汽车倒车超声波防撞报警装置设计

1、徐州工程学院毕业设计(论文)汽车倒车超声波防撞报警装置设计摘要本设计是基于51单片机的汽车倒车报警装置。通过对汽车防撞系统基本原理的分析，从而利用超声波的特点与优势，将AT89C51单片机和超声波测距系统相结合。该系统采用软、硬件相互配合的模式，硬件系统通常分为超声波传输电路、单片机连接口、数字信息电路、工作电路以及预警设备等，软件部分的组成则包括了主程序、发射接收中断程序、显示报警子程序等等。充分体现出在多用性和模块化方面的优势。驾驶者坐在汽车驾驶室就可以很轻松的判断后方是否具有障碍物，极大地提高泊车和倒车时候的安全与效率。关键词 超声波；LED；测距；传感器AbstractThe desi

2、gn is based on 51 single-chip car reversing alarm device. Through the analysis of the basic principle of the automobile anti collision system, the characteristics and advantages of ultrasonic wave is used, and the combination of AT89C51 microcontroller and ultrasonic ranging system is combined. The

3、system uses the combination of hardware and software, hardware part mainly by ultrasonic transmitting and receiving circuit, MCU hardware interface circuit, digital display circuit and a power circuit and alarm circuit and software includes the main program, transmitting and receiving interrupt prog

4、ram, display and alarm subroutine and so on. Fully embody the advantages of multi - use and modularity. The driver can easily judge the rear if there is obstacle in the cab, greatly improving the safety and efficiency of parking and reversing time.Keywords Ultrasonic；LED；ranging；sensorII徐州工程学院毕业设计(论

5、文)目 录1 绪 论1 1.1 研究背景1 1.2 研究的主要内容22 电路方案选择3 2.1 方案比较3 2.1.1 激光测距法3 2.2.1 超声波测距法3 2.2 电路总体方案33超声波测距模块4 3.1 超声波传感器简介4 3.2 HC-SR04超声波测距模块的性能特点5 3.3 HC-SR04的管脚排列和电气参数6 3.3.1管脚简介6 3.3.2 HC-SR04的电气参数7 3.4 超声波时序图74 系统硬件电路设计9 4.1单片机最小系统9 4.1.1 AT89C51芯片9 4.1.2 复位电路9 4.1.3 晶振电路10 4.2驱动显示电路及报警电路11 4.2.1 LED数码

6、管显示电路11 4.2.2蜂鸣器报警电路12 4.3 HC-RS04超声波测距模块13 4.4按键设置电路13 4.5总电路设计155系统程序的设计16 5.1主程序16 5.2显示数据子系统16 5.3报警子程序17 5.4按键子程序176系统调试19 6.1软件调试19 6.11 proteus简介19 6.12 Keil C51编译器简介 19 6.13仿真与调试20 6.2硬件调试23 6.21元件清单23 6.22元器件的焊接23 6.23电路调试与分析267系统误差分析与改进27 7.1误差产生原因分析27 7.11温度对超声波声速的影响27 7.12回波检测对于时间测量的影响27

7、 7.13超声传感器所附加脉冲电压对测量范围与精度影响28 7.2针对误差产生原因的系统改进方案28结论30致谢31参考文献32附 录33II徐州工程学院毕业设计(论文) 1 绪 论1.1 研究背景汽车与电子产业，是当今产业领域的两座金字塔，因为汽车和电子产业的迅速崛起和发展，更广泛的电子技术被运用到汽车上，使得汽车上的装备变得更加数字化、电子化以及高科技化。汽车数字科技就是汽车与电子产业相互融合的产物。在各种汽车科学技术融入到机电系统化的当今时代，汽车里的电力装置以及电子管理体系的作用十分关键，令汽车专业技术方面逐渐发展成为一门全新的二级学科，它的运转性能将直接的影响到汽车的各方各面，包括安

8、全与效益等方面。电子控制技术被应用到汽车上，首先是在发动机燃油消耗控制和排放控制方面，紧接着又被应用在汽车底盘部分的控制，使汽车在行驶的时候更加稳定、安全与舒适。现代社会的交通在高密度发展，为了进一步的提高汽车驾驶方面的安全性和便利性，电子控制技术又一次被运用到汽车中。汽车安全监控体系里的电子控制技术，主要作用是充分增强汽车行驶过程中的安全性、可靠性以及有效性。主要运用到的电子技术有：智能记录仪，雷达测距报警器，电子控制门锁，自动化空调，车灯控制等。这几年的汽车自动控制体系，汽车自动预警、自动诊断体系、汽车防爆体系包括汽车GPS导航发展十分迅速，应用也十分广泛。在过去的几十年里，人们都集中精力

9、在处理汽车的被动安全问题上。例如，汽车的前面以及后面都安装上保险杠、把某种弹性材料安装到汽车外壳的四周、在汽车内部也装有各式各样的安全带和防撞气囊等等。通过各种各样的收点来减少汽车发生事故带来的危险。在汽车上安装保险杠后即使在某些方面来讲，可以减少由于汽车碰撞产生的破坏，但这也不能去除被撞物体受到的外界撞伤；此外，汽车上的安全气囊系统，在碰撞事故发生时也不一定能够很好地保护车内人员的生命安全。所以上述被动的汽车安全方法都没有能够彻底去除汽车在行驶过程中产生意外事故造成的危害。因此，从防范碰撞意外事故形成的方面分析，必须充分增强人民行驶时的主动安全性方面，才能够使汽车在安全性领域有重大的突破。汽

10、车发生碰撞事故的主要原因通常是汽车与前方物体的距离跟汽车本身行驶的车速不安全造成的，汽车速度相对于距离太近从而容易引起事故。因此我们如果想要防止汽车与前方物体产生碰撞，汽车的行驶速度就需要根据与前方障碍物之间距离的变化进行速度控制，这样汽车便可以在安全的车速下行驶。大大的提高了汽车行驶的安全性，减少事故的发生的可能。为了提高汽车智能化水平，发展汽车防撞技术有着重要的意义。根据相关统计，当有事故将要发生时，如果能够给予驾驶员半秒钟的反应时间，追尾事故发生的可能性就要降低30%，迎面撞车事故更是能够减少60%; 1秒钟的预警时间更是可以减少90%的追尾碰撞以及60%的迎面碰撞。2说到这里，汽车想要

11、避免碰撞就需要运用各种设备对周围障碍物开展距离测量工作，同时必须迅速准确的传递给开车人，从而在紧急条件下，使用声控报警或者自动开启某项已经设置完善的操作，例如紧急刹车等，进而减少了许多由于开车人长时间驾驶、判断失误等原因造成的意外交通事故。截至目前，国内外的研究学者都关注于车辆距离测量技术，这将是汽车防撞系统的关键。1.2 研究的主要内容本次设计是由单片机微型体系、超声波距离测量板块、显示工作电路、预警电路包括控制工作电路等构成。使用超声波距离测量板块HC-SR04对车辆之间的距离进行准确测量，得出与障碍物的距离，并对得出的数据分析处理，再把数据送到C51单片机，操控单片机使得LED数码管显示

12、出与障碍物的距离，按键电路可以使我们通过按键来调整预设的报警距离，电源方面则采用的是5V稳压直流电源。2 电路方案选择2.1 方案比较2.1.1 激光测距法激光测距主要有如下两类基本方式：脉冲法以及相位法。使用脉冲法测量距离：测距设备发射出激光，激光在碰到障碍物之后被反射回来，测距设备收到反射回来的激光，测距设备录入激光射出之后来回往返的时间差，使用上述时间差和光速相乘，乘积的一半就是被测距障碍物的准确距离。相位法的测距方法：使用无线电波段的频率，进行激光束的幅度调制并且测量出调制光往返一次后形成的相位差，按照光波的实际波长，推算出这个相位差所代表的距离，这是运用间接的方法测量光经过往返测线所

13、用时间。2.2.1 超声波测距法在汽车防撞系统中，超声波测距的基本原理是通过声波传播于空气中的速度为音速，准确检测出声波射出碰到障碍物之后，反射回来的时间差，使用射出以及收到的时间间隔，就可以推算出和障碍物的准确距离。超声波产生装置朝向固定角度射出超声波，同时在射出的时候，准确记录下超声波在空气里传播的时间，传播过程中碰到障碍物就被反射回来，接收设备在收到到反射超声波之后，就马上停止记录时间。综合比较上述两种方案，方案二的设计比较简单，而且性价比相对较高，因此我选用了超声波测距法。2.2 电路总体方案下图2-1是电路原理流程图，主要是由单片机微型体系，超声波距离测量板块，蜂鸣器报警电路，LED

14、数码管显示电路，显示电路和按键电路。 数码管 蜂鸣器报警 超声波距离测量板块 AT89C51 按键设置 驱动设备 5V直流稳压电源 图2-1 电路原理流程图3超声波测距模块3.1 超声波传感器简介超声波作为一类高频率的声波，由于它具备方向性好、传播距离远、能耗小、波长短等优点，所以经常被运用于在测距方面。依靠超声波测距在检测方面较迅速、简易、容易计算、便于实时控制等优点，同时拥有能够满足实际的测量准确度要求，因此在检测系统中应用十分广泛。超声波传感设备的基本原理是：把其他各种形式的能量转化成为所需要的特定频率的超声能，或者将超声能转化成为频率一致的其他能量。一般来说，超声感应设备被划分为两种，

15、电声型和流体动力型。电声型又可以划分为：静电感应型、电磁伸缩型、压电感应型。流体动力型里又可以划分为气体与液体两类。按照工作周期与使用效果的不同，超声波感应设备的组成方式也不完全一致，因此命名也各不相同。举例，超声波感应设备在测量或者判断的时候，习惯被称之为探头，但是在工业里常用的流体动力型中，又被习惯称之为“哨”或者“笛”。压电感应设备是电声型感应器中的一类。使用压电晶片、接口等构成了检测探头，在检测过程里，它是十分常用的可以完成电能和声能之间相互转化的感应设备，因此，在超声波测量设备里是最关键的构成装置。压电材料主要有晶体以及陶瓷两类。石英以及铌酸锂等是晶体类，锆钛酸铅，钛酸钡等则是压电陶

16、瓷类。压电材料的主要特点有：把它摆放到电场里，它就可以形成一系列的改变；此外，在压电材料受到外力作用的时候，形成的应变可以令压电材料形成特定角度的电场。所以，在上述材料里附加上交变电场，就可以形成一定的应变，从而形成超声振动。因此，运用压电材料就能够创造出超声感应设备。超声感应设备里最关键的构成就是压电晶片。在它由于受到电脉冲刺激之后，形成了振动，就可以产生声脉冲，这种作用就是逆压电作用。在晶片由于受到超声波的干扰刺激而开始振动并且造成的物理形变，就会转化成为对应的脉冲信号，这种作用就是正压电作用。逆压电常见于超声波的射出，正电压常见于超声波的接入。超声波感应设备，在通常条件下都是由瓷晶片制成

17、。这类感应设备所需要耗费的材料很少，价格也比较低廉，同时十分适用于气体和液体类的介质里。当陶瓷的两端连接入大小与方向都在不断改变的交流电压的时候，因为压电作用，晶片就会形成物理变形，它的大小和方向在一定数值内与外接电压的大小与方向是呈正相关。换句话说，在晶片里连接入交流电压的时候，就会形成一个固定频率的振动，使用上述振动作用于液体等介质，进而就会形成超声波。在晶片产生超声波振动的时候，就会形成物理变形。图3-1压电式传感器示意图在实际工作中，压电式感应器的基本原理是使用压电晶体的振动，传感器的基本构造如上图3-1所示，它使用两个电极和一个共振板构成的，外加一个脉冲信号在它的压电晶片中，数据信号

18、的频率和电极的固有频率一致的时候，压电晶片上就会形成共振作用，同时连动共振板开始振动，从而发射出超声波。相反的，如果在两电极中不连接外加电压，则在共振板接收超声波的时候，就会令压电晶片形成振动，机械能转变成为电信号，这样以来，也就形成了超声波感应装置。晶片的振动频率大小是固定的，也就是中心频率 f0是个常数。当射出超声波的时候，交变电流的频率要和中心频率保持一致。这样做，超声感应设备的准确度、反应速度就会大大提升。维持运用的压电材料不改变，不断调整晶片的形状大小，就能够迅速、方便、有效的调整它的固有振动频率。使用晶片的上述特点就可以制作出想要频率的超声传感器。3.2 HC-SR04超声波测距模

19、块的性能特点该测距模块的感测距离在2cm-400cm，它的距离测量准确度可以控制在3mm左右，模板是由发射设备、接收设备以及工作电路等构成。本模块的工作原理如下：（1）运用IO接口的TRIG来进行距离测量，供应10us的高压电平数据信号；（2）模块可以自行发射八个40khz的数据信号，同时可以自行检测出有没有反射回来的信号；（3）在检测出反射信号的时候，IO接口的ECH0迅速传出一个高压电平，这个高压电平的保持时间和超声波射出往返耗费的时间是相同的。该超声波模块性能稳定，测距精准，其优点具有如下几条：（1）体积小，只具有两个发射短裤，接收端口的体积无法更小了；（2）不具有工作盲区；（3）工作效

20、率高，10ms的工作周期，测量高速物体的时候，也不会缺失；（4）发射端口和接收端口连接十分紧凑，可以令待测物体处于一条直线上；（5）本工作模块中具有LED指示设备，运转和调试都十分方便。3.3 HC-SR04的管脚排列和电气参数3.3.1管脚概述HC-SR04的外形以及管脚如下图3-2所示。（1）VCC连接5V直流电源；（2）GND需要接地处理；（3）TRIG控制数据信号的输入；（4）ECH0控制反应数据信号的输出。VCCTRIGECH0HC-SR04GND 图3-2外形和管脚示意图3.3.2 HC-SR04的电气相关参数 电气相关参数数据如下表3-1所示：表3-1 电气相关参数数据表3.4

21、超声波时序图 图3-3超声波时序图上图表明：为体系供应一个10us的脉冲数据信号，系统内部就可以连续发射八个40kHz的脉冲信号，同时还可以检测出有没有反射波。在检测到反射波之后，迅速发射出一个反应信号。这个反应信号的脉冲幅度与检测的距离成正相关。按照发射数据信号到收到反应数据信号的时间差，就能够迅速准确的推算出所测的实际距离。按照计算公式：uS/58=cm或uS/148=英寸；或者是：距离=高压电平时间间隔*声速（340M/S）/2；为了减少发送信号对反应信号的干扰和影响，因此测量的周期最好在60ms以上。4 系统硬件电路设计4.1单片机最小系统4.1.1 AT89C51芯片在本次设计里，笔

22、者使用的是AT89C51型单片机芯片，这种单片机芯片是一类低电平、高性能的CMOS 8位单片机，并且带有4K字符兼容编程同时可以修改储存设备的低工作电压、高处理效的微型处理器，它的正常工作速度最高可以达到90MHz，功耗很低。4.1.2 复位工作电路复位工作电路是确保单片机体系里的工作电路有效、可靠、安全共组的重要组成部分，复位工作电路的基本原理是：在系统连通电源的时候，供应一种复位数据信号，等到体系的电源正常之后，停止发射复位数据信号。为了安全有效，在电源正常之后，还必须在充分延迟之后，才能够停止发射复位数据信号，以防电源启动或者电源接口在连通的时候产生振动，进而对单片机的复位产生影响。在复

23、位接口中连通两个设备周期以上的高压电平之后，单片机才能够开始复位工作。假如RST中一直都是高压电平，就会一直进行复位工作，所以在复位接口中的电容应尽可能的大一些，令复位工作的时间久一点；然而如果电容过小，高压电平的连续时间过短，那么系统也不能正常复位，进而无法稳定工作，一般来说看，电容的大小控制在10UF至22UF，使用铝电解电容就可以。在刚通电的时后，单片机复位电路里的电容并没有通电，电容中的电阻值很小，在连通电源之后，5V电源经过电阻，电容开始电解进行充电，电容两级的电压由0V增大到4V之后，复位接口由之前的低压电位转化成为高压电位，电路进行复位；按下复位键面，电容两级开始放电，电压降至0

24、V之后，重新开始复位工作。工作电路原理图如下图4-1。图4-1 复位工作电路原理图4.1.3 晶振工作电路晶振电路是单片机可以稳定工作的基本保证，只要振荡设备不工作，单片机就不能正常运转。假如振荡设备工作不稳定，单片机在工作过程里就很容易形成时间上的问题，上述问题在通信里被放大：晶振电路停止工作，不再正常通讯。一个晶振和两个工作电容结合组成了晶振工作电路，晶振和电容都不用区分正负极，两个电容相互连接，其中一端口需要接地处理，如下图4-2所示。图4-2 晶振工作电路原理图单片机里的晶振电路在通常条件下，都处于并联稳定状态，这也能够被称之为谐振电容的组成形式。它的大小是按照晶振制造商供应的电容种类

25、来确定的，也就是说，晶振通过所提供的负载电容测出它的频率，这样能够最大限度的确保频率值的各种误差。设备周期：通常是指在内存里录入一个字节的有效时间，由此来确定中央处理器的工作周期，一般都是由十二个个时钟周期构成。同时一个时钟周期等于1秒/晶振频率，因此单片机的设备周期=12秒/晶振频率，接下来再列举几个相关的工作周期。指示周期：输出之后进行下一指示所需要花费的时间。时钟周期：也即是节拍周期，是工作运转的最小单位。总线周期：访问储存设备或者I/O接口所需要花费的时间。 因为普通的处理器的一个设备周期是由十二个时钟周期构成。所以单片机通常都是用12M的振动，工作速率控制在1M。电容的选择是一致的，

26、也就是容量相差很小，如果相差过大，就会令谐振工作不稳定，便会造成停振或者直接不起振。因此它发挥的是共同振动的效果，所以可以令它的脉冲保持稳定和有效。4.2驱动显示电路及报警电路本次工作电路，笔者运用的是LED数码管显示，一旦距离小于预先设好的距离值时，蜂鸣器就会发声报警。4.2.1 LED数码管显示电路该电路的显示模块使用的是一个4位一体7段LED数码管。它是一个共阴极的数码管，该数码管的a,b,c,d,e,f,g与dp端都各自连接到一起，通过这样来接收单片机的P1口所产生的显示段码。S1，S2，S3，S4四个引脚端是其位选端，作用是接收单片机的P2口所产生的位选码。本电路使用的是动态扫描模式

27、。这种模式是通过使用其连接电路，令数码管相互连接在一起，同时每根数码管的接口COM端都会受到I/O连线的作用。在CUP从数据传输端口传输数据代码时，数码管都可以收到相同的数据代码，但是决定哪个数码管发光，则是依靠COM端。COM端和单片机的I/O接口连接，通过单片机输出位选码到I/O接口，来操控何时哪一位数码管发光。在依次点亮数码管的位扫描过程中，每位数码管的发光时间都是极为短暂。但是因为人的视觉暂留现象，人的眼睛显示出的就是一组稳定显示的数码。该方式的使得耗电少，减少电的消耗，在动态扫描的过程中，任意时候都只会有一个数码管是处在工作状态的。原理图如图4-3图4-3 显示电路4.2.2蜂鸣器工

28、作电路蜂鸣器是一类应用十分广泛以及综合构成的数字设备，通过直流电源，在许多的电器设备中作为发声装置被运用，蜂鸣器通常划分为电压力式以及电磁式。前者电压力式的构成部件主要有多谐振荡设备、阻抗匹配设备、电压蜂鸣片包括设备外壳等。多谐振荡设备主要是由晶体管以及合成工作电路组成，在连接电源之后，多谐振荡设备开始工作，可以发射出1.52.5kHz左右的声音数据信号，进而阻抗匹配设备开始作用于电压蜂鸣片产生声音进行报警。后者电磁式主要是由振荡设备、电磁铁、线圈以及设备外壳等构成。在连通电源之后，振荡设备发出的声音数据信号通过工作线圈，令工作线圈形成一个点磁场，膜片由于受到工作线圈以及电磁铁的作用效果，就可

29、以规律性的开始振动发出声音。在本次设计中，笔者选用了后者电磁式，当检测距离低于之前设置的距离大小的时候，蜂鸣设备就可以振动发声开始报警。电磁式发声原理是使用电流通过工作线圈，令工作线圈形成了电磁场，进而作用于振动膜开始振动发声，因此必须有足够大的电流，蜂鸣设备才可以正常工作，这里使用的是PNP型三极管9012来驱动蜂鸣器，单片机只需要输出一个低电平就可以使三极管导通来驱动蜂鸣器。 图4-4 蜂鸣器工作电路原理图4.3 HC-RS04超声波测距模块超声波进行距离测量，是按照超声脉冲发射往返的时间差来工作的，其系统框架流程图如下图4-5所示。定时器控制计算传输调制40k振荡超声波发射计时增益放大超

30、声波接收障碍物图4-5 系统框架流程图模块的基本工作原理是：单片机发出40kHz的信号，这是数字信号，传到发射探头接受时，接受探头发射超声波，这是模拟信号。接受时，接受探头收到超声波，这是依然是模拟信号。传到接受模块，经过放大，整形，检波等得到一个高电平，这时是数字信号。把这个信号传给单片机进行运作。4.4按键设置电路单片机键盘分为独立键盘和矩阵式键盘：独立键盘上每个I/O口只接一个按键，按键的另一端则接电源或接地，这种接法能够使系统更加稳定且程序简单；矩阵式键盘相对来说接法程序就会比较复杂，不过矩阵式键盘占用的I/O少。在本次设计中我采用的是独立式键盘接法。它主要是根据单片机I/O口读取口的

31、电平高低，以此来判断是否有键按下。当将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时没有键按下的时候I/O口会保护高电平。而当有键按下的时候，I/O口会与地短路从而迫使I/O口变为低电平。按键释放以后，单片机的内部上拉电阻会使I/O口依然保持在高电平。此时只要通过对程序中此I/O口的电平状态进行查询我们就能够了解到是否存在按键动作了。用单片机对键盘进行处理时会涉及到了一个关键过程，那便是键盘的去抖动。这里的抖动是机械的抖动，是键盘在未按到按下的临界区造成的电平不稳定现象，这是正常的现象，在按键时是无法避免的。这种抖动一般10200毫秒之间，这短暂的抖动时间对于人来说是太快了，然后对于时钟是微秒计算的单片机来说却是慢长的过程。硬件去抖动是依靠部分电路对