基于單片機(jī)的倒車防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計

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平頂山學(xué)院2023屆本科生畢業(yè)設(shè)計基于單片機(jī)的倒車防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計張部興

目錄

1緒論12系統(tǒng)組成及工作原理2

2.12.22.3

超聲波測距原理3測速原理3報警器工作原理4

3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計5

3.13.23.33.43.53.6

系統(tǒng)總體電路構(gòu)成5AT89C2051單片機(jī)的性能及特點7超聲波傳感器7超聲波諧振頻率發(fā)生與調(diào)理電路設(shè)計8超聲波回波接收與處理電路設(shè)計9顯示電路和報警電路設(shè)計9

4系統(tǒng)軟件的設(shè)計11

4.14.24.34.44.54.6

主程序設(shè)計11T0中斷服務(wù)程序設(shè)計12外部中斷0程序設(shè)計13超聲波測距子程序設(shè)計14顯示程序設(shè)計15報警程序設(shè)計16

5結(jié)論與展望18

5.15.2

結(jié)論18展望18

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3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

3.1系統(tǒng)總體電路構(gòu)成

系統(tǒng)由主控單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、接收電路、測速電路、報警電路、LED顯示電路組成，電路原理框圖如圖3-1所示。

圖3-1電路原理框圖

超聲波發(fā)射電路由CC7555時基電路和超聲波發(fā)射探頭組成。單片機(jī)AT89C2051的P1.7引腳控制CC7555時基電路產(chǎn)生40KHz的頻率信號給超聲波發(fā)生器，由超聲波探頭發(fā)射的超聲波射向障礙物。利用超聲波測距具有以下特點：測量靈敏度高、穿透力強(qiáng)、測量速度快、測量角度大，可對較大范圍內(nèi)的物體進(jìn)行檢測[1,6]。

超聲波接收電路由超聲波接收探頭、放大器和整形器組成。由障礙物反射回來的超聲波經(jīng)接收探頭，變換為電脈沖信號，再由放大器、整形器放大和整形后送入到單片機(jī)AT89C2051的P3.2引腳。放大器宜選用有足夠增益和較低噪聲的寬帶放大器，以保持脈沖信號特別是信號前沿不發(fā)生畸變，以提高測距的精度[7]。

測速電路由傳感器、脈沖放大器、整形器、CC7555時基信號電路、選通門組成?；魻柤蓚鞲衅鲗④囕嗈D(zhuǎn)速信號變成脈沖信號輸出，經(jīng)放大、整形電路后送入選通門，由CC7555時基電路產(chǎn)生的單位時基信號控制選通門的開與閉，以控制轉(zhuǎn)速信號在單位時間內(nèi)通過選通門，送入單片機(jī)AT89C2051的P3.5引腳，控制T1計數(shù)器計數(shù)，實現(xiàn)了在單位時間內(nèi)的計數(shù)。

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報警電路由CC7555電路和揚聲器組成。AT89C2051的P1.6控制CC7555電路并根據(jù)測量結(jié)果，產(chǎn)生一定頻率的信號驅(qū)動揚聲器發(fā)出報警聲。在揚聲器發(fā)出報警聲時，時基電路CC7555處于暫穩(wěn)態(tài)，此時電源向電容充電，從而使CC7555終止暫穩(wěn)態(tài)回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出低電平，使揚聲器中止發(fā)出報警聲，直到下一次測距終止產(chǎn)生新的報警聲。

LED顯示電路由數(shù)碼管和驅(qū)動電路組成。用兩個數(shù)碼管顯示距離，數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示，由芯片MCS14495驅(qū)動顯示，P1.4、P1.5分別作為驅(qū)動芯片MCS14495的鎖存信號，用于控制產(chǎn)生的BCD(BinaryCodeDecimal，二進(jìn)制編碼表示的十進(jìn)制數(shù)碼)是顯示高位還是低位[8]。

圖3-2AT89C2051外圍接口電路圖

主控單片機(jī)AT89C2051主要是完成程序的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的處理和對外部電路的實時控制。內(nèi)部定時器T0工作在定時方式，T0在超聲波發(fā)射時開始計數(shù)，當(dāng)P3.2引腳收到回波后，中止計數(shù)，T0所計時間即為超聲波來回傳輸時間，單片機(jī)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可測出距離。內(nèi)部定時器T1工作在計數(shù)方式，由P3.5引腳輸入的脈沖信號控制T1計數(shù)，由T1所計數(shù)值確定汽車的車速[9]。

單片機(jī)根據(jù)所測距離和車速進(jìn)行比較，判斷是否驅(qū)動報警電路報警，如設(shè)定：

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當(dāng)車速小于等于30km/min時，安全距離應(yīng)大于等于1m；當(dāng)車速小于等于80km/min時，安全距離應(yīng)大于等于2m；當(dāng)車速大于80km/min時，安全距離應(yīng)大于等于5m等。主控單片機(jī)外圍接口電路圖如上圖3-2所示。

3.2AT89C2051單片機(jī)的性能及特點

AT89C205是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有2K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈敏的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C205為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C205具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)Flash，128字節(jié)RAM，32位I/O口線，兩個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。

AT89C2051是一個低功耗、高性能的CMOS8位微處理器，與MCS-51系列指令集和引腳兼容，具有以下特點：128bytes內(nèi)部RAM，2kbytesEPROM，15根I/O線，2個16位定時/計數(shù)器，5個兩級中斷源，1個全雙工串行口，一個片內(nèi)縝密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，低功耗的閑置和掉電模式。工作電壓范圍4.25V~5.5V，工作頻率取12MH[10]。

AT89C2051中的兩個16位定時/計數(shù)器寄放器T0和T1，作定時器時，可計數(shù)機(jī)器周期，計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12；作計數(shù)器時，可對外部輸入引腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時增1，計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/24。T89C2051的引腳排列如圖3-3所示。其主要功能特性如表3-1所示。對管腳的說明如下：

(1)端口P1可以用作為8位雙向I/O引腳控制，P1.2至P1.7用于內(nèi)部提升電阻，P1.0及P1.1則需要外加提升電阻，P1.0也作為內(nèi)部模擬比較器的負(fù)端(AIN1)輸入，P1的輸出緩沖器可以吸入20mA而直接驅(qū)動LED顯示器，P3.6是比較器輸出端。

(2)端口引腳P3.0~P3.5及P3.7可以作為7位雙向I/O引腳控制，并提供內(nèi)部提升電阻，P3.6位用于內(nèi)部比較器輸出控制，無法做一般I/O控制，P3口輸出緩沖器可以吸入20mA電流。

3.3超聲波傳感器

超聲波傳感器是超聲波倒車防撞雷達(dá)中的重要部件，每套含1個發(fā)射頭(T)和1

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個接收頭(R)，應(yīng)配對使用。為防止泥水污染宜選用防水型結(jié)構(gòu)。超聲波傳感器的主要參數(shù)有：發(fā)射、接收的中心頻率尋常為40.0±1kHz、帶寬1kHz(-3dB)；發(fā)射頭的最大余振時間0.5~1.2ms(因生產(chǎn)廠家、型號不同而異)。

圖3-3標(biāo)準(zhǔn)工作模式引腳圖表3-1AT89C2051主要功能特性

兼容MCS51指令系統(tǒng)15個雙向I/O接口兩個16位可編程定時/計數(shù)器時鐘頻率0~24MHz兩個外部中斷源可直接驅(qū)動LED低功耗睡眠功能可編程UARL通道2K可反復(fù)擦寫(>1000次)FlashROM6個中斷源2.7~6.0V的寬工作電壓范圍128*8bit內(nèi)部RAM兩個串行中斷兩級加密位內(nèi)置一個模擬比較放大器軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能

由于車后障礙物(或人)的反射面積或大或小，為提高檢測的可靠性、不留盲區(qū)，需要在車輛后尾架或底盤上安裝左、中、右3套超聲波傳感器。

3.4超聲波諧振頻率發(fā)生與調(diào)理電路設(shè)計

超聲波諧振頻率的發(fā)生與調(diào)理電路如圖3-4所示。NE555和電容電阻組成的電路產(chǎn)生40KHz的方波，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振；而后面的CD4049則對40KHz

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頻率信號進(jìn)行調(diào)理。PLUS_EN1是超聲波信號發(fā)射的使能控制端口，當(dāng)該端口接低電平日，模組將不能發(fā)射超聲波信號，即40KHz的方波[2]。

圖3-4超聲波諧振頻率發(fā)生與調(diào)理電路

3.5超聲波回波接收與處理電路設(shè)計

超聲波回波接收與處理電路如圖3-5所示。超聲波接收處理部分電路前級采用NE5532構(gòu)成10000倍放大器，對接收信號進(jìn)行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進(jìn)行調(diào)整，比較電壓為LM311的3管腳處，可由J1跳線選擇不同的比較電壓以選擇不同的測距模式。在放大器與比較器之間用PNP三極管(8550)作為通路選擇，本方案需要將此通路選擇跳線短接上，即把J2短接，固定使三極管導(dǎo)通即可[5]。

3.6顯示電路和報警電路設(shè)計

電路如圖3-6所示。由于系統(tǒng)用到單片機(jī)的輸入/輸出端口不多，在不考慮功能擴(kuò)展時，從功能夠用和低成本的角度考慮，采用AT89C2051單片機(jī)作為控制電路的核心器件。AT89C2051單片機(jī)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。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(jī)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(jī)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(jī)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

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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)掃描顯示的軟件編程。

圖3-5超聲波回波接受處理電路

圖3-6單片機(jī)控制、顯示與報警電路

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4系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，便利擴(kuò)展移植。采用匯編語言編程，主要有主程序、T0中斷服務(wù)程序、外部中斷0服務(wù)程序、超聲波測距子程序、顯示程序和報警程序[11]。

4.1主程序設(shè)計

本系統(tǒng)有四路測距通道，采用分時工作，按后左→后左中→后右中→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)來回時間。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。由于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。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感器比較難達(dá)到，實際上也沒有必要探測很遠(yuǎn)的障礙物，只是設(shè)計留有裕量。由于顯示位數(shù)有限，也必需對最大探測距離做限制)，則循環(huán)工作的間隔時間Tm=2S/C=2×8/346l46ms，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Tm=56ms。主程序流程圖如圖4-1所示。

首先是對系統(tǒng)初始化。端口P1.0、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(dǎo)通，有源蜂鳴器得電發(fā)出報警聲。由于單片機(jī)采用12MHz的晶振，1個機(jī)器周期為1μs，所以計數(shù)器每計一個數(shù)就是1μs，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。由于定時器T0每56ms產(chǎn)生中斷，執(zhí)行T0中斷服務(wù)程序時中止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56ms×4=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。

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開始系統(tǒng)初始化，T0,T1定時器、啟動T0定時56ms設(shè)置顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)置顯示數(shù)據(jù)初值讀取顯示數(shù)據(jù)動態(tài)顯示Y最小值小于1N斷開報警接通報警

圖4-1主程序流程圖

4.2T0中斷服務(wù)程序設(shè)計

T0中斷服務(wù)程序流程圖如圖4-2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，等待汽車接收返回的超聲波信號。所以，最小探測距離(盲區(qū))Smin=Ct/2=346×0.0028/2l0.48m。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(jìn)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(jìn)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

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始，LED數(shù)碼顯示器就顯示“-.--〞，說明在安全距離內(nèi)沒有障礙物；若發(fā)出報警聲后，又顯示“-.--〞，說明進(jìn)入了探測盲區(qū)[7]。

T0中斷入口選通發(fā)射道中止T1計時，阻止外部中斷0中斷N四路選通完調(diào)超聲波發(fā)生子程序啟動T1計時Y有四組數(shù)據(jù)Y比較四路數(shù)據(jù)大小延時2.8msN置夠四組數(shù)據(jù)允許T0中斷，啟動T0定時最小值送顯示緩沖器允許外部中斷0中斷返回

圖4-2T0中斷服務(wù)程序

4.3外部中斷0程序設(shè)計

外部中斷0服務(wù)程序流程圖如圖4-3所示：

外部中斷0入口中止T2計時阻止外部中斷0中斷讀時間值計算距離結(jié)果存在比較大小緩沖區(qū)返回

圖4-3外部中斷0服務(wù)程序流程圖

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單片機(jī)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?，馬上進(jìn)入外部中斷0服務(wù)程序。首先中止定時器T1計時，阻止外部中斷0中斷。然后將定時器T1中的數(shù)N，也即將超聲波來回所用的時間N(單位:μs)，按式S=CT/2=(346×N×10-6)/2=173×N÷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。

4.4超聲波測距子程序設(shè)計

超聲波發(fā)生子程序通過P3.3端口發(fā)送16個周期是25μs(即頻率40kHz，1個周期內(nèi)高電平持續(xù)13μs、低電平持續(xù)12μs)的矩形脈沖電壓。脈沖串個數(shù)在10~20個比較適合。脈沖個數(shù)太少，發(fā)射強(qiáng)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(dá)接收端，影響測距結(jié)果，造成測距盲區(qū)增大。測距電路系統(tǒng)中的反射式超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電源是40kHz的脈沖信號，是由單片機(jī)定時器產(chǎn)生振蕩頻率為40kHz的脈沖串，經(jīng)脈沖變壓器生壓驅(qū)動超聲波發(fā)送器，并由P1.0口以疏密波形式向外傳播。下面是由定時器產(chǎn)生的40kHz振蕩頻率的脈沖信號經(jīng)P1.1口輸出的子程序[1]：

INTT0:CLREACLRTR0MOVTH0,#00HMOVTL0,#00HSETBET1SETBEASETBTR0SETBTR1

OUT:RET;T1中斷，發(fā)超聲波用INTT1:CPLVOUTDJNZR4,RETIOUTCLRTR1CLRET1

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MOVR4,#04HSETBEX0

RETIOUT:RETI;外中斷0，收到回波時進(jìn)入PINT0:CLRTR0CLRTR1CLRET1CLREACLREX0MOV44H,TL0MOV45H,TH0SETB00HRETI

4.5顯示程序設(shè)計

DISPLAY:MOVR1,#40H;GMOVR5,#0F7H;GPLAY:MOVA,R5MOVP0,#0FFHMOVP2,AMOVA,@R1MOVDPTR,#TABMOVCA,@A+DPTRMOVP0,ALCALLDL1MSINCR1MOVA,R5

JNBACC.0,ENDOUT;GRRAMOVR5,AAJMPPLAY

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ENDOUT:MOVR2,#0FFHMOVP0,#0FFHRET

TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共陽段碼管\不亮\

4.6報警程序設(shè)計

AJMPMAINORG0003H

AJMPINT0ORG000BH

AJMPITOPORG001BH

AJMPITOPORG0100H

MAIN:MOVSP,#60HACALLPTOM2RESET:AJMPMAINORG0003H

AJMPINT0PTOM2:MOVTMOD,#16HMOVTL0,#FFHMOVTH0,#FFH,

SETBTR0SETBET0MOVTL1,#0E3HMOVTH1;#FEHCLRP1.0

SETBEARET

；主程序入口；轉(zhuǎn)外部中斷0服務(wù)程序；轉(zhuǎn)T0中斷服務(wù)程序；轉(zhuǎn)T1中斷服務(wù)程序；堆棧初始化；對T0，T1初始化；復(fù)位入口轉(zhuǎn)主程序；轉(zhuǎn)INT0中斷服務(wù)程序；T0初始化程序T0初始化；啟動T0；允許T0中斷T1置初值；CPU開放中斷16

；；

平頂山學(xué)院2023屆本科生畢業(yè)設(shè)計基于單片機(jī)的倒車防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計張部興

TOINT:CLRTR0；中止T0計數(shù)SETBP1.1；建立標(biāo)志RET

ITOP:MOVTL1,#0E3HMOVTH1,#0FEH

CPLP1.0；P1.0取反RETI

LOOP:MOVC,P1.1JNCLOOPSETBTR1

SETBTR1

；T0產(chǎn)生過中斷否17

；啟動中斷

平頂山學(xué)院2023屆本科生畢業(yè)設(shè)計基于單片機(jī)的倒車防撞報警系統(tǒng)的設(shè)計張部興

5結(jié)論與展望

5.1結(jié)論

本設(shè)計充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，用軟件編程產(chǎn)生超聲波矩形脈沖，代替硬件的超聲波發(fā)生電路，節(jié)省了硬件成本。采用一塊集成器件實現(xiàn)超聲波接收放大和整形，避免了采用多