基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設(shè)計

1、 2012屆畢業(yè)設(shè)計（論文）論文題目：基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設(shè)計 摘 要基于超聲波的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)是指在汽車行駛過程中通過超聲波測距原理， 防止汽車發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報警裝置。本次設(shè)計由超聲波發(fā)射模塊、信號接收模塊、單片機處理模塊、數(shù)碼顯示模塊以及聲光報警模塊等部分組成。它由單 片機智能控制，能使汽車在行駛和倒車過程中自動檢測到障礙物。然后通過超聲波 測距原理測量出汽車與障礙物之間的距離，并通過數(shù)碼顯示模塊將測得的距離顯示 出來，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離達(dá)到安全極限時，單片機控制聲光報警模塊發(fā)出 報警信號，達(dá)到提醒司機防止撞車的目的。本設(shè)計充分發(fā)揮了單片機的性能，其硬 件電路簡單

2、，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，具有一定的使用和參考價值。 關(guān)鍵詞 超聲波 測距 汽車防撞預(yù)警 單片機目錄前言4第一章 課題簡介及其發(fā)展現(xiàn)狀51.1 課題研究現(xiàn)狀及其發(fā)展意義51.2 汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展過程51.3 超聲波簡介6第二章 總體設(shè)計方案72.1 設(shè)計總體思路概況72.2 超聲波測距原理82.3 超聲波傳感器92.4 控制系統(tǒng)方框圖92.5 超聲波發(fā)射裝置的設(shè)計102.6 超聲波接受裝置的設(shè)計112.7 顯示電路的設(shè)計122.8 報警裝置的設(shè)計13第三章 硬件的設(shè)計和制作153.1 芯片的功能153.1.1 at89c51的功能特點153.1.2 cx20106功能特點163.1.3

3、led數(shù)碼管163.1.4 系統(tǒng)的特點183.2 硬件電路設(shè)計和pcb板的制作183.3 超聲波測距系統(tǒng)元器件清單183.4 汽車防撞系統(tǒng)實物制作19第四章 軟件的設(shè)計214.1 軟件工作過程214.2 算法的軟件設(shè)計214.3 主程序流程圖21第五章 系統(tǒng)調(diào)試245.1 硬件調(diào)試245.2 軟件調(diào)試24結(jié)論25參考文獻(xiàn)26致謝27附錄一29附錄二29附錄三30附錄四32前言曾幾何時，汽車對很多家庭來說是不敢想象的。但隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展和經(jīng)濟水平的大幅度提高，讓百姓的收入日益鼓脹，解決了溫飽問題的家庭開始走向小康，表現(xiàn)得最明顯的是交通工具的升級換代上：一些家庭開始購買汽車作為自己的代步工具。

4、 近幾年我國汽車保有量逐年增加，2009年的保有量為6300萬輛，2010年達(dá)到7400多 萬輛。按保守估計，未來國內(nèi)汽車保有量能夠達(dá)到4.9億輛左右，即大約350輛/千人。 對于汽車數(shù)量的大副度攀升，盡管國家在公路設(shè)施上不斷地改進，但道路上的車輛仍然 還是越來越多，尤其在上下班時段完全避免不了公路上汽車擁擠的現(xiàn)狀。再加上在汽車設(shè)計上車速的不斷提高，雖然公路上各路段都有限速，但撞車事件仍然在廣大人民的生活中屢屢發(fā)生，給人們帶來了巨大的人身傷亡和社會財產(chǎn)的損失。 針對汽車擁擠的現(xiàn)狀，設(shè)計一種反應(yīng)快，穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟實用的汽車防撞報警系統(tǒng)對當(dāng)今現(xiàn)狀是勢在必行的。汽車防撞系統(tǒng)是一種向司機的報警裝置，

5、此防撞報警系統(tǒng) 能將在汽車行駛和倒車過程中自動檢測障礙物，然后通過超聲波測距原理測出汽車與障礙物之間的距離，并將距離顯示出來，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離達(dá)極限時。系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，達(dá)到提醒司機防止撞車的目。汽車倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)即是俗稱的倒車?yán)走_(dá)，是汽車泊車輔助裝置。在汽車倒車時，倒車?yán)走_(dá)采用超聲波測距原理探測汽車尾部離障礙物的距離，當(dāng)汽車尾部離障礙物的距離達(dá)到探測范圍時，倒車?yán)走_(dá)通過數(shù)碼管實時動態(tài)顯示距離。當(dāng)汽車尾部離障礙物的距離達(dá)到設(shè)定的安全警告值時，倒車?yán)走_(dá)發(fā)出報警聲，以警示駕駛員，輔助駕駛員安全倒車?，F(xiàn)在生產(chǎn)的中高檔小轎車大多數(shù)都配置有倒車?yán)走_(dá)，而出于節(jié)省成本等方面的考慮，經(jīng)濟型小轎車、大

6、客車等其他車輛都沒有配置倒車?yán)走_(dá)。有市場需求的產(chǎn)品，必然會帶動產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。倒車?yán)走_(dá)電路種類較多，本文介紹基于單片機控制的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用通用型單片機作為控制電路，方便系統(tǒng)功能擴展。系統(tǒng)電路主要采用集成器件構(gòu)成，外圍元件少，電路簡潔、調(diào)試方便、成本低，利于商品化生產(chǎn)。第一章 課題簡介及其發(fā)展現(xiàn)狀11 課題研究現(xiàn)狀及其發(fā)展意義隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的不斷進步，汽車的數(shù)量逐年增加，汽車擁擠的現(xiàn)狀不可避免， 而在汽車擁擠的情況下，惡性事故屢屢發(fā)生，時刻威脅著人們的安全。我國交通事故的 年死亡人數(shù)遠(yuǎn)高于他國，分別是美國的 2.3 倍、德國的 18.4 倍、日本的 13.4 倍。當(dāng) 現(xiàn)代家庭充分的享

7、受汽車帶來方便的同時，也為此付出了沉重的代價。據(jù)統(tǒng)計，我國自 2010 年至 2010 年，已有 150 多萬人死于道路交通事故，其中大部分的道路交通事故為 汽車追尾碰撞事故。面對當(dāng)今這種現(xiàn)狀，設(shè)計出一種反應(yīng)快，穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟實用的 汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行。 防撞預(yù)警自動測量的技術(shù)應(yīng)運而生，尤其非接觸式測量技術(shù)發(fā)展卓越。在大多情況 下，測量與障礙物之間的距離是不能夠接觸到障礙物的，在這種時候就會用到非接觸式 測量設(shè)備。在物理學(xué)中人們發(fā)現(xiàn)了電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的超聲波后，從此超聲波技術(shù)在測量領(lǐng)域得到了廣泛的運用，尤其是在超聲波測距方面， 結(jié)合了其他技術(shù)，用超聲波測距變得十分常用 超聲波在介質(zhì)中傳播

8、的距離較遠(yuǎn)，分辨力較高，且能量消耗小，利用超聲波測距比 較方便而且速度快計算簡單，容易做到實時控制，并且測量精度好，都能夠達(dá)到工業(yè)測 量的需要。因此超聲測距廣泛應(yīng)用于當(dāng)今生活中，特別是應(yīng)用于超聲波測距方面。超聲 波測距利用的是聲波反射原理，聲波在空氣中傳播避免了與介質(zhì)接觸。 與其它測距方式相比，超聲測距不受顏色、光線和電、磁場的影響，使他受到干擾 的可能大幅度減少。它還具有可靠性能高、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、安裝方便等優(yōu)點。也 能夠測量處于黑暗、煙霧、有灰塵、電磁干擾等惡劣環(huán)境中的障礙物。但由于超聲波傳 播時溫度對聲速影響比較大，使超聲測距的精確度到了影響，在這里可以采用溫度補償 進行校正，能夠消

9、除溫度對其的影響。12 汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展過程國際上對汽車防撞的研究開始于二十世紀(jì)六十年代，以德、美、日為代表的西方國 家內(nèi)開始研究，與眾多汽車制造廠商合作，制造出世界上第一批汽車防撞報警器。但局 限于當(dāng)時器件的發(fā)展水平和單片機成本過高， 導(dǎo)致報警器難以做到體積輕巧、 結(jié)構(gòu)簡單、 價格便宜。此外，報警器的干擾因素很多，在實驗室制造的樣機，對許多干擾因素考慮 不全面，使在實際得應(yīng)用中，防撞效果并不讓眾多研究者滿意。 二十世紀(jì)末，奔馳公司組織，計劃將組合通信、傳感器、智能技術(shù)結(jié)合于于一個系 統(tǒng)中，改進了汽車的經(jīng)濟性、安全性和有效性，在這次研究中研制出了性能優(yōu)良的汽車 防撞報警器，能夠幫助駕駛員避免

10、發(fā)生交通事故。使得制造出低成主本、高性能的汽車 防撞雷達(dá)成為可能。 歐盟radarnet研究項目整合己有研究成果，研制新型多功能汽車防撞雷達(dá)。其中， 德國的汽車生產(chǎn)廠商奔馳公司和英國的電子生產(chǎn)廠商勞倫斯電子公司強強連和，成功研 制出了超聲波頻率為35g赫茲可報警距離為150米的汽車防撞報警雷達(dá)，系統(tǒng)能夠智能計 算出汽車與前方障礙物的距離和兩者之間的相對運行速度，并且根據(jù)自身行駛速度計算 出汽車與障礙物之間的安全距離，當(dāng)汽車與障礙物之間或與前車之間的距離小于計算出 的安全距離時，預(yù)警系統(tǒng)便會發(fā)出聲音報警信號，提醒司機避開障礙物或者緊急停車。 這種預(yù)警雷達(dá)適合于在轎車、客車上使用，應(yīng)用了汽車防撞預(yù)

11、警系統(tǒng)能夠?qū)τ趷盒越煌?事故的發(fā)生起到了較好的預(yù)防作用。13 超聲波簡介眾所周知，當(dāng)物體在振動的時候就能夠發(fā)出聲音。但是人類耳朵只能聽到頻率為 2020000赫茲的聲波。當(dāng)聲波的振動頻率不在這個范圍時的聲音人類是聽不見的。根 據(jù)這種情況，人們規(guī)定把聲波頻率高于20khz的聲波稱為“超聲波” 。由于超聲波具有方 向性好，抗干擾能力強，穿透能力強等優(yōu)點。在現(xiàn)實生活中有著不可替代的作用它常用 于清洗，測距，測速等。 實際測試發(fā)現(xiàn),相同振幅下, 振動頻率和物體振動的能量是成正比的,當(dāng)超聲波傳 播時,聲波振動頻率很高,物體的震動能量也很大。在現(xiàn)實生活中我們充分的利用了這些 能量，例如超聲波加濕器，它是把

12、超聲波發(fā)射到水罐中,物體震動的巨大能量能夠使水 罐中的水升華成霧氣,在把霧氣吹入到空氣中,這樣就使空氣的濕度增加。除此之外應(yīng)用 超聲波還可以做很多方便現(xiàn)實生活的實用工具，本文介紹的汽車防撞裝置也是應(yīng)用超聲波的原理制成的。 超聲波是聲波大家族中的一員。聲波指的是物體在機械振動下，物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置進行的往返運動狀態(tài)。例如鼓經(jīng)過敲打之后，鼓面就會上下振動，振動通過空氣向四面八方進行傳播，這就是聲波。超聲波就使頻率很高的聲波。超聲波在現(xiàn)實生活中 能夠光泛應(yīng)用，是因為超聲波有以下幾種特性，它能夠在氣體、固體、液體、等介質(zhì)中 進行傳播，能夠傳遞巨大的能量，能夠發(fā)生反射、干涉和共振的現(xiàn)象，并且超聲波在

13、液 體中進行傳播時，可以產(chǎn)生劇烈的空化和沖擊的現(xiàn)象。雖然人類的耳朵聽不見超聲波，但是不少動物卻擁有此項能力。他們就是利用超聲 波來捕捉獵物，并且能夠避開障礙物。好多人們疑問為什么蝙蝠能夠在完全黑暗的情況 下還能夠分析在哪能夠捕食和避開障礙物。其實蝙蝠就是利用它聽到的超聲波而進行在 黑暗中自己定位的。蝙蝠通過自己的嗓子發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)出之后四面八方的發(fā)射 出去， 當(dāng)超聲波遇到障礙物之后發(fā)生反射， 這種反射回來的超聲波進入到蝙蝠的耳朵中， 蝙蝠聽到超聲波后，就能自己判斷出障礙物或者獵物的位置。然后快速的判斷出來從而 能夠自在的在空中飛翔。國內(nèi)的超聲波研究照比其它國家起步較晚，人們在發(fā)現(xiàn)正壓電效

14、應(yīng)和逆壓電效應(yīng)之 后，超聲波才逐漸應(yīng)用于電子行業(yè)、清洗機械器件、軍事、塑料焊接、金屬焊接、醫(yī)學(xué) 等等領(lǐng)域。尤其在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用尤為廣泛，超聲波在人體里傳播時，當(dāng)超聲波在人體 內(nèi)的傳播時如果遇到障礙物，超聲波便會發(fā)生反射和折射。由于每個人的組織結(jié)構(gòu)都是不同的所以他們對于超聲波的吸收能力也不同。這種差別在通過儀器設(shè)備把他們顯示出 來，醫(yī)生便能通過這種差別便能夠判斷出身體是否發(fā)出病變。第二章 總體設(shè)計方案汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)是指在汽車行駛過程中防止汽車發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報 警裝置。它能自動發(fā)現(xiàn)可能與汽車發(fā)生碰撞的障礙物體，并且同時檢測汽車與障礙物之 間的距離，到達(dá)極限距離時發(fā)出報警信號以避免碰撞的

15、發(fā)生。根據(jù)題目要求，汽車防撞 報警器的功能主要有兩個：判斷汽車與障礙物之間的距離和當(dāng)汽車與障礙物之間的距離 到達(dá)臨界距離時發(fā)出報警信號。21 設(shè)計總體思路概況汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計時器計出超聲波從發(fā)射 到接收到遇到障礙物后反射聲波的時間通過公式計算出汽車與障礙物之間的距離。在實 際生活中常用的測距方法主要有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端設(shè)置發(fā)射裝置， 一端設(shè)置接收裝置，利用公式 s = vt 得出測量的距離。這種測量方式特別適用于測量身 高；另一種是本次設(shè)計采用的方式，利用超聲波遇到障礙物后反射得出距離。 汽車防撞系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)

16、射電路和超聲波檢測 接收電路及顯示電路三部分。單片機采用的是 at89c51 系列。為了獲得較穩(wěn)定時鐘頻率 而采用了高精度的晶振，這樣極大的減小測量距離的誤差。用單片機 p1.0 端口輸出超 聲波發(fā)射器所需要的 40khz 的方波信號，使用外中斷 0 口檢測接收超聲波的反射信號。 顯示電路裝置用了結(jié)構(gòu)簡單價格便宜的 4 位 led 數(shù)碼管來顯示距離。 超聲波的發(fā)射裝置主要是由反相器 74ls04 和發(fā)射傳感器構(gòu)成。 at89c51 單片機 p1.0 引腳輸出 40k 赫茲的間斷方波信號分成 2 路，一路信號經(jīng)過一個反向器后到達(dá) tct40 一 個引腳，另一路通過兩個反向器后到 tct40 的另

17、一個引腳，用這種形式將 p1.0 發(fā)出的 單片機 p1.0 端口發(fā)出的間斷方波信號加到 tct40 的兩端上，用這種推換形式將間斷的 方波信號連接到超聲波傳感器的兩個引腳上，這樣能夠增強超聲波的發(fā)射強度。在加載 反波信號時使用兩個 74ls04 并聯(lián)， 是它的驅(qū)動能力得到了很大的提高。 而電阻 r8、 r9 增大超聲波傳感器的阻尼效果，縮短了震蕩時間，使超聲波傳感器輸出高電平的能力大 大增加。 超聲波接收采用 cx20106a 集成電路模塊， 根據(jù)電路圖可以看出， 集成芯片 cx20106在接收裝置電路中的作用很大。cx20106 是一款紅外線檢波接收的芯片，它常用于現(xiàn)實 生活中， 而且價格便

18、宜。 由于紅外線波的頻率為 38 khz， 與測距使用的超聲波頻率接近。 并且 cx20106 芯片的內(nèi)部設(shè)置比較好，由于設(shè)計中芯片的 f5 角連接了一個外接電阻， 此電阻使他濾波器的中心頻率能夠調(diào)節(jié)，當(dāng) r15 的阻值越大濾波器的中心頻率就越低， 變化范圍在 3060 khz 之間。此次設(shè)計證明用 cx20106a 接收超聲波信號具有優(yōu)秀的靈 敏特性和較強的抗干擾能力。 超聲波測距預(yù)警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子 程序和數(shù)碼顯示子程序等。超聲波測距預(yù)計能夠系統(tǒng)主程序第一步是對系統(tǒng)進行初始 化， 初始化定時器 t0 為 16 位定時計數(shù)器的工作模式。 全局中斷打開

19、并給顯示端口清 0。 在調(diào)用超聲波的發(fā)生子程序發(fā)出一個超聲波脈沖，在發(fā)射過程中延時約 0.1 ms，避免聲 波信號從發(fā)射器發(fā)出后直接傳送到接收器而引起直射波觸發(fā)，然后在使用外中斷接收遇 到物體后返回聲波信號。我采用了 12 mhz 的晶振，計數(shù)器每次計數(shù)間隔是 1s，當(dāng)主 程序接收到成功的信號后，將計數(shù)器 t0 中的數(shù)計算，即得出與障礙物之間的距離，測 出距離后將結(jié)果送往 led 顯示，這就是超聲波測距的過程。 在系統(tǒng)調(diào)試方面，由于設(shè)計的電路由很多集成電路構(gòu)成。外圍元件很少，所以調(diào)試 不太難。只要焊接的電路沒有錯誤，簡單調(diào)試一下就能夠正常使用了。電路設(shè)計中除了 集成電路，對其它電子元件也沒專業(yè)

20、要求?？梢愿鶕?jù)測量距離的差異，調(diào)整與接收換能 器濾波電容就能得到適合靈敏度和超聲波抗干擾能力。22 超聲波測距原理超聲波測距是通過檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射回來的回波，如圖2-1所示 。從而測出超聲 波發(fā)射和接收的時間差t,然后根據(jù)公式s = ct / 2 即可算出汽車與被測物體的距離。s 為汽車與障礙物之間的距離,c為超聲波在空氣中的傳播速度。聲速c與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，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)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ１驹O(shè)計中設(shè)定溫度為常溫20。 圖2-1 超聲波傳播圖 利用超聲波的測距的原理圖如框圖 2-2 所示，單片機發(fā)出 40khz 的信號，

21、經(jīng)放大后 通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán) 電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算， 得出距離數(shù)。數(shù)據(jù)顯示定時器單片機控制放大電路超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器圖2-2 超聲波測距原理圖23 超聲波傳感器為了利用超聲波方便人們的生活，科研機構(gòu)已經(jīng)設(shè)計制做了很多的超聲波傳感器。 超聲傳感器指的是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號或?qū)⑼饨绲穆暡ㄐ?號轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換器件。 超聲波是聲波中的一種。超聲波就是頻率很高的聲波。超聲波在現(xiàn)實生活中能夠廣泛應(yīng)用，是因為超聲波有以下幾種特性，它能夠在氣體、固體、液體

22、、等介質(zhì)中進行傳 播，能夠傳遞巨大的能量，能夠發(fā)生反射、干涉和共振的現(xiàn)象。這些優(yōu)點使超聲波換能 器的研究勢在必行。 大體上講，超聲波的發(fā)生器可分為兩類：一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波，一類是用 電氣方式產(chǎn)生超聲波。兩種方式產(chǎn)生的超聲波功率、頻率和聲波的特性都不相同，因此 不同的用途采用不同的方式產(chǎn)生超聲波。而我在此次設(shè)計中采用電氣方式產(chǎn)生超聲波， 使用目前在理論研究和實際生活中最為常用的壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波傳感器裝置是根據(jù)聲電轉(zhuǎn)換原理制成的，它又稱超聲波探頭或者超聲 波換能器。超聲波換能器有兩種，一種是超聲波發(fā)射換能器，另一種是超聲波接收換能 器。壓電式超聲波換能器的原理是依靠壓電晶

23、體的諧振來進行工作的。超聲波換能器的 內(nèi)部由一個換能板和兩個壓電晶片構(gòu)成。這種超聲換能器需要的壓電材料很少并且價格 便宜，并且很適用于氣體介質(zhì)中。當(dāng)壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵后即可產(chǎn)生振動，發(fā)射聲波脈沖，是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)用于超聲波的發(fā)射。當(dāng)外界的超聲波作用于壓 電晶片時，晶片被迫發(fā)生振動引起形變轉(zhuǎn)換成電信號，這是正壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)應(yīng) 用于超聲波的接收。 在換能器的兩極引腳加上大小和方向不斷變化的交流電壓，就能使壓電晶片產(chǎn)生機 械變形，當(dāng)引腳的頻率和壓電晶片上的振蕩頻率相同時，就能帶動共振板發(fā)生共振產(chǎn)生 超聲波。 超聲波換能器的工作原理是把40khz的間斷方波信號分成2路，一路經(jīng)一級

24、反向器后 到達(dá)tct40一個電極，另一路通過兩級反向器后到tct40的另一個電極，用這種形式將 p1.0發(fā)出的方波信號加到tct40的兩端上，然后產(chǎn)生諧振后經(jīng)輻射器將振動信號向四面 八法傳播出去。當(dāng)超聲波信號經(jīng)過傳播后如果遇到障礙物之后就會發(fā)生光波折射，在傳 播回來，由接收換能器進行接收。24 控制系統(tǒng)方框圖超聲波防撞控制系統(tǒng)圖如框圖 2-3 所示。該系統(tǒng)全部都由單片機進行控制，單盤機 發(fā)出 40hz 的方波脈沖，經(jīng)過超聲波發(fā)射電路發(fā)射出超聲波。超聲波在遇到障礙物之后 反射射回來再由接收電路接收反射聲波信號送入單片機進行分析，計算出汽車與障礙物 之間的距離，將處理后的結(jié)果送入顯示電路經(jīng)過數(shù)碼顯

25、示管顯示出距離，如果距離達(dá)到 安全的極限距離著由報警電路通過蜂鳴器發(fā)車報警，提示司機躲避障礙物。at89c51單片機 振蕩復(fù)位電路掃描驅(qū)動led顯示超聲波發(fā)送電路報警電路超聲波接收電路 圖 2-3 超聲波測距報警系統(tǒng)圖25 超聲波發(fā)射裝置的設(shè)計超聲波發(fā)射器包括兩個部分：超聲波產(chǎn)生電路部分和超聲波發(fā)射控制電路部分。超 聲波探頭采用tct40。單片機p1.0端口輸出40khz的超聲波信號，此時定時器開始計時。通過輸出引腳輸 入，經(jīng)驅(qū)動后推動發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波，此方法充分利用了軟件控制，靈活性好。超聲 波發(fā)射電路設(shè)計圖如圖2-4所示。圖 2-4 超聲波發(fā)射裝置設(shè)計圖 超聲波的發(fā)射電路主要由反相器 7

26、4ls04 和發(fā)射換能器構(gòu)成。at89c51 單片機 p1.0 口輸出的 40khz 的間斷方波信號分成 2 路，一路經(jīng)一級反向器后到達(dá) tct40 一個電極， 另一路通過兩級反向器后到 tct40 的另一個電極，用這種形式將 p1.0 發(fā)出的方波信號 加到 tct40 的兩端上，這樣能夠增強超聲波的發(fā)射強度。在加載反波信號時使用兩個 74ls04 并聯(lián)，可以提高驅(qū)動能力。而電阻 r8、r9 可以增加超聲波換能器的阻尼效果， 縮短了震蕩時間，還可以提高換能器輸出高電平的驅(qū)動能力。26 超聲波接收裝置的設(shè)計超聲波接收器包括接收發(fā)射探頭、信號放大電路和波形變換電路三個部分。超聲 波探頭采用rct4

27、0。 按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個回波的時刻。接收裝置的設(shè)計可用 cx20106a來完成。在空氣中傳播超聲波的其能量的衰減與距離是成正比的，距離越小、 衰減越少，距離越大、衰減越多，通常都在1v之內(nèi)。圖 2-5 超聲波接收裝置設(shè)計圖 超聲波的接收裝置如圖2-5超聲波接收裝置圖所示。超聲波的接收采用cx20106a集 成電路模塊，根據(jù)電路圖可以看出，集成芯片cx20106在接收裝置電路中的作用很大。 cx20106是一款紅外線檢波接收的芯片，他常用于現(xiàn)實生活中，而且價格便宜。由于紅外線波的頻率為38 khz，與測距使用的超聲波頻率接近。并且cx20106芯片的內(nèi)部設(shè)置 比較好，由于設(shè)

28、計中芯片的f5角連接了一個外接電阻，此電阻使他濾波器的中心頻率能 夠調(diào)節(jié)，當(dāng)r15的阻值越大濾波器的中心頻率就越低，變化范圍在3060 khz之間。 cx20106對收到的信號進行放大、濾波的作用。當(dāng)接收到的聲波信號經(jīng)由放大器， 調(diào)整信號的頻率， 然后濾波消除干擾信號， 最后再經(jīng)過整形， 輸出到cx20106的7腳輸出。 當(dāng)接收到的聲波信號與cx20106的中心頻率相符時，它的7腳就會低電平輸出，而7腳接 到int0引腳上，這樣就會中斷。若頻率和cx20106的中心頻率不同時，即可調(diào)節(jié)r15，使 濾波器的中心頻率與超聲波測距的頻率相符。27 顯示電路的設(shè)計顯示電路中顯示測量距離使用的是4位共陰

29、的led數(shù)碼管，它簡單實用并且價格便 宜。位碼使用四個pnp三極管來驅(qū)動，顯示電路設(shè)計圖如圖 2-6顯示電路設(shè)計圖所示。 圖2-6顯示電路設(shè)計圖 2.8 報警裝置的設(shè)計報警部分采用一個蜂鳴器進行報警，led發(fā)光，利用單片機控制輸出一個一定頻率的信號。信 號通過一個三極管，把信號放大，以增強驅(qū)動能力。然后將放大之后的信號連接到蜂鳴器上，報警部分裝置的設(shè)計圖如圖 2-7 所示。 圖 2-7 報警裝置設(shè)計圖 蜂鳴器是使用直流電源進行供電，它廣泛應(yīng)用于當(dāng)今生活中，尤其在計算機、報警 器、復(fù)印機、打印機、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機等電子設(shè)備制造中作為發(fā)聲的器件而廣泛應(yīng)用。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子

30、發(fā)聲器，它分為兩種類型，一種是壓電式蜂鳴器另一種是電磁式蜂鳴器。 壓電式蜂鳴器主要由壓電蜂鳴片、多諧振蕩器、共鳴箱阻及抗匹配器還有外殼等部 分組成。壓電蜂鳴片是由鈮鎂酸鉛或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制造而成。而多諧振蕩器由集成電路或者晶體管構(gòu)造而成。當(dāng)電極兩端接通電源以 后,多諧振蕩器開始振動,輸出音頻信號，然后阻抗匹配器便能推動壓電蜂鳴片發(fā)出聲 音。電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、磁鐵、振動膜片、電磁線圈和外殼等部分組成。在兩 極接通電源之后，振蕩器能夠產(chǎn)生的音頻信號，信號通過電磁線圈，便會使電磁線圈生 成磁場。這樣振動膜片便會在磁鐵和電磁線圈的作用下，周期性反復(fù)地振動從而發(fā)出聲音。第三章 硬件的設(shè)計和

31、制作硬件電路的設(shè)計主要包括三部分：單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波的發(fā)射和檢測接 收電路。在本次設(shè)計中單片機采用at89c51。還采用了12mhz高精度的晶振，以減小測量 誤的差。用at89c51的p1.0端口輸出所需的40khz的方波信號，采用at89c51實現(xiàn)對tct40 超聲波轉(zhuǎn)換模塊和cx20106a芯片的控制。31 芯片的功能 3.1.1 at89c51的功能特點at89c51 單片機主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出接口等組成。中央處理器是 單片機的核心部分，它的主要作用是完成運算和控制功能。程序存儲器具有存儲功能， 使應(yīng)用程序在開發(fā)調(diào)試后永久性的存儲在程序存儲器中。 at89c51

32、控制著超聲波的發(fā)送和接收,串行口發(fā)送數(shù)據(jù)。led 顯示是共陰極接法的動態(tài)循環(huán)顯 示.接收電 路接收超聲波遇到物體后反射回來的回波信號。該芯片包括了限幅放大、前置放大、整 形和輸出數(shù)據(jù)信號，這樣方便了檢測判斷回波的數(shù)據(jù)是否正確, 并且能夠通過計算得出 距離值. at89c51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓， 8 位高性能的 cmos 微處理器，叫做單片 機。該單片機采用的制造技術(shù)是 atmel 高密度非易失存儲器制造成的，它能夠與達(dá)到工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出管腳和 mcs

33、-51 指令集相兼容。由于它將 8 位多功能 cpu 處理器和閃爍存 儲器組合在單個芯片中,at89c51 是一種高效微控制器外形及引腳排列如圖 3-1 所示。 圖 3-1 at89c51 控制器 at89c51 有兩種可用軟件來選擇的省電方式：空閑工作方式和掉電工作方式。當(dāng)處 于空閑方式時 cpu 處于睡眠狀態(tài)，但片內(nèi)的其他部件仍然繼續(xù)工作，而且片內(nèi) ram 的內(nèi) 容和所有專用寄存器的內(nèi)容在空閑方式期間都被保留起來。當(dāng)處于掉電方式時保存了 ram 的內(nèi)容，振蕩器停止震蕩，禁止芯片其它功能直到下一次硬件復(fù)位才能使用。at89c51 為許多器材的制造提供了十分靈活和低成本的解決辦法。充分的利用了

34、單 片機的片內(nèi)資源，使我們可以在較少使用外圍電路的情況下完成超聲波測距。3.1.2 cx20106 功能特點 cx20106對收到的信號有放大和濾波的作用。如圖3-2所示，cx20106芯片的接口圖。 cx20106有8個引腳，管腳1是超聲波信號輸入端；管腳2的電阻和電容決定接收換能器的 總增益，通過增大或者減小電阻電容，確定放大倍數(shù)，改變放大器的頻率。管腳3與gnd 之間連接的電容起到檢波作用；管腳5上的連接一個電阻，這個電阻用來設(shè)置濾波器的 中心頻率；管腳6與gnd之間接入一個電容，該電容確定探測距離；管腳7是集電極開路 輸出端：管腳8接電源正極。 圖3-2 cx20106 芯片接口圖 3

35、.1.3 led數(shù)碼管在生活中最常見到的 led 數(shù)碼管是八段和七段的，八段式原理圖的如圖 3-4 所示。 本次設(shè)計中采用的是八段式的數(shù)碼管。八段式的與七段式的相比，他們各部分結(jié)構(gòu)大體 相同，八段只比七段式的多了一個小數(shù)點。數(shù)碼管里都是由 led 發(fā)光二極管發(fā)光單片機 控制 led 的滅亮顯示出不同的形狀從而顯示出數(shù)字，八段式的數(shù)碼管與七段式的主要區(qū) 別就在于八段式的數(shù)碼管中有八個發(fā)光二極管，而七段式的數(shù)碼管中有七個發(fā)光二極 管，兩種之間只差一個點。 數(shù)碼管又分為兩種類型，共陽極型和共陰極型。原理圖如圖3-3共陽極型和共陰極 型原理圖所示。共陽極型就是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陽極都接在一起并且接

36、到電源 上，連接好之后把其中任何哪個發(fā)光二極管的陰極接到地線上，它就會發(fā)光。共陰極型則是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陰極都接在一起并且接到地線上，連接好之后把其中任何哪個發(fā)光二極管的陽極接到電源上，它就會發(fā)光。 圖 3-3 共陰極型和共陽極型原理圖 圖 3-4數(shù)碼顯示管引腳圖如圖 3-4 數(shù)碼顯示管引腳圖所示， 把兩個 com 引腳連接起來， 作為數(shù)碼管的公共端， 數(shù)碼管共陽端要接地，共陰端接電源。一個二極管是一位，八個管子即 a,b,c,d,e,f,g 還有 dp， 拼成個 8 字列在一起就構(gòu)成了一個 8 位的數(shù)碼顯示管。 一個八段式的數(shù)碼顯示 管的每個顯示管連在一起，每個二極管的公共端稱為位選線

37、。在數(shù)碼管顯示數(shù)字是，一 個二極管對應(yīng)一條直線，a 對應(yīng)的是首位，dp 對應(yīng)最后位。例如，當(dāng)數(shù)碼管顯示管顯示 數(shù)字 0 時，那么共陰極數(shù)碼顯示管的編碼就為 00111111，十六進制數(shù)為 0x3f，而共陽 極的數(shù)碼顯示管的編碼就是 11000000，十六進制數(shù)為 0xc0。通過這個例子可以看的出 來共陰極數(shù)碼顯示管和共陽極數(shù)碼顯示管的編碼各個位是相反的。3.1.4系統(tǒng)的特點 基于超聲波技術(shù)的汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計，由于使用單片機作為控制元件控制整個系 統(tǒng)電路，致使系統(tǒng)操作方便、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單并且能夠自動控制該系統(tǒng)的的運行， 能夠自己檢測障礙物。對于當(dāng)今社會汽車擁擠的這一現(xiàn)狀，此項研究對于防止交

38、通事故 的發(fā)生具有預(yù)防作用。 總體說來，本次設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)測距的功能，報警距離可以人工智能控制，能夠產(chǎn)生 方向性好，抗干擾能力強，穿透能力強的聲波信號，能夠在事故發(fā)生前提示報警。 3.2硬件電路設(shè)計和 pcb 板的制作超聲波測距預(yù)警系統(tǒng)硬件部分由超聲波的接收電路、顯示電路、超聲波的發(fā)射電路 和單片機的外圍電路等各部分組成。 使用單片機的p1.0口輸出40khz的方波信號，經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，以達(dá) 到超聲波換能器所需的震蕩條件。利用中斷口int0檢測超聲波接收電路接收到的返回信 號，當(dāng)單片機int0引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r超聲波就已經(jīng)返回。計數(shù)器計出超聲波傳 播所用的時間，然后算就能夠得到

39、與障礙物之間的距離大小。顯示電路采用結(jié)構(gòu)簡單的 4位led數(shù)碼管把測量的距離顯示出來，位碼用4個pnp三極 管來驅(qū)動。 超聲波測距預(yù)警系統(tǒng)是利用單片機控制超聲波的發(fā)射接，并自動計時得出超聲波的 往返時間，單片機采用的是 at89c51，這種單片機經(jīng)濟實用，結(jié)構(gòu)簡單。并且單片機內(nèi) 有 4k 的 rom，方便于編程。 這時就可以使用單片機把各部分設(shè)計好的電路圖連接起來進行仿真了。超聲波預(yù)警系統(tǒng)電路的設(shè)計圖如附錄一汽車預(yù)警系統(tǒng)原理圖所示。3.3超聲波測距系統(tǒng)元器件清單在本次設(shè)計中使用的元器件主要有單片機 at89c51， cx20106a,超聲波探頭， 蜂鳴器， 數(shù)碼顯示管等，所用元器件詳細(xì)清單如表

40、 3-5所示。表3-5元器件清單 34 汽車防撞系統(tǒng)實物制作電路圖經(jīng)過仿真成功后，制作成 pcb 板。 pcb 的制造很復(fù)雜，一般都要經(jīng)過制版、 圖形轉(zhuǎn)移、光學(xué)蝕刻、過孔和銅箔處理、助焊和阻焊處理等過程。由于設(shè)備的不足，在 這次設(shè)計中，電路板的制作我沒有能夠親自參與，由制板公司代為制做，感覺很遺憾。電路板制作成功之后，其他元件也都成功買到。在焊接制作工程中，遇到了很多苦難， 由于對器件的不了解，造成了多次焊接錯誤，在改正錯誤的過程中了解了很多的器件， 尤為一提的便是焊接技術(shù)。在這次焊接中，自己專業(yè)的學(xué)習(xí)了焊接技術(shù)，大大增強了自 己的動手能力。 在焊接中，焊點的最佳狀態(tài)是焊點為等腰三角形，兩腰要

41、略凹，并且焊點表面要光 滑并且焊點布滿焊盤。在焊接時首先要準(zhǔn)備好焊錫絲和烙鐵。在加熱焊件之前確保烙鐵 的熱度足夠，并且烙鐵頭部要干凈。然后開始加熱焊件，把烙鐵接觸到焊接點要保證烙 鐵讓整個焊件加熱，然后放焊錫絲，當(dāng)焊錫絲融化滿焊盤后，先將焊錫絲移開，最后在 移開烙鐵。圖3-4 汽車防撞系統(tǒng)實物圖 第四章 軟件的設(shè)計超聲波測距預(yù)警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子 程序和數(shù)碼顯示子程序等。 41 軟件工作過程按下控制系統(tǒng)的開關(guān)， 進行系統(tǒng)的初始化， 當(dāng)主程序完成初始化后調(diào)用發(fā)射子程序， 由 p1.0 口發(fā)射出1 個脈沖，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波，并且計數(shù)器開始計時。利

42、用定時器的計數(shù)功能記錄到超聲波發(fā)射到接受所用的時間當(dāng)超聲波接收器接收到超聲 波后，接收電路輸出端輸出一個跳變信號，在int0端產(chǎn)生一個中斷的信號，得到超聲波 的時間差。溫度假設(shè)不變，知道了時間和超聲波的聲波速度后，通過單片機的計算得出距離，顯示出來，到達(dá) 距離極限時，啟用報警模塊。42 算法的軟件設(shè)計超聲波測距是通過檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射回來的回波，從而測出從發(fā) 出超聲波信號到接收到返回信號的時間間隔,然后求出距離由 s=ct/2 即可算出汽車與被 測物體的距離。 其中，s 為測量的距離,c 為超聲波在空氣中的傳播速度。t 從發(fā)出超聲波信號到接 收到返回信號的時間間隔。 在啟動發(fā)射電

43、路發(fā)射超聲波的同時開啟單片機 at89c51 內(nèi) 的定時器 t0， 通過定時器計數(shù)器的計數(shù)功能記錄下來超聲波發(fā)射的時間和接收到超聲 波的時間。當(dāng)接收電路收到超聲波時，接收電路的輸出端會產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 int0 端能夠產(chǎn)生一個中斷信號，單片機響應(yīng)中斷請求后執(zhí)行外部中斷子程序，讀取出來時間 間隔，計算出距離。4. 3主程序流程圖軟件分成兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖4-1（a）（b）（c）所示。主程序完成初始化工作，各路超聲波發(fā)射和接受順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射。外部中斷服務(wù)子程序主要完成是件值得讀取，距離計算，結(jié)果的輸出等工作。 定時中斷入口定時器初始化停止

44、發(fā)射返回發(fā)射超聲波三方向均發(fā)射完否？yn開始單片機初始化定時中斷子程序有無回?fù)?？外部中斷子程序ny圖（a）主程序流程圖 圖（b）定時中斷服務(wù)子程序外部中斷入口 關(guān)外部中斷開外部中斷結(jié) 果 輸 出計 算 距 離讀取時間值返回 圖（c）外部中斷服務(wù)子程序主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器t0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位ea并給顯示端p0和p1清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接受返回的超聲波信號。由于采用的是12m

45、hz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1us，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位之后將計數(shù)器t0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按公式計算，即可得到被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取20時的聲速為344m/s則有：s = ct / 2=172t0/10000cm其中，t0為計數(shù)器t0的計算值。測出距離后結(jié)果將以十進制bcd碼方式送往led顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用c語言。第五章 系統(tǒng)調(diào)試在本次設(shè)計中，除了硬件和軟件的設(shè)計可行之外，軟件和硬件的調(diào)試也是本次設(shè)計 中的重要部分。如果設(shè)計的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)沒有經(jīng)過軟件和硬件的調(diào)試可能會直接

46、導(dǎo) 致本次設(shè)計的失敗。5.1 硬件調(diào)試 根據(jù)前面的研究完成各個電路模塊的原理設(shè)計并生成pcb圖，制作電路板，進行實驗調(diào)試。（1）在制作之前，電路板的檢查是很重要的， 在檢查中先仔細(xì)檢查印制板上印制的線條有沒有斷路和毛刺，焊盤有沒有脫落，是否和 別的線粘連等等。（2）用萬用表檢測看起來可疑連接線或者連接點，看它們是否和設(shè)計 中規(guī)定的一樣。用萬能表檢查每個電源線與地線之間的鏈接，看有沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象。 短路一定要在器件安裝之前及時的檢查出來。安裝完元器件后接通電源，感覺一下芯片 有沒有出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，如果出現(xiàn)就要立即關(guān)掉電源，檢測一次。（3）硬件調(diào)試需要經(jīng)過反 復(fù)的調(diào)試，直到各個模塊通過檢測沒有問

47、題，通過反復(fù)檢查之后硬件調(diào)試完畢。5.2 軟件調(diào)試當(dāng)硬件制作完成后，軟件制作也是不可輕視的部分，是實現(xiàn)電路的功能的關(guān)鍵部分，通過本次畢業(yè)設(shè)計，總結(jié)經(jīng)驗如下：（1）先進行人工檢查。寫好程序后，不要立刻燒入單片機，先對紙面上的程序進行人工檢查。由于采用c語言編程，所以要特別小心地檢查語法錯誤，如括號不配對，漏寫分號等，通過仔細(xì)的檢查，發(fā)現(xiàn)并排除這些錯誤。（2）人工檢查無誤后，上機調(diào)試。在編譯時給出的語法錯誤的信息，根據(jù)提示的信息具體找出程序中錯誤之處并改之，從上至下逐一改正。應(yīng)當(dāng)注意的是：有的提示出錯行并不是真正出錯的行，如果在提示出錯的行上找不到錯誤的話，則應(yīng)該到上行再找。（3） 當(dāng)確認(rèn)程序無語

48、法錯誤和邏輯錯誤時，通過直接下載到單片機來調(diào)試。采用的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。（4） 程序燒入單片機后，觀察各個部件的工作是否正常，功能是否實現(xiàn)。如不能正常工作，則繼續(xù)檢查程序中的相應(yīng)模塊，必要時從上到下重新檢查程序。結(jié)論汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，用計時器計出超聲波從發(fā)射 到接收到遇到障礙物后反射聲波的時間通過公式計算出汽車與障礙物之間的距離。它的硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路及顯示電路三部分。單片機采用的是at89c51系列。超聲波的發(fā)射電路主要由反相器74ls04和發(fā) 射換能器構(gòu)

49、成，用單片機p1.0端口輸出超聲波發(fā)射器所需要的40khz的方波信號。超聲波的接收采用cx20106a集成電路模塊進行。超聲波測距預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括主程序、發(fā)射子程序、外部中斷子程序和數(shù)碼顯示子程序。雖然在本次畢業(yè)設(shè)計中已經(jīng)通過認(rèn)真的思考，但是還有很多不足的地方。在本設(shè)計中有兩點不足之處，一是沒有把汽車速度的測量設(shè)計到汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)中去，對于這一方面還沒有充分的研究，對于測速的初步想法就是利用多普勒效應(yīng)測出汽車的行駛速度，然后根據(jù)測出的速 度確定汽車與障礙物之間的極限安全距離在由單片機智能控制發(fā)出報警信號。二是對于溫度對超聲波傳播速度的影響，本設(shè)計把溫度設(shè)為常溫不變，實際溫度對超聲波速度影響很大，所以就降低了超聲波的抗干擾能力，對于溫度補償?shù)某醪较敕ㄊ怯脺囟葌鞲衅鲗ζ嚪雷差A(yù)警系統(tǒng)進行溫度補償，消除了溫度對于超聲波聲速的影響?？傮w而言，這次設(shè)計達(dá)到預(yù)期效果，實物可以顯示預(yù)期要求，而且這次設(shè)計時做實物，就更提高了我的動手能力，能讓我更好的把理論運用到實際中去，時間有限，不能進一步的深入，希望有時間時可以對本設(shè)計進一步完善，對不足之處進行補充修改。參考文獻(xiàn)1 陳明熒. 8051單片機基礎(chǔ)教程m. 北京：科學(xué)出版社，2003.2 馬忠梅. 單片機c語言應(yīng)用程序設(shè)計m. 北京：北京航空