基于單片機的倒車防撞預警系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、倒車雷達電路種類較多，本文介紹基于單片機控制的倒車雷達系統(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)。0引言汽車倒車防撞預警系統(tǒng)即是俗稱的倒車雷達，是汽車泊車輔助裝置。在汽車倒車時，倒車雷達采用超聲波測距原理探測汽車尾部離障礙物的距離，當汽車尾部離障礙物的距離達到探測范圍時，倒車雷達通過數(shù)碼管實時動態(tài)顯示距離。當汽車尾部離障礙物的距離達到設(shè)定的安全警告值時，倒車雷達發(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)都配置有倒車雷達，而出于節(jié)省成本等方面的考慮，經(jīng)濟型小轎車、

2、大客車等其他車輛都沒有配置倒車雷達。有市場需求的產(chǎn)品，必然會帶動產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。系統(tǒng)組成及工作原理倒車防撞預警系統(tǒng)由四路收發(fā)一體封閉（防水）型超聲波及其超聲波發(fā)射與回波接收電路、超聲波電信號放大電路、控制電路、LED數(shù)碼管顯示電路和蜂鳴器聲音報警電路組成系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。單機控制電聲音報警電路開雙四圖1倒車雷達系統(tǒng)組成框圖通道選擇激勵脈沖回披信號超聲波發(fā)射與回波接收屯路、LED數(shù)碼管顯示電路與整形電路收發(fā)一體超聲波傳感器當汽車倒車時由倒車換擋裝置自動接通系統(tǒng)，系統(tǒng)上電復位，進入工作狀態(tài)。單片機產(chǎn)生一串40kHz的矩形脈沖電壓，經(jīng)四選一模擬開關(guān)加到超聲波發(fā)射與回波接收電路，經(jīng)放大驅(qū)動超聲波

3、傳感器發(fā)射出超聲波，同時單片機開始計時。發(fā)射出的超聲波碰到障礙物后形成反射波，部分反射波返回作用于超聲波傳感器，經(jīng)超聲波傳感器的聲電轉(zhuǎn)換，變成微弱的電信號，該微弱的電信號經(jīng)放大、整形產(chǎn)生負跳變電壓，向單片機發(fā)出中斷申請。單片機收到中斷申請的信號后，立即響應(yīng)中斷，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序，停止計時，得到超聲波發(fā)送和返回的時間T,計算出發(fā)射點離障礙物的距離S,即：S=(CT)/2C是超聲波在空氣中的傳播速度，在常溫25C時，C約為346m/s。若發(fā)射出的超聲波在測距范圍內(nèi)未遇到障礙物，直到單片機定時中斷產(chǎn)生，執(zhí)行定時中斷服務(wù)程序，選擇下一路，依次按后左路、后左中路、后右中路、后右路的順序繼續(xù)發(fā)射和接收

4、超聲波，并經(jīng)過計算處理。四路探測處理完畢，選擇四路中測出的最小距離值通過LED數(shù)碼管顯示出來。當最小距離值小于預先設(shè)定的報警距離時，單片機接通蜂鳴器的電源，蜂鳴器發(fā)出報警聲。若四路探測無回波中斷申請，則顯示“-”，表明在安全距離內(nèi)沒有障礙物，再繼續(xù)下一輪的循環(huán)探測處理。系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計21超聲波發(fā)射與回波接收電路超聲波發(fā)射與回波接收電路的主要作用是提高驅(qū)動超聲波傳感器的脈沖電壓幅值，有效地進行電/聲轉(zhuǎn)換，增大超聲波的發(fā)射距離，并通過收發(fā)一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉(zhuǎn)變成微弱的電信號。超聲波發(fā)射與回波接收電路如圖2所示(畫出一路，其他三路與該路一樣)。EFR40RS1N414S4+12XC

5、D4052P3.3P3.4P35圖2超聲液發(fā)射與回波接收電路EFR40RS是收發(fā)一體封閉(防水)型超聲波傳感器，其中心頻率fO=(4O.01.O)kHz,-3dB帶寬1kHz。驅(qū)動電壓峰一峰值要求60150V。CD4052是雙路四選一模擬開關(guān)，單片機的P3.4和P3.5端口輸出選號，單片機的P3.3端口輸出一串40kHz的脈沖電壓，通過CD4052的X路加到選通的開關(guān)三極管Q1基極,經(jīng)脈沖變壓器T1升壓至100VP-P左右，驅(qū)動超聲波傳感器EFR40RS發(fā)射超聲波。發(fā)射時的脈沖電壓幅值大小直接影響測距的遠近，應(yīng)采用超聲波專用的脈沖變壓器。反射回的超聲波經(jīng)原收發(fā)一體封閉型超聲波傳感器變成毫伏級的

6、一串脈沖電信號。由于回波電信號的幅值小，VD3和VD4二極管截止，該信號不會通過T1變壓器副邊線圈形成短路。VD1和VD2二極管也截止，所以回波電信號經(jīng)R1和C1，通過CD4052的Y路送到超聲波電信號放大與整形電路。R1和VD1,VD2組成雙向限幅電路，避免發(fā)射時的大信號造成超聲波放大與整形電路阻塞，甚至損壞電路2.2超聲波電信號放大電路超聲波電信號放大電路采用集成電路CX20106A構(gòu)成。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號接收集成電路。通過外部所接電阻，將其內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0設(shè)置為40kHz,就可以接收放大超聲波電信號，并整形輸出負脈沖電壓。應(yīng)用電路如圖3所示。1

7、腳是超聲波電信號輸入端，2腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是內(nèi)部前置放大電路負反饋網(wǎng)絡(luò)的組成部分。電阻R5的數(shù)值確定前置放大電路的增益。R5電阻值減小，負反饋減弱，放大倍數(shù)增大；反之，則放大倍數(shù)減小。3腳與地之間連接檢波C3,適當改變電容C3的大小，可以改變超聲波電信號放大和整形電路的靈敏度和抗干擾能力。C3電容量大，靈敏度低，抗干擾能力強；C3容量小，靈敏度高，抗干擾能力弱，易造成誤動作。5腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0。356200kQ33nFU3CX20106A圖3超聲波放大與整形電路R,4.7kUP321pF330pFTNC,C2GND鼠GOUT怙當R6=2

8、00kQ時，f0=40kHz。6腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pF。如果該電容值取得太大，會使探測距離變短。7腳是電路集電極開路輸出端，R7是該引腳的上拉電阻。集成電路CX20106A無信號輸入時，7腳輸出高電平，當輸入的超聲波電信號經(jīng)放大、整形后，7腳輸出一個負脈沖電壓。23單片機控制電路和顯示、報警電路電路如圖4所示。由于系統(tǒng)用到單片機的輸入輸出端口不多，在不考慮功能擴展時，從功能夠用和低成本的角度考慮，采用AT89C2051單片機作為控制電路的核心器件。AT89C2051單片機共有20個引腳，其中有15個I/O端口（P3.6無引出腳）。兩個16位定時器/計數(shù)器，其體積小、價格低

9、。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機的P3.3端口周期性的輸出一串40kHz的矩形脈沖，通過雙路四選一模擬開關(guān)CD4052周期性地加到四路超聲波發(fā)射與回波接收電路。單片機的P3.4和P3.5端口輸出雙路四選一模擬開關(guān)CD4052的選通信號。單片機的P3.2端口為外部中斷0中斷申請信號輸入端。三位LED數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。U4的小數(shù)點常亮，U4的單位為m，U5的單位為dm，U6的單位為cm。采用有源蜂鳴器作為報警發(fā)音器件，一是器件成本低，二是便于動態(tài)掃描顯示的編程。系統(tǒng)軟件的設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，方便擴展移植。采用匯編語言編程。主要有主程序、TO中

10、斷服務(wù)程序、外部中斷0服務(wù)程序、超聲波發(fā)生子程序。31主程序本系統(tǒng)有四路測距通道，采用分時工作，按后左一后左中一后右中一后右順序循環(huán)測距。每一路發(fā)射超聲波后的等待外部中斷時間應(yīng)大于超聲波在最大有效探測距離內(nèi)往返時間。所以按最大有效探測距離可以估算出最短的循環(huán)間隔時間。因為超聲波在空氣中傳播能量會不斷衰減，所以超聲波測距存在最大有效探測距離。這最大有效探測距離與多種因數(shù)有關(guān)：與超聲波傳感器性能的好壞、與驅(qū)動超聲波傳感器的脈沖電壓幅值(功率)的大小、障礙物大小和形狀、障礙物吸波特性以及反射波與入射波之間的夾角、與超聲波放大和整形電路的靈敏度等有關(guān)。設(shè)定最大有效探測距離為8m(收發(fā)一體封閉型超聲波傳

11、感器比較難達到，實際上也沒有必要探測很遠的障礙物，只是設(shè)計留有裕量。由于顯示位數(shù)有限，也必須對最大探測距離做限制)，則循環(huán)工作的間隔時間Tm=2S/C=2x8/346A46ms,加上避免接收超聲波傳感器余振的延時和程序執(zhí)行時間，留足裕量，設(shè)定Tm56ms。主程序流程圖如圖5所示。首先是對系統(tǒng)初始化。端口pl.0、P3.3置0；設(shè)置堆棧，中斷允許總控制位EA允許中斷(EA=1)；允許外部中斷0中斷(EX0=1),采用邊沿觸發(fā)方式(IT0=1)；設(shè)置定時器T0允許中斷(ET0=1),以16位工作方式定時約56ms；設(shè)置定時器T1以16位工作方式定時/計數(shù)，計數(shù)初值0000H，然后啟動T0定時。設(shè)置

12、顯示數(shù)據(jù)初值為三位BCD碼999(cm),對應(yīng)字形段碼顯示“-”。四路探測處理完畢后，將四組數(shù)據(jù)中的最小值送入顯示緩沖區(qū)，通過LED數(shù)碼管顯示。同時該值與設(shè)定的100cm值比較，若四組數(shù)據(jù)中的最小值小于100cm，P3.7端口置0,Q2三極管導通，有源蜂鳴器得電發(fā)出報警聲。N最小值小于1圖5主程序流程圖系統(tǒng)初始化，To,T】定時設(shè)置、啟動G定時56ms設(shè)賢顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)置顯示數(shù)擁初值動態(tài)顯示讀取顯示數(shù)據(jù)+一I接通報警斷開報警開始由于單片機采用12MHz的晶振,1個機器周期為1ps,所以計數(shù)器每計一個數(shù)就是1ps,定時器T1工作模式設(shè)置為16位定時/計數(shù)器模式，則其最大定時65.536ms。由于

13、定時器TO每56ms產(chǎn)生中斷，執(zhí)行TO中斷服務(wù)程序時停止T1計時，所以T1計時不會產(chǎn)生溢出中斷。一輪四路探測處理完畢所用時間大約是56msx4=224ms,用時很短，而倒車速度又比較慢,所以可以做到實時動態(tài)顯示。3.2TO中斷服務(wù)程序TO中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。每隔56ms分別按后左-后左中-后右中-后右順序選通下一路超聲波發(fā)射與回波接收電路，調(diào)用超聲波發(fā)生子程序，送出16個40kHz的超聲波脈沖電壓，定時器T1開始計時，定時器T0開始定時56ms，使每路工作56ms。為了避免接收到超聲波傳感器余振的直射波產(chǎn)生的中斷申請，延時2.8ms后，才允許外部中斷0中斷，等待接收返回的超聲波信號。

14、所以，最小探測距離（盲區(qū)）Smin=Ct/2=346x0.0028/2A0.48m。四路探測處理完畢，將四路中最小值送入顯示緩沖區(qū)。若在四路探測中有些路在有效探測范圍內(nèi)發(fā)射的超聲波未遇障礙物，無返回波，外部中斷0不產(chǎn)生中斷申請信號，或者是進入探測盲區(qū)，外部中斷0產(chǎn)生的中斷申請不被受理，則定時器T1計時到定時器T0產(chǎn)生中斷，在T0中斷服務(wù)程序中，用三位BCD碼999（三位十進制數(shù)最大值999cm）置夠四組數(shù)據(jù)。若顯示緩沖區(qū)的四組數(shù)據(jù)都是999時，則對應(yīng)字形段碼顯示“-”。倒車伊始，LED數(shù)碼顯示器就顯示“-.-”，表明在安全距離內(nèi)沒有障礙物；若發(fā)出報警聲后，又顯示“-”，表明進入了探測盲區(qū)。3.

15、3外部中斷0服務(wù)程序外部中斷O服務(wù)程序流程圖如圖7所示。單片機一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑⒓催M入外部中斷0服務(wù)程序。首先停止定時器T1計時，禁止外部中斷0中斷。然后將定時器T1中的數(shù)N,也即將超聲波往返所用的時間N（單位:ps）,按式S=CT/2=（346xNx10-6）/2=173xN-10000計算，即得被測物的距離（單位：cm）,將計算結(jié)果以百位、十位、個位BCD碼方式送入比較大小的緩沖區(qū)，以備比較大小使用。然后等待定時器T0定時56ms中斷的產(chǎn)生，繼續(xù)下一路的探測處理。34超聲波發(fā)生子程序超聲波發(fā)生子程序通過P3.3端口發(fā)送16個周期是25ps（即

16、頻率40kHz,1個周期內(nèi)高電平持續(xù)13ps、低電平持續(xù)12ps）的矩形脈沖電壓。脈沖串個數(shù)在1020個比較合適。脈沖個數(shù)太少，發(fā)射強度小，探測距離短；脈沖個數(shù)太多，發(fā)射持續(xù)時間長，在離障礙物距離近時，脈沖串尚未發(fā)射完畢，先發(fā)射出去的脈沖產(chǎn)生的回波就到達接收端，影響測距結(jié)果，造成測距盲區(qū)增大。4實現(xiàn)應(yīng)用分析本系統(tǒng)在實驗室條件下進行了可行性的研究設(shè)計，要實際應(yīng)用中就必須考慮測量精度和工作穩(wěn)定性的問題。因此，本系統(tǒng)可采取幾項措施來提高測量精度和工作穩(wěn)定性。超聲波的傳播速度與溫度有關(guān)。為了適應(yīng)不同環(huán)境溫度下的測距需要，提高測量精度，硬件電路上可增加檢測車外環(huán)境溫度的環(huán)節(jié)。單片機根據(jù)實測的溫度值，再計

17、算確定超聲波的傳播速度，即C=331.4+0.6lt。t是環(huán)境溫度?；蛘咴诓辉黾佑布杀厩闆r下，可考慮通過實驗數(shù)據(jù)分析，找到測量值與實際值偏差特點和規(guī)律，通過軟件編程對測量數(shù)據(jù)進行校正處理。軟件設(shè)計中采用數(shù)字濾波中的算術(shù)平均濾波程序?qū)γ總€測距點進行連續(xù)多次測量，取平均值作為該測距點的測量數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性。要盡量減小探測盲區(qū)，所設(shè)定的延時時間可根據(jù)實際所用超聲波傳感器余振時間而定，可在實際調(diào)試中確定最小延時時間。倒車雷達安裝在車上，倒車雷達的工作環(huán)境非常惡劣，汽車倒車工作時，高壓點火產(chǎn)生很強的電磁輻射，會影響電路正常工作。所以在硬件及軟件方面要考慮采取抗干擾措施提高系統(tǒng)工作的可靠性。如用金屬殼屏蔽電路，采用屏蔽線連接超聲波傳感器；在滿足測量距離的情況下，可適當調(diào)大超聲波電信號放大和整形電路中檢波電容C3的容量。硬件上可增加“看門狗”電路，軟件設(shè)計添加指令冗余、軟件陷阱、或設(shè)置軟件“看門狗”，防止程序“跑飛”或者進入死循環(huán)。對于駕駛員來說，倒車時主要關(guān)心的是車后方有無障礙物、以及障礙物離車大約有多遠等問題。由于車子制動時存在慣性，倒車遇到障礙物時，駕駛員總要提前制動?？紤]性價比，倒車雷達測量精度不必很高。但從倒車安全考慮，此時的測量顯示值寧大勿小。5結(jié)語