《基于51单片机倒车防撞系统的设计【论文】6300字》

基于51单片机倒车防撞系统的设计TOC\o"1-3"\h\u9304第1章前言 131671第2章超声波倒车防撞系统的工作原理 2202782.1超声波的概念 2316992.2超声波传感器的特性 294352.2.1频率特性 2288242.2.2指向特性 2324022.3超声波倒车防撞系统原理 328678第3章超声波倒车防撞系统的硬件设计 4155383.1单片机的选用 4230483.2单片机系统 511873.2.1时钟模块硬件电路 558653.2.2复位电路 571723.2.3振荡电路 6169913.3外接采集节点模块电路 6127903.3.1显示电路设计 6287123.3.2蜂鸣报警器 7122543.3.3WSB接口电路 7241353.4超声波测速模块 8135973.4.1超声波发射模块 8190373.4.2高频变压器的设计 8157503.4.3超声波接收电路处理模块 82752第4章超声波倒车防撞系统的软件设计 10124524.1单片机编程语言的选择 10207854.2主流程图设计 10184444.3倒车雷达报警器其他子程序设计 11277514.3.1数据采集处理子程序 11279754.3.2中继子程序 12181164.3.3报警子程序程序设计 13297294.4超声波测距软件设计 135111第5章结论 1531841参考文献 16第1章前言随着我国的汽车数量在日益变多，现在最大的问题就是停车难的问题，很多有车一族对于狭小的停车场也是头疼，如果稍微有个不小心，就会产生碰撞，更让人觉得心烦意乱了。哪怕是每一辆汽车上面都安装有后视镜，但还是有一些地方处于后视盲区使驾驶员看不到的。驾驶员在进行倒车、在停车过程中使用车内的安全辅助装置，即雷达倒车。它可以通过声音或图像观察汽车和驾驶员周围的障碍物，可以提高驾驶的安全性，并消除一些死角缺陷和视力模糊。让驾驶员在倒车、停车以及启动车子的时候不再需要前后左右的去观察周遭情况。第2章超声波倒车防撞系统的工作原理2.1超声波的概念当物体在进行震动，并且震动的频率在20Hz到20KHz之间时，便产生了声音，如果希望通过超声波进化，振荡频率必须超过20kHz的机械波。超声波可以说具有两种特定形式，超声波是由弹性介质中的机械振动产生的，一种是纵向振动（一般称为纵波），另一种是横向振动（一般称为横波），垂直振动是一种状态下应用最广泛的。也可以固体，液体和气体传播。但是在三种介质中超声波的传播速度是不一样的，而且，超声波在实际传输过程中可以发生发射或折射现象，速度会慢慢的减小，比如说，超声波在气体中进行传播的时候，所产生的频率就会很低，大概是在几十KHz，而且衰减速度比较快；在液体或者是固体中进行传播的时候，超声波的震动频率相对来说却是比较高的，逐渐衰减的速度对比在空气中传播的要小些，并且传播的距离比较远。为了在反方向上使用超声波，有必要产生和接收超声波。能够满足这些条件的功能设备通常是超声波传感器，超声波传感器有一个发送器/接收器，但超声波传感器还可以产生两种功能，用于发送和接收声波。通常使用两种类型的超声波传感器。其中之一是机械产生超声波，例如空气哨，电流槽和哨子。另一种方式是使用诸如磁致伸缩的电子设备产生超声波。2.2超声波传感器的特性主要特性包含有：频率特性和指向特性。2.2.1频率特性图2-1超声波传感器的升压能级和灵敏度我们最好在中间，附近使用40kHz交流电压来刺激超声波辐射传感器，因为当它的频率到达40KHz的时候，所形成的压能级跟机械波都是最高最强的，在40KHz频率两旁的压能级会很快地变小。2.2.2指向特性最常用的超声波传感器，内部的压电板是小板，表面上的点可以用作振动源，并且根据振动源发射小波。某个离开了超声波传感器空间的声压，它所辐射出来的子波产生的结果是具备指向性的；从振荡源辐射出来的子波则是无指向性的。如图2-2所示。图2-2超声波传感器指向特性及结构传统超声波传感器的定向角通常在40到80度的范围内，当它的指向角达到0度的时候所形成的电压是最大的，而当随着角度的渐渐增大，产生的电压就会渐渐变小。2.3超声波倒车防撞系统原理通常我们用超声波测量的两种方法，其中一个是输出的平均电压脉冲，电压与距离成正比,这样的距离变得可见当测量电压，另一种方法是测量输出的脉冲宽度即超声波接收和传输之间的时间间隔。在超声波检测系统中，发送端接收到输出的方波脉冲，超声波传输的时间间隔等于宽度。当测量对象的距离大时，形成的脉冲的宽度宽，并且测量的距离与输出信号的脉冲数成比例。一般电路所采用的是第二种对输出的脉冲宽度精心测量。超声波在标准空气中传播时，它的速度是331.4m/s，假如我们用12.0MHz的晶振作用到单片机上来进行计时的话，则设计的系统它的测量精度从基本理论上来看的话，可能会达到毫米级的。设计超声波测距算法：机载超声波传输速度为340米/秒（15摄氏度）。X2是声波，X1是声波。发出声音时，X2-X1是视差的绝对值，X2-X1=0.03秒，340米X0.03秒=10.2分钟。因为在10.2分的时间里，超声波发出到碰到返射物进行返回的距离如下：图2-3测距原理第3章超声波倒车防撞系统的硬件设计基于单片机的测距报警器电路是一种单片机系统，其数字显示在运行过程中通过速度指示电路，可以知道目前汽车的距离输出，在行使到自己设定好的上限倒车距离时，报警电路就会进行报警提示，这样驾驶员就知道目前的汽车倒车危险，驾驶员在看到报警之后就会及时做好反应，并进行调整，以此确保人身安全。单片机内已经设定好的值与实际的产生的数值进行比较，如超出了通过系统输入设定的最大值，便能够对汽车倒车安全距离进行判断，并经过蜂鸣器来进行报警提醒。图3-1倒车雷达报警器原理图3.1单片机的选用作为低电压处理器，AT89C51单片机一直是一些主要控制电路的首选，在单片机的256字节RAM中存储数据，装置是采用的非易失性存储器技术具有很高的密度，它还配备了两个高性能的16位计数器，4K字节CMOS微控制器，能够将程序中的数据读取出来。如果微控制器需要进入环路复位状态，则需要设置复位电路高电平。当单片机复位后，程序就会从第一条指令开始重新运转。图3-2单片机最小系统3.2单片机系统3.2.1时钟模块硬件电路DS1302数据输入从低阶0开始。执行8位控制命令后，在下一个脉冲的下降沿读出数据值。S1302是一种低功耗、高性能的实时时钟芯片。它只需要三条线就可以连接到微控制器。它使用三线的SPI接口与CPU同步通信，并发送多个字节的数据RAM或时钟信号。该系统的时钟电路常用于单片机的最小系统中，因此设计的电路非常可行和稳定。图3-3模块电路时钟硬件图3.2.2复位电路复位信号为高电平有效。单片机在第9个引脚加入高电平2us以上才可以完成重置操作。如果RST端子产生宽度小的脉冲，则可以有效地实现手动复位和自动复位。必须通过RST引脚将T89C51复位信号施加到微控制器芯片的施密特触发器。电容上的电压值会慢慢增大是因为时间的增加，这使得RST引脚的电压值也会随之下降，当降到低电平的时候，便会让单片机回到正常状态，也称之为上电为复位。在12MHz时钟时，一般C7取22μF，R2可取1kΩ，需要持续达到2μs以上才可以使得复位操作完成。图3-4晶振电路与复位电路3.2.3振荡电路XTAL2触点是放大器的输出。如果微电路外部的晶体振荡器需要连接到两个电容器，它必须通过XTAL1和XTAL2。机器的周期信号由作为系统时钟信号通过分频器的振荡电路脉冲产生，并且基于原始双向频率，ALE信号由三频率频率产生。下面的图3-5显示了振动模式。图3-5振荡电路3.3外接采集节点模块电路根据电路图，系统可分为键盘、显示器和蜂鸣器四个部分。各部分协同工作，实现换向报警监控功能。3.3.1显示电路设计液晶显示采用LCD1602，使控制系统在没有计算机的情况下也能正常工作，直观。显示电路主要通过键盘实现对车辆功能和电流参数的设置。图3-6LCD显示原理图与相同的图形格网液晶模块相比，液晶模块的结构比硬件电路或显示程序小得多，模块的价格略低于图形模块，LCD模块有相同的网格。该系统允许通过键盘设置进行数据交换，并在人与计算机之间进行良好的交互。3.3.2蜂鸣报警器传声器的声音检测模块作为探测器的内部阻力大幅下降电话筒的方向流过水平转换电路改变晶体管实现声音的目的来确定是否健康。三极管采用8050NPN型晶体管它的基础连接到端口P2.6。如图3-7所示，当它是高的三极管是开的，当它是低的三极管是关的，如果速度读数太高，提示蜂鸣器报警。图3-7蜂鸣器与单片机的接口电路图报警电路如图3-7所示。监控P2单片机端口，P2.3至P2.6四个LED端口控制P2和报警，如图所示。3.3.3WSB接口电路相机必须具有USB接口，由于用于从系统捕获图像的相机具有USB接口。S3C2440A有两个USB主控制器和一个USB设备控制器。连接外部USB摄像头需要USB接口。因此，必须使用USB主控制器。USB接口有四条DATA+和DATA信号线，电源线VCC和GND，两条电源线和两条信号线。数据传输方法是串行传输。USB接口速度快，最新的USB2.0高达480Mbps可满足各种工业和个人需求。USB输出电压和电流：+5V，500mA。事实上，偏差是存在的。最大值不应超过+/-0.2V，即4.8-5.2V。使用USB接口无法更换阳极和阴极，不然会烧坏USB设备或主机芯片。USB接口还必须设计有保护电路，以防止由于过流，过压和瞬态ESD电压而损坏USB接口。3.4超声波测速模块3.4.1超声波发射模块系统中使用的测量模块的超声信号由软件生成。因此，在超声换能器将超声电信号转换成机械波之前，在适当的激励电路中处理超声电信号以激励超声换能器。该过程中超声波发射器的配置如图3-8所示。图3-8超声波发射电路3.4.2高频变压器的设计变压器是改变线路电压的器件，在初级线圈通入交流电流时，磁芯产生交流磁通，此时次级线圈就能够产生感应电压。磁通密度由磁芯的材料决定，对于本设计中使用的反激变压器，磁通密度在理论上可为正负。图3-9升压发射电路图3.4.3超声波接收电路处理模块（1）精密放大电路在接收到超声回波信号后，接收电路对其进行处理，输出包含流量信息的模拟信号，并输入数字信号处理电路进行进一步处理。为此在精密放大之前必须经过二极管双向限幅环节对接收信号放大器的输入电压进行箱位，来保护后续的放大电路。如图3-10所示：图3-10前置放大电路（2）带通滤波电路在带通滤波器中，如图3-11所示，使用集成运算放大器构造具有电压控制的二次带通滤波器电路。图3-11带通滤波电路第4章超声波倒车防撞系统的软件设计4.1单片机编程语言的选择51系列微控制器支持BASIC，PL/M，汇编器和C语言。C语言通常是UNL操作系统的语言，C语言也称为结构化语言。与汇编相比，C具有以下优点：首先，C语言不需要知道MCU指令集，它只需要对存储器结构有基本的了解。并提供许多类型的数据和运算符以便于编程。C语言还具有丰富的函数库，不仅可以加速计算，还可以提供高编译效率，并允许直接实现对系统设备的实际控制。其次，C语言也称为结构化编程语言。自上而下的结构化编程技术，C语言具有非常完整的模块化程序结构，用户在开发软件时可以使用模块化编程技术。C语言开发系统通常是实用的。缩短了开发周期，并且为了改进和扩展，该程序得到了极大的改进。并且研制出更大规模的、性能更加完善的系统。第三、在利用C语言进行编程的时候，不需要对单片机跟接口结构作很深层次方面的了解。利用好C语言对51系列单片机系统进行开发，编程者能够更加专一地对应用软件部分的进行设计，不需要把很多的精力用在内存分配等这些较为底层工作上面浪费精力时间，进而很大程度上让软件开发的速度更快。所以，本文系统利用C51语言来对系统的软件进行设计。也拥有汇编语言的功能，使用灵活、可读性较强，能够单片机的程序进行移植的时候更加方便。4.2主流程图设计下面图4-1中的软件包括两个主程序和一个终端维护程序。主程序通过完成任务的初始化，控制超声波的接收/发送顺序，中断维护程序来读取时间值。当执行操作并计算距离时，在三方向均发射超声波信号后，以定时器中断发射，此时程序结束。图4-1超声波防撞系统的软件设计实际测量的距离结果以10进制代码的形式传输到LED显示，大约需要0.5s，然后用超声波脉冲重复前面的测量步骤。主程序采用C语言编写，方便了距离计算和程序结构。4.3倒车雷达报警器其他子程序设计4.3.1数据采集处理子程序图4-2A/D转换子程序流程输出多路复用器通过单片机实现多路复用器移位寄存器的地址。上述扩展过程可以将数据从模拟转换为数字。数据处理主要包括数字滤波、十进制转换和查表。对数据进行处理后，包括过滤和十进制转换，找到要显示的字体大小的表数据。程序流程图如图4-2所示。4.3.2中继子程序图4-3安全距离的中继子流程图系统显示子程序系统在确定速度测量数据有效时必须显示测量数据。此设计旨在测量小于50cm的安全性，并且显示屏保持两位小数。换句话说，使用3位显示器。我们利用软件来进行消抖，利用对子程序延时的调用来解决，能够较为不错地处理好单片机抖动的问题。因为经过模数转换模块，能够把单片机的数据用十六进制的方式储存到寄存器里，并使LED显示需求转成BCD码，如图4-4所示。图4-4LED显示子程序流程图4.3.3报警子程序程序设计蜂鸣器的两个保险丝中只有3到15V直流电压，可以产生约3kHz的声音和蜂鸣器振动，然后可以使用晶体管驱动器。报警处理流程如图4-5所示。图4-5报警程序流程图4.4超声波测距软件设计超声波测距模块测量从车尾到车辆后方障碍物的距离，然后根据预定义的串行通信协议通过串行端口将数据发送到ARM基础系统。超声波测量模块的主控芯片是AT89C51单片机。该模块的软件设计是单芯片程序，超声波测量模块使用内部定时器TZAT89C51通过将具有P1.0引脚的40kHz方波和输出发送到超声波发送电路来发送超声波。引脚P3.3（INT1）AT89C51用作接收输入引脚，并在收到回波时产生接收中断。超声波测量过程如图4-6所示。图4-6超声波测距软件设计流程图在超声波的传播过程中，由于全身和环境以及超声波本身的特性，不可能仅传输一种超声波。为了在接收超声波时准确地接收超声波，通常需要发送由具有8到10个超声波的若干超声波组成的一组超声波。回声系统具有死区测量功能。在此期间，系统无法检测到回声。延迟250μs用于传输十个超声波以形成超声波组，延迟1ms是为了避免盲测区域。回波检查的目的是确定是否已接收到超声回波中断，或者是否未检测到障碍物，或者超时是否已被距障碍物的距离中断。当标志为1时，中断表示回显中断；当标志为2时，中断表示40ms超时中断。当系统测量行程时间并计算距离时，距离数据通过串口传输到主杆系统。系统初始化基本上初始化每个寄存器的值，设置定时器操作模式，完成初始定时器值，中断使能和串口传输速率设置。该系统使用T2微控制器产生40kHz方波，其中包含超声信号和T1控制定时器。串行端口传输速率T0计时器用于记录超声波的传播时间。返回超声后，按以下公式计算出行时间。介数是一个计数脉冲的周期除以具有一个芯片的微计算机的12个主脉冲11.0592MHz。以下公式计算以厘米为单位的精确距离，V为超声波的速度。第5章结论由于超声波的强方向性，能量消耗低并且平均传输距离大。超声波经常用来进行物体定位，另外超声波定位过程中计算相对简单，因此应用非常广泛。本文通过超声波技术原理，借用单片机进行汽车倒车防撞系统的设计，在设计过程中，本文主要采用了AT89C51