单片机在汽车倒车测距仪中的应用设计(共17页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上目 录第一章 绪论1.1 研究背景及意义 随着现代生活节奏的加快，交通事故发生的频率也在增加，汽车倒车提示系统也就应运而生。经过调查，绝大部分非职业汽车驾驶员都希望有一种能发现汽车尾部障碍物的“后视眼”。因此我们需设计一种经济实惠的汽车倒车测距仪，以解决驾驶员的“后顾之忧”。 一个由单片机控制的汽车倒车测距仪就能满足这种需求。该测距仪将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，能测量并显示车辆后部障碍物离车辆的距离，同时用间歇“嘟嘟”声发出警报，“嘟嘟”声间隙随障碍物距离缩小而缩短，驾驶员不但可以直接观察到显示的距离，还可以凭听觉判断车后障碍物离车辆的远近，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并可以帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。 1.2 国内外研究现状 汽车倒车测距仪应该包含有总控制器、测距传感器、语音提示及图像显示部件等。各部件有机地结合起来，实现测距及提示功能。轰鸣器提示是倒车测距仪系统的真正开始。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。之后液晶荧屏显示的出现是一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒挡，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。 现在比较先进的倒车测距仪应该算是魔幻镜倒车测距仪了，它结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。因为其外形就是一块倒车镜 ，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。而且它颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。近年来由于电子技术的飞跃发展，使得相关技术日新月异，尤其是汽车电子产业的迅速发展，使得高度信息化、电子化的车辆研制有了基础。目前主流的汽车倒车测距仪都是以单片机为核心的智能测距传感系统。这种测距仪能够连续测距和显示障碍物距离，并采用间歇不同的鸣叫声进行报警和提示距离，以尽量不占用驾驶员的视觉。此外，汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的测距仪具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上去。 此外，从成品来讲，目前的汽车倒车测距仪主要是以数码管或者液晶屏的精确显示和精确的语音播报为主。这个时期主要是采用以单片机为核心的智能测距传感系统，能够使得汽车驾驶辅助系统更加简便易用，而且达到了汽车电子系统网络化的发展需求。 1.3 研究内容及论文构成 本文设计的汽车倒车测距仪要能够连续测距，经过单片机综合处理后，采用间歇不同的鸣叫声进行语音报警和显示距离。它包括了超声波测距部件、控制单元89S51、语音模块和显示部件等。 论文构成主要由以下部分组成： 第1章包括研究背景、意义以及相关技术在国内外的研究现状。 第2章为系统总体方案设计。首先介绍汽车倒车测距仪的设计要求，详细介绍测距系统传感器的选择、显示报警系统的方案设计，然后提出本系统总的方案设计。为其后的硬件设计奠定了基础。 第3章为系统硬件设计。首先分析超声波传感器的工作原理，然后具体讨论测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路以及测距模式电路的硬件设计。最后介绍了系统显示报警模块电路的设计。 第4章为系统软件设计。在软件设计中采用模块化设计思想，分别对系统的主程序模块、测距模块、中断检测模块、语音模块和显示模块的程序进行了软件设计。 第5章为总结与展望。对全文进行总结，指出不足之处，对倒车雷达预警系统的发展前景进行展望。第二章 系统总体设计2.1 方案设计与论证 本设计实现汽车倒车防撞报警，为了实现这功能，需要多方面的内容相结合，主要需要解决的有核心控制芯片、距离测量、距离显示等等。从技术手段来看，本设计中最主要的是距离测量，其他都是围绕着距离测量展开，距离测量最主要的设备当属传感器，选择了好的传感器再经由合适的核心芯片处理即能达到所需精度，下面就对控制器、传感器、显示方案以及语音提示方案的选择做以下论述。 2.1.1 控制器的选择 51系统单片机具有功能强、抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，而且它经过多年的发展，技术也相当成熟。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。 总而主之，89S51有设计简单，体积小，安装简易，成本低等特点，此外考虑到我自己对于单片机的掌握程度，我选择89S51作为系统控制器。 2.1.2 测距传感器选择 关于测距传感器，现在主要有以下几种： （1）红外传感器。其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号强弱判断物体的距离。 （2）激光传感器。它是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。 （3）超声波传感器是经常采用的传感器之一。超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。其原理犹如蝙蝠，它嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接收来判断是否检测到物体。 根据以上性能的比较，我们能看出来激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较高，不易为大众接受。考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较短的响应时间，最终选用超声波传感器作为此方案的技术扩展。 2.1.3 显示子系统设计 显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以用LED发光二极管，设计简单，易于安装，成本只要几元，但给出只是一个简单的开关信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏，其成本在几十元到百元不等。从能够实现显示功能以及个人设计简单方便方面考虑，本设计中采用LED实现显示功能。 2.1.4 声音报警设计 由于在该设计中只涉及到简单的报警声音，可以直接用单片机的某一引脚产生一方波控制。我拟定采用简单的蜂鸣器来实现该功能。 2.2 系统总体结构 按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为三大主要模块：测距系统、控制系统以及显示和语音报警系统。系统总体结构框图如2.1所示。 图2.1 系统总体结构图其中测距系统有超声波发射、接收子系统构成；控制部分以85S51单片机为核心，其P1.0口输出低电平控制超声波发射电路产生40KHz的超声波，利用外部中断监测超声波接收电路输出的返回信号；显示报警部分由显示系统及语音系统构成，其中显示系统采用简单实用的4位共阳8段LED数码管。第三章 系统硬件设计倒车测距仪由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器、蜂鸣器等部分组成。倒车测距仪采用超声波测距方法，在控制器的控制下由传感器发射超声波信号，当遇到障碍时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，从而达到安全泊车的目地。 3.1 单片机控制电路设计 本设计采用AT89S51作为系统控制器。它是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，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8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程，也可用传统方法进行编程。AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗，2个数据指针，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，单片机振荡器及时钟电路。 同时AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 单片机最小系统是指能让单片机工作的最简单的电路，包括电源电路、振荡电路、复位电路，如图3.1图3.1 单片机最小系统 对于其P0口，这组引脚共有8条，P0.7为最高位，P0.0为最低位。这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I /O口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。 与此类似，P1.7P1.0口作为I /O口使用时，P1.7P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入/输出数据。同理，P2口也有相似的功能。 89S51有INT0和INT1两条外部中断请求输入线，用于输入两个外部中断的中断请求信号，并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式输入中断请求信号。89S51究竟工作于哪种工作中断触发方式，可由用户通过对定时器控制寄存器TCON中IT0和IT1位状态的设定来选取。89S51在每个机器周期的S5P2时对INT0/INT1线上的中断请求信号进行一次检测，检测方式和中断触发方式的选取有关。若89S51设定为电平触发方式（IT0=0或IT1=0），则CPU检测到INT0/INT1上低电平时就可认定其中断请求有效；若设定为边沿触发方式（IT0=1或IT1=1），则CPU需要两次检测INT0/INT1线上的电平方能确定其中断请求是否有效，即前一次检测为高电平且后一次检测为低电平时INT0/INT1上的中断请求才有效。因此，89S51检测INT0/INT1上负边沿中断请求的时刻不一定恰好是其上中断请求信号发生负跳变的时刻，但两者之间最多不会相差一个机器周期时间。 3.2 超声波发射及接收电路设计 超声波是一种频率超过20KHz的机械波。它沿直线传播，方向性好，传播距离较远，在介质中传播时在不同的分界面上会产生反射波。由于超声波具有以上特点，被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。利用超声波测量是一种有效的非接触式测距方法。 测距时由安装在同位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，由定时器计时。首先由发射向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到反射波后立即停止计时。这样，定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s，所以发射点距障碍物之间的距离为： S=340×t/2=170×t (1)由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数，设计中时钟频率fosc取12MHz，设计数值N，则 T机12/fosc=1s，t=NT机N×10-6(s) S170×N×T机170×N/106(m) 或 S=17×N/103=0.017×N(cm) (2) 程序中按式（2）计算距离。 3.2.1 超声波发射电路的设计 超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波探头）和超声波发生器两部分，电路如图3.2所示。系统中，超声波换能器的型号是CSB40T，它将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动并发射出去。 NE555D为8脚时基集成芯片。其时基电路封装形式有两种：一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555D时基电路是一种使用极为广泛的集成电路.根据外接电路的不同，可作波形发生器，产生方波、锯齿波、窄脉冲等，也可作单稳双稳电路、定时器、比较器等。其时基集成电路的引脚功能如下： 1是地线，2是触发，3是输出电平，4是复位，5是控制电压，6是阀值电压，7是放电，8是电源(VDD)。 超声波发生器实质上是一个由555 电路组成的多谐振荡器，由于在脚7与6，8脚间跨接了电阻电容，因此其振荡频率可按公式 f1.44/(R2+2×R3)×C1)来计算，通过R3调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致。本电路中，C1其数值为3300pF，R2数值为1k。按公式计算，其最低频率为39.7KHz， 最高频率为436KHz。由超声波振荡器产生的超声波电脉冲，通过压电型超声换能器（相当于一只扬声器）将电脉冲转换为机械波向外界发射。当接通电源后，换挡脉冲振荡器不停地发出换挡脉冲，因此只要不断开电源，电路就不停地自动循环工作下去。图3.2 超声波发生器工作时，单片机通过P1.0口向超声波发生电路发出复位信号，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。 3.2.2 超声波接收器 由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱，所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数；为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。超声波接收电路使用集成电路CX20106A，可用完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能。 其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载；其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外拉电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。图3.3 超声波接收器工作时，换能器CSB40R将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，送给CX20106A的输入端1，当CX20106A接收到信号时，7脚就会输出一个低电平，可用于单片机的中断信号源。当单片机接收到中断信号时，说明检测到了反射回来的超声波。单片机就进入中断处理程序，开始进行距离计算，分析计算结果后控制LED和蜂鸣器的工作。 3.3 LED显示及报警电路设计 LED是发光二极管的缩写。LED数码管里面有8只发光二极管，分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp为小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚上，而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端（COM），如图3.4所示，而图3.5为实物图，其中引脚的排列因不同的厂商而有所不同。 市面上常用的LED数码管有两种，分为共阳极与共阴极。共阳极：当数码管里面的发光二极的阳极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源正极。当发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示（如图3.6所示）。而输入高电平的段则不能点亮。相反，共阴极：当数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源负极。当发光二极管的阳极接高电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示（如图3.7所示），而输入低电平的段则不能点亮。 图3.6 共阳二极管 图3.7 共阴二极管在单片机应用电路中，最实用的LED数码管显示方法是“动态扫描”。即就是所要工作的若干个数码管轮流显示，只要轮流显示的速度足够快，每秒约50次以上，由于人眼的“视觉暂留”特性，看起来就像是连续显示，这样称为动态扫描。这种显示方式在数码管应用系统中应用得最为广泛，这也是我在本设计中的显示方法。 共阳极与共阴极这两种方法难度差不多，考虑到我自己对于共阳极的编程更熟悉，因此在该设计中我也采用数码管共阳极的接法。 至于声音报警，我打算采用一个简单的蜂鸣器，利用单片机产生方法来控制。根据所测距离的长短来决定该方波的频率。 3.4 本章小节 根据前面有关各个模块的讲述，结合单片机各引脚的功能，可得到总体硬件设计图如图3.8所示。图3.8 总体硬件设计图如图3.8所示，单片机外接4位8段共阳极LED数码管，用于显示车尾距障碍物的距离，由单片机P0.0 P0.7接LED的adp八个笔段，P2.1P2.4接四位LED的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。P2.0接蜂鸣器，用于报警。 其中Vcc为5V电源，由车上倒车开关后的12V电源经7805三端稳压器稳压后获得，只在倒车时供电。 第四章 系统软件设计在构建了系统硬件的电路之后，必须配合软件才能实现系统要求的功能。本系统的主要功能为发送超声波、对回波进行检测、计算测量距离、显示测量距离、语音播报等。 软件包括主程序、超声波发射子程序、INT0中断服务程序、定时器T0溢出中断程序四个主要模块组成。 4.1 主程序的设计 主程序对系统环境初始化后，首先置位回波接收标志和由单片机P1.0口输出一个低电平以启动超声波发射电路，同时启动定时器T0。然后调用计算距离子程序，根据定时器T0记录的时间计算出待测距离。接着调用显示子程序，将测出距离以十进制BCD码方式送LED显示，同时也调用声音处理程序，控制蜂鸣器的发声。最后主程序通过回波信号的接收；若标志位清零，说明接收到回波信号，则主程序返回到起始端重新置位回波接收标志位和在P1.0上发送低电平，如此往下运行，循环往复。 本设计中系统的核心技术在于距离的测量，精确的测距后通过单片机来处理数据是比较容易实现的。各种信号以及温度对声速的影响都将干扰到测距，其中余波信号的干扰严重影响到本设计中精确的测距。 接收回路中的超声波信号共有两个波束，第一个波束为余波信号，即超声波接收探头在发射探头信号后，马上就接收到了超声波信号。另一个波束为有效信号，即经过被物体表面反射的回波信号。 超声波在测距时，需要测的是从开始发射到接收到信号的声波往返的时间差，需要检测的有效信号为反射物体反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号。所谓余波就是在刚发射超声波时直接到达接受探头的直达波，它是超声波检测中存在测量盲区的主要原因。 超声波接收电路收到回波后，比较器动作，发出有效信号，计算机通过外部中断引脚感受回波信号的到达时间，中断发生后表示已接收到回波信号，此时停止计时，并读取计数器中的数值，此数值即为需要测量的时间差的数据。 程序中对测距数据的处理方法是：距离按S=17×N/103=0.017×N(cm)进行计算，其中N为计数器的值，此时声速取为340m/s。综上所述，可得到系统主流程图如图4.1所示：图4.1 系统主程序流程图 在系统初始化的过程中，主要是设定定时器0的工作方式，同时还要打开总中断等。当P1.0发出一个时长为20us的低电平，便可启动超声波发生器产生40KHz超声波，同时打开定时器进行计时。当超声波接受到回波信号后，会产生一个低电平给INT0，之后进入中断处理程序。在主程序中又恢复定时器的初值等，依次进行循环。4.2中断处理程序 INT0中断服务程序负责计算车尾距障碍物的距离，其程序流程图如图2所示。通过前面的超声接收电路，若接收到回波信号，则芯片CX20106A的7脚会产生低电平至单片机的INT0引脚，引起中断，系统转入中断处理程序。进入中断后，立即关定时器T0和外部中断0，读取时间值，并给回波接收标志位清零，说明成功接收回波信号。图4.2 中断处理程序流程图在中断处理程序中，主要是进行距离的计算。首先是从定时器0里得到超声波传播的时间，再运用公式计算得出障碍物离车尾的距离，之后将距离值传递到其他模块进行处理。 4.3 测距模块设计 在公式S=17×N/103=0.017×N(cm)中，显然知，要得到距离的具体值，只需得到从发送超声波到接收到超声波这个过程中定时器0的计数次数。 因此在主程序发送了信号给超声波发生器后，就要打开总中断和定时器0。当接收到信号时，会产生一个低电平给INT0。在检测到该信号后，就停止定时器的计时，提取定时器的计数次数，就可以得到以cm为单位的距离值。 4.4 显示及报警模块设计 在该设计中，我采用LED来显示距离。在该设计中，LED采用共阳极连接，同时与P0口连接进行段扫描。由于这个距离值的实时性，因此，这个显示过程是在外部中断0发生后进行。 另一方面，根据计算结果的大小，控制蜂鸣器的鸣叫频率。当距离小于1.5m时，蜂鸣器发出频率为1Hz的“滴滴”声；当距离小于1.1m时，蜂鸣器发出频率为2Hz的“滴滴”声；当距离小于0.7m时，蜂鸣器发出频率为5Hz的“滴滴”声；当距离小于0.3m时，蜂鸣器连续发出“滴滴声”。这个控制过程可通过单片机产生一个方波来实现。在该设计中，我采用单片机P2.0引脚来产生一个不同频率的方波来控制蜂鸣器不同间歇的“滴滴”声。 第五章 结论及展望该汽车倒车测距仪的设计是主要基于89S51单片机，以超声波测距为主的报警系统。通过理论分析，本设计方案基本可行。实现了以单片机为控制核心，工作时通过测距传感器采集数据，由控制核心快速计算出汽车尾部与障碍物距离并显示结果及进行语音报警，从而达到安全泊车的目的。 本设计尚可以在以下几个方面进行改善，从而使得本设计的测距仪功能更加完美： (1) 由于探头的限制，在高温高压等恶性环境下测量误差大，根据实际情况更换合适的探头。 (2) 系统动态性能不高，在被测表面移动速度很小时，可以实现跟踪测量，但是若其移动速度过大则误差随之增大。 (3) 本设计中没有采用温度补偿，主要是设计中对近距离的精确测量没有很高的要求，而是大概起到警报作用，所以没有采用温度补偿以节约系统成本。若在设计中加入温度补偿，将会使整个系统有一个质的变化。 (4) 本设计相对市场上现有的汽车倒车测距仪不算是什么先进系统，但是如果在这系统中加入模糊控制，整个系统将不逊色于市场上的同类产品。 汽车倒车测距仪涉及多学科的内容，各个学科的不断发展必将推动本系统功能的日益强大，应用更将广泛。 参考文献 1 胡汉才.单片机原理及接口技术M.北京:清华大学出版社,2004. 2 丁镇生.传感及遥控遥测技术应用M.北京:机械工业出版社,2003. 3 房小翠.单片微型计算机与接口技术M.北京:国防工业出版社,2003. 4 张国熊.测控电路M.北京: 机械工业出版社, 2003. 5 童诗白.模拟电子技术基础（第3版）M.北京:高等教育出版社,2003. 6 阎石.数字电子技术基础（第5版）M.北京:高等教育出版社,2004. 7 侯媛彬等.凌阳单片机原理及其毕业设计精选M.科学出版社,2006. 8 罗亚非.凌阳十六位单片机应用M.北京：北京航空航天大学出版社,2003. 9 张毅刚等. 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