《基于单片机的电动车安全系统设计》7500字（论文）

PAGE\*Arabic9基于单片机的电动车安全系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u19599摘要 41948第1章电动车 675721.1电动车事故分析 6239421.2电动车安全控制系统种类 6288151.3电动车的车速限制 6300881.4电动车的控制器 7185071.5编程语言 759321.6系统整体设计思路 820606第2章雷达测距传感器 1081第3章单片机的选用 13134223.1单片机控制芯片 1321863.2AT89C51单片机的主要特性 13187713.3AT89C51单片机的功能特性 13256783.4AT89C51的管脚说明 14320703.5AT89C51的管脚 15119883.6ECU系统组成部分 1613882第4章软件的设计 17224094.1系统软件流程设计 17271424.2电路图 17144694.3系统测试 1916276第5章总结与展望 211394参考文献 2219116附录一 23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：AT89C5单片机；超声波雷达传感器；蜂鸣器第1章电动车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。造成人员的伤亡，和生命财产的损失，也会造成交通问题，给自己和他人造成不变，醉酒后驾驶电动车的人很多，最容易引发交通事故，因此设计了一种自动控制方法，是主动避免碰撞危险，使之提高电动车的安全性1.2电动车安全控制系统种类老式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可以说是电动车的大脑，它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.1、自检功能：控制器只要在上电状态，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REF_Ref6099\r\h[2]。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。3、速度调节：可以调节车速的加、减速。4、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。5、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6、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7、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。8、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。9、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10.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REF_Ref11549\r\h[3]。11、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。1.5编程语言

C语言是一种通用的语言，是一种面向结构的编程语言。优点：1、简洁紧凑，灵活方便。C语言一共只有32个关键词，9种控制语句，程序书写很自由，主要有小写字母表示。它能够把高级语言的基本结构和语句和其他的语言相结合起来REF_Ref7062\r\h[4]。2、运算符丰富。C语言的运算类型非常丰富，可以灵活使用各种符可以实现，这是其他高级语言所不能有的。3、、数据结构丰富。类型有:整型、实型、字符型、数组类型、指针型、结构体类型、共用体类型等。能够运用各种复杂的数据类型的运算，还引入了指针概念，使得运行程序效率更高REF_Ref7183\r\h[5]。4、语法限制不太严格，设计自由度大。5、C语言可以直接访问物理地址，可以对硬件进行操作。6、生成的程序代码质量很高，程序执行效率快。7、适用范围大，可移植性好。C语言一个很好的优点就是适用于多种操作系统REF_Ref7349\r\h[6]。1.6系统整体设计思路设计一个智能辅助系统，系统框图如下图1。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AT89C51开始控制电机转速变慢，刹车系统启动，使车辆开始减速，同时扬声器开始响。超声波发射器超声波发射器器超声波接收器障碍物AT89C51单片机刹车扬声器电机图SEQ图\*ARABIC1系统框图系统由AT89C51作为控制单元，超声波雷达传感器，蜂鸣器，电机刹车等构成。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AT89C51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，同时扬声器开始响。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表示我们距离物体很近。所以我们可以通过他的数值大小变化来判断与障碍物之间的距离。第2章雷达测距传感器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。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]。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。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]。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]。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。在往前方发射好了三角波信号之后，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，我们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]。不同雷达参数对照表1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1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5米左右内，人可以作出反应所以选用超声波雷达测距。这次设计的雷达测距传感器电路图如图2所示图SEQ图\*ARABIC2第3章单片机的选用3.1单片机控制芯片AT89C51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进行编辑时可以不断使用编译功能，也可用一个常规的可擦可编程只读存储器编程器编程。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。此外，所提供的AT89C51两种方式:静态逻辑，另一模式省电模式。AT89C51芯片其他优点如下:能够兼容51单片机，内部有一个4K字节大小的程序存储器、全静态管理工作、两个16位定时/计数器、可编程使用时的串行控制数据通道等REF_Ref11787\r\h[11]。3.2AT89C51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\r\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。3.3AT89C51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\r\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。工作在掉电方式时，能够将RAM当中的内容保存下来，不过振荡器是没有在继续工作的，只有当接收到了复位信号的时候，这部分才能够继续正常工作。3.4AT89C51的管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口一共有8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。我们给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_Ref12284\r\h[14]。当P1口变为低电平的时候，P1口就能够从中输出电流，这也是内部上拉电阻带来的。在进行FALSH编程时，P1口可以接收低八位的地址。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。当我们把P2口用作外部程序存储器时，它就能够对我们选中地址的高八位进行输出。在我们给地址写入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。当我们给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2P3.0RXD（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，我们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，我们采用的是石晶振荡。如果我们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，这时我们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]。3.5AT89C51的管脚图SEQ图\*ARABIC3管脚图3.6ECU系统组成部分由于AT89C51的各种特性和性能，我们使用AT89C51构成一个最小系统，该系统的电路如下图所示。图SEQ图\*ARABIC4最小系统图第4章软件的设计4.1系统软件流程设计系统软件使用C预言进行编程，因为C语言有通用性和普遍性，设计主要过程如是是是是否·是是否·否·否·开始系统初始化获取当前距离是否小于500是否小于200是否小于50结束电机减速电机为零扬声器报警关闭报警图SEQ图\*ARABIC5流程图超声波发射声波并接收到回来之间的距离，根据公式(C是表示超声波的传播速度，他跟光速相等，t则是超声波传递的时间）来得到两者间的距离。如果小于5米AT89C51单片机控制电机降低转速，当距离障碍物小于2米时，扬声器开始报警，当与障碍物之间小于0.5米时，电机停止，扬声器继续报警。4.2电路图根据要求我利用proteus设计了完整的电路图，如图6图SEQ图\*ARABIC6电路图表3使用的元件列表元件名称参数数量单片机AT89C511按钮1电阻10k4电容33uF2扬声器1超声波测距1双极管NPN1电阻器包RP11晶体管ULN2003A1表SEQ表\*ARABIC34.3系统测试通过图7仿真电路图可以看出设计达到了要求图SEQ图\*ARABIC7仿真电路图通过仿真得出了电动车与障碍物之间的距离与·电机转速的关系并用了MATLAB画图，如图8所示图SEQ图\*ARABIC8matlab仿真图程序如下>x1=[54.543.532.521.510.50.3];y1=[310280250210190175160140110800.3]>>figure(1)>>plot(x1,y1)第5章总结与展望通过这次设计让我明白了单片机的原理与接口技术，单片机很多零件，特别在控制领域几乎都离不开单片机，51单片机在很多领域都有涉及，比如机械领域，电器领域等等。本次论文用AY89C51单片机完成了电动车安全控制系统的设计，由单片机和超声波距离传感器完成了对电动车在遇到障碍时对电机速度的控制，完成了避让。让我的知识更加丰富，也知道了自己知识的不足，丰富了自己。这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，降低了车祸的发生率，自身生命得到保障。这次设计还有些不足，本文中电动车防撞系统在仿真软件中运行成功，由于受自身知识的不足和时间的限制，造成实验结果有些不理想，有些误差，以后我会继续丰富自己的知识储备量，完善自己。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，杨昊等．基于红外测距传感器的倒车雷达系统设计［J］．价值工程，2013。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.附录一单片机的启动文件为AR,AINCDPTRDJNZR7,XDATALOOPDJNZR6,XDATALOOPENDIFCCDATA0E0HBDATA0F0HSPDATA81HDPLDATA82HDPHDATA83HNAME?C_STARTUP?C_C51STARTUPSEGMENTCODE?STACKSEGMENTIDATARSEG?STACKDS1EXTRNCODE(?C_START)PUBLIC?C_STARTUPCSEGAT0?C_STARTUP:LJMPSTARTUP1RSEG?C_C51STARTUPSTARTUP1:IFIDATALEN<>0MOVR0,#IDATALEN-1CLRAIDATALOOP:MOV@R0,ADJNZR0,IDATALOOPENDIFIFXDATALEN<>0MOVDPTR,#XDATASTARTMOVR7,#LOW(XDATALEN)IF(LOW(XDATALEN))<>0MOVR6,#(HIGH(XDATALEN))+1ELSEMOVR6,#HIGH(XDATALEN)ENDIFCLRAXDATALOOP:MOVX@DPTIFPPAGEENABLE<>0MOVPPAGE_SFR,#PPAGEENDIFIFPDATALEN<>0MOVR0,#LOW(PDATASTART)MOVR7,#LOW(PDATALEN)CLRAPDATALOOP:MOVX@R0,AINCR0DJNZR7,PDATALOOPENDIFIFIBPSTACK<>0EXTRNDATA(?C_IBP)MOV?C_IBP,#LOWIBPSTACKTOPENDIFIFXBPSTACK<>0EXTRNDATA(?C_XBP)MOV?C_XBP,#HIGHXBPSTACKTOPMOV?C_XBP+1,#LOWXBPSTACKTOPENDIFIFPBPSTACK<>0EXTRNDATA(?C_PBP)MOV?C_PBP,#LOWPBPSTACKTOPENDIFMOVSP,#?STACK-1#if0EXTRNCODE(?B_SWITCH0)CALL?B_SWITCH0#endifLJMP?C_STARTEND单片机主程序#include<reg52.h>#include"sr04.h"sbitmotor1=P1^4;sbitmotor2=P1^5;sbitIN1=P1^0;sbitIN2=P1^1;sbitIN3=P1^2;sbitIN4=P1^3;unsignedcharcompare=15;//max=20voidmotor_init()//50ms{TMOD|=0x10;TH1=0x3C;TL1=0x0B0;EA=1;ET1=1;TR1=1; 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