基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)的設計

題 目 基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)的設計 學生姓名 郭真子 學號 1213014029 所在學院 物 理 與 電 信 工 程 學 院 專業(yè)班級 電子 1201 班 指導教師 王婷 完成地點 博遠樓#物理與電信工程學院實驗室 2016 年 6 月 5 日畢 業(yè) 論 文 設 計 任 務 書院(系) 物理與電信工程學院 專業(yè)班級 電子 1201 學生姓名 郭真子 一、畢業(yè)論文設計題目 基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)的設計 二、畢業(yè)論文設計工作自 2016 年 1 月 10 日 起至 2016 年 6 月 15 日止三、畢業(yè)論文設計進行地點: 陜西理工學院 四、畢業(yè)論文設計的內容要求：基于單片機的超聲波脈沖測距原理，利用超聲波的反射測量距離設計一倒車防撞系統(tǒng)，在 整個倒車過程中自動測量車尾到最近障礙物的距離，并用數(shù)字顯示出來，在倒車到極限距離時會發(fā)出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車，如果和制動系統(tǒng)聯(lián)系在一起也可以形成自動剎 車。（應包括方案設計、比較與論證、分析與計算、電路圖與相關設計文件以及心得體會 等）。 五、畢業(yè)論文設計應收集資料及參考文獻：收集單片機編程、超聲波測距等方面的專業(yè)資料，閱讀和學習下列參考文獻： 1 張齊,杜群貴.單片機應用系統(tǒng)設計技術M.電子工業(yè)出版社.2007 2 胡瑞,周錫青.基于超聲波傳感器的測距報警系統(tǒng)設計 J.科技信息,2009 3 于京.51 系列單片機 C 程序設計與應用方案M. 中國電力出版社.2002. 4 張齊，杜群貴.單片機應用系統(tǒng)設計技術M.電子工業(yè)出版社 .2004 5 趙占林,劉洪梅.超聲波測距系統(tǒng)誤差分析及修正J. 科技情報開發(fā)與經濟 , 2002 6 宋明耀.提高超聲波測距精度的設計J.測試測量.2004 六、畢業(yè)論文設計的進度安排： 1 月 10 日3 月 20 日：查閱資料，完成外文翻譯原文和開題報告。 3 月 21 日4 月 20 日：完成系統(tǒng)硬件電路的設計并提交中期檢查報告。 4 月 21 日5 月 20 日：完成整體設計并調試，準備作品驗收。 5 月 21 日6 月 15 日：撰寫、修改畢業(yè)設計論文，準備并完成答辯。 指 導 教 師 簽名 系(教研室) 主任簽名 專 業(yè) 負 責 人 簽 名 批 準 日 期 陜西理工學院畢業(yè)設計基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)的設計郭真子（陜西理工學院 物理與電信工程學院 電子信息工程專業(yè)，2012 級 1 班，陜西 漢中 723003）指導教師：王婷【摘要】本設計介紹了基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計，硬件部分以單片機 STC89C52為主要控制模塊，以超聲波測距模塊 HC-SR04為測距系統(tǒng)，用數(shù)碼管顯示出車尾與障礙物之間的距離，用鍵盤設置蜂鳴器報警的最小距離，當超聲波測到的距離小于報警距離時，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，并且使制動系統(tǒng)停止工作，完成自動剎車功能。軟件設計部分主要是利用 C語言來編寫程序，將調試好的程序下載到單片機中，最終實現(xiàn)倒車防撞功能。測量范圍為 2cm-500cm,完全滿足汽車倒車需求，最小報警距離可以在 1cm-400cm之間任意設置?！娟P鍵詞】STC89C52 單片機 HC-SR04 超聲波測距模塊 LED 顯示 陜西理工學院畢業(yè)設計IDesign of Auto Reverse Collision Avoidance System Based on Single Chip MicrocomputerGuo Zhenzi(Grade 12,Class 1, Major electronics and information engineering, College of physics and Telecommunication Engineering, Shannxi University of Technology, Hanzhong 723003, Shannxi)Tutor: Wang TingAbstract：This design is introduced the auto reverse collision avoidance system based on single chip microcomputer. Hardware part is STC89C52 microcontroller which as the main control module, ranging system for hc-sr04 ultrasonic ranging module, using digital tube display the distance between the vehicle tail and obstacles, the keyboard buzzer was used to alarm minimum distance. Buzzer alarming when the actual distance have been less than the distance alarm, and make the braking system stop working, complete automatic braking function. The software part using C language to write the program, the debugger will be downloaded to the microcontroller, and ultimately to achieve the reverse collision function. The measuring range is 2cm-500cm, fully satisfied the needs of the car reverse, the minimum alarm distance can be arbitrarily set between 1cm-400cm.keyword ：STC89C52 microcontroller HC-SR04 ultrasonic ranging module LED display陜西理工學院畢業(yè)設計II目 錄1 緒論 .11.1 項目研究背景及意義 .11.2 超聲波原理 .11.3 電機工作原理 .42 方案論證 .43 硬件電路設計 .63.1 主控制模塊 .63.2 顯示電路 .63.3 鍵盤電路 .73.4 報警電路 .73.5 超聲波測距電路 .83.6 電源電路 .93.7 制動電路 .104 軟件設計 .124.1 主程序設計 .124.2 超聲波測距子程序設計 .134.3 數(shù)碼管顯示子程序 .144.4 鍵盤子程序設計 .144.5 定時器子程序設計 .154.6 EEPROM 子程序設計 .165 硬件調試與分析 .185.1 硬件調試 .185.2 結果分析 .18致謝 .20參考文獻 .21附錄 A：外文翻譯 .22附錄 B: 整體電路源程序 .29附錄 C：元器件清單 .35附錄 D：整體電路設計原理圖 .36附錄 E：實物展示圖 .37陜西理工學院畢業(yè)設計第 0 頁 共 37 頁1 緒論1.1 項目研究背景及意義隨著現(xiàn)代社會經濟的迅速發(fā)展，人們生活水平越來越好，交通運輸業(yè)日益興旺，汽車成為現(xiàn)代人類生活出行的必要產品。隨著汽車數(shù)量大幅度攀升，交通擁擠狀況越來越嚴重，撞車事件有贈無減，造成不計其數(shù)的人員傷亡和經濟損失。針對上面介紹的這種情況，設計一種可以有效減少汽車事故的汽車防撞系統(tǒng)已經在所難免。在常見的汽車倒車裝置上采用基于單片機的測距，將軟、硬件相結合，通過數(shù)字顯示電路顯示障礙物與車輛保險杠之間的間距，當?shù)管囆∮谧钚【嚯x時，發(fā)出急促的警報聲，提醒駕駛員剎車，減少了駕駛員在駕車過程中的事故發(fā)生率，并且?guī)椭鷾p少汽車行駛在過程中視覺死角和光線模糊等不利條件，大大提高了行車過程中的安全性。將此系統(tǒng)利用到社會交通運輸業(yè)中一定會減少事故的發(fā)生，為人類安全事業(yè)做出更大貢獻。由于超聲波的波速比較小，其傳播時間也就比較長。當它較長時，就更加容易產生區(qū)別，這樣的測量能增加準確性，其方向性也比較好、強度容易控制，因而可以利用超聲波對距離進行檢測。超聲波測距是一種利用聲波反射、折射特性與電子計數(shù)相結合來實現(xiàn)非接觸式距離測量方法。超聲波測距在很多地方有特別顯著地優(yōu)勢，因此像超聲波測距這種非接觸式的快速測量方法能夠在更多場合和多種環(huán)境比較惡劣的情況下使用。通常所設計的關于汽車防撞系統(tǒng)主要由核心的控制器、顯示器、超聲波發(fā)射接收模塊、報警器設備等四個部分組成。傳感器發(fā)送和接受超聲波方波信號，并將接收到的信號接收回來，當經過處理之后再次表示出來。超聲波傳感器裝在汽車的后保險杠上，不停的發(fā)出超聲波檢查障礙物，能探索到很多物體，如馬路邊沿，花壇，蹲在車后小孩等：顯示設備裝在駕駛員座位的儀表盤上，顯示出汽車車尾距離后面障礙物還有多少米，一旦小于設定的最小距離時，蜂鳴器就開始發(fā)出報警聲音，提醒司機停車 1。1.2 超聲波原理聲音是與人類的生活密切相關的一種自然現(xiàn)象。人類的聽覺是有一定范圍的，當聲音頻率變大時(根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取整數(shù)為 20000 赫茲)，人類的聽覺就會分辨不到周圍聲音的存在，這就是人們通常所說的“超聲波”。通過超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波信號，根據(jù)接收傳感器器接到超聲波時與超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波信號的時間之差就可以計算出兩物體之間的距離了。這與雷達測距的原理很相似。(s=340t/2，是計算出超聲波發(fā)射的點與障礙物之間距離 (s)的公式，超聲波的波速與聲音速度相似，所以系數(shù)為 340，而二分之一倍則是因為超聲波發(fā)生了反射，而 t 則是單片機內部的定時器自己記錄的時間)。超聲波是一種通過壓電效應或磁致伸縮效應產生的、頻率在 20000HZ 以上的聲波：它的能量集中性較好、同時又具有光的一系列特征，比如常見的直線傳播、反射折射等 2。這樣使得超聲波測距傳感器因其良好的性能、便宜的價格、簡單的計算公式，在移動機器人定位系統(tǒng)、車輛雷達、車輛安全，以及油井、倉庫的探測中等地方有大量應用 3。超聲波的特性有：（1）吸收特性超聲波在各種物質中傳播時，當距離超過超聲波所能有效傳播的范圍時，超聲波的能量就會被削弱，這是因為介質可以吸收掉超聲波的一部分能量，使得超聲波的應用受到了極大的限制。當作用于同一種材料的物質時，如果作用在物體本身的聲波頻率很高，那么它對超聲波的吸收能力就越強。如果一個聲波的頻率是固定的，那么在不同的物質中其吸收能力不同，例如：在空氣中傳播時它的吸收能力非常強，在水中傳播時吸收能力相對減弱，在固體中傳播時吸收是非常小的 4。（2）超聲波的聲壓特性當聲波進入某物體時,由于超聲波的份子共振，使物質分子之間產生相互吸合或相互分離的自然作用，使物質各個份子之間所受的壓力發(fā)生變化。陜西理工學院畢業(yè)設計第 1 頁 共 37 頁既可以完成發(fā)射超聲波，又可以接收超聲波的集成器件就是超聲波傳感器。超聲波探頭主要由數(shù)個壓電晶片構成，既可以發(fā)射信號，也可以接收信號。小功率的超聲波探頭多用作探測距離、物體等方面 。5超聲波探頭的核心器件是就是所謂的壓電晶片，如上段中提到的作用，有很多種材料都可以構成晶片。由于晶片的直徑寬度和厚度大小是不一樣的，因此每個探頭的性能都是不一樣的，在利用超聲波時，應該注意了解清楚它的功能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1）靈敏度。主要是由晶片本身的材料性能決定的。（2）工作頻率。超聲波傳感器的頻率與其晶片的共振頻率相等。也就是當加到它兩個端口的交流電壓和各個晶片的共振頻率相同達到其共振頻率時，此時也是超聲波傳感器輸出信號各種特性最好的時候。（3）工作溫度。由于壓電材料的制作物比較特殊，不但工作溫度非常低，而且其居里點比一般物質高?？梢员３珠L時間的有效工作，并且其超聲波探頭使用功率比較小。醫(yī)療用的超聲波探頭溫度比一般的超聲波探頭高，那么其正常工作就需要其他設備來維持。 為 了 充 分 的 將 超 聲 波 利 用 到 人 類 社 會 的 發(fā) 展 中 ， 大 量 的 超 聲 波 發(fā) 生 器 被 開 發(fā) 出 來 。 從 產 生 方式 上 來 講 ， 超 聲 波 發(fā) 生 器 可 以 分 為 兩 種 類 型 ： 即 電 氣 型 和 機 械 型 ， 這 為 今 后 開 發(fā) 超 聲 波 的 價 值 提供 了 基 礎 。 他 們 的 工 作 方 式 不 同 ， 不 同 的 產 生 超 聲 波 的 輸 送 頻 率 、 工 作 功 率 和 聲 波 衰 減 等 特 性 是各 不 相 同 的 。 目 前 較 為 常 用 的 是 壓 電 式 超 聲 波 發(fā) 生 器 。超聲波是一種在介質中的機械振蕩波，超聲波頻率超過 20KHz?？傮w上，可以分為橫向振蕩和縱向振蕩兩種振蕩方式，在不同的介質中振蕩方式是不同的。而且超聲波可以在固體、液體及氣體中傳播，其傳播速度在三中物質中也是大不相同的。它具有折射和反射等物理現(xiàn)象，且在傳播過程中有較強的衰減。超聲波的基本特性如下所述：1 波長波的傳播速度計算方法為頻率乘以波長。波長與其頻率具有很大的關聯(lián)，在常溫狀態(tài)下，超聲波的波速相當于聲音的傳播速度，這樣大大減少了超聲波測距在后期計算處理方面的復雜性，使得超聲波廣泛的應用于人類社會生活的方方面面。2 反射要探測到障礙物，就需要障礙物將接收到超聲波反射回來。一些物質比如墻壁、金屬，在有效的距離內可以將超聲波完全反射回來，這種物體可以很容易通過超聲波來測量；還有一些物質不能反射超聲波，而是吸收了大量的超聲波，這種物質不能利用超聲波進行測量。同時，由于某些特殊物質存在大量的不規(guī)則反射、折射，這些物質的測量也很難利用超聲波來進行，這些條件使得超聲波的測量有了較高的要求。利用超聲波的反射特性，使得超聲波可以應用在很多情況下，大大增加了超聲波對于人類社會生活水平的提高。3. 衰減傳播到空氣中的超聲波能量隨著距離的增加而成比例地減弱，這是因為某些容易吸收超聲波能量的介質吸收了超聲波能量而使得超聲波能量減弱，這就是上文所講的吸收特性，也是由于衍射現(xiàn)象而導致的在地球表面上的擴散性削弱。當超聲波的頻率較高時，衰減率就越來越高，超聲波的傳播距離也會隨之變短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器可以檢測的有效距離。超聲波在不同的溫度下、距離下、檢測不同的物質時，超聲波的衰減特性不同，如下1.1圖所示，列出了不同頻率的超聲波在不同距離下的衰減特性。陜西理工學院畢業(yè)設計第 2 頁 共 37 頁圖 1.1 聲壓在不同距離下的衰減特性4靈敏度特性靈敏度是表示聲音接收級的單位，下文論述了靈敏度計算的公式，并且講述了靈敏度的標準和性能。靈敏度= 20log E/P (dB)式中 ,“E”為所產生的電壓 ( Vrms)，“P”為輸入聲壓(bar)。超聲波測距的準確性直接由超聲波傳感器的靈敏度影響，如圖1.2所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度特性表示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)傳感器的聲壓級最高是頻率在40KHz時，這提示我們應該充分利用40KHz時所對應的測距數(shù)據(jù)，使其應用在焦慮最高處，所以本設計采用超聲波測距模塊發(fā)射了40KHZ的方波 。6圖1.2 超聲波傳感器靈敏度示意圖5輻射特性把超聲波傳感器安裝在臺面上。然后，測量角度與聲壓 (靈敏度) 之間的關系。為了準確地表達輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用二分之一表示。超聲波設備的外表面尺寸較小容易獲得較準確的測量數(shù)據(jù)。分析以上研究結果不難發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器在 40KHz 范圍內工作時能夠產生最高的聲壓級以及最高的靈敏度。其輻射特性如圖 1.3 所示。陜西理工學院畢業(yè)設計第 3 頁 共 37 頁圖 1.3 超聲波傳感器輻射特性示意圖1.3 電機工作原理電機又稱電動機，直流電機的作用是將直流電變?yōu)闄C械能。直流電機有很多優(yōu)點，可以廣泛的應用于機械能驅動的場合。由于電機中的磁場方向和導線中電流方向不一致，線圈受到電磁力的作用產生轉動，從而帶動整個轉子轉動，這就是電動機的工作原理。下圖 1.4 所示為常用電機。圖 1.4 電機實物圖陜西理工學院畢業(yè)設計第 4 頁 共 37 頁2 方案論證方案一：方案一以 STC89C52 單片機為主要控制芯片，報警電路采用常用的蜂鳴器，顯示電路采用LCD1602 液晶顯示器，制動系統(tǒng)采用直流電機及其驅動電路，超聲波發(fā)射電路采用由 555 芯片構成的硬件電路,超聲波接收電路由與非門構成的硬件電路。發(fā)射電路的主要電路為震