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1、2015 2016 学年第 二 学期毕业设计（论文）课题 汽车倒车测距报警系统的设计 姓名 何帅 系部电子与信息工程学院专业应用电子技术班级13电子（1）班学号 1301170125 指导教师 何晓鸿 武汉交通职业学院教学工作部制摘要超声波测距在倒车雷达、液面高度测量等场合有着广泛的应用。本文根据超声波测距离原理，设计了一个简易的汽车倒车测距报警系统的设计。系统主要由单片机控制器模块、超声波收发模块、距离显示模块、报警提示模块、电源模块构成。控制器通过定时器产生周期的脉冲方波信号，经电声转换电路后发出超声波，同时打开定时器计时。声电转换电路将超声波的回波信号转换为电平送单片机中断，根据定时器计
2、得的收发时间差计算障碍物的距离。本设计分析了超声波测距原理，给出了系统的总体设计方案，完成了具体硬件电路图设计以及软件程序设计，最后对系统进行了测试。测试数据表明系统具有较高的精度，较低成本的优点，因此具有一定的实际应用价值。本设计可用作汽车泊车安全辅助装置，使驾驶员在泊车时能够更加安全，减少事故的发生。关键词：单片机 超声波 测距报警 目录1绪论41.1设计背景41.2发展前景41.3本次设计任务52.系统论证与设计62.1方案的讨论62.1.1控制模块的选择62.2.1测距模块的选择62.2方案的设计72.2.1设计流程框图72.2.2电路原理图的设计83硬件模块93.1单片机最小系统93
3、.1.1单片机简介93.1.2时电路钟103.1.3复位电路103.2超声波模块113.2.1什么是超声波特点113.2.2 sro4超声波传感器123.2.3测距原理123.3报警模块133.4显示模块134软件模块145实际操作及实物图156总结167致谢178参考文献18附录1191绪论1.1设计背景随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职
4、业驾驶员以及女性更为突出。而倒车事故给车主带来许多麻烦，例如撞上别人的车、消防水笼头，如果伤及儿童更是不堪设想，有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷达的加装可以解决驾驶人员的后顾之忧，大大降低倒车事故的发生。1.2发展前景目前，在国际和国内上，在超声测距方面的研究方向的不同和研究水平的高低，主要体现在测距原理上。随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、CCD测距、激光测距和超声波测距等多种形式的测距方法，前几种测距法由于技术难度大、成本高等因素，主要用于军事工业方面。而超声波测距则由于其技术难度较低，成本低廉等特点，在一般测量领域应用广泛。如汽车倒
5、车雷达，目前的汽车倒车雷达主要是具有蜂鸣器的语音报警以及距离显示为主的汽车安全系统。这些系统主要采用的是以单片机为控制核心的智能超声波测距传感器和蜂鸣器报警系统，这种汽车安全辅助系统便宜耐用，而且达到了汽车电子系统网络化的发展需求。无庸置疑，未来的超声波测距报警系统，将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。1.3本次设计任务本次设计是基于单片机控制的超声波测距报警系统设计，采用以STC89C5160S2单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。
6、整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最通过硬件和软件实现了各个功能模块。2.系统论证与设计2.1方案的讨论2.1.1控制模块的选择本课题主要任务是设计一款简易的汽车倒车测距报警系统的设计，应用于汽车倒车位置监控与报警。该报警器主要包括控制模块、测距模块、声音模块、距离显示模块、电源模块五个部分，我们选择了几个方向来设计讨论。（1）可编程逻辑控制器（PLC）PLC发展初期主要用于开关量的逻辑控制，随着PLC技术的进步，它的应用领域在扩大，不仅可以用
7、于开关量控制，还可用于模拟量及数字量的而控制，可采集与存储数据，并进行联网、通讯等，如今，PLC已成为工业控制中核心元器件之一。其主要优点是功能完善，稳定性高抗干扰能力强，扩展性好，硬件维护方便，编程简单。缺点是价格较高，体积较大。（2）单片机单片机与PLC本质是相同的，它们的发展都是基于微处理技术，而PLC实际上是建立在单片机之上的一种产品，而单片机实际上是一个集成电路，体积相对较小，成本低，经济实惠，但利用单片机实现的主控板受软件布局、环境温度、制板工艺等影响，稳定性和抗干扰性相对较弱。对比这两种核心控制元件，两者各有优缺点，根据本课题设计任务，汽车倒车报警装置体积要小，这样便于携带、安装
8、、不占用汽车空间，显然由于PLC体积大的特点而不符合设计要求，因此本设计采用AT89C51单片机作为核心控制元件。2.2.1测距模块的选择（1）红外线测距红外线测距原理是红外光遇到障碍物会反射回来，而反射回来红光的强弱由距离而定，距离越远，红光强度越弱，根据这个特点能够进行障碍物距离远近的测量。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。（2）超声波测距超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于16kHz的机械波。超声波测距就是将电压和超声波之间的互相转换，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压
9、回送到控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，在中、长距离测量时，超声波测量的精度和方向性都要大大优于红外线测量。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。根据对以上测距方法的比较，超声波测距具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，在精度和方向性上都优于红外测距，因此本方案的距离测量部件选用超声波测距模块。2.2方案的设计2.2.1设计流程框图图2-1流程框图2.2.2电路原理图的设计图2-2电路原理图的设计3硬件模块根据系统总体设计方案，系统以单片机AT89C5160s2为控制模块SR04超声波模块，报警模块，液晶显示
10、模块组成。3.1单片机最小系统单片机最小系统由芯片，时钟电路、复位电路以及电源电路构成。图3-1单片机最小系统的电路图及实物图3.1.1单片机简介AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。AT89C51具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2 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。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个
11、中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护外围硬件电路。AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。3.1.2时电路钟单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。本系统采用内部
12、振荡方式，在AT89C51引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3-2时钟电路3.1.3复位电路复位电路有上电复位和手动复位两种。本系统采用手动复位方式，具体电路如图3-3所示。系统上电时， RC电路开始充电，因为电容电压不能突变，使RST端的电位接近Vcc，以后RST端的电位将随电容充电而逐渐下降。只要RST端出现的正脉冲时间保持在10ms以上，就能使单片机有效地复位。工作过程中，需要手动复位时，按下按钮时，电容瞬间完成放电，Vcc的+5V电平就会直接
13、加到RST端，完成系统复位。图3-3复位电路图3.2超声波模块3.2.1什么是超声波特点它是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。 1超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。2超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。3超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊或对传声媒质产生效用及治疗。4超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。5超声波可传递很强的能量。6超声
14、波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。超声波为探测与负载信息的载体或媒介如B超等用作诊断；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构用作治疗3.2.2 sro4超声波传感器SR04是最常见的超声波传感器之一，在arduino开发中超声波传感器SR04主要用来测距，相比其他测距传感器有着简单易用、灵敏度高等特点。对于超声波传感器各种特性，超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。模块参数：1.尺寸：长宽高 45*20*152.工作电压：5V3.感应角度：不大于15度4.探测距离：3cm-450cm5.
15、精度：可达0.2cm 3.2.3测距原理3-4 超声波时序图初始化时将trig和echo端口都置低，首先向给 trig发送至少10 us的高电平脉冲（模块自动向外发送8个40K的方波），然后等待，捕捉 echo 端输出上升沿，捕捉到上升沿的同时，打开定时器开始计时，再次等待捕捉echo的下降沿，当捕捉到下降沿，读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间，按照测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2 就可以算出超声波到障碍物的距离。3.3报警模块在单片机应用系统中，最常见的发声器件就是蜂鸣器。蜂鸣器一般用于一些要求不高的声音报警及发出按键操作提示音等。有源蜂鸣器最重要的特点是只要按照极性要求加上合适的直流电压就可以发出固有频率的声音，使用起来比扬声器简单。蜂鸣器是感性负载，一般不建议用单片机的 I/O 口直接对其进行操作，需要加一只驱动三极管
