【正文】 [6] 六、畢業(yè)論文﹙設(shè)計﹚的進度安排： 1月10日——3月20日：查閱資料，完成外文翻譯原文和開題報告。 4月21日——5月20日：完成整體設(shè)計并調(diào)試，準(zhǔn)備作品驗收。 指導(dǎo)教師簽名 系(教研室)主任簽名 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名 批準(zhǔn)日期 基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)的設(shè)計【摘要】本設(shè)計介紹了基于單片機的汽車倒車防撞系統(tǒng)設(shè)計，硬件部分以單片機STC89C52為主要控制模塊，以超聲波測距模塊HCSR04為測距系統(tǒng)，用數(shù)碼管顯示出車尾與障礙物之間的距離，用鍵盤設(shè)置蜂鳴器報警的最小距離，當(dāng)超聲波測到的距離小于報警距離時，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，并且使制動系統(tǒng)停止工作，完成自動剎車功能。測量范圍為2cm500cm,完全滿足汽車倒車需求，最小報警距離可以在1cm400cm之間任意設(shè)置。隨著汽車數(shù)量大幅度攀升，交通擁擠狀況越來越嚴(yán)重，撞車事件有贈無減，造成不計其數(shù)的人員傷亡和經(jīng)濟損失。在常見的汽車倒車裝置上采用基于單片機的測距，將軟、硬件相結(jié)合，通過數(shù)字顯示電路顯示障礙物與車輛保險杠之間的間距，當(dāng)?shù)管囆∮谧钚【嚯x時，發(fā)出急促的警報聲，提醒駕駛員剎車，減少了駕駛員在駕車過程中的事故發(fā)生率，并且?guī)椭鷾p少汽車行駛在過程中視覺死角和光線模糊等不利條件，大大提高了行車過程中的安全性。由于超聲波的波速比較小，其傳播時間也就比較長。超聲波測距是一種利用聲波反射、折射特性與電子計數(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量方法。通常所設(shè)計的關(guān)于汽車防撞系統(tǒng)主要由核心的控制器、顯示器、超聲波發(fā)射接收模塊、報警器設(shè)備等四個部分組成。超聲波傳感器裝在汽車的后保險杠上，不停的發(fā)出超聲波檢查障礙物，能探索到很多物體，如馬路邊沿，花壇，蹲在車后小孩等：顯示設(shè)備裝在駕駛員座位的儀表盤上，顯示出汽車車尾距離后面障礙物還有多少米，一旦小于設(shè)定的最小距離時，蜂鳴器就開始發(fā)出報警聲音，提醒司機停車[1]。人類的聽覺是有一定范圍的，當(dāng)聲音頻率變大時(根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取整數(shù)為20000赫茲)，人類的聽覺就會分辨不到周圍聲音的存在，這就是人們通常所說的“超聲波”。這與雷達(dá)測距的原理很相似。超聲波是一種通過壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的、頻率在20000HZ以上的聲波：它的能量集中性較好、同時又具有光的一系列特征，比如常見的直線傳播、反射折射等[2]。超聲波的特性有：（1）吸收特性超聲波在各種物質(zhì)中傳播時，當(dāng)距離超過超聲波所能有效傳播的范圍時，超聲波的能量就會被削弱，這是因為介質(zhì)可以吸收掉超聲波的一部分能量，使得超聲波的應(yīng)用受到了極大的限制。如果一個聲波的頻率是固定的，那么在不同的物質(zhì)中其吸收能力不同，例如：在空氣中傳播時它的吸收能力非常強，在水中傳播時吸收能力相對減弱，在固體中傳播時吸收是非常小的[4]。既可以完成發(fā)射超聲波，又可以接收超聲波的集成器件就是超聲波傳感器。小功率的超聲波探頭多用作探測距離、物體等方面。由于晶片的直徑寬度和厚度大小是不一樣的，因此每個探頭的性能都是不一樣的，在利用超聲波時，應(yīng)該注意了解清楚它的功能。主要是由晶片本身的材料性能決定的。超聲波傳感器的頻率與其晶片的共振頻率相等。　?。?）工作溫度。可以保持長時間的有效工作，并且其超聲波探頭使用功率比較小。　為了充分的將超聲波利用到人類社會的發(fā)展中，大量的超聲波發(fā)生器被開發(fā)出來。他們的工作方式不同，不同的產(chǎn)生超聲波的輸送頻率、工作功率和聲波衰減等特性是各不相同的。超聲波是一種在介質(zhì)中的機械振蕩波，超聲波頻率超過20KHz。而且超聲波可以在固體、液體及氣體中傳播，其傳播速度在三中物質(zhì)中也是大不相同的。超聲波的基本特性如下所述：1． 波長波的傳播速度計算方法為頻率乘以波長。2． 反射要探測到障礙物，就需要障礙物將接收到超聲波反射回來。同時，由于某些特殊物質(zhì)存在大量的不規(guī)則反射、折射，這些物質(zhì)的測量也很難利用超聲波來進行，這些條件使得超聲波的測量有了較高的要求。3. 衰減傳播到空氣中的超聲波能量隨著距離的增加而成比例地減弱，這是因為某些容易吸收超聲波能量的介質(zhì)吸收了超聲波能量而使得超聲波能量減弱，這就是上文所講的吸收特性，也是由于衍射現(xiàn)象而導(dǎo)致的在地球表面上的擴散性削弱。超聲波在不同的溫度下、距離下、檢測不同的物質(zhì)時，超聲波的衰減特性不同，列出了不同頻率的超聲波在不同距離下的衰減特性。 靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(μbar)。 超聲波傳感器靈敏度示意圖5．輻射特性把超聲波傳感器安裝在臺面上。為了準(zhǔn)確地表達(dá)輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用二分之一θ表示。分析以上研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器在40KHz范圍內(nèi)工作時能夠產(chǎn)生最高的聲壓級以及最高的靈敏度。直流電機有很多優(yōu)點，可以廣泛的應(yīng)用于機械能驅(qū)動的場合。 電機實物圖2 方案論證方案一：方案一以STC89C52單片機為主要控制芯片，報警電路采用常用的蜂鳴器，顯示電路采用LCD1602液晶顯示器，制動系統(tǒng)采用直流電機及其驅(qū)動電路，超聲波發(fā)射電路采用由555芯片構(gòu)成的硬件電路,超聲波接收電路由與非門構(gòu)成的硬件電路。超聲波接收電路由非門構(gòu)成的一個簡單的振蕩器發(fā)送電路，可由軟件較容易的控制。方案二：采用STC89C52單片機為主要控制芯片，加上單片機運行必須的復(fù)位電路和時鐘電路，以及實現(xiàn)實時顯示所需要的數(shù)碼管及數(shù)碼管驅(qū)動電路，設(shè)置報警距離的鍵盤控制電路，報警電路，還有最重要的超聲波測距電路和控制制動系統(tǒng)自動剎車的直流電機及電機驅(qū)動電路。軟件部分仍然應(yīng)用C語言，采用軟硬件結(jié)合的方式，使各個模塊高效的實現(xiàn)功能。方案一采用了較為傳統(tǒng)的分立元件，而方案二則采用了HCSR04超聲波測距模塊來實現(xiàn)功能。方案一的顯示部分采用LCD1602，而方案二的顯示部分采用了四位LED共陽數(shù)碼管。綜上所述，方案二更合適，所以選取方案二作為最終設(shè)計方案?？梢匀我庠O(shè)置報警距離的鍵盤電路，當(dāng)實際距離小于最小報警距離時，可以實現(xiàn)報警功能的蜂鳴器并且使電機自動停止工作，從而實現(xiàn)了汽車在倒車過程中的自動剎車功能。 主控制模塊本模塊主要以單片機的最小系統(tǒng)模塊為核心，主要包括一個單片機以及單片機的時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路采用了單片機的片內(nèi)時鐘振蕩方式，TXAL1和TXAL2為兩個外接時鐘引腳，這兩個引腳外接石英晶振和震蕩電容，在本設(shè)計中電容選取22pF，石英晶振選取為12MHZ，時鐘電路為系統(tǒng)工作提供了最基本的保障。這種單片機是基于單片機的簡單設(shè)計常用的類型，而且是低功耗、高性能的CMOS材料8位單片機，具有8K Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器，256 byte的RAM，32個I/O口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套等功能，可以完全滿足本設(shè)計的硬件要求[8]。 顯示電路本模塊采用四位共陽數(shù)碼管，當(dāng)數(shù)碼管多位一體時，它們內(nèi)部的公共端是相互獨立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段選位是連接在一起的，獨立的公共端控制數(shù)碼管多位中的哪一位亮，而連接在一起的段選位可以控制亮什么數(shù)字。數(shù)碼管驅(qū)動電路是由電阻和三極管組成的，其工作原理如下：當(dāng)單片機內(nèi)部有低電平觸發(fā)三極管PNP基極時，三極管導(dǎo)通，這樣就提供了可以驅(qū)動數(shù)碼管的電壓，否則電壓過小無法驅(qū)動數(shù)碼管位選位。共陽數(shù)碼管內(nèi)部8個發(fā)光二極管的所有陽極端是全部連接在一起的，電路在連接時，公共端應(yīng)該接高電平，因此要使發(fā)光二極管發(fā)光時，需要給另一端口送低電平[9]。圖中標(biāo)號相同的端口互相連接。本設(shè)計采用的鍵盤為彈性小按鍵，當(dāng)彈性小按鍵被按下時單片機I/O口接地，松開后表示電路斷開。由于單片機正常工作后，所有的I/O口都被賦予高電平，所以鍵盤的另外一端是接地的。 鍵盤模塊框圖 報警電路本模塊用一個電阻，一個三極管和一個蜂鳴器構(gòu)成，與單片機的P2^3口相連。本設(shè)計采用的三極管是PNP三極管，而不是常用的NPN三極管，因為單片機在上電時所有的I/O口都被置為高電平，這樣使得NPN三極管的基極被高電平驅(qū)動，當(dāng)三極管工作后，蜂鳴器發(fā)出報警聲。電阻的作用是當(dāng)I/O口輸出低電平時，在三級管的基極產(chǎn)生一個可以使三極管導(dǎo)通的電壓。模塊主要包括一個STC11系列單片機，MAX232和TL074芯片，超聲波發(fā)射傳感器、接收傳感器與超聲波發(fā)射、接收控制電路。超聲波探測模塊HCSR04在本設(shè)計中的使用方法如下：單片機的I/O口P3^2口與模塊的Trig口相連，單片機向模塊的Trig口發(fā)送至少10us的高電平，單片機內(nèi)定時器在高電平開始時開始計數(shù)；HCSR04模塊自動發(fā)送若干個模塊內(nèi)晶振產(chǎn)生的方波，然后超聲波接收傳感器自動檢測是否有信號返回；當(dāng)檢測到信號返回時，定時器停止計數(shù)，I/O口向ECHO輸出高電平持續(xù)的時間（通過定時器計時得出的時間）就是超聲波從發(fā)射到接收的時間。超聲波測距模塊由單片機STC11為主控芯片，還有MAX232和TL074，還有超聲波發(fā)射傳感器和接收傳感器，主控制芯片接入4MHZ晶振，用來產(chǎn)生40KHZ的方波，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)化電平后，由超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出。 。DC電源插口有三個引腳，其中兩個引腳接地，另外一個接電源。 電機的電源采用了12V電壓源供電，12V電壓源由變壓器，整流橋，7012組成，經(jīng)過變壓、整流、濾波這幾個過程后，輸出了穩(wěn)定的12V直流電壓，為系統(tǒng)工作提供了基本保障。當(dāng)系統(tǒng)在正常情況下運行時，電機驅(qū)動電路正常運行，當(dāng)超聲波測距測到的距離小于設(shè)置距離時，單片機發(fā)送指令使電機停止運行。 制動系統(tǒng)電路設(shè)計 直流電機的速度是用脈沖寬度調(diào)制來解決的，它是按規(guī)律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的的調(diào)節(jié)方法，我們在系統(tǒng)中一般采用矩形波脈沖寬度調(diào)制信號，當(dāng)需要調(diào)節(jié)變化速度時，只需要調(diào)節(jié)其波形的占空比就行了。當(dāng)占空比越大，速度越快，如果全部為高電平，則占空比最大，此時電機轉(zhuǎn)動速度最快。 L298是一種常見的電機驅(qū)動模塊，本設(shè)計采用L298驅(qū)動了兩個直流電機，通過單片機的I/O口輸出電平的不同，可以控制電機進行不同的工作方式，例如：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎停、停止。 L298工作原理圖ENIN1IN2轉(zhuǎn)動方式0**停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止4 軟件設(shè)計 本設(shè)計的軟件設(shè)計利用keil軟件，采用C語言編寫。 主程序設(shè)計 結(jié)束是否再次檢測距離顯示在數(shù)碼管上發(fā)出報警，制動系統(tǒng)自動剎車判斷超聲波測到的距離是否小于報警距離將報警距離寫入EEPROM中采用系統(tǒng)設(shè)置的報警距離判斷是否有鍵按下，需要設(shè)置距離定時器初始化，賦初值開始 N Y Y N Y N 主程序設(shè)計框圖本設(shè)計的程序設(shè)計主要是利用52單片機eeprom的存儲功能，系統(tǒng)初始化后，將預(yù)先設(shè)置好的最小報警距離參數(shù)存進eeprom中，再利用超聲波測距模塊發(fā)送超聲波，計算出最終的距離，并且與預(yù)先設(shè)置好的最小報警距離作比較。 超聲波測距子程序設(shè)計結(jié)束超聲波接收端接收超聲波判斷定時器計數(shù)是否大于40000定時器發(fā)送超聲波，并且開始計數(shù)ECHO是否為低電平定時器初始化，賦初值開始 Y N Y N 超聲波測距子程序框圖單片機向超聲波測距模塊的ECHO口發(fā)送最少10us的高電平，觸發(fā)超聲波測距模塊開始工作，發(fā)射端發(fā)射若干個40KHZ的方波，并且同時啟動定時器，當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)時，關(guān)閉定時器，定時器計算出從超聲波信號被發(fā)送出去到信號被接收到整個過程所需的時間，根據(jù)這個時間可以計算出車尾到障礙物的具體距離。 數(shù)碼管顯示子程序本設(shè)計采用四位共陽極數(shù)碼管進行距離顯示，數(shù)碼管的段選位分別與單片機的P1口相連。當(dāng)共陽數(shù)碼管顯示數(shù)字時，其0,1,2,3,4,5,6,7,8,9，a, b, c, d, e, f所對應(yīng)的編碼數(shù)應(yīng)該為0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, ox80,0x98,0x88,0xc3, 0xc6,0xa1,0x86,0x8e。本設(shè)計采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，輪流向各位數(shù)碼管動態(tài)顯示送出段選碼和控制哪一位亮的位選碼，利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的視覺暫留作用，使人感覺好像四位數(shù)碼管在同時顯示，而實際上四位數(shù)碼管是一位一位輪流顯示的，只是輪流的速度相當(dāng)快，人眼無法分辨出來。