畢業(yè)設計（論文）基于單片機的小車防撞系統(tǒng)的設計

1、泉 州 師 范 學 院 畢業(yè)論文（設計）題 目 基于單片機的小車防撞系統(tǒng)的設計 based on scm car anti-collision system design 物理與信息工程 學 院 電子信息科學與技術 專 業(yè) 07 級 1班學生姓名 學 號 070303049 指導教師 職 稱 講師 完成日期 2011年4月 教務處 制 基于單片機的小車防撞系統(tǒng)的設計物理與信息工程學院 07級電子信息科學與技術 指導教師 講師【摘 要】本文介紹了at89s51單片機的性能及特點，設計了以其為核心的一種低成本、高精度、微型化、數字顯示的汽車防撞報警器。該防撞報警器將單片機的實時控制及數據處理功能，

2、與超聲波的測距技術、傳感器技術相結合，可檢測汽車運行中后方障礙物與汽車的距離，通過數顯裝置顯示距離，并由發(fā)聲電路根據距離遠近情況發(fā)出警告聲。對防范汽車倒車事故的發(fā)生具有重要的意義?！娟P鍵詞】單片機;超聲波;防撞;報警目錄引言31系統(tǒng)設計的目標和任務31.1系統(tǒng)設計的基本要求31.2系統(tǒng)設計的思路31.3方案論證31.3.1發(fā)送模塊31.3.2接收模塊32 at89s51單片機與超聲波簡介42.1 at89s51單片機的概述42.2 at89s51單片機的特點42.3 超聲波簡介52.4 基于cx20106超聲波測距的調試53系統(tǒng)軟件部分設計53.1超聲波系統(tǒng)主流程圖53.2超聲波硬件設計與軟件

3、編程73.2.1復位電路83.2.2顯示電路83.2.3超聲波發(fā)送與接收模塊93.2.4 報警模塊104 調試及性能分析114.1 硬件調試114.2 軟件調試114.3測試結果與分析115設計總結12致謝12參考文獻13附錄1電路原理圖13附錄2 pcb圖13附錄3程序14引言隨著現代化城市的發(fā)展，城市密度越來越大，城市交通越來越擁堵，人們對自身的生命財產安全越來越重視，在公路上車輛行駛的安全性也得到了更多的關注，能否在高速行駛公路上及時提醒司機駕駛安全也變得更加重要。因此，設計一個小車防撞系統(tǒng)也就變得很有必要。目前測量距離一般都采用波在介質中的傳播速度和時間關系進行測量。常用的技術主要有激

4、光測距、微波雷達測距和超聲波測距三種1。超聲波具有指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠的優(yōu)點，因此經常用于距離的測量。超聲波測距主要用于建筑工地以及一些工業(yè)現場和移動機器人研制上，可在潮濕，多塵等環(huán)境下工作。相對于其他技術而言，超聲波定位技術成本低、工作穩(wěn)定、精度高、操作簡單等優(yōu)點，非常適用于距離測量定位。at89s51為小車防撞控制系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、可靠的解決辦法，充分利用它的片內資源，實現了超聲波測距和報警 2。1系統(tǒng)設計的目標和任務1.1系統(tǒng)設計的基本要求本次設計的主要內容是設計一種基于單片機汽車防撞報警系統(tǒng)的硬件電路，主要利用單片機對超聲波傳感器采集的模擬數據的處理及存儲。設計

5、的基本要求：1.快速自動報警功能：當超聲波傳感器檢測到汽車后方障礙物與汽車的距離小于安全值時，系統(tǒng)能快速進行聲光報警。2.準確地向終端報警：能夠及時并準確地向司機進行報警，快速地實現安全檢測。3.實時檢測功能：監(jiān)測模塊能實時采集汽車與后方障礙物距離的變化，將這些數據定時傳送給單片機，有利于及時了解當前所處情況是否處于安全環(huán)境之下3。1.2系統(tǒng)設計的思路該系統(tǒng)分為監(jiān)測部分與終端接收部分。監(jiān)測部分，通過超聲波系統(tǒng)對碰到的障礙物進行檢測，再通過單片機系統(tǒng)對接收到的數據進行處理，保證在終端能準確地接收信息，蜂鳴器同時工作；終端接收部分，終端通過單片機分析接收的相關信息，在led上顯示與障礙物的距離4。

6、1.3方案論證1.3.1發(fā)送模塊方案1：采用壓電式超聲波換能器。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。方案2：采用反向器74ls04和超聲波發(fā)射換能器t構成震蕩器。這種電路可以提高超聲波發(fā)射強度，且電路簡單，穩(wěn)定性高。方案3：單電源乙類互補對稱功率放大電路和ucm40t發(fā)射器。利用單電源乙類互補對稱功率放大大路驅動發(fā)射器5。經論證比較，三種方案差距不大，但鑒于用74ls04電路簡單。故選擇方案2。1.3.2接收模塊方案1：采用集成電路cx20106a。它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，考慮到紅外常用的載波頻率38khz與測距的超聲波40khz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接受電路

7、，且電路簡單，靈敏度高，還有較強的抗干擾能力。方案2：采用ua741構成兩級放大電路，這是專用運算放大器，高增益，增益帶寬積大，抗干擾能力強，可測距離遠，精度高6。經論證比較，雖然方案2相對方案1可測的更遠，但方案1已可滿足項目功能的要求，且方案1電路結構簡單，方便調試，故采用方案1。2 at89s51單片機與超聲波簡介2.1 at89s51單片機的概述at89s51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器。該器件采用atmel高密度非易失存儲器

8、制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89s51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案7。at89s51單片機的引腳結構如圖1所示。圖1 at89s51單片機引腳圖2.2 at89s51單片機的特點at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)及80c51

9、引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。at89s51具有如下特點：40個引腳，4k bytes flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數據存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內時鐘振蕩器8。 此外，at89s51設計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)

10、工作，掉電模式凍結振蕩器而保存ram的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應不同產品的需求9。 主要特性： 8031 cpu與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程flash存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) 全靜態(tài)工作：0hz-33mhz 三級程序存儲器保密鎖定 128*8位內部ram 32條可編程i/o線 兩個16位定時器/計數器 6個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 .2.3 超聲波簡介超聲波具有方向性好、在介質中能量消耗緩慢且速度遠小于光速等特點，因而可用于距離測定。超聲波測量的

11、思想是從超聲波發(fā)射到接收到反射回波的時間間隔來計算距離。超聲波傳感器是實現聲電轉換的裝置，又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。它是在超聲頻率的范圍內將交變的電信號轉變成聲信號的能量轉換器件?？紤]到實際情況，利用超聲波測距時，選用頻率為40khz的超聲波。采用異地反射式來測距，即所測距離是聲波傳輸距離的一半。測量發(fā)射和接收回波的時間差t,在聲速v已知的情況下求出距離s10。距離的計算公式如下：s=(v*t)/22.4 基于cx20106a超聲波測距的調試cx20106a是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38khz與測距的超聲波頻率40khz較為

12、接近，所以把它用于超聲波檢測接收電路。實驗證明用cx20106a接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。當超聲波接收頭接收到40khz 方波信號時，將會將此信號通過cx20106a 驅動放大送入單片機的外部中斷0 口。單片機在得到外部中斷0 的中斷請求后，會轉入外部中斷0 的中斷服務程序進行處理，在移動機器人的避障工作中，可以在中斷服務程序設定需要單片機處理的最短距離，比如0.5m。對于距離大于0.5 m 的障礙物，可以不做處理直接跳出中斷服務程序11。3系統(tǒng)軟件部分設計 3.1超聲波系統(tǒng)主流程圖圖2主程序流程圖圖3 按鍵中斷處理流程圖3.2超聲波硬件設計與軟件編程綜合考慮，控制模塊采

13、用單片機at89s51控制；發(fā)射模塊采用反向器74ls04；接收模塊采用cx20106a；顯示模塊采用液晶顯示器led顯示；報警模塊采用蜂鳴器。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。單片機at89s51發(fā)送模塊接收模塊led顯示報警 圖4超聲波系統(tǒng)框圖3.2.1復位電路單片機外圍需要一個復位電路，復位電路的功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復位信號。該設計采用含有電阻的復位電路，復位電路可以有效的解決電源毛刺和電源緩慢下降（電池電壓不足）等引起的問題，在電源電壓瞬間下降時可以使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復位。復位電路的設計圖如圖5所示：圖5 復位電路 3.2.2顯示電

14、路顯示電路采用的是共陽極8位數碼管，該顯示器與驅動電路相連用于控制led的顯示。為使led顯示，只需在s1，s2，s3，s4依次置為低電平信號，再給led延時一段很小的時間，使數碼管分別顯示，由于人眼的視覺暫留效應，數碼管就像同時顯示一樣。led顯示電路的電路圖如圖6所示。圖6 led顯示電路3.2.3超聲波發(fā)送與接收模塊（1）主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器t0工作模式為16位定時計數器模式，設置總中斷允許為ea，顯示器接p0口，p2接蜂鳴器。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms秒后（這是測距器會有一個最小可

15、測距的原因），才打開外中斷0接受返回的超聲波信號。由于采用12mhz的晶振，機器周期為1us，當主程序檢測到接受成功的標志位后，將計數器t0中的數（即超聲波來回所用的時間），按下式計算即可得到被測物體與測距儀之間的距離，設計時取聲速為0.0347cm/um,則s=(v*t0)/2(v為聲速，t0為聲波來回傳輸的時間)。然后再用超聲波脈沖重復測量。（2）超聲波發(fā)送子程序和超聲波接收中斷程序。超聲波發(fā)送子程序是通過p1.0端口發(fā)送4個左右的超聲波信號頻率約為40khz的方波，同時把計數器t0打開并進行計時。超聲波測距離主程序利用外部中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接受到返回超聲波信號（int0引腳出

16、現低電平），立即進入中斷程序。進入中斷程序后就立即關閉計時器t0停止計時，并將測距成功標志子賦值112。超聲波發(fā)送和接收模塊如圖7，圖8所示。圖7 超聲波發(fā)送模塊圖8 超聲波接收模塊3.2.4 報警模塊p2口接蜂鳴器，當小車離障礙物的距離小于80cm時，置p2.0為低電平，蜂鳴器發(fā)出報警；當小車距離障礙物的距離大于80 cm時，置p2.0為高電平，蜂鳴器停止報警。當小車距離障礙物的距離50cm時，蜂鳴器放出長報警。報警模塊如圖9所示。圖9 報警模塊4 調試及性能分析 4.1 硬件調試 此次制作外擴超聲波的發(fā)送端和接收端，硬件調試采用wave6000/s仿真器，同時用數字萬用表檢測沒有短路、虛焊

17、和各個端口的電壓，各參數顯示正常。電路連接基本確定沒什么問題，主要調整的地方在于接收電路的電阻電容的調整，將電阻電容參數調到合適大小，接收效果明顯增強。4.2 軟件調試在wave編譯器和wave6000/s仿真器仿真下進行軟件調試。使用wave編譯器時設定斷點，對各段函數的調試，還結合硬件用wave6000/s仿真器進行仿真調試。軟件調試過程中的存在問題就是測的不夠遠。其主要原因在于發(fā)送波的發(fā)送頻率，經過多次調試確定最佳發(fā)送次數是4次，多一次少一次都影響測量距離。定時器1來定時控制發(fā)送40khz左右方波給超聲波發(fā)送端。定時器1的定時時間不能太小，如果在較短的時間間隔內發(fā)送，那么也將影響接收 1

18、3。 4.3測試結果與分析 硬件測試過程中經過多次測試其能測的最遠且較穩(wěn)定的距離為426cm，最大誤差不超過1cm。由于場地有限，不可避免的受到干擾。各距離段測量的結果如下表1所示。誤差來源由于聲速與溫度有關，如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償方法加以校正。實際值(cm)41.849.870.68098.8124.7144169.4196.7222.6測量值(cm)42507180100125144170197223實際值(cm)250.6278.5299.6329.7339.9349.8359.6387.5402.3425.5測量值(cm)251279300330340350360388

19、403426表 1 實際測試數據記錄5設計總結為了驗證系統(tǒng)的測量精度，在試驗室進行了實地測量。利用本系統(tǒng)在42426cm范圍進行多次測量。經測量最大誤差在1cm范圍內，穩(wěn)定性和重復行都比較好。系統(tǒng)結構簡單、體積小、實時led顯示和報警、抗干擾能力好等優(yōu)點。系統(tǒng)的誤差主要來自發(fā)射探頭的軸線而導致所反射回來的波可能是從不同點獲得，還有電子器件自身的時延、干擾等也造成一定影響?？梢愿鶕唧w場合，選擇合適功率的探頭，以及調整程序中脈沖的頻率、寬度和個數等提高精度或測量距離，擴大系統(tǒng)的應用范圍。致謝在本次畢業(yè)設計中, 得到了我的指導教師朱老師的大力支持，在電路功能的實現中提出了許多相當寶貴的意見，畢業(yè)論

20、文中也給予了悉心的指導，使我的畢業(yè)設計得以順利完成，對此我表示衷心的感謝，同時也感謝陳泉勇、楊朝陽同學在畢業(yè)設計當中給我的幫助。參考文獻 1 李光飛.單片機課程設計實例指導.北京航空航天大學出版社.北京:2003年6月2 李朝青.單片機原理及接口技術.北京航空航天大學出版社北京:1998年3 李永鑒.簡易超聲波測距儀的制作.五邑大學信息學院. 廣東江門:2006年4 姜道連.用at89c51設計超聲波測距儀.天津理工學院光電信息與電子工程系.天津:2000年12月5 龔運新 單片機c語言開發(fā)技術 清華大學出版社 2006年10月6 段晨東 單片機原理及接口技術 清華大學出版社 2008年8月7

21、 戴佳 51單片機c語言應用程序設計實例精講第二版 電子工業(yè)出版社 2009年11月8 朱月秀.單片機原理與應用（第2版）北京：科學出版社2004.29 周良權,傅恩錫,李世馨.模擬電子技術基礎(第二版)北京：高等教育出版社 2001.12 310 陳瑩.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).華中科技大學碩士學位論文2004.4 11 邱平. 略論我國非金屬超聲波檢測儀器的發(fā)展狀況.工程質量1998.112 超聲波探傷編寫組編著.超聲波探傷.北京：電力工業(yè)出版社，1980年13 李鳴華，余水寶.單片機在超聲波料位測量中的應用. 電子技術應用，1998年based on scm car anti-coll

22、ision system designthe college of physics and information engineering07 class electronics information science and technology 070303049 gan jingchangfaculty adviser zhu chengquan lecturer【abstract】this paper introduces the properties and the characteristics of at89s51, designs a impact-proof alarm wi

23、th low cost, high precision, miniaturization, digital display taking it as the core . the impact-proof alarm takes scms real-time control and data processing functions combine with the ultrasonic ranging technology,the sensor technologies. it is able to detecte the distance of rear obstacle and the

24、automobile, through digital display device shows by sound circuit distance, and according to the distance situation warned. it has the vital significance to prevent automobile reverse accident.【 keywords 】 microcontroller; ultrasonic; impact-proof; alarm 附錄1電路原理圖附錄2 pcb圖 附錄3程序#include sbit k1=p34; s

25、bit csbout=p10; /超聲波發(fā)送 sbit csbint=p32; /超聲波接收 sbit bg=p33; #define led p0 sbit led1=p24; /led控制 sbit led2=p25; /led控制 sbit led3=p26; /led控制 sbit bj=p20;/報警#define csbc 0.0347 unsigned char cl,mqzd,csbs,csbds,buffer3,xm1,xm2,xm0,jpjsunsigned char convert10=0x18,0x7b,0x2c,0x29,0x4b,0x89,0x88,0x3b,0x0

26、8,0x09;unsigned int s,t,i,xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1; void csbcj(); void delay(j); /延時函數 void scanled(); /顯示函數 void timetobuffer(); /顯示轉換函數 void keyscan(); void k1cl(); void k2cl(); void k3cl(); void k4cl(); void offmsd(); void main() /主函數 ea=1; /開中斷 tmod=0x11 /設定時器0為計數，設定時器1定時 et0=1; /定時器0中斷允許 et1=1; /定時器1中斷允許 th0=0x00; tl0=0x00; th1=0x9e; tl1=0x57; csbds=0; csbout=1; cl=0; csbs=8; jpjs=0; sj1=50;/測試報警距離 sj2=200; sj3=580; k4cl(); tr1=1; while(1) keyscan(); if(jpjssj3)