基于单片机的汽车防撞系统设计.docx
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基于单片机的汽车防撞系统设计
1.1课题研究背景和意义
汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。
随着交通运输向高密度发展，电子控制技术进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航方面。
电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全性。
汽车中应用的电子技术主要有：
电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。
近年来汽车的自动调速系统[1]，汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统被人们广泛应用。
在过去20～30年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等[2]，以减轻汽车碰撞带来的危害。
安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘车人员的安全。
所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。
为预防撞车事故的发生，必须在提高汽车主动安全性方面下功夫。
汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（如汽车、行人或其他障碍物）的距离与汽车本身的距离近而相对速度太高。
为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车与前方物体之间要保持一定的距离。
这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。
发展汽车防撞技术，对提高汽车智能化水平有重要意义[3]。
据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30%，路面相关事故的50%，迎面撞车事故的60%。
1秒钟的预警时间可防止90%的追尾碰撞和60%的迎头碰撞。
理论上，汽车防撞装置可在任何天气、任何车速状态下探测出将要发生的危险情况并及时提醒司机及早采取措施或自动紧急制动[4]，避免严重事故发生。
汽车防撞装置是借助于检测测技术监视汽车前方和后方的车辆、障碍物，并根据当时的距离自动判断是否达到危险距离[5]，及时向司机发出警告。
1.2国内外研究的现状
鉴于交通事故的不可预测性和不可绝对避免性，为了减少交通事故，优化交通秩序，利用计算机及信息技术来提高道路交通安全和效率已成为国内外研究的热点。
二十世纪八十年代以后展开的关于智能交通系统的研究[6]，被认为是解决各种交通问题的一个很好的途径。
智能交通系统是将先进的信息技术[7]、通讯数据传输系统、电子控制系统以及计算机处理系统有效地应用于整个运输管理体系[8]，使人、车、路环境协调统一，从而建立一个全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统[9]。
其中智能车辆系统涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域。
视觉系统在智能车辆中起到环境探测和辨识作用[10]。
与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大，单纯以当前的现实条件出发解决，容易导致系统实时性差[11]。
根据计算车辆与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减少环境的不稳定性造成的测量误差[12]。
在智能车辆领域，常用的还有雷达、激光、GPS等传感器。
利用信息感知、动态辨识、控制技术的方法提高安全性，是先进汽车控制与安全系统（AVCSS）的主要研究内容[13].世界各大汽车公司都在开展这方面的研究与开发工作。
日本各大汽车制造企业如丰田、日产、马自达、本田、三菱等公司致力于新型安全汽车技术研究开发，并取得了重要的进展。
丰田汽车公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测[14]，当两车距离小于设定值时，系统将发出报警信号提醒本车驾驶员。
日产汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的车距监测系统对跟车距离进行动态监测，当需要减速或制动时，用制动灯亮来提醒驾驶员，并及时监测驾驶员操纵驾驶踏板的踏踩状态，必要时使汽车的自动制动系统起作用降低车速，在最危险时刻自动制动。
本田公司使用具有扇形激光束扫描的雷达传感器[15]，即使车辆在弯道行驶也能检测到本车与前方汽车或障碍物的距离降到设定值时，驾驶员仍未及时采取相应措施，便发出警告信号。
三菱和日立公司在毫米波雷达防撞方面也做了大量的研究，其雷达中心频率主要选择60～61GHZ或76～77GHZ，探测距离为120m，尼桑公司为41LV-Z配备了自适应巡航控制系统[16]。
德国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究[17]，特别是奔驰、宝马等著名汽车生产厂商，其采用的雷达为调频毫米波雷（FrequencyModulationContinuousWave）[18]，频段选择76~77GHZ。
如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为150m，当测得的实际车间距离小于安全车间距离时，发出声光报警信号。
该系统已经得到应用。
美国的汽车防碰撞技术已经相当先进，福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统的工作频率为GHZ,探测距离约106m。
仅探测本车道内车辆的信息[19]，从而可避免旁车道上目标物的影响。
戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够自动引发制动装置。
戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示，车速以每小时32.18公里/小时的速度行驶，在距离障碍物㎝的地方停下来。
近距离报警如倒车雷达现已蓬勃地车辆上安装使用，但国内目前生产的中远距离测量普遍达不到要求，表现在最远测距距离近，测距误差大，远远不满足高速公路的安全车距离要求，需进一步研究。
1.3超声波传感器原理
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。
本设计中超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器[20]。
它是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有两个压电晶体和一个共振板[21]。
当它的两级外加脉冲信号其频率等于压电晶体的固有振荡频率时，压电晶体片将会发生共振，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，将压迫压电晶体片做振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器[22]。
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，所能检测到的距离也越远。
超声波发射换能器与接收换能器在其结构上稍有不同，使用时应看清器件上的标志[23]。
超声波测距的方法有很多种：
如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法[24]。
本设计采用往返时间检测法测距[25]。
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[26]，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[27]。
根据测试传输时间可以得出距离。
假设S为被测物体到测距仪之间的距离，测的的时间为t，超声波传播的速度为v表示。
则有关系式：
（1-1）
在精度的要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式（1-2）对超声波传播速度加以修正，以减小误差。
（1-2）
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1-1一些温度下的声速
温度
-30
-20
-10
0
10
20
30
声速
313
319
322
331
337
344
350
第2章硬件简介
AT89S51单片机的时钟电路由管脚和19管脚的时钟端（XTAL2）组成。
给单片机一定的周期。
与12MHz的晶振Y1电容C9电容C10组成，采用片内振荡方式。
复位电路采用简易的开关复位电路，主要由电阻R2，电容C7，开关K2组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端。
2.1AT89S51单片机概述
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机。
片内4KBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。
芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51具有如下特点：
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。
2.1.1AT89S51单片机功能特性概述
AT89S51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.1.2AT89S51单片机引脚说明
AT89S51单片机的主要管脚有：
XTAL1（19管脚）和XTAL2（管18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
采用低电平复位。
Vcc（40管脚）和Vss（20管脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
在本设计中用P0。
0～P0.7控制数码管段选。
用p2端口（P~P管脚）控制数码管显示的位选。
图2-1AT89S51引脚图
P：
接地
P：
正电源脚，正常工作或对片内EPROM写程序时，接+5V电源。
P：
时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端，是外接晶体的一个引脚。
P：
时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端，是外接晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
RST/VPP（PIN1）:
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
P0.0~p0.7：
输入信号用于控制LED段选。
P:
连接AT89SISP红外解码芯片。
P和p、p、p与单片机编程器连接，是程序下载端口。
AT89S51的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18脚和19脚外接石英晶体（2MHz-12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10pF-30pF。
另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
P：
ALE是允许地址锁存输出/编程脉冲输入引脚。
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
PSE：
复位。
EA：
电源输入端。
复位电路
单片机AT89S51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（电池电压不足）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，一定宽度的电源也可令系统可靠复位。
复位电路如图2-2示：
图2-2复位电路图
2.2各芯片功能及工作原理
在本设计中用到了74HC04芯片、CX2016芯片、晶振芯片。
芯片在本设计设计中起到了关键作用。
晶振芯片
只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。
当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。
晶体振荡电路连接图如图2-3所示。
图2-3晶振电路图
LED显示简介
TC1602液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了192个5×7点阵字符，32个5×10点阵字符。
另外还有字符生成RAM（CGRAM）512字节，供用户自定义字符。
如表1所示，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是0B（41H），显示时模块（xianshimokuai）把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
8位数码管
8段数码管属于LED发光器件的一种。
LED发光器件一般常用的有两类：
数码管和点阵。
8段数码管又称为8字型数码管，分为8段：
A、B、C、D、E、F、G、P10根管脚，每一段有一根管脚。
其中P为小数点。
数码管常用的有另外两根管脚为一个数码管的公共端，两根之间相互连通，如图2-4所示:
数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由若干个发光二极管组成的。
当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。
数码管有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示管的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED显示管的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
本次设计所用的LED数码管显示器为共阴极。
LED数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为—2V，额定电流为10mA，最大电流为40mA。
静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过40mA。
如表2-1所示。
管脚值
显示字符
dp
g
f
e
d
c
b
a
十六进制数
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0C0H
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0F9H
2
1
0
1
0
0
1
0
0
0A4H
3
1
0
1
1
0
0
0
0
0B0H
4
1
0
0
1
1
0
0
1
99H
5
1
0
0
1
0
0
1
0
92H
6
1
0
0
0
0
0
1
0
82H
7
1
1
1
1
1
0
0
0
OF8H
续表2-1
8
1
0
0
0
0
0
0
0
80H
9
1
0
0
1
0
0
0
0
90H
A
1
0
0
0
1
0
0
0
88H
B
1
0
0
0
0
0
1
1
83H
C
1
1
0
0
0
1
1
0
0C6H
D
1
0
1
0
0
0
0
1
0A1H
E
1
0
0
0
0
1
1
0
86H
F
1
0
0
0
1
1
1
0
8EH
2.2.274HC04芯片
图2-474HC04反相器
在本设计中74HC04起到驱动电压的作用。
CX20106芯片
CX20106内部由前置电路将接收到的信号，转换成CX20106可以接收的标准数字信号，送到CX20106的1管脚。
CX20106的总放大增益约为80dB，其7管脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5~5V范围内。
总增益大小由2管脚外接的R1.。
9、C决定，R越小或C越大，增益越高。
但取值过大时将造成频率响应变差，C为10uF。
采用峰值检波方式检波电容C为10uF。
R2为带通滤波器中心频率f0的外部电阻。
积分电容C1.3取330pF。
经CX20106处理后的脉冲信号由7管脚输出给AT89S51进行译码处理。
CX2016:
红外解码芯片。
CX20106内部结构如图2-6所示。
图2-5CA20106内部结构图
第3章汽车防撞报警系统设计
3.1汽车防撞报警系统总方案
本设计是以AT89S51单片机控制的汽车防撞报警系统。
该装置将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波的测距技术相结合，可检测汽车运行中与前方障碍物的距离，通过LED显示装置显示距离，并由蜂鸣器根据距离远近发出警告声。
本设计中将电路分为以下几个主要的组成部分,分别是超声波发射，超声波接收，温度测量，显示和报警，电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。
系统框图如图3-1所示。
图3-1系统框图
整个系统由单片机AT89S512控制，超声波传感器采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器和一支超声波接收换能器。
超声波信号通过超声波发射换能器发射到空气中，遇被测物反射后回声波被超声波接收换能器接收。
进行相关处理后，输入单片机的INTO脚产生中断，计算中间经历的时间，同时再根据具体的温度计算相应的声速，根据式（1-2就可得出相应的距离。
报警系统根据LED显示的距离发出报警。
3.2超声波发射模块
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器能向外界发出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555振荡产生或软件。
本设计采用单片机软件编程控制。
由单片机P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74HLS04组成的推挽式[4]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3-2所示。
图中输出端上拉电阻R16,R17一方面可以提高反向器74HLSO4输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
图3-2超声波发射电路图
超声波换能器发射的超声波信号在空气中传播遇到障碍物就会返回，超声波接收模块是为了将反射回波顺利接收到超声波接收换能器进行转换成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理。
本设计中采用的是索尼公司生产的集成芯片CX20106。
超声波接受换能器将得到的一个负脉冲送给单片机的P（INT0）引脚，便产生一个中断。
接收模块的电路如图3-3所示。
由电路图可以看出集成芯片CX20106在接收模块电路中起了很大的作用。
CX20106是一款应用广泛的红外线检波接受的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点。
由于红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率40KHZ比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5引脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30~60KHZ。
所以本设计中采用它来做接收电路。
CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。
工作过程是：
接收到的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择、滤除干扰信号，再经整形，送到输出端7脚。
当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7教直接接收到AT89S52的P引脚上，以触发中断。
若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R,将滤波器的中心频率设置在40KHZ就可达到理想的效果。
图3-3超声波接收电路图
3.4其它主要模块
温度测量模块
由于声音的速度在不同的温度下有所不同。
为提高系统的精确度，本设计采用了温度补偿功能。
这里采用的主要元器件是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20。
其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。
将单片机的P口与DS18B20数据线相连就可以实现温度测量，如图3-4所示。
图3-4温度测量电路图
LED显示模块
本设计显示模块采用LCD显示所测距数值。
TC1602显示的容量为2行16个字。
液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、适用方便等诸多优点。
与数码管相比显得更专业、美观。
从价格上考虑本设计采用数码管显示。
数码管分为共阴数码管和共阳数码管，本系统中使用共阴数码管，其工作原理为：
公共端接地（低电位），然后给abcdefgh各段赋予高电位，即可显示不同的数值显示。
单片机通过P0口输出数字80的二进制代码，给数码管赋予了段值，再通过P2端口将数码管位选通，数码管就可以显示出出设定的安全距离80㎝。
原理：
P～P口为高电平时，三极管截止，S1～S4为低电平，数码管位选通；P～P口为低电平时，三极管导通，S1～S4为高电平，对P～P口赋予高电位或低电位可以选择不同位的数码管亮。
显示如图3-5所示：
图3-5LCD显示电路图
3.4.3电源模块
电源模块电路采用LM7805三端稳压集成电路，用LM7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805表示输出电压为正5V。
此电源模块电路利用LM7805芯片不仅生成了稳压电源，并且并联了一个限流电阻和一个发光二极管，当有电流流过时，发光二极管发光；无电流时，二极管灭。
可实现对电源的检测作用，方便及时发现电源供给问题所在。
如图3-6所示。
图3-6电源电路图
3.4.4.声音报警模块
在很多车上装备防撞系统，用于减少车辆在驻车、倒车和低速行驶时发生撞车的概率。
仪表板上有指示灯指示车辆与障碍物的距离，在车辆与障碍物十分接近时有指示灯和声音报警。
本设计中采用一个蜂鸣器，由P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。
声音报警的电路连接图如图3-7所示。
图为报警器电路，R6,R10为限流电阻，当P口输出高电平是，三极管Q截止，此时由于2为高电平，LED与扬声器没有电流流过，即LED不亮，扬声器不响；当P口输出低电平时，三极管Q导通，LED与扬声器有电流流过，即LED亮,扬声器响起
图3-7声音报警电路图
3.5总体电路设计
通过对整个系统各个模块的设计，由此可以基本确定本次系统设计的总体电路的基本框图，如图3-8所示。
图3-8总体电路图
第4章软件设计
4.1主程序流程设计
本系统采用汇编语言编程，系统程序包括主控程序、T1中断服务子程序、INT0中断服务子程序、测温子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和报警子程序设计等。
主程序流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
设计
系统初始化后就启动定时器T1从0开始计数。
此时主程序进入等待，当到达65ms时T1溢出进入T1中断服务子程序；在T1中断服务子程序中将启动一次新的超声波发射，此时将在P引脚上开始产生40KHZ的方波，同时开启定时器T0计时，为了避免折射波的绕射需要延时1ms后再开INT0中断允许；INT0中断允许打开后若此时p（INT0）引脚出现低电平则代表收到回波信号。
将提出中断请求进入INT0中断服务子程序，在INT0中断服务子程序中将停止定时器T0计时，读取定时器T0时间值到相应的存储区，同时设置接收成功标志；主程序一旦检测到接收成功标志，将调用温测子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速，存储到RAM存储单元中；单片机再调用距离计算子程序进行计算，计算出传感器到目标物体之间的距离；此后主程序调用显示子程序进行显示；若超过设定的最小报警距离还将启动
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