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基于单片机的小车防撞系统的设计.doc

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.40M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    引言
    1系统设计的目标和任务
    1.1系统设计的基本要求
    1.2系统设计的思路
    1.3方案论证
    1.3.1发送模块
    1.3.2接收模块
    2 AT89S51单片机与超声波简介
    2.1 AT89S51单片机的概述
    2.2 AT89S51单片机的特点
    2.3 超声波简介
    2.4 基于CX20106A超声波测距的调试
    3系统软件部分设计
    3.1超声波系统主流程图
    3.2超声波硬件设计与软件编程
    3.2.1复位电路
    3.2.2显示电路
    3.2.3超声波发送与接收模块
    3.2.4 报警模块
    4 调试及性能分析
    4.1 硬件调试
    4.2 软件调试
    4.3测试结果与分析
    5设计总结
    致谢
    参考文献
    附录1电路原理图
    附录3程序
    泉 州 师 范 学 院 毕业论文（设计） 题 目 基于单片机的小车防撞系统的设计 Based on SCM car anti-collision system design 物理与信息工程 学 院 电子信息科学与技术 专 业 07 级 1 班 学生姓名 甘景昌 学 号 070303049 指导教师 朱成全 职 称 讲师 完成日期 2011 年 4 月 教务处 制
    基于单片机的小车防撞系统的设计 物理与信息工程学院 07 级电子信息科学与技术 070303049 甘景昌 指导教师 朱成全 讲师 【摘 要】本文介绍了 AT89S51 单片机的性能及特点，设计了以其为核心的一种低成本、高精度、微型化、 数字显示的汽车防撞报警器。该防撞报警器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，可检测汽车运行中后方障碍物与汽车的距离，通过数显装置显示距离，并由发声电路 根据距离远近情况发出警告声。对防范汽车倒车事故的发生具有重要的意义。 【关键词】单片机;超声波;防撞;报警 1
    目录 引言 .................................................................................................................................................... 3 1 系统设计的目标和任务 ................................................................................................................. 3 1.1 系统设计的基本要求 ..........................................................................................................3 1.2 系统设计的思路 .................................................................................................................. 3 1.3 方案论证 .............................................................................................................................. 3 1.3.1 发送模块................................................................................................................... 3 1.3.2 接收模块................................................................................................................... 3 2 AT89S51 单片机与超声波简介..................................................................................................... 4 2.1 AT89S51 单片机的概述 ...................................................................................................... 4 2.2 AT89S51 单片机的特点 ................................................................................................... 4 2.3 超声波简介......................................................................................................................... 5 2.4 基于 CX20106 超声波测距的调试 ................................................................................... 5 3 系统软件部分设计 ......................................................................................................................... 5 3.1 超声波系统主流程图 ..........................................................................................................5 3.2 超声波硬件设计与软件编程 ..............................................................................................6 3.2.1 复位电路................................................................................................................... 7 3.2.2 显示电路................................................................................................................... 8 3.2.3 超声波发送与接收模块...........................................................................................8 3.2.4 报警模块 .................................................................................................................. 9 4 调试及性能分析 .......................................................................................................................... 10 4.1 硬件调试 ........................................................................................................................... 10 4.2 软件调试 ........................................................................................................................... 10 4.3 测试结果与分析 ................................................................................................................ 10 5 设计总结 ....................................................................................................................................... 11 致谢 ...................................................................................................................................................11 参考文献 ...........................................................................................................................................11 附录 1 电路原理图 .......................................................................................................................... 13 附录 2 PCB 图..................................................................................................................................13 附录 3 程序 ...................................................................................................................................... 14 2
    引言 随着现代化城市的发展，城市密度越来越大，城市交通越来越拥堵，人们对自身的生命财产安 全越来越重视，在公路上车辆行驶的安全性也得到了更多的关注，能否在高速行驶公路上及时提醒 司机驾驶安全也变得更加重要。因此，设计一个小车防撞系统也就变得很有必要。目前测量距离一 般都采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量。常用的技术主要有激光测距、微波雷达测距 和超声波测距三种[1]。超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点，因 此经常用于距离的测量。超声波测距主要用于建筑工地以及一些工业现场和移动机器人研制上，可 在潮湿，多尘等环境下工作。相对于其他技术而言，超声波定位技术成本低、工作稳定、精度高、 操作简单等优点，非常适用于距离测量定位。AT89S51 为小车防撞控制系统提供了稳定、可靠的解 决办法，充分利用它的片内资源，实现了超声波测距和报警 [2]。 1 系统设计的目标和任务 1.1 系统设计的基本要求 本次设计的主要内容是设计一种基于单片机汽车防撞报警系统的硬件电路，主要利用单片机对 超声波传感器采集的模拟数据的处理及存储。 设计的基本要求： 1.快速自动报警功能：当超声波传感器检测到汽车后方障碍物与汽车的距离小于安全值时，系 统能快速进行声光报警。 2.准确地向终端报警：能够及时并准确地向司机进行报警，快速地实现安全检测。 3.实时检测功能：监测模块能实时采集汽车与后方障碍物距离的变化，将这些数据定时传送给 单片机，有利于及时了解当前所处情况是否处于安全环境之下[3]。 1.2 系统设计的思路 该系统分为监测部分与终端接收部分。 监测部分，通过超声波系统对碰到的障碍物进行检测，再通过单片机系统对接收到的数据进行 处理，保证在终端能准确地接收信息，蜂鸣器同时工作；终端接收部分，终端通过单片机分析接收 的相关信息，在 LED 上显示与障碍物的距离[4]。 1.3 方案论证 1.3.1 发送模块 方案 1：采用压电式超声波换能器。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 方案 2：采用反向器 74LS04 和超声波发射换能器 T 构成震荡器。这种电路可以提高超声波发射 强度，且电路简单，稳定性高。 方案 3：单电源乙类互补对称功率放大电路和 UCM—40T 发射器。利用单电源乙类互补对称功率 放大大路驱动发射器[5]。 经论证比较，三种方案差距不大，但鉴于用 74LS04 电路简单。故选择方案 2。 1.3.2 接收模块 方案 1：采用集成电路 CX20106A。它是一款红外线检波接收的专用芯片，考虑到红外常用的载 波频率 38KHZ 与测距的超声波 40KHZ 较为接近，可以利用它制作超声波检测接受电路，且电路简单， 灵敏度高，还有较强的抗干扰能力。 3
    方案 2：采用 uA741 构成两级放大电路，这是专用运算放大器，高增益，增益带宽积大，抗干 扰能力强，可测距离远，精度高[6]。 经论证比较，虽然方案 2 相对方案 1 可测的更远，但方案 1 已可满足项目功能的要求，且方案 1 电路结构简单，方便调试，故采用方案 1。 2 AT89S51 单片机与超声波简介 2.1 AT89S51 单片机的概述 AT89S51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器。该器件采用 ATMEL 高密度非 易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89S51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统 提供了一种灵活性高且价廉的方案[7]。 AT89S51 单片机的引脚结构如图 1 所示。 图 1 AT89S51 单片机引脚图 2.2 AT89S51 单片机的特点 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable) 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技 术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的 解决方案。 AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取 数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器[8]。 此外，AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等 三种封装形式，以适应不同产品的需求[9]。 主要特性： · 8031 CPU 与 MCS-51 兼容 4
    · 4K 字节可编程 FLASH 存储器(寿命：1000 写/擦循环) · 全静态工作：0Hz-33MHz · 三级程序存储器保密锁定 · 128*8 位内部 RAM · 32 条可编程 I/O 线 · 两个 16 位定时器/计数器 · 6 个中断源 · 可编程串行通道 · 低功耗的闲置和掉电模式 · 片内振荡器和时钟电路 . 2.3 超声波简介 超声波具有方向性好、在介质中能量消耗缓慢且速度远小于光速等特点，因而可用于距离测定。 超声波测量的思想是从超声波发射到接收到反射回波的时间间隔来计算距离。超声波传感器是实现 声电转换的装置，又称为超声波换能器或者超声波探头。它是在超声频率的范围内将交变的电信号 转变成声信号的能量转换器件。考虑到实际情况，利用超声波测距时，选用频率为 40KHz 的超声波。 采用异地反射式来测距，即所测距离是声波传输距离的一半。测量发射和接收回波的时间差ΔT,在 声速 V 已知的情况下求出距离 S[10]。距离的计算公式如下： S=(V*ΔT)/2 2.4 基于 CX20106A 超声波测距的调试 CX20106A 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 与测距的超声波频率 40KHz 较为接近，所以把它用于超声波检测接收电路。 实验证明用 CX20106A 接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。当超声波接收头接收 到 40KHz 方波信号时，将会将此信号通过 CX20106A 驱动放大送入单片机的外部中断 0 口。单片机 在得到外部中断 0 的中断请求后，会转入外部中断 0 的中断服务程序进行处理，在移动机器人的 避障工作中，可以在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离，比如 0.5m。对于距离大于 0.5 m 的障碍物，可以不做处理直接跳出中断服务程序[11]。 3 系统软件部分设计 3.1 超声波系统主流程图 5
    图 2 主程序流程图 图3 按键中断处理流程图 3.2 超声波硬件设计与软件编程 综合考虑，控制模块采用单片机 AT89S51 控制；发射模块采用反向器 74LS04；接收模块采用 6
    CX20106A；显示模块采用液晶显示器 LED 显示；报警模块采用蜂鸣器。 其系统框图如图 4 所示。 发送模块 报警 单片机 AT89S51 接收模块 LED 显示 图 4 超 声 波 系 统 框 图 3.2.1 复位电路 单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源 稳定后，撤消复位信号。该设计采用含有电阻的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电 源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽 度的电源毛刺也可令系统可靠复位。复位电路的设计图如图5所示： 图5 复位电路 7
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