汽车倒车防撞报警器.doc
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商丘师范学院学士学位毕业设计
2009届本科毕业设计
汽车倒车防撞报警器
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学号：
指导教师：
2009年4月10日
12
目录
摘要 3
关键词 3
0引言 4
1工作原理 4
1.1At89C2051单片机性能及特点 4
1.1.189122051主要特点 4
1.1.2硬件结构 4
1.2霍尔传感器的测速原理 4
1.2.1霍尔效应 5
1.2.2工作原理 5
1.2.3 测量磁场及工作设置 5
1.2.4霍尔电路设计 6
2总体结构设计 6
2.2单片机系统电路设计 7
2.2.1超声波发射电路设计和超声波接收电路 7
2.2.2测速电路 8
2.2.3报警电路 8
2.2.4LED显示电路 9
2.2.5报警器外围接口电路如图五 10
2.3软件设计 10
2.4程序设计 10
3结束语 12
参考文献：
12
致谢 12
汽车倒车防撞报警器
摘要
设计了一种汽车倒车防撞系统。
该系统以AT89C2051单片机为控制核心，工作时，超声波传感器采集的教据，由控制核心快速计算出汽车车尾与障碍物的距离，并通过LED显示提醒信息，该系统主要利用单片机的实时控制和数据处理功能，完成系统的控制。
最后阐述了报警器的硬件电路原理及软件设计。
关键词
AT89C2051;超声波;传感器
DevelopandresearchasystemwhichbasedonAT89C2051microchipandalarmavoidcarscrashingwhenback-off
Abstract
Forpurposeofdevelopasystemwhichavoidcarscrashingwhenback-off,thesystembasedonAT89C2051microchip.First,theultrasoundsensorcollectdata.Then,themicrochipprocesstheDatetogetthedistancebetweenrearendofcarandobstacle.Whenthedistancebeyondsafedistance.TheLEDdisplayalarmtoalertdrivers.Thesystemmakeuseofmicrochiparear-timecontrolandprocessingfunction.Atlast,thepaperalsostatethehardwarecircuitprincipleofalarmandsoftwaredesign.
Keyword
AT89C2051;ultrasonic;sensor
0引言
本课题属于设计性课题。
21世纪揉已进入信息社会，汽车及交通也已迈入信息时代。
当前信息技术在汽车及交通领域中的应用项目相当多，发展速度可以说是“新月异”,各种媒体多有报道。
可大致归纳为4个方面，即车辆安全系统，网络、通讯及导航系统，智能交通系统和移动多媒体系统。
随着汽车的益普及,停车场越来越拥挤,车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。
由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近,驾驶员的视野颇受限制,碰撞和拖挂的事故时有发生,在夜间时则更显突出。
车辆安全系统通过应用电子信息技术，使车辆实现高智能化，极大地改善车辆人机系统的安全性，以避免事故的发生和减少伤害程度。
1工作原理
1.1At89C2051单片机性能及特点
1.1.189122051主要特点
（1）指令与MCS一51芯片兼容。
（2）内含2k字节的可反复电气烧录及擦除内存。
（3）工作电压27v至6V。
（4）sE作频率最高至24MHz。
（5）内含128字节RAM。
（6）15条可编程控制I／O线。
（7）一个模拟电压比较器。
1.1.2硬件结构
（1）端口PI可以用作为8位双向I／O引脚控制，P12至P17提供内部提升电阻，P1.0及P1.1则需要外加提升电阻P10也作为内部模拟比较器的负端输入，P1的输出缓冲器可以吸入20mA而直接驱动LED显示器，P36是比较器输出端。
（2）端口引脚P30～P3.5及P37可以作为7位双向I／0引脚控制，并提供内部提升电阻，P36位用于内部比较器输出控制，无法做一般I／O控制，P3口输出缓冲器可以吸人20mA电流。
1.2霍尔传感器的测速原理
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。
对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。
发电机转速的检测方案可分成两类：
用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。
测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。
脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。
按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。
所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，构造简单，性能好。
在机车电气系统
图一：
At89C2051管脚图
中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有较强的抗干扰能力。
1.2.1霍尔效应
在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。
该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
1.2.2工作原理
霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。
1.2.3 测量磁场及工作设置
1.2.3.1测量磁场
使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直子霍尔片表面的磁感应强度敏感，磁力线必须和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。
若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。
而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到电场的分布状态，并可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。
1.2.3.2.工作磁体的设置
用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。
在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当冀片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。
被传感的运动信息加在冀片上。
这种方法的检测精度很高，在125℃的温度范围内，冀片的位置重复精度可达50μm。
当两齿之间的空隙正对霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当某一齿对准霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。
齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个mV级的准方波电压。
此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压，当外加磁场的S极接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正。
也可将工作磁体固定在霍尔器件（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。
在图2的霍尔效应速度传感器中，当测速的靶转到霍尔效应传感器的位置，即霍尔传感器位于靶及磁铁之间，霍尔效应传感器检测到靶感应的磁通量变化。
霍尔效应传感器感测的是磁通量的大小。
1.2.4霍尔电路设计
1.2.4.1工作方法
当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两个霍尔传感器将产生同样的输出信号。
无论该磁场的绝对强度有多大，它们之间的差值总为零。
然而，由于一个单元面向磁场集中的轮齿，另一个单元则面向一个齿隙，如果两个霍尔单元之间存在磁场梯度，那么将产生一个差值信号，并在芯片上放大。
实际上，这个差值体现了一个小偏移，它可由相应集成的控制电路来修正。
这种动态差分原理使传感器表面与齿轮之间存在较大气隙的条件下能保持高灵敏度。
1.2.4.2齿轮、感应距离和角精度
一个齿轮可由其模数来表征：
m＝d/z。
其中d是齿轮直径，Z是轮齿数量。
轮齿到轮齿的距离为T，齿距的计算公式为T=πm、当一个霍尔传感器面对一个轮齿而另一个霍尔传感器面对一个齿隙时，感应到的差值最大。
该器件内两个霍尔传感器的间隔为2.5mm，在模数为1，对应的齿距为3.14win的条件下，该器件都可以感应到差值。
如果该模数大于3或者齿轮不规则，将可能在一段较长时间内检测不到足够的差值，这意味着输出信号将不确定。
传感器和齿轮之间允许的最大距离是温度、模数、磁体和速度的一个函数，速度可以用每次轮齿/齿隙转变时在输出端出现一个脉冲来表征。
如果减小距离，将产生较大的有用信号。
因此，切换精度可以随传感器低／高转变次数的增加而增加，这种低／高转变可以代表齿轮的一个旋转角度。
1.2.4.3电路图设计
当霍尔元件输出高电平时，V2导通，V1截止，信号输出端输出方波的低电平；当霍尔元件输出低电平时，V1导通，V2截止，输出端为方波的高电平。
信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。
单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT（T＝πm）。
2总体结构设计
2.1系统结构框图如下图二
图二：
汽车倒车防撞报警器系统结构框图
汽车倒车防撞报警器的组成：
汽车倒车防撞报警器主要由超声波发生器、超声波发射电路、超声波接收电路、信号放大电路、直流控制电路、中央处理单元、数字显示电路、报警电路和距离选择电路等部分组成。
发射电路发送超声波信号，当的射的信号被物体挡住时，反射回来的信号经接收器接收，进行两级放大后，再经倍压整流，形成一个直流控制电压，当这个电压值大于设定值时，表示物体离汽车的距离已小于设定距离，比较器输出低电平信号，系统据此判断出达到报警距离，驱动蜂鸣器进行报警。
2.2单片机系统电路设计
对于产生40KHz的驱动信号，方法有多种，可以选用电感、电容振荡元件来完成驱动信号的发生器，但是其频率稳定性较差，不容易调准，因此制作成功的可能性相对较小。
本设计中，选用了单片机作为信号的发生电路，由于采用了频率稳定性好的晶振作为系统的时钟，因此有极高的稳定性，由此产生的驱动信号也较为稳定，当编制不同的程序时，可以得到不同的频率输出。
AT89C2051是一个低功耗、高性能的CMOS8位微处理器，与MCS－51系列指令集和引脚兼容，具有以下特点：
128bytes内部RAM，2KbytesEPROM，15根I／O线，2个16位定时／计数器，5个两级中断源，1个全双工串行口，一个片内精密模拟比较器和片内振荡器，低功耗的闲置和掉电模式。
工作电压范围4.25v-5.5v，工作频率取12MHz。
AT89C2051中的两个16位定时／计数器寄存器T0和T1，作定时器时，可计数机器周期，计数频率为振荡频率的1／12；作计数器时，可对外部输入引脚P3.4／T0和P3.5／T1上出现从1至0的变化时增1，计数频率为振荡频率的1／24，如图二所示。
超声波测距的原理是，通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离S＝C×T／2，其中，C为超声波波速，常温下取为344m／s。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。
只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：
d=s/2=（vt）/2，其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。
为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：
v=331.4+0.61T，式中T为实际温度（℃），v的单位为m/s
2.2.1超声波发射电路设计和超声波接收电路
超声波发射电路由CC7555时基电路和超声波发射探头组成。
单片机AT89C2051的P1.7引脚控制CC7555时基电路产生40kHz的频率信号给超声波发生器，由超声波探头发射的超声波射向障碍物。
利用超声波测距具有以下特点：
测量灵敏度高，穿透力强，测量速度快，测量角度大，可对较大范围内的物体进行检测。
超声波接收电路由超声波接收探头、放大器和整形器组成。
由障碍物反射回来的超声波经接收探头，变换为电脉冲信号，再由放大器、整形器放大和整形后送入到单片机AT89C2051的P3.2引脚。
放大器宜选用有足够增益和较低噪声的宽带放大器，以保持脉冲信号尤其是前沿不发生畸变，提高测距的精度。
如图三所示，汽车倒车防撞报警器包括超声脉冲发射电路和超声接收电路，探测距离为5米。
IC2采用四2输入端或非门CD4001，其中IC2c、IC2d组成低频脉冲发生器，IC2a、IC2d组成双稳态电路。
IC2a的输出加至IC1（555）的复位端④脚，即在稳态低电平期间使555处于强制复位状态。
IC1与R1、RP1、C1组成无稳态多谐振荡器，在IC2a高电平输出时起振，振荡频率f＝1.44／（R1＋RP1）C1，图示参数对应的频率为25kHz～150kHz，调节RP1，使其振荡在40kHz。
IC1的输出加至计数电路IC3的CP端（14）脚，IC3采用十进制计数器／脉冲分配器，它的07⑥脚连到复位端R（15）脚，形成环形计数电路，在计数电路的07输出至双稳电路IC2a时，计数电路清零。
也就是说由于环形计数电路对双稳态电路的控制，每发7个周期数目的一组脉冲后，07输出的窄脉冲（高电平）便使双稳态IC2a复位，输出的低电平脉冲便强制555复位，中止振荡，实现对40kHz的脉冲调制。
IC1发出的40kHz的调制脉冲通过T40－16超声发射头向前方辐射。
接收器由超声接收头、放大器、触发器、计数电路和控制电路组成。
超声头采用与发射头配对的R40－16，在收到前方目标反射回的超声信号，经声－电变换、放大后，
图三：
汽车倒车防撞报警器包括超声脉冲发射电路和超声接收电路
加至由运算放大器构成的比较电路IC4的③脚。
计数电路IC5（CD4014）与IC3作用相同，每接收到一组脉冲后，⑥脚（07）便输出一个窄脉冲。
IC7a、IC7b（CD4001）为双稳态电路。
IC7a输出的正脉冲经平滑滤波后加至运算放大器IC5。
当倒车遇到阻碍物体时，反射回的调制脉冲波，经解调后控制继电器吸合，同时发出告警声。
本电路中的超声发射、接收头对于电路正常工作至为重要，振荡超声频率的调节应在T／R40－16的40±1kHz范围之内，40kHz的最低灵敏度为－64dB。
两传感头平行安装，间距应在40mm左右。
2.2.2测速电路
测速电路由传感器、脉冲放大器、整形器、CC7555时基信号电路、选通门组成。
霍尔集成传感器将车轮转速信号变成脉冲信号输出，经放大、整形电路后送入选通门，由CC7555时基电路产生的单位时基信号控制选通门的开与闭，以控制转速信号在单位时间内通过选通门，送入单片机AT89C2051的P3.5引脚，控制T1计数器计数，实现了在单位时间内的计数。
2.2.3报警电路
报警电路由CC7555电路和扬声器组成。
AT89C2051的P1.6控制CC7555电路根据测量结果，产生一定频率的信号驱动扬声器发出报警声。
在扬声器发出报警声时，时基电路CC7555处于暂稳态，此时电源向电容充电，从而使CC7555结束暂稳态回复到稳定状态，输出低电平，使扬声器停止发出报警声，直到下一次测距结束产生新的报警声。
2.2.4LED显示电路
LED显示电路由数码管和驱动电路组成。
用两个数码管显示距离，数码管采用静态显示，由芯片MCS14495驱动显示，P1.4、P1.5分别作为驱动芯片MCS14495的锁存信号，用于控制产生的BCD（BinaryCodeDecimal，二进制编码表示的十进制数）码是显示高位还是低位。
字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型显示模块，分4位和8位数据传输方式。
它提供5×7点阵+光标和5×10点阵+光标的显示模式。
提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个5×8点阵的图形字符的字模数据。
丰富的指令设置：
清显示，光标回原点，显示开/关，光标开/关，显示字符闪烁，光标移位，显示移位等。
提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。
OCM2X16显示两行字符，每行可以显示16个字符。
控制器AT89C2051主要完成程序的执行、数据的处理和对外部电路的实时控制。
内部定时器T0工作在定时方式，T0在超声波发射时开始计数，当P3.2引脚收到回波后，停止计数，T0所计时间即为超声波往返传输时间，单片机对该数据进行处理，即可测出距离。
内部定时器T1工作在计数方式，由P3.5引脚输入的脉冲信号控制T1计数，由T1所计数值确定汽车的转速。
单片机根据所测距离和车速进行比较，判断是否驱动报警电路报警，如设定：
当车速小于等于30km／s时，安全距离应大于等于1m；当车速小于等于80km／s时，安全距离应大于等于2m；当车速大于80km／s时，安全距离应大于等于5m
图四：
电路原理框图
2.2.5报警器外围接口电路如图五
2.3软件设计
该系统软件全部采用模块化编程，减少程序模块之间的关联，提高软件的抗干扰。
主要模块有:
初始化模块、数据采集模块和预替模块等。
系统功能主流程图如图六所示。
本装置的控制软件要完成系统的初始化，控制触发脉冲信号的发射与接收，根据定时时间计算障碍物的距离，根据计数频率计算汽车车速，判断所测距离是否在车速所对应的安全范围内，并根据计算和判断结果产生BCD码和相应频率的脉冲信号，以驱动显示电路和发声电路。
图五：
报警器外围接口
2.4程序设计
主程序主要完成系统的初始化，控制触发脉冲信号的发射与接收，计算车尾与障碍距离，判断所测距离是否在所对应的范围内，以驱动显示电路和发声电路。
图六：
系统功能主流程图
图七：
程序设计
3结束语
本文介绍的汽车报警器，利用单片机AT89C2051作为报警装置的控制器，能充分发挥AT89C2051的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏度。
该报警器基于单片机设计，从而具有体积小、使用方便的特点。
若将安全距离设为0．5m，就可作为汽车倒车报警器，提高汽车倒车时的安全性。
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