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1、 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 40 页 1 绪论1 绪论 当前社会经济的不断发展和工业科学技术的不断提高，汽车已逐渐进入不少百姓 家。汽车使用数量的不断增加，从而由此导致的倒车交通安全问题也非常严重，道路 交通压力增加，交通安全问题也是面临严峻挑战。在面临如此严峻的交通安全问题， 许多涉及安全问题的汽车辅助系统也纷纷现世。而本设计就是利用单片机知识、传感 器知识等，进行的汽车防撞装置的设计，在汽车倒车时，这种装置可以在驾驶员对车 尾与障碍物体的距离远近无法目测和判断时进行报警。 1.1 课题背景及意义1.1 课题背景及意义 我国社会经济的不断发展，人们
2、对汽车这种交通工具的依赖性也越来越大，导致 了车辆的日益增加在给城市交通不断施加压力的同时，也引发了非常多行车的安全问 题。一些由驾驶员反应不够迅速而导致的汽碰擦，还有很多时候是由于驾驶员对离障 碍物的距离判断不准确而造成的，如果驾驶员能提前知道障碍物的存在并且知道障碍 物的距离，那么驾驶员就能及时地采取措施，从而能避免事故的发生。因此，许多安 全系统也应运而生，诸如为了避免交通事故发生的主动安全系统和在发生事故时的防 护安全的被动安全系统，而主动安全系统对汽车交通事故的发生能起到避免的作用， 所以，主动安全系统的研究更为重要。随着汽车数量的增加，停车场的数量也急剧增 加，停车车辆密集，停车人
3、多，所以汽车碰撞亦逐渐增多。而本设计的汽车防撞装置 就是主动安全系统，通过对汽车与障碍物之间距离的提示报警避免汽车与障碍物之间 的擦碰。本设计要求设计的汽车防撞装置能减少驾驶员的驾驶压力和判断错误，使驾 驶员泊车倒车更加安全方便，本设计将对提高交通安全起到重要作用。 本设计基于单片机实现汽车防撞，将超声波测距和传感器联系在一起，利用单片 机的实时控制和数据处理功能测量并显示汽车与障碍物之间的距离，并在不同距离利 用蜂鸣器不同频率发出不同声音及时报警。这样驾驶员就能通过测距的显示甚至不同 的声音来直接判断汽车玉障碍物之间的距离。本设计的设计简易，虽然精度不高，还 不能测量过远的距离，但规模小，外
4、围电路简单，调试也方便，成本也不高，器件更 换容易，灵活性高，而且能完全满足驾驶员泊车时的需要，可以完全解除驾驶员在倒 车过程中的顾虑和困扰，提高泊车的安全。 汽车防撞装置这种汽车安全辅助装置能大大减少汽车驾驶员在倒车的时候顾虑 和对距离判断的失误，从而能够避免倒车的安全问题的发生，故此装置对于提高交通 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 40 页 安全将起到重要的作用。所以，本课题所要求设计的基于单片机的汽车防撞装置将具 有极大的现实意义和市场。 1.2 国内外研究现状.2 国内外研究现状 本汽车防撞装置包含有单片机控制电路、超声波测距传感器、蜂鸣器报警电路
5、及 数码管显示部件等，装置将各部件有机地结合起来，实现超声波测距及蜂鸣器报警提 示的功能。 倒车雷达系统的开始是以蜂鸣器报警为标志的。汽车离障碍物距离越近，蜂鸣器 报警声越急，蜂鸣器报警虽然使驾驶员知道有障碍物的存在，但却不能确定汽车车尾 离障碍物有多远，所以，蜂鸣器报警对驾驶员帮助不是很大；之后一个质的飞跃就是 液晶屏显示的出现，特别是液晶显示开始出现动态显示系统，驾驶员就是只要发动车 辆，而且不用挂倒挡，液晶显示器上就会出现汽车图案以及汽车与周围的障碍物的距 离，液晶显示是动态显示，液晶显示器的外表美观，显示的色彩也很清晰，而且可以 直接粘贴在仪表盘上，安装也很方便1。不过由于液晶显示的灵
6、敏度比较高，而且它 的抗干扰能力也不是很强，所以误报的情况也较多。 现在市面上的魔幻镜倒车雷达 应该算是比较先进的倒车雷达了，它结合了前几代产品的优点，并采用了最新仿生超 声雷达技术，并用高速电脑控制，可全天准确地进行探测2 m以内的障碍物，并以不 同的声音提示和直观的距离显示来提醒驾驶员 ； 魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、 免提电话、温度显示和车内空气温度显示等多项功能整合在一起1，并设计了语音功 能， 因为其外形就是一块倒车镜 ， 所以可以不占用车内空间， 可以直接安装在车内倒 视镜的位置，而且它样式种类繁多，可以按照个人需求和车内装饰选配，当然它的价 格也是比较贵的1。最新的一代倒车
7、雷达是整合影音系统，除了具备前几代倒车雷达 的功能外还兼有影音系统1。 随着科学技术水平的迅速发展，相关电子技术也是飞跃前进，当然，汽车电子产 业也得到飞速发展，电子产业的飞速发展使得车载电子安全产品有很大的发展前景。 倒车雷达当然是每辆车必备的电子安全产品，如今市面上的主流的汽车倒车雷达基本 都是以单片机芯片为控制核心的智能测距报警系统。这些的倒车雷达能够连续测距并 显示汽车与障碍物之间的距离，而且采用蜂鸣器的不同频率的鸣叫声进行报警提示和 距离显示提示，从而能够尽量不占用驾驶员的视觉空间1。此外，汽车电子系统的网 络化的发展还要求作为汽车行驶安全辅助系统的倒车雷达要具有通信功能，并能够把
8、数据发送到汽车总线上去2。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 40 页 就目前市面上的产品来讲，目前的汽车倒车雷达主要是具备数码管或者液晶屏的 距离显示并且带有蜂鸣器的语音报警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。 1.3 课题研究内容及章节安排1.3 课题研究内容及章节安排 本文所介绍的超声波测距报警系统在测距的时候采用的是两个超声波探头分别 进行超声波发射和接收来进行距离的测量的。本设计的汽车防撞系统能测量出倒车方 向的障
9、碍物与汽车之间的距离, 并通过数码管显示单元模块显示两者之间的距离,然 后通过蜂鸣器发出不同频率的声响, 从而起到提示和报警的作用。本系统利用一片 89S51单片机对超声波信号循环不断地进行采集。系统包括超声波测距单元（超声波 集成模块）、89S51单片机控制、蜂鸣器报警模块和数码管显示模块。这个设计的汽 车倒车雷达要能够连续测距，数据经过单片机的处理后，用4位数码管显示所测量得 到的距离，并利用不同频率使蜂鸣器发出不同的鸣叫声进行语音报警。 论文构成主要由以下部分组成： 第1章主要介绍了本课题的背景意义和相关技术在国内外的研究现状。 第2章介绍的是汽车防装系统的总体方案设计。首先介绍汽车防撞
10、系统的设计要 求，然后分别对测距传感器的选择和显示报警系统的方案设计做了介绍，最后提出本 系统的总体的设计方案，为硬件系统的设计打下了基础。 第3章对硬件系统的设计进行了介绍。首先对超声波传感器的工作原理进行了分 析，然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路的硬件设 计，最后介绍了显示模块电路和蜂鸣器报警电路的设计。 第4章主要是对系统的软件设计进行了介绍。在软件设计中采用不同模块不同编 程进行设计的， 本设计分别对系统的主程序模块、 中断子程序模块、 超声波测距模块、 蜂鸣器报警模块和数码管的显示模块的各个程序进行了设计。 第5章是硬件的组装及其性能进行分析。首先对实物
11、进行硬件排版组装和焊接， 然后讨论了系统的性能产生的误差。 第 6 章是对本设计的总结和展望。最后一章对全文进行了总结，并指明了系统设 计的不足之处，最后也对本系统的倒车雷达报警系统的发展前景进行了展望。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 40 页 2 总体方案论证2 总体方案论证 本章从系统方案等一些方面来进行论证。本设计主要是进行距离的测量和报警， 设计中涉及到的内容较多，主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警 模块、4 位数码管显示模块这几个模块结合起来。而本设计的核心是超声波测距模块， 其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是
12、利用超声波传感器，之后 选择合适单片机芯片，以下就是从相关方面来论述的。 2.1 设计方案论证2.1 设计方案论证 2.1.1 测距传感器 （1）激光测距传感器 激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对 准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传 感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可 测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是测量的距离远、速 度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大 成本也比较高3。 （2）红外线测距传感器 红外线测距传感器利用
13、的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射 的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。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3。 （3）超声波传感器 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 20 kHz 的机械波。超 声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射 超声波时，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回送到单片机控制芯片。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，而且超声波传感
14、器 的能量消耗缓慢有利于测距4。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性 都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。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。 根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 40 页 选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。而且汽车在行驶的过程中超声波 传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作 为此设计方案的传感器探头。 2.2 系统方案2.2 系统方案 此方案选择 51 单片机作为控制核心，所测得
15、的距离数值由 4 位共阳极数码管显 示， 与障碍物之间的不同距离利用蜂鸣器频率的不同报警声提示， 超声波发射信号由 51 单片机的 P0.1 口送出到超声波发射电路，将超声波发送出去，超声波接收电路由 CX20106A 芯片和超声波接收探头组成的电路构成，报警系统由蜂鸣器电路构成。本 设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很 好的提高系统的可靠性。本设计的汽车防撞装置的系统框图如图 2.1 所示。 超声波接受器检波电路 52 单片机 超声波发射器 放大电路 放大电路 报警系统 显示模块 图 2.1 汽车防撞装置的系统框图 本设计由 Keil 编程软件对 51
16、单片机进行编程， 51 单片机在执行程序后由 P0.1 端 口产生 40kHz 的脉冲信号通过 74LS04 电路进行放大并送到到超声波发射探头，产生 超声波。在超声波发射电路启动的同时单片机启动中断定时器，利用其计数的功能记 录超声波发射超声波到接收到超声波回波的时间。当接收回射的超声波时，接收电路 的输出端产生负跳变输出到单片机产生中断申请，执行外部中断子程序计算距离。 结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料，选择了超声波测 距传感器 TR40-16Q（其中 T 表示超声波发射探头，R 表示超声波接收探头） ，综合考 虑设计的要求出于简便角度，选用了 HC-SR04 超声波集成模块。此超声波模块的最 大探测距离为 5 m，精度可以达到 0.3 cm，盲区为 2 cm，而且发射扩散角不大于 15， 更有利于测距的准确性。而且，此模块的工作频率范围为 39 kHz41 kHz 左右，完全 能在 40 kHz 工作频率工作。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 40 页 由于超声波
