汽车倒车防撞报警器的设计电路设计彭金

郴州职业技术学院毕业设计1郴州职业技术学院毕业设计标 题： 汽车倒车防撞报警器的设计 电路设计 学生姓名： 彭 金 系 部： 机械与汽车工程系 专 业： 汽车运用技术 班 级： 汽运（5）111 指导教师： 饶立新 二零一五年十一月郴州职业技术学院毕业设计2郴州职业技术学院教务处制毕业设计诚信承诺书我谨在此承诺：本人所呈交的毕业设计汽车倒车防撞报警器的设计电路设计是我和我们团队独立完成，保证不存在任何剽窃、抄袭他人成果的现象。凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，如出现抄及侵犯他人知识产权的行为，由本人承担由此产生的一切后果。承诺人：彭 金年 月 日郴州职业技术学院毕业设计1目 录摘要21.概述51.1 课题研究背景及意义 51.2 国内外研究现状 51.3 超声波传感器原理 72.系统设计总方案 73.系统硬件电路设计 83.1 单片机模块83.1.1 AT89C51 标准功能9 3.1.2 管脚说明103.1.3 复位电路113.1.4 晶振电路123.2 超声波发射模块133.2.1 74HC04 芯片简介 133.2.2 超声波发射电路 143.3 超声波接收模块153.3.1 CX20106 芯片简介153.3.2 超声波接收电路 153.4 数码管显示模块163.5 声音报警模块173.6 系统总体电路设计184.系统软件程序设计194.1 主程序流程设计194.2 控制程序流程设计205.系统软硬件调试225.1 硬件调试225.2 软件调试225.3 测试结果及误差分析226.总结23致谢 24参考文献25郴州职业技术学院毕业设计1摘要电子测距仪要求测量范围在 20cm-2.5m，测量精度 1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波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。超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。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求。因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。本超声波测距仪设计采用 74hc04 反相器和 CX20106 搭接电路实现了超声波的发射与接收。采用 AT89C51 单片机为该测距仪的控制核心，此设计易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。关键词：单片机，超声波传感器，74HC04，CX20106郴州职业技术学院毕业设计21 概述1.1 课题研究背景及意义过去，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等 2，以减轻汽车碰撞带来的危害。汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（如汽车、行人或其他障碍物）的距离与汽车本身的距离近而相对速度太高。为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车与前方物体之间要保持一定的距离。这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。发展汽车防撞技术，对提高汽车智能化水平有重要意义 3。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的 30%，路面相关事故的 50%，迎面撞车事故的60%。1 秒钟的预警时间可防止 90%的追尾碰撞和 60%的迎头碰撞。理论上，汽车防撞装置可在任何天气、任何车速状态下探测出将要发生的危险情况并及时提醒司机及早采取措施或自动紧急制动 4，避免严重事故发生。汽车防撞装置是借助于检测测技术监视汽车前方和后方的车辆、障碍物，并根据当时的距离自动判断是否达到危险距离 5，及时向司机发出警告。1.2 国内外研究的现状鉴于交通事故的不可预测性和不可绝对避免性，为了减少交通事故，优化交通秩序，利用计算机及信息技术来提高道路交通安全和效率已成为国内外研究的热点。二十世纪八十年代以后展开的关于智能交通系统的研究 6，被认为是解决各种交通问题的一个很好的途径。智能交通系统是将先进的信息技术 7、通讯数据传输系统、电子控制系统以及计算机处理系统有效地应用于整个运输管理体系 8，使人、车、路环境协调统一，从而建立一个全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统 9。其中智能车辆系统涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域。视觉系统在智能车辆中起到环境探测和辨识作用 10。与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大，单纯以当前的现实条件出发解决，容易导致系统实时性差 11。根据计算车辆与目标的相对位郴州职业技术学院毕业设计3移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减少环境的不稳定性造成的测量误差 12。在智能车辆领域，常用的还有雷达、激光、GPS 等传感器。利用信息感知、动态辨识、控制技术的方法提高安全性，是先进汽车控制与安全系统(AVCSS)的主要研究内容 13.世界各大汽车公司都在开展这方面的研究与开发工作。近距离报警如倒车雷达现已蓬勃地车辆上安装使用，但国内目前生产的中远距离测量普遍达不到要求，表现在最远测距距离近，测距误差大，远远不满足高速公路的安全车距离要求，需进一步研究。1.3 超声波传感器原理超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本设计中超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器 20。它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶体和一个共振板21。当它的两级外加脉冲信号其频率等于压电晶体的固有振荡频率时，压电晶体片将会发生共振，并带动共振板振动，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，将压迫压电晶体片做振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能检测到的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器在其结构上稍有不同，使用时应看清器件上的标志。超声波测距的方法有很多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间。往返时间与超声波传播的路程的远近有关。根据测试传输时间可以得出距离。假设 S 为被测物体到测距仪之间的距离，测的的时间为 t，超声波传播的速度为 v 表示。则有关系式： 2/vts郴州职业技术学院毕业设计42. 系统设计总方案本设计是以 AT89C51 单片机控制的汽车防撞报警系统。该装置将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波的测距技术相结合，可检测汽车运行中与前方障碍物的距离，通过 LED 显示装置显示距离，并由蜂鸣器根据距离远近发出警告声。本设计中将电路分为以下几个主要的组成部分,分别是超声波发射、超声波接收、显示、报警和电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统框图如图 1 所示。晶振电路复位电路AT89C51发射电路接收电路显示电路报警电路超声波发射换能器超声波接收换能器障碍物电源图 1 系统框图3. 系统硬件电路设计3.1 单片机模块单片机是在集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机，这些元件包括中央处理器 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和 I/O 接口电路。由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点，因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛，在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。在各类仪器、仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和郴州职业技术学院毕业设计5精度，提高计算机的运算速度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。AT89C51 单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。在 AT89C51 单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接石英晶体（简称晶振） ，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。电容的作用是稳定频率和快速起振，电容值在 5-30pF，典型值为 30pF。晶振CYS 的振荡频率范围在 1.2-12MHz 间选择，典型值为 12MHz 和11.0592MHz。当在 AT89C51 单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态） 。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要 VCC 的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用 6MHZ 时 C 取 22uF,R 取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过 RST 端经过电阻与电源 VCC 接通而实现的。最小系统如图 2 所示。图 2 单片机最小系统原理图郴州职业技术学院毕业设计63.2 超声波发射模块3.2.1 74HC04 芯片简介（ 1） 高 速 CMOS-六 反 相 器 .（ 2） 对 称 的 传 输 延 迟 和 转 换 时 间（ 3） 相 对 于 LSTTL 逻 辑 IC， 功 耗 减 少 很 多（ 4） 工 作 电 压 ： 2V 到 6V（ 5） 兼 容 直 接 输 入 LSTTL 逻 辑 信 号 , VIL= 0.8V (Max), VIH = 2V (Min)（ 6） 兼 容 CMOS 逻 辑 输 入 , 1 A at VOL, VOH 如 图 2-4 所 示 。（ 7） 宽 工 作 温 度 范 围 ： -55 -125 。74HC041413812111091346572GND3A3YVCC6A6Y5Y5A4A4Y2YTY2A3A图 5 74HC04 反相器在本设计中 74HC04 起到驱动电压的作用。3.2.2 超声波发射电路超声波发射部分是为了让超声波发射换能器能向外界发出40KHZ 左右的方波脉冲信号。40 KHZ 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如 555 振荡产生或软件。本设计采用单片机郴州职业技术学院毕业设计7软件编程控制。由单片机 P1.0端口输出 40KHZ 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 KHZ 方波脉冲信号分成两路送给一个由 74HC04 组成的推挽式 4电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器以声波形式发射到空气中。发射部分的电路如图 5 所示。图中输出端上拉电阻R15,R16 一方面可以提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡