毕业设计论文汽车防撞报警系统设计.docx
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毕业设计论文汽车防撞报警系统设计
宁波理工学院
毕业设计（论文）
题目汽车防撞报警系统设计
姓名
学号
专业班级10电子信息工程1班
指导教师
学院信息科学与工程学院
完成日期2014年5月19日
摘要
为了提高汽车驾驶安全性，设计一个汽车防撞报警系统。
系统以51单片机为控制核心，用HC-SR04超声波测距模块测量距离，通过12864液晶进行显示，用NY3P016AP8语音模块报警。
当汽车倒车时，语音提示汽车与障碍物的距离，当汽车与障碍物之间的距离小于警戒距离时，喇叭会发出“危险，危险”提示声。
从5cm~1m，间隔5cm进行测量，1m~4m，间隔10cm进行测量。
距离小于50cm时，误差几乎为0，50cm~100cm，误差在2cm左右，100cm~400cm，误差最大为7cm。
测量结果表明，系统在汽车与障碍物距离1m以内，工作可靠。
关键词：
单片机控制；超声波测距；语音报警
Abstract
Inordertoimprovethedrivingsafety,itisnecessarytodesignanautomotiveanti-collisionalarmsystem.Thecontrolcoreofthissystemis51Mcu.ThissystemusesHC-SR04ultrasonicrangingmoduletomeasuredistance,andthe12864LCDasitsresultdisplay,theNY3P016AP8moduleasitsalarm.Voicepromptgivesthedistancebetweenthecarandobstacleswhencarisreversing.Ifthedistanceislessthanthesafedistance,thealarmwillgivethevoice"watchout"toreminddivertobecareful.Whenthedistanceisbetween5cmto1m,itwilldomeasureevery5cmandtheerrorisalmost0.Whenthedistanceisbetween1mto4m,itwilldomeasureevery10cm.Whenthedistanceislessthan50cm,theerrorisalmost0,from50~100cm,theerrorisabout2cm,from100~400cm,theerrorcanreachthemaximumto7cm.Measurementresultsshowthatthesystemisusefulifthedistancebetweencarandobstacleislessthan1m.
Keywords:
MCUcontrol；UltrasonicRanging；VoiceAlarm
第1章概述
1.1选题的背景意义
随着汽车工业的快速发展，汽车方便快捷的优点使汽车普及率飞速提高。
但是在汽车带给我们方便、快捷的同时，它也越来越多的表现出了它的弊端——危险性。
根据统计可知，75%至90%的交通事故是因为驾驶员的操作不当引起的。
在美国、日本、德国等一些发达国家，购车者会将选购汽车的重点放在驾驶汽车的安全程度上。
假如不考虑驾驶员的驾驶技能，最有效让事故降低的方法就是使车具有防撞报警的功能。
如今人们对交通的安全越来越关注，使得汽车前向防撞报警系统（forwardcollisionwarningsystems，FCWS）、前向主动避撞系统（forwardcollisionavoidancesystems,FCAS）等比较先进车辆主动安全技术飞快发展。
以上这些系统的共同之处是通过车上的测距雷达测量车与目标车、车与障碍物之间的距离，更有甚者是测量车与目标车之间的相对速度以及相对方位角等等这些信息，并且将这些信息发送给系统的控制模块。
车用的测量距离的雷达俗称车用雷达，它是实现汽车主动安全技术的关键技术之一，也是现今智能交通、信号处理以及传感器工业的研究热点[1]。
相关专业机构统计过，现今我们国家私家车越来越多，随之车位也越来越多，而泊车位却越来越小，新司机和女司机越来越多，刮蹭等这类倒车事故发生的越来越频繁，由于倒车事故引发的纠纷更是不计其数。
对于很多司机朋友尤其是对刚拿到驾照的新手来说，倒车的确是一件非常令人头疼的事情。
假如能够有一种用声音或者更加直观的显示方式提示驾驶员车附近障碍物的状况，消除了驾车者泊车或者起动车辆时因附近探视而引起的烦恼，而且帮助了驾车者解除了视野死角和视线模糊等缺陷，使得驾驶更加安全的汽车倒车安全辅助系统装备在汽车上后，十分有效地解决了汽车倒车引起的安全问题。
这就是汽车倒车雷达。
1.2国内外现状
倒车雷达系统经过了五年左右的发展，已经经过了五代的技术改善，不仅仅从结构外观方面，而且从性能价格方面，这五代产品都各自有各自的特色，其中使用率最高的是魔幻镜、荧屏显示以及数码显示倒车雷达这三种。
第1代——轰鸣器，轰鸣器是倒车雷达系统的鼻祖，驾驶员在倒车的过程中，假如车后1.4～1.9m处存在障碍物，轰鸣器就会发出鸣叫声。
鸣叫声频率越高，代表车身离障碍物越近，但遗憾的是它没有语音提示以及距离显示这种直观的功能，司机虽然知道存在障碍物，但是他并不能明确车离障碍物到底有多远，可见它对驾驶员的帮助并不是特别大，不能有效地解决汽车倒车过程中的安全问题。
第2代——数码波段显示，第2代的产品相对于第1代的轰鸣器要先进很多，数码波段显示装置安装在汽车仪表台上的位置，它能够显示车辆距障碍物的距离。
数码波段显示具备两种显示方式，而波段显示产品用三种颜色来区别：
显示绿色的时候表示是安全距离，它表明车离障碍物的距离有0.8m以上；显示黄色的时候表示警告距离，它表明车离障碍物的距离仅仅有～0.8m；显示红色的时候表示危险距离，它表明车离障碍物小于，你得马上中断倒车。
而数码产品显示距离数字。
假如是物体的话，在车距离物体的时候开始显示；如果是人的话，在车距离人大约的时候开始显示。
这代产品将数码与波段合二为一，还算是挺实用的。
反应不够快、使用寿命较短是它最突出的缺点。
第3代——液晶显示屏动态显示，液晶显示屏这代产品在屏幕显示开始出现动态显示方面十分受人关注。
它无需挂倒挡，只需要将车发动，显示屏上立马会显示车离障碍物的距离，并且还能出现汽车的图案。
它不仅外表结构美观，而且可以非常方便地直接粘贴在仪表盘上。
它所显示的距离更加准确，能给人一种舒适的感觉。
与其他倒车雷达产品相比，这个产品更能被广大车主所接受。
存在抗干扰能力不强的问题是液晶显示器的弊端，所以这个产品有时候会出现误报。
第4代——魔幻镜倒车雷达，魔幻镜倒车雷达集合了之前代产品的优点，使用最新仿生超声雷达技术，并配备了高速电脑的控制，可以准确地测量2m范围内的障碍物，提醒驾车者的方式是用不同等级的直观显示以及声音提示。
魔幻镜倒车雷达不仅增加了语音播报功能，另外它还可以将免提功能、温度显示功能、后视镜功能、倒车雷达功能等集合到一块。
不占用车内空间是它的优点，可以非常方便地直接安装在车内后视镜的位置。
但是它的价格相对比较高。
第5代——整合影音系统，整合影音系统是专门为高档轿车定制的，它比前几代产品在功能上增加了很多。
该系统在外观上来看比前几代产品更加精致典雅，在功能上，它不仅仅具备前几代代产品的所有功能，而且还整合了高档轿车具备的影音系统，极具诱惑的是可以在显示器上观看DVD影像[2]。
第2章系统体系结构
2.1系统构成
汽车防撞报警系统是以AT89C51单片机为控制核心，实现汽车倒车时自动检测车与障碍物的距离，在液晶显示距离的同时，并能通过喇叭进行语音距离播报。
当汽车与障碍物之间的距离小于警戒距离时，进行语音报警。
警戒距离可以根据自己的偏好进行设置。
根据系统设计要求，将汽车防撞报警系统分为五个模块，由控制模块、超声波测距模块、液晶显示模块、语音播报模块、按键设置模块组成。
如图2.1所示。
图2.1系统框图
设计方案选择
控制模块
控制模块主要用于对距离测量信号的接受和处理、控制显示电路对距离值实时显示、控制语音模块实时播报距离以及控制键盘实现对警戒值的设定等。
本设计控制器选用AT89C51单片机，它具有编程灵活、算术运算功能强、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，它还有功耗低、成本低、体积小等优点。
AT89C51单片机将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51封装图如图2.2所示。
图2.2AT89C51封装图
1．主要特性：
89C51CPU与MCS-51兼容
4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
全静态工作：
0Hz-24KHz
三级程序存储器保密锁定
128×8位内部RAM
32条可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源[3]
2．管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
它是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可以吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次被写1时，它被定义成高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），无论是否具有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA会把内部锁定成RESET；当/EA端为高电平时，则在此期间内部程序存储器。
当在FLASH编程的时候，该引脚也常用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入和内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出[4]。
测距模块
测量距离的关键在于距离信号的采集，因此选择一个合适的测距传感器是本次设计的重点所在。
方案一超声波传感器测距
HC-SR04超声波传感器可用于非接触型测量，测量距离范围为2-450厘米，精度可达厘米，盲区只有2厘米，受温度影响小。
此超声波测距传感器模块性能稳定，能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。
此模块使用方法简单，只要给控制口发一个10US以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出，一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此值就为此次测距的时间，很容易算出距离。
方案二红外传感器测距
红外传感器用于非接触型测量，测量距离较短，最远只能测，精度不高。
另外受光线的影响比较大。
价格略贵于超声波传感器模块。
方案三激光传感器测距
激光测距传感器功能十分强大、并且耐用，是为工业测量市场量身设计的。
它拥有很多卓越的性能，是目前为止最先进的检测系统，它拥有具有十分不错的测试精度和极高的稳定性。
因为是通过发射激光束到目标物体，然后利用反射的光束来计算距离。
激光传感器用于-300米，3000米（要使用反光板），精度误差20毫米，可连续使用寿命超过5万个小时[5]。
比较以上三种方案，对照本设计的要求可知，由于汽车倒车过程中测量的距离不需要太远，又考虑到价格等因素，采用方案一，超声波测距传感器HC-SR04模块与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有成本低，易使用和软件设计容易实现等特点。
以下是对HC-SR04模块的介绍。
（1）产品特点：
HC-SR04模块可用于2cm-400cm的非接触式测距，测距精度可以达到3mm。
（2）基本工作原理：
采用IO口TRIG触发测量距离，提供至少10us的高电平信呈；模块会自动发送8个40khz的方波，也会自动检测是否有信号返回；当有信号返回时，通过IO口的ECHO端输出一个高电平，高电平所持续的时间为发射到返回的时间。
测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。
（3）实物图
HC-SR04的实物图如图2.3所示，VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四个接口端[6]。
图2.3实物图
（4）电气参数
HC-SR04模块的工作电压，工作电流，工作频率，最远及最近射程等电气参数如表2.1所示。
表2.1电气参数
电气参数
HC-SR04超声波模块
工作电压
DC5V
工作电流
15mA
工作频率
40kHz
最远射程
4m
最近射程
2cm
测量角度
15度
输入触发信号
10uS的TTL脉冲
输入回响信号
输出TTL电平信号，与射程成比例
规格尺寸
45*20*15mm
（5）超声波时序图
时序图如图2.4所示，只需要提供给它持续10uS以上的脉冲触发信号，此模块就会自动发出8个40kHz周期的电平并检测回波。
但检测到有回波信号则输出回响信号。
回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。
由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。
公式：
距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。
注明：
此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作。
测距时，被测物体的面积不少于平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果[7]。
图2.4超声波时序图
显示模块
本设计的显示使用的是LCD12864。
主要显示车与障碍物之间的距离以及设定的警戒距离。
带中文字库的12864液晶是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令。
它还可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块[8]。
LCD12864实物图如图2.5所示。
图2.512864实物图
2语音播报模块
本设计中需要语音距离播报以及语音报警的功能，用喇叭播报车与障碍物之间的距离，距离小于警戒距离时，进行语音报警。
使用的语音芯片是市场推出的一款具有PWM输出的NY3P016AP8OPT语音标准芯片。
共有3个IO口，语音芯片引脚图如图所示。
图2.6语音芯片引脚图
工作时各IO口的作用：
BUSY：
芯片工作时（播放声音），输出低电平，停止工作或待机时，保持高电平；
DATA：
接受控制脉冲的脚位。
收到几个脉冲，就播放第几个地址的内容；
REST：
任何时候，收到一个脉冲的时候，可以使芯片的播放指针归零（就是DATA脚恢复到初始状态），同时即刻使芯片停止，进入待机状态。
按键设置模块
本设计用户可以通过此模块设置所需的警戒距离。
只需要两个按键用于设置警戒距离，一个用于警戒距离值的加数，另一个用于警戒距离值的减数。
键盘按照其结构可以分为独立键盘和矩阵键盘，由于独立键盘编程简单，虽然浪费IO口，但是本设计所占用的IO口有剩余，而且只需两个按键，所以选择独立键盘。
第3章硬件系统设计
单片机最小系统
单片机能够正常工作的最低配置，电路图如图3.1所示，构成包括一个AT89C51单片机，一个晶振电路（就是时钟电路），一个复位电路。
复位电路采用RC充电电路组成按键复位单片机电路，当按下按键后，通过两个电阻分压，使RST端产生高电平。
按键按下的时间决定了复位时间。
同时按键复位也存在上电复位的功能，当系统上电时，在上电初期，电容C充电，使复位脚持续高电平，当C充电到达一定程度复位脚电位会慢慢变低，最后被电阻R完全拉低，高电平复位的时间由充电的时间决定，充电时间又由R与C的阻值和容值之积决定。
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
晶体可以在1.2MHz到20MHz之间选择，电容一般在5pF到30pF之间选择，对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里我们采用电容33pF，晶振采用。
外部方式的时钟电路XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相对时钟信号供单片机使用[9]。
图3.1单片机最小系统
3.2超声波测距电路
本设计采用HC-SR04模块对车与障碍物之间的距离进行实时检测采集，并将采集到的信号传给单片机中进行处理。
HC-SR04模块的TRIG（OUT）引脚与单片机P2.1引脚相连，ECHO（IN）引脚与单片机P2.0引脚相连。
电路图如图所示。
图原理图
显示电路
本设计使用的显示模块是LCD12864，显示的内容包括文字“汽车防撞报警系统”、当前距离以及警戒距离，距离的单位为米。
LCD12864显示电路图如图3.3所示。
图原理图
语音播报电路
使用的语音芯片内置电阻，外围最低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，产品方案成本极低。
工作电压2.2-5.5V，适用范围很宽。
喇叭为8Ω-16Ω范围内的任何喇叭。
语音芯片采用了模拟串行的控制方式，如果需要播放第几个地址的内容就发送几个脉冲（大于0.2ms即可，建议采用1ms左右）的原理，可以快速的控制多达32段地址的任意组合。
芯片中的语音内容如表所示。
表3.1语音内容
地址
内容
地址
内容
1
…….
17
当前
2
0
18
距离
3
1
19
危险
4
2
20
滴
5
3
21
6
4
22
7
5
23
8
6
24
9
7
25
10
8
26
11
9
27
12
十
28
13
百
29
14
点
30
15
米
31
16
厘米
32
控制原理：
首先发送一个复位脉冲到（Rest）脚，脉冲宽度为2ms，接着发送N个脉冲到DATA脚。
芯片就开始工作了，播放的声音为地址N的内容。
控制脉冲示意图如图3.4所示。
图3.4控制脉冲示意图
芯片内部录制了本设计需要的录音，不同的内容存放在不同的地址上。
单片机处理计算得出的距离值，通过调用语音芯片中与距离值相对应的内容，就可以实时播报汽车与障碍物之间的距离了。
语音播报电路图如图所示。
图语音播报原理图
3.5按键电路
独立键盘中的按键是彼此相互独立的，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
所以可以通过检测I/O口线上的电平高低状态，来判断键盘上哪个按键被按下。
警戒距离设置减键与单片机P3.3引脚相连接，警戒距离设置加键与单片机P3.2引脚相连接。
键盘电路图如图所示。
图键盘电路图
3.6系统电路原理图
系统电路原理图包括：
超声波测距电路、按键设置电路、显示电路（LCD12864显示）、语音播报电路以及单片机最小系统，如图3.7所示。
系统把HC-SR04超声波测距模块的测距信号给单片机处理计算，得出的距离由单片机发给液晶显示模块显示距离，同时给语音播报模块进行当前距离的播报，按键设置模块负责警戒距离的设置，单片机计算出的距离会和警戒距离作比对，当前距离小于警戒距离时，单片机会让语音播报模块进行语音报警。
图系统电路原理图
第4章系统软件设计
4.1系统软件设计思想
系统的软件主要是采用C语言，对单片机进行编程实现各项设计所需的功能。
主程序对模块进行初始化，而后调用启动信号、距离计算、显示、语音等模块。
主程序的主要功能是读出并处理HC-SR04测量的当前距离值并负责调用各子程序对距离值进行语音播报以及液
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