基于单片机的倒车防撞报警系统的设计Word下载.docx
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1.2国内外现状
在以前的大量时间里面,人们主要研究的是汽车被动安全问题,既当汽车出现问题以后解决的方案,比如在方向盘或者其他地方装上安全气囊,或者在汽车前后装上保险防撞杠,或者在汽车的材料方面使用塑料,当撞车的时候来缓冲掉一些能量,来减轻损失。
而现在人们大量从主动性来研究汽车安全问题,汽车导航仪成为其中的代表,它可以实时的拍摄车后方的状况,然后通过屏幕显示让司机无时不刻掌握车的状况,但是这种设备比较昂贵,一些较便宜的车都没有安装这些设备。
所以我们应该主动预防问题,研究方法来提高汽车的主动安全性能,就可能给人们带来更多福音。
1.3本文研究的主要内容
本文简述了HC-SR04超声波检测的一些基本原理,单片机的有效利用,通过编程实现我们预期的功能。
在提出总体设计方案后,研究了整个系统的供电电路,发送接收电路,显示报警电路等,并且详细的介绍它们是怎么工作的,也介绍了系统软件的流程,实现系统应有的功能。
2总体方案
2.1整体设计与分析
此设计以AT89S52单片机为控制中心,采用HC-SR04模块进行测距,发射探头与接收探头与单片机相连。
在发射超声波的同时,进行计时且进行小时延,超声波在传播过程中碰到障碍物就会反射回来,接收探头接收到回波后,单片机就可计算出传播时间,根据时间则可计算出小车到障碍物的距离,当距离小于系统设定值,通过硬件电路进行显示报警。
本设计对系统主程序,测距子程序,硬件的测距模块,显示单元,报警模块等进行了研究分析。
2.2各功能模块方案分析
1.单片机控制单元选择
目前市场上有很多优秀的单片机可供选择,比如MCS51系列的单片机,拥有很高的性能,廉价并且技术成熟,在国内领导着主流,占据国内的电子主要市场。
并且,与其配套的硬件开发系统,软件技术也越来越成熟,可利用它开发出各种所需要的应用系统。
还有一种常见的单片机,那就是ATMEL公司的AT89S52单片机,它同样具有MCS51系列的优点,并且它的存储方式为闪存,存储空间为8K。
它的引脚和指令与80C51等产品通用,并且ATMEL公司高技术的制造,让单片机的存储数据不易丢失。
并且AT89S52单片机拥有特殊的功能,可以进行在线编程,这样系统就可以随时下载单片机控制程序,所以本系统的控制单元决定采用AT89S52单片机。
2.测距传感器的选择
用来进行测距的方法有很多种,介绍几种比较常见的方法,比如利用红外线的特性测距,根据反射回来的强度就可以判断碰到障碍物的远近,这样就实现了测距。
它的优点是使用制作方便安全,但是它的测量精度不高,方向性也比较差,测量距离不远。
激光传感器的方向性和传光性特好,它是利用激光,对障碍物发射脉冲,遇到障碍物就大量的散射,部分的光被接收传感器接收以后,得到了光的传送时间计算出两倍到障碍物的距离,它的一半即为我们所要的测量距离。
激光传感器拥有很远的测量距离,速度挺快,测量精度也很高,并且可以大范围测量,可是它的特性威胁人们的安全问题,并难以制作。
超声波是人们比较熟悉的一种东西,它也属于声波范畴,但是它是超出了人类听觉的声波,其振动频率超过了20KHZ。
它工作的时候需要通过换能在电压和超声波之间转换,超声波发射时,经过电平转换增加能量,发射探头将电压变成超声波进行发射,而接收传感器接收到回来的超声波时,接收探头需要转换成电压送到单片机里面进行处理。
超声波高频率的振动特性,使之不容易出现绕射,并且波长短,而且在传输过程中能量的消耗比较缓慢,这些特点都有利于测距[1]。
特别在在中长距离测距中有很明显优势,相对于红外测距,超声波测距的精度较高,方向性好,但价格稍微贵了一点。
经过对传感器的优缺点分析对比,考虑到安全性,成本,精度等综合因素,决定选用超声波进行测距。
2.3方案确定
选定方案:
本设计使用AT89S52为控制中心,而超声波发射探头则使用T-40,接收探头使用R-40,为了设计的的便捷采用HS-SR04为测距模块,所测距距离值由HS310561K三位一体共阳数码管显示,报警单元使用蜂鸣器实现。
因为本设计为倒车防撞系统,只进行一路测距不能满足要求,所以采用三路测距,超声波第一路发射信号驱动连接在单片机P0.0口,第二路连接P3.4口,第三路连接P3.6口,与之对应的三个接收探头分别与单片机的P3.2,P3.5,P3.7口连接。
因为只有一个LED显示屏,所以三路测距后得到的距离进行比较,显示距离最短的一路,当距离小于报警值的时候,由报警电路进行报警,且随着距离的减小,报警的频率逐渐增加。
总系统框图如图2.1所示。
图2.1系统框图
3硬件电路电路设计
3.1AT89S52单片机控制单元
3.1.1AT89S52单片机
AT89S52单片机具备以下几个特点,4K字节flash片内存储,高达128字节数据存储,配置32个I/O口,2个全双工串行通信口,5个中断源,具有看门狗电路,2个16位可编程定时计数器,片内震荡和时钟电路,并且全程静态工作还配置了掉电模式[2]。
下图3.1为AT89S52的引脚图。
图3.152单片机引脚图
3.1.2单片机引脚功能
(1)电源引脚
VCC(40脚):
接+5v电源
GND(20脚):
接地端。
(2)时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2
因为在AT89S52单片机里面存在一个反相放大器,所以它可以产生时钟信号,XTAL1作为片内放大器的输入,XTAL2为片内振荡器反相放大器的输出端[2]。
它采用自激振荡的工作模式,输入口XTAL1和输出口XTAL2接12MHZ石英晶振,通过石英晶振的频率来控制振荡,最终产生时钟信号。
时钟电路如图3.2。
图3.2时钟信号电路
(3)复位RST(9脚)
单片机复位的条件是该引脚出现两个机器周期以上的高电平,如果一直给它输入高电平,那么单片机会一直执行复位[2]。
复位之后的结果就是计数器和特殊功能寄存器将全部清零,并且P0口,P1口,P2口,P3口的引脚都为高电平[2]。
(4)输入输出口(I/O口)引脚
P0口到P3口:
1.所有的端口都具有输入/输出功能,都可以作为通用的I/O口使用。
当端口作输出时数据可以锁存,作为输入时数据可以缓冲。
4个端口的每一位都可独立使用。
2.P0口和P2口可作为与外扩存储器的连接端口。
这时,P0作为数据/地址分时复用端口,P0口先输出外部存储器的低8位地址,并在外部锁存,而后再输出读入数据,P0口内部没有自带上拉电阻,所以在使用的时候需外接上拉电阻。
在对内部Flash程序存储编程时,P2口可以接收高八位地址和控制信息,在16位寻址时,P2口送出外部存储器的高8位地址[2]。
当P0口和P2口用作数据/地址总线时,它们不能再作为通用I/O口。
3.P0口的输出可以驱动8个LSTTL负载,其输出电流大于800uA[2]。
而P1,P2,P3口的输出只能驱动4个LSTTL负载。
4.P3口除了具有通用I/O口的第一功能之外,它还有专属的第二种功能。
P3口的第二功能,如表3.1所示[2]。
表3.1
P3口第二功能表
P3引脚
兼用功能
P3.0
串行通讯输入口(RXD)
P3.1
串行通讯输出口(TXD)
P3.2
中断0请求输入(INT0)
P3.3
中断1请求输入(INT1)
P3.4
定时器0输入端(T0)
P3.5
定时器1输入端(T1)
P3.6
外部数据存储器写选通(/WR)
P3.7
外部数据存储器读选通(/RD)
(5)其它控制或复用引脚
(a)ALE/PROG(30脚):
第一功能作为地址锁存信号输出端,片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚的第二功能作为输入编程脉冲,一般情况下空着[2]。
(b)/PSEN(29脚):
外ROM读选通信,当端口置为低电平时有效。
(c)/EA/Vpp(31脚):
EA的功能是内外ROM选择端。
Vpp的功能:
片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,施加编程电源Vpp,一般情况下接高电平。
3.2超声波测距原理
超声波有很多测距方法,大多数采用渡越时间检测法,此方法简单易行,测量范围和精度都能满足要求。
它的原理:
当发射探头发出超声波以后,到接收探头接收到超声波的时间t,就称为渡越时间,然后得出距离l。
假设l为测量距离,t为时间差,超声波速度为c,可得l=ct/2,当接收探头收到回波的同时停止计时。
再由间差的绝对值,假定t2-t1=0.01S,则有340m×
0.01S=3.4m。
由于在这3.4m的时间里,超声波距离障碍物的距离图示如下:
如图3.3为测距原理[3]
图3.3测距原理
因为θ/2的值很小,那么cosθ/2也很小,所以L≈S。
那么距离L如下:
L=cx(t2-t1)/2
超声波测距的算法设计:
当为室温的时候超声波传播速度和声速一样为340m/s。
t1为超声波发射瞬间,t2是接收超声波瞬间,t2-t1得出超声波传输时间。
在进行测距的时候,发射器和接收探头必须安装在同一个平面内,这样接收探头才能比较准确的接收回波[4]。
S可以表达为下面的式子:
S=340×
t/2=170×
t
单片机内部的计时方式是采用机器周期来定时计算的,时钟频率为12MHZ,如果计数为N次,则:
T=12/fosc=1μs
t=N×
T=N×
0.000001(s)
S=170×
N×
T=170×
N/1000000(m)
3.3发射与接收电路设计
3.3.1HC-SR04模块
HC-SR04模块作为非接触式的测距模块,它的测量范围可达到2cm-400cm,并且价格便宜,模块包括了超声波发射,接收及控制电路,这样使单片机控制系统更加的简单容易。
实物图如图3.4。
图3.4HC-SR04模块实物图
基本工作原理:
给模块TRIG触发口大于10us的高电平信号就使模块自动发出8个连续40khz的方波,当遇到障碍物返回以后,接收探头感应到回波,ECHO输出一个高电平,则可得出超声波的传播时间。
HC-SR04参数如表3-2。
表3-2模块参数
电气参数
HC-SR04超声波模块
工作电压
DC5V
工作电流
15mA
工作频率
40khz
最远射程
4m
最近射程
2cm
测量角度
15°
输入触发信号
10us的TTL脉冲
输入回响信号
输出TTL电平信号,正比于距离
规格尺寸
45*20*15cm
HC-SR04模块发出的超声波时序图如图3.5所示,为防止发射信号的余波对回响信号的影响,测量周期一般要大于60ms。
图3.5超声波时序图
HC-SR04模块主要由Em78p153单片机、MAX232、TL074、超声波传感器:
T40-16、R40-16组成。
Em78p153单片机:
①概况描述
Em78p153为8位单片机,其内部配置512*13位一次性ROM(OTPROM),如果想要对程序进行修改完善,那么可利用EMC编程器将程序代码写入芯片。
能满足用户要求的有13位选项位,特别设置了保护位保护程序被读出。
②功能特点
工作电压范围:
2.0V~6.0V;
工作温度范围:
0℃~70℃;
工作频率范围:
DC~8MHz;
512×
13位片内ROM;
32×
8位片内寄存器(SDRAM);
片内有4MHz校准RC振荡器;
2个双向I/O端口;
8位实时定时/计数器(TCC),触发沿可编程选择,信号源,溢出产生中断。
掉电模式(SLEEP模式);
拥有TCC溢出中断,外部中断和输入引脚状态变化中断3个中断源。
EM78P153为14脚封装;
③引脚分配
图3.6Em78p153引脚图
MAX232:
MAX232芯片是一个电平转换芯片,采用+5v单电源供电。
MAX232大部分的情况用做串口通信,但是也有电平转换的功能,本设计利用了其电平转换功能,将5V的40KHZ的方波转换成20V,从而提高发射功率。
超声波发接收射头采用T/R40-16探头,它的共振频率为40kHz。
①MAX232引脚图,芯片引脚如图3.7。
图3.7MAX232引脚图
②引脚介绍
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成的。
它可以产生+12v和-12v两种电源,供给RS-232串口两种电平。
第二部分是数据通道。
其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)构成第一数据通道;
8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)构成第二数据通道。
15脚接地(GND)和6脚VCC(+5v)构成了供电部分。
TL074:
运算放大器,采用JFET输入,它的优点是使用时低噪声,引脚如图3.8。
图3.8TL074引脚图
1脚为通道1的输出端,2脚为通道1反向输入端,3脚是通道1同相输入端。
5脚是通道2的同相输入端,6脚为通道2反相输入端,7脚是通道2输出端。
8脚是通道3的输出端,9脚是通道3反相输入端,10脚通道3是同相输入端。
12脚是通道4的同相输入端,13脚是通道4的反相输入端,14脚是通道4的输出端。
4脚为芯片的正电源接口,11脚为芯片接地端。
TL074内部组件数量如下表3.3所示
表3.3TL074组件
电阻
44
晶体管
56
JFET
6
二极管
4
电容
epi-FET
T40-16与R40-16:
在以往的研究中,人们已经设计出很多优秀的超声波传感器,大概的可以分为两大类:
第一类就是利用电气方式产生超声波,主要涵盖压电型、磁致伸缩型和电动型等。
第二类利用机械方式产生超声波,主要涵盖加尔统笛,液哨和气流旋笛等。
因为它们产生的超声波特性不一样,用途也各有所异,压电式超声波发生器目前最为常用。
利用压电晶体的谐振来工作是压电式超声波发生器的原理,它的内部存在一个共振板和两个压电晶片。
在它的两极外施加脉冲,当频率与压电晶片的固有振荡频率相等时,产生共振,使共振板一起振动,则发出了超声波。
反之,当共振板接收到超声波回波时,迫使压电晶片振动,就这样就转换为了电信号,这就是超声波接收探头了,模块使用的T/R40-16超声波换能器即为压电型。
①器件说明
名称:
压电式陶瓷超声波传感器;
型号:
T40-16T/R;
类别:
通用型;
中心频率:
40KHZ;
外径:
16mm;
使用方式:
T代表发射,R代表接收,TR为收发兼用;
适用范围:
一些电子设备或者电器的遥控装置,超声波测距及汽车倒车防撞装置,液面探测,超声波接近开关及其它应用的超声波发射与接收。
②器件性能
1.标称频率(KHz):
40KHz;
2.发射电压at10V(0dB=0.02mPa):
≥110dB;
3.接收灵敏度at40KHz(0dB=V/ubar):
≥-70dB;
4.静电容量at1KHz,<
1V(PF):
2000±
30%;
5.探测距离(m):
0.02-10。
传感器实物如图3.9所示。
图3.9传感器实物图3.10元件内部结构图3.11元件外部结构
3.3.2超声波发射电路
HC-SR04模块将发射和接收电路集成于一体,在进行硬件设计的时候,就不需要再进行复杂的发射及接收电路的设计,软件设计的时候,只需要给模块的控制端‘Trig’输入一个大于10us的高电平就可以产生40Khz的方波,方波从而引起压电陶瓷共振,这样就产生了超声波。
而接收端口‘Echo’接收到回波以后,就给输出一个高电平给单片机,单片机进行数据处理。
HC-SR04模块内部超声波发射电路如图3.12所示,主要由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射换能器T40组成。
图3.12超声波发射电路
3.3.3超声波接收电路
HC-SR04模块内部超声波接收电路如图3.13所示,主要由TL074运算放大器及超声波接换能器R40组成。
图3.13超声波接收电路
超声波的接收过程:
单片机初始化,HC-SR04内部ECHO接口与单片机P0.0的引脚相连,发射接口TRIG与单片机的P3.2引脚相接。
单片机初始化后,单片机P0.0给“Trig”接口一个约为20us的高电平,经过HC-SR04模块内EM78P153发送8个连续的40KHz脉冲的信号,经过MAX232电平转换,提高发射功率。
当单片机的给一个20us的触发信号时,TRIG由低电平转换为高电平,TRIG=1,单片机开时计时,开启中断,并记录时间为T1,接收换能器等待接收回波,ECHO持续为高电平的时间为发射时间。
换能器接收回波将超声波转换为电信号,送至单片机,记录时间为T2。
超声波发射的时间为:
T2-T1,
计算发射距离为:
L=(T2-T1)xC/2
如果等待回波时间超过65ms时,则无法接收到回波,单片机初始化,重新发射接收下一次回波。
3.4显示报警单元设计
当单片机将测距单元测得的距离处理计算后,需要进行显示,若当距离小于报警值的时候也需要进行报警,所以报警显示单元是本系统不可或缺的部分,报警单元和显示单元进行分开设计。
3.4.1系统显示电路设计
显示器作为一个典型输出设备,它具有广泛的实际应用,各种结构类型不同的显示设备在电子产品中都可以见到。
LED发光二极管作为最简单的显示器,它能显示我们所需要的关键信息。
结合设计综合实际要求以及单片机的接口资源,由于测距范围最大4m左右,所以选用了HS310561K三位一体共阳数码管就能满足要求。
发光二极管显示器一般有静态显示驱动和动态显示驱动方式。
给点亮的LED施加恒定的电流,这就是静态显示驱动,但是这种方法占用了大量具有锁存功能的I/O接口。
这样单片机控制起来比较方便,单片机发送显示的字型段码到接口电路即可,若发送新的段码就重新显示新的信息,但是这种驱动需要寄存器,编译码等硬件设备,若需要显示位数增加以后,连线及成本都增加。
而动态显示驱动就是给想要点亮的LED施加脉冲电流,使用分时的方法轮流控制显示器COM端让显示器轮流点亮。
这种方法比较适合本设计,所以选用动态驱动显示。
图3.14系统显示电路
本系统采用的HS310561K三位一体数码管显示所测距离值,如图3.13。
LED数码管采用了动态扫描显示,单片机的P2口为段码输出端口,位码输出端口分别位单片机的P0.2,P0.4,P0.6口
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