基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、 基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 、課題背景和意義 隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展， 交通運(yùn)輸車輛的不斷增多， 由此產(chǎn)生的交通問題越來越成為 人們關(guān)注的問題。 其中倒車事故由于發(fā)生的頻率極高， 已引起了社會(huì)和交通部門的高度 重視。 倒車事故發(fā)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(shí)的事故率遠(yuǎn)大于汽車前進(jìn)時(shí)的事故率， 尤其是非職業(yè)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(shè)想， 有鑒于此， 汽車高科技產(chǎn)品家族中， 專為汽車倒車泊位設(shè)置 的“倒車?yán)走_(dá)”應(yīng)運(yùn)而生， 倒車?yán)走_(dá)的加裝可以解決

2、駕駛?cè)藛T的后顧之憂， 大大降低倒 車事故的發(fā)生。 汽車倒車?yán)走_(dá)全稱為“倒車防撞雷達(dá)”， 也叫“泊車輔助裝置”， 是汽 車泊車安全輔助裝置， 能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況， 解 除駕駛員泊車和起動(dòng)車輛時(shí)因前后左右探視所引起的困擾， 并幫助駕駛員克服視野死角 和視線模糊的缺陷， 提高駕駛的安全性。 倒車?yán)走_(dá)的原理與普通雷達(dá)一樣， 是根據(jù)蝙蝠 在黑夜里高速飛行而不會(huì)與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開發(fā)的。 通過感應(yīng)裝置發(fā)出超聲 波，然后通過反射回來的超聲波來判斷前方是否有障礙物，以及障礙物的距離、大小、 方向、形狀等。 只不過由于倒車?yán)走_(dá)體積大小及實(shí)用性的限制， 目前其主要功能僅為

3、判 斷障礙物與車的距離，并做出提示。 二、課題任務(wù)的主要內(nèi)容 此次設(shè)計(jì)采用超聲波測距原理， 當(dāng)汽車與障礙物的距離小于所設(shè)定的安全距離時(shí)， 系統(tǒng) 能發(fā)出聲光報(bào)警， 并隨著距離的不斷縮近， 報(bào)警頻率不斷提高。 超聲波測距儀器一般由 發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器三部分組成。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，超 聲波接收器接收遇到障礙物反射回來的反射波， 準(zhǔn)確測量超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反 射返回的時(shí)間，根據(jù)超聲波的傳播速度，可以計(jì)算出障礙物距離。 三、已具備條件 應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的畢業(yè)生已完成電子線路、數(shù)字電路基礎(chǔ)、單片機(jī)原理、單片 四、設(shè)計(jì)思路與方案 1. 系統(tǒng)模塊 系統(tǒng)以微控制器 AT89C51

4、為核心， 外圍電路由超聲波發(fā)射模塊、 超聲波接收模塊、 聲光 報(bào)警電路、顯示模塊四部分組成 2系統(tǒng)工作過程 駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后， 系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)， 超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射 40kHz 的超聲波 信號(hào)，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進(jìn)行放大和比較，單片機(jī) AT89C2051 將此信號(hào)送入顯示模塊， 同時(shí)觸發(fā)語 . 音電路， 發(fā)出同步語音提示， 當(dāng)與障礙物距離小 于 1m、0.5m、0.25m 時(shí)，發(fā)出不同的報(bào)警聲，提醒駕駛員停車。 3各個(gè)模塊的介紹 （ 1）超聲波發(fā)射模塊，選用軟件發(fā)生超聲波法，利用軟件產(chǎn)生40kHz 的超聲波信號(hào)， 通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生

5、超聲波。 （2）超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。探頭 變換后的正弦波電信號(hào)經(jīng)放大電路放大并進(jìn)行波形變換。 （3）聲光報(bào)警是指當(dāng)?shù)管嚴(yán)走_(dá)探測到的距離小于所設(shè)定的安全值時(shí)，發(fā)出聲音、點(diǎn)亮 發(fā)光二極管提醒駕駛員。 五、預(yù)期目標(biāo) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)。 超聲波倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì) 引言 據(jù)美國的最新統(tǒng)計(jì)表明，因各種原因造成的車輛碰撞追尾事故占公路交通事故總量的90%左右。因此，要 降低公路交通事故，必須大力降低車輛碰撞事故，而汽車碰撞技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用有助于減少汽車碰撞事故 的發(fā)生。隨著我國公路等級(jí)的不斷提高，特別是高速公路的飛速發(fā)展，汽車的行駛速度越來越快，車流

6、量 也越來越大，汽車碰撞事故越來越多。造成汽車碰撞的原因十分復(fù)雜，既有車輛自身的因素，也有人為的 因素，還有公路、氣象等環(huán)境因素。在上述諸多因素中，人為因素是造成汽車碰撞的主要原因。因此，國 內(nèi)外都在研究如何利用先進(jìn)的技術(shù)，即汽車避撞技術(shù)，輔助汽車駕駛者對(duì)影響公路交通安全的人、車、路 環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在危急情況下由系統(tǒng)主動(dòng)干涉駕駛操縱、輔助駕駛者進(jìn)行應(yīng)急處理、防止汽車相撞事 故的發(fā)生。 汽車避撞技術(shù)首先需要解決的問題是汽車之間的安全距離。汽車與汽車之間的距離超過了這個(gè)安全距離， 就應(yīng)該能夠自動(dòng)報(bào)警，并采取制動(dòng)措施。如何測定汽車之間的安全距離呢？目前一般采用的技術(shù)有三種： 超聲波測距；微波雷達(dá)

7、測距；激光測距。本文著重研究超聲波測距。 1 超聲波測距的原理與方案設(shè)計(jì) 1.1 超聲波測距的原理 超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵能夠聽到的范圍 . 一般而言是指聲音超過 20KHz 以上時(shí) , 稱之為超聲波 . 與光波不同 , 超聲波是一種彈性機(jī)械波 , 它可以在氣體、液體、 固體中傳播。 由于超聲波也是 一種聲波，超聲波在媒質(zhì)中傳播的速度和媒質(zhì)的特性有關(guān)。理論上，在13的海水里聲音的傳播速度為 15OOm/s。在鹽度水平為 35，深度為 Om溫度為 0的環(huán)境下，聲波的速度為 1449.3m/s 。聲音在 25空 氣中傳播速度的理論值為 344m/s ，這個(gè)速度在 0時(shí)降為 334m/

8、s。聲波傳輸距離首先和大氣的吸收性有關(guān)， 其次溫度、濕度、大氣壓也是其中的因素，而這些因素對(duì)大氣中聲波衰減的效果比較明顯。溫度是和其他 常數(shù)一樣決定聲音速度的第二因素。它和溫度的關(guān)系可以用以下公式來表示 :C=331.45+0.61T（ 米/秒） 。在 使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)?方法加以校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離，這就是超聲波測距系統(tǒng)的機(jī)理。 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí) 間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此

9、可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理 是一樣的。 測距的公式表示為： L=CT 式中 L 為測量的距離長度； C為超聲波在空氣中的傳播速度； T 為測量距離傳播的時(shí)間差 （T 為發(fā)射到 接收時(shí)間數(shù)值的一半 ）。圖 1為原理圖。 圖 1 超聲波測距原理圖 1.2 關(guān)于硬件電路的方案設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)之初，有一下幾種設(shè)計(jì)方案。一種設(shè)計(jì)方案是以MCS-51為核心控制器；另一種設(shè)計(jì)方案是以 AT89C8051為核心控制器；最后一種設(shè)計(jì)方案是以 AT89C2051為核心控制器。之所以最終選用 AT89C2051 為控制器是以為 AT89C2051是一個(gè) 2k 字節(jié)可編程 EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) M

10、CS-51 的指令 和引腳兼容，因而是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活有效的解決 方案。 AT89C2051有以下特點(diǎn)： 2k字節(jié) EPROM、 128字節(jié) RAM、15根I/O 線、 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、 5個(gè) 向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、 1 個(gè)全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有 4.25V 至 5.5V 的 電壓工作范圍和 12MHz/24MHz工作頻率， 同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖、掉電和時(shí)鐘電路等。 此外， AT89C2051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。空閑時(shí)，CPU停止，而讓 RAM、定時(shí) / 計(jì)數(shù)器、串 行口和中斷

11、系統(tǒng)繼續(xù)工作。可掉電保存RAM的內(nèi)容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下 一次硬件復(fù)位。 AT89C2051 有 2 個(gè) 16 位計(jì)時(shí) / 計(jì)數(shù)器寄存器 Timer0t Timer1 。作為一個(gè)定時(shí)器，每個(gè)機(jī)器周期寄存 器增加 1，這樣寄存器即可計(jì)數(shù)機(jī)器周期。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期有12 個(gè)振蕩器周期，所以計(jì)數(shù)率是振蕩器頻 率的 1/12 。作為一個(gè)計(jì)數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳 P3.4/T0 和 P3.5/T1 上出現(xiàn)從 1至 0的變化時(shí) 增 1 。由于需要二個(gè)機(jī)器周期來辨認(rèn)一次1 到圖 2 AT89C2051 管腳圖 0 的變化，所以最大的計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的1/24 ，可以對(duì)

12、外部的輸入端 P3.2/INT0 和 P3.3/INT1 編程， 便于測量脈沖寬度的門。圖 2 為 AT89C2051的管腳圖。由于 AT89C2051有以上的特點(diǎn)，適合試驗(yàn)研究的要 求, 故選用 AT89C2051做控制器的方案。 1.3 GXD40-16T3/R3 超聲波傳感器介紹 1.3.1 傳感器特點(diǎn) 本系統(tǒng)所使用的 GXD40-16T3/R3 探頭有一下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn) : 1. 靈敏度高、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。 2. 防塵耐濕、耐高低溫、耐沖擊、震動(dòng)等嚴(yán)酷環(huán)境條件。 本系統(tǒng)之所以采取這樣的探頭是因?yàn)樵囼?yàn)條件、焊接條件簡陋，對(duì)測量的精度要求較高。 1.3.2 探頭的技術(shù)指標(biāo) 1. 中心頻率 :

13、40KHz 2. 電容 :1800pF 3. 輸入聲壓 : 106dB 4. 回波敏感度 : -75dB/V/ bar 5. 余振時(shí)間 : 0.8ms 6. 波束角度 :90 度 1.4 總體設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 1.4.1 量程： 30-1000 厘米 （0.3-10 米 ） 。 1.4.2 測試精度： 空氣中測距精度 1%；溫度適應(yīng)范圍： -20+60 攝氏度 。 1.4.3 數(shù)據(jù)顯示： 轉(zhuǎn)換成厘米后在 LED上直接顯示被測距離 , 溫度值轉(zhuǎn)換成攝氏度在 LED上顯示。 1.4.4 鍵盤輸入： 開啟值 30-1000 厘米,關(guān)閉值 30-1000 厘米, （ 在該范圍內(nèi)任意設(shè)置 ）。 1.4.5

14、反射面積： 距離超聲波發(fā)射探頭 1000 厘米時(shí)為 1 平方米 ,400 厘米時(shí)為 0.25 平方米。 1.4.6 超聲波發(fā)散角： 選用型號(hào) 401型時(shí)超聲波發(fā)散角為 45 度, （ 選用各種不同型號(hào)探頭時(shí) ,發(fā)散角有所 變化）。 1.4.7 串行數(shù)據(jù)輸出： 在顯示測距數(shù)值后發(fā)送 1200BIT 串行數(shù)據(jù) 共 4 幀,1,2 幀為測距數(shù)值 ,3,4 幀為溫度 數(shù)值 （有利于 PC計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程顯示板串口數(shù)據(jù)聯(lián)接及其它功能的擴(kuò)展）。 1.4.8 測控周期： 預(yù)置開啟 , 關(guān)閉數(shù)據(jù)后每秒為 2 次周期進(jìn)行測距控制。 1.4.9 工作環(huán)境： 電壓 12V直流 10%,用干電池或充電池 , 工作電流 5

15、0毫安（顯示時(shí)）。 2 基于 AT89C2051 的超聲波倒車?yán)走_(dá)的硬件設(shè)計(jì) 2.1 硬件的實(shí)現(xiàn) AT89C2051通過外部引腳 P1.6 輸出脈沖寬度為 250s，載波為 40kHz的 10個(gè)脈沖的脈沖群， 以推挽 形式加到變壓器的初級(jí)，經(jīng)升壓變換推動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時(shí)， P1.7 輸出一個(gè)高電平啟 動(dòng)，給電容 C4 充電。發(fā)射結(jié)束時(shí)高電平翻轉(zhuǎn)為低電平， C4 開始對(duì) R2、R3組成的分壓器放電并輸出到比較 器的負(fù)端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是一個(gè)高增益、低 噪聲放大器， 在對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波后將檢測回波送到比較器的正輸入端。 發(fā)

16、射時(shí) P1.7 輸出的電平可 以抑制比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射裝置產(chǎn)生的超聲波直接輻射到接收裝置而導(dǎo)致錯(cuò)誤檢測。圖 5 為超聲波倒車?yán)走_(dá)中超聲波測距部分的電路圖。 2.1.1 發(fā)射部分 發(fā)射部分用來對(duì)超聲波換能器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，將由單片機(jī)產(chǎn)生的40KHZ脈沖信號(hào)送入發(fā)射輸入端，經(jīng)過驅(qū) 動(dòng)放大達(dá)到足夠功率之后，推動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。之所以使用40KHz的脈沖信號(hào)是因?yàn)閷?shí)際的需 要。 =af2 式中為衰減， a為介質(zhì)常數(shù) (空氣中 a=210-13S2/cm) ，f 為振蕩頻率。由上面的公式可知， 當(dāng) f=40KHz 時(shí) , =3.2 10-4/cm ，1/ =31m。如果 f=30KH

17、z ，1/ =56m。用波動(dòng)方程表示超聲波 A=A0e- xcos(wt+kx) ，那么 (1/ ) 表示了在這個(gè)長度上，平面聲波的振幅衰減為原來e 分之一。由此可見，頻率越 高，衰減越厲害，傳播的距離越短。本系統(tǒng)是近距離測量，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，頻率為40KHz為最好。如圖 3 所 示。 圖 3 發(fā)射部分電路 2.1.2 接收部分 接收部分主要由接收換能器和放大電路等環(huán)節(jié)組成。 其中放大電路是一個(gè)放大倍數(shù)較高的三級(jí)運(yùn)算放大器， 其功能是將從目標(biāo)處反射回來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大整形后送入計(jì)數(shù)控制電路部分。由于在距離較遠(yuǎn)的情況 下，聲波的回波信號(hào)很小， 因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅度也較小， 為此要求將信號(hào)放大 6

18、0萬倍左右 (經(jīng)計(jì)算,60 萬倍左右才能使單片機(jī)工作 ) 。因?yàn)楣采浞糯筮m合用于小信號(hào)放大， 所以采用三級(jí)共射放大 : 前兩級(jí)放大 100 倍，其帶寬為 15MHz能充分滿足要求 ;第三級(jí)采用運(yùn)算放大器，帶寬為 4 MHz。 在回路中采取了隔離、濾波、整形措施。調(diào)試過程中使用信號(hào)發(fā)生器送脈沖信號(hào)給接收回路，在輸出端通 過示波器觀察輸出波形。如圖 4 所 示 圖 4 接收部分電路 2.1.3 計(jì)數(shù)控制部分 由于 AT89C2051本身具有定時(shí)功能，所以計(jì)數(shù)部分由AT89C2051完成并由單片機(jī)發(fā)出指令完成計(jì)數(shù)功能。 2.1.4 系統(tǒng)控制 控制由單片機(jī) AT89C2051構(gòu)成。 ATB9C2051是一個(gè) 2k 字節(jié)可編程 EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS-51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈 活有效的解決方案。在這個(gè)系統(tǒng)里，它的作用是形成用于產(chǎn)生超聲波的40KHZ信號(hào)、形成必要的時(shí)序、控 制 LCD 字符的顯示、控制繼電器通斷以及對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。 2.1.5