基于单片机的汽车防撞报警系统设计

1、基于单片机的汽车防撞报警系 统设计 作者: 口期: 第1章概述 1.1课题研究背景和意义 汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断 发展，在现代汽车上，电子技术的应用越來越來广泛，汽车电子化的程度越來越高。 随着交通运输向高密度发展，电子控制技术进一步应用于汽车的乘坐安全性和导 航方面。电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全性。汽 车中应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪,雷达式距离报警器, 中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以 及充电器等。近年来汽车的自动调速系统叫 汽车防撞系统，汽车监测和自诊断

2、系 统以及汽车导航系统被人们广泛应用。 在过去203 0年中，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，以减轻汽车碰撞带来的危害。安 装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞 物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统,在发生车祸时不一定能有效地保护 车内乘车人员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中 发生碰撞造成的问题。为预防撞车事故的发生,必须在提高汽车主动安全性方面下 功夫。汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（

3、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工。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%o 1秒钟的预警时间可防止9 0 %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釆取措施或自动紧急制动叫避免严重 事故发生。汽车防撞装置是借助于检

4、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込 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來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、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，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 综合管理系统竹。其中智能车辆系统

5、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g。根据计算车辆与目标的相对位移，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3。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(AVCS S)的主要研究内容:叫世界各大汽车公司都在开展这方面的研究与开 发工作。日本各大汽车制造企业如丰田、日产、马自达、本田、三菱等公司致

6、力 于新型安全汽车技术研究开发，并取得了重要的进展。丰田汽车公司使用毫米波雷 达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测，当两车距离小于设定值时,系统将 发出报警信号提醒本车驾驶员。日产汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的 车距监测系统对跟午距离进行动态监测，当需要减速或制动时，用制动灯亮來提醒 驾驶员，并及时监测驾驶员操纵驾驶踏板的踏踩状态,必要时使汽车的自动制动系 统起作用降低车速，在最危险时刻自动制动。本田公司使用具有扇形激光束扫描的 雷达传感器小】,即使车辆在弯道行驶也能检测到本车与前方汽午或障碍物的距离降 到设定值时，驾驶员仍未及时釆取相应措施，便发出警告信号。三菱和日立公司在 毫

7、米波雷达防撞方面也做了大量的研究，其雷达中心频率主要选择6 0-61 GHZ或 7 677GH乙探测距离为1207,尼桑公司为41厶U-Z配备了自适应巡航控制系统 16】。 徳国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究切，特别是奔驰、宝马 等著名汽车生产厂商，其采用的雷达为调频毫米波雷(Ft e q uenc y Mod u 1 a t i on Con t inu o us Wave),频段选择7677GHZ。如奔驰汽车公司和英国劳伦 斯电子公司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为1 50m,当测得的实际车 间距离小于安全车间距离时，发出声光报警信号。该系统己经得到应用。 美国的汽车防

8、碰撞技术已经相当先进，福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统 的工作频率为24. 7 2 5 GHZ,探测距离约106加。仅探测本车道内车辆的信息叫 从 而可避免旁车道上目标物的影响。戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测 距仪和一个影像系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够自动 引发制动装置。戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示,车速以每小时3 2.18公里/ 小时的速度行驶，在距离障碍物2.54期的地方停下來。 近距离报警如倒车雷达现己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

9、一步研究。、 13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釆用电 气方式中的压电式超声波换能器呦。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切。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旳。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

10、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 绚。 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 测法鬥】。本设计釆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來，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/,超声波传播的速度 为卩表示。则有关系式： 5 = V/2 (1-1) 在精度的要求较高的情况下，需要考虑

11、温度对超声波传播速度的影响，按式(1 2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。 v = 331.4 + 0.6077 (1 -2) 中，T为实际温度单位为C卩为超声波在介质中的传播速度单位为M/So 表1-1 一些温度下的声速 温度 -30 -2 0 -1 0 0 1 0 20 30 声速 3 337 3 4 4 3 5 0 第2章硬件简介 本设计釆用以AT8 9S51单片机为核心芯片的电路來实现注要由AT8 9S51 芯片、时钟电路、复位电路、LED显示、超声波传感器5部分组成。 AT8 9 S51单片机的时钟电路由1 8(XT AL 1 )管脚和19管脚的时钟端 (XTAL2)组成。给单

12、片机一定的周期。与12MHz的晶振Yj电容C9电容C”组 成，采用片内振荡方式。 复位电路采用简易的开关复位电路，主要由电阻不按S时，由于电容通交流阻直流，RST仍为低电平。 2. 2各芯片功能及工作原理 在本设计中用到了 74HC04芯片、CX2 0 1 6芯片、晶振芯片。芯片在本设计 设计中起到了关键作用。 2 21 晶振芯片 本设计中釆用了 12MHZ的晶体振荡器。 只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象 即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压 电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。晶体振荡电路连接图如图2 -3所示。 图2

13、-3晶振电路图 LED显示简介 第1管脚WSS为电源地，接GND o 第2管脚：VDD接5V正电源。 第3管脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱, 接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用 时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4管脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选 * 择指令寄存器。 第5管脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行 写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者 显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号, 当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第6管脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变

14、成低电平时，液晶模块 执行命令。 第71 4管脚:DO-D 7为8位双向数据线。 第15管脚：BLA背光电源正极(十5V)输入引脚。 第1 6管脚：BLK背光电源负极，接GNDo 注意：液晶模块背光须消耗电流约为50m A左右，S51增强型实验板上 设计了 DIP微动开关来控制背光的开关，如右图所示，当实验板上的DIP 开关(第3位)拨打到ON状态时，液晶背光显示，拨到OFF状态时，背光关 闭。 TC160 2液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器(CGROM)己经存 储了 192个5x7点阵字符,3 2个5x1 0点阵字符。另外还有字符生成RAM (CGR AM) 512字节,供用户自定

15、义字符。如表1所示，这些字符有I阿拉伯数字、英文 字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码， 比如大写的英文字母，A”的代码是0B (4 1 H ),显示时模块(x i an shi mo kuai) 把地址4 1 H中的点阵字符图形显示出來，我们就能看到字母“A”。 2.2.2 8位数码管 8段数码管属于LED发光器件的一种。LED发光器件一般常用的有两类:数码 管和点阵。8段数码管乂称为8字型数码管，分为8段：A、B、C、D、E、F、G、 P 10根管脚，每一段有一根管脚。其中P为小数点。数码管常用的有另外两根管脚 为一个数码管的公共端，两根之间相互连通，如图2

16、-4所示： frofr-o-P2.4匕-7 口为低电平时，三极管导通，S1S4为高电平，对P2.4-P2. 7 口赋予高电 位或低电位可以选择不同位的数码管亮。显示如图3-5所示： 3.4.3电源模块 电源模块电路釆用LM78 0 5三端稳压集成电路，用LM7805三端稳压I C來 组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路, 使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM 7 805表示输出电压为正 5人 此电源模块电路利用LM 7 805芯片不仅生成了稳压电源，并且并联了一个

17、限流电阻和一个发光二极管，当有电流流过时，发光二极管发光；无电流时，二极 管灭。可实现对电源的检测作用,方便及时发现电源供给问题所在。如图3-6所示。 J1 S1 图3-6电源电路图 3.4.4.声音报警模块 在很多车上装备防撞系统，用于减少车辆在驻车、倒车和低速行驶时发生撞 车的概率。仪表板上有指示灯指示车辆与障碍物的距离，在车辆与障碍物十分接 近时有指示灯和声音报警。 本设计中釆用一个蜂鸣器，由P-2输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前经 过一个三极管9 01 2的放大。声音报警的电路连接图如图3-7所示。 图为报警器电路,R6. Rio为限流电阻，当P2.o 口输出高电平是，三极管Q-

18、截止, 此时由于2为高电平,LED与扬声器没有电流流过，即LED不亮，扬声器不响;当P 2.0 口输出低电平时，三极管Q-1导通，LED与扬声器有电流流过，即LED亮，扬 声器响起 卜20 RIO 4.7K VCC LED VCC SPEAKER 012 图3-7声音报警电路图 3. 5总体电路设计 通过对整个系统各个模块的设计，由此可以基本确定本次系统设计的总体电 路的基本框图，如图3- 8所示。 I :日日日且 7亠- LS8X 常瓷带常畫MR 图38总体电路图 第4章软件设计 4.1主程序流程设计 本系统采用汇编语言编程，系统程序包括主控程序、Ti中断服务子程序、IN TO中断服务子程序

19、、测温子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和 报警子程序设计等。主程序流程图如图4-1所示。 图4-1主程序流程图 4.2控制程序流程设计 系统初始化后就启动定时器T从0开始计数。此时主程序进入等待，当到达 6 5ms时Ti溢出进入中断服务子程序;在Ti中断服务子程序中将启动一次新的 超声波发射，此时将在P -0引脚上开始产生40 KHZ的方波，同时开启定时器T o计 时，为了避免折射波的绕射需要延时17S后再开INTO中断允许；I NT0中断允 许打开后若此时P3XINT0 ）引脚出现低电平则代表收到回波信号。将提出中断请 求进入INTO中断服务子程序，在INT 0中断服务子程序中

20、将停止定吋器计时, 读取定时器To时间值到相应的存储区，同时设置接收成功标志；主程序一旦检测 到接收成功标志，将调用温测子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准 确的声速,存储到RAM存储单元中；单片机再调用距离计算子程序进行计算，计 算出传感器到目标物体之间的距离;此后主程序调用显示子程序进行显示;若超过 设定的最小报警距离还将启动扬声器报警。当一次发射、接受、显示的过程完成 后系统将延迟1 00/ns重新让Ti置初值，再次启动Ti以溢出，进入下一次测距。如 果犹豫障碍物过远超出量程以致在To溢出时尚未接收到回波则显示“ ERROR” 重新回到主程序流程进入新一轮测试。 图4 2流程图

21、 酱第5章调试 5. 1硬件调试 第一步，通电观察。将电路通电观察有无异常现象，例如有无器件冒烟现象, 有无异常气味，手摸集成电路外封装,是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关 断电源，待排除故障后再通电。 第二步，静态调试。将信号输入端加固定的电平信号后进行的直流测试，可用 万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判 断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中己损坏或处于临界工作状态的元 器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。 第三步，动态调试。动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端 加入合适的信号，按信号的流向，用示波器

22、顺序检测各测试点的输出信号，若发现 不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。 5. 2软件调试 所谓软件调试，是将编制的程序投入实际运行前，用手工或编译程序等方法进 行测试，修正语法错误和逻辑错误的过程。这是保证单片机正确运行的必不可少的 步骤。编完单片机程序，必须送入单片机中测试。 我把软件调试过程分为两步： 第一步，使用软件调试程序。将编辑好的汇编语言程序进行编译连接，消除 基本的语法错误，再通过软件自带的调试工具进行必要的程序调试。 第二步，联系程序的实际运行情况调试程序。此步主要是消除程序中的逻辑错 误，因为在编辑程序时在逻辑思维上可能会出现漏洞导致操作时出错。

23、我们将编 辑好的汇编语言程序编译连接并生成he x文件，并将hex文件下载到单片机中。通 过实际操作寻找逻辑上的错误，不断的修改程序，最终达到了预先设定的操作步骤 及显示格式等多方面的要求。 5. 3测试结果 为了保证实际制作出來的汽车防撞报警系统能够稳定可靠地运行，我们对各 个功能模块和程序运用仿真软件protu s进行了仿真测试。但实际制作出的电路和 理论乂会有一定的差距，为此我们还使用实验仪器对该汽车防撞报警系统进行了 相关测试。 在本电路的调试中,如果上直发射超声波，在7脚将会有周期的低电平产生。 不会像通常认为的那样，即一直发射信号时,7脚一直为低电平。这是刚用CX20106 时的一

24、个常见错误。只要通过单片机来來计算发射信号时到收到信号是产生下降 沿这段时间的长度，再通过数学计算，转化为距离，然后在显示器上显示。 在测试过程中的总结： 1、定时器T 1之所以是6 5龙s溢出是因为它是16位定时/计数器。在 使用1 2 MHZ的晶振时，一个机器周期是lus,计数器6 5 ms技术器溢出。 2、本设计中40KHZ方波的产生采用软件方式实现：控制pl. 0 口输出 12us的高电平,再输出13us的低电平,这样得到一个周期的4 0KHZ的 脉冲。再循环发送8次。 3、在cpu停止发送脉冲后，由于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

25、INTO接收回 波，要等待一段时间后，这样就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。 4、最人测试距离将取决于:两次脉冲发送之间的最小时间间隔和脉冲的能量。一般来 说发射端脉冲个数越多，能量越人，所能测的距离也越远。但也不是无限制的。本设 计中读取定时器TO的计数值。测试结果如图5-1所示： 图5-1调试结果 利用AT8 9S5 1单片机设计的超声波防撞报警系统便于操作、读数直观。该 系统工作稳定，能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比、 设计中在超声波接收电路中使用了 CX20 1 06集成芯片，减少了电路之间的相互干 扰，减少了电噪声。本设计系统可广泛应用于小

26、距离测量。 通过试验验证该设计系统灵活方便，工作稳定可靠，抗干扰能力强，精确度高, 能够有效的防止小车碰撞前面的障碍物。超声波换向器能很好的接收和发射信号, 很大程度上降低了小车周围实物的干扰性，提高抗干扰性。得到了预期的效果。 在本设计中，出现一个问题就是蜂鸣器一直响。原因是： (1 )蜂鸣器是由程序控制的，只要检测到距离小于8 0伽，程序执行中断 來处理蜂鸣器响这条指令。 (2) 检查电池没有有电。 通过本设计我学到了很多在实际操作中的知识： (1) A T89S51各个管脚的功能。 (2) LED显示段选和位选的控制。 (3) 每个模块的电路图的功能。 本论文是在我的指导老师李艳辉老师的

27、亲切关怀与细心指导下完成的。从 课题的选择到论文的最终完成，李老师始终都给予了细心的指导和不懈的支 持。在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲 浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向李老 师表示最衷心的感谢！ 此外，本文最终得以顺利完成，也是电气信息工程学院其他老师的帮助分 不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少 的意见，提出了一系列可行性的建议，在此向他们表示深深的感谢！ 最后要感谢的是我的父母，在未來的日子里，我会更加努力的学习和工作, 不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！ 参考文献 1

28、翟金辉.超声波测距系统的设计M.中国仪器仪表.2 0 0 7 ( 8 ):44- 4 5. 2袁佑新，吴妍,刘苏敏.可视汽车倒车雳达预警系统设计M.微计算机 信息.2 0 0 7(2 3 ) :268-27 0 3 宋永乐.高精度超声波测距系统设计M.现在电子技术.200 8 ,3 1 (15): 1 37-1 3 9. 4 吴斌方.超声波传感器的研究J湖北理工学院学报,2006( 6 )： 26- 2 8. 5 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计M.北京:电子工业出版社,2002:283- 2 8 8. 6 孙肖子.张企民.模拟电子技术基础.1版.西安，西安电子科技大学出版社， 20 0 1

29、:3 3 - 3 9 . 7 余孟尝.数字电子技术基础简明教程R,北京，高等教育出版社，1 9 99: 1 96 一 201. 8 张永瑞，1版，西安，西安电子科技大学出版社,199 4： 10 7-1 10. 9 谭浩强，张基温.C语言程序设计教程M.3版.北京，高等教育出版社，200 6： 8 5-88. 1 0陈明荧.805 1单片机课程设计实训教材.清华大学出版社，2 0 04:2 5-3 6 . 1 1罗亚非.单片机应用基础.北京,北航出版社，2 0 03. 12 贾好來.MC S 5 1单片机原理及应用.机械工业出版社,2 0 07. 13 阎石.数字电路技术基础.北京，高等教育出

30、版社,19 9 sbit csb out=PlzO; sbit csb iiit=P3A2; sbit bg=P3 八 3; #d efiiie L ED PO sb i tLEDl=P2A4； /LED 控制 sbit LED2 =P2A5 ; /LED 控制 sbitLED3 = P2 A 6; / /LED 控制 sbit bj=P2AO;/ffi警 #d e f i ne csb c 0.03 4 7 /超声波发送 超声波接收 u n si g n c d char cb mqzd,c s bs，cs b ds,buffer 3 ,xin 1 ,xm2.xinOjpjs;显示标识 un

31、signed chai con v er t 1 0 =0 x 18, 0 x 7b, 0 x2 c ,0 x 29.0 x 4 b , 0 x89,0 x88,0 x3 b ,0 x0 8,0 x0 9； 0 9 段码 u n s igned i n txx, j，sjl，sj 2 , s j3、m q s , sxl; void c sbcjQ; vo i d d e la y (j); v o id sc a iiLEDQ; void tiineToB u Ser (); v oi d key scan (); v oid klc 1 (); void k 2 cl()； void k3

32、 c 1(); v o id k 4 c 1 (); v oid offm s d (); vo i d ma mQ E A=l; TMOD=Oxll 为计数，设定时器1定时 ET0=l; 允许 ET1=1; 断允许 THO=OxOO: TL0= 0 x00； /延时函数 /显示函数 /显示转换函数 /主函数 开中断 设定时器0 /定时器0中断 /定时器1中 TH1=O x 9E; TL1=O x57; csbd s =0： c s b o ut= 1 ; cl=0; csbs=8; j PJS=O； sj 1=50;/测试报警距离 s j 2= 2 0 0； sj3=5 8 0； k4cl()； TRI =1; wlii le(l) k evsc a n (); i f(JPJssj 3 )大于时显示“ C CC” buffer2=OxC6; buffer 1= 0 xC6; b u f f er 0 =0 xC6; else i f(s s j 1)小于时显示 b u f f er 2 =0 xBF; b uf