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基于51单片机倒车防撞报警系统

摘要

随着中国经济的持续发展和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车，汽车的安全也成为亟待解决的问题。

对汽车倒车预警技术的研究，具有重要的现实意义。

基于51单片机的超声波测距仪之倒车雷达装置，安装在汽车上，可以及时了解前方与后方的障碍物情况，随时做出正确的判断，保障人类的生命安全。

在此基础上，本文研究了基于51单片机倒车防撞报警系统，首先简要阐述了本文的研究背景、意义、超声波测距的基本理论，并介绍了超声波测距报警系统。

根据型电气设备的设计要求，在传统非超声波测距系统的基础上，设计并实现了超声波测距报警系统。

整个测距系统的实现包括数字电路设计、模拟电路设计和软件的编辑。

关键词：

51单片机；倒车防撞报警系统；超声波测距

ABSTRACT

AsChina'seconomycontinuestodevelopandcarpricescontinuedtodecline,moreandmorefamilieshavetheirowncars,carsafetyhasbeeaproblemtobesolved.Itisofgreatpracticalsignificancetostudythewarningtechnologyofcarastern.Ultrasonicrangefinderbasedon51singlechipmicroputerofreversingradarsystem,installedonthecar,cantimelyunderstandthefrontandrearobstacles,atanytimetomaketherightjudgment,toensurethesafetyofhumanlife.Onthisbasis,thispaperstudiesthereversecollisionwarningsystembasedon51single-chipprocessor,thispaperexpoundstheresearchbackground,significanceofthisarticle,thebasictheoryofultrasonicranging,andintroducestheultrasonicrangingalarmsystem.Accordingtothedesignrequirementoftheelectricequipment,theultrasonicrangealarmsystemisdesignedandimplementedonthebasisofthetraditionalnon-ultrasonicrangesystem.Theimplementationofthewholerangesystemincludesdigitalcircuitdesign,analogcircuitdesignandsoftwareediting.

Keywords:

51microcontroller;ReversingalarmsystemUltrasonicranging

第一章绪论

1.1课题概述

随着汽车辆保有量的增加，车库与停车位的需求量越来越大，室外停车场，地下停车场，车辆密集停车人多，所以撞车、擦碰不断增多。

而事故的发生，大多数都是由于驾驶员对离障碍物的距离判断不准造成的。

因此，研究开发汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。

随着电子测量技术的发展，采用超声波进行精确测距已经成为可能。

超声波是声波的一种，超声波在弹性介质中的传播规律和普通机械波一样，比如会在介质的分界面产生反射和折射，而且进入介质之后会被吸收而产生衰减现象。

由于超声波的一些特性，使其能够应用在测距当中。

超声波测距系统根据其精度和量程的不同，主要用在固定的物体的距离测量或者液体高度的测量，随着科学技术的发展，超声波测距在工业和生活领域得到了广泛的应用。

利用超声波测距的方法有很多，包括相位法、幅值法和飞行时间法等。

其中，相位检测法利用超声波发射信号与接收端接收的正弦电压信号之间的相位差值来计算所测物体的距离，此种方法具有最高的精度，但是检测距离较小，并且电路相对复杂，具有很大的局限性；声波幅值法通过检测回波幅值的大小来判断所测目标的距离，此种方法价格便宜、容易实现，但是易受反射波的影响，从而导致测量精度较低；飞行时间法采用脉冲信号激励超声波传感器发射超声波，经过被测物体反射后形成反射波，换能器把机械信号转换成脉冲信号，通过计算超声波的飞行时间来实现距离测量，此方法测量精度高，易于实现。

超声波倒车雷达充分运用超声波测距的原理，并结合IC或单片机技术，其结构简洁，稳定性好，可以根据温度的改变进行温度补偿，但是，一般的倒车雷达还仍然存在如下一些问题：

（1）测距结果和报警更新速度慢在这段时间之，汽车处于高速行驶之中，明显存在反应的延迟；

（2）超声波的工作特性与所检测的物体与换能器平面的角度有关，随着角度的变大，超声波换能器发射超声波的能量和接收超声波的能力逐渐减弱，导致只用一个换能器进行超声波测距时普遍存在测量死角。

而用多个测距系统协同工作时，虽然可以消除测量死角，但是成本太高；（3）普通的倒车预警系统采用离散的元器件进行电路设计，往往电路复杂，成本较高，难以得到广泛应用。

基于以上背景，本文设计了一种基于51单片机倒车防撞报警系统，该系统可以放置于司机的视线盲区，当车辆达到警戒距离时，就可以发出警报并且制动。

而AT89C51与US100以及设计的整体电路性能可靠，价格低廉，很适合大规模推广使用。

1.2设计容

本论文目标是完成倒车防撞报警系统研制，提出了一种基于超声波测距的倒车防撞报警系统的设计方法，包含超超声波测距、声光报警和供电电路设立，对各个部分进行了硬件设计及软件编程。

最后对整个系统进行了仿真试验和调试，对试验结果进行了分析和归纳。

论文总共5章，各章的主要容如下：

第一章首先介绍了课题的研究背景及意义；列出了课题的主要研究容及工作安排。

第二章研究并实现了超声波测距系统。

简要介绍了超声波测距的基本理论，包括超声波传感的工作机理和超声波测距原理。

给出了超声测距系统的总体设计方案，选择专用于倒车雷达的超声波测距芯片AT89C51作为主控芯片。

第三章设计了电源电路及声光报警电路，其中超声波换能器的驱动电路是本文着重提出的一个新型驱动电路。

测距系统的软件部分主要包括测距结果显示程序和声光报警程序，以实现测量距离的显示和声光报警，当机车离的障碍物达到设定的限度时，LED指示灯亮蜂鸣器发出不同频率的报警声。

第四章对整个倒车防撞报警系统进行了装置实现及结果分析。

对电源进行了短路实验；分析了超声波传感器驱动电路的特性；通过超声波测距系统的测量结果分析了其线性度和可重复性；展示了倒车影像系统的视频显示结果。

第五章总结与展望。

第二章设计方案选择

2.1总体方案设计

图1超声波测距系统总体设计

超声波测距报警系统的原理框图如图1所示，根据超声波测距装置的要求，至少应该有三个超声波换能器配合工作，才能弥补超声波传感器的固有盲区所带来的测距死角。

本测距系统采用四路换能器组合工作的方式,。

测距报警系统整体由电源电路、超声波测距部分和报警显示部分等构成。

电源电路模块提供测距报警系统所需要的各种电压等级的电压，包括5V、3.3V和12V等。

超声波测距部分包含发射电路、回波处理电路和数据处理部分。

AT89C51作为超声波测距IC，起着发射40KHz的脉冲序列来驱动换能器发出超声波的作用，同时，还能够接收并处理回波数据并转换为距离信息发送给下一级单片机。

显示报警模块由控制单元和显示报警单元组成，其中控制单元用来接收测距模块发来的数据信息并发出显示、报警命令，最后，显示报警单元将距离信息显示到LCD上并根据距离的远近发出不同等级的报警信号。

2.2单片机

本文选用AT89C51单片机作为主控制器。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机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。

下面是AT89C51处理器的功能特点：

AT89C51提供以下标准功能：

4k 字节Flash 闪速存储器，128字节部RAM，32个I/O口线，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，片振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51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中的容，但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。

AT89C51有一个活动模式和五个软件可选的低功耗操作模式，只需一个中断时间就可以将单片机从低功耗模式中唤醒，而且中断程序一结束就恢复会低功耗模式。

第三章硬件电路设计

3.1超声波模块

超声波的发射电路如图2所示，主要由反相器74LS04和发射换能器构成。

图2超声波发射电路原理图

超声波换能器的部由一个换能板和两个压电晶片构成，当压电晶片受到发射电脉冲激励后即可产生振动，发射声波脉冲，是逆压电效应，逆压电效应用于超声波的发射。

正压电效应和逆压电效应正好相反，当外界的超声波的声波信号作用于超声波换能器的压电晶片时，晶片将会被迫发生振动而引起形变转换成电信号，这个过程就是正压电效应，正压电效应应用于超声波的接收。

3.3超声波检测接收电路的设计

超声波接收器包括接收／发射探头、信号放大电路和波形变换电路3个部分，超声波的接收采用CX20106A集成电路模块，是一款红外线检波接收的芯片，红外线波的频率为38kHz，与测距使用的超声波频率接近，芯片的f5角连接一个外接电阻，此电阻使滤波器的中心频率能够调节，当R21的阻值越大滤波器的中心频率就越低，变化围在30～60kHz之间。

CX20106对收到的信号进行放大、滤波作用，当接收到的声波信号经由放大器，调整信号的频率，然后滤波消除干扰信号，最后再经过整形，输出到CX20106的7脚输出。

当接收到的声波信号与CX20106的中心频率相符时，它的7脚就会低电平输出，而7脚接到INT0引脚上，这样就会中断。

若频率和CX20106的中心频率不同时，即可调节R21，使滤波器的中心频率与超声波测距的频率相符，超声波检测接收电路如图3所示。

图3超声波检测接收电路

3.3声光报警及显示电路

本文设计的超声波测距系统具有声光报警功能，当障碍物距离达到危险值以时，发出闪烁光和蜂鸣声并可以根据距离的远近发出不同频率的声音。

所设计的声光报警器主要应用了发光二极管以及有源蜂鸣器两种常见的器件，声光报警电路如图4所示。

图4声光报警电路

本文采用的是TMB12A05型有源蜂鸣器以及白发红光LED灯，两者分别通过5V和3.3V直流电压供电。

微处理器采用AT89C51型单片机，利用其中的两个I/O口来控制蜂鸣器和LED灯电路的导通和关断。

当障碍物处于安全围以外时，一号和二号I/O口分别输出高电平和低电平，电路处于关断状态，不发出任何报警；当障碍物处于安全围以时，一号I/O口输出低电平，控制二极管进行发光报警，同时二号I/O口将根据距离的远近发出一系列不同频率的脉冲信号，导致蜂鸣器发出相应频率的报警声音。

常用的数据显示方式有两种：

数码管显示和液晶屏显示。

本文选取LCD12864显示屏来显示测距结果，LCD12864自带中文字库，并且可以同时显示文字和图形；蓝色背光和白色字体可以保证在任何环境下都可以准确读出测距结果。

液晶驱动电路如图5所示。

图5液晶驱动电路

3.4供电电路

本课题所设计的倒车防撞报警系统采用12V电源统一供电，而超声波测距部分电路当中还包含另外两种等级的电压：

5V和3.3V。

因此提出了两级电源变换电路。

DC-DC是目前被普遍使用的小型开关电源器件，通过利用微电子技术，将集成电路和微电子元件组合而成。

相比一般的开关型稳压器件具有高转化效率、小型化等特点。

DC-DC器件并不是没有缺点，与线性稳压器相比具有较大的纹波。

因此根据PCB空间有限的特点，选则使用DC-DC器件和线性稳压器结合的方式来实现电压变换，同时能实现高压变换时减少发热，低压变换时减小纹波的目的。

两级电压转换电路如图6所示。

图6两级电压转换电路

第一级电压变换电路使用降压开关型稳压芯片PS5101，具有宽电压输入围：

7V~40V，可输出稳定的5V电压。

该芯片不需要任何附加外围电路且具有较高的调压效率。

第二级调压电路采用AMS1117-3.3，部集成过热保护和限流电路。

在保证电路正常工作的前提下，尽量减少了电容的使用，只留下三个电容值较小的滤波电容来减小调压之后产生的谐波。

第四章软件（程序）设计

4.1系统程序总体工作流程

本系统的软件是基于keilC的单片机C语言。

单片机C语言是在C语言的基础上开发的一种适用于对单片机进行编程的语言。

相对于传统的汇编语言来说，单片机C语言更加符合正常语言的形式，对程序员的要求大大降低，而且单片机C语言和汇编语言一样具有强大的机器级的控制能力，使系统的运行更加可靠。

本系统的程序中包括了主函数（用于初始化定时器与执行调用函数）、超声波定时器中断函数、距离计算及显示调用函数、PWM速度控制函数。

程序的流程图如下：

图7软件整体流程图

首先将系统初始化，然后微控制器发送测距命令给AT89C51并准备接收来自AT89C51的距离信息。

对于来自AT89C51的距离信息，微控制器需要对其正确性进行判断。

如果该信息正确，则对其进行分析并计算以得到测量物体的真实距离S；如果该信息不正确，则重复执行上一命令，直到接收到正确的距离信息。

然后，微控制器将计算获得的距离值S与设定好的阈值进行比较来确定是否需要触发报警器。

在本文所提出的方案当中，一共设计了三级报警。

当S≤0.5m时，LED被点亮同时控制蜂鸣器发出频率为3Hz的响声；当0.5˂S≤1.0m时，LED灯被点亮同时控制蜂鸣器发出频率为2Hz的响声；当0.75˂S≤0.75m时，LED灯被点亮同时控制蜂鸣器发出频率为1Hz的响声；当S>1m时，不会触发声光报警器。

另外，采用液晶屏LCD12864来显示距离信息，在初始化控制LCD12864的I/O口和LCD12864本身之后，微控制器将进行坐标变换，即将所字符在液晶屏上所处的位置坐标转化为液晶屏部的坐标值，然后通过并行接口将坐标信息输入到LCD12864当中，最后微控制器再通过并行I/O口将代表距离信息的字符发送给LC12864，完成数据显示。

4.2测距结果显示子程序

AT89C51可同时连接四个超声波探头，并在80ms的周期轮流进行工作。

在接收到回波信号之后，先对数据进行辨别和有效性分析，进而计算出障碍物距离并发出报警信号。

如果在80ms无任何障碍物进入到测距量程，则无信号发出。

为了提升信号的传输稳定性，报警信号采用双线差分串行形式输出。

其中DOUT+和DOUT-分别输出真实信号和其反向信号。

在开发过程中，可根据实际情况来决定是否使用DOUT-信号。

测距结果以每三个字节为一个单位连续发出，每个单位的数据主要包含以下容：

距离最近的物体的方向；每个换能器测量的物体的危险级别；距离最近的物体的测量值。

本文采用其第三字节的数据进行处理，第三字节的数据格式如图3-20所示。

AT89C51提供的测距方案具有0.05m的测量精度，在第三字节的数据当中，DC表示距离的第三位，0代表0，1代表5，单位是厘米；DB表示第二位，单位是分米；DA表示第一位，单位是米；最高位不表示任何距离，默认是1。

图8第三字节数据格式

部分程序如下所示：

ucharaver[4]={0,'.',0,0};//定义一个数组变量aver

tmp=Frame[2]&0x60;

Dis[0]=tmp>>5;//提取距离的个位，放入数组Dis

tmp=Frame[2]&0x1e;

Dis[1]=tmp>>1;//提取距离的十分位，放入数组Dis

tmp=Frame[2]&0x01;

if（tmp）

Dis[2]=0x05;

else

Dis[2]=0x00;//提取距离的百分位，放入数组Dis

aver[0]=Dis[0];

aver[2]=Dis[1];

aver[3]=Dis[2];//换算均值

Disp_SZ（4,1,aver,4）;//显示距离

第五章系统调试

5.1仿真

系统仿真使用Proteus实现，在Proteus中硬件的连接方式如图9所示，通过按键来模拟障碍物之间的距离。

经过实验，该系统不仅可以对障碍物之间的距离进行实时测量，并且可以对超出安全距离的围予以报警，从而达到智能防撞的功能。

图9硬件仿真图

5.2调试

各类问题的调试方法：

（1）下载模块指示灯红亮绿不亮，说明下载模块驱动程序有问题，寻找对应版本的驱动程序并安装至下载模块。

（2）下载程序时提示：

端口不存在，说明下载端口没有设置好。

需在电脑上右击“我的电脑”-“属性”-“硬件”-“设备管理器”-“端口”，查看usbisp的端口号并在下载软件中做相应设置。

（3）下载时一直提示上电，可能电源线、地线没有连接好，晶振没有连接好，下载口没有连接好（下载模块上的TXD接单片机上的RXD即第10管脚，下载模块上的RXD接单片机上的TXD即第11管脚）。

此时须用万用表检查芯片周围电路，包括电源线地线的连接情况，晶振焊点及下载接口顺序。

（4）显示屏显示乱码，可能是使用的数码管类型与程序中的数码管类型不符，比如，硬件上使用是共阴极数码管，但程序却是按共阳极数码管编写的。

更改程序，使两者配套。

5.3总结与展望

随着社会的发展与进步，超声波测距系统日益重要，利用领域非常之大，因为超声波测距具有不会受到被测对象颜色、光线等影响，它是一种非接触式检测技术；并且还适应非常恶劣的自然环境，所以应用的用途围之广。

通过超声波检测距离非常迅速、简易、容易控制，并且测量距离准确达到需要的数值。

目前，交通事故非常之恶劣，必须采用先进的汽车技术预防交通事故，保障人类的安全；通过基于51单片机的超声波测距仪之倒车雷达装置，安装在汽车上，可以及时了解前方与后方的障碍物情况，随时做出正确的判断，保障人类的生命安全。

本文采用AT89C51单片机的超声波测距仪设计具有简单方便，成本低的优点。

本次设计的结果实现超声波的发送与接收作用，而且可以精确的检测前方或者后方的距离，提醒司机，达到保证司机自身安全。

基于51单片机的超声波测距仪之倒车雷达设计的系统的硬件电路主要含有单片机系统、显示电路、超声波检测电路、超声波发射电路等。

测量围和精度达到了预期的设计目标，能够满足生活中的大多数测距需求，在粗略测量应用中其误差可忽略不计。

总体来说，倒车防撞报警系统达到了设计要求，但是还未在实际情况下应用，该系统还可能存在设计缺陷。

同时，由于本人时间及知识所限，该倒车预警系统在有些方面仍需进一步设计和完善：

1、超声波测距部分的测量性能还有改善的空间，并且由于温度对超声波传播速度的影响，在以后的研究当中，可以引入温度补偿功能来提高测距准确性。

2、本文只针对典型的40kHz的超声波驱动电路进行了研究和设计，后续将继续对频率更高的换能器进行研究以提高测距精度。

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致

本文得以完成，首先要感导师多年来的指导和帮助，在百忙间不遗余力的悉心指导并帮助我解决难题，使得本论文得以顺利完成，导师严谨的治学态度和豁达的处事态度，也为我所尊重。

在与导师不断的探索和讨论下，才得到我今天的成长，感激之情难以言表。

求学日子里，我的同学们也给予了我许多的支持与帮助。

感我的家人，特别是我的母亲，他们永远的支持是我努力到最后的动力，多年来的关心和照顾，也使得我奋发向上，克服各种艰难考验，得以顺利完成学业，也将本论文献给他们，愿将喜悦与他们分享。

最后，借此机会，向在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评审的各位专家和老师表示衷心感，由于本人学识有限，文中难免有疏漏和错误之处，敬请各位专家批评指正并提出宝贵意见。

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