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汽车倒车报警系统论文

课程论文

题目：

汽车倒车报警系统分析

********

学院：

能源与动力工程学院

班级：

交通运输10-2班

指导教师：

陈永艳副教授

2014年1月3日

内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书

课程名称：

汽车电子控制技术学院：

能源与动力工程学院班级：

交运10-2

学生姓名：

李长春___学号：

************_指导教师：

陈永艳

一、题目

汽车倒车报警系统分析

二、目的与意义

根据《汽车电子控制技术》课程学习的知识，系统分析汽车倒车报警系统结构组成及基本的工作原理，掌握汽车电子控制系统的基本结构与原理。

三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）

根据参考文献，系统学习并分析汽车倒车报警系统结构组成及基本的工作原理；按照《内蒙古工业大学课程设计说明书（论文）书写规范》撰写课程论文。

四、工作内容、进度安排

18周周末：

根据任务书要求，查阅、学习相关参考文献；

19周周一：

提交论文提纲；

19周周二—周四：

根据指导教师修改后的论文提纲撰写论文初稿；

19周周四—周五：

根据指导教师对论文的修改意见修改论文；

19周周五：

提交论文。

五、主要参考文献

[1]刘修文.实用电子电路设计制作[M].北京：

中国电力出版社，2011 

[2]胡萍.超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化，2010（10）:

54-56. 

[3]陈有卿,谢刚,新颖电子模块应用手册[M].北京：

机械工业出版社，2010 

[4]电子报社．电子报2010年合订本下[J]．成都：

四川科学技术出版社．2010

[5]刘福太，梁发麦，魏书田，林红文.黄版电子电路[M].北京：

科学出版社，2011

审核意见

同意。

系（教研室）主任（签字）赵明智

指导教师下达时间2013年12月27日

指导教师签字：

_______________

摘要

本文介绍了汽车倒车报警系统,文章采用分模块方式，对整个系统的硬件与软件设计进行分析，其中硬件部分着重介绍了超声波探测器、单片机AT89C51控制芯片、外围电路和报警电路等。

设计中采用了性能比较好的超声波传感器CSB40，从发射头发射的信号通过障碍物反射所得的信号接收，信号放大，再通过单片机直接处理，然后把处理后的信号通过驱动器驱动扬声器播放出声音，同时通过显示电路显示倒车距离。

整个系统采用单片机通讯方式，介绍了单片机接口与控制器之间的通讯，以及该系统的程序流程。

除此之外，还说明了PCB板的制作、电路的安装与调试的有关内容。

关键字：

超声波倒车报警AT89C51

一、引言

为了巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决问题的能力，提高组成系统、调试的动手能力，开展了本次毕业设计。

毕业设计课题为汽车倒车报警系统的设计与制作。

随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。

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。

超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性——折射、反射、干涉、衍射、散射。

超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。

二、汽车倒车报警系统的思路

2.1系统总体方案

从倒车防撞报警器的使用场合来讲，必须是采用反射型传感器才能满足实际使用中的要求，从目前的无线电技术出发，主要可采用超声波传感器和红外反射型传感器。

本设计选择超声波型。

基于超声波型：

利用超声波传感器CSB40，它是一种性能优良的发射与接收配对的传感器。

该系统主要用电磁式输出与输入振荡电路，所输入的信号经过放大，直接发送到单片机AT89C51单片机进行处理，通过编程可以进行自动控制。

具体系统框图如图1-1所示。

图1-1汽车倒车报警系统框图

2.2超声波测距原理

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。

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。

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，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。

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，所能测的距离也越远。

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。

　　超声波测距的方法有多种：

如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。

本设计采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来，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。

测试传输时间可以得出距离。

　　假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m/s表示，则有关系式

（1）

s=vt/2

（1）

在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式

（2）对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

v=331．4+0．607T

（2）

式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。

表1一些温度下的声速

温度T／°C

-30

-20

-10

0

10

20

30

声速／m/s

313

319

322

331

337

344

350

三、汽车倒车报警系统的电路组成及原理分析

3.1主控部分

本次设计采用了常见的AT89S51单片机为核心处理器。

AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，AT89C51具有40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

AT89C51单片机共有40个引脚，其引脚图如图所示。

图3-1单片机引脚图

3.2复位部分

单片机AT89C51作为主控芯片，控制整个电路的运行。

单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

该设计采用含有电阻的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。

在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。

只要该脉冲足够宽就可以实现复位。

当人按下按钮S1时，直接连接电源，待S1弹起后，C再次充电，实现手动复位。

复位电路的设计图如图3-2所示。

图3-2复位电路图

3.3显示部分及驱动部分

四段数码显示管有两种，一种是共阳极数码管，其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成；另一种是共阳极数码管，其内部是由四个阳极相连接的发光二极管组成。

二者原理不同但功能相同。

本设计的数据显示选用四个共阴极四段数码管，其外形和内部结构如图3-3所示。

图3-3四位数码管结构图

而LED显示电路就像单片机系统的眼睛，实时地向人们传递着系统工作的各种状态信息和处理结果。

因此，高效、方便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。

其驱动电路如图3-4所示。

图3-4数码管驱动电路图

3.4超声波发射接收部分

3.4.1超声波发射部分

超声波发射部分是为了让超声波发射换能器CSB40T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。

40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：

采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。

编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器以声波形式发射到空气中。

发射部分的电路如图5所示。

图中输出端上拉电阻一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图3-5超声波发射电路图

从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40kHz，就能产生超声波。

74HC04芯片介绍：

该74HC04是高速的硅栅CMOS器件，并兼容低功耗肖特基的TTL。

74HC04提供的6个颠倒缓冲器。

其管脚图如图3-6所示。

图3-674HC04管脚图

74HC04是内含6组相同的反相器。

即1A输入高电平，1Y输出低电平。

3.4.2超声波接收部分

超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。

由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。

本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38kHz，和超声波的40kHz很接近，所以可以用来做接收电路。

CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38kHz左右的信号的接收与处理，该芯片内部如图3-7所示。

图3-7CX20106内部结构图

图3-8CX20106构成本次设计接收电路图

使用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大、滤波。

其总放大增益80db。

以下是CX20106A的引脚注释。

1脚：

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：

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R4或减小C4,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C4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R4=4.7Ω，C4=1μF。

3脚：

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3.3μ

4脚：

接地端。

5脚：

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=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚：

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脚：

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22kΩ，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脚：

电源正极，4.5～5V。

3.5报警部分

采用一个蜂鸣器，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9012的放大。

报警部分的连线，如图3-9所示。

图3-9报警电路图

通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管9013的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。

四、汽车倒车报警系统的主程序流程图

软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图4-1，4-2，4-3所示。

主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。

定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成距离计算、结果的输出等工作。

图4-1主流程图图4-2定时中断服务子程序图图4-3外部中断服务子系统图

五、汽车倒车报警系统的装配与调试

5.1基本电路板检查

根据前面的研究完成各个电路模块的原理设计并生成PCB图，制作电路板，进行实验调试。

1.检查印制板的印制线是否有断路，是否有毛刺，是否与其它线或是焊盘粘连，焊盘是否有脱落，过孔是否有未金属化现象等等；

2.先用万用表复核目测中认为可疑的连接或是接点，检查它们的通短状态是否与设计规定相符。

再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象，如有再仔细检查出并排除。

短路现象一定要在器件安装及加电前检查出；

3.路接通电源后，用手摸一下芯片是否发热，如果发热，立即关掉电源，稍后再进行再次检测；如果没有发热，再测试芯片的VCC端电压是否达到设计要求，接地端是否都接地。

5.2主控模块调试

在本次设计中，主控模块是非常重要的部分，它不仅是本次设计的核心，在本次硬件调试中也遇到了问题，接上电源的时候，数码管不亮，没有任何显示，于是我做了如下的工作：

1.检查电源是否通电，发现指示灯亮着；

2.编程使P1为低电平，检查到P1输出为低；

3.检查P0口未接上拉电阻，接上数码管发亮了。

5.3软件调试

当硬件制作完成后，软件制作也是不可轻视的部分，是实现电路的功能的关键部分，通过本次毕业设计，总结经验如下：

1.先进行人工检查。

写好程序后，不要立刻烧入单片机，先对纸面上的程序进行人工检查。

由于采用C语言编程，所以要特别小心地检查语法错误，如括号不配对，漏写分号等，通过仔细的检查，发现并排除这些错误；

2.人工检查无误后，上机调试。

在编译时给出的语法错误的信息，根据提示的信息具体找出程序中错误之处并改之，从上至下逐一改正。

应当注意的是：

有的提示出错行并不是真正出错的行，如果在提示出错的行上找不到错误的话，则应该到上行再找；

3.当确认程序无语法错误和逻辑错误时，通过直接下载到单片机来调试。

采用的是自下到上的调试方法，即单独调好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统调试；

4.程序烧入单片机后，观察各个部件的工作是否正常，功能是否实现。

如不能正常工作，则继续检查程序中的相应模块，必要时从上到下重新检查程序；

注意：

电路焊接完成，仔细检查无误后，才可通电调试。

参考文献

[1]刘修文.实用电子电路设计制作[M].北京：

中国电力出版社，2011 

[2]胡萍.超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化，2010（10）:

54-56. 

[3]陈有卿,谢刚,新颖电子模块应用手册[M].北京：

机械工业出版社，2010 

[4]电子报社．电子报2010年合订本下[J]．成都：

四川科学技术出版社．2010

[5]刘福太，梁发麦，魏书田，林红文.黄版电子电路[M].北京：

科学出版社，2011