1、 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者： 黄继波 学 号： 学 院： 信息工程学院 专 业： 通信工程 题 目： 基于单片机的汽车防撞报警系统的设计 指导者： 赵立权 副教授 (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2012 年 6 月 吉 林毕业设计说明书（论文）中文摘要 本文设计了一种汽车倒车雷达预警系统。该系统在常见的汽车倒车预警装置的基础上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警，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，提高了驾驶安全性。 本文在设计汽车倒车雷达预 警系统过程中，运用理论
2、分析、电路设计等手段，完成了倒车雷达预警系统硬件和软件的设计。本文在查阅、分析国内外倒车雷达系统相关技术的基础上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达预警系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的可视倒车雷达预警系统的测距实现原理，分析了以 AT89C52 单片机为主控单元的系统硬件和软件设计，并对该系统进行了误差分析，给出了本系统的稳定性 指标。 试验结果显示，该系统对室内有限距离的距离测量具有较高的精度，实现了倒车提示和距离报警功能，同时保
3、证系统的可靠性和可行性。 关键词 ：单片机；超声波测距；报警 毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title the automotive anti-collision alarm system design base on the single-chip microcomputer Abstract The thesis introduces a kind of Car Reversing Aid-System in detail.The system adopted the technology of computer controll and Ultrasonic Distance-Meas
4、urement based on the currently Car Reversing Aid-System.The system alarmed in time through displaying the distances between obstacles and cars.It soluted the puzzle problem because the drivers looked around through the mirrors when they stopped or started the vehicle.The system would greatly solve t
5、he difficulties and meanwhile improve the driving safety. In this thesis analysis in theory,design of electronic circuit and experimental investigation on real time simulation system are employed to carry out the research.It realized the design of hardware and software. The thesis mainly analyzed de
6、eply the research on the design of Car Reversing Aid.System.Firstly,according to the latest researches in domestic and foreign countries.Secondly,it presented the theory and characters of Ultrasonic Distance-Measurement and analyzed in detail design of the hardware and software based on the AT89C52
7、micro-controller. To monitor its reliability,imitations of main Cases of the system have been carried out and stable instructions of strategic system have already been received,which verify its efficiency and feasibility. Keywords： monolithic integrated circuit； ultrasonic wave； alarm 目 录 摘要 . 1 Abs
8、tract . 2 目录 . 3 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 课题研究的目的及意义 . 2 1.3 目前国内外的研究现状 . 2 1.4 超声波的特性及作用原理 . 3 第 2 章 AT89C52 单片机简介 . 4 2.1 单片机基础知识 . 4 2.1.1 单片机的内部结构 . 4 2.1.2 单片机的基本工作原理 . 7 2.2 单片机的分类及发展 . 8 2.2.1 单片机的分类 . 8 2.2.2 8 位单片机的新发展 . 9 2.3 单片机 AT89C52 的特性 . 9 2.3.1 主要特性 . 9 2.3.2 管脚说明 . 10 2.3.3
9、 振荡器特性 . 13 2.3.4 芯片擦除 . 13 2.3.5 特殊功能寄存器 . 13 2.3.6 引脚号功能特性 . 13 2.3.7 中断寄存器 . 13 2.3.8 数据存储器 . 14 2.3.9 定时器 . 14 2.3.10 中断 . 14 第 3 章 系统构建与方案设计 . 16 3.1 系统设计要求 . 16 3.2 系统构建 . 16 3.3 系统方案设计 . 17 3.3.1 测距系统方案设计 . 17 3.3.2 超声波测距方案设计 . 19 3.3.3 控制系统方案设计 . 20 3.3.4 显示报警系统方案设计 . 20 3.3.5 复位电路方案设计 . 24
10、3.3.6 时钟电路方案设计 . 26 第 4 章 系统硬件设计 . 28 4.1 系统硬件设计思想 . 28 4.2 测距系统设计 . 29 4.2.1 超声波测距原理 . 29 4.2.2 测量与控制方法 . 29 4.2.3 超声波发射模块电路设计 . 30 4.2.4 超声波检测接收电路 . 31 4.2.5 CX20106A 的原理与应用 . 32 4.3 显示电路原理 . 34 4.3.1 Light Emintng Diode 数码管 . 34 4.3.2 LED 数码管的显示方法 . 36 4.3.3 74LS244 芯片说明 . 37 4.3.4 PNP 三极管 9012 .
11、 37 4.4 时钟电路 . 38 4.5 复位电路 . 38 第 5 章 系统软件的设计 . 41 5.1 超声波测距仪的算法设计 . 41 5.2 主程序 . 41 5.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 . 44 5.4 显示程序 . 47 5.5 报警程序 . 50 总结 . 51 参考文献 . 53 附录 . 55 致谢 . 65 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景 随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。在享受汽车给我们带来的便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的
12、空间越来越少；另一方面，新司机及非专职司机越来越多，因倒车引起的纠纷越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。在 2006 年汽车事故的发生比例中，倒车引 起的事故占 28，倒车已成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的 30，路面相关事故的 50，迎面撞车事故的 60。改善倒车遇到的窘境被越来越多的人所关注，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可将车快速准确地停放到指定的位置。 汽车
13、倒车中存在的困难，其一是来自于驾驶者坐在驾驶座位上无法完全了解汽车四周特别是后方的环境。驾驶者 只能依赖后视镜观察后方障碍物，后视镜受其位置的限制，视野狭窄、清晰度差，根本无法达到倒车中后视的目的。其二是倒车时驾驶者同时要兼顾车辆前方、两侧的情况，必须扭身回头观察车辆后面的情况，体力和脑力消耗过大，易产生不安全因素。其三，倒车是一个复杂的工程，它依赖于驾驶者的驾驶经验、驾驶技巧及反应灵敏程度；任一环节出问题都导致驾驶员无法快速准确地完成倒车任务。 解决汽车的倒车难问题目前有两种思路，一是寄希望于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟，目前这项技术仍处于研制开发阶段，短期内尚未推广应用；第二是采
14、用简单的 汽车倒车预警系统，但是传统的汽车倒车预警系统的功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断车后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务。本文研究的汽车倒车预警系统属于第二种思路，能很大程度地解决倒车难题，同时为汽车自动驾驶的研究应用奠定了基础。 1.2 课题研究的目的及意义 在汽车电子领域中，倒车雷达 (Car Reversing Aid System)全称“倒车防撞雷达”又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，主要针对汽车倒车时无法目测到车尾的物体和距离车身的距离而设计开发的。本 课题设计的汽车倒车预警系统将为驾驶者提供一个倒车提示和距离报警，本课题的
15、现实应用的意义在于： (1)将倒车自动化从被动防撞引向智能控制方向发展； (2)体现了“以人为本”的驾驶理念，倒车时驾驶者的视线可集中在前方，不需顾及车后状况，增加了倒车的安全性和可靠性，并且它的应用可减轻司机体力和脑力劳动的强度； (3)安全可靠的防碰撞预警，使驾驶者无论是白天还是夜晚都能实现安全倒车； (4)这一方案建立在安装小组件的基础上，避免对汽车整个车的影响，为应用和普及创造了条件，经济性较好，易于普及。 汽车倒车雷达预警系统 的运用可极大地减轻驾驶者的体力、脑力劳动强度，降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起的事故，同时它将对提高汽车智能化水平和最终实现汽车无人
16、驾驶产生积极的意义。 1.3 目前国内外的研究现状 超声波是指频率在 20kHz 106kHz 的机械波，波速一般为 340m/s，波长为0.01cm 10cm。超声波的波长远大于分子尺寸，说明超声波本身不能直接对分子起作用 ,而是通过周围环境的物理作用影响分子，所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。超声波既是一种波动形式，又是一种能量形式，在传播过程中与媒介相 互作用产生超声效应。超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。随着科学技术的发展 ,相关技术领域相互渗透，使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。超声波作为一种特殊的能量输入方式，所具有的高效能在材料
17、化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用。仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说 ,是其他方法所望尘莫及的，更不用说超声波定量控制的效果了。近年来 ,随着超声波技术的日益发展与成熟，其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等领域都得到了广泛的应用。在材料合成中，尤其是纳米材料 的制备中，超声波技术有着极大的潜力。通过超声波方法制备纳米材料，达到了目前我们采用激光、紫外线照射和热电作用所无法实现的目标，具有很好的前景。 1.4 超声波的特性及作用原理 超声波由于频率高、波长短，在传播过程中具有许多特性 ： （ 1）方向性好。由于超声波的功率高，其波长较同样介质中的声波波长短得多，衍射现
18、象不明显，所以超声波的传播方向好。 （ 2）能量大。超声波在介质中传播时，当振幅相同时，振动频率越高能量越大。因此，它比普通声波具有大得多的能量。 （ 3）穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很强，但在固体和液体中 衰减较弱。在不透明的固体中，超声波能够穿透几十米的厚度，所以超声波在固体和液体中应用较广。 （ 4）引起空化作用。在液体中传播时，超声波与声波一样是一种疏密的振动波，液体时而受拉时而逐级压缩，产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段，空穴被压缩直至崩溃。在空穴崩溃时产生放电和发光现象，这种现象称为空化作用。超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的通用技术之一。目前，超声
19、技术的应用已经深入到社会生活的各个领域。超声技术是通过声波的产生、传播及接收的物理过程而完成的，它的应用研究正是结合超声波之独有 特性而展开的。第 2 章 AT89C52 单片机简介 本课题所设计的倒车防撞系统是基于单片机控制的，本课题以 Atmel 公司的单片机 AT89C52 为核心。 2.1 单片机基础知识 单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器(Microcontroller)。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件： CPU(Central Process
20、ing Unit,中央处理器 )、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 2.1.1 单片机的内部结构 单片机内部结构如图 2-1 所示： 内部总线系 统 时 钟R O MR A M中 央 处 理 器 （ C P U ）串 口 I / O 接 口并 口 I / O 接 口定 时 器 / 计 数 器图 2-1 单片机内部结构 与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。它是由中央处理器 (CPU)芯片、ROM 芯片、 RAM 芯片和 I/O 接口芯片等通过印刷电路板上总线 (地址总线 AB、数据总线 DB 和控制总线 CB)连成一
21、体的完整计算机系统。其中，中央处理器 (CPU)的字长长，功能强大； ROM 和 RAM 的容量很大； I/O 接口的功能也大，这是单片机无法比拟的。因此，单 片机在结构上与 微型计算机 十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。 由图 2-1 可见，中央处理器 (CPU)是通过内部总线与 ROM、 RAM、 I/O 接口以及定时器 /计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。为此，在分析单片机工作原理前，先对图 2-1 中各部件作一基本介绍是十分必要的。 （ 1）存储器 在单片机内部， ROM 和 RAM 存储器是分开制造的。通常， ROM 存储器
22、容量较大， RAM 存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。 1 ROM ROM(Read Only Memory，只读存储器 )一般为 132K 字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内 ROM 中，根据片内 ROM 的结构，单片机又可分为无 ROM 型、 ROM 型和EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory，可擦除可编程只读存储器 )型三类。近年来，又出现了 EEPROM(Electrically Eras
23、able Programmable Read Only Memory，电擦除可编程只读存储器 )和 Flash 型 ROM 存储器。 无 ROM 型单片机特点是片内不集成 ROM 存储器，故应用程序必须固化到外接的 ROM 存储器芯片中，才能构成有完整功能的单片机应用系统。 ROM 型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的，程序一旦固化进去便永远不能修改。EPROM 型单片机内部的程序存储器是采用特殊 FAMOS 管构成的，程序一旦写入，也可以通过特殊手段加以修改。因此， EPROM 型单片机是深受研制人员欢迎的。 2 RAM 通常，单片机片内 RAM(Random Access Memory，随机存取存储器 )容量 64256 字节，最多可达 48K 字节。 RAM 主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。 （ 2）中央处理器 (CPU)
