基于单片机倒车防撞报警系统设计

XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计

基于单片机倒车防撞报警系统设计

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（XX学院物理系， 山东XX 253023）

摘 要 论文的内容是基于AT89C51单片机倒车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。本文采用一种简单易行的测距原理建立了防撞报警系统,具体分析了倒车防撞系统的设计原理及各部分元件的设计方案，充分描述了超声波测距的原理及应用，并介绍了我国在超声波测距的发展现状，不过还有一些无法避免的测量误差，还需日益俱进的科学发展加以解决。

关键词 AT89C51；超声测距；倒车防撞

1 引言

1.1 研究的目的和意义

汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。汽车电子技术是汽车技术与电子技术想结合的产物。随着交通运输向高密度发展，电子控制技术又进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航等方面。 电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全、舒适和方便。应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。近年来汽车的自动调速系统，主动式汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用[1]。 在过去20～30年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全性领域有较大的突破[2]。

1.2 国内外现状

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基于AT89C51单片机倒车防撞报警系统由单片机内部系统，外部测距系统，报警系统等组成，其中外部测距系统设计是该设计的主要环节。测距有多种方式，比如，激光测距，微波测距，红外线测距和超声波测距等。但是，超声波测距不失为一种简单可行的方法。

超声波是一种震动频率高于声波的机械波，它具有频率高，波长短，绕线现象小，特别是方向性好，能够成为射线定向传播等特点[3]。由于超声波指向性强，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。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够达到工业实时要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

1.3 本文研究的主要内容

论文概述了超声波检测的发展及工作原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体结构。设计了系统发射、接收电路，并对系统各设计单元的原理进行了介绍。并阐述了它们的工作原理。论文最后介绍了系统的软件结构，通过编程实现系统功能。

2 超声波测距原理

2.1 超声波传感器

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型[4]。电声型主要有：1.压电传感器；2.磁致伸缩传感器；3.静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。

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传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中[5]。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号[6]。

图2-1 压电式超声波传感器结构图

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图2-1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致[7]。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

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超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可以防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

2.2 超声波检测概述

超声波是一种频率超过 20kHz 的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射[8]。利用超声波检测往往比较迅速，方便，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，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。

超声波在介质（固体、液体、气体）中传播时，利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在金属，非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验；在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底底层等；在人体中则可以协助临床诊断疾病（如肝脓肿、肿瘤、胆结石等）和探测胎儿等。利用超声连续波的共振性质，可以测量高压容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性，可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动体时，利用多普勒效应，可以测量流速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，以进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换[9]。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。除此之外、声发射、声成像技术（包括声全息成像技术）的发展更大大丰富了超声检测的内容。

超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围[10]。

2.3 超声波测距的原理及实现

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种[11]。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：S=C*t/2=C*t0，其中，t0 就是所谓的渡越时间[12]。可以看出主要部分有：

(1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）； (2) 使接收和发射隔离的开关部分；

(3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； (4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；

(5) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；

(6) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离.

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。[13]故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。

距离测量系统常用的频率范围为 25KHz～300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录[14]。

2.4 超声波测距系统

超声波测距系统结构如图2-2所示。

图2-2 超声波测距系统结构图

电子市场常见的超声探头是收发分体式，一般频率为40KHz。如果需要更高频率的 超声探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件，拟选用的探头是40KHz的超声传感器，有一支接收传感器SZW-R40-10P和一支发射传感器SZW-S40-12M，其特性参数如表2-1所示[15]。

发射电路通常有调谐式和非调谐式[16]。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄，在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的够有参数决定，频带较宽。

为了将一定频率、幅度的交流的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的时机就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害[17]。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决定电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，一起分辨率低，适宜去探测厚度大，对分辨要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。

表2-1 传感器特性参数

型号 结构 使用方式 中心频率 声压 指向性 容量 最低使用温度 最高使用温度 最小探测距离 最大探测距离 分辨率 最大输入电压 SZW-S40-12M 开放式 发射 40±1KHz 115dBmin（0dB=0.02mPa） 75° 2500±25%pF -40℃ 85℃ 0.2m 4m 9mm 20Vp-p连续信号 SZW-R40-1OP 开放式 接收 40±KHz -70dBmin（0dB=1V/μbar） 80° 1100±25%pF -40℃ 85℃ 0.2m 4m 9mm 发射部分的电脉冲电压很高，但是由障碍物回波因其的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就由三级放大电路，检波电路及门限判别电路构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。但是由于超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响[18]。

3 系统硬件电路设计

该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 该系统的核心部分采用性能较好AT89C51单片机。系统硬件原理图见附录

3.1 单片机AT89C51硬件介绍

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密、非易失性存储技术产生，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案， AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程[19]。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对I/O寄存器进行编程。具体步骤如下[20]：

（1）根据实际电路的要求，选择要使用那些I/O端口，用EQU伪指令定义其相应的寄存器；

（2）初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；

（3）根据外围电路功能，确定I/O端口id方向，初始化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为I/O的复位缺省值为输入；

（4）用作输入的I/O管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；

（5）最后对I/O端口进行输出（写数据输出寄存器）和输入（读端口）编程，完成对外围电路的相应功能[21]。

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图3-1 AT89C51单片机芯片

根据系统设计要求，各接口功能如下[22]：

P1.0：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于前方测距电路） P1.1：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于右侧测距电路） P1.2：产生输出一个40KHz的脉冲信号。（用于左侧测距电路）

INT0：产生中断请求，接前方测距电路。

INT1：产生中断请求，接前方测距电路。

P1.3：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P1.4：接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P0.0~P0.7：用于显示输出，接显示器。 P2.7：接报警电路。 P2.0：接报警电路。 P2.1：接报警电路。

XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。

XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内部均被设成已知状态[23]。

3.2 发射与接收电路设计

超声波发射接收电路如图3-2所示。该电路简单实用，通过两级放大，增强接收信号，比较适合本设计需要。

测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，他的工作电压时40KHz的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40KHz的脉冲信号，经过三级管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40KHz的脉冲超声波，且持续发射200μs。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，原理和前方测距相同。

图3-2 基于AT89C51单片机的超声波测距系统发射接收电路

由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0口产生40KHz的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。接收头采用和发射头匹配的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成两块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号放大25mv，输出端8角由高电平越变为低电平，

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 作为中断请求信号，送至单片机处理。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和受到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

系统发射电路原理框图如图3-3所示。

图3-3 原理框图

次电路由一个9V的电源，R1=3.6K欧，R2=360欧，三级管T一个，激励换能器T40-16一个。

系统发射电路电路图如图3-4所示：

图3-4 系统发射电路

发射电路原理：单片机AT89C51，通过P1.0这个I/O口，发送一系列的脉冲，经过三极管T进行放大，从而使T40-16这个激励换能器发射出超声波。

系统接收电路原理框图如3-5所示。

图3-5原理框图

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系统接收电路如图3-6所示。

图3-6 接收电路图

此系统为了全方位测距，故有左、右、中三个测距电路，其电路都相同。

3.3 显示报警单元设计

显示报警单元是经过超声波发射接收电路及单片机AT89C51处理后把信号转化为人可以知觉的数字显示和报警响应，以进一步避免事故发生。显示报警电路由显示和报警两部分电路组成，主要实现在出现紧系情况下的显示报警功能，以此提醒驾驶员。 3.3.1 系统显示电路设计

显示器是一个典型的输出设备，而且其实际应用是极为广泛的，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使LED发光二极管，给出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。综合的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的LED驱动输出设备。由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管显示距离的cm数值。

在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式；静态显示驱动和动态显示驱动。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通过恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，在发送新的自行段码。因此，使用这种方法单片机中的CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、编译码等硬件设备。当需要显示的位数增加

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 时，所需要的期间和连线也应该增加，成本也增加。而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这是LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。本设计选用8155芯片作为单片机应用系统拓展的I/O口。8155的PA口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动；PC口作为LED的为选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8端全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反应驱动器74LS06以提高驱动能力。

图3-7 系统显示电路

3.3.2 系统报警电路设计

系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K，R26的阻值为10K。对于二级运算放大，都采用F007芯片，两级放大电路均是负反馈接法，即反相比例运算电路，而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地，根据“虚短”和“虚断”的特点。即u =u+，i =i+=0，而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0→∞。所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，即Uid=u =+≈0，即u =u+,而u0具有一定值。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。而“虚短”是由于理想集成运放的输入电阻Rid→∞，故可以认为输入端不取电流，即i =i+≈0，这样输入端相当于断路，而不是断开，成为“虚断”。而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况成为“需地”。所以iI=iF=

uI，RIRfu_?u0?u0=，因为i_=0，iI=if，则可得u0=uI，故可将信号进行放大。

RiRfRf____________________________________________________________________________________________

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图3-8 系统报警电路

当单片机AT89C51通过P1.0，P1.1，P1.2三个I/O口，发射出超声波的信号，即输出一个高电平给这三个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。则信号经过三级管T1，T2，T3进行放大。使电流达到T40-16的工作电流，从而发射出超声波。

当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给LM567的输入端，当LM567的输入端电流大于25mA时，其8号输出引脚会产生一个信号，使得单片机AT89C51产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机把记得的时间差进行运算，根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。如果距离小于0.5m，则单片机AT89C51便给P1.5口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。

3.4 复位电路

在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位键重新启动。所以，系统的复位电路必须精确、可靠地工作。

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片夹的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。

单片机复位电路通常采用以下几种方式： （1）上电自动复位

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在通电瞬间，由于R·C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

图3-9 上电复位电路

（2）按键电平复位

通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。

（3）在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这种特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统由多个复位端时，能保证可靠地同步复位。

考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。

4 系统软件实现

4.1 主程序

主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。程序首先完成初始化过程，然后是一个重复的控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，而且每次发射周期结束都会判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生； 中断，即是否回波产生来判断程序得流程。流程图如图4-1所示。

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开始

有回波吗？

Y 外部中断子程序

图4-1 主程序流程图

返回 定时子程序 N

Y 停止发射 三方向是否发射完？ 发射超声N

定时器初始化 定时程序入口 单片机初始化 4.1.1 40KHz脉冲的产生与超声波发送

在脉冲产生前先对定时/计数器T0进行初始化，在这里选择的是工作方式1定时器模式，所以TMOD应该设计为01H。接着用STEBTRO指令开启T0，在开启T0的同时开发发射超声波脉冲。

测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40KHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。

PUZEL：MOV 14#，#12H；超声波发射持续200ms HERE：CPL P1.0；输出40KHz方波 NOP NOP NOP

DJZN 14H，HERE RET

前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0端口输出一个40KHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 UCM40T，发出40KHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。这里省略，只研究正对方向的障碍物。 4.1.2 超声波的接收与处理

超声波的接收是由外部中断口INT0是否有中断脉冲产生来判断的。定时子程序转回来的时候，要对中断进行初始化。选定的是INT0口，工作方式为脉冲方式。

STEB EA；中断总允许 STEB EXO；INT0中断允许

STEB PXO；设置INT0为高优先级中断 STEB IT0；设置INT0为脉冲方式 HERE：JMP $；等待中断

接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号 ，经运算放大器IC1A和IC1B两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机和P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由主程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下： RECEIVE：PUSH PSW

PUST ACC CLR ACC

JNB P1.1，RIGHT；P1.1引脚为0，转至右测距电路中断服务程 序

JNB P1.2，LEFT；P1.2引脚为0，转至左测距电路中断服务程序 RETURN：SETB EXZ1；开外部中断INT1 POP ACC

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POP PSW RET1 4.1.3 数据读取和储存

为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出T0计数器的计数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理。

RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC

CLR EXO；关外部中断0 MOV R7，THO；读取时间值 MOV R6，TL0 CLR C MOV A，R6

SUBB A，#0BBH；计算时间差 MOV 31H，A；存储结果 MOV A R7 SUBB A，#3CH MOV 30H，A

SETB EXO；开外部中断0 POP ACC POP PSW RETI

4.1.4 计算超声波传播时间

T0中读取出来的时间差数据并不能作为距离值直接显示输出，因为时间差值与实际的距离值之间转换公式为S=0.5*V*T。其中，V为声音在常温下的传播速度，T为发射信号到接收之间经历的时间，在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。

4.2 显示子程序和蜂鸣报警程序

考虑到提高系统资源的利用率，显示采用动态显示法实现。采用8155芯片

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XX学院 物理系 201X届 电子信息工程专业 毕业设计 作为单片机应用系统的扩展I/O口。8155的PA口作为LED的字形输出口，PC口作为LED的位选控制口，采用共阴显示接法。将计算好的距离数据设置显示缓冲区其实地址，显示缓冲区中被显示的字符的字形码的地址偏移量预先制表放入。流程图及部分源程序如图4-2所示。

外部中断入口

关闭外部中断

读取T0时间值

计算距离

结果送显示并报警提示

开外部中断

返回

图4-2 子程序流程图

N 返回 返回 蜂鸣报警 距离小于50cm？ Y LED显示 取值测量 显示报警子程序 部分源程序：

DISP：MOV DPTR，#7FOOH；指向8155控制口 MOV A,#0DH ；8155初始化 MOVX@DPTR，A

MOV R7，#01H ；从右边第一位显示器开始 MOV R1，#30 ；显示缓冲区首地址送R1 LOOP：MOV DPTR，#7F03H；指向8155控制口地址 MOV A，R7 ；位控码初值 MOVX@DPTR，A

MOV DPTR，#7F01H ；指向8155段控制口地址

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MOV A，@R1 ；取待显示数据 MOV DPTR，#TAB ；取字形段码表首地址 MOVX A，@A+DPTR ；查表获取字形段码 INC R1 ；指针指向下一缓冲单元 MOV A，R7

JB A CC.5,RETURN ；判断是否到最高位？返回 RL A ；不到，左移一位 MOV R7，A

AJMP LOOP ；继续扫描 RETURN：RET

TAB：DB OCOH,OF9H,OA4H,OBOH,99H DB 92H,82H,OF8H,80H,90H DB 88H,83H,OC6H,OA1H,86H DB 8EH,OBFH,8CH,OFFH

5 结论

本文在分析了汽车业现状的基础上，提出了汽车防撞报警设计及其重要性。文中对超声波测距的原理和实现进行了详细论述，并详细介绍了AT89C51的内部结构以及各管脚的功能。在此理论知识基础上，本文利用AT89C51单片机对系统发射与接收、显示报警及复位等硬件电路进行了设计，并对设计电路作了分析。通过掌握了系统的工作流程，设计了该系统的主程序、显示子程序和蜂鸣报警程序。

文中对倒车防撞报警系统的设计可应用于汽车倒车等场合，用于提醒驾驶员在倒车时能有效的避开可能对倒车造成危害和障碍物和行人，具有较强的实用性。

但是，该系统的测量距离有限，只有在10-300cm距离情况下可表现比较明显的线性关系。另外，当测距障碍物时斜面或是其他复杂界面也会影响测量的准确性，以上不足需要进一步改进，相信未来随着科学的不断完善发展，倒车防撞系统可完美的实现在驾驶工作中。

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参考文献

[1] 朱月秀，单片机原理与应用(第二版).北京:科学出版社, 2004:2

[2] 周良权，傅恩锡, 李世馨.模拟电子技术基础(第2版).北京:高等教育出版社, 2001:121-123

[3] 陈莹.基于单片机的超声波测距系统:[硕士论文],华中科技大学硕士学位论文, 2004:4 [4] 邱平.略论我国非金属超声波检测仪器的发展状况.工程质量, 1998:56 [5] 超声波探伤编写组.超声波探伤.北京:电力工业出版社, 1980:32

[6] 李鸣华，余水宝.单片机在超声波料位测量中的应用.电子技术应用, 1998:157 [7] 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用.电子技术, 2002:117

[8] 荀殿栋.数字电路设计实用手册.北京:电子工业出版社, 2003:108-110 [9] 戴曰章.基于AT89C51单片机的超声波测距系统.电气时代, 2005:246 [10] 董敏学.汽车倒车防撞防止系统设计.上海汽车, 2001:143-149

[11] 董子和,李永辉.超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用.汽车电器1997:15-16

[12] 李茂山.超声波测距原理及实践技术.实用测距技术,北京:机械工业出版社, 1994:16 [13] 雷辉.基于AT89C51的智能防撞报警器设计.电气时代, 2005:89 [14] 黄建兵.超声波精确测距的研究.南京理工大学学士学位论文, 2004:215 [15] 李全利, 迟荣强.单片机原理及接口技术.北京:高等教育出版社, 2004:12-14. [16] 曾城.基于CAN-BUS的汽车防撞报警系统控制单元的研究开发.西安:长安大 学,2004:126

[17] 胡铁红.高速公路追尾及侧向碰撞预警系统模型的研究.西安:长安大学,2004:66 [18] 赵纬华.高速公路碰撞预防报警系统传感器及电源研究.西安:长安大学,2004:63 [19] 侯德藻.汽车纵向主动避撞系统的研究.北京:清华大学,2004:41

[20] Gabriel leen, Dond Heffernam,and alan Dune. Digital Networks in the AuT0motive Vehicle.IEE Computing & Control Engineering journal. 2006:D67,216-222.

[21] A. D. C. Specification for NISSAN 172 ACC Radar System ARS100. Jun 20, 2007; 102;394-399;

[22] Miles UpT0n. Techinques For Distance Measurement SAE95. 2003:167 [23] 高延龄.汽车运用工程.北京:人发交通出版社,1997:157

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Reverse collision warning system based on single

chip design

Wei Shizhao

(Department of Physics, DeZhou University, Dezhou, 253023)

Abstract: Is day by day prosperous along with the social economy development transportation shipping industry, the auT0mobile quantity climbs in the first mate. Traffic congestion condition also day by day serious,the collision event occurred repeatedly, has caused the inevitable person casualties and the economic loss, in view of this kind of situation,designed one kind T0 respond quickly, the reliability was high also a more economical auT0mobile guards against hits the early warning system imperative, the ultrasonic wave range finding was the most common one distance range finder method, this article introduces is guards against using the ultrasonic wave range finding design one kind of back-draft hits the alarm system.

The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics.

This paper, a simple distance measurement principle, a collision warning system, analyzes the design principle of reversing anti-collision system and the design of some components, fully describes the principles and application of ultrasonic distance measurement, and introduced China's current development in the ultrasonic ranging, but there are some unavoidable measurement errors, all need more advanced scientific development T0 be addressed.

Key wards AT89C51;ultrasonic distance measurement;a collision warning system

致 谢

首先感谢我的指导老师XXX。论文从选题、结构安排、文字处理直至最终定稿的全过程无一不是在张老师的悉心指导、严格要求和亲切关怀下完成的。

通过这一阶段的努力，我的毕业论文终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

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在本论文的写作过程中，我的指导老师XXX老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我会铭记大学克服奋斗的历程，今后工作中会努力拓展电子信息工程的领域。

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附录：系统硬件原理图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/drc6.html