【基于AT89C51单片机的电动车智能防撞系统设计8100字（论文）】

基于AT89C51单片机的电动车智能防撞系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u1325017299摘要 1738070751第1章任务分析 316632567381.1电动车事故分析 36870497541.2电动车安全安全装置种类 32727179501.3电动车的车速限制 34330558151.4电动车的控制器 315993781161.5系统整体设计思路 412039254381.6开发工具选择 513647112791.6.1软件开发环境 55372096681.6.2硬件开发环境 5952872581第2章测距装置设计 618709872962.1激光雷达 65865172202.2CCD 63322623322.3红外线测距 616227501012.4超声波测距 66537395992.5毫米波测距 7414182729第3章硬件电路设计 82231885173.1AT89C51单片机控制芯片 810315823793.1.1AT89C51简介 812653665953.1.2AT89C51单片机的主要特性 811769771813.1.3AT89C51单片机的功能特性 82343014523.1.4AT89C51的管脚说明 8738036873.1.5AT89C51的引脚 107683228053.2ECU系统组成部分 101611234803.2.1复位电路 1111507354263.2.2晶振电路 117196540103.3电机电源电路 1119859091673.3硬件电路图 121077368494第4章软件的设计1模块设计 1411634428184.1.1超声波测距模块 141802784614.1.2电机减速模块 148051133434.1.3报警模块 146792159084.2系统软件流程设计5章结论 161077831293参考文献 171112271723附录1测距的程序录2单片机主程序 21PAGE\*ArabicPAGE\*Arabic9摘要设计一款基于AT89C51单片机的智能防撞系统。该控制系统以AT89C51单片机为控制集层单元，外接超声波雷达传感器，蜂鸣器，控制电机。超声波雷达传感器负责采集与障碍物之间的距离。完成监测距离的同时，还要反馈单片机，然后通过单片机控制电机转速和刹车，当距离很近时，通过蜂鸣器提示，并控制刹车，降低电机转速，实现了对车辆的控制，防止了与障碍物相撞，为人提供了生命保障，减少了车祸发生。本文主要介绍了防撞系统硬件的选用，流程图，电路图和仿真图以及单片机的控制代码。关键词：AT89C51单片机；超声波雷达传感器；蜂鸣器第1章任务分析1.1电动车事故分析随着科学技术的快速进步，电动车行业发展也发展迅速，然而现在市场上的电动车功率越来越强，速度越来越快。但是电动车本身的安全性能却没有显著提高又因为其速度偏高，加上电动车的硬件问题，没法在行驶中快速的停车。从而造成人员的伤亡和生命财产的损失，成为社会问题。因此设计一种自动控制装置，实现主动避免碰撞危险，提高电动车的安全性。1.2电动车安全安全装置种类电动车通常使用刹车进行制动，刹车又分为碟刹、鼓刹、抱刹车。1、碟刹：主要靠液压传动，刹车阻力臂较大，刹车效果好，但由于成本较高，一般都使用在高档车。2、鼓刹：主要依靠机械传动，相较于碟刹来说刹车阻力臂小，价格低廉，刹车效果还可以。3、抱刹：与鼓刹相同主要依靠是机械传动，刹车阻力臂相差不多，在开始的时候，在电动车的使用较为广泛普遍使用它，但由于刹车是会发出尖锐的噪音，使人们受不了，已经为市场所淘汰。4、EABS电子刹车：当前市场上，电动车主要采用的是EABS电子刹车，主要的工作原理是根据无刷系统的电子换向进行编程，实现控制电机转变不同的运动状态。它的系统包含了两套不同的驱动程序，分别适用于不同的情境，一套适用于电机的正常状态，控制电动车刹车断电。另一套则不同，具有自主控制性，是电刹控制程序，在具备信号时，程序在断电时还会启动电机反转，迅速达到制动的效果。1.3电动车的车速限制根据国家规定，电动车行驶过程中车速不得高于25km/h，电池电压在36伏以下，功率在400瓦以下REF_Ref4887\r\h[1]。因为电动车行驶过程中如果车速过快，则很容易导致交通事故的发生，当车速过高时，对骑手反应时间的要求就非常高，同时刹车距离与低车速相比肯定是延长了，这就会增大事故发生的机率，造成生命危险。1.4电动车的控制器电动车的控制器部分是电动车的最重要的部分，控制着电动车的电动车电机的启动、进退、速度、停止以及电动车的其他电子器件。它必须具有11大功能。如表1所示。表SEQ表\*ARABIC1电动车功能功能功能解释自检功能上电状态时，控制器就会自动检测与之相关的接口状态，比如转把，刹把或者其他外部的开关，一旦有紧急情况，它就会自动开启保护，保障骑行者的安全，故障排出后他就会自动恢复[2]限速功能按下限速开关，电动车智能不超过20km/h的速度行驶。速度调节可以调节车速的加、减速。限流保护电机在转速为零时，会仍然产生扭矩会发生堵转，堵转时的电流会非常的高，远远超出额定的电流。一旦时间过长就会烧毁电机。因此需要限流保护。欠压保护当控制器电压降到欠压值时，应该让电机不工作，这样可以避免短暂的运行振荡刹车断电在刹车时，刹车信号通过线路传递给控制器，会自动关闭输出，停车防飞车功能现在防飞车功能几乎每个电动车都会有，可以大大提供安全性能。巡航功能可以把把电动车定在某个速度，放开转把，速度会保持不变的，一旦采取措施，状态会自动解除。助力功能就是在爬坡的时候可以助一下力，或者是在刚刚起步时助力，强制用电一下。防盗功能防盗功能;车子在防盗状态下，电机受到外力转动或者自身受到外力时，车子会发除报警，并且锁死电机[3]。反充电功能电动车在刹车、减速、下坡滑行时控制器将电机产生的能量反馈给电池，起到充电的效果，延长了电池的使用效果，增加了续航REF_Ref6801\w\h[4]。然而它却没有当电动车距离障碍物近了时候自动刹车，一旦电动车离障碍物很近的时候，骑手稍微不注意就很容易发生碰撞。现在的年轻人大部分都边骑着车边玩手机，注意力不集中，很容易造成交通事故。所以基于此，要设计一个防碰撞安全系统。1.5系统整体设计思路设计一个智能辅助系统，系统原理如图1。刹车刹车蜂鸣器电机障碍物距离传感器微处理器图SEQ图\*ARABIC1系统原理单片机发射声波命令，超声波接收此命令并发射声波，如果前方有人或车，则声波会反馈到接收器，并且发回单片机接收，然后通过微处理器开始控制电机转速变慢，刹车系统启动，使车辆开始减速，当很近的时候扬声器开始报警。系统由微处理器作为控制单元，距离传感器、蜂鸣器、电机、刹车等构成。微处理器发射测距命令，距离传感器接收此命令并发射信号，如果前方有人或车，则信号会反馈到距离传感器，并且发回微处理器接收，然后通过微处理器开始控制电机转速变慢，刹车系统启动，使车辆开始减速直至停止，同时蜂鸣器开始响。其中信号采集通过AD引脚被读取，采集范围为0~255，0表示检测不到障碍物，255表示距离物体很近。所以可以通过他的数值大小变化来判断与障碍物之间的距离。1.6开发工具选择1.6.1软件开发环境C语言是一种通用的语言，几乎所有的大型软件都是用C语言编写的，几乎想到的能用机器实现的事情，都能用的到C语言。C语言是一种面向结构的编程语言，它有很多优点；例如内容结构紧凑、简洁，运用起来非常灵活方便。运算类型非常丰富，能轻易的使用各种符可以实现，这是其他高级语言所不能有的；数据结构类型很丰富，各种各样的复杂数据的运算都可以，并且还引入了指针概念，更加使得程序运行效率提高很多REF_Ref7183\r\h[5]；没有严格的语言限制；还可以直接访问物理地址，实行对硬件的操作；生成的程序代码质量很高，程序执行效率快等等。所以选用C语言进行软件的编程。使用C语言编写单片机代码不二之选就是Keil，Keil是一款兼容单片机C语言软件开发系统。KeilC51生成的代码效率非常高而且很容易理解。1.6.2硬件开发环境Proteus具有原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真、还可以进行互动的电路仿真，可以仿真51系列、plc等常用的主流单片机，具有非常的电子设计开发环境，因此本设计选用了Proteus软件进行电路仿真。第2章测距装置设计在设计电动车防撞系统的过程中，雷达是不可忽视的。此时防撞雷达就相当于汽车的眼睛，主要的作用就是判别道路上多个目标，预测前方的车辆行驶状态，提前预警可能会发生的危险，提示潜在的安全威胁。尤其在天气状况较为恶劣时，防撞雷达依然保持非常灵敏且安全的状态，对于人眼的辅助起到非常大的帮助。目前，在我国的电动汽车领域雷达测距已经作为非常实用且有效的工具广泛应用于各个方面，包括激光测距、红外线测距、超声波测距等等。2.1激光雷达激光雷达是光学类探测系统中的一种测量技术，主要是通过激光三角原理实现位移、非接触式位置的测量。工作结构原理；激光雷达系统是一种被动雷达发射系统，是一种主动雷达传感器，它通常是以点线或云形式对雷达数据进行发射。它的工作范围主要是集中在红外和紫外之间，它主要由以下几个部分组成：发射机、接收机、测量电路控制、电源等等。它的工作原理就是雷达传感器会向目标发出激光，随后等待反射的信号回到激光发射机，并记录这段时间的时长以及反射回来的信号的强度和频率等参数，这样就可以知道目标在哪个位置以及目标正在往哪个方向运动。此外，雷达传感器还可以对大气中的悬浮微粒的变化情况进行测量。激光雷达正是通过了解目标的位置、形状和状态来对目标进行探测、识别和跟踪的REF_Ref7522\r\h[7]。2.2CCD电荷电子耦合元件是半导体器件简称称为CCD。CCD能把各种光学影像转换成模拟电流信号。它具有分辨率高、杂音小、准确度高等多个优点，但同时也存在成本较高且易受干扰的缺点，这也就导致目前在汽车领域还未得到广泛的使用。2.3红外线测距红外线测距主要的工作原理是依靠发射和接收信号的时间差来计算目标距离。这种测距方法具有很多的优点，诸如成本低廉、测距较远以及需要的发射角度较小等。因此，它也常常被用在军事上作为千米测距的仪器使用REF_Ref10546\r\h[8]。2.4超声波测距超声波的频率是超过了20000HZ的，超声波具有强大的穿透力、具有强大的能量、并且它的波长很短，频率很高。超声波雷达就是利用超声波来对目标进行探测的，它能够完成发射、接收、处理这些功能。在雷达开始工作之后，发射器会发出很多的脉冲，当信号碰到障碍物之后，就会被反射回来，接收器就会进行接收，最后再对这些信号进行一定的处理，这样就能够知道雷达和障碍物两者间的距离。用超声波测量距离的原理是非常简单的，而且成本也不高，不过它也有一定的缺陷，那就是传输过程当中容易受到外界的影响，导致灵敏度不高，当距离非常远的时候，这一方法就不太使用了。超声波测距仪的使用范围大都是短距离测距的REF_Ref8643\r\h[9]。2.5毫米波测距在往前方发射三角波信号之后，反射回来的信号就会被天线接收，随后在经过电路放大之后，就会产生一个差频信号，利用差频信号再对该信号进行一定的处理之后就能够计算出两者间的距离。雷达中最具代表性的非毫米波雷达莫属，它的测量是一种在频谱中通过1~10毫米和频率为30吉赫~400吉赫的毫米波进行测量的方式REF_Ref8505\r\h[10]。表SEQ表\*ARABIC2不同雷达参数对照表毫米波红外线激光CCD超声波黑暗穿透力极好极好极好好极好全天候穿透力极好差差差差成本较高一般低高低信号处理成本一般低一般高低气候影响小大大大小技术要求高一般一般高低通过对表2的综合分析，在电动车防撞系统的研究中，由于电动车的成本和速度的限制，在4.5米左右内，人可以作出反应所以选用超声波雷达测距。本次设计的雷达测距传感器电路图如图2所示图SEQ图\*ARABIC2测距雷达传感器第3章硬件电路设计3.1AT89C51单片机控制芯片3.1.1AT89C51简介AT89C51单片机是一款8位的微型计算机，它的功能较为强大，并且消耗的能量低。闪烁存储器，它由一个可擦可编程只读存储器EEPＲOM技术相结合的产物。既具有可擦可编程只读程序存储器技术一样的可编程控制能力，同时它的程序存储器是属于上电即可擦除的，而且它的访问速度也很快，正是这些原因使得C51单片机工作可靠且运行速度快，即使没有电也不会丢失，在价格和性能方面都具备较大的优势。它可以兼容51单片机内部的所有指令，它还具备的一个优势就是单片机在对数据存储器编辑时既可以使用编译功能也可用常规编程器编程。EEPROM的写入和擦除时间都非常短，相比较其它系统而言，这个速度是非常快的，这就展现了C51单片机的强大之处REF_Ref11787\w\h[11]。3.1.2AT89C51单片机的主要特性它可以兼容MCS-51，内部的FLASH存储器的大小是4K字节的，同时有32个I/O口，还有两个定时器/计数器，这两个定时器都是16位的，内部的数据可以在其中保留10年的时间REF_Ref11882\w\h[12]。它在全静态工作时的频率处于0-24MHz，内部还包含数据存储器和程序存储器。此外，它的内部还有5个中断源，同时还包含了串口、时钟电路、复位电路等等。3.1.3AT89C51单片机的功能特性AT89C51包含了如下功能：4字节的Flash存储器、数据存储器和程序存储器、4组共32个I/O口、定时器和计数器、两个中断、用作通信的串口、复位电路、时钟电路等等REF_Ref12124\w\h[13]。与此同时，AT89C51还可以进入到静态逻辑操作状态，同时它能够在两种节电工作模式当中自主进行选择。在空闲工作方式时，CPU是已经停止了工作的，不过它允许其它的部分进行工作，比如定时器计数器、串口和中断等等。3.1.4AT89C51的管脚说明P0口：有八个I/O口，它们都是漏极开路的，每个管脚都可以吸收TTL门电路。给P0口写入1之后，P0口就被定义成了高阻输入状态了。当这组I/O口用作程序存储器的时候，它就能够接收数据的低八位。在进行FLASH编程时，P0口是用来输入原码的，在对FLASH进行校验时，P0口外部接上上拉电阻之后就可以对原码进行输出。P1口：P1口也一共有八个I/O口，这八个I/O口当中都带有上拉电阻，可以用来接收TTL门电流。给P1口写入1之后，P1口管脚的电位就会通过上拉电阻拉高成高电平，此时就可以用作输入REF_Ref870\w\h[14]。当P1口变为低电平的时候，P1口内部拉上电阻能够从中输出电流。P1口在进行FALSH编程时可以接收地址的低八位信号。P2口：P2口也一共有八个I/O口，这八个I/O口当中都带有上拉电阻，可以用来接收TTL门电流。给P2口写入1之后，P2口管脚的电位就会通过上拉电阻拉高成高电平，此时就可以用作输入。在作为输入的时候，P2的管脚会变成低电平，此时就会从管脚当中输出电流，这都是内部上拉电阻带来的。当把P2口用作外部程序存储器时，它就能够对选中地址的高八位进行输出。在给地址写入1时，P2口就会通过上拉电阻，对数据存储器进行相应地读写操作，P2口也能将它的特殊功能寄存器当中的内容传输出来。P2口在进行FLASH编程时可以接收地址的高八位信号。P3口：P3口一共包含了8个I/O口，并且它们的内部都带有上拉电阻，可以用来接收发送数据。当给P3口置为高电平时，内部的上拉电阻就会将其拉高，就可以用作输入端口。P3口第二功能，如表2表2功能表P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入输出端，可以使用石晶振荡或者陶瓷振荡把这个反相放大器配置成片内振荡器，在本次设计中，采用的是石晶振荡。如果使用外部时钟源对器件进行驱动，XTAL2就不需要连接。如果使用的是其它信号输入到内部，那就需要有一个二分频触发器，这时只要保证脉冲的高低电平宽度符合要求就行，对时钟信号的脉宽是不做要求的REF_Ref12434\r\h[15]。3.1.5AT89C51的引脚图SEQ图\*ARABIC3AT89C51引脚图3.2ECU系统组成部分由于AT89C51的各种特性和性能，使用AT89C51构成一个最小系统，该系统的电路如图4所示。图SEQ图\*ARABIC4最小系统图3.2.1复位电路复位电路时一种使电路恢复到原始状态的装置。如图5所示。图SEQ图\*ARABIC5复位电路因为AT89C51单片机需要高电平复位。当整个电路处于一个平稳状态时，10uF的非电解电容起到了隔离电流的作用，电源电压为5V，上方的复位键是弹起的状态，左边部分电路没有产生电位差，因此RST电压为零。电容C3进行充电，负离子往左移动，正离子往右充电，这个时候电容相当于一跟导线，电压全部加在了R5电阻上，随着电容充电越来越多，快充满电的时候电流就会很小，一直到电容全部充满时，就不会产生电流了，这个时候RET和EA电位也就相等了。当复位键按下之前，RST的电压为0V，当按下按键后电路导通，同时电容也会在瞬间进行放电，RST会处于高电平复位状态。当松开按键后就和上电复位类似了，先是电容充电，后电流逐渐减小直到RST电压变0V的过程。按下按键的时间通常都会有几百毫秒，这个时间足够复位了。按下按键的瞬时，电容两端的电压会被接通，此刻会有一个瞬间的大电流冲击，产生了局部范围内的电磁干扰，为了抑制这个干扰，在电回路中串入一个10欧的电阻来限流。3.2.2晶振电路图SEQ图\*ARABIC6振荡电路AT89C51单片机的处理速度是由晶振的振荡频率来决定的，频率越大处理速度越快，所以晶振频率11.0592MHz。3.3电机电源电路由于单片机电源电路来自于电动车里的电路36V，而单片机需要的是5V，所以需要设计一个转换电路，如图7所示。图SEQ图\*ARABIC7电源转换电路3.3硬件电路图根据要求设计了外围电路，使用的元件如表3所示，其连接关系如图8所示。图SEQ图\*ARABIC8硬件电路图表3使用的元件列表元件名称参数数量（个）单片机AT89C511电阻10k3电容33uF2扬声器5V1超声波测距HCSR041双极管NPN1电阻器包RP11晶体管ULN2003A1非电解电容10uF2电压调节器10A1调节变阻器5K1电阻100Ω2第4章软件的设计4.1模块设计4.1.1超声波测距模块障碍物障碍物超声波接收器AT89C51超声波发射器图SEQ图\*ARABIC9测距流程图流程图如图9所示：AT89C51发射声波命令，超声波接收此命令并发射声波，如果前方有人或车，则声波会反馈到接收器，并且发回AT89C51接收，这个过程所需要的时t。根据公式：d=可以得出车辆与电动车之间的距离，程序见附录1。4.1.2电机驱动模块保持原状态保持原状态开始初始化获取距离是否避障调节PWM值执行完毕YN图SEQ图\*ARABIC10电机驱动流程图电机驱动流程图如图10所示：系统开始，获取距离，当车辆与障碍物之间的距离是否需要躲避障碍时，如果需要躲避障碍时，就调节PWM值，使电机减速。如果不需要，就保持原状态。完成后继续循环系统。4.1.3报警模块YYN开始获取距离<报警距离？蜂鸣器报警蜂鸣器不报警结束图SEQ图\*ARABIC11蜂鸣器报警流程图报警流程图如图11所示：系统开始，获取距离，是否达到报警距离当距离，如果小于报警距离，蜂鸣器就会报警。如果达不到报警距离，蜂鸣器就不会报警。然后一直循环系统。4.2系统软件流程设计YYYY流程图原理：系统开始，对单片机进行定义，进行系统初始化，开始执行命令，获取当前距离，然后进行距离判别：如果距离大于450厘米，则系统报警器不会报警，开始循环，如果小于450厘米，则系统开始进行下一个循环。当距离在200~450cm之间时，电机开始减速，同时报警器不会报警，继续循环系统。当距离在在于50~200cm时，则电机减速，同时报警器开始报警，继续循环系统。一旦距离小于50cm时，就会启动刹车，电机开始断电，程序结束。只要车辆与障碍物距离大于50cm，电源供电，这个系统会一直循环往复执行下去，系统软件使用C语言进行编程，程序见附录2，其流程图如图12所示。否否·是S系统初始化获取当前距离大于450大于200大于50启动刹车电机减速1电机断电扬声器报警关闭报警电机减速2ETT图SEQ图\*ARABIC12程序流程图第5章结论本次设计的电动车安全控制系统，能够根据自身与障碍物自动的调节车速，可以使电动车车速自动改变，降低车祸的发生率，保障骑行者生命安全。通过对图8的电路进行仿真可知：电机加速需要人为去转动握把去加速，超过4.5米就不会减速。当车辆距离障碍物相差4.5米之内时，电机已经开始减速，而且在0.5五米内，电机的转速停止，刹车系统启动，实现了设计要求。扬声器在车辆距离障碍物2米内时，扬声器开始报警，2米外不报警，符合设计要求。参考文献徐倩.GB17761-2018《电动自行车安全技术规范》解读[J].中国质量技术监督,2019(03):61-63.付曼娜.浅议电动车控制器的功能与改进[J].南方农机,2019,50(11):211.刘亚荣,谢晓兰,覃偲芸.新型电动车防盗报警系统设计[J].现代电子技术,2020,43(19):152-154.张曹兵.基于PMSM两轮电动车控制器的设计与研究[D].东南大学,2019.叶晓龙.51单片机C语言编程技巧探讨[J].信息与电脑(理论版),2019(04):66-67.苏小红,王宁颖,孙志岗.C语言程序设计[M].北京:高等教育出版社,2017.宁万龙.计算机中C语言的应用特点分析[J].造纸装备及材料,2020,49(01):83.郭东晖.汽车行驶中防碰撞智能控制系统设计[D].兰州交通大学,2018.罗宁,李柏年,杨昊,张时杰,张思睿,刘承桥.基于红外测距传感器的倒车雷达系统设计[J].价值工程,2013,32(20):244-245.王慧文.基于驾驶员反应特性的纵向防碰撞预警系统[D].吉林大学,2018.刘娇璇.基于80C51单片机的干式变压器温度控制系统设计[J].变压器,2013,50(01):30-32.刘鑫,刘浩,王昊,王嘉雯,何依婷,马羿杨,龚浩然.基于AT89C51单片机的轮胎过热温度报警器[J].科技风,2020(34):24-25.邹显圣．单片机实用接口技术[M].大连:化学工业出版社,2020孙宝法.单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2014.李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2017.附录1测距的程序include<reg52.h> //包含8051内部数据资源的形式定义#include<intrins.h>#include"sr04.h"unsignedcharerrorflag=0;sbitTRIG=P1^6;sbitECHO=P1^7;voiddelay_ms(unsignedintn){unsignedinti=0，j=0;for(i=0;i<n;i++)for(j=0;j<123;j++);}voidTime0_Init(void)//定时器0配置函数{ TMOD|=0x01; TH0=0; TL0=0; ET0=1; TR0=0; EA=1;}voidTimer0Interrupt(void)interrupt1{ TH0=0; TL0=0; if(errorflag==0) { errorflag=1; TR0=0; }}voidultrasonic_init(void)//超声波初始化函数{ Time0_Init(); TRIG=0;}voidStartModule(void)/开始模块，根据手册得知将TRIG拉高20us左右{ unsignedchari=0; TRIG=1;while(20!=i++) _nop_(); TRIG=0; TH0=0; TL0=0;}unsignedintConut(void)//计算距离的函数{ floattemp; unsignedints，time; time=TH0*256+TL0;temp=(time*1.7)/100; s=11+temp+0.5; returns;}unsignedintultrasonic_distance()//，通过测量高电平的时间来得到就可以计算出两者间的距离，计算公式就是：距离=高电平时间与声速的乘积最后在除以2/{ staticunsignedints; unsignedinti=0; StartModule(); while(!ECHO); TR0=1; while(ECHO) { i++; if(i>10000)returns; } TR0=0; s=Conut(); returns;// delay(80);}超声波初始化函数#ifndef_SR04_H_#define_SR04_H_sbitbeep=P2^0;voidultrasonic_init(void);//超声波初始化函数unsigned