將系統(tǒng)初始化，然后微控制器發(fā)送測距命令給AT89C51并準備接收來自AT89C51的距離信息。對于來自AT89C51的距離信息，微控制器需要對其正確性進行判斷。如果該信息正確，則對其進行分析并計算以得到測量物體的真實距離S；如果該信息不正確，則重復執(zhí)行上一命令，直到接收到正確的

21、距離信息。然后，微控制器將計算獲得的距離值S與設(shè)定好的閾值進行比較來確定是否需要觸發(fā)報警器。在本文所提出的方案當中，一共設(shè)計了三級報警。當S0.5m時，LED被點亮同時控制蜂鳴器發(fā)出頻率為3Hz的響聲；當0.5S1.0m時，LED燈被點亮同時控制蜂鳴器發(fā)出頻率為2Hz的響聲；當0.75S0.75m時，LED燈被點亮同時控制蜂鳴器發(fā)出頻率為1Hz的響聲；當S>1m時，不會觸發(fā)聲光報警器。另外，采用液晶屏LCD12864來顯示距離信息，在初始化控制LCD12864的I/O口和LCD12864本身之后，微控制器將進行坐標變換，即將所字符在液晶屏上所處的位置坐標轉(zhuǎn)化為液晶屏內(nèi)部的坐標值，然后通過

22、并行接口將坐標信息輸入到LCD12864當中，最后微控制器再通過并行I/O口將代表距離信息的字符發(fā)送給LC12864，完成數(shù)據(jù)顯示。4.2測距結(jié)果顯示子程序AT89C51可同時連接四個超聲波探頭，并在80ms的周期內(nèi)輪流進行工作。在接收到回波信號之后，先對數(shù)據(jù)進行辨別和有效性分析，進而計算出障礙物距離并發(fā)出報警信號。如果在80ms內(nèi)無任何障礙物進入到測距量程內(nèi)，則無信號發(fā)出。為了提升信號的傳輸穩(wěn)定性，報警信號采用雙線差分串行形式輸出。其中DOUT+和DOUT-分別輸出真實信號和其反向信號。在開發(fā)過程中，可根據(jù)實際情況來決定是否使用DOUT-信號。測距結(jié)果以每三個字節(jié)為一個單位連續(xù)發(fā)出，每個單位

23、的數(shù)據(jù)主要包含以下內(nèi)容：距離最近的物體的方向；每個換能器測量的物體的危險級別；距離最近的物體的測量值。本文采用其第三字節(jié)的數(shù)據(jù)進行處理，第三字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖3-20所示。AT89C51提供的測距方案具有0.05m的測量精度，在第三字節(jié)的數(shù)據(jù)當中，DC表示距離的第三位，0代表0，1代表5，單位是厘米；DB表示第二位，單位是分米；DA表示第一位，單位是米；最高位不表示任何距離，默認是1。圖 8 第三字節(jié)數(shù)據(jù)格式部分程序如下所示：uchar aver4=0,'.',0,0; /定義一個數(shù)組變量aver tmp = Frame2 & 0x60; Dis0 = tmp>&

24、gt;5; /提取距離的個位，放入數(shù)組Dis tmp = Frame2 & 0x1e; Dis1 = tmp>>1; /提取距離的十分位，放入數(shù)組Dis tmp = Frame2 & 0x01; if(tmp) Dis2 = 0x05;else Dis2 = 0x00; /提取距離的百分位，放入數(shù)組Dis aver0= Dis0; aver2= Dis1; aver3= Dis2; /換算均值Disp_SZ(4,1,aver,4); /顯示距離第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1仿真系統(tǒng)仿真使用Proteus實現(xiàn)，在Proteus中硬件的連接方式如圖9所示，通過按鍵來模擬障礙物之

25、間的距離。經(jīng)過實驗，該系統(tǒng)不僅可以對障礙物之間的距離進行實時測量，并且可以對超出安全距離的范圍予以報警，從而達到智能防撞的功能。圖9 硬件仿真圖5.2調(diào)試各類問題的調(diào)試方法：（1）下載模塊指示燈紅亮綠不亮，說明下載模塊驅(qū)動程序有問題，尋找對應版本的驅(qū)動程序并安裝至下載模塊。（2）下載程序時提示：端口不存在，說明下載端口沒有設(shè)置好。需在電腦上右擊“我的電腦”-“屬性”-“硬件”-“設(shè)備管理器”-“端口”，查看usbisp的端口號并在下載軟件中做相應設(shè)置。（3）下載時一直提示上電，可能電源線、地線沒有連接好，晶振沒有連接好，下載口沒有連接好（下載模塊上的TXD接單片機上的RXD即第10管腳，下載模

26、塊上的RXD接單片機上的TXD即第11管腳）。此時須用萬用表檢查芯片周圍電路，包括電源線地線的連接情況，晶振焊點及下載接口鏈接順序。（4）顯示屏顯示亂碼，可能是使用的數(shù)碼管類型與程序中的數(shù)碼管類型不符，比如，硬件上使用是共陰極數(shù)碼管，但程序卻是按共陽極數(shù)碼管編寫的。更改程序，使兩者配套。5.3總結(jié)與展望隨著社會的發(fā)展與進步，超聲波測距系統(tǒng)日益重要，利用領(lǐng)域非常之大，因為超聲波測距具有不會受到被測對象顏色、光線等影響，它是一種非接觸式檢測技術(shù)；并且還適應非常惡劣的自然環(huán)境，所以應用的用途范圍之廣。通 過超聲波檢測距離非常迅速、簡易、容易控制，并且測量距離準確達到需要的數(shù)值。目前，交通事故非常之惡

27、劣，必須采用先進的汽車技術(shù)預防交通事故，保障人類的安全；通過基于51單片機的超聲波測距儀之倒車雷達裝置，安裝在汽車上，可以及時了解前方與后方的障礙物情況，隨時做出正確的判斷，保障人類的生命安全。本文采用AT89C51單片機的超聲波測距儀設(shè)計具有簡單方便，成本低的優(yōu)點。本次設(shè)計的結(jié)果實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收作用，而且可以精確的檢測前方或者后方的距離，提醒司機，達到保證司機自身安全。基于51單片機的超聲波測距儀之倒車雷達設(shè)計的系統(tǒng)的硬件電路主要含有單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波檢測電路、超聲波發(fā)射電路等。測量范圍和精度達到了預期的設(shè)計目標，能夠滿足生活中的大多數(shù)測距需求，在粗略測量應用中其誤差可忽略不計。總體來說，倒車防撞報警系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，但是還未在實際情況下應用，該系統(tǒng)還可能存在設(shè)計缺陷。同時，由于本人時間及知識所限，該倒車預警系統(tǒng)在有些方面仍需進一步設(shè)計和完善：1、超聲波測距部分的測量性能還有改善的空間，并且由于溫度對超聲波傳播速度的影響，在以后的研究當中，可以引入溫度補償功能來提高測距準確性。2、本文只針對典型的40kHz的超聲波驅(qū)動電路進行了研究和設(shè)計，后續(xù)將繼續(xù)對頻率更高的換能器進行研究以提高測距精度。參考文獻1段永霞,徐杰,徐