汽车倒车防撞报警器的设计.doc

分类号 TP36 单位代码 10642 密 级 公 开 学 号 200408054039 重庆文理学院学士学位论文论文题目：汽车倒车防撞报警器的设计 论 文 作 者： 尹贻虎指 导 教 师： 郭仿军 副教授 专 业： 电子信息科学与技术提交论文日期： 2008年5月20日论文答辩日期： 2008年5月23日学位授予单位： 重庆文理学院中 国 重 庆2008年05月Graduation Thesis of Chongqing University of Arts and sciencesThe Design of the Anti-collision and Alarm System for Reversing AutomobileCandidate: Yin-Yi-huSupervisor: Guo-Fang-junMajor: Electronic Information Science and Technology Department of Physics & Information EngineeringChongqing University of Arts and SciencesMay, 2008重庆文理学院本科生毕业论文(设计) 目录目 录摘 要IAbstractII1 引言11.1 问题的提出及研究意义11.1.1 问题的提出11.1.2 研究的意义11.2 国内外研究现状12 基本原理12.1 超声波传感器12.2 超声波测距的原理13 系统组成23.1 硬件部分23.2 软件部分24 系统硬件电路设计24.1 单片机系统及显示电路24.1.1 芯片74LS24424.1.2 4位共阳LED数码管34.1.3 单片机系统及显示电路34.2 超声波发射电路44.2.1 超声波换能器44.2.2 芯片74LS0454.3 超声波检测接收电路54.3.1 超声波检测接收电路54.3.2 芯片CX20106A65 系统程序设计75.1 超声波测距器的算法设计75.2 主函数85.3 超声波发生子函数和超声波接收中断函数86 软硬件调试及性能96.1元器件的焊接96.2电路调试与分析97 结语11参考文献11附 录12致 谢16重庆文理学院本科生毕业论文(设计) 中文摘要摘 要超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之超声波传感器结构简单，成本低，而且以声速传播，便于检测和计算，在机器人避障、汽车倒车、测量等方面已经有了很广泛的应用。本论文在介绍了8051单片机及超声波理论的基础上，利用8051单片机控制超声波收发设计出汽车倒车防撞报警器，并对设计中存在的各种关键问题进行深入的分析。硬件设计采用收发一体型超声波传感器。通过利用CX20106A超声波收发专用芯片很好解决了超声波的收发、衰减、余振问题；软件的设计解决了数据处理和干扰的问题；最后通过软硬件调试，很大程度上减少了本设计的系统误差，从而提高检测的精度及灵敏度，使整体系统实现了简易、精确、抗干扰的目的。 关键词：超声波；8051芯片；测距 I 重庆文理学院本科生毕业论文(设计) 英文摘要AbstractUltrasound distance measurement isnt affected by illumination degrees, electromagnetic field, color factor etc. Moreover, its structure is simple , cost is low and the speed of sound makes it very suitable for detection and calculation. So it has been widely used in the robot evading, automobile back-draft and measurement aspects. This article introduces single-chip microcompurer 8051 and ultrasonic principle. It designs an anti-collision and alarm system for reversing automobile by 8051 controling ultrasonic waves receiving and sending, and deeply analysis all kinds of key questions in the system. The hardware design uses a ultrasound sensor which includes sending and receiving. It solves ultrasonic wave receiving and dispatching, weaken, aftershock question by using special-purpose chip CX20106A. Software design makes a solution for data processing and disturbance problem. Finally, the systems error is greatly reduced through software and hardware debugging, therefore, measuring precision and sensitivity is improved and the system is simple, accurate and antijamming. Keywords: ultrasonic；8051 chip；measuring distance 13 重庆文理学院本科生毕业论文(设计)1 引言1.1 问题的提出及研究意义1.1.1 问题的提出随着我国汽车的日益普及，停车场越来越拥挤，车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近，驾驶员的视野颇受限制，碰撞和拖挂的事故时有发生，在夜间时则更显突出,汽车防撞已成为许多车主关注的话题。1.1.2 研究的意义 我国近年来，随着社会经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高我国的汽车数量逐年增加，造成道路交通拥挤不堪，许多非职业汽车驾驶员很希望能有一种汽车倒车报警器，在倒车时不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安全性，特别是在雨、雪、雾天气中减少和避免倒车时的撞车事故，减少车主不必要的损失，汽车倒车防碰撞系统需求量将十分可观1。 1.2 国内外研究现状 由于实际路况非常复杂，这就对防撞系统所采用的传感器提出了很高的要求，近年来，随着单片机技术在各领域广泛应用，使得由单片机构成的应用装置更加灵活、稳定。以往超声波技术在测量、测距等领域的应用是采用超声波专用集成电路构成的，电路固定应用不灵活，随着单片机技术的不断发展，单片机技术和超声波技术的不断结合，超声波技术的应用前景更加广阔。极大的减少了不必要的汽车碰撞事故的发生，避免了经济财产的损失，而且保护了人们生命的安全。近几年来，美国、日本和欧洲多家著名汽车公司不惜花费巨额投资来进行汽车避撞、自动驾驶等汽车智能化方面的研究和开发，并已取得了一些可喜的进展，其中有些技术已经进入实用化阶段。例如美国在2O世纪9O年代开发了一种24GHz毫米波汽车防撞报警系统，美国长途客运大巴士Greyhound Bus(灰狗)公司1993年试用该系统，1994年事故下降2l。1998年底前该公司已安装了上万套这种雷达系统，其应用效果良好，并初具规模。日本和欧洲一些汽车公司也已经在他们的高档汽车上实验安装了高智能化的汽车防撞系统34。2 基本原理2.1 超声波传感器超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号5。超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 2.2 超声波测距的原理由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离5。 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。3 系统组成根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图3.1所示：超声波接收单片机控制器LED显示和报警超声波发送扫描驱动图3.1 超声波测距器系统设计框图3.1 硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离6。3.2 软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。4 系统硬件电路设计定时器控制显示器调制器计时器振荡器接收检测超声波发射器超声波接收器图4.1 超声波测距原理框图4.1 单片机系统及显示电路4.1.1 芯片74LS24474LS244是TTL 八同相三态缓冲器/线驱动器，其CMOS器件对应为74HC244,常用在单片机MCU系统中，作为单片机的输入输出数据缓冲器，在选通时输入数据送到总线上，在非选通时对总线呈高阻态。图4.2 74LS244引脚功能图4.1.2 4位共阳LED数码管管脚顺序：从数码管的正面观看，以第一脚为起点，引脚的顺序是逆时针方向排列。12-9-8-6四个脚为公共引脚，A-11，B-7，C-4，D-2，E-1，F-10，G-5，DP-37。 图4.3 4位共阳LED 数码管内部连接图4.1.3 单片机系统及显示电路单片机采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动8。单片机系统及显示电路如下图4.4所示：图4.4 单片机及显示电路原理图4.2 超声波发射电路超声波发射电路原理图如图4.5所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40KHZ方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两极反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10和R11一方面可以提高反向器74LS04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，缩短其自由振荡的时间8。图4.5 超声波发射电路原理图4.2.1 超声波换能器压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图4.6所示，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，并带动共振板产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，使机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。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9。图4.6 超声波转化装置图4.2.2 芯片74LS0474LS04是6非门(反相器)他的工作电压5V，他的内部含有6个coms反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0，平时在使用中请注意不要芯片的管脚顺序搞错了，下面是芯片的管脚图：图4.7 74LS04管脚图4.3 超声波检测接收电路4.3.1 超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图4.8。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力10。图4.8 超声波接收电路图 4.3.2 芯片CX20106A 表4.1 CX20106A引脚功能表11引脚号引脚功能1超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=1F。3该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4接地端。5该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8电源正极，4.55V。图4.9 CX20106A外观图图4.10 CX20106A引脚功能图图4.11 CX20106A的A、B、C、D点的波形图5 系统程序设计超声波测距器的软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序具有较高的效率并且容易精确计算程 程序和超声波接收中断程序逐一介绍。5.1 超声波测距器的算法设计图5.1示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器R接收到，此时只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式为：d=s/2=(c*t)/2 其中，d为被测物与测距离器的距离；s为声波往返的路程；v为声速；t为声波往返所用的时间。由于超声波也是一种声波，其速度v与温度有关，表5.1列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以教正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施14。超声波测距仪图 5.1 超声波测距原理图表 5.1 不同温度下超声波声速表温度/c-30-20-100102030100声速（m/s）3133193253233383443493865.2 主函数主函数程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并将显示端口P0和P2清零。然后调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时0.1ms（这也是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波往返所用的时间）按式4-2计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取20C时的声速344m/s，则有d=(C*T0)/2=172T0/10000 cm其中：T0为计数器T0的计数值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。图5.2为主函数程序流程图。开始系统初始化系统初始化发送超声波脉冲等待反射超声波计算距离显示报警图5.2 主函数流程图 5.3 超声波发生子函数和超声波接收中断函数超声波发生子函数的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约为40KHz的方波），脉冲的宽度为10us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子函数比较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程12。超声波测距器主函数利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断函数。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。若计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示本次测距不成功。外部中断入口关外部中断读取时间值计算距离结果输出开外部中断返回开始单片机初始化定时中断子程序有回波吗？外部中断子程序NY定时中断入口定时器初始化发射超声波三方向均发射完否？停止发射返回NY图 (a) 主程序流程图 图 (b) 定时中断子程序 图 (c) 外部中断子程序 图5.3程序流程框图6 软硬件调试及性能6.1元器件的焊接焊接是制造电子产品的重要环节之一，如果没有相应的工艺质量保证，任何一个设计精良的电子装置都难以达到设计指标13。对焊点的基本要求：（1）可靠的电气连接，焊接是电子线路从物理上实现电气连接的主要手段，锡焊连接不是靠压力而是靠焊接过程形成的牢固连接的合金层到达电气连接的目的。（2）足够的机械强度，焊接不仅起到电气连接的作用，同时也是固定元器件，保证机械强度连接的手段。（3）光洁整齐的外观，良好的焊点要求焊料用量恰到好处，外表有金属光泽，没有粒尖，桥接等现象，并且不伤及导线的绝缘层及相邻元器件。6.2电路调试与分析供电电路是否正常是系统能否正常工作的前提，因此首先对电源部分进行调试，接上电源，测得电源电压输出应该是5V。并且测得P1.0口的输出信号频率为38.46 KHz,接近40 KHz，满足实际要求。超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为770cm，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求下面是用超声波测距仪测得的一组数据与实际距离的比较：表6.1 数据比较实际距离/CM1015202530354050超声波测距/CM1015202530344050测量的角度范围：超声波测距器60度图6.1硬件实物照片如下： 图（a） 图（b） 图（c） 图（d）7 结语本次毕业设计是采用单片机AT89C51和超声波技术相结合的方法来完成超声波的测距工作。通过单片机控制超声波的发射和接收，并且用LED 数码管实时显示汽车尾部与障碍物的距离，便于驾驶人员观测；而且能够通过改变电路元器件参数的大小，有效的进行控制测量距离的大小，它具有集成化程度较高，高精度，高性能，和低价格等优点，是一个值得推广的方案。但是由于实际条件的限制，本设计并没有达到理想的设计要求，与实际要求有一定的差别，并不够完善，还有进一步改进的空间，例如可以加上语音报警装置，随时读出汽车尾部与障碍物的距离，同时给驾驶人员视觉和听觉上的感官刺激，能有效的避免汽车倒车时发生碰撞事故，给人们的驾驶生活带来更多一份安全保障。参考文献1 马义德，李柏年，申建军.汽车防撞系统研究J.中国公共安全，2004,72 何兆永，陈广义，刘 义.智能汽车防撞报警系统设计与实例分析J.佛山科学技术学院学报(自然科学版)，2005，l23 王唯合，王宏志，郭宏宇，梁 贺.基于CAN总线的汽车防撞报警系统J.长春工业大学学报(自然科学版), 2007，94 刘和平等.单片机C语言编译器及其应用M.北京: 北京航空航天大学,20075 龚运新.单片机C语言开发技术M.北京：清华大学出版社，20066 赵宏刚.基于AT89C2051的超声波泊车防撞系统的设计J.自动化与仪器仪表，2005年第四期7 戴曰章.基于超声波测距的汽车倒车报警器设计J.自动化与仪器仪表，2006年第三期8 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析J.传感器技术，2004，69 罗亚非等.凌阳16位单片机应用基础M.北京:北京航空航天大学出社，200310 钟化兰.Z86E08微处理器在汽车倒车防撞报警器中的应用J.华东交通大学学报，2003，811 肖 梅高速公路追尾碰撞预防报警系统再研究J.西安:长安大学,200312 史延龄.计算机增强型并行口与数据采集系统设计J.仪表技术，2003，113 史延龄.计算机增强型并行口与频率的高精度测量J.电工技术杂志,2006,614 张志良.单片机原理与控制技术M.北京: 机械工业出版社，200115 贺乐厅.智能运输系统基于毫米波雷达的车辆防撞技术与实验研究J.南京：东南大学，200316 潘旭峰.现代汽车电子技术M.北京:北京理工大学出版社，199817 Avon.美国AEI杂志译.日本制定未来汽车发展计划(下)J.汽车工程，2002,418 Leonards Bobrow.Elemetary Linear Circuit Analysis Second EditionM.北京:电子工业大学出版社，2000，6附 录 程序清单：/*- 超声波测距器单片机C源程序 使用Keil C51 ver7.09-*/#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longextern void cs_t(void);extern void delay(uint);extern void display(uchar*);data uchar testok;/*主程序*/void main(void)data uchar dispram5;data uint i;data ulong time;P0=0xff;P2=0xff;IT0=1;TMOD=0x11;IT0=1;IE=0x80;while(1) cs_t(); delay(1); testok=0; EX0=1; ET0=1; TR0=1; while(!testok)display(dispram); if(1=testok) time=TH0; time=(time8)|TL0; time*=172; time/=10000; dispram0=(uchar)(time%10); time/=10; dispram1=(uchar)(time%10); time/=10; dispram2=(uchar)(time%10); dispram3=(uchar)(time/10); if (0=dispram3) dispram3=17; else dispram0=0; dispram1=16; dispram2=16; dispram3=3; for (i=0;i300;i+)display(dispram); /*超声波接收程序（外中断0）*/void cs_r(void) interrupt 0 TR0=0; ET0=0; EX0=0; testok=1;/*超声波清除程序（内中断 T0 ）*/void overtime(void) interrupt 1 EX0=0; TR0=0; ET0=0; testok=2;/*文件2：cs_t.asm*/;-;超声波发生子程序（12 MHz 晶振，38.5Hz）;- NAME CS_T?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_TRSEG ?PR?CS_T?CS_TCS_T: PUSH ACC MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV A, #4D SETB TR0CS_T1: CPL P1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ ACC, CS_T1 POP ACC RET END;/*文件3:display.asm*/;-; 4位共阳LED动态扫描显示程序;P0为段码口，P2为位选口(高电平有效);参数为要显示的字符串指针;- NAME DISPLAY?PR?_DISPLAY?DISPLAY SEGMENT CODE?CO?_DISPLAY?DISPLAY SEGMENT DATA EXTRN CODE (_DELAY) PUBLIC _DISPLAY RSEG ?CO?_DISPLAY?DISPLAY?_DISPLAY?BYTE: DISPBIT: DS 1 DISPNUM: DS 1 RSEG ?PR?_DISPLAY?DISPLAY_DISPLAY: PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL PUSH PSW INC DISPNUM MOV A, DISPNUM CJNE A, #4D, DISP1DISP1: JC DISP2 MOV DISPNUM, #00H MOV DISPBIT, #0FEHDISP2: MOV A, R1 ADD A, DISPNUM MOV R0, A MOV A, R0 MOV DPTR, #DISPTABLE MOVC A, A+DPTR MOV P0, A MOV A, DISPNUM CJNE A, #2D, DISP3 CLR P0.7DISP3: MOV P2, DISPBIT MOV R6, #00H MOV R7, #0AH L