倒车防撞报警系统毕业设计定稿

.学校代码：10904 学 士 学 位 论 文基于单片机倒车防撞报警系统的设计姓 名：齐侠学 号：20105130429指导教师：缑亚楠学 院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2014年5月18日 学 士 学 位 论 文基于单片机倒车防撞报警系统的设计姓 名：齐侠学 号：20105130429指导教师：缑亚楠学 院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2014年5月18日精选文档摘 要随着科学技术的快速发展，单片机将在汽车领域中的应用越来越广。本文对单片机汽车防撞报警系统进行了理论分析，利用单片机结合超声波测距来实现系统功能。利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。并且利用keil与proteus进行汽车防撞报警系统进行仿真，可实现上述功能，理论证明该系统能够简单、经济、有效的倒车防撞报警系统。关键词：防撞系统 超声波 keil proteusAbstract With the rapid development of science and technology, MCU will be more and more widely used in the field of automobile. The automotive anti-collision alarm system in this paper, the single chip microcomputer are analyzed in theory, combining microcontroller to ultrasonic ranging system functions. Use of analog electronics, digital electronics, microcomputer interface, ultrasonic transducer, and the characteristics of the transmission of ultrasonic wave in the medium such as knowledge, using AT89C51 single-chip microcomputer as the core of low cost, high precision, miniaturization, and digital display hardware circuit and software design of the ultrasonic ranging method based on the design, the overall scheme of the system is finally through hardware and software to achieve the various functional modules. The automotive anti-collision alarm system and use the keil and proteus alignment simulation, which can realize the function, theory to prove the system is simple, economic and effective reverse collision warning system.Keywords: anti-collision system ultrasonic single- chip microcomputer Keil Proteus目 录第1章 绪论1.1倒车防撞报警系统的研究目的及意义11.2国内外研究现状及其发展11.3基于单片机倒车防撞系统的研究内容2第2章系统方案设计2.1整体方案原理32.2 倒车防撞报警系统的功能要求32.3 倒车防撞报警系统中单片机介绍32.4 倒车防撞报警系统超声波的应用42.4.1 超声波介绍42.4.2超声波测距原理42.5倒车防撞报警系统显示与报警的介绍5第3章 系统硬件结构设计3.1 系统硬件总电路构成及原理63.2 系统硬件电路构成63.3发射接收电路的设计方案73.3.1发送整体电路的设计73.3.2接收整体电路的设计83.4显示电路的设计93.5报警电路的设计10第4章软件设计4.1主程序的设计124.2超发射声波序的设计134.3 超声波的接收与处理134.4超声波汽车防撞电路的算法设计134.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序14第5章 利用KEIL与PROTUES软件联机进行仿真实验5.1 软件调试的方法和意义155.2 进行软件仿真模拟倒车防撞报警系统工作情况16第6章 总 结17参考文献18附录19附录119附录227致 谢29第1章 绪论1.1倒车防撞报警系统的研究目的及意义随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大幅攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行。汽车防撞预警系统能够成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故1 3。 基于单片机汽车防撞报警系统优点主要是，系统采用通用型单片机作为控制电路, 方便系统功能扩展。系统电路主要采用集成器件构成, 外围元件少、电路简洁、调试方便、体积小、成本低、抗干扰能力强，利于商品6,7。1.2国内外研究现状及其发展国内外对于汽车倒车防撞报警系统的研究方案很多，有基于PLC的倒车防撞系统，有基于超声波倒车防撞系统，还有雷达倒车防撞系统 8，但这些设计都用了一些成本较高，特殊难购买的元件，使其难以推广。还有更为先进的美国戴姆勒克莱斯勒公司汽车倒车自动防撞系统，该产品结构主要是两个测距仪和一个影像系统，虽然比较先进但成本太高，而且戴姆勒克莱斯勒公司以及沃尔沃公司的防撞产品也有一些缺点：不能防止误操作。如你要超车，车的自动防撞功能测出两车的间距小于安全距离，自动防撞系统就会自动刹车。随着小型价廉微处理器技术的迅速发展，能够使得超声波测距传感器性能得到显著提升。可以通过单片机和超声波特点，来设计一种汽车倒车防撞的报警系统，能够有效降低或防止汽车倒车状态引起的划伤、撞伤。一种基于AT89C51 的汽车倒车防撞报警系统，主要由控制系统模块、测距系统模块和显示报警系统模块组成，系统整体电路简单可靠，价格低廉，能耗较低，体积小等特点。抗干扰能力强，具备良好的稳定性19。本文主要研究以单片机为核心结合超声波测距的汽车防撞报警系统。本设计利用超声波通过测量其发送和接收的时间差，计算出障碍物的距离，利用单片机编程实现控制电路，使汽车在遇到危险时输出信号报警，提醒驾驶员注意,达到防撞的目的。1.3基于单片机倒车防撞系统的研究内容首先选择某一频率的超声波，通过测量其发送和接收的时间差，计算汽车与周围物体之间的距离，将距离作为单片机输入信号，与设置的安全距离进行比较，通过单片机编程实现比较过程，输出比较结果，当小于安全距离时，单片机控制LED灯亮并且报警器发出报警信号，以提示司机注意，达到防撞的目的。本设计主要做了如下几方面的工作： 1.确定系统总体设计。包括测距、系统硬件、软件以及显示电路的设计。 2.进行的LED显示电路、超声波测距电路等的设计对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。3.进行硬件系统设计，确定硬件系统的连接方式，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解工作原理。4.进行软件系统的设计，对于本系统，采用单片机汇编语言编写，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成软件的编写。第2章系统方案设计2.1整体方案原理倒车防撞报警系统研究以单片机为核心结合超声波测距的汽车防撞报警系统。本设计利用超声波通过测量其发送和接收的时间差，计算出障碍物的距离，利用单片机编程实现控制电路，使汽车在遇到危险时输出信号报警，提醒驾驶员注意,达到防撞的目的。整体方案图如图2-1所示。单片机AT89C51发送模块接收模块LCD显示报警图2-1整体方案原理图 该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用性能较好AT89C51单片机。2.2 倒车防撞报警系统的功能要求 本设计要能够实现基本的防撞报警的功能，用红绿黄灯不同距离下的报警信号，在0.1-0.5米倒车距离内红灯以及蜂鸣器报警，在0.5-1米倒车距离内黄灯以及蜂鸣器报警，在1-1.5米倒车距离内绿灯以及蜂鸣器报警。并且能够进行距离显示，以达到对异常状态进行提醒控制的目的。2.3 倒车防撞报警系统中单片机介绍 AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密、非易失性存储技术产生，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机。AT89C51提供了高性价比的解决方案， AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程19。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。2.4 倒车防撞报警系统超声波的应用2.4.1 超声波介绍 一种机械振动波，可以在气体 、液体和固体中传播，在空气中的传播速度为340m/s，与光波、电磁波相比是非常缓慢的。超声波具有方向性，即传播的能量比较集中，这一点与可听见的声波不同。另外，超声波在传播途中若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。应用其反射特性可将超声波应用于倒车防撞报警系统。2.4.2超声波原理超声波测距的基本原理同声纳回声定位法的原理是基本相同的，单片机给超声波发生器信号超声波发生器不断发射出40kHz超声波，超声波遇到障碍物后返回。超声波接收器探测到被反射的超声波后接收超声波，在并给单片机信号，在发射和接收之间存在时间差，该时间差便是超声波在车与障碍物间传播时间，由该时间便可算出汽车与障碍物间距离。 （2-1）其测距原理如图2-2所示。图2-2超声波测距原理图 2.5倒车防撞报警系统显示与报警的介绍当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给LM567的输入端，使得单片机AT89C51产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机把计得的时间差进行运算，根据这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到LCD显示电路去显示。如果距离在0.1m1.5m之间，则单片机AT89C51便给P1.7口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。同时红黄绿三种颜色的LED等亮，并由LCD显示屏显示距离。第3章 系统硬件结构设计3.1 系统硬件总电路构成及原理实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89C51单片机及外围器件构成最小控制系统，3个发光二极管分成3组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，LCD显示屏，以及超声波的发射电路、接收电路、复位电路、和1个蜂鸣器进行报警。3.2 系统硬件电路构成系统硬件电路由单片机、信号灯、LCD显示、按键、蜂鸣器组成。其具体硬件结构电路图如3-1所示。图3-1系统硬件电路图根据系统设计要求，单片机各接口功能如下15：P1.0：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于后方测距电路）P1.0：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于左方测距电路）P1.0：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于右方测距电路）P1.1：设置安全距离，增加安全距离。P1.2：设置安全距离，减小安全距离。：产生中断请求，接后方测距电路。P0.0P0.7：用于显示输出，接显示器LCD D0D7接口。P1.7：接蜂鸣器报警接电路。P2.0：接LED显示RS端。P2.1：接LED显示RW端。P2.2：接LED显示E端。P2.5：接红灯报警电路。P2.6：接黄灯报警电路。P2.7：接绿灯报警电路。XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作。3.3发射接收电路的设计方案3.3.1发送整体电路的设计 发射电路原理：当单片机AT89C51,通过P1.0这个I/O口,发送一系列的脉冲,经过反相器,从而使T40-16这个激励换能器发射出超声波。图示为74HC04,它是一个六反相器，一个起到高低电平的转换作用，还有一个就是增加信号的驱动能力，信号一般都从MCU从发出，直接驱动其他器件的能力不够，中间加一个逻辑电路来增加驱动能力。超声波发射电路电路图如图3-2所示。图3-2 超声波发射电路图模拟超声波发射图如图3-3所示。图3-3 模拟超声波发射图3.3.2接收整体电路的设计接收头采用的是UCM40R，UCM40R可将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567， LM567输入信号大于25mv，输出端8脚由高电平越变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机INT0处理。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INTO端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。接收电路如3-4所示。图3-4 超声波接收电路图此电路由两个的电源, 电阻, , ,，激励换能器T40-16一个。3.4显示电路的设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED 发光二极管，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏。综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，由于全程显示的距离范围在2米之内，可用LCD做显示器装置。 LCD1602共16个管脚，但是编程用到的主要管脚不过三个，分别为：RS(数据命令选择端),RW（读写选择端）,E（使能信号）。显示电路如3-5所示。图3-5 显示电图路图3.5报警电路的设计系统报警电路由一个运算放大器一和个喇叭组成。的阻值为，的阻值为。对于二级运算放大,都采用F007芯片.两级放大电路均是负反馈接法,即反相比例运算电路。在报警的同时，红黄绿三种颜色的LED灯亮，用来显示不同的距离。系统报警线路图如图3-6所示。图3-6系统报警电路图LED报警电路图如图3-7所示。图3-7 LED报警电路图其中D1为红灯，D2为黄灯，D3为绿灯。第4章软件设计4.1主程序的设计主程序是单片机程序的主体，中主程序调用了子程序及中断服务程序。程序首先完成初始化过程，然后是一个重复的控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，而且每次发射周期结束都会判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生了中断，即是否有回波产生来判断程序得流程。流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图4.2超发射声波序的设计在脉冲产生前先对定时/计数器T0进行初始化，测距系统中的超声波传感器采用UCM40的传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。流程图如4-2所示。 图4-2超声波发射流程图4.3 超声波的接收与处理 超声波的接受是由外部中断口INT0是否有中断脉冲产生来判断的。定时子程序转回来的时候，要对中断进行初始化。选定的是INT0口，工作方式为脉冲方式。其接收其原理框图4-3所示。图4-3超声波接收流程图4.4超声波汽车防撞电路的算法设计 超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样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。距离的计算公式为： (4-1)其中为声波的来回的路程，则为被测物与测距仪的距离，为声速，为声波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 4.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序考虑到提高系统资源的利用率，显示采用动态显示法实现。将计算好的距离数据设置显示缓冲区起始地址，显示缓冲区中被显示的字符的字形码的地址偏移量预先制表放入。显示及报警流程图如图4-4所示。YNNNYY显示报警子程序读取距离X0.1X0.50.5 X11 X1.5显示危险距离，并用红色LED灯指示 蜂鸣器报警显示距离，黄色LED灯指示 蜂鸣器报警返回返回显示安全距离显示安全距离并用绿色LED灯指示返回返回图4-4显示报警流程图第5章 利用KEIL与PROTUES软件联机进行仿真实验5.1 软件调试的方法和意义软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。编辑、查看程序是否存在逻辑的错误20。利用keil软件进行程序的编译，生成.hex文件后，加载到proteus软件中进行仿真，流程如图5-1所示。机器码固化入芯片C51源程序编写C51源程序输入Keil C51编译浮动目标码模块Keil连接器绝对地址机器码文件软件运行检查源程序列表硬件电路仿真图5-1 软件仿真流程图5.2 进行软件仿真模拟倒车防撞报警系统工作情况当汽车到障碍物的距离在0.1-0.5m之间时LED红灯亮，报警器报警。仿真图如图5-2所示。图5-2仿真模拟图当汽车到障碍物的距离在0.5-1m之间时LED黄灯亮，报警器报警。当汽车到障碍物的距离在1-1.5m之间时LED绿灯亮，报警器报警。仿真图见附录。第6章 总 结倒车防撞报警系统在现实生活中用重要意义，本文所设计的基于单片机控制的倒车防状报警系统，从控制系统的硬件系统设计、软件系统设计及各功能模板的组成到程序的仿真调试，以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心进行系统设计，在进行仿真实验过程中比较完整的实现倒车防撞报警演示，满足倒车防撞报警的功能要求，本设计论文对现实社会倒车防撞具有很好的参考意义。参考文献1 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,2003.2 何希才.传感器及其应用电路M.北京:电子工业出版社,2001.3 戴曰章,吴志勇.基于 AT89C51 单片机的超声波测距系统设计J.电气时代,2005,32:17- 19. 4 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计M北京航空航天大学出版社,19905 韩全立,王建明. 单片机控制技术及应用M.电子工业出版社,20046孙琳琳,石飞飞.一种高精度超声波测距仪的设计与实现J.2010,10(30):56-60.7 陈莹.基于单片机的超声测距系统D.武汉:华中科技大学出版社,2004.8 张洋.雷达原理演示实验系统的设计D.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.9 李建忠.单片机原理及应用M.西安:西安电子科技大学出版社,2008.2.10 陈杰,黄鸿.传感器与检测技术M.北京:高等教育出版社,2002.8.11 雷辉.基于AT89C51的智能防撞报警器设计J.电气时代,2005.89.12 童师白,华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2001.1.13 闫石.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社,1998.11.14 罗四维.传感器应用电路详解M.北京:电子工业出版社,1993.615 刘守义.单片机应用技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2003.138-140.16 吴金戌.8051单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社,2006.250-260 . 17 余发山.单片机原理及应用技术M.中国矿业大学出版社,2003.88-121. 18 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用J.电子技术,2002.117.19 董子和,李永辉.超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用J.汽车电 器,1997.15-16.附录附录1#include sbit k1=P34; sbit csbout=P10; /超声波发送 sbit csbint=P32; /超声波接收 sbit bg=P33; #define LED P0 sbit LED1=P25; /LED控制 sbit LED2=P26; /LED控制 sbit LED3=P27; /LED控制 sbit bj=P17;/报警 #define csbc 0.0347 unsigned char cl,mqzd,csbs,csbds,buffer3,xm1,xm2,xm0,jpjs; unsigned char convert10=0x18,0x7b,0x2c,0x29,0x4b,0x89,0x88,0x3b,0x08,0x09; unsigned int s,t,i,xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1; void csbcj(); void delay(j); /延时函数 void scanLED(); /显示函数 void timeToBuffer(); /显示转换函数 void keyscan(); void k1cl(); void k2cl(); void k3cl(); void k4cl(); void offmsd(); void main() /主函数 EA=1; /开中断 TMOD=0x11; /设定时器0为计数，设定时器1定时 ET0=1; /定时器0中断允许 ET1=1; /定时器1中断允许 TH0=0x00; TL0=0x00; TH1=0x9E; TL1=0x57; csbds=0; csbout=1; cl=0; csbs=8; jpjs=0; sj1=50;/测试报警距离 sj2=100; sj3=150; k4cl(); TR1=1; while(1) keyscan(); if(jpjssj3) /大于时显示“CCC” buffer2=0xC6; b