精品論文]基于at89c52單片機倒車防撞報警系統設計-資料下載頁

【導讀】本文設計了一種汽車倒車雷達預警系統。該系統在常見的汽車倒車預警裝置的基。擾，提高了駕駛安全性。本文在查閱、分析國內外倒車雷達系統相關技術的基礎上，結合最新研究成果，對基于超聲波測距的倒車雷達預警系統的研制進行了深入探討。該系統分為測距模。和軟件設計，并對該系統進行了誤差分析，給出了本系統的穩定性指標。提示和距離報警功能，同時保證系統的可靠性和可行性。

　　

【正文】 構框圖如圖 31所示。 圖 31 汽車倒車雷達預警系統結構原理圖 按照系統設計要求 ， 汽車倒車雷達預警系統由硬件和軟件兩部分組成 ， 系統設計采用模塊化思想。系統硬件結構分為三個主要模塊：測距系統 ， 控制系統和顯示報警系統。軟件部分對不同功能模塊的程序進行分別編程 ， 便于調試和移植。 各模塊所完成的具體功能如下： (1)測距系統：由傳感器設計的發送模塊、接收模塊和控制系統共同完成測距功能。 (2)控制系統：本系統以單片機 為控制核心 ， 控制 整個系統的運行 ， 對各種接口電路進行控制 ， 發射脈沖 ， 檢測到回波后 ， 進行數據處理實現實時時間差采樣 ， 測出從超聲波發射到接收回波信號的時刻差 ， 從而計算 出距離。 16 (3)顯示報警系統：顯示距離及最小距離報警以提醒駕駛員。 第三節 系統方案設計 一、測距系統方案設計 目前汽車倒車雷達預警系統測距技術主要有激光、毫米波雷達、攝像系統、紅外線、超聲波等一些測距技術 ， 不同的目標探測方式其工作過程和原理有不同之處。但它們的主要目的都是通過前方返回的探測信息判斷前方車輛和本車間的相對距離 ， 并根據兩車間的危險性程度做出相應的 預防措施。下面對五種不同的測距技術方案進行介紹和比較。 方案一：激光測距 激光測距裝置是一種光子雷達系統 ， 它具有測量時間短、量程大、精度高等優點 ，在許多領域得到了廣泛應用。目前在汽車上應用較廣的激光測距系統可分為非 成像 式激光雷達和 成像 式激光雷達。 在汽車測距系統中 ,激光測距的應用具有局限性。盡管非 成像 激光雷達同 成像 式激光雷達相比 ， 具有造價低、速度快、穩定性高等特點。但由于激光雷達測距儀器工作環境處于高速運動的車體中 ， 振動大 ， 對其穩定性、可靠性提出了較高的要求 ， 其體積也受到了一定的限制 ， 同時激光測距方式受天氣 狀態、汽車的震動及反射鏡表面磨損、污染等因素影響較大 ， 測距精度難以保證。所以在汽車防撞領域激光測距方式沒有得到發展。 方案二：毫米波雷達測距 毫米波是指波長介于 l～ l0mm之間的電磁波 ， 雷達是利用目標對電磁波反射來發現目標并測定其位置的。 作為車載雷達 ， 目前適用的主要有脈沖多普勒雷達、雙頻 CW雷達和 FM雷達三種。應用雷達測距 ， 需要防止電磁波干擾 ， 雷達彼此之間的電磁波和其他通信設施的電磁波對其測距性能都有影響。毫米波雷達主要應用于防撞 ， 以避免高速公路上發生追尾碰撞。但是 ， 由于應用毫米波雷達測距易受電磁干擾 ， 而 且成本太高 ， 結構復雜 ， 其價格昂貴 ， 市場價格在 1500元以上 ， 一般使用于高檔轎車。 方案三；攝像系統測距 CCD攝像機是一種用來模擬人眼的光電探測器。它具有尺寸小、質量輕、功耗小、 17 噪聲低、動態范圍大、光計量準確、其線掃描輸出的光電信號有利于后續信號處理等優良特性 ， 在汽車行業也得到了廣泛的應用。 雙目攝像系統模仿人體視覺原理 ， 測量精度高。但目前價格較高 ， 同時由于受軟件和硬件的制約 ，成像 速度較慢 ， 而且探頭容易磨損 ， 使得探測距離精確程度降低 ，一般減少至原來的 l/2～ 1/3。 方案四：紅外線測距 紅外線測距和激光、超 聲波測距在原理上基本相同 ， 均是根據發射波和反射時間來判斷目標的距離 ， 車載儀器通過發射并接收前方物體反射回的紅外線 ， 依據信號的強弱及波長的不同 ， 同時分析時間差 ， 可分析出前方物體的性質及與汽車的距離。紅外線的最大探測距離為 10m， 測距時響應的時間 較慢 ， 約 3110? ms。 紅外線測距在技術上難度不大 ， 構成的測距系統成本較低 ， 但是在惡劣的天氣和長距離探測方面仍然不能滿足汽車防撞的要求。同時 ,紅外線的波長比可見光線長 ，是肉眼看不見的光 ， 有顯著的熱效應和較強的穿透云霧的能力。 由于任何物體在任何時候都會發出紅外線 ， 而且人類肉眼感知不到紅外線 ， 具有極強的隱蔽性。夜間同樣不妨礙測距儀的工作 ， 故該種測距儀廣泛應用在軍用汽車上。 方案五：超聲波測距 超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。在彈性媒質中 ， 如果波源所激起的縱波的頻率在 20Hz到 20200Hz之間 ， 就能引起人的聽覺。在這一頻率范圍內的振動稱為聲振動 ， 聲振動所激起的縱波稱為聲波。頻率高于 20200Hz的機械波稱為超聲波 ， 頻率低于 20Hz的機械波稱為次聲波。與光波不同 ， 超聲波是一種彈性機械波 ， 它可以在氣體、液體和固體 中傳播。電磁波的傳播速度為 8310? m/s， 超聲波在空氣中的傳播速度約為 340m/s(常溫下 )， 其速度與電磁波相差 5個等級 ， 其速度相對電磁波是非常慢的。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，并且利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現，在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。由上述敘述可知，超聲波測量能夠達到 系統中所要求的測量精度，可以應用在汽車倒車系統上。 從以上五種測距技術方案的介紹可以看出各個傳感器的優點和缺點：超聲波技術主要用于短距離探測，成本低，制作安裝簡便，適應惡劣環境；紅外線技術一般用于 18 夜間環境，對環境適應性差；微波雷達測距和激光測距相對于超聲波測距來講精度更高，定位更準確；攝像系統技術價格較貴；毫米波雷達技術和激光技術的成本很高，所以運用其原理進行測量的設備價格也是相當高的，因而現在只是在比較高級的轎車中才有所應用。具體性能比較見表 3l為各種傳感器測距方式的比較。 表 31 各種傳感器測距 性能比較 超聲波 紅外線 攝像系統 毫米波雷達 激光 最大探測距離 10m 10m 大于 100m 大于 150m 可達 150m 響應時間 較快 ,約為15ms 慢 , 3110? ms 取決于處理時間 快 ,可達到 1ms 很快 ,約 10ms 探頭磨損 ,污染等因素的影響 幾乎沒有影響 影響不大 大 ,直接影響分辨能力 較小 很大 ,使探測距離減少 1/2~1/3 成本比較 探頭約 20元一支 ,工作機理簡單 ,探頭易安裝 約 80元 大于 1000元 大于 1500元 ,價格昂貴 ,結構復雜 約 500元 環境適應性 好 ,可以工作在惡劣環境中 差 ,但在能見度低時比其他光學系統好 差 ,可見性不好條件下無法工作 較好 ,不受能見度影響 差 ,受惡劣環境影響 綜合以上考慮和實際應用條件 ， 本系統的測距模塊采用的是第五種方案。 二、超聲波測距方案設計 方案一： 取輸出脈沖的平均值電壓 ， 該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比 ， 測量電壓即可測得距離； 但比例系數不易測定。 方案二：測量輸出脈沖的寬度 ， 即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t， 被測距離為 S=vt／ 2。此方法可用單片機程序計算超聲波發射接收的時間 差 ， 進而計 算出距離， 簡單可行 ， 精確度較高。 故本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關 ， 如果溫度變化不大 ， 則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高 ， 則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在 20 Co 的空氣中的傳播速度為 334米 /秒 ， 由單片機負責計時 ， 單片機使用 ， 所以此系統的測量精度理論上可以達到毫米級。 19 三、控制系統方案設計 在控制系統的方案選擇上 ， 由于整個系統的設計涉及到數據處理 ， 控制實時性等問題 ， 選用基于微 控制器的系統 ， 電路的實現不僅簡單而且成本低、功耗低、能大大縮小整個系統的體積。本系統是精密實時采集傳輸系統 ， 需要微控制器有很強的抗干擾能力 ， 而且要求微控制器內部有看門狗定時器 ， 以便在程序走飛時能自動復位；執行指令速度要快 ， 以便能高速處理采集到實時數據。 方案一：采用上位、下位機 (PLC)的控制系統。 上、下位機 (PCPLC)技術是基于工業控制領域廣泛應用的可編程序控制器 (PLC)控制程序發展而來的。可編程序控制器 (PLC)在 PCPLC技術中作為下位機 ， 其運行可靠性得到了一致認可 ， PLC在系統中的作用是： 通過現場檢測元件 — 各類傳感器 ， 采集系統運行參數 ， 將運行參數送至 PLC系統的數據采集單元 ， 現場數據采集單元利用網絡技術將數據送到 PLC控制主機 ， 由 PLC的主機 (CPU)對數據進行處理 ， 最后通過總線網絡送至上位工業控制計算機 (主控機 )PC。但是用可編程控制器 PLC通過數據采集 控制多個傳感器的方式 ， 這種方式多用于工業生產中 ， 體積大 ， 安裝不方便 ， 而且成本高。 方案二：微控制器選用 ATMEL公司的 AT89C52單片機的控制系統。 AT89C52是一個 8k字節可編程 FPEPROM的高性能微控制器。具有內存較大 ， 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展 ， 技術也相當的成熟。它與工業標準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 。 圖 32 單片機控制系統 綜合以上比較 ， 方案一 ， 系統數據處理任務 、 控制實時性要求高但設計復雜 ， 體積較大 ， 成本高 ， 而方案二 ， 設計簡單 ， 體積小 ， 安裝簡易 ， 成本低等特點 ， 本系統采用的是第二種方案作為控制 系統。 20 四、顯示報警系統方案設計 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使用 LED 發光二極管 ， 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量信息 ， 而復雜的較完整的顯示器應該是 CRT 監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。 （一） 數碼管 方案一： LCD 液晶顯示器。 LCD 液晶顯示器是利用光的偏振現象來顯示的。既能顯示簡單的字符 ， 也能顯示各種復雜的圖形和自定義的字符 ， 因此應用比 較廣泛。LCD 液晶器具有本身不發光 ， 靠反射或者透射其他光源的優點 ， 同時具有功耗小 ，可靠性高 ， 壽命長 ， 體積小 ， 電源簡單等特點 ， 非常適合于嵌入式系統、移動設備和掌上設備的使用。 方案二： LED 顯示器是由 LED 發光二極管發展過來的一種顯示器件 ， 是發光二極管的改型。 LED 是發光二極管的簡稱 ， 是一種將電能轉換成光能的設備。本身也是一種光源。 LED 顯示器是由發光二極管排列組成的 顯示器件。它采用低電壓掃描驅動 ， 具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠等特點。 簡單地說 ， LCD 與 LED 是兩種不同 的顯示技術 ， LCD 是由液態晶體組成的顯示屏 ， 而 LED 則是由發光二極管組成的顯示屏。但是 ， LED 顯示器與 LCD 顯示器相比 ， LED 在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面 ， 都更具優勢。 所以本設計采用方案二。 （二）顯示方式 方案一：靜態顯示。所謂靜態顯示 ， 就是當顯示器顯示某一字符時 ， 相應的發光二極管恒定的導通或截止。該方式每一位都需要一個 8位輸出口控制。靜態顯示時較小的電流能獲得較高的亮度 ， 且字符不閃爍。但當所顯示的位數較多時 ， 靜態顯示所需的 I/O 口太多 ， 造成了資源的浪費。 方案二：動態顯示。所謂動態顯示就是一 位一位的輪流點亮各個位 ， 對于顯示器的每一位來說 ,每隔一段時間點亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示 ，但必須保證掃描速度足夠快 ， 字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導通電流有關 ， 也與點亮時間與間隔時間的比例有關。調整參數可以實現較高穩定度的顯示 ， 動態顯示節 21 省了 I/O 口 ,降低了能耗。 本設計從節省 I/O 口和降低能耗出發 ， 采用方案二。 （三）報警方式 報警信號通常有三種類型：一是閃光報警 ， 因為閃動的指示燈更能提醒人們注意；二是鳴音報警 ， 發出特定的音響 ， 作用于人的聽覺器官 ， 易于引起和加強警覺；三是語音報警 ， 不僅能 起到報警作用 ， 還能直接給出警報種類的信息。 1．閃光報警 閃光報警是最簡單 ， 也是最常用的一種報警方式。單片機應用系統中的閃光報警就是在控制指示燈的程序中加入定時程序 ， 按一定的時間間隔來交替點亮與熄滅指示燈。閃光報警在硬件連接上非常簡單 ， 通常可利用 AT89C52 的 I/O 口直接驅動發光二極管實現 ， 如圖 33 所示。 圖 33 閃光報警電路 2． 鳴音報警 實現鳴音報警的接口電路 也 比較簡單 ， 其發音元件通常可采用壓電蜂鳴器 ， 當在蜂鳴器兩引腳上加 3～ 15V直流工作電壓 ， 就能產生 3kHZ 左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴 器結構簡