汽车倒车防撞警报系统.doc

目 录 摘 要1第1章 绪论21.1 课题的目的及意义21.2 倒车系统的分类及发展现状31.3 论文的主要研究内容51.4 论文主要安排5第2章 相关硬件简介62.1 超声波传感器简介62.2 单片机简介72.2.1 单片机技术的发展7第3章 倒车防撞系统的硬件设计143.1 整体设计思想143.2 系统整体硬件电路设计143.3 超声波发射与接收部分的设计153.3.1 超声波发射部分153.3.2 超声波接受部分163.4 报警部分17第4章 系统软件设计194.1 系统总体程序设计194.2 T0中断服务程序204.3 外部中断0服务程序21结 论23参考文献24致 谢25附 录 系统源程序26I摘 要本文设计一种基于AT89C51单片机的倒车防撞系统，搭建硬件电路，软件通过Keil uVision2开发环境进行编辑仿真，并下载到单片机。倒车时由倒车换挡装置自动接通倒车系统电源,系统上电复位，进入工作状态。如果小于设定的安全距离则发出报警，提醒司机注意车距。整个电路采用模块化设计，由超声波发射与接收、LED显示、报警等模块组成。单片机通过测量超声波在空气中的往返时间，通过程序计算即可完成距离的测量，当距离小于设定值时发出报警。要实现不同距离下的报警，只需修改单片机源程序中的设定值即可实现。关键词 倒车系统；单片机；超声波传感器第 0 页第1章 绪论1.1 课题的目的及意义近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加，同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。汽车倒车防撞预警系统即是俗称的倒车雷达,是汽车泊车辅助装置。在汽车倒车时,倒车雷达采用超声波测距原理探测汽车尾部离障碍物的距离,当汽车尾部离障碍物的距离达到探测范围时,倒车雷达通过数码管实时动态显示距离。当汽车尾部离障碍物的距离达到设定的安全警告值时,倒车雷达发出报警声,以警示驾驶员,辅助驾驶员安全倒车。随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。1.2 倒车系统的分类及发展现状倒车系统从提示方式上可分为液晶、语言和声音三种；从连接方式上，还可分为有线和无线两类。无线倒车系统与有线倒车系统拥有同样功能。目前与有线倒车系统相比，无线倒车系统的主机和显示器采用无线传播技术连接，避免了对车内饰进行拆卸。不过由于无线倒车系统可能面临手机信号、电台收音等无线电干扰影响其功能，使得无线倒车系统还没有大面积普及,有线倒车系统仍是主流。倒车系统的报警方式，目前主要有如下几种：(1)人声报警：指通过语音的方式将障碍物距离播报出来。特点是清晰准确，不影响视觉观察、缺点是有时延，会有一定的误差。尤其是在车与障碍物之间的距离变化较快时，语言来不及转换，无法播报准确的数据。(2)电子声报警：指通过形象的心跳声或者嘀嘀声等来标识距离，特点是不影响视觉观察，时延小，缺点是不准确。(3)数字显示：指在显示设备上动态显示与障碍物之间的距离数值。优点是直观准确。缺点是需要眼睛经常看，影响视觉观察。(4)图像显示：指具有摄像头的倒车雷达将车后的障碍物图像直接显示到视频设备上。优点是误差小，直观准确。缺点是需要眼睛经常看，影响视觉观察，而且在不同的天气和气候下会有一些影响。现在新型的倒车雷达还可以提供电视收看等功能。探头是超声波传感器的俗称，也是倒车雷达最核心的器件之一。它利用超声波原理，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波撞击障碍物后，反射回探头，从而计算出车体与障碍物之间的距离。一个探头的正常测试范围的夹角为90度，所以要想在整个车尾后面提供探测，至少需要2个探头。由于每个探头的测试范围的夹角是固定的90度，自然会产生盲角，为安全起见，当然是探头数越多，探测能力越强。在几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展。 第一代：倒车时通过喇叭提醒 。“倒车请注意”！想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。 价格便宜，基本属于淘汰产品。第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.8米-1.5米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，黄色代表警告距离，红色代表危险距离，必须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观。第四代：液晶荧屏动态显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。第六代：整合影音系统。它在第五代产品的基础上新增了很多功能，属于第六代产品，是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。1.3 论文的主要研究内容（1）用单片机设计一个倒车防撞系统，倒车防撞系统的设计主要包括硬件电路的设计和软件设计，最后实现倒车预警的功能。（2）用Protel绘制电路图，说明电路的功能；然后软件通过KeiluVision2开发环境进行防撞系统源程序的编写， 并下载到单片机器件中；搭建硬件电路，数据通过串行口到单片机，进行超声波测距，当距离小于设定值时实现报警。1.4 论文主要安排第1章引言主要介绍课题的目的及意义、倒车防撞系统的分类及发展发展现状以及论文的主要研究内容；第2章主要介绍超声波传感器单片机技术的发展和AT89C51单片机； 第3章主要介绍硬件电路的设计，包括AT89C51单片机的设计、声波发射与接收、报警电路的设计等；第4章主要倒车防撞系统超声波测距报警系统的软件设计，即T0中断服务程序设计和外部中断程序设计等。第2章 相关硬件简介 2.1 超声波传感器简介超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功 能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ 范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通信，医疗家电等各方面得到广泛应用。 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。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，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，将压迫压电晶片作振动，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，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种：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。测试传输时间可以得出距离。假定s 为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t/s，超声波传播速度为v/ms1 表示，则有关系式s=vt/2 ，按照上式即可计算出所要测量的距离。2.2 单片机简介2.2.1 单片机技术的发展单片机(SCM)是单片机微型计算机(Single Chip Microcomputer)的简称，它是把组成微型计算机的各个功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数以及串行通信接口等部件集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机具有体积小、可靠性高、功能强大、方便灵活等优点而得到广泛应用，主要涉及智能化仪器仪表、自动化装置、家用电器、医用设备、计算机网络和通信等领域。单片机自问世以来，其性能不断提高和完善资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视，特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成）。MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。单片机技术正以惊人的速度向前发展，就已出现的单片机而言也正以其各自独特的优点或先进的技术在进行挑战，主要表现在以下几个方面。1、CPU发展增加CPU 的字长或提高CPU的数据处理能力和运算速度。CPU的字长已有8位、16位、32位。时钟频率高达20MHz的单片机也已出现了。还有的8位单片机，其运算逻辑部件（ALU）确是16位，内部采用16位数据总线。如NEC公司PD7800系列的8位单片机，Mjtsubishi公司的M37700系列的单片机。它们的数据处理能力和速度比一般8位单片机强，16位除以8位的除法用3.0 s。32位除以16位的除法用8.3 s。另外，单片机内部采用双CPU结构也能大大提高处理能力。由于片内有两个CPU能同时工作，可以更好地处理外围设备的中断请求，克服了单CPU多重高速中断响应的失效问题。如Intel公司的8044，它的内部实际是由8051和SIU通信处理机组成，由SIU来管理SDLC的通信。这样既加快了通信处理的速度，同时，还减轻了8051的处理负担。2、片内存储器的扩展，早期单片机的片内存储器，一般RAM为64-128字节，ROM为1K-2K字节，寻址范围为4K字节。新型单片机片内RAM为256字节，ROM多达16K字节。如Intel公司的8052，片内ROM位8K字节。通用仪器公司的70120片内ROM容量为12K字节。片内ROM容量最大的是日立公司的MC631Y为16K字节。新型单片机的群之范围克扩大到64K字节，甚至128K字节(其中随机存储器RAM容量为64K字节，只读存储器ROM容量为64K字节)。早期单片机内的ROM有的采用可擦式的只读存储器EPROM，然而EPROM必须要高压编程，紫外线可擦除，给使用带来不便。近年来，推出的电擦除可编程只读存储器EPROM可在正常工作电压下进行读写，并能在断电的情况下，保持信息不丢失。3、接口功能，最近的单片机，片内只有并行输入/输出接口、定时器/计数器，它们的功能也较差，在实际应用中往往还要通过特殊的接口扩展功能，增加应用系统结构的复杂性。近几年来，新型单片机内的接口，无论从类型和数量上都有很大的发展。这不仅大大提高了单片机的功能，并使系统的总体结构也大大简化了。例如，有些单片机的平行I/O口，能直接输出大电流和高电压，可直接用以驱动荧光显示管（VFD）、液晶显示管（LCD）和七段码显示管（LED）等。这样就减少了应用系统中的驱动器。再如有些单片机，片内含有A/D转换器，则在实时控制系统中可省掉外部A/D转换器。单片机的制造工艺直接影响其性能。早期的单片机采用PMOS工艺，随后逐渐采用NMOS，HMOS和CMOS。目前，8位单片机中有二分之一的产品已经CMOS化，16位单片机也开始推出CMOS型产品。为了进一步降低功耗，日立公司的HD63705和RCA公司的CDP6805E还设有等待（Wait）和停止（Stop）两种工作方式。等待方式时，振荡器工作，CPU停止，存储器和寄存器的内容不变。停止方式时，振荡器和CPU都停止工作，存储器和寄存器的内容也保持不变。等待方式时由于CPU停止工作，使单片机的功耗大为下降。停止方式时，则单片机的功耗为最小。此外，采用CMOS工艺的单片机，其工作电源范围较宽。如用NMOS工艺的单片机，工作电源一般为4.5-5.5V。功耗大小与电源电压成正比，所以降低电源电压即可降低功耗，但是降低电压会降低指令执行速度，也即降低单片机的运算速度。故一般希望在一定速度的前提下，尽量降低工作电压以减小功耗。随着新型单片机片内接口电路的增多，外引脚也增多。为减少外引脚线，目前主要采用两种方法，其一是采用新颖的通信总线以减少外引线。另外是改进外封线。基于性价比的考虑，决定采用AT89C51单片机来设计倒车防撞系统，使它能够模拟倒车防撞系统，完成初部倒车防撞系统的仿真。 2.2.2 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其接口功能如下。VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。 表2-1 8051的初始态特殊功能寄存器 初始态 特殊功能寄存器 初始态 ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPH 00H TH0 00H DPL 00H TL0 00H IP xxx00000B TH1 00H IE 0xx00000B TL1 00H TMOD 00H TCON 00H SCON xxxxxxxxB SBUF 00H P0-P3 1111111B PCON 0xxxxxxxB EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。第3章 倒车防撞系统的硬件设计3.1 整体设计思想如图3-1所示，本系统硬件部分由AT89C51控制器、超声波发射电路、接收电路、声音报警电路和LCD显示电路组成。当倒车时，发射和接收电路工作，经过AT89C51数据处理将车尾距离障碍物的距离显示在LCD，如果距离小于系统设定值时，报警电路会鸣叫预警，提醒司机注意车距。其中AT89C51是主控芯片，支持在线下载程序，方便调试，有8kB的Flash、32个I/O口、三个16位定时/计数器、八个中断源、全双工UART串行口和看门狗定时器等，既满足了本系统的设计要求，也满足了日后扩展的需求。单片机控制器超声波发射超声波接收LCD显示扫描驱动报警装置图3-1系统整体设计示意图3.2 系统整体硬件电路设计系统硬件电路如3-2图所示，本设计采用AT89C51单片机，P1.0端口接超声波发射电路。P1.0 引脚输出的将是软件方式产生的40kHz 方波，而P3.2(INT0)则被用来接收回波。P2.0引脚接蜂鸣器电路，P2.4到P2.7接4个LED数码管。当系统通电后指示电路的发光二极管将会点亮，指示系统处在正常工作状态。单片机的9引脚接复位电路，当系统出现错误，程序出现死循环时，按下复位按钮电路会重新开始正常工作。图 3-2 系统硬件电路图3.3 超声波发射与接收部分的设计3.3.1 超声波发射部分超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT4016T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：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0 端口输出40 kHz 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，最后送给超声波发送换能器TCT4016T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路如图3-3所示，图中输出端上拉电阻R31，R32，一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换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。图3-3 超声波发射电路3.3.2 超声波接受部分TCT4016T发射超声波的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT4016R进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。接收部分的电路如图3-4所示，可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围。接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz 比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0 五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为3060kHz，故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40 kHz，就可达到理想的效果。CX2010 06J4图3-4超声波接收电路3.4 报警部分报警部分主要利用蜂鸣器进行报警。当有一定频率的信号输入时，首先经过三极管对信号进行放大，然后传至蜂鸣器报警，报警部分的电路图如图3-5所示。图3-5 报警电路第4章 系统软件设计4.1 系统总体程序设计开 始调 用系统初始化程序调 用发射超声波程序调 用延时程序是否有回波调 用计算距离程序调 用显示程序是否大于设定值调 用报警程序否是否是图4-1 主程序流程图本系统的程序设计采用模块化的设计，由主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、报警子程序以及显示子程序组成，主程序流程图如上图4-1所示。系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和外部中断引脚的分配和使用。本设计中P1.0引脚连接到7 HC04推挽放大电路再连接到超声波发射传感器，P1.0引脚输出的将是软件方式产生的40kHz 方波，而P3.2(INT0)则被用来接收回波。定时器T1，T0 均工作在工作方式1，为16 位计数，T1 定时器被用来开启一次测距过程以它的溢出为标志开始一个发射测量循环，T0 定时器是用来计算脉冲往返时间，它们的初值均设为0。4.2 T0中断服务程序停止T1计时禁止外部中断0中断调超声波发射程序启动T1计时允许T0中断，启动T0定时延时1ms允许外面中断0中断T0中断程序入口返回图4-2 中断程序流程图T0中断程序流程图如图4-2所示，本设计中40 kHz方波信号的产生采用软件方式实现：控制P1.0口输出12s的高电平，再输出13s 的低电平，这样得到一个周期的40 kHz的脉冲，再循环发送8 次。在CPU 停止发送脉冲群后，由于电阻尼，换能器不能立即停止发送超声波，在一段时间内仍然会发送，故这段时间内不可立即开启INT0接收回波，要等待一段后以避免发送端的部分直射波未经被测物就直接绕射到接收端，这段被称为“虚假反射波”。从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，不开放INT0中断申请，可有效躲避干扰，但也会造成测试的“盲区”。本次设为1ms，才允许外部中断0中断, 若在探测中有效探测范围内发射的超声波未遇障碍物,无返回波,外部中断0不产生中断申请信号,或者是进入探测盲区,外部中断0产生的中断申请不被受理,则定时器T1计时到定时器T0产生中断,在T0中断服务程序中,用三位BCD码999(三位十进制数最大值999 cm)置够四组数据。若显示缓冲区的四组数据都是999时,则对应字形段码显示“-”。打车开始,LED数码显示器就显示“-.-”,表明在安全距离内没有障碍物;若发出报警声后,又显示“-.-”,表明进入了探测盲区。4.3 外部中断0服务程序外部中断0服务程序流程图如图4-3所示。单片机一旦接收到返回超声波信号(即INT0引脚由高电平跳变为低电平),立即进入外部中断0服务程序。首先停止定时器T1计时,禁止外部中断0中断。然后将定时器T1中的数N,也即将超声波往返所用的时间N(单位:s),按式S=CT/2=(346N10-6)/2=173N10 000计算,即得被测物的距离(单位:cm),将计算结果以百位、十位、个位BCD码方式送入比较大小的缓冲区,以备比较大小使用。然后等送入显示单元，显示距离。停止T1计时禁止外部中断0中断外部中断0入口读时间值计算距离结果存比较大小缓冲区返回 图4-3 外部中断程序流程图结 论本文详细论述了使用单片机设计倒车防撞系统超声波测距系统的方法，并给出了核心的程序，完成了基于单片机的倒车防撞预警系统。通过汽车倒车防撞警报系统，当汽车倒车时，LED实时显示距离障碍物的距离，当距离小于设定值时给出报警。单片机倒车防撞系统的误差主要来自于发射探头，此外电子元器件自身的时延、干扰等也造成一定影响。可以根据具体场合，选择合适功率的探头，以及调整程序中脉冲的频率、宽度和个数等提高精度或测量距离，扩大系统的应用范围。通过这个题目，我不仅将自己本科期间所学的单片机方面的理论知识应用到实际的系统设计中，并且对将来的工作也是一个极大的鼓舞和很好的经验积累。在完成毕业设计的过程中，我重新拾回课本的知识，重温了C语言和汇编语言编程思想，自己的编程能力也得到了很大的锻炼与提高，也加深了对单片机理论知识的理解。参考文献 1 何希才传感器及其应用电路M 北京:电子工业出版社,20082 华兵MCS-51单片机原理应用J 武汉华中科技大学出版社，2010:53 楼燃苗,李光飞51系列单片机设计实例M 北京:航空航天大学出版社,20034 张谦琳超声波检测原理和方法J 北京：中国科技大学出版社，2007:105 苏伟，巩壁建超声波测距误差分析J 传感器技术，2007:36 徐淑华，程退安，姚万生单片机微型机原理及应用J哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008:67 苏长赞红外线与超声波遥控J 北京：人民邮电出版社，2003:78 李华MCU-51系列单片机实用接口技术J 北京航空航天大学出版社，2010: 69 樊昌元，丁义元 高精度测距雷达研究J 电子测量与仪器学报，2000:1010 陈光东单片机微型计算机原理与接口技术(第二版)J武汉：华中理工大学出版社，2009:411 Xilinx IncData Book 2001MXilinx , 2001:47-5812 KesterwTo strengthen the anti-jamming ability of single-chip microcomputer system.BurlingtonMElservier,200513 晗晓，袁慧梅单片机系统的印制板设计与抗干扰技术M电子工艺技术，2010:614 占操，梁厚琴，曹燕单片机系统中的软件抗干扰技术J电子技术，2003:3第 34 页致 谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师吴晓艳老师的精心指导和细心教学。在我撰写论文的过程中，吴老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了吴晓艳老师细心的指导和无私的帮助。在设计过程中我遇到了很多困难和棘手的问题，吴老师都用她的经验和学识一一给我解答,让我在撰写论文中得到了明确的思路。在论文的写作过程中，也得到了许多同学和朋友的宝贵建议，