2015 2016 學年第 二 學期畢業設計（論文）課題 汽車倒車測距報警系統的設計 姓名 何帥 系部電子與信息工程學院專業應用電子技術班級13電子（1）班學號 1301170125 指導教師 何曉鴻 武漢交通職業學院教學工作部制摘要超聲波測距在倒車雷達、液面高度測量等場合有著廣泛的應用。本文根據超聲波測距離原理，設計了一個簡易的汽車倒車測距報警系統的設計。系統主要由單片機控制器模塊、超聲波收發模塊、距離顯示模塊、報警提示模塊、電源模塊構成。控制器通過定時器產生周期的脈沖方波信號，經電聲轉換電路后發出超聲波，同時打開定時器計時。聲電轉換電路將超聲波的回波信號轉換為電平送單片機中斷，根據定時器計得的收發時間差計算障礙物的距離。本設計分析了超聲波測距原理，給出了系統的總體設計方案，完成了具體硬件電路圖設計以及軟件程序設計，最后對系統進行了測試。測試數據表明系統具有較高的精度，較低成本的優點，因此具有一定的實際應用價值。本設計可用作汽車泊車安全輔助裝置，使駕駛員在泊車時能夠更加安全，減少事故的發生。關鍵詞：單片機 超聲波 測距報警 目錄1緒論41.1設計背景41.2發展前景41.3本次設計任務52.系統論證與設計62.1方案的討論62.1.1控制模塊的選擇62.2.1測距模塊的選擇62.2方案的設計72.2.1設計流程框圖72.2.2電路原理圖的設計83硬件模塊93.1單片機最小系統93.1.1單片機簡介93.1.2時電路鐘103.1.3復位電路103.2超聲波模塊113.2.1什么是超聲波特點113.2.2 sro4超聲波傳感器123.2.3測距原理123.3報警模塊133.4顯示模塊134軟件模塊145實際操作及實物圖156總結167致謝178參考文獻18附錄1191緒論1.1設計背景隨著我國經濟的飛速發展，交通運輸車輛的不斷增多，由此產生的交通問題越來越成為人們關注的問題。其中倒車事故由于發生的頻率極高，已引起了社會和交通部門的高度重視。倒車事故發生的原因是多方面的，倒車鏡有死角，駕車者目測距離有誤差，視線模糊等原因造成倒車時的事故率遠大于汽車前進時的事故率，尤其是非職業駕駛員以及女性更為突出。而倒車事故給車主帶來許多麻煩，例如撞上別人的車、消防水籠頭，如果傷及兒童更是不堪設想，有鑒于此，汽車高科技產品家族中，專為汽車倒車泊位設置的“倒車雷達”應運而生，倒車雷達的加裝可以解決駕駛人員的后顧之憂，大大降低倒車事故的發生。1.2發展前景目前，在國際和國內上，在超聲測距方面的研究方向的不同和研究水平的高低，主要體現在測距原理上。隨著電子技術的發展，出現了微波雷達測距、CCD測距、激光測距和超聲波測距等多種形式的測距方法，前幾種測距法由于技術難度大、成本高等因素，主要用于軍事工業方面。而超聲波測距則由于其技術難度較低，成本低廉等特點，在一般測量領域應用廣泛。如汽車倒車雷達，目前的汽車倒車雷達主要是具有蜂鳴器的語音報警以及距離顯示為主的汽車安全系統。這些系統主要采用的是以單片機為控制核心的智能超聲波測距傳感器和蜂鳴器報警系統，這種汽車安全輔助系統便宜耐用，而且達到了汽車電子系統網絡化的發展需求。無庸置疑，未來的超聲波測距報警系統，將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發展到具有學習功能，最終發展到具有創造力。1.3本次設計任務本次設計是基于單片機控制的超聲波測距報警系統設計，采用以STC89C5160S2單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經單片機綜合分析處理，實現超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統的總體方案，最通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。2.系統論證與設計2.1方案的討論2.1.1控制模塊的選擇本課題主要任務是設計一款簡易的汽車倒車測距報警系統的設計，應用于汽車倒車位置監控與報警。該報警器主要包括控制模塊、測距模塊、聲音模塊、距離顯示模塊、電源模塊五個部分，我們選擇了幾個方向來設計討論。（1）可編程邏輯控制器（PLC）PLC發展初期主要用于開關量的邏輯控制，隨著PLC技術的進步，它的應用領域在擴大，不僅可以用于開關量控制，還可用于模擬量及數字量的而控制，可采集與存儲數據，并進行聯網、通訊等，如今，PLC已成為工業控制中核心元器件之一。其主要優點是功能完善，穩定性高抗干擾能力強，擴展性好，硬件維護方便，編程簡單。缺點是價格較高，體積較大。（2）單片機單片機與PLC本質是相同的，它們的發展都是基于微處理技術，而PLC實際上是建立在單片機之上的一種產品，而單片機實際上是一個集成電路，體積相對較小，成本低，經濟實惠，但利用單片機實現的主控板受軟件布局、環境溫度、制板工藝等影響，穩定性和抗干擾性相對較弱。對比這兩種核心控制元件，兩者各有優缺點，根據本課題設計任務，汽車倒車報警裝置體積要小，這樣便于攜帶、安裝、不占用汽車空間，顯然由于PLC體積大的特點而不符合設計要求，因此本設計采用AT89C51單片機作為核心控制元件。2.2.1測距模塊的選擇（1）紅外線測距紅外線測距原理是紅外光遇到障礙物會反射回來，而反射回來紅光的強弱由距離而定，距離越遠，紅光強度越弱，根據這個特點能夠進行障礙物距離遠近的測量。其優點是成本低廉，使用安全，制作簡單，缺點就是測量精度低，方向性也差，測量距離近。（2）超聲波測距超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動頻率高于16kHz的機械波。超聲波測距就是將電壓和超聲波之間的互相轉換，發射超聲波的探頭將電壓轉化的超聲波發射出去，當接收超聲波時，超聲波接收探頭將超聲波轉化的電壓回送到控制芯片。超聲波具有振動頻率高、波長短、繞射現象小而且方向性好還能夠為反射線定向傳播等優點，在中、長距離測量時，超聲波測量的精度和方向性都要大大優于紅外線測量。從安全性，成本、方向性等方面綜合考慮，超聲波傳感器更適合設計要求。根據對以上測距方法的比較，超聲波測距具有較強的抗干擾能力和較短的響應時間，在精度和方向性上都優于紅外測距，因此本方案的距離測量部件選用超聲波測距模塊。2.2方案的設計2.2.1設計流程框圖圖2-1流程框圖2.2.2電路原理圖的設計圖2-2電路原理圖的設計3硬件模塊根據系統總體設計方案，系統以單片機AT89C5160s2為控制模塊SR04超聲波模塊，報警模塊，液晶顯示模塊組成。3.1單片機最小系統單片機最小系統由芯片，時鐘電路、復位電路以及電源電路構成。圖3-1單片機最小系統的電路圖及實物圖3.1.1單片機簡介AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash 存儲器。AT89C51具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32 位I/O口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。而且，它還具有一個看門狗（WDT）定時/計數器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統復位，還可以在程序陷入死循環的時候，讓單片機復位而不用整個系統斷電，從而保護外圍硬件電路。AT89C51有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。3.1.2時電路鐘單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。本系統采用內部振蕩方式，在AT89C51引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。圖3-2時鐘電路3.1.3復位電路復位電路有上電復位和手動復位兩種。本系統采用手動復位方式，具體電路如圖3-3所示。系統上電時， RC電路開始充電，因為電容電壓不能突變，使RST端的電位接近Vcc，以后RST端的電位將隨電容充電而逐漸下降。只要RST端出現的正脈沖時間保持在10ms以上，就能使單片機有效地復位。工作過程中，需要手動復位時，按下按鈕時，電容瞬間完成放電，Vcc的+5V電平就會直接加到RST端，完成系統復位。圖3-3復位電路圖3.2超聲波模塊3.2.1什么是超聲波特點它是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫學、軍事、工業、農業上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大于人的聽覺上限而得名。 1超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。2超聲波能在各種不同媒質中傳播，且可傳播足夠遠的距離。3超聲波與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態的信息診或對傳聲媒質產生效用及治療。4超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。5超聲波可傳遞很強的能量。6超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現象。超聲波為探測與負載信息的載體或媒介如B超等用作診斷；超聲波同時又是一種能量形式，當其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒質的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態，性質及結構用作治療3.2.2 sro4超聲波傳感器SR04是最常見的超聲波傳感器之一，在arduino開發中超聲波傳感器SR04主要用來測距，相比其他測距傳感器有著簡單易用、靈敏度高等特點。對于超聲波傳感器各種特性，超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。模塊參數：1.尺寸：長寬高 45*20*152.工作電壓：5V3.感應角度：不大于15度4.探測距離：3cm-450cm5.精度：可達0.2cm 3.2.3測距原理3-4 超聲波時序圖初始化時將trig和echo端口都置低，首先向給 trig發送至少10 us的高電平脈沖（模塊自動向外發送8個40K的方波），然后等待，捕捉 echo 端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時，打開定時器開始計時，再次等待捕捉echo的下降沿，當捕捉到下降沿，讀出計時器的時間，這就是超聲波在空氣中運行的時間，按照測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2 就可以算出超聲波到障礙物的距離。3.3報警模塊在單片機應用系統中，最常見的發聲器件就是蜂鳴器。蜂鳴器一般用于一些要求不高的聲音報警及發出按鍵操作提示音等。有源蜂鳴器最重要的特點是只要按照極性要求加上合適的直流電壓就可以發出固有頻率的聲音，使用起來比揚聲器簡單。蜂鳴器是感性負載，一般不建議用單片機的 I/O 口直接對其進行操作，需要加一只驅動三極管.如圖。圖3-5 報警模塊電路圖3.4顯示模塊帶中文字庫的128X64 是一種具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內置8192 個16*16 點漢字，和128 個16*8 點ASCII 字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示84 行1616 點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。4軟件模塊本系統硬件電路設計以單片機AT89C51為核心。程序設計采用模塊化設計方法，整個軟件程序設計由主程序、超聲波發射子程序、定時器中斷服務子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統的主程序處于鍵控循環工作方式，當按下電源按鍵時，主程序開始調用發射子程序、查詢接收子程序、定時器中斷服務子程序，并把測量結果用顯示子程序在數碼管上顯示出來。雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用AT89C51單片機可以簡化設計，便于操作和直觀讀數。1流程圖：發射超聲波-接收信號-計算距離-顯示距離-報警或不報警-再次發射信號2程序詳見附錄1.5實際操作及實物圖屏幕上可顯示當前距離，預置值，步進值。可以通過按鈕調節步進值，并且設置預制值。當前距離達到預置值后，會觸發蜂鳴器報警。圖5-1實物圖6總結汽車倒車防撞報警器的設計大大增加了汽車倒車的安全性，更為有效的保護了汽車用戶的人身和財產安全,如果沒有這種報警器，那么駕駛員在倒車時就得時刻關注著車后的情況，這樣很容易出事故。有了防撞報警器，倒車方便，安全許多。本次設計比較全面的完成了對汽車倒車防撞報警器的任務與目標。本次設計遇到了很多困難，在解決這些困難的過程中，我不僅對以前學習過的知識進行了很好的回顧，特別是對單片機有了更深刻的了解與掌握，而且也學習了很多新的知識，很好的開拓了自己的視野，給我以后的工作學習打下基礎，使我在以后的工作學習中都會受益匪淺。也是對我自己三年來所學知識的一次綜合考核，使我更清楚地認識自己，知道自己還有很多知識沒有掌握，不能放松自己，只有不斷的學習積累，不斷地更新自己所學的知識，才能與時俱進，不被社會所淘汰.7致謝時光的流逝也許是客觀的，然而時間流逝的快慢卻純粹是一種主觀感受，不知不覺我已經到了畢業的季節，在我大學生活的最后一項任務畢業設計即將完成之際，我深深的發現自己還有很多不足之處，還有很多知識沒有掌握，同時也深深感謝老師和我的同學們，在設計之中遇到了很多困難，都是經過老師的指導和同學們的幫助，才克服的，這不僅使我學到了許多自己以前沒掌握的知識，也使得我的設計得以進行下去，所以我非常感謝老師還有我的同學們，因為有他們才有了我畢業設計的順利完成。在此，謝謝你們。8參考文獻1 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