【文章內容簡介】 。23 附錄 24 I 汽車倒車報警系統(tǒng) 的設計 學 生： 專 業(yè)：自動化 指導教師： 摘 要： 論文的內容是基于 AT89C51 單片機倒車防撞系統(tǒng)的設計，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和 AT89C51 單片機結合于一體，設計出一種基 于AT89C51 單片機的倒車防撞報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結合的方法，具有模塊化和多用化的特點。 論文概述了超聲波檢測的基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。對于系統(tǒng)的一些主要參數進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構成。通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個設計單元的原理進行了介紹。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結構，通過編程來實現系統(tǒng)功能。 關鍵詞： AT89C51單片機；超聲波 The design of car reversing alarm system Name： Major： Automation Tutor： Abstract: The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multiuse characteristics. The paper outlines the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall position of the system. Through multiple launch reception circuit design parison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the position of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function. Keywords: AT89C51 monolithic integrated circuit 。 ultrasonic wave 1 1 前 言 近年來，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，我國 交通運輸車輛及私家用車的數量與日俱增 ，汽車給我們的生活帶來便利的 同時 ，也使的停車場、街道、公路等越來越擁擠，造成交通事故頻發(fā)，交通安全問題已經成為我國 亟 待解決的重大難題，尤其是非職業(yè)駕駛員在倒車時，由于技術有限不能準確的把握汽車與障礙物之間的距離，導致操 作不及時甚至發(fā)生誤操作，使得汽車倒車時發(fā)生的事故率遠大于 汽車前進時發(fā)生的事故率， 倒 車事故發(fā)生的頻率之高，已經引起了交通部門和社會的高度重視。經 研究表明，駕駛員只要在有碰撞危險 的 前 1 秒得到報 警信號，就可以避免 90%的交通事故 [1]。 論文 設計 的目的及意義 為減少倒車事故的發(fā)生，專為汽車倒車設置的 響應快，可靠性高且較為經濟的 高科技產品 ―倒車報警系統(tǒng) ‖應運而生。這種系統(tǒng)是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視 所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷 ， 增加 了 司機 倒車駕駛的安全性。 國內外的發(fā)展概況及存在的問題 目前，日本、美國和歐洲等發(fā)達國家的大汽車公司都投入了相當大的人力、物力、財力，采用 先進的毫米波雷達、 CCD 攝像機、 GPS 和高檔微機等制成安全預警系統(tǒng)，使用在其所開發(fā)的高級汽車上。例如， 戴姆勒一克萊斯勒公司已成功的研發(fā)出可供卡車使用的電子剎車系統(tǒng)，它與其它電子剎車系統(tǒng)不同之處在于，它在卡車上安置了雷達感應器，此感應器可以將收集的周圍信息送至控制器進行處理，進而形成虛擬景象，再借助演算法的輔助判斷當前發(fā)生狀況是否應該提醒駕駛員采取剎車措施。在不久的將來，這種新型的剎車系統(tǒng)就可以批量上市，可惜的是它的成本過高，限制了它使用的普遍性。 還有 最近在歐美出現的一種電磁感應倒車報警器，在一線路套上一環(huán) 型的感應圈，以感應車后物體的有無。此種裝置價格中等，并且完全隱密，但缺點是安裝困難，而且只能探測動態(tài)物品，當車在倒車過程中時，可以探測到周圍的障礙物，但車一旦停止后退，則任何物體都不被認可 [2]。換言之，如有任何物品貼在后保險杠，當車一旦停下再啟動后，此裝置并不會告知駕駛者后方有物品貼在保險杠，此車不能再后退等。 毫米波雷達測距方式和激光雷達測距方式是汽車避撞應用最廣泛的測距方式，但超聲波測距傳感器可以全天候工作，而且價格低廉、便于安裝使用，是一種較為理想測距傳感器。德國大眾公司已經將超聲波測距技術應用在倒 車報警器上，并且 2 具有前視和后視功能，采用自舉升壓的方式驅動 8 路超聲波傳感器 [3]，目前國內引進車型對這一技術尚不能國產化，仍需引進德國原廠成品安裝，故此，它的適用范圍也受到了限制。 論文 的主導思想 本 論文 的主導思想是在超聲波測距原理的理論基礎上，利用 AT89C51 單片機作為核心器件，同時利用外圍輔助電路結合相應的軟件程序，進行調試和試運行，最終完成超聲波信號的發(fā)射和接收、顯示距離，以此實現非接觸方式的距離測量，再加上報警電路形成汽車倒車防撞報警系統(tǒng)。 系統(tǒng)設計 中要解決的問題 本系統(tǒng)是基于單片 機 AT89C51 及一些基本電路之上建立起來的，本課題應主要解決的重點、難點問題如下： （ 1）如何把這系統(tǒng)的軟件與硬件嚴密的結合起來是關鍵，只有這樣才能讓系統(tǒng)的各個功能實現其作用，要實現軟硬結合。 （ 2）如何用軟件程序正確的模擬控制過程是關鍵，如何利用匯編語言設計各個模塊是難點，并且要通過主程序將各個模塊有機的結合起來。 （ 3）電路的正確性也十分重要，硬件的質量制約了軟件的使用。在制作過程中，如何和伙伴溝通，如何將硬件和軟件緊密的配合起來是關鍵。 （ 4）軟件的設計和調試是一個十分復雜而精細的工程，要通過不斷的 時間和不斷的修正才能夠達成目標。 3 2 設計方案 方案設計與論證 本設計實現汽車倒車防撞報警，為了實現這功能，需要多方面的內容相結合，主要需要解決的有核心控制芯片、距離測量、距離顯示等等。從技術手段來看，本設計中最主要的是距離測量，其他都是圍繞著距離測量展開，距離測量最主要的設備當屬傳感器，選擇了好的傳感器再經由合適的核心芯片處理即能達到所需精度，下面就對控制器、傳感器、顯示方案以及語音提示方案的選擇做以下論述。 控制 芯片 的選擇 ATB9C51 單片機具有功能強、抗干擾能力強、軟硬件資源都比較 豐富等特點，其外圍接口電路簡單，具有很高的性價比，成本低，而且它經過多年的發(fā)展，技術也相當成熟。它與工業(yè)標準 MCS51 的指令和引腳兼容，因而是一種功能強大的微控制器，它對很多嵌入式控制應用提供了一個高度靈活有效的解決方案。 總而言之， AT89C51 有設計簡單，體積小，安裝簡易，成本低等特點，此外考慮到自己對于單片機的掌握程度，故我選擇 AT89C51 作為系統(tǒng)控制器。 測距傳感器選擇 測距按照工作方式不同，主要分為激光、超聲波、紅外、毫米波等一些測量方法 [4]，雖然它們的工作原理不盡相同，但它 們的最終作用都是根據各自的探測方法，來測量汽車與障礙物之間的距離，并根據程序預先設定好了的報警范圍，及時的給駕駛員報警提示。下面，根據它們不同的工作方式和特點，做一下簡單介紹 : （ 1） 激光方式：激光波束能量集中，方向性好，傳輸距離較遠。但對氣候的適應能力有限，受惡劣天氣、汽車激烈震動、污染等因素影響，探測 距離和精度明顯降低，且 激光傳播速度快，不適合近距離測量，所以在汽車倒車雷達領域沒能得到很好發(fā)展。 （ 2） 紅外線方式：雖然紅外線測距系統(tǒng)成本低，但易受天氣和周圍物體干擾的影響，在惡劣的天氣和環(huán)境下探測距離仍然 不能達到要求，限制了在汽車倒車雷達領域的應用。 （ 3） 毫米波方式：毫米波電子系統(tǒng)特性如下 ：天線具有較高的增益且 孔 徑 較小 ；不易受電子干擾 ； 高跟蹤精度和制導精度 ； 地雜波干擾小和低角跟蹤時多徑效應 ； 雷達分辨率高 ； 多目標鑒別性能好 ； 大氣衰減 ―諧振點 ‖可作保密傳輸。但其復雜結構，昂貴價格，限制了它在倒車雷達領域的普遍應用。 （ 4） 超聲波方式 ： 超聲波是一種只有少數生物 (如蝙蝠、海豚 )才能感覺的機械波，其頻率在 20 kHz 以上，波長短，繞射小、能定向傳播，超聲波為直線傳播方式，頻率越高，其繞射力越弱，但反射能力越強 [5]。超聲波測距是一種傳統(tǒng)而實用的非接觸測量，和激光、渦流、無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素影響的優(yōu)點，在比較惡劣的環(huán)境 中也具有一定的適應能力，且結構簡單，成本低， 因此在工業(yè)控制、建 4 筑測量、機器人定位方面得到了廣泛的應用 [6]。因為它是非接觸式的，所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用，可測范圍廣 ， 也可使用于無損檢測 [7]。比如要測量有毒或有腐蝕性化學物質的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。 根據以上四種方式性能的比較，本設計中最終選用超聲波傳感器作為此方案的技術擴展。 距離顯示系統(tǒng)的設計 顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單的顯示器可以用 LED 發(fā)光二極管，設計簡單，易于安裝，成本只要幾元，但給出只是一個簡單的開關信息，而復雜的較完整的顯示器應該是 CRT 監(jiān)視器或者屏幕較大的 LCD 液晶屏，其成本在幾十元到百元不等。從能夠實現顯示功能以及個人設計簡單方便方面考慮，本設計中采用 LED 實現顯示功能。 聲 光 報警設計 由于在該設計中只涉及到簡單的報警聲音 和發(fā)光 ，可以 直接用單片機的某一引腳控制。我擬定采用簡單的蜂鳴器 和發(fā)光二級管 來實現該功能。 系統(tǒng)的總體結構 按照系統(tǒng)所需功能，系統(tǒng)硬件結構可以劃分為超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、 LED 距離顯示模塊和語音報警模塊。系統(tǒng)總體結構框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總體結構框圖 Fig. 21 System structure 控制部分以 AT85C51 單片機為核心，其 口輸出低電平控制超聲波 發(fā)射電路產生 40KHz 的超聲波，利用外部中斷監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號；顯示系統(tǒng)采用簡單實用的 4 位共陽 8 段 LED 數碼管。 AT89C51 單片機控制 超聲波接收 聲光報警器 超聲波發(fā)射 距離顯示器 5 3 硬件電路設計 主控單元設計 主控芯片介紹 AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 的 8 位單片機，帶有 4K 字節(jié)的可反復擦寫的程序存儲器（ PENROM）和 128 字節(jié)的存取數據存儲器（ RAM），這種器件采用ATMEL 公司的高密度、不容易丟失存儲技術生產，并且能夠與 MCS51 系列的單片機兼容。片內含有 8 位中央處理器和閃爍存儲單元，有較強的功能的 AT89C51 單片機 能夠被應用到控制領域中 [8]。 AT89C51單片機 是 40個引腳的雙列直插式的封裝形式 ， 如圖 31所示。 圖 31 AT89C51 單片機的引腳 Fig. 31 The pins of AT89C51 （ 1） 電源引腳 VCC：電源電壓 , 接 +5V VSS：即 GND，接地 （ 2） 時鐘電路引腳 XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 （ 3） 控制信號引腳 EA /VPP： 外部程序存儲器地址允許輸入端 6 為使中央處理器 CPU能從 0000H 到 FFFFH的外部程序存儲器讀取指令， EA 必須接低電平。為了執(zhí)行內部程序指令， EA 應該接高電平。 閃爍存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電壓 VPP，當然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 RST： 復位信號輸入端 高電平有效。當振蕩器工作時， RET引腳出現 2個機器周期以上的高電平將使單片機復位。 ALE/ PROG ： 地址鎖存允許信號端 當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE以時鐘震蕩頻率的 1/16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的 8EH單元的 D0位置禁止 ALE操作。這個位置后只有一條 MOVX和 MOVC指令ALE才會被應用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE無效。 PSEN ： 程序存儲器允許輸出 信號端 低電平有效。 這是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C51由外部程序存儲器讀取指令時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號不出現。 （ 4） 輸入 /輸出端口 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址 /數據總線復用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅動 8 個 TTL 電路。當 ―1‖被寫入 P0 口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。 P0 口還能夠在訪問外部數據存儲器 或程序存儲器時，轉換地址和數據總線復用，并在這時激活內部的上拉電阻。 P0 口在閃爍編程時， P0 口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。 P1 口： P1 口一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口， P1 的輸出緩沖級可驅動 4 個 TTL電路。對 P1 端口寫 ―1‖時，內部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時， P1口接收低 8 位地址。 P2口： 7 P2口是一個內部帶有上拉電阻的 8位雙向 I/O端口， P2的輸出緩沖級可驅動 4個 TTL電路。對 P2端口寫 ―1‖，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時 可作為輸入口。因為內部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或 16位地址的外部數據存儲器時， P2口輸 出高 8位地址數據。在訪問 8位地址的外部數據存儲器時， P2口線上的內容在整個運行期間不變。閃爍編程或校驗時， P2口接收高位地址和其它控制信號。 P3口： P3 口是一組帶有內部電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口輸出緩沖器可驅動 4 個 TTL 電路。對 P3 端口寫入 ―1‖時，它們被內部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的 P3 口由于內部電阻的 原因，將輸出電流。 P3 口除了作為一般的 I/O 口外，更重要的 用途是它的第二功能，如 表 31 所示。