1、 2012 届毕业设计（论文）I毕业设计报告（论文）题 目 ： 汽车倒车系统的设计 所 属 系： 自动化技术系 班 级： 电子 0921 班 2012 届毕业设计（论文）II摘 要 设计了一款基于 单片机的汽车倒车系统。主要 阐述了超声波测距的工作原理、 测量和控制方法、理论计算，分析了影响精度的因素， 设计 了单片机最小系统电路，超声波接收以及超声波发射电路、显示电路、报警电路、温度 补偿电 路等。倒车系统主要由超声波发射模块、超声波接收模块、单片机模块、 显示模块、报警模块 、温度补偿模块组成。超声波接收模块和超声波发射模块主要是实现计算车距的目的，单片机实现处理信号的功能，温度补偿模块是
2、利用温度与声速之间的关系，来消除温度对声速的影响。报警模块用于实现倒车过程的报警提醒。关键词 汽车倒车 超声波测距 单片机 温度补偿2012 届毕业设计（论文）II目 录1 前言 .12 汽车倒车的工作原理 .12.1 超声波测距工作原理 .12.1.1 测量与控制方法 .22.1.2 理论计算 .22.1.3 影响精度的因素分析 .32.2 系统工作原理 .43 单元电路设计 .43.1 单片机控制电路设计 .43.1.1 单片机的选择 .43.1.2 单片机最小系统的设计 .53.2 超声波接收和发射电路设计 .63.2.1 超声波接收电路设计 .63.2.2 超声波发射电路的设计 .93
3、.3 显示电路的设计 .103.4 报警电路的设计 .113.5 温度补偿电路的设计 .113.6 辅助电源电路的设计 .124 软件设计 .134.1 流程图设计 .134.2 程序清单 .145 结论 .24参考文献 .24致谢 .252012 届毕业设计（论文）11 前言据美国的最新统计表明，因各种原因造成的车辆倒车事故占公路交通事故总量的 90%左右。因此，要降低公路交通事故，必须大力降低车辆倒车事故，而汽车倒车技术的发展及应用有助于减少汽车倒车事故的发生。因此，国内外都在研究如何利用先进的技术，即汽车倒车技术，辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危急情况下
4、由系统主动干涉驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防止汽车倒车事故的发生。随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。而倒车事故给车主带来许多麻烦，例如撞上别人的车、消防水笼头，如果伤及儿童更是不堪设想，有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达” 应运而生，倒车雷达的加装可以解决驾驶人员的后顾之忧，大大
5、降低倒车事故的发生。倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，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，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。目前测定汽车之间的安全距离一般有三种：超声波测距、微波雷达测距、激光测距。本文着重研究超声波测距。超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、
6、智能化等方向发展。由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头） 、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，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，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。2 汽车倒车的工作原理2.1 超声波测距工作原理超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到
7、障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t,然后求出距离 S=Ct/2，式中的 C 为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的原理。2012 届毕业设计（论文）2定 时 器显示器振荡器调制器接收检测器电声换能器计时器控制电声换能器图 1 系统总体设计流程图2.1.1 测量与控制方法声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发
8、生反射，反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择就以自动选择功能来实现。2.1.2 理论计算T 2T 1图 2 测距的原理如图 2 所示为反射时间，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式：其中，S 为被测距离、 V 为空气中声速、T 为回波时间，2012 届毕业设计（论文）
9、3kht+ket+k20AcosAcos可以计算出路程，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离：2.1.3 影响精度的因素分析1）发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为：由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，
10、衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。2)当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下：式中 C0=331.4m
11、/s 。T 为绝对温度，单位 K。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和接收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1mm 时，假定超声波速度 C=344m/s(20室温 )，忽略声速的传播误差。则测距误差 st0.000 002 907s，即2.907ms。根据以上过计算可知，在超声波
12、的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于 1mm 的误差。使用的 12 MHz 晶体作时钟基准的 AT89C51 单片机定时器能方便的计数到 1s 的精度，因此系统采用 AT89C51的定一时器能保证时间误差在 1mm 的测量范围内。2012 届毕业设计（论文）4超声波的传播速度主要受空气密度的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。由此可见，测量精度与温度有着直接的关系，本文采用 DS18B20 温度传感器，对外界温度进行测量，并在软件中实现温度补偿。2.2 系统工作原理此次设计所采用的汽车倒车系统的
13、电路模块图如图 3 所示。从图中可看出，该电路主由接收电路、单片机系统、发射电路、显示电路、报警电路、温度补偿电路以及辅助电源等。单片机在超声波信号发射的同时开始计时，超声波信号在空气中传播遇到障碍物后发生反射，反射的回波信号经过处理后输入到单片机产生中断，计数器停止计数。通过计数器测得的脉冲数可得到超声波信号往返所需要的时间，从而达到测距的目的。温度补偿电路利用声速和温度之间的关系对声速进行校正，从而消除温度对声速的影响，报警电路可实现汽车倒车过程中的声光报警。辅助电源为系统元器件提供电源，单片机主要是接收信号、处理信号和输出信号。电路的组成要考虑简单实用，元器件选择要考虑功耗问题，如单片机
14、就需选择低功耗的。障碍物超声波接收电路超声波发射电路单片机显示电路声光报警电路温度补偿电路系统辅助电源图 3 汽车倒车系统的工作原理图3 单元电路设计3.1 单片机控制电路设计3.1.1 单片机的选择现在应用最广泛的八位单片机是 Intel 的 51 系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久” ，具有很多优点。51 系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，
15、但能进行位逻辑运算的实属少见。51 系列在片内 RAM 区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址 20H2FH ，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合 128 个位，相应位地址为 00H7FH ） ，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或2012 届毕业设计（论文）5检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理（包括前面所有的位功能） ，只需用一条位操作指令即可。51 系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位
16、的除法指令，商为八位，精度不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即 MULAB(两个乘数分别在累加器 A 和寄存器 B 中。积的低位字节在累加器 A 中，高位字节在寄存器 B 中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。 在 51 系列中，还有一条二进制-十进制调整指令 DA，能将二进制变为 BCD 码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。 Intel 公司 51 系列的典型产品是 8051，片内有 4K 字节的一次性程序存储器（OTP ）
17、 。Atmel 公司就将其改为电可改写的闪速存储器（Flash ） ，容许改写 1000 次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品 AT89C51、AT89C52 等成为了当今最流行的八位单片机。51 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各 I/O 口均置高电平） 。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达 20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十微安甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的） ，基本上没有驱动能力。其原因是高电平时该脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，
18、因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现（见附图） ，I/O 脚不通，电流经 R 驱动 LED 发光；低电平时，I/O 脚导通，电流由该脚入地，LED 灭（I/O 脚导通时对地的电压降小于 1V，LED 的域值 1.51.8V） 。 基于以上 51 系列单片机的优点，我选择 51 单片机作为本课题的控制处理器。3.1.2 单片机最小系统的设计51 系列单片机种类很多，此次我选用 AT89C51 单片机。AT89C51 是一种带 4K 字节FLASH 存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。单片机最小系统基本电路由电源、复位及晶振电路
19、组成。此系统采用单片机 AT89C51 作为控制器，兼容 RS232标准的芯片 MAX232 单电源电平转换芯片、D9 插口实现串行输入；复位电路采用手动复位方式，简单方便；振荡电路采用单片机引脚 XTAL1、XTAL2 跨接石英晶体振荡器和 30pf的微调电容，12MH 晶振构成一个稳定的自激振荡器，使得单片机能够以此作为时钟控制信号。1）电源模块的设计AT89C51 实验开发板提供了一个 9 伏 400 毫安的外接交流电源，它能空载输出 12 伏的直流电压，稳压电源输出的直流电压通过专门的电源插座把直流电压引入实验开发板，左边两个是 12 伏的电源滤波电容，一般大电容旁边并联一个小电容的目
20、的是降低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感较大，小电容可以提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。 （如图 4 所示）2012 届毕业设计（论文）61 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 19-Feb-2012 Sheet of File: D:pcbZHUFENG.ddb Drawn By:LM78050.1UF 0.1UF 470UF 470UF560VCC +12V VCC +5V位位LED1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSiz
21、eBDate: 19-Feb-2012 Sheet of File: D:pcbshuziwenduji.ddb Drawn By:P1.0/T21 P1.1/T2EX2P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RESET9 P3.0/RXD10P3.1/TXD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20 P2.0/AD8 21P2.1/AD9 22P2.2/AD1023P2.3/AD11 24P2.4/AD12 25P2.5/AD1326P2.6
22、/AD14 27P2.7/AD15 28PSEN29ALE/PROG 30EA/VPP 31P0.7/AD732P0.6/AD6 33P0.5/AD5 34P0.4/AD435P0.3/AD3 36P0.2/AD2 37P0.1/AD138P0.0/AD0 39VCC 40AT89C5110U12M30PF 30PF4.7KVCC 位位位位位位位2KVCC图 4 电源模块的设计一路直接提供 12 伏的直流电源，主要是提供给继电器使用的，另一路通过三端稳压芯片 7805 稳压成 5 伏直流电源提供给单片机系统使用，右边两个电容是 5 伏电源的滤波电容，电阻和绿色的 LED 组成 5 伏电源的工作
23、指示电路，只要电源部分正常，绿色的 LED 就会点亮。2）复位电路的设计由电容串联电阻构成,由图并结合电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定.典型的 51 单片机当RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以,适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐 C 取 10u,R 取 8.2K，当然也有其他取法的,原则就是要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平。3）晶振电路的设计AT89C51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，它的输入端为芯片引脚
24、XTAL1,输出端为引脚 XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，如电路原理图所示在引脚 XTAL1 和 XTAL2 跨接晶振 Y1 和微调电容C1 和 C6。电容一般选择 30pf，电容的大小会影响振荡器频率的高低，稳定性和速度。晶振的频率选择 12MHz。单片机最小系统如图所示。2012 届毕业设计（论文）71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 19-Feb-2012 Sheet of File: D:pcbshuziwenduji.ddb Drawn By:IN 1C1 2C2
25、 3GND 4F0 5C3 6OUT 7VCC 8CX20106A473104330PF+10UF+10UF200K200K4.7KSPEAKERVCC图 5 单片机最小系统3.2 超声波接收和发射电路设计3.2.1 超声波接收电路设计超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用与发射端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路进行放大。超声波接收部分采用集成芯片 CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯
26、片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路。1) 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很大的变化。为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。通过反馈将放大器设定于适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。2) 限度放大器：当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可消除寄生调幅干扰。3) 宽频带滤波器：其频率范围为 30Hz60Hz，其中心频率可调。4) 检测器：将返回的超声波的包络解调回来。5) 积分滤波器与整形电路：检测器输出的信号经积分滤波器送到整形电路，输出较好的矩形波。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。CX20106A 的外部接线图如图 6 所示。图 6 超声波接收电路
