汽车倒车防撞报警器毕业设计解读

乐山师范学院毕业设计（论文）本科生毕业设计报告学院物理与电子工程学院专业电子信息工程论文题目：汽车倒车防撞报警器设计学生姓名指导教师班级学号完成日期：2014年12月题目：汽车倒车防撞报警器物理与电子工程学院电子信息工程学号[摘要]本设计是以基于AT89S51单片机的超声波测距，可用作汽车泊车安全辅助装置，该装置可以数码管显示驾驶员距障碍物多远，并在距障碍物一定警戒距离时发出警报声。使驾驶员在泊车时能够更加安全，减少事故的发生。该设计硬件由单片机最小系统、超声波发射与接收电路、供电与报警电路、数码显示电路组成。软件主要使用汇编语言进行。[关键词]AT89C51超声波数码管测距传感器1设计任务与要求1.1研究的背景汽车业与电子业的不断发展壮大，使得这俩者之间变得越来越紧密，俩者的相结合，导致了电气一体化这一系统的产生。在交通严重的今天,电子控制系统技术可以使汽车的安全性得到很大的提升。广泛的来看其中主要有自动安全气囊，自动门锁，自动空调，自动导航，自动车窗，控制车灯，控制座椅，倒车防撞并液晶显示实时路况，自动诊断汽车故障等。在经济不断发展的今天，汽车这种交通工具会越来越普及，这就会导致城市交通不断拥挤，最重要的一点就是在停车时有一些驾驶员不够小心或对障碍物的预判距离不足导致发生摩擦与碰撞。如果驾驶能够提前知道障碍物距离多远、在哪里，就可以及时采取措施，这样就可以避免很多事故的发生。于是，许多安全系统由此诞生，其可分为主动安全系统与被动安全系统。其中主要是主动安全系统，而现阶段对主动安全系统的研究主要放在测距上面。本设计要求设计的汽车倒车防撞系统能够有效的提醒驾驶员距障碍物多远，并可手动设置在距障碍物多远是发动报警，可有效的提高倒车安全性。1.2本设计的主要任务（1）设计一套汽车倒车防撞报警系统，要求有一台主机，汽车与物体距离小于设定值时，利用蜂鸣器进行报警。通过按键选择报警的距离并数码显示选择的档位。（2）采用51系列单片机中的简易型产品AT89C2051作为中央处理器，选用专用配对的超声波组件，进行超声波信号与电信号的相互转换，利用超声波传感器的选频特性，对接收到的超声波信号进行幅值判断，从而达到不同距离的选择与报警的目的。1.3应解决的关键问题1、对整体电路的设计。2、超声波测距的计算。3、超声波测距的死区解决。4、按键对报警值的设置。2设计方案2．1方案比较2.1.1激光测距激光测距主要采用脉冲法和相位法。脉冲法就是测距仪发出激光后被测量物体反射后再次被测距仪接受，测距仪记录激光往返时间，以光速的大小乘以时间的一半来计算距离。相位法是采用无线电波的频率并对激光束进行幅度调制，以此来测量调制光往返以此产生的相位延迟，用调制光的波长算此相位延迟代表的距离。其优点是激光的测量距离很远、速度很快，测量精准。缺点是造价比较高。2.1.2红外线测距红外线测距的原理是利用红外线在碰到不同距离的障碍物时反射回来的强度不同来进行测量。优点是造价便宜，缺点是不够精准，方向性不好。2.1.3超声波测距超声波测距的原理是利用超声波在发射后碰到障碍物后会反射回来，计录其从发射到反射回来的时间，然后以时间的一半乘以超声波在空气中传播的速度就可得出与障碍物间的距离。超声波测距在中长距离的精度比红外线高，易于控制方向，能量消耗慢。造价比红外线高但少于激光，安全比较高。综合以上方案可以得出，方案三总体较优，故采用方案三。2.2电路总体方案图2.2是电路总体结构框图，包括51单片机最小系统，HC-SR04超声波测距模块，LED数码管显示电路，蜂鸣器报警电路和按键电路。超声波图2.2电路基本框图本设计对51单片机进行编程使用的是keil编程软件，51单片机在启动后由P0.1口产生脉冲信号通过放大电路后传送到超声波发射探头，产生超声波，在发射电路启动时，单片机同时启动中断程序，利用中断定时器的计数功能记录从发射到接收超声波所用的时间。当接收到返回的超声波后，对单片机进行中断申请，执行外部中断子程序，开始计算距离。在选用器材时，最难选用的是超声波探头，HC-SR04超声波测距模块测距的精度最高可达3MM，而测试盲区仅为2CM，且内含超声波发射与接收器。超声波的发射与接收是分开的，所以必须要求俩个探头为同一水平线，为了减少由于测量距离和信号在空气中传播而引起的误差，要求俩探头不能靠太进，综合各种资料，HC-SR04俩探头间距大约为6CM，最符合本设计，故采用了HC-SR04超声波测距模块。其它器件分别是7*9万用板、STC89C51单片机、74hc573、40PIC座、20PIC座、4p母座、四位一体共阴数码管、9012三极管*5、2.2k电阻*5、220Ω电阻*8、10k电阻、5V有源蜂鸣器、103排阻、10uf电解电容、30pf瓷片电容*2、12MHZ晶超声波测距模块AT89C51数码管显示蜂鸣器警报按键设置驱动5V直流稳压电源振、按键*3、自锁开关、DC电源插口、导线若干、焊锡若干、电池盒+DC电源插头。3设计原理分析本设计汽车倒车防撞报警器主要利用HC-SR04超声波模块测量与被测物的距离，然后将其反馈给单片机，再通过数码管将其显示出来，用单片机来控制是否发出警报声，可通过按键来设置报警的距离，电源采用5V稳压直流电源。下图3.1为整体电路原理图：图3.1电路总原理图3.1单片机概述3.1.1单片机的特性我们使用的AT89S51单片机是低电平、高性能CMOS8位单片机，其带有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能COMOS8的微处理器，执行速度最高可达90MHz，功耗很低。该器件有40引脚，速度较快，价格便宜，烧录方便，通过串口即可下载，还可以实现在线编程。单片机的引脚如图3.2所示。图3.251单片机的引脚图3.1.2单片机最小系统单片机最小系统是在应用单片机其他拓展系统的基础，单片机最小系统即一个单片机可以工作的最小配置，对51单片机来说，只要有时钟和复位电路就可组成了。单片机最小系统如下3.3图图3.3单片机最小系统原理图3.1.3复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路可在供电时提供复位信号，当电源稳定后撤销复位。电路图如图3.4所示：图3.4复位电路3.1.4晶振电路晶振电路是单片机系统正常工作的保证，只有当单片机系统正常工作是振荡器才会起振。当振荡器不起振，说明系统出现了故障。晶振电路如图3.5所示：图3.5晶振电路3.2驱动显示电路及报警电路显示电路采用LED数码管显示，当超过已设定的距离时，蜂鸣器和LED可实现报警功能并可通过按键实现有限距离的调整。3.2.1LED数码管显示电路LED数码管显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管组成。它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端相连在一起来接受单片机PI口所产生的段码。S1，S2，S3，S4引脚用来接受单片机P2口产生的段码。本系统采用动态扫描方式。当数码管接收到段码后由COM端控制那一位数码管被点亮。在轮流点亮数码管的过程中，由于每个数码管被点亮的时间十分短暂，给人印象就是一组稳定的数码显示。具体原理图如图3.6所示：图3.6显示电路3.2.2蜂鸣器和LED报警通过单片机给定不同频率来使蜂鸣器发出报警声。模块如下图3.7所示：图3.7蜂鸣器驱动电路3.3HC-SR04超声波测距模块3.3.1HC-SR04超声波测距模块的性能特点HC-SR04超声波测距模块测距的精度最高可达3MM，而测试盲区仅为2CM，且内含超声波发射与接收器。反应速度快测量周期仅为10ms，俩个探头位于同一水平线，切距离大约为6cm。模块上另有LED指示，方便观察和测试。原理如下：（1）可自动发送840KHZ的方波，检测信号是否有返回；（2）必须给至少10us的高电平信号；（3）当有信号返回时，IO口输出一个高电平，此时超声波发射到返回的时间即是高电平持续的时间。（4）当TRIG从0变为1是，主控制板启动。（5）当超过10ms扔没有出现150us的0信号时，表示前方无障碍。3.3.2HC-SR04的管脚排列和电气参数HC-SR04的外形及管脚排列如图3.8所示。（1）VCC为5V电源；（2）GND为地线；（3）TRIG触发控制信号输入；（4）ECH0回响信号输出。图3.8外形及管脚排列图HC-SR04的电气参数如表3.9所示：表3.9电气参数表电气参数HC-SR04超声波模块工作电流15mA工作电压直流电压5V工作频率40Hz最近射程2cm最远射程4m测量角度15度输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出与射程成比例的TTL电平信号规格尺寸45*20*15mm3.3.3HC-RS04超声波测距原理超声波测距的原理是利用超声波在发射后碰到障碍物后会反射回来，计录其从发射到反射回来的时间，然后以时间的一半乘以超声波在空气中传播的速度就可得出与障碍物间的距离。其模块图如图3.10所示图3.10超声波模块3.3.4超声波时序图图3.11超声波时序图由上时序图可看车，只要提供10us的一个脉冲触发信号，就会循环发出8个40KHz的脉冲。当检测到右回波信号后则会输出回响信号。回响电平输出与检测距离成正比。这样就可由信号的发射与回响时间间隔计算出距离。距离=高电平时间*声速（340M/S）/2。3.4按键设置电路通过按键来实现报警距离的更改，一个按键用来实现报警距离的增大，一个按键用来实现报警距离的减小，一个按键用来进入设置报警距离程序和确定更改的报警距离。按键电路如图3.12所示：：S1SW-PBS2SW-PBS3SW-PBGND图3.12按键电路图4设计的过程系统程序主要包括主程序、按键子程序、数码显示程序、报警子程序等。其整体框图如下图4所示：超声波图4电路整体框图4.1主程序主程序的主要功能是负责距离的显示、读出并处理HC-RS04的测量距离值，按超声波测距模块AT89C51数码管显示蜂鸣器警报按键设置驱动5V直流稳压电源键控制有效距离限制，当测量的值超过预设值时，蜂鸣器发声报警。如图4.1所示：供电后单片机开始初始化，然后调用显示子程序，检测障碍物是否存在，如果存在则读出距离值，此次运行结束，如果不存在则返回重新运行。图4.1主流程图4.2显示数据子程序显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理完毕的距离显示在数码管上。显示数据子程序流程图如图4.2所示。供电开始后，开始赋型和位，此次运行结束。图4.2显示数据子流程图4.3报警子程序报警子程序的主要功能是在距离值超过预警值时，能够使蜂鸣器发声从而达到报警的目的。报警子程序流程图如图4.3所示。当给单片机供电后，开始运行，若果测量距离超出预设值则蜂鸣器开始报警，此次运行结束，如果没有超出预设值，则不发出警报并重新开始检测。图4.3报警子流程图乐山师范学院毕业设计（论文）4.4按键子程序按键子程序的主要功能是有效距离可调，功能键调整上限，再次功能键调整下限，再次按功能退出。按键子程序流程图如图4.4所示。当给单片机供电后，程序开始运行，按下按键开始设定有效距离，再次按下另一个确定按键，则确定此次的设定距离值，运行结束，如果没有按键进行设定或确定，则保持原有设定值。图4.4按键子流程图5设计的结果本汽车倒车防撞报警器装置以HC-SR04超声波测距模块为主体，中心频率是为40KHz，安装时保持俩超声波探头在同一水平线上。其它硬件的组装和连线焊接按电路PCB图依次连接即可。超声波测距需要测量的是从发射超声波到接收的时间差，其有效信号即为经反射后的余波信号，所以规避余波信号时减小误差最主要的手段。超声波所能测量的最远距离与传感器的驱动功率、测量方法有很大关系。从理论上来说本设计系统采用的超声波模块测距时存在的盲区大约为2cm左右，测量距离范围为2cm～5m，测量的误差比较小，测量显示值稳定，可以精确到0.3cm，能满足设计要求。下图5.1是电路的PCB图：开始按下按键设置下限按下按键结束乐山师范学院毕业设计（论文）图5.1PCB图下图5.2为电路的仿真测试图