基于单片机汽车倒车防撞系统设计与制作
题目:基于单片机的汽车倒车防撞系统的设计与制作毕业设计说明书（论文）中文摘要随着社会经济的发展和交通运输业的不断兴旺，汽车的数量在不断的增加。交通拥挤状况也日益严重，撞车事件也经常发生，造成了很多不可避免的人声伤亡和经济损失，面对这种情况，设计一种响应快、可靠性高并且比较经济的汽车防撞预警系统显得非常的重要。超声波测距法是一种最常见的距离测量方法。本文介绍的就是利用超声波测距法设计一种倒车防撞报警系统。
本文的内容是基于超声波测距的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51单片机结合于一体，设计出一种基于51单片机的倒车防撞系统。本系统采用软硬结合的方法，具有模块化和多用化的特点。
倒车测距仪是一个由单片机控制的汽车泊车安全辅助装置。该测距仪将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，能够测量并显示车辆后部障碍物里车辆的距离，同时用间歇的“嘟嘟”声发出警报，“嘟嘟”声间隙随障碍物距离的缩小而缩短，司机不但可以直接观察到显示的距离，还可以凭听觉判断车后障碍物离车辆的远近，解除了
司机倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并可以帮助司机扫除视野死角和视线模糊的缺陷，提高倒车的安全性。
1.2超声波测距的研究历史与发展趋势众所周知，关于超声波的研究起始于1876年，这是人类首次有效产生的高频声波，这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域的要应用。超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
国内外的学者在提高超声波测距精度方面作了大量的研究，影响超声波测距精度的因素包括所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度，其中传输时间的精度影响较大。许多人提出采用降低传输时间的不确定度来提高测量精度，目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或者二者的结合是主要的降低传输时间不确定度的方法。厦门大学的童峰提出了一
种回波轮廓分析法，该方法在测距中通过两次探测求取回波轮廓包络曲线来求得回波的起点，通过这种方法使测量精度有了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，发射特殊的波形来获得好的回波包络，设置一定的回波开启电平，并采用自动增益的控制放大器。也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。
2设计思想及方案论证2.1系统总体的设计思想本系统采用超声波测距原理，由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离。超声波发射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立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为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=340t/2）。
系统的总体结构框图如图2.1所示。
单片机控制LED显示超声波接收蜂鸣器报警超声波发送图2.1系统总体结构框图2.2方案选择2.2.1显示模块方案一：LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为
八段发光二极管数码显示器。对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号。LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。
方案二：点阵字符型液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，可以显示数字和西文字符。液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的代码，显示方便且显示质量高、功耗低，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
鉴于本次设计只需显示车后障碍物距离车尾的距离，显示内容比较简单，LED数码管可完全满足设计要求，且价格低廉，因此选择LED数码管显示模块。
2.2.2测距传感器模块目前常见的测距传感器，主要有红外传感器、激光传感器、超声波传感器。按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择：
方案一：红外传感器测距其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体的反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号的强弱判断物体的距离。
方案二：激光传感器测距它是利用激光的单性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距仪和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。
方案三：超声波测距超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。其原理犹如蝙蝠，从嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫时，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接受来判断是否检测到物体的。
根据以上的性能比较，我们能看出激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较高，不易为大众所接受。考虑到车辆行驶过程中，测距应当有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，最终选择方案三。
2.2.3报警模块报警模块可选择蜂鸣器或者语音模块。蜂鸣器比较简单，只能发出不同频率的蜂鸣声音；
语音模块可根据需求发出各种不同的语音。本次设计仅需在车后障碍物与车尾距离到达预先设定的警戒距离范围内时发出警报音，蜂鸣器完全可以满足设计要求，故选择蜂鸣器来实现报警功能。
3系统硬件电路设计3.1超声波的介绍我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。人类耳朵能听到的声波频率为20～20KHz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20KHz的声波称为“超声波”。
3.1.1超声波的特点超声波通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其特点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的方向性。
超声波具有以下的特点：
(1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
(2)超声波可传递很强的能量。
(3)超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
(4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。
3.1.2超声波的应用超声波广泛地应用在多种技术中。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。
(1)工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等。
汽车防撞系统
(2)生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等。
(3)诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。
(4)学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。
3.1.3超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业
、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
(1)工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
(2)工作温度由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）指向性超声波传感器探测的范围。
(4)灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；
反之，灵敏度低。
3.1.4超声波测距原理通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了，这与雷达测距原理相似。测量原理图如下图3.1所示。
TRL图3.1超声波测距原理图测距时由安装在同位置的超声波发射器和超声波接收器完成超声波的发射和接收，由定时器计时。首先有发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在介质中传播时，一旦遇到障碍物就会被反射回来，当接收器接收到反射波后立即停止计时。这样，定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下，超声波在空气中的传播速度约为340m/s，所以发射点距障碍物之间的距离为：
（3.1）
公式（3.1）中，L为车尾与障碍物的距离，单位为米，t为计时器记录的时间，单位为秒。
由于单片机内部定时器的计时，实际上是对机器周期T机的计数，设计中时钟频率fosc取12MHz，设计数值为N，则或（3.2）
程序中按（3.2）式计算车尾与障碍物间的距离。
3.1.5超声波发射电路设计超声波发射电路采用基于MAX232的方波发射电路，利用MAX232的电荷泵输出±8.5V电压驱动超声波传感器。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。MAX232主要是用来进行电平转换，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器。由单片机产生相位相反的2个40KHz方波信号，并通过单片机P0.0和P0.1口输出。信号通过MAX232放大后叠加在超声波传感器两端，信号电压幅值大约17V，频率为40KHz，超声波传感器在这个电压的作用下，产生40KHz的超声波。具体电路如图3.2所示。
图3.2超声波发射电路3.1.6超声波接收电路设计超声波接收包括接收探头，信号放大器等部分，超声波接收探头必须与发射探头型号相同，否则可能导致接收效果不理想，甚至不能接收回波信号。由于超声波接收探头接收的回波信号非常弱，所以必须用放大器进行放大，没有接收到回波信号时，超声波接收电路的输出端为低电平，当接收到回波信号后，输出端由低电平变为高电平，且高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。具体电路如图3.3所示。