汽车倒车报警系统论文.docx
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汽车倒车报警系统论文.docx
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汽车倒车报警系统论文
课程论文
题目:
汽车倒车报警系统分析
********
学院:
能源与动力工程学院
班级:
交通运输10-2班
指导教师:
陈永艳副教授
2014年1月3日
内蒙古工业大学课程设计(论文)任务书
课程名称:
汽车电子控制技术学院:
能源与动力工程学院班级:
交运10-2
学生姓名:
李长春___学号:
************_指导教师:
陈永艳
一、题目
汽车倒车报警系统分析
二、目的与意义
根据《汽车电子控制技术》课程学习的知识,系统分析汽车倒车报警系统结构组成及基本的工作原理,掌握汽车电子控制系统的基本结构与原理。
三、要求(包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等)
根据参考文献,系统学习并分析汽车倒车报警系统结构组成及基本的工作原理;按照《内蒙古工业大学课程设计说明书(论文)书写规范》撰写课程论文。
四、工作内容、进度安排
18周周末:
根据任务书要求,查阅、学习相关参考文献;
19周周一:
提交论文提纲;
19周周二—周四:
根据指导教师修改后的论文提纲撰写论文初稿;
19周周四—周五:
根据指导教师对论文的修改意见修改论文;
19周周五:
提交论文。
五、主要参考文献
[1]刘修文.实用电子电路设计制作[M].北京:
中国电力出版社,2011
[2]胡萍.超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化,2010(10):
54-56.
[3]陈有卿,谢刚,新颖电子模块应用手册[M].北京:
机械工业出版社,2010
[4]电子报社.电子报2010年合订本下[J].成都:
四川科学技术出版社.2010
[5]刘福太,梁发麦,魏书田,林红文.黄版电子电路[M].北京:
科学出版社,2011
审核意见
同意。
系(教研室)主任(签字)赵明智
指导教师下达时间2013年12月27日
指导教师签字:
_______________
摘要
本文介绍了汽车倒车报警系统,文章采用分模块方式,对整个系统的硬件与软件设计进行分析,其中硬件部分着重介绍了超声波探测器、单片机AT89C51控制芯片、外围电路和报警电路等。
设计中采用了性能比较好的超声波传感器CSB40,从发射头发射的信号通过障碍物反射所得的信号接收,信号放大,再通过单片机直接处理,然后把处理后的信号通过驱动器驱动扬声器播放出声音,同时通过显示电路显示倒车距离。
整个系统采用单片机通讯方式,介绍了单片机接口与控制器之间的通讯,以及该系统的程序流程。
除此之外,还说明了PCB板的制作、电路的安装与调试的有关内容。
关键字:
超声波倒车报警AT89C51
一、引言
为了巩固、加深和扩大单片机应用的知识面,提高综合及灵活运用所学知识解决问题的能力,提高组成系统、调试的动手能力,开展了本次毕业设计。
毕业设计课题为汽车倒车报警系统的设计与制作。
随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺,汽车的数量在大副攀升。
交通拥挤状况也日趋严重,撞车事件屡屡发生,造成了不可避免的人身伤亡和经济损失,针对这种情况,设计一种响应快,可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行。
超声波测距法是最常见的一种距离测距方法,应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离,低速状况,以及在汽车倒车防撞报警系统中,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——折射、反射、干涉、衍射、散射。
超声波测距即是利用其反射特性,当车辆后退时,超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置,并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员,起到安全的作用。
二、汽车倒车报警系统的思路
2.1系统总体方案
从倒车防撞报警器的使用场合来讲,必须是采用反射型传感器才能满足实际使用中的要求,从目前的无线电技术出发,主要可采用超声波传感器和红外反射型传感器。
本设计选择超声波型。
基于超声波型:
利用超声波传感器CSB40,它是一种性能优良的发射与接收配对的传感器。
该系统主要用电磁式输出与输入振荡电路,所输入的信号经过放大,直接发送到单片机AT89C51单片机进行处理,通过编程可以进行自动控制。
具体系统框图如图1-1所示。
图1-1汽车倒车报警系统框图
2.2超声波测距原理
超声波传感器分机械方式和电气方式两类,它实际上是一种换能器,在发射端它把电能或机械能转换成声能,接收端则反之。
本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。
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,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,将机械能转换为电信号,就成为超声波接收器。
在超声波电路中,发射端输出一系列脉冲方波,脉冲宽度越大,输出的个数越多,能量越大,所能测的距离也越远。
超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志。
超声波测距的方法有多种:
如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。
本设计采用往返时间检测法测距。
其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后由超声波接收器接收脉冲,其所经历的时间即往返时间,往返时间与超声波传播的路程的远近有关。
测试传输时间可以得出距离。
假定s为被测物体到测距仪之间的距离,测得的时间为t/s,超声波传播速度为v/m/s表示,则有关系式
(1)
s=vt/2
(1)
在精度要求较高的情况下,需要考虑温度对超声波传播速度的影响,按式
(2)对超声波传播速度加以修正,以减小误差。
v=331.4+0.607T
(2)
式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。
表1一些温度下的声速
温度T/°C
-30
-20
-10
0
10
20
30
声速/m/s
313
319
322
331
337
344
350
三、汽车倒车报警系统的电路组成及原理分析
3.1主控部分
本次设计采用了常见的AT89S51单片机为核心处理器。
AT89C51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构,AT89C51具有40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128Bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
AT89C51单片机共有40个引脚,其引脚图如图所示。
图3-1单片机引脚图
3.2复位部分
单片机AT89C51作为主控芯片,控制整个电路的运行。
单片机外围需要一个复位电路,复位电路的功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤消复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
该设计采用含有电阻的复位电路,复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降等引起的问题,在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电,一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。
在系统上电的瞬间,RST与电源电压同电位,随着电容的电压逐渐上升,RST电位下降,于是在RST形成一个正脉冲。
只要该脉冲足够宽就可以实现复位。
当人按下按钮S1时,直接连接电源,待S1弹起后,C再次充电,实现手动复位。
复位电路的设计图如图3-2所示。
图3-2复位电路图
3.3显示部分及驱动部分
四段数码显示管有两种,一种是共阳极数码管,其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成;另一种是共阳极数码管,其内部是由四个阳极相连接的发光二极管组成。
二者原理不同但功能相同。
本设计的数据显示选用四个共阴极四段数码管,其外形和内部结构如图3-3所示。
图3-3四位数码管结构图
而LED显示电路就像单片机系统的眼睛,实时地向人们传递着系统工作的各种状态信息和处理结果。
因此,高效、方便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。
其驱动电路如图3-4所示。
图3-4数码管驱动电路图
3.4超声波发射接收部分
3.4.1超声波发射部分
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器CSB40T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。
40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:
采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出,本系统采用后者。
编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率不够,40kHz方波脉冲信号分成两路,送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远,满足测量距离要求,最后送给超声波发射换能器以声波形式发射到空气中。
发射部分的电路如图5所示。
图中输出端上拉电阻一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。
图3-5超声波发射电路图
从图中可知,当输入的信号为高电平时,上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平,下面经过一级反向后为低电平;当输入信号为低电平时,正好相反,实现了振荡的信号驱动CSB40T,只要控制信号接近40kHz,就能产生超声波。
74HC04芯片介绍:
该74HC04是高速的硅栅CMOS器件,并兼容低功耗肖特基的TTL。
74HC04提供的6个颠倒缓冲器。
其管脚图如图3-6所示。
图3-674HC04管脚图
74HC04是内含6组相同的反相器。
即1A输入高电平,1Y输出低电平。
3.4.2超声波接收部分
超声波接收包括接收探头,信号放大以及波形变换电路三部分,超声波接收探头必须与发送探头相同的型号,否则可能导致接收效果甚至不能接收。
由于超声波接收探头的信号非常弱,所以必须用放大器放大,放大后的正弦波不能被微处理器处理,所以必须经过波形变换。
本次设计为了降低调试难度,减少成本,提供系统可靠性,所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106,由于红外遥控的中心频率在38kHz,和超声波的40kHz很接近,所以可以用来做接收电路。
CX20106是日本索尼公司的产品,采用单列8引脚的直插式封装,内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路,配合少量外接元件就可以对38kHz左右的信号的接收与处理,该芯片内部如图3-7所示。
图3-7CX20106内部结构图
图3-8CX20106构成本次设计接收电路图
使用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大、滤波。
其总放大增益80db。
以下是CX20106A的引脚注释。
1脚:
超声信号输入端,该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚:
该脚与地之间连接RC串联网络,它们是负反馈串联网络的一个组成部分,改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R4或减小C4,将使负反馈量增大,放大倍数下降,反之则放大倍数增大。
但C4的改变会影响到频率特性,一般在实际使用中不必改动,推荐选用参数为R4=4.7Ω,C4=1μF。
3脚:
该脚与地之间连接检波电容,电容量大为平均值检波,瞬间相应灵敏度低;若容量小,则为峰值检波,瞬间相应灵敏度高,但检波输出的脉冲宽度变动大,易造成误动作,推荐参数为3.3μ
4脚:
接地端。
5脚:
该脚与电源间接入一个电阻,用以设置带通滤波器的中心频率f0,阻值越大,中心频率越低。
例如,取R=200kΩ时,f0≈42kHz,若取R=220kΩ,则中心频率f0≈38kHz。
6脚:
该脚与地之间接一个积分电容,标准值为330pF,如果该电容取得太大,会使探测距离变短。
7脚:
遥控命令输出端,它是集电极开路输出方式,因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端,推荐阻值为22kΩ,没有接受信号是该端输出为高电平,有信号时则产生下降。
8脚:
电源正极,4.5~5V。
3.5报警部分
采用一个蜂鸣器,输出一定频率的信号,在连接到蜂鸣器之前,经过一个三极管9012的放大。
报警部分的连线,如图3-9所示。
图3-9报警电路图
通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管9013的基极,控制着电压加到蜂鸣器上,驱动蜂鸣器发出声音。
四、汽车倒车报警系统的主程序流程图
软件分为两部分,主程序和中断服务程序,如图4-1,4-2,4-3所示。
主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。
定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射,外部中断服务子程序主要完成距离计算、结果的输出等工作。
图4-1主流程图图4-2定时中断服务子程序图图4-3外部中断服务子系统图
五、汽车倒车报警系统的装配与调试
5.1基本电路板检查
根据前面的研究完成各个电路模块的原理设计并生成PCB图,制作电路板,进行实验调试。
1.检查印制板的印制线是否有断路,是否有毛刺,是否与其它线或是焊盘粘连,焊盘是否有脱落,过孔是否有未金属化现象等等;
2.先用万用表复核目测中认为可疑的连接或是接点,检查它们的通短状态是否与设计规定相符。
再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象,如有再仔细检查出并排除。
短路现象一定要在器件安装及加电前检查出;
3.路接通电源后,用手摸一下芯片是否发热,如果发热,立即关掉电源,稍后再进行再次检测;如果没有发热,再测试芯片的VCC端电压是否达到设计要求,接地端是否都接地。
5.2主控模块调试
在本次设计中,主控模块是非常重要的部分,它不仅是本次设计的核心,在本次硬件调试中也遇到了问题,接上电源的时候,数码管不亮,没有任何显示,于是我做了如下的工作:
1.检查电源是否通电,发现指示灯亮着;
2.编程使P1为低电平,检查到P1输出为低;
3.检查P0口未接上拉电阻,接上数码管发亮了。
5.3软件调试
当硬件制作完成后,软件制作也是不可轻视的部分,是实现电路的功能的关键部分,通过本次毕业设计,总结经验如下:
1.先进行人工检查。
写好程序后,不要立刻烧入单片机,先对纸面上的程序进行人工检查。
由于采用C语言编程,所以要特别小心地检查语法错误,如括号不配对,漏写分号等,通过仔细的检查,发现并排除这些错误;
2.人工检查无误后,上机调试。
在编译时给出的语法错误的信息,根据提示的信息具体找出程序中错误之处并改之,从上至下逐一改正。
应当注意的是:
有的提示出错行并不是真正出错的行,如果在提示出错的行上找不到错误的话,则应该到上行再找;
3.当确认程序无语法错误和逻辑错误时,通过直接下载到单片机来调试。
采用的是自下到上的调试方法,即单独调好每一个模块,然后再连接成一个完整的系统调试;
4.程序烧入单片机后,观察各个部件的工作是否正常,功能是否实现。
如不能正常工作,则继续检查程序中的相应模块,必要时从上到下重新检查程序;
注意:
电路焊接完成,仔细检查无误后,才可通电调试。
参考文献
[1]刘修文.实用电子电路设计制作[M].北京:
中国电力出版社,2011
[2]胡萍.超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化,2010(10):
54-56.
[3]陈有卿,谢刚,新颖电子模块应用手册[M].北京:
机械工业出版社,2010
[4]电子报社.电子报2010年合订本下[J].成都:
四川科学技术出版社.2010
[5]刘福太,梁发麦,魏书田,林红文.黄版电子电路[M].北京:
科学出版社,2011
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