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1、XX工程学院继续教育学院毕业设计说明书(论文)作者：袁强学号：1434181436辅导站：XX函授站专业：机电一体化技术题目：汽车倒车防撞报警电路设计指导者：王书满 2017 年 3 月 摘 要目前我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。这些事故常常给驾驶员带来许多的麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车俩时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷。
2、本文介绍了以AT89S52单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统，该倒车雷达根据超声波测距原理研制，采用温度补偿技术、开机自检技术和优化的软硬件技术，将测得的结果送至数码管显示，同时进行三级声光报警。驾驶员只需坐在驾驶室就能做到心里有数，极大的提高了泊车和倒车时的安全和效率。关键词：倒车雷达；超声波；单片机AT89S52。目录第一章 倒车雷达工作原理1.1 单片机的发展及其应用11.2 超声波测距11.3超声波测距原理21.4超声波倒车雷达系统工作原理31.5超声波倒车雷达的芯片选择31.6 超声波倒车雷达的工作原理5第二章 系统硬件设计与相应的软件
3、设计2.1倒车语音及报警电路及控制程序62.2 超声波发射电路与接收电路及其距离测算程序72.3超声波检测接受电路72.4 超声波测距仪的算法设计82.5距离计算程序82.6倒车语音电路和报警电路及其控制程序92.6.1倒车语音电路142.6.2倒车语音及报警控制程序16第三章 主程序3.1主程序183.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序20第四章 安装调试及分析4.1 硬件部分234.2 软件实现与操作25第五章 测距仪改进的设想26结论27参考文献28致谢29第一章 倒车雷达工作原理1.1、单片机的发展及其应用单片机又称微控制器，是在一块硅片上集成了各种部件化微型计算机，这些部件包括中
4、央处理器CPU、数据存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。单片机体积小、重量轻、具有很强的灵活性而且价格不高，越来越得到广泛的应用。8051在小中型应用场合很常见，已成为单片机领域的实际标准。80年代中期，Intel公司将8051内核使用权以专利互换或出售形式转给世界许多著名IC制造厂商，如PHILIPS、西门子、AMD、OKI、NEC、Atmel等，这样8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。90年代，PHILIPS推出支持16位计算的X4系列。XA系列是16位单片机，又可完全兼容8051的指令系统。Intel推出的80C51也是与8051
5、在机器代码级兼容，这样保证了8051用户到21世纪技术的领先性。随着硬件的发展，8051软件工具已有C级编译器及实时多任务操作系统（RIOS），单片机的程序设计更简单、更可靠、实时性更强。因而8051系列是单片机教学的首选机型。而有内部可擦写RAM的89C51/52是目前我们常用的芯片。1.2超声波测距1.2.1 超声波测距的基本原理1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超
6、声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。1.3超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来
7、，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/21.3.1认识超声波超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率X围在 25MHz之间，常用为33.5MHz（每秒振
8、动1次为1Hz，1MHz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。1.3.2 利用超声波测距超声波测距是单片机控制超声波传感器发射出超声波束，遇到障碍后返回，然后接收它的回波，利用发、收过程中产生的时间差，就可以计算出前方物体离超声波传感器的实际距离。设计为了能测量汽车不同位置障碍物距离，设计成多传感器测距。经分析可知：频率为400KHZ左右的超声波在空气中传播的效率最佳，因此，为了方便处理，发射的超声波被调制成40KHZ左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号，如图1所示。1.4超声波倒车雷达系统工作原理倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信
9、息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。1.4.1 系统工作原理框图如图A所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C2051将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、0.5m、0.25m时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。图A 系统工作原理框图1.5超声波倒车雷达的芯
10、片选择1单片机控制芯片AT89C2051简介：AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全
11、双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。主要功能特性：兼容MCS51指令系统2k可反复擦写(1000次）Flash ROM5个双向I/O口6个中断源两个16位可编程定时/计数器2.7-6.V的宽工作电压X围时钟频率0-24MHz128x8bit内部RAM两个外部中断源两个串行中断可直接驱动LED两级加密位低功耗睡眠功能内置一个模拟比较放大器可编
12、程UARL通道软件设置睡眠和唤醒功能1.6 超声波倒车雷达的工作原理倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。 如图A所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C2051将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、0.5
13、m、0.25m时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。图A 系统工作原理框图第二章 系统硬件设计与相应的软件设计2.1倒车语音及报警电路及控制程序单片机采用89S51 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0 端口输出超声波转化器所需的40KHz 方波信号，利用外中断0 口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4 位共阳LED 数码管，段码用74LS245 驱动，位码用PNP9012 三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图所示：2.2 超声波发射电路与接收电路及其距离测算程序发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换
14、能器T构成，单片机P1. 0端口输出的40 kHz方渡信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方渡信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11，一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动
15、产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。2.3超声波检测接受电路参考红外转化接收期刊的电路采用集成电路CX20106 J4，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz 与测距超声波频率40KHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4 的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。2.4 超声波测距仪的算法设计下图示意了超声波测
16、距的原理即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声渡信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：d=s/2=(ct)/2其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。2.5距离计算程序：* 距离计算程序 (=计数值*17/1000cm) *work: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18h MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #1
17、7D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV 40H, R4 MOV A,40H JNZ JJ0 MOV 40H,#0AH ;最高位为零，不点亮JJ0: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A,41H JNZ JJ1 MOV A,40H ;次高位为0，先看最高位是否为不亮 SUBB A,#0AH JNZ JJ1 MOV 41H,#0A
18、H ;最高位不亮，次高位也不亮JJ1: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A,42H JNZ JJ2 MOV A,41H;次次高位为0，先看次高位是否为不亮 SUBB A,#0AH JNZ JJ2 MOV 42H,#0AH ;次高位不亮，次次高位也不亮JJ2: MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET* 两字节无符号数乘法程序 * R7R6R5R4 = R3R2 * R1R0MUL2BY2: CLR A
19、MOV R7, A MOV R6, A MOV R5, A MOV R4, A MOV 46H, #10HMULLOOP1: CLR C MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A JNC MULLOOP2 MOV A, R4 ADD A, R2 MOV R4, A MOV A, R5 ADDC A, R3 MOV R5, A M
20、OV A, R6 ADDC A, #00H MOV R6, A MOV A, R7 ADDC A, #00H MOV R7, AMULLOOP2: DJNZ 46H, MULLOOP1 RET* 四字节/两字节无符号数除法程序 *R7R6R5R4/R3R2=R7R6R5R4(商).R1R0(余数)DIV4BY2: MOV 46H, #20H MOV R0, #00H MOV R1, #00HDIVLOOP1: MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A
21、 MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A CLR C MOV A, R0 SUBB A, R2 MOV B, A MOV A, R1 SUBB A, R3 JC DIVLOOP2 MOV R0, B MOV R1, ADIVLOOP2: CPL C DJNZ 46H, DIVLOOP1 MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A RETdelay_2
22、50:push pswpush 07hmov r7,#0ffhdelay_250_1: nop nop nop nop djnz r7,delay_250_1 pop 07h pop psw ret END2.6倒车语音电路和报警电路及其控制程序SC1060是本公司最新开发应用于倒车雷达等的新型语音芯片，外围元件少,电路简单,控制方便,成本低.引脚功能脚号名称功能1T脉冲触发信号2RST脉冲计数复位3BUSY工作状态反馈4IONC5VSS电源负6PWM2/DACDAC信号输出7VDD电源正8PWM1NC注:NC脚悬空不接.电路原理图外接功放应用电路2.6.2倒车语音及报警控制程序报警设备是用单
23、片机控制脉冲，在一定的距离让发光二极管发光，来作为报警信号，提示具体位置。1.声光报警： mm0: MOV A,43h; cjne A,#00h,nn1 mm1: MOV A,42h; cjne A,#00h,qq1 ajmp mm2 qq1:cjne a,#05h,nn1 mm2: MOV A,41h; cjne A,#01h,qq2 lcall BJ1 qq2:cjne a,#02h,nn1 lcall bj1 nn1: setb et0 mov th0,00h mov tl0,00h SETB TR1 ;重新开启测距定时器 SETB EA SJMP Start1BJ1: clr p1.6
24、 ;40KHZ lcall DELAY20MS lcall DELAY20MS lcall DELAY20MS lcall DELAY20MS lcall DELAY20MS setb p1.6 RET 其他的硬件电路复位开关电路第三章 主程序主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口PO和P2清O。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声渡从发射器直接传送到接收器引起的直射渡触发，需要延时约0. l ms(这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12M
25、Hz的晶振，计数器每计一个数就是1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按式(42)计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取20时的声速为344ms（不同温度下超声波产波速率不同）则有：D=(ct)2=172TO10 000 cm (42)其中TO为计数器T0的计数值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5 s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用c语言编写。下图为主程序流程图。 主程序流程图3.1主程序如下：* 主 程 序 *START: MOV SP,#4FHMOV R0,#
26、40H ;40H-43H为显示数据存放单元（40H为最高位）MOV R7,#0BHCLEARDISP: MOV R0,#00HINC R0DJNZ R7,CLEARDISPMOV 20H,#00HMOV TMOD,#11H ;T1为 T0为16位定时器MOV TH0,#00H ;65毫秒初值MOV TL0,#00HMOV TH1,#00HMOV TL1,#00HMOV P0,#0FFHMOV P1,#0FFHMOV P2,#0FFHMOV P3,#0FFHMOV R4,#04H ;超声波肪冲个数控制（为赋值的一半）SETB PX0SETB ET1SETB EASETB TR1 ;开启测距定时器
27、start1: LCALL DISPLAYJNB 00H,START1 ;收到反射信号时标志位为1CLR EALCALL WORK ;计算距离子程序clr EAMOV R2,#32h;#64H ;测量间隔控制（约4*100=400MS）LOOP: LCALL DISPLAYDJNZ R2,LOOPCLR 00Hsetb et0mov th0,00hmov tl0,00hSETB TR1 ;重新开启测距定时器SETB EASJMP Start132超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序的作用是通过P1 O端口发送2个左右超声波脉冲信号(频率约40kHz的方波)，脉冲宽度为12s左右
28、，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。下图所示流程图，超声波测距器主程序利用外中断O检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号(即INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。 如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志宇赋值2以表示本次测距不成功。程序如下：超声波测距器; IC :AT89C51; OSCCAL :XT (12M); display :共阳LED显示;测距X围0.4CM-4M，堆栈在4FH以上
29、，20H用于标志;显示缓冲单元在40H-43H，使用内存44H、45H、46H用于计算距离VOUT EQU P1.0 ; 红外脉冲输出端speakequp1.1* 中断入口程序 *ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP PINT0ORG 000BHretiORG 0013HRETIORG 001BHLJMP INTT1ORG 0023HRETIORG 002BHRETI* 中断程序* *;T1中断，发超声波用 ;T1中断，65毫秒中断一次INTT1: CLR EACLR TR0clr ex0MOV TH0,#00HMOV TL0,#00HMOV TH1,#00HMOV
30、 TL1,#00HSETB ET0SETB EASETB TR0 ;启动计数器T0，用以计intt11:CPL VOUT ;40KHZnopnopnopnopnopnopnopnopnopDJNZ R4,intt11 ;超声波发送完毕，MOV R4,#04H lcall delay_250 ;延时，避开发射的直达声波信号SETB EX0 ;开启接收回波中断RETIOUT: RETI;外中断0，收到回波时进入PINT0: nop p3.2,pint0_exitCLR TR0 ;关计数器CLR EA ;CLR EX0 ;MOV 44H,TL0 ;将计数值移入处理单元MOV 45H,TH0 ;mov
31、 th0,#00hmov tl0,#00hjob p3.2,$SETB 00H ;接收成功标志第四章 安装调试及分析4.1 硬件部分由于本项目规模较大，时间紧X、加之我们经验不足，我们的第一套方案不顺利,CAD设计制版后组装的实验板没能调出正确结果，也没有资金和时间再做一块板。我们采用了第二套备用方案，根据自己原有的电路图通过专业技术员的改动做成了一块板子，这样性能比较稳定，我们通过软件编程和调试完成了设计课题要求的任务及系统要求的功能。一个系统要良好运行，就需每一个模块或每一个部分都要调试正确。它可以进行单独调试，将程序下载入89S52芯片，将所测距离显示在数码管上。采用数码管显示的是障碍物
32、到超声波探头的距离可以很直观地显示出距离的大小与实际调试时完全相符，效果良好，直观且精确，符合标准。超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用15 的超声波换能器TCT40-10F1（T 发射）和TCT40-10S1（R 接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量X围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。这个板不管前面有无遮挡物总是显示27，这是因为标有T字样的超声波接收头没有收到正确的回波信息导致工作异常引起
33、的，我们发现接收头比较娇嫩，轻微的磕碰就会导致内部器件错位影响正常工作，但是只要稍稍旋转或者上下拨动一下接收头，很多情况就会排除故障又能正常工作了。最小检测距离为27厘米，是为了防止超声波发射传感器发出超声波沿电路板或者外壳直接进入超声波接收传感器内引起误判断，所以程序要求超声波发射若干时间后必须停止若干时间，这个时间大约是超声波在空气中传播20多厘米的时间，这段时间内是不接受信号的，主要就是为了躲开直接传导的信号避免引起误判断。附电路的PCB图4.2 软件实现与操作系统软件的整体结构各模块在前面已介绍。先在WAVE下编完程序，然后编译好通过后，生成目标文件十二和十六进制，烧录到89S52片子中时，先下载监控程序加上我们编译好的十六进制程序，再写入芯片中即可调试，通过不断修改完善，最终很好地实现了我们的目标。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的X围为27cm-400cm，测距仪最大误差不超过3cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
