基于单片机的倒车防撞测距报警系统设计.docx
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基于单片机的倒车防撞测距报警系统设计
基于单片机的倒车防撞测距报警系统设计
......................................................................................................................11绪论
1.1概述................................................................................................................11.2汽车倒车防撞系统的发展现状.......................................................................1
1.3目前汽车倒车防撞系统存在的问题及改进方案...........................................2
1.3.1超声波的最大有效探测距离的问题及改进方案.....................................2
1.3.2超声波反应速度问题及改进方案...........................................................2
1.3.3超声波探测盲区问题及改进方案...........................................................2
1.4设计的目的及研究意义..................................................................................32汽车倒车防撞报警器的设计方案研究................................................................4
2.1方案比较研究.................................................................................................42.2方案选择及条件.............................................................................................62.3超声波测距防撞报警系统..............................................................................6
3汽车倒车防撞报警系统硬件设计........................................................................8
3.1超声波发射与接收电路..................................................................................8
3.1.1超声波传感器..........................................................................................8
3.1.2超声波发射电路......................................................................................9
3.1.3超声波接收电路.....................................................................................113.2显示电路.......................................................................................................133.3报警电路.......................................................................................................133.4单片机及外围基本电路................................................................................14
3.4.1AT89C51的主要性能.............................................................................143.4.2AT89C51的功能概述.................................................................................15
3.4.3AT89C51外围基本电路.........................................................................154汽车倒车防撞报警器的软件设计......................................................................16
4.1主程序设计...................................................................................................164.2子程序设计...................................................................................................175总结和展望.........................................................................................................18致谢......................................................................................................................20参考文献................................................................................................................21附录1倒车测距系统总体原理图.........................................................................22附录2C51程序清单...........................................................................................23
1绪论
1.1概述
随着科技的迅猛发展～越来越多的科技成果被广泛的运用到人们的生活～生产和研究等领域。
特别是近几十年来对电子技术～检测技术以及材料的研究～使得各种检测与测量技术有了较大的发展～广泛的在地质勘探～石油勘探和建筑等行业的工程技术领域取得了较为广泛的应用。
在日常生活中～尤其对于开车人员～汽车倒车防撞是相当重要的～若在倒车的过程中一个不留神～很有可能会使汽车受到伤害～小则刮漆～重者撞坏后车～所以制作一个汽车倒车防撞报警系统具有重要的意义～这里只对超声波探测器探头作为对象进行分析讨论来说明如何进行超声波汽车倒车的防撞报警。
在常规的设计中～要检测是否有物体挡住～一般的做法是将超声波的发射与接收分开安装～当超声波发射头发射一个信号～在接收处判断是否有信号接收到～若有信号接收到～说明中间没有物体挡住～若接收不到～则说明有物体挡住。
然而在对汽车倒车防撞报警器的设计中～由于汽车在一个移动的物体～不可能在某一具体的位臵上安装接收或发射装臵～这就决定了系统的发射与接收必须安装于一起～因些如何设计一款将发射与接收安装于一起的物体检测装臵是本课题研究的方向。
本设计中采用了性能比较好的超声波传感器T/R40-16～此传感器具有全集成化～智能化～高精度～高性能～高可靠性和低价格等优点～另外～还采用了单片机系统的微处理器AT89C51芯片。
从发射头发射的信号通过障碍物反射所得的信号接收～将信号放大～再通过单片机直接处理～然后把处理后的信号通过数码管驱动显示出距离～同时判断距离的大小按要求驱动发光管和蜂鸣器报警～来满足防撞报警的需要～从而达到了一个汽车倒车防撞和报警的目的。
广泛用于出租车、大客车、私家车等汽车倒车中。
1.2汽车倒车防撞系统的发展现状
众所周知～关于超声波的研究最初起始于1876年～这是人类首次有效产生的高频声波～这些年来～随着超声波技术的不断深入～再加上其具有高精度～无损～非接触等优点～超声波的应用变得越来越普及～多年来已在一些领域得到应用。
而用于汽车防撞却是近年的事情～这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。
现代的超声波传感器不同以往的是在结构上采用了完全封闭形式～它将其换能部分和外界完全隔开～并采用了抗锈材料作为外壳～这样才有可能符合汽车电器所要求的诸如防潮～淋雨～防尘灯较为苛刻的耐候性指标。
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其次～汽车本身就是一个积电磁波、噪声、振动、撞击等干扰于一体的强干扰源～因此为了能让倒车防撞测距系统稳定的工作。
除了～具备优良的硬件系统以外～还需要通过软件的数字智能甄别筛选～方能过滤这些干扰信号～只有近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器才能够到这些要求。
1.3目前汽车倒车防撞系统存在的问题及改进方案
1.3.1超声波的最大有效探测距离的问题及改进方案
多数成品倒车雷达的最大有效探测距离为:
墙面小于2.5m～行人0.6，1.2m。
在实测了解到了一些驾驶者的习惯初始倒车速度～约在3，12km/h～即0.83，3.3m/s。
现在以1.5/s计算,5.4km/h,～从倒车雷达发现目标报警～直到实际零距离,撞车,的时间～对于墙面目标仅有1.67s～对于行人只有0.4，0.8s。
如此一来～等报警再减速就很紧张～明显感到预警时间不足。
最大有效探测距离改进方案:
设计将该指标提高了约一倍。
这样墙面目标达到5m～行人为1.4，2m。
同样以1.5m/s,5.4km/h,计算～结果使倒车雷达从发现目标到报警～知道实际零距离的时间达到了～墙面为3.3s～行人为0.93，1.33s～有了较富裕的预警时间。
1.3.2超声波反应速度问题及改进方案
多数成品倒车雷达的显示速度因为考虑到抗干扰等原因～显示更新的速度为0.2，0.4s～即在0.2，0.4是显示一次距离。
根据上一小节的推断从倒车雷达发现目标到发出报警如果需要0.3s～这时候车已经行驶了0.45m～这也感到反应迟钝。
反应速度的改进方案:
多数的倒车雷达由微电脑控制的工作周期0.05s。
同时为了抗干扰采用多数取一数的方法～即在多个采样数据中挑选出一个数作为有效数据来显示～这样势必浪费了许多回波信号～延迟了显示时间。
例如采用了五数取一数方案～那么至少五个工作周期才能产生一个有效数字～0.05*5=0.25s～现在采取的方案是:
1尽可能的缩短工作周期～时间为0.032s,5m*2/343.5m/s=0.029s～再稍加余量,。
2采取了有一数取一数的方法～同时加强了软硬件的抗干扰措施～经过实际测量～在不降低抗干扰性能的前提下～反应速度可达0.08s以内。
1.3.3超声波探测盲区问题及改进方案
多数倒车雷达的超声波传感器2，3个,组,～单个传感器的水平探测角度约为60?
，70?
～这样势必造成2，3个水平盲区。
而增加传感器的个数不但增加了成本～而且提高了故障率。
另外～等同于水平探测角度的垂直探测角度显得较
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大,约60，70?
～往往对粗糙地面发生误报～也试用过探测角度约30?
传感器～虽然没有对粗糙地面发生误报～但不能有效地探测约30cm高的路堤～造成倒车时碰到后保险杠的情况。
图1三只传感器图2两只传感器
探测盲区改进方案:
当超声波传感器数量较少时～可用加大超声波传感器探测角度的方法来改善～但加大角度后又产生新问题～显示（探测）距离a=b～一个目标的实际距离是正确的,而另一目标因为离开超声波传感器轴线较多而误差较大,实际距离小于探测距离,。
这样一来～给驾车者造成误导。
但也有办法改善～就是加大“报警值”～就是当探测距离小于某数值时候就报警。
如果探测距离小于报警值～就会立即报警～如果报警值取0.5m～探测角度为110?
～当目标距离为0.5m时候～则另一目标为0.29m是可以保证安全的。
因为此时不同于初始倒车阶段～而是已经减到了较慢的车速～所以不必担心目标离车较近。
再提高报警值～安全性当然更高～但如果目标处于超声波传感器轴线附近就显得太远。
个人认为“报警值”取0.5m～单个超声波传感器水平探测角度取100?
，110?
较为恰当。
对于垂直盲区问题～经过多次试验～将垂直探测角度为40?
，50?
传感器安装高度距离地面0.6m,。
结果能在不发生误报的前提下～有效地探测到20，30公分高的路堤～而对于小于20公分高的路堤因不会碰到车轮以外的部件～能够做到可探测但是不报警。
这样一来～需要有水平与垂直角度不同的超声波传感器,水平探测度100?
，110?
垂直探测角度40?
，50?
～这只改变传感器“外耳”形状～就可以实现。
经过改进后的倒车雷达在实际倒车时感到放心并且从容～作为倒车辅助监控装臵～是确有实用价值的～同时因为提高了汽车的电子化程度～增加了科技含量～所以提高了汽车的档次～增加了整车附加值～其经济价值也是显而易见的。
1.4设计的目的及研究意义
本设计可望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
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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～另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位～甚至还能防止盗贼扒车～本设计成本低廉～性能优良～市场前景极为广阔～对提高我国汽车工业实际水平～具有较大的实际意义。
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臵～并利用数码管显示出距离～然后根据距离的大小来驱动指示灯及蜂鸣器报警～通知驾驶员注意～起到安全的作用。
2汽车倒车防撞报警器的设计方案研究
2.1方案比较研究
在现代的测距系统当中～所用的测距方法很多～最为常见的主要有以下两种方案:
设计方案1,基于超声波型,:
利用超声波传感器T/R40-16～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。
系统框图如图2-1所示:
直流控制电信号放大电超声波接收显示电路路路电路
障中央控制单碍电源电路元物
距离选择电超声波发射超声波发生报警电路路电路器
图2-1基于超声波探测汽车倒车防撞报警系统
该系统主要由以下功能块系统构成:
超声波传感器T/R40-16、超声波发射与接收构成的收发系统,中央控制处理器AT89C51组成的主机系统,显示电路及控制报警输出系统等。
主要的系统电路有:
电源电路、超声波发生器、超声波发射电路、超声波接收电路、信号放大电路、直流控制电路、单片机控制电路～显示电路、和报警电
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路等。
该系统的主要特点有:
1,该产品的互换性好～响应速度快～抗干扰能力强～外围电路简单～不需要布线直接通过发射模块进行无线发射。
因此体积小。
o,2,该系统的测量精度很高～能在T=+25C、U=+5V的条件下～测ACC
量精度可达到?
1%。
3,具有语音报警功能。
具有智能性～一旦有超声波接收且距离小于某一设定值时就能自动报警。
设计方案2（基于红外线型）:
该系统主要由以下功能块系统构成:
红外线信号发生电路、红外线发射电路、红外线接收电路、信号放大电路、直流控制电路、数字显示电路、中央控制处理器AT89C51、距离显示电路和报警电路及电源电路组成～与超声波作为传感器的系统除发射与接收部分不同外～其他均相同。
直流控制电信号放大电红外线接收显示电路路路电路
障中央控制单碍电源电路元物
距离选择电红外线发射超声波发生报警电路路电路器
图2-2基于红外线探测汽车倒车防撞报警系统
该系统的主要特点有:
1,该产品的互换性好～响应速度快、体积小。
o,2,该系统的测量精度很高～能在T=+25C、U=+5V的条件下～测ACC
量精度可达到?
1%。
3,主要应用于夜间行车或在军事上使用。
其缺点是:
由于是红外线信号～容易受到太阳光的干扰～尤其是方向性差～给准确接收带来较大困难。
本设计决定采用第一个方案作为本系统的设计方案。
一方面无论是在性能～特点～还是原理图上～或者是在电路设计上～材料上都具有简单～使用性强等方面都是上上之选～特别是抗电磁干扰和抗强光干扰方面超声波传感器比起红外线传感更加出色～而且在近距离测距时使用超声波测距更为实际和精确。
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2.2方案选择及条件
由于超声波也是一种声波～其声速C与温度有关～在使用时～如果温度变化不大～则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高～则应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后～只要测得超声波往返的时间～即可求得距离。
这就是超声波测距仪的机理。
超声波比人耳能听到的声波频率要高～具有方向性～并且只能检测车辆后方的障碍物。
它的功能是判定和显示车辆后方有无障碍物～障碍物到汽车的距离以及障碍物的位臵。
当车后无障碍物时～随着距离的增加～超声波逐渐衰减～也就是说根据向车后发射的超声波是否返回～可以判断检测范围内有无障碍物。
向车后发射的超声波遇到障碍物返回时～测定所需的时间～根据时间与距离成正比的关系～就可以判断车到障碍物的距离。
此外～车辆后方划分为左中右三个区域～就可以判断出障碍物在何处～四个超声波发生器臵于后减震器中～微机组件臵于货舱内～驾驶人员回头时即可看到障碍物的显示。
超声波距离传感器和微机组件之间采用屏蔽线相连～因此消除了外部及外部传入的干扰.
2.3超声波测距防撞报警系统
本设计由发射部分、接收部分、显示部分、控制部分及报警部分组成,见图2-3,。
a.发射部分由低频调制器、双稳回路、40kHz振荡器、功率发送器及发射探头等组成。
40kHz振荡器受双稳态贿赂控制断续送出经低频调制器的信号～经功率放大器放大～由超声探头向车后发射。
b.接收部分由接收探头、放大电路、整形回路、双稳回路组成。
接收探头接收到反射信号由放大器放大后～再送入施密特触发器进行整形～然后输入报警部分。
c.显示部分由数码管及驱动器电路组成。
当探测到的反射波信号经单片机根据计时时间计算出距离～通过单片机的P2口送至数码管显示。
d.报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成～蜂鸣器发出声音和发光二极管发光闪烁的频率随距离越来越近而越快。
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。
超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超声波遥控是近距离遥控中的一种实际方法～人耳能够听到的声音频率大约为20Hz-20kHz～低于20Hz和高于20kHz的声音～人耳一般都听不到～人把高于20kHz的声波称为超声波。
它是一种机械振动波～可以在气体、液体和固体
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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。
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～超声波发生器不断发射出40kHz超声波～并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。
超声波接收器则在接受到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波后～也向测量逻辑电路提供一个短脉冲～再利用双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。
方脉冲的宽度即为两个短脉冲之间的时间间隔。
测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。
根据测量出输出脉冲的宽度。
即测得发射超声波的时间间隔～从而就可求出汽车与障碍物之间的距离S:
S=1/2,Ct,
式中C——超声波音速
由于超声波也是声波～故C即为音速。
音速为C=,,/,0
式中γ——气体的绝缘体积系数,空气为1.4,
8P——气体的气压,海平面为1.013*10Pa,
3Ρ——气体的密度,空气为1.29kg/m,0
对于1ml空气～质量为m～体积为V～密度ρ。
则
C==,,/,0,,V/m
对于理想气体～有
PV=RT
式中R——摩尔气体常数
T——绝对温度
因此C=,,V/m
由于γ、R、m均为已知常数～故声速C仅与温度T有关～若温度不变～则声音在空气中的速率与气压无关。
在0?
的空气中～C=331.45m/s。
0
对于任意温度下～有C/C=/,即C=331.45/Ti273Ti273i0i
在某一地区使用～因温度变化不大～可以认为声速是基本恒定不变的。
超声波测距仪原理简单～制作方便～成本比较低～但其作为高速行驶车辆上的测距传感仪不可取～只要有两方面的原因:
一是超声波的速度C受外界环境变化影响较大。
在不同的温度下～声速是不同的～在-30?
-30?
变化为313-349m/s～而且声速C还随雨、雾、雪等天气的变化而变化～不能精确测距。
二是由于超声波能量是与距离的平方成正比而衰减的～故距离越远～反射回的超声波越少～灵敏度下降很快～从而使得超声波测距方式只适用于较短距离。
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电源电路接收显示电路
障
碍
物
中央处理报警控制发射器电路
图2-3超声波测距系统
目前国内外一般的超声波测距仪理想测量距离为4米-5米左右～因此一般只用汽车倒车防撞系统上。
3汽车倒车防撞报警系统硬件设计
为使超声波汽车倒车防撞系统能够具有更好的实用性～并且具有更高的性能～对该系统的硬件进行精心的设计。
该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。
按实现的功能来分～可分为以下几个部分。
其中～AT89C51单片机是整个电路的核心～它控制其他模块来完成各种复杂的操作。
外围电路包括电源电路、超声波发生器、超声波发射电路、超声波接收电路、信号放大电路、单片机电路、探测距离显示电路和报警电路等。
3.1超声波发射与接收电路
3.1.1超声波传感器
一般声控电路所用的声源如掌声～哨声～喇叭声等声响～它的声频范围从几百赫兹到十几千赫兹～人耳所能听到的声频范围从20Hz-20KHz～超过2
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