基于单片机的倒车防撞报警系统的设计.docx

基于单片机的倒车防撞报警系统的设计.docx

《基于单片机的倒车防撞报警系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的倒车防撞报警系统的设计.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的倒车防撞报警系统的设计

目录

1绪论1

2系统组成及工作原理2

2.1超声波测距原理3

2.2测速原理4

2.3报警器工作原理4

3系统硬件电路的设计5

3.1系统总体电路构成5

3.2AT89C2051单片机的性能及特点7

3.3超声波传感器8

3.4超声波谐振频率发生与调理电路设计9

3.5超声波回波接收与处理电路设计9

3.6显示电路和报警电路设计10

4系统软件的设计11

4.1主程序设计11

4.2T0中断服务程序设计12

4.3外部中断0程序设计13

4.4超声波测距子程序设计14

4.5显示程序设计15

4.6报警程序设计16

5结论与展望18

5.1结论18

5.2展望18

参考文献20

致谢21

1绪论

随着国民经济的高速发展，我国汽车的拥有量在大幅增加，造成道路拥堵，交通事故频发，给人们的生命和财产安全带来了巨大的损失。

安全驾驶成为大家关注的焦点，其中汽车防撞系统（CollisionAvoidanceSys-temCAS）的设计和需求显得非常重要和迫切。

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报警系统势在必行。

所谓的汽车倒车防撞预警系统即是俗称的倒车雷达，是汽车泊车辅助装置。

在汽车倒车时，倒车雷达采用超声波测距原理探测汽车尾部离障碍物的距离，当汽车尾部离障碍物的距离达到探测范围时，倒车雷达通过数码管实时动态显示距离。

当汽车尾部离障碍物的距离达到设定的安全警告值时，倒车雷达发出报警声，以警示驾驶员，辅助驾驶员安全倒车，为驾驶员的倒车安全提供保证和方便。

因此有市场需求的产品，必然会带动产品的开发设计，现在市场上的的倒车雷达种类较多。

几乎道路上的所有的中高档小轿车都配置有各种倒车雷达。

需求的提高必然会迫使产品的技术不断更新。

本文主要设计是一种新型的基于单片机控制的倒车雷达系统，该系统采用通用型单片机作为控制电路，方便系统功能扩展。

系统电路主要采用集成器件构成，外围元件少，电路简洁、调试方便、成本低，利于商品化生产。

2系统组成及工作原理

本文设计的倒车防撞预警系统是由四路收发一体封闭（防水）型超声波传感器及其超声波发射与回波接收电路、超声波电信号放大电路、单片机控制电路、LED数码管显示电路和蜂鸣器声音报警电路组成。

系统组成框图如图2-1所示。

图2-1倒车雷达系统组成框图

当汽车倒车时由倒车换挡装置自动接通系统电源，系统上电复位，进入工作状态。

单片机编程产生一串40kHz的矩形脉冲电压，经四选一模拟开关加到超声波发射与回波接收电路，经放大驱动超声波传感器发射出超声波，同时单片机开始计时。

发射出的超声波碰到障碍物后形成反射波，部分反射波返回作用于超声波传感器，经超声波传感器的声/电转换，变成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大、整形产生负跳变电压，向单片机发出中断申请。

单片机收到中断申请的信号后，立即响应中断，执行外部中断服务程序，停止计时，得到超声波发送和返回的时间T，计算出发射点离障碍物的距离S，即：

S=（C·T）/2。

C是超声波在空气中的传播速度，在常温25℃时，C约为346m/s。

若发射出的超声波在测距范围内未遇到障碍物，直到单片机定时中断产生，执行定时中断服务程序，选择下一路，依次按后左路、后左中路、后右中路、后右路的顺序继续发射和接收超声波，并经过计算处理。

四路探测处理完毕，选择四路中测出的最小距离值通过LED数码管显示出来。

当最小距离值小于预先设定的报警距离时，单片机接通蜂鸣器的电源，蜂鸣器发出报警声。

若四路探测无回波中断申请，则显示“—.——”，表明在安全距离内没有障碍物，再继续下一轮循环探测处理[1]。

2.1超声波测距原理

超声波测距原理有两种方式：

共振式和脉冲反射式。

因为共振式的应用要求复杂，因此使用脉冲反射式，而本系统选用的是压电式超声波传感器。

其超声波测距原理如图2-2所示。

图2-2超声波测距原理图

图2-2中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用L表示，由图中关系可得：

H=Lcosθ（2-1）

θ=arctan（M/H）（2-2）将式（2-2）代入式（2-1）可得：

H=Lcos[arctan（M/H）]（2-3）

在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：

2L=vt（2-4）

式中：

v为超声波的传播速度；t为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。

将式（2-4）代入式（2-3）可得：

H=12vtcos[arctan（M/H）]（2-5）

当被测距离H远远大于M时，cos[arctan（M/H）]=1，于是式（2-5）变为：

H=12vt（2-6）

由此可见，要想测得距离H，只要测得超声波的传播时间即可[2,3]。

2.2测速原理

汽车车速的测量是通过霍尔集成传感器来实现的。

将装有永久磁铁的转盘的输入轴与车轮的转轴相连，当车轮转动时，转盘随之转动，此时，转盘上的永久磁铁会经过霍尔集成传感器，从而在霍尔集成传感器的输入端得到一个磁信号，如果转盘不停转动，霍尔集成传感器便会输出转速信号。

可以说，对汽车车速的测量实质上是对转速信号的频率的测量[4]。

2.3报警器工作原理

报警器的主要工作原理是由单片机控制发射电路将超声波信号发射出去，遇到障碍物则返回由接收电路接收，根据发射和接收超声波的时间差，以及它在空气中传播的速度来计算汽车尾部与障碍物的距离。

系统软件主程序完成系统的初始化、控制超声波的发射与接收，以及处理后产生BCD码和相应频率的脉冲信号，以驱动后续电路，实现整个装置的功能。

温度补偿电路是用来补偿因为环境温度的不同使得超声波在空气中传播的速度变化而引起的测距误差，从而保证测距精度。

显示采用动态扫描方式，小数点为固定的一直点亮显示，数码显示的单位是m，范围为0.1~9.9m，显示精度为0.1m。

报警器工作原理示意图如图2-3所示[5]。

图2-3报警器工作原理示意图

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，以保持脉冲信号尤其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。

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结束暂稳态回复到稳定状态，输出低电平，使扬声器停止发出报警声，直到下一次测距结束产生新的报警声。

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，停止计数，T0所计时间即为超声波往返传输时间，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：

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，拥有灵巧的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，一个片内精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/计数器寄存器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、接收的中心频率通常为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

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