基于单片机的汽车倒车测距仪设计.docx
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基于单片机的汽车倒车测距仪设计
基于单片机的汽车倒车测距仪设计
摘要
随着汽车的日益普及,由于人为原因而产生的碰撞问题也日益突出,而倒车碰撞占碰撞事故的大部分。
为提高汽车倒车的安全性,本文设计了一种基于单片机的汽车倒车测距仪系统。
该系统是以89S51单片机为控制核心,利用时间差检测法进行测距,从而实现汽车安全泊车的目的。
本文在介绍超声波测距系统功能的基础上,提出了系统的总体设计方案,分析了基于超声波测距的汽车倒车报警系统各部分的硬件及软件实现。
硬件部分主要由超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路、蜂鸣器报警电路等。
软件部分采用模块化设计思想,整个程序的编写分主程序、显示子程序、蜂鸣器报警程序等模块。
本文还对系统进行了性能分析,说明误差产生的原因及解决办法。
本设计通过对各模块的硬件和软件的设计,基本能够达到设计要求,满足汽车倒车安全指标。
关键词:
单片机超声波测距倒车雷达
Rangefinderofcarparkingbasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract
Withtheincreasingpopularityofcars,collisioncausedbyhumanproblemsarebecomingprominentdaybyday,whilethereverseimpactcrashesaccountedforthemajority.Toimprovethesafetyofcarparking,thepaperdesignacarreversingrangefindersystembasedonsinglechip.
Thesystemisbasedon89S51microcontrollerforthecontrolofthecore,usingthetimedifferencedetectiontorang,inordertoachievethepurposeofsafecarparking.Thispaperproposedsystemdesignbasedonintroducingthefunctionofultrasonicdistancemeasurementsystem,andanalyzedsomeofthehardwareandsoftwareofcarreversingwarningsystembasedontheultrasonicdistance.Hardwareconsistsofultrasonictransmitterandultrasonicreceivercircuit,LEDdisplaycircuit,buzzeralarmcircuit.Softwarepartadoptsconceptofmodularizationdesign,thewholeprogramincludesmainprogram,displayroutines,buzzeralarmprogrammodules.Thisarticlealsoanalyzestheperformanceofthesystem,indicatingtheerrorcauseandsolution.
Thedesignthroughthehardwareandsoftwaredesignofeachmodule,canachievebasicdesignrequirementsandmeetthevehiclereversingsafetyindicators.
Keywords:
singlechipmicrocomputerultrasonicrangingcarreversingradar
前言
超声波测距仪,可以应用在汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
要求测量范围在0.10-5.00m,测量精度1cm,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。
由于超声波指示性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
此设计主要对利用超声波测距仪来对汽车倒车应用的介绍,能测量并显示车辆后部距障碍物的距离,并能发出“嘟嘟”声报警。
该仪器由单片机计算机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路、数显电路以及壳体构成。
随着汽车的日益普及,停车场变的越来越拥挤。
这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近,在停车场穿行、掉头或倒车时碰撞和拖挂的事故时有发生,在夜间时则更显突出。
本设计正是通过这一状况提出了基于单片机控制的汽车倒车报警器的设计方案。
本设计针对超声波来测量距离,通过发射和接收到超声波的时间间隔来算出即时的车尾距离障碍物的距离,本文介绍了超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路的硬件设计和整个系统的软件设计。
第1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本文研究内容
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章为硬件组装及性能分析。
首先对系统进行硬件组装及连接,然后对系统性能误差进行讨论。
第2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系统总体结构框图
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。
2.3本章小结
本章从整体上介绍了超声波雷达的构造和组成,是由控制器、测距传感器、显示系统和声音报警。
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;测距系统有超声波发射、接收子系统构成;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3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CMOS8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。
图3-1单片机最小系统
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。
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,P0.7~P0.0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,P0.7~P0.0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,P1.7~P1.0口作为I/O口使用时,P1.7~P1.0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
和
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
/
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
/
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
/
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
/
上的中断请求才有效。
因此,89S51检测
/
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(3-1)
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=1μs,t=NT机=N×10-6(s)
S=170×N×T机=170×N/106(m)
或S=17×N/103=0.017×N(cm)(3-2)
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⑦脚与⑥、⑧脚间跨接了电阻电容,因此其振荡频率可按公式f≈1.44/((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1kΩ。
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。
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。
图3-2超声波发生电路
3.2.2超声波接收电路的设计
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。
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。
图3-3超声波接收电路
3.3LED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。
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。
图3-4发光二极管引脚图图3-5LED实物图
图3-6共阳二极管图3-7共阴二极管
3.4本章小结
本章主要介绍了系统的硬件设计,是由单片机控制电路设计,超声波发射及接收电路设计,LED显示及报警电路设计。
单片机控制电路设计采用AT89S51作为系统控制器,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。
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。
第4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、
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