汽车防撞主控系统设计与实践

安徽新华学院本科毕业论文〔设计〕格式样本(自然科学论文)本科毕业论文〔设计〕题目：汽车防撞主控系统设计与实践姓名：***学号：专业：院系：指导老师：职称学位：职称／学位完成时间：教务处制安徽新华学院本科毕业论文〔设计〕独创承诺书本人按照毕业论文〔设计〕进度方案积极开展实验〔调查〕研究活动，实事求是地做好实验〔调查〕记录，所呈交的毕业论文〔设计〕是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文〔设计〕中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。毕业论文〔设计〕作者签名：日期：汽车防撞主控系统设计与实践摘要随着我国汽车制造技术和公路网络建设的开展，越来越多的人出行选择乘坐私家车，但是汽车的增多也给人们的日常出行带来了一定的平安隐患，其中汽车之间的碰撞刮擦问题大到危机人们的生命平安，小到给车身留下划痕等等都是人们所不希望发生的。本次课题研究就着眼于此，利用STC12C5A6S2设计嵌入式距离检测系统，实现在驾驶员驾驶过程中，能够实时监测车身与障碍物之间的距离，并且当距离低于平安值时，系统发出警报。为了增强汽车防撞主控系统的稳定性和灵敏度，本设计采用USR—C322作为信息传输模块主要部件，当红外线测距模块检测距离过近时，采用声光同时报警，以提高系统的工作性能。关键词：汽车防撞系统；STC12C5A6S2；设计Designandpracticeofautomobileanti-collisioncontrolsystemAbstractWiththerapiddevelopmentofChina'sautomobilemanufacturingtechnologyandroadnetworkconstruction,moreandmorepeoplechoosetotravelbycar,butthecaristoincreasepeople'sdailytravelbringssomesecurityrisks,theproblemofcollisionscratchbetweenthecarstothecrisispeople'slifesafety,togivethebodysmallscratchesandsoonpeopledonotwanttohappen.Thisresearchfocusesonthedesign,usingembeddedSTC12C5A6S2distancedetectionsystem,realizedinthedrivingprocess,canreal-timemonitoringbodyandobstacledistance,andwhenthedistanceisbelowthesafetyvalue,thealarmsystem.Inordertoenhancethestabilityandsensitivityoftheautomotiveanti-collisioncontrolsystem,thisdesignusesUSRC322asthemaincomponentofinformationtransmissionmodule,infraredrangingmodulewhenthedetectiondistanceistooclose,thesoundandlightalarmsimultaneously,inordertoimprovetheworkingperformanceofthesystem.Keywords:automobileanti-collisionsystem;STC12C5A6S2;design目录TOC\o"1-2"\h\z\u1引言11.1研究背景11.2研究意义12系统硬件设计22.1STC12C5A6S2单片机介绍22.2USR—C322信息传输模块设计42.3红外线距离检测模块设计52.4LCD1602显示模块设计52.5蜂鸣器报警模块设计62.6复位电路设计73软件设计93.1设计思路93.2主程序设计93.3A/D转换启动及数据读取程序设计103.4显示子程序设计113.5测距子程序设计113.6距离过近报警子程序设计123.7无线数据传输子程序设计134调试与总结15致谢16参考文献171引言1.1研究背景随着我国经济和科技水平的不断提高，国家公路网建设不断完善，汽车制造技术日益成熟，道路上的汽车数量逐渐在增多，汽车车身之间的平安距离问题引起了广泛的关注，利用现有的技术手段防止车身距离低于平安值从而引发平安隐患已经成为了一大研究热点。正在众多学者、专家提出的设计设想中，通过嵌入式芯片对车身与障碍物之间的距离进行实时监测，最具有经济性、稳定性和实用性，本次课题研究以此为研究出发点。1.2研究意义汽车防撞主控系统设计与实践从技术角度来看，促进来了嵌入式控制技术的开展，汽车防撞主控系统嵌入车身内部，实时监测距离并且发送到驾驶员遥控端，在技术角度需要更新已有的信息传输技术，在传统的无线传输根底上增强短距离信号传输的稳定性能，以及报警灵敏度等。从应用角度来看，汽车防撞主控系统能够实时提醒驾驶员车身与障碍物至今的距离，并且在距离过低时发出警报，有效的防止了车身之间距离低于平安距离而引起的交通事故。2系统硬件设计2.1STC12C5A6S2单片机介绍图2.1STC12C5A60S2单片机引脚图P0.0—P0.7(39—32)：P0是可以用于双向信息交换的主要引脚，在P0引脚的外围电路中，上拉电阻相当于EPROM编程过程中的单片机使能端，在接受指令信息和对外输出指令信息时处于不同的接通状态。在访问外部存储器时，P0引脚的上拉电阻激活，同时，P0引脚作为数据线和地址线的低8位使用梁宗宇梁宗宇,郭建涛,刘涤非.基于激光测距的汽车防撞警示系统设计[J/OL].电脑知识与技术,2016,12(07):244-246.P1.0—P1.7(1-8)：其中P1引脚在编程过程中主要做地址线的低8位使用，在传输地址信息时同样需要内部的上拉电阻出于选通状态。P2.0—P2.7(21-28)：P2也是能够进行双向信息传递，并且带内部上拉电阻的引脚。在编程过程中，P2与P1引脚共同做地址线使用，P2引脚接受高8位地址信息。在访问外部存储器时，P2引脚与P0引脚共同做地址线使用，P2引脚输出高8位地址信息胡文贵胡文贵.汽车主动防撞预警执行系统研究[D].吉林大学,2016.P3.0—P3.7(10-17)：P3引脚在本次课题设计中仅用作8位双向I/O接口。STC12C5A16S2概述：STC12C5A16S2是16KFlash的宏晶STC12C5A60S2系列单片机，采用宏晶第六代加密技术，STC12C5A60S2系列单片机器件是1个时钟/机器周期8051单片机，低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰。STC12C5A16S2特性：A.高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快6-12倍李远李远,赵璐.基于单片机的超声波汽车防撞系统设计[J].无线互联科技,2014,(01):89..B.宽电压：；C.增加第二复位功能脚/P4.6；D.增加外部掉电检测电路/P4.6，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM；E.低功耗设计：空闲模式；F.低功耗设计：掉电模式；G.支持掉电唤醒的管脚：INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5RxD/P3.0CCP0/P1.3(P4.2)CCP1/P1.4(P4.3)EX_LVD/P4.6H.工作频率：0-35MHz，相当于普通8051:0-420MHz段斌段斌.汽车自动防撞系统的研究[D].湖北工业大学,2012.I.时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISO下载编程优惠程序时设置；J.16K字节内Flash程序存储器，擦写字数10万次以上；K.1280字节片内RAM数据存储器；L.芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上；M.ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器；N.8通道，10位高速ADC，高速可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用；O.2通道捕获/比拟单元〔PWM/PCA/CCP〕；P.4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2个定时器；Q.可编程时钟输出功能；R.硬件看门狗；S.高速SPI串行通信端口；T.全双工异步串行口；U.先进的指令集结构李海波李海波.智能汽车防撞与报警系统设计[D].济南大学,2012.V.通用I/O口(36/40/44),复位后为：准双向口/弱上拉/(普通8051传统I/O口)可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可到达20mA，但整个芯片最大不得超过120mA。图2.2单片机电路图2.2USR—C322信息传输模块设计信息传输模块选用USR-C322，USR-C322是C32系列的一款高性能模块。该模块是为实现嵌入式系统的无线网络通讯的应用而设计的一款低功耗802.11b/g/n模块。通过该模块，客户可以将物理设备连接到WiFi网络上，从而实现物联网的控制与管理李朋李朋.汽车主动防撞系统控制模式的研究[D].南京航空航天大学,2012.该模块硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元、以及功率放大器；采用TI公司的CC3200芯片方案，内核为工业级ARMCortex-M4内核，运行频率达80MHz；内置超低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运行；支持WiFi协议以及TCP/IP协议，用户仅需简单配置，即可实现UART设备的联网功能。尺寸较小，易于焊装在客户产品的硬件单板电路上。且模块可选择内置或外置天线的应用，方便客户多重选择。模块的具体尺寸为：18.22*26.65*2.80mmSMT封装模块的根本功能描述如下：可工作在AP模式等待其他WiFi设备接入通信，也可工作在STA模式下，接入无线路由器实现通信。具有Socket通信链接，支持TCP/UDP透传、HTTPD、WEBSocket、SSLClient通信，TCP/UDP透传模式下可以设置为TCPServer、TCPClient、UDPServer、UDPClient通信祁炳楠祁炳楠,丁倩.汽车多功能防撞系统设计与仿真[J].计算机仿真,2011,28(10):328-331+348.模块支持UART透传，可使用AT命令任意切换。2.3红外线距离检测模块设计考虑到本次设计中的红外线测距模块的功耗、可靠性和扩展性，本次设计主要的使用M68HC11芯片作为红外线测距模块的核心元件。M68HC11芯片具有电可擦性能，通过M68HC11芯片控制红外线发射电路和红外线接收电路采集的数据信息处理可以由软件控制调整，可以根据不同汽车类型设置不同的平安距离阈值杨磊杨磊.浅谈汽车自动防撞系统开展[J].科学之友,2011,(02):140+142.2.4LCD1602显示模块设计本次课题设计中的方便安装于汽车车身上的红外线距离检测系统中，需要安装一块显示屏，显示屏的面积不需要太大，只要能将汽车车身于障碍物之间的距离清晰地表示出来就可以满足需要，如此的设备我们可以采用字符型的显示屏，已经可以充分满足我们的需要了。本实验中所需要显示的信息仅仅局限于数字、字符等，所以考虑到本系统的经济性和实用性，所以专门为显示字符而设计的字符型液晶显示模块就是本系统的最正确选择。由于不需要精确显示，所以字符型液晶显示系统采用了点阵式结构，通过点阵亮度构成需要显示的字符图形，常用的点阵结构有16字*1行，16字*2行，20字*2行等，本系统选用基于16字*2行结构的LCD1602型号液晶显示模块，此模块不仅性能稳定，经济适用，能够显示检测到的数据以及GPS定位信息，而且具有统一的规格标准，便于更换维护，对该液晶模块的控制也较为容易，可以类比C语言的控制程序，来实现单片机程序编写肖永茂肖永茂.汽车主动防撞系统研究[D].西北农林科技大学,2009.图2.3LCD1602显示器2.5蜂鸣器报警模块设计本设计仅为模拟声光报警系统，在实际应用中还需注意当报警器与单片机相隔很远时，电路中会产生很大噪声等其他不稳定因素，极有可能产生蜂鸣器的工作不正常，因此应根据实际情况，适当对电路进行修改，保证系统的稳定性、可靠性到达最正确孙兆伟孙兆伟.红外激光扫描汽车防撞信号的处理系统设计[D].长春理工大学,2009.图2.4蜂鸣器报警电路图2.6复位电路设计复位方法一般有上电自动复位和手动复位两种方式。当采用自动复位时，一定要注意在单片机复位端REST需要持续输入至少两个机器周期的高电平才能完成复位操作。机器周期的时长随着单片机型号的不同而不同，在本次课题设计中所采用的的单片机机器周期是1US，所以复位高电平持续时间应该至少2US。为了使本系统操作更加方便，本系统也可以采用手动按键复位的方式，复位电路如下列图所示：在复位电路中10UF的电容作用是“隔直流，通交流”，所以在系统正常工作时并没有电流接到复位端，当RST建被按下时，电容被短路，电流经过按键加到复位端上，按键时间超过2US时，完成对单片机的复位操作。松开复位按键后，本系统经过初始化那么可以重新进入工作状态。图2.5复位电路3软件设计3.1设计思路软件设计过程与硬件不同，因为软件是完成人机交互的媒介，所以在设计软件的过程中就要注意软件的可靠性、移植性以及便于维护等特性，一般的设计方法可以分为三步：〔1〕第一，根据系统要实现的功能确定合理的程序结构：在对复杂系统进行编程时，只有充分分析系统的功能和系统的特点，才能根据系统的固有属性找到最适合的算法。〔2〕第二，做详细的程序流程图：程序流程图是编写程序代码的主要思路，只有思路清晰才能写出可靠的程序。〔3〕第三，编写代码：在程序流程图的引导下，根据程序的语法结构编写正确的代码，并在编写过程中注意注释方便后期维护检查刘岩川刘岩川,王玲芬,栾慧,丁洪影.基于激光测距技术的汽车防撞系统的研究[J].仪表技术与传感器,2008,(11):96-98.设计程序本身就是一个复杂的工作，尤其是在系统功能较多的时候，程序代码过长，在编写过程中极容易出现错误，而且不容易维护。为了化简主程序，减少主程序中的分支和跳转指令，在本次课题设计中采用了模块化程序的方式，将系统成为分为延时程序、初始化程序、显示程序、监测程序等程序模块，在程序编写过程中调用相应的子程序，从而减小主程序的篇幅，提高程序的可读性。3.2主程序设计软件主要三个方面：一是初始化系统；二是按键检测；三是数据采集、数据处理并进行显示。这三个方面的操作分别在主程序中来进行。程序采用模块化的结构，这样程序结构清楚，易编程和易读性好，也便于调试和修改。系统上电后，初始化程序将RAM的30H～5FH内存单元清零，P3.0引脚置成高电平，防止误报警王世康王世康,潘炜,陈静,李健,黄保家.汽车防撞系统高速激光脉冲收发回路的实验研究[J].光电子.激光,2008,(05):656-659.主程序模块主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各模块〔子程序〕，程序设计流程图如图3.1所示。图3.1系统主程序结构框图在本系统的终端监测子系统局部应该完成的根本功能有：数模转化、定/计时器计时、串口间信息交换、I2C通信程序设计等五个主要的局部，按照本次课题设计采用的模块化程序设计思路，在终端程序中将这五个局部分别设计成子程序，供终端主程序调用。终端的主程序大致流程为：第一步对终端主程序中变量进行初始化，对单片机进行上电复位操作，初始化后从主程序的第一条语句开始执行指令。主程序开始执行后依稀检查各个标志位，检查到中断标志时会，检查各个终端的优先级，然后自动跳转到相应的中断效劳程序，也就是执行不同模块的子程序。3.3A/D转换启动及数据读取程序设计A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如下图。图3.2AD转换子程序设计流程图3.4显示子程序设计显示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。而显示子程序是其他程序所需要调用的程序之一，因此，显示子程序的设计就显得举足轻重，设计的时候也要十分的小心和卖力。本设计含有总价显示程序和数据录入显示程序。设计显示子程序的流程图如下列图所示：图3.3显示子程序流程图3.5测距子程序设计车身自带红外线发送和接收装置，用于实时发送和接收红外线，并将发送红外线和接收红外线反射光之间的时间差和接收到的红外线强度转化为电信号，以供处理器分析处理，得出实时测距结果陈勇陈勇,黄席樾,杨尚罡.汽车防撞预警系统的研究与开展[J].计算机仿真,2006,(12):239-243.设计测距子程序的流程图如下列图所示：图3.4测试子程序设计3.6距离过近报警子程序设计为了到达实时监测汽车车身于障碍物至今的距离的目的，要预先在程序中设定“阈值”，当当监测模块监测到距离低于平安值时，通过发出警报声，或者警报光提示使用者。具体实现警报的方法为：距离过近时，程序将P3.0引脚置为1，即输出高电平，点亮二极管或者驱动蜂鸣器。图3.5距离过近提示子程序框图3.7无线数据传输子程序设计在软件解码无线数据传输系统中,解码的核心是单片机,电路极为简单,无须外围器件。它接收解调出的串行二进制码,在内部根据本系统的无线数据传输信号编码格式将串行码对应成发射电路上的按键,便于利用,易于兼容,当发射模块的类型不同时只需对程序稍加改动即可。本软件的主要任务是在单片机STC12C5A60S2的控制之下完成数据的正确传输呼延吉呼延吉.基于嵌入式系统的汽车防撞预警系统的研究与开发[D].长安大学,2006.编码的关键是正确地发送“0”和“1”。从上文中描述的基于字节传输的无线数据传输数据格式中可以看出“0”是由一个脉冲的高电平和两个脉冲的低电平组成的，而“1”是由一个脉冲的高电平和一个脉冲的低电平组成的。通过这个不同点我们便可以设计出发送“0”和发送“1”的程序。在发射局部，首先要判断是否有按键被按下，如果有，就必须根据按键的键值，利用单片机对按键进行编码，得到相应的码型后，将其发送到发射模块的数据输入端。在发送之前，要将无线数据传输发射模块的使能控制端口置1应世杰应世杰.高速公路汽车防撞预警系统的开发研究[D].长安大学,2005.编码的过程为：首先发送5个脉冲的高电平和5个脉冲的低电平作为发送信号的起始位。根据要发送的信号码一个一个地将其发到发射模块的数据输入端。即如果第一个要发送的信号码为“1”，那么就发一个脉冲的高电平和一个脉冲的低电平到发射模块的数据输入端。然后将信号码进行移位，发送下一位数据，直到发送完8位信号码。当发送完信号码之后就去检测是否有键被按下，如果有键被按下，那么就重复以上的过程。如果没有，那么就不断发送这一个带起始位的信号码。图3.6波形脉冲4调试与总结本次课题研究完成主程序设计和模块电路连接后，采用labview虚拟仪器进行仿真调试，分别模拟汽车同向、反向以及多个汽车同时相汇的实际场景，检验显示器显示的距离值是否和实际值在无差允许范围内相同。本次课题研究所设计的汽车防撞主控系统经过微调后，根本可以满足应用要求，能够实时显示车身与障碍物之间的距离，并能在距离低于平安值时发出报警。致谢光阴似箭，岁月如梭。转眼大学生活已经接近尾声，回想在校时光，心中有太多的不舍与感谢。