基于单片机的汽车倒车防撞系统的设计

题 目 基于单片机的汽车倒车防撞系统的设计 学生姓名 郭真子 学号 1213014029 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电子 1201 班 指导教师 王婷 完成地点 博远楼#物理与电信工程学院实验室 2016 年 6 月 5 日毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子 1201 学生姓名 郭真子 一、毕业论文设计题目 基于单片机的汽车倒车防撞系统的设计 二、毕业论文设计工作自 2016 年 1 月 10 日 起至 2016 年 6 月 15 日止三、毕业论文设计进行地点: 陕西理工学院 四、毕业论文设计的内容要求：基于单片机的超声波脉冲测距原理，利用超声波的反射测量距离设计一倒车防撞系统，在 整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车，如果和制动系统联系在一起也可以形成自动刹 车。（应包括方案设计、比较与论证、分析与计算、电路图与相关设计文件以及心得体会 等）。 五、毕业论文设计应收集资料及参考文献：收集单片机编程、超声波测距等方面的专业资料，阅读和学习下列参考文献： 1 张齐,杜群贵.单片机应用系统设计技术M.电子工业出版社.2007 2 胡瑞,周锡青.基于超声波传感器的测距报警系统设计 J.科技信息,2009 3 于京.51 系列单片机 C 程序设计与应用方案M. 中国电力出版社.2002. 4 张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术M.电子工业出版社 .2004 5 赵占林,刘洪梅.超声波测距系统误差分析及修正J. 科技情报开发与经济 , 2002 6 宋明耀.提高超声波测距精度的设计J.测试测量.2004 六、毕业论文设计的进度安排： 1 月 10 日3 月 20 日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3 月 21 日4 月 20 日：完成系统硬件电路的设计并提交中期检查报告。 4 月 21 日5 月 20 日：完成整体设计并调试，准备作品验收。 5 月 21 日6 月 15 日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 签名 系(教研室) 主任签名 专 业 负 责 人 签 名 批 准 日 期 陕西理工学院毕业设计基于单片机的汽车倒车防撞系统的设计郭真子（陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业，2012 级 1 班，陕西 汉中 723003）指导教师：王婷【摘要】本设计介绍了基于单片机的汽车倒车防撞系统设计，硬件部分以单片机 STC89C52为主要控制模块，以超声波测距模块 HC-SR04为测距系统，用数码管显示出车尾与障碍物之间的距离，用键盘设置蜂鸣器报警的最小距离，当超声波测到的距离小于报警距离时，蜂鸣器发出报警声音，并且使制动系统停止工作，完成自动刹车功能。软件设计部分主要是利用 C语言来编写程序，将调试好的程序下载到单片机中，最终实现倒车防撞功能。测量范围为 2cm-500cm,完全满足汽车倒车需求，最小报警距离可以在 1cm-400cm之间任意设置。【关键词】STC89C52 单片机 HC-SR04 超声波测距模块 LED 显示 陕西理工学院毕业设计IDesign of Auto Reverse Collision Avoidance System Based on Single Chip MicrocomputerGuo Zhenzi(Grade 12,Class 1, Major electronics and information engineering, College of physics and Telecommunication Engineering, Shannxi University of Technology, Hanzhong 723003, Shannxi)Tutor: Wang TingAbstract：This design is introduced the auto reverse collision avoidance system based on single chip microcomputer. Hardware part is STC89C52 microcontroller which as the main control module, ranging system for hc-sr04 ultrasonic ranging module, using digital tube display the distance between the vehicle tail and obstacles, the keyboard buzzer was used to alarm minimum distance. Buzzer alarming when the actual distance have been less than the distance alarm, and make the braking system stop working, complete automatic braking function. The software part using C language to write the program, the debugger will be downloaded to the microcontroller, and ultimately to achieve the reverse collision function. The measuring range is 2cm-500cm, fully satisfied the needs of the car reverse, the minimum alarm distance can be arbitrarily set between 1cm-400cm.keyword ：STC89C52 microcontroller HC-SR04 ultrasonic ranging module LED display陕西理工学院毕业设计II目 录1 绪论 .11.1 项目研究背景及意义 .11.2 超声波原理 .11.3 电机工作原理 .42 方案论证 .43 硬件电路设计 .63.1 主控制模块 .63.2 显示电路 .63.3 键盘电路 .73.4 报警电路 .73.5 超声波测距电路 .83.6 电源电路 .93.7 制动电路 .104 软件设计 .124.1 主程序设计 .124.2 超声波测距子程序设计 .134.3 数码管显示子程序 .144.4 键盘子程序设计 .144.5 定时器子程序设计 .154.6 EEPROM 子程序设计 .165 硬件调试与分析 .185.1 硬件调试 .185.2 结果分析 .18致谢 .20参考文献 .21附录 A：外文翻译 .22附录 B: 整体电路源程序 .29附录 C：元器件清单 .35附录 D：整体电路设计原理图 .36附录 E：实物展示图 .37陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 37 页1 绪论1.1 项目研究背景及意义随着现代社会经济的迅速发展，人们生活水平越来越好，交通运输业日益兴旺，汽车成为现代人类生活出行的必要产品。随着汽车数量大幅度攀升，交通拥挤状况越来越严重，撞车事件有赠无减，造成不计其数的人员伤亡和经济损失。针对上面介绍的这种情况，设计一种可以有效减少汽车事故的汽车防撞系统已经在所难免。在常见的汽车倒车装置上采用基于单片机的测距，将软、硬件相结合，通过数字显示电路显示障碍物与车辆保险杠之间的间距，当倒车小于最小距离时，发出急促的警报声，提醒驾驶员刹车，减少了驾驶员在驾车过程中的事故发生率，并且帮助减少汽车行驶在过程中视觉死角和光线模糊等不利条件，大大提高了行车过程中的安全性。将此系统利用到社会交通运输业中一定会减少事故的发生，为人类安全事业做出更大贡献。由于超声波的波速比较小，其传播时间也就比较长。当它较长时，就更加容易产生区别，这样的测量能增加准确性，其方向性也比较好、强度容易控制，因而可以利用超声波对距离进行检测。超声波测距是一种利用声波反射、折射特性与电子计数相结合来实现非接触式距离测量方法。超声波测距在很多地方有特别显著地优势，因此像超声波测距这种非接触式的快速测量方法能够在更多场合和多种环境比较恶劣的情况下使用。通常所设计的关于汽车防撞系统主要由核心的控制器、显示器、超声波发射接收模块、报警器设备等四个部分组成。传感器发送和接受超声波方波信号，并将接收到的信号接收回来，当经过处理之后再次表示出来。超声波传感器装在汽车的后保险杠上，不停的发出超声波检查障碍物，能探索到很多物体，如马路边沿，花坛，蹲在车后小孩等：显示设备装在驾驶员座位的仪表盘上，显示出汽车车尾距离后面障碍物还有多少米，一旦小于设定的最小距离时，蜂鸣器就开始发出报警声音，提醒司机停车 1。1.2 超声波原理声音是与人类的生活密切相关的一种自然现象。人类的听觉是有一定范围的，当声音频率变大时(根据大量实验数据统计，取整数为 20000 赫兹)，人类的听觉就会分辨不到周围声音的存在，这就是人们通常所说的“超声波”。通过超声波发射传感器发出超声波信号，根据接收传感器器接到超声波时与超声波发射传感器发出超声波信号的时间之差就可以计算出两物体之间的距离了。这与雷达测距的原理很相似。(s=340t/2，是计算出超声波发射的点与障碍物之间距离 (s)的公式，超声波的波速与声音速度相似，所以系数为 340，而二分之一倍则是因为超声波发生了反射，而 t 则是单片机内部的定时器自己记录的时间)。超声波是一种通过压电效应或磁致伸缩效应产生的、频率在 20000HZ 以上的声波：它的能量集中性较好、同时又具有光的一系列特征，比如常见的直线传播、反射折射等 2。这样使得超声波测距传感器因其良好的性能、便宜的价格、简单的计算公式，在移动机器人定位系统、车辆雷达、车辆安全，以及油井、仓库的探测中等地方有大量应用 3。超声波的特性有：（1）吸收特性超声波在各种物质中传播时，当距离超过超声波所能有效传播的范围时，超声波的能量就会被削弱，这是因为介质可以吸收掉超声波的一部分能量，使得超声波的应用受到了极大的限制。当作用于同一种材料的物质时，如果作用在物体本身的声波频率很高，那么它对超声波的吸收能力就越强。如果一个声波的频率是固定的，那么在不同的物质中其吸收能力不同，例如：在空气中传播时它的吸收能力非常强，在水中传播时吸收能力相对减弱，在固体中传播时吸收是非常小的 4。（2）超声波的声压特性当声波进入某物体时,由于超声波的份子共振，使物质分子之间产生相互吸合或相互分离的自然作用，使物质各个份子之间所受的压力发生变化。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 37 页既可以完成发射超声波，又可以接收超声波的集成器件就是超声波传感器。超声波探头主要由数个压电晶片构成，既可以发射信号，也可以接收信号。小功率的超声波探头多用作探测距离、物体等方面 。5超声波探头的核心器件是就是所谓的压电晶片，如上段中提到的作用，有很多种材料都可以构成晶片。由于晶片的直径宽度和厚度大小是不一样的，因此每个探头的性能都是不一样的，在利用超声波时，应该注意了解清楚它的功能。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）灵敏度。主要是由晶片本身的材料性能决定的。（2）工作频率。超声波传感器的频率与其晶片的共振频率相等。也就是当加到它两个端口的交流电压和各个晶片的共振频率相同达到其共振频率时，此时也是超声波传感器输出信号各种特性最好的时候。（3）工作温度。由于压电材料的制作物比较特殊，不但工作温度非常低，而且其居里点比一般物质高。可以保持长时间的有效工作，并且其超声波探头使用功率比较小。医疗用的超声波探头温度比一般的超声波探头高，那么其正常工作就需要其他设备来维持。 为 了 充 分 的 将 超 声 波 利 用 到 人 类 社 会 的 发 展 中 ， 大 量 的 超 声 波 发 生 器 被 开 发 出 来 。 从 产 生 方式 上 来 讲 ， 超 声 波 发 生 器 可 以 分 为 两 种 类 型 ： 即 电 气 型 和 机 械 型 ， 这 为 今 后 开 发 超 声 波 的 价 值 提供 了 基 础 。 他 们 的 工 作 方 式 不 同 ， 不 同 的 产 生 超 声 波 的 输 送 频 率 、 工 作 功 率 和 声 波 衰 减 等 特 性 是各 不 相 同 的 。 目 前 较 为 常 用 的 是 压 电 式 超 声 波 发 生 器 。超声波是一种在介质中的机械振荡波，超声波频率超过 20KHz。总体上，可以分为横向振荡和纵向振荡两种振荡方式，在不同的介质中振荡方式是不同的。而且超声波可以在固体、液体及气体中传播，其传播速度在三中物质中也是大不相同的。它具有折射和反射等物理现象，且在传播过程中有较强的衰减。超声波的基本特性如下所述：1 波长波的传播速度计算方法为频率乘以波长。波长与其频率具有很大的关联，在常温状态下，超声波的波速相当于声音的传播速度，这样大大减少了超声波测距在后期计算处理方面的复杂性，使得超声波广泛的应用于人类社会生活的方方面面。2 反射要探测到障碍物，就需要障碍物将接收到超声波反射回来。一些物质比如墙壁、金属，在有效的距离内可以将超声波完全反射回来，这种物体可以很容易通过超声波来测量；还有一些物质不能反射超声波，而是吸收了大量的超声波，这种物质不能利用超声波进行测量。同时，由于某些特殊物质存在大量的不规则反射、折射，这些物质的测量也很难利用超声波来进行，这些条件使得超声波的测量有了较高的要求。利用超声波的反射特性，使得超声波可以应用在很多情况下，大大增加了超声波对于人类社会生活水平的提高。3. 衰减传播到空气中的超声波能量随着距离的增加而成比例地减弱，这是因为某些容易吸收超声波能量的介质吸收了超声波能量而使得超声波能量减弱，这就是上文所讲的吸收特性，也是由于衍射现象而导致的在地球表面上的扩散性削弱。当超声波的频率较高时，衰减率就越来越高，超声波的传播距离也会随之变短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器可以检测的有效距离。超声波在不同的温度下、距离下、检测不同的物质时，超声波的衰减特性不同，如下1.1图所示，列出了不同频率的超声波在不同距离下的衰减特性。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 37 页图 1.1 声压在不同距离下的衰减特性4灵敏度特性灵敏度是表示声音接收级的单位，下文论述了灵敏度计算的公式，并且讲述了灵敏度的标准和性能。灵敏度= 20log E/P (dB)式中 ,“E”为所产生的电压 ( Vrms)，“P”为输入声压(bar)。超声波测距的准确性直接由超声波传感器的灵敏度影响，如图1.2所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度特性表示，从图中可以发现传感器的声压级最高是频率在40KHz时，这提示我们应该充分利用40KHz时所对应的测距数据，使其应用在焦虑最高处，所以本设计采用超声波测距模块发射了40KHZ的方波 。6图1.2 超声波传感器灵敏度示意图5辐射特性把超声波传感器安装在台面上。然后，测量角度与声压 (灵敏度) 之间的关系。为了准确地表达辐射，与前部相对比，声压 (灵敏度) 级衰减6dB的角度被称为半衰减角度，用二分之一表示。超声波设备的外表面尺寸较小容易获得较准确的测量数据。分析以上研究结果不难发现超声波传感器在 40KHz 范围内工作时能够产生最高的声压级以及最高的灵敏度。其辐射特性如图 1.3 所示。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 37 页图 1.3 超声波传感器辐射特性示意图1.3 电机工作原理电机又称电动机，直流电机的作用是将直流电变为机械能。直流电机有很多优点，可以广泛的应用于机械能驱动的场合。由于电机中的磁场方向和导线中电流方向不一致，线圈受到电磁力的作用产生转动，从而带动整个转子转动，这就是电动机的工作原理。下图 1.4 所示为常用电机。图 1.4 电机实物图陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 37 页2 方案论证方案一：方案一以 STC89C52 单片机为主要控制芯片，报警电路采用常用的蜂鸣器，显示电路采用LCD1602 液晶显示器，制动系统采用直流电机及其驱动电路，超声波发射电路采用由 555 芯片构成的硬件电路,超声波接收电路由与非门构成的硬件电路。发射电路的主要电路为震