基于单片机的倒车防撞报警系统的设计

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平顶山学院2023届本科生毕业设计基于单片机的倒车防撞报警系统的设计张部兴

目录

1绪论12系统组成及工作原理2

2.12.22.3

超声波测距原理3测速原理3报警器工作原理4

3系统硬件电路的设计5

3.13.23.33.43.53.6

系统总体电路构成5AT89C2051单片机的性能及特点7超声波传感器7超声波谐振频率发生与调理电路设计8超声波回波接收与处理电路设计9显示电路和报警电路设计9

4系统软件的设计11

4.14.24.34.44.54.6

主程序设计11T0中断服务程序设计12外部中断0程序设计13超声波测距子程序设计14显示程序设计15报警程序设计16

5结论与展望18

5.15.2

结论18展望18

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3系统硬件电路的设计

3.1系统总体电路构成

系统由主控单片机、超声波发射电路、接收电路、测速电路、报警电路、LED显示电路组成，电路原理框图如图3-1所示。

图3-1电路原理框图

超声波发射电路由CC7555时基电路和超声波发射探头组成。单片机AT89C2051的P1.7引脚控制CC7555时基电路产生40KHz的频率信号给超声波发生器，由超声波探头发射的超声波射向障碍物。利用超声波测距具有以下特点：测量灵敏度高、穿透力强、测量速度快、测量角度大，可对较大范围内的物体进行检测[1,6]。

超声波接收电路由超声波接收探头、放大器和整形器组成。由障碍物反射回来的超声波经接收探头，变换为电脉冲信号，再由放大器、整形器放大和整形后送入到单片机AT89C2051的P3.2引脚。放大器宜选用有足够增益和较低噪声的宽带放大器，以保持脉冲信号特别是信号前沿不发生畸变，以提高测距的精度[7]。

测速电路由传感器、脉冲放大器、整形器、CC7555时基信号电路、选通门组成。霍尔集成传感器将车轮转速信号变成脉冲信号输出，经放大、整形电路后送入选通门，由CC7555时基电路产生的单位时基信号控制选通门的开与闭，以控制转速信号在单位时间内通过选通门，送入单片机AT89C2051的P3.5引脚，控制T1计数器计数，实现了在单位时间内的计数。

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报警电路由CC7555电路和扬声器组成。AT89C2051的P1.6控制CC7555电路并根据测量结果，产生一定频率的信号驱动扬声器发出报警声。在扬声器发出报警声时，时基电路CC7555处于暂稳态，此时电源向电容充电，从而使CC7555终止暂稳态回复到稳定状态，输出低电平，使扬声器中止发出报警声，直到下一次测距终止产生新的报警声。

LED显示电路由数码管和驱动电路组成。用两个数码管显示距离，数码管采用静态显示，由芯片MCS14495驱动显示，P1.4、P1.5分别作为驱动芯片MCS14495的锁存信号，用于控制产生的BCD(BinaryCodeDecimal，二进制编码表示的十进制数码)是显示高位还是低位[8]。

图3-2AT89C2051外围接口电路图

主控单片机AT89C2051主要是完成程序的执行、数据的处理和对外部电路的实时控制。内部定时器T0工作在定时方式，T0在超声波发射时开始计数，当P3.2引脚收到回波后，中止计数，T0所计时间即为超声波来回传输时间，单片机对该数据进行处理，即可测出距离。内部定时器T1工作在计数方式，由P3.5引脚输入的脉冲信号控制T1计数，由T1所计数值确定汽车的车速[9]。

单片机根据所测距离和车速进行比较，判断是否驱动报警电路报警，如设定：

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当车速小于等于30km/min时，安全距离应大于等于1m；当车速小于等于80km/min时，安全距离应大于等于2m；当车速大于80km/min时，安全距离应大于等于5m等。主控单片机外围接口电路图如上图3-2所示。

3.2AT89C2051单片机的性能及特点

AT89C205是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有2K的系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵敏的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C205为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C205具有以下标准功能：2K字节Flash，128字节RAM，32位I/O口线，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

AT89C2051是一个低功耗、高性能的CMOS8位微处理器，与MCS-51系列指令集和引脚兼容，具有以下特点：128bytes内部RAM，2kbytesEPROM，15根I/O线，2个16位定时/计数器，5个两级中断源，1个全双工串行口，一个片内缜密模拟比较器和片内振荡器，低功耗的闲置和掉电模式。工作电压范围4.25V~5.5V，工作频率取12MH[10]。

AT89C2051中的两个16位定时/计数器寄放器T0和T1，作定时器时，可计数机器周期，计数频率为振荡频率的1/12；作计数器时，可对外部输入引脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1，计数频率为振荡频率的1/24。T89C2051的引脚排列如图3-3所示。其主要功能特性如表3-1所示。对管脚的说明如下：

(1)端口P1可以用作为8位双向I/O引脚控制，P1.2至P1.7用于内部提升电阻，P1.0及P1.1则需要外加提升电阻，P1.0也作为内部模拟比较器的负端(AIN1)输入，P1的输出缓冲器可以吸入20mA而直接驱动LED显示器，P3.6是比较器输出端。

(2)端口引脚P3.0~P3.5及P3.7可以作为7位双向I/O引脚控制，并提供内部提升电阻，P3.6位用于内部比较器输出控制，无法做一般I/O控制，P3口输出缓冲器可以吸入20mA电流。

3.3超声波传感器

超声波传感器是超声波倒车防撞雷达中的重要部件，每套含1个发射头(T)和1

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个接收头(R)，应配对使用。为防止泥水污染宜选用防水型结构。超声波传感器的主要参数有：发射、接收的中心频率寻常为40.0±1kHz、带宽1kHz(-3dB)；发射头的最大余振时间0.5~1.2ms(因生产厂家、型号不同而异)。

图3-3标准工作模式引脚图表3-1AT89C2051主要功能特性

兼容MCS51指令系统15个双向I/O接口两个16位可编程定时/计数器时钟频率0~24MHz两个外部中断源可直接驱动LED低功耗睡眠功能可编程UARL通道2K可反复擦写(>1000次)FlashROM6个中断源2.7~6.0V的宽工作电压范围128*8bit内部RAM两个串行中断两级加密位内置一个模拟比较放大器软件设置睡眠和唤醒功能

由于车后障碍物(或人)的反射面积或大或小，为提高检测的可靠性、不留盲区，需要在车辆后尾架或底盘上安装左、中、右3套超声波传感器。

3.4超声波谐振频率发生与调理电路设计

超声波谐振频率的发生与调理电路如图3-4所示。NE555和电容电阻组成的电路产生40KHz的方波，以使超声波传感器产生谐振；而后面的CD4049则对40KHz

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频率信号进行调理。PLUS_EN1是超声波信号发射的使能控制端口，当该端口接低电平日，模组将不能发射超声波信号，即40KHz的方波[2]。

图3-4超声波谐振频率发生与调理电路

3.5超声波回波接收与处理电路设计

超声波回波接收与处理电路如图3-5所示。超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311的3管脚处，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。在放大器与比较器之间用PNP三极管(8550)作为通路选择，本方案需要将此通路选择跳线短接上，即把J2短接，固定使三极管导通即可[5]。

3.6显示电路和报警电路设计

电路如图3-6所示。由于系统用到单片机的输入/输出端口不多，在不考虑功能扩展时，从功能够用和低成本的角度考虑，采用AT89C2051单片机作为控制电路的核心器件。AT89C2051单片机共有20个引脚，其中有15个I/O端口(P3.6无引出脚)。两个16位定时器/计数器，其体积小、价格低。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。单片机的P3．3端口周期性的输出一串40kHz的矩形脉冲，通过双路四选一模拟开关CD4052周期性地加到四路超声波发射与回波接收电路。单片机的P3.4和P3.5端口输出双路四选一模拟开关CD4052的选通信号。单片机的P3.2端口为外部中断0中断申请信号输入端。三位LED数码管采用动态扫描显示。U4的小

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数点常亮，U4的单位为m，U5的单位为dm，U6的单位为cm。采用有源蜂鸣器作为报警发音器件，一是器件成本低，二是便于动态扫描显示的软件编程。

图3-5超声波回波接受处理电路

图3-6单片机控制、显示与报警电路

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4系统软件的设计

系统软件采用模块化设计，便利扩展移植。采用汇编语言编程，主要有主程序、T0中断服务程序、外部中断0服务程序、超声波测距子程序、显示程序和报警程序[11]。

4.1主程序设计

本系统有四路测距通道，采用分时工作，按后左→后左中→后右中→后右顺序循环测距。每一路发射超声波后的等待外部中断时间应大于超声波在最大有效探测距离内来回时间。所以按最大有效探测距离可以估算出最短的循环间隔时间。由于超声波在空气中传播能量会不断衰减，所以超声波测距存在最大有效探测距离。最大有效探测距离与多种因数有关：与超声波传感器性能的好坏、与驱动超声波传感器的脉冲电压幅值(功率)的大小、障碍物大小和形状、障碍物吸波特性以及反射波与入射波之间的夹角、与超声波放大和整形电路的灵敏度等有关。设定最大有效探测距离为8m(收发一体封闭型超声波传感器比较难达到，实际上也没有必要探测很远的障碍物，只是设计留有裕量。由于显示位数有限，也必需对最大探测距离做限制)，则循环工作的间隔时间Tm=2S/C=2×8/346l46ms，加上避免接收超声波传感器

余振的延时和程序执行时间，留足裕量，设定Tm=56ms。主程序流程图如图4-1所示。

首先是对系统初始化。端口P1.0、P3.3置0；设置堆栈，中断允许总控制位EA允许中断(EA=1)；允许外部中断0中断(EX0=1)，采用边沿触发方式(IT0=1)；设置定时器T0允许中断(ET0=1)，以16位工作方式定时约56ms；设置定时器T1以16位工作方式定时/计数，计数初值0000H，然后启动T0定时。设置显示数据初值为三位BCD码999(cm)，对应字形段码显示“---〞。四路探测处理完毕后，将四组数据中的最小值送入显示缓冲区，通过LED数码管显示。同时该值与设定的100cm值比较，若四组数据中的最小值小于100cm，P3.7端口置0，Q2三极管导通，有源蜂鸣器得电发出报警声。由于单片机采用12MHz的晶振，1个机器周期为1μs，所以计数器每计一个数就是1μs，定时器T1工作模式设置为16位定时/计数器模式，则其最大定时65.536ms。由于定时器T0每56ms产生中断，执行T0中断服务程序时中止T1计时，所以T1计时不会产生溢出中断。一轮四路探测处理完毕所用时间大约是56ms×4=224ms，用时很短，而倒车速度又比较慢，所以可以做到实时动态显示。

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开始系统初始化，T0,T1定时器、启动T0定时56ms设置显示数据缓冲区置显示数据初值读取显示数据动态显示Y最小值小于1N断开报警接通报警

图4-1主程序流程图

4.2T0中断服务程序设计

T0中断服务程序流程图如图4-2所示。每隔56ms分别按后左→后左中→后右中→后右顺序选通下一路超声波发射与回波接收电路，调用超声波发生子程序，送出16个40kHz的超声波脉冲电压，定时器T1开始计时，定时器T0开始定时56ms，使每路工作56ms。为了避免接收到超声波传感器余振的直射波产生的中断申请，延时2.8ms后，才允许外部中断0中断，等待汽车接收返回的超声波信号。所以，最小探测距离(盲区)Smin=Ct/2=346×0.0028/2l0.48m。四路探测处理完毕，将四路中最小值送入显示缓冲区。若在四路探测中有些路在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999cm)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“---〞。倒车伊

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始，LED数码显示器就显示“-.--〞，说明在安全距离内没有障碍物；若发出报警声后，又显示“-.--〞，说明进入了探测盲区[7]。

T0中断入口选通发射道中止T1计时，阻止外部中断0中断N四路选通完调超声波发生子程序启动T1计时Y有四组数据Y比较四路数据大小延时2.8msN置够四组数据允许T0中断，启动T0定时最小值送显示缓冲器允许外部中断0中断返回

图4-2T0中断服务程序

4.3外部中断0程序设计

外部中断0服务程序流程图如图4-3所示：

外部中断0入口中止T2计时阻止外部中断0中断读时间值计算距离结果存在比较大小缓冲区返回

图4-3外部中断0服务程序流程图

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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)，马上进入外部中断0服务程序。首先中止定时器T1计时，阻止外部中断0中断。然后将定时器T1中的数N，也即将超声波来回所用的时间N(单位:μs)，按式S=CT/2=(346×N×10-6)/2=173×N÷10000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。然后等待定时器T0定时56ms中断的产生，继续下一路的探测处理。

4.4超声波测距子程序设计

超声波发生子程序通过P3.3端口发送16个周期是25μs(即频率40kHz，1个周期内高电平持续13μs、低电平持续12μs)的矩形脉冲电压。脉冲串个数在10~20个比较适合。脉冲个数太少，发射强度小，探测距离短；脉冲个数太多，发射持续时间长，在离障碍物距离近时，脉冲串尚未发射完毕，先发射出去的脉冲产生的回波就到达接收端，影响测距结果，造成测距盲区增大。测距电路系统中的反射式超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电源是40kHz的脉冲信号，是由单片机定时器产生振荡频率为40kHz的脉冲串，经脉冲变压器生压驱动超声波发送器，并由P1.0口以疏密波形式向外传播。下面是由定时器产生的40kHz振荡频率的脉冲信号经P1.1口输出的子程序[1]：

INTT0:CLREACLRTR0MOVTH0,#00HMOVTL0,#00HSETBET1SETBEASETBTR0SETBTR1

OUT:RET;T1中断，发超声波用INTT1:CPLVOUTDJNZR4,RETIOUTCLRTR1CLRET1

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MOVR4,#04HSETBEX0

RETIOUT:RETI;外中断0，收到回波时进入PINT0:CLRTR0CLRTR1CLRET1CLREACLREX0MOV44H,TL0MOV45H,TH0SETB00HRETI

4.5显示程序设计

DISPLAY:MOVR1,#40H;GMOVR5,#0F7H;GPLAY:MOVA,R5MOVP0,#0FFHMOVP2,AMOVA,@R1MOVDPTR,#TABMOVCA,@A+DPTRMOVP0,ALCALLDL1MSINCR1MOVA,R5

JNBACC.0,ENDOUT;GRRAMOVR5,AAJMPPLAY

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ENDOUT:MOVR2,#0FFHMOVP0,#0FFHRET

TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共阳段码管\不亮\

4.6报警程序设计

AJMPMAINORG0003H

AJMPINT0ORG000BH

AJMPITOPORG001BH

AJMPITOPORG0100H

MAIN:MOVSP,#60HACALLPTOM2RESET:AJMPMAINORG0003H

AJMPINT0PTOM2:MOVTMOD,#16HMOVTL0,#FFHMOVTH0,#FFH,

SETBTR0SETBET0MOVTL1,#0E3HMOVTH1;#FEHCLRP1.0

SETBEARET

；主程序入口；转外部中断0服务程序；转T0中断服务程序；转T1中断服务程序；堆栈初始化；对T0，T1初始化；复位入口转主程序；转INT0中断服务程序；T0初始化程序T0初始化；启动T0；允许T0中断T1置初值；CPU开放中断16

；；

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TOINT:CLRTR0；中止T0计数SETBP1.1；建立标志RET

ITOP:MOVTL1,#0E3HMOVTH1,#0FEH

CPLP1.0；P1.0取反RETI

LOOP:MOVC,P1.1JNCLOOPSETBTR1

SETBTR1

；T0产生过中断否17

；启动中断

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5结论与展望

5.1结论

本设计充分利用了单片机的内部资源，用软件编程产生超声波矩形脉冲，代替硬件的超声波发生电路，节省了硬件成本。采用一块集成器件实现超声波接收放大和整形，避免了采用多