电气工程及其自动化毕业论文基于单片机的倒车雷达系统硬件设计.docx
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电气工程及其自动化毕业论文基于单片机的倒车雷达系统硬件设计
基于单片机的倒车雷达系统硬件设计
摘要
当科学技术的程度越来越深,倒车雷达这新兴产物逐渐成为汽车不可或缺的一部份。
倒车雷达经过显示了系统测量的距离与及时的报警来提醒司机注意周围阻碍物的一种倒车辅助系统。
倒车雷达在开车时候对人们起着十分重要的作用,因此对倒车时候的预警研究起着相当重要的作用。
首先我对近几年的很多资料进行查看,其次对一定量的市场进行考察,最后在图书馆查阅了大量的资料,认真地涉猎了一些测距的基本原理,还有熟悉了一些单片机系统设计的相关资料,本人在此文中设计出了一种基于单片机的简单倒车雷达系统。
本设计中采取了以STC12C560S2作为倒车雷达的主控芯片,操控超声波测距原理测量距离,并使用LCD1602液晶显示屏进行显示,通过距离矢量到达阙值时,蜂鸣器发生报警,3色LED灯变化颜色来提醒司机注意。
除以上功能,还准备使用温度传感器DS18B20感知测量环境的温度,对测量得到的距离进行温度补偿校正。
对比其他倒车雷达设计,本设计中测量部分更加准确,报警系统更加迅速这几项优点。
关键词:
倒车雷达;STC12C560S2单片机;超声波测距;DS18B20温度传感器。
一、引言
(一)研究背景和意义
经过这些年我国的经济调整,伴随着我国汽车行业的快速前行与人们生活状态和水平的提升,我们国家的私人汽车量在不断提升,马多了,士兵自然也就多了,我们国家对驾驶人员的需求也越来越多,随之,越来越多的人都拥有了驾照。
曾经宽阔的马路变的车水马龙,空旷的停车位取而代之的是一辆辆崭新的“座驾”。
以前空旷的停车环境慢慢的消失,代替它出现的是拥挤的马路,窄小的巷子,车流涌动的停车场。
驾驶员的倒车环境从优走向良甚至差。
在此,我发现,在汽车事故中有很大一部分的比例为驾驶员倒车时的前瞻后顾不及时导致事故发生,所以解决好倒车时汽车后视能力不足的问题可大大降低汽车事故的发生。
在过去20至30年中,设计师们的理念如“金刚钻”理念,他们觉得只要车子越坚固,就能无坚不摧,所以他们将车子设计的十分坚固,他们使用能使汽车更坚硬的材料改装车子,而人们也像他们想的那样买安全性能高的车,从而减轻事故中汽车的损坏,对人身体的伤害。
俗话说的好,事物的一切要从本质出发。
损坏减少不如从根本上降低损坏的几率,假使我们使得事故率降低,将事故离在原地,不让它发生,则可在安全领域有较大的突破。
(二)国内外研究现状及分析
倒车雷达预警系统按照提醒方法上可分为两种,分别为1.视觉提醒,2.听觉提醒;随着科技的发展,比起以前复杂的走线式倒车雷达预警系统,越来越多的汽车选择新型的无线式倒车雷达预警系统。
从功能上看,两者并没有什么区别,改变的仅仅是连接方式。
将它们两者剖析做对比,无线倒车雷达预警系统的主系统和显示器采用无线技术连接,传递方式简单,无需改造车内原有的面貌。
但是,无线传播的方式很容易被干扰,所以无线倒车系统还没有大面积普及,有线倒车系统仍占主流。
倒车雷达预警系统的报警方法,目前主要有如下几种:
(1)电子声报警:
通过蜂鸣器的鸣叫声来提醒司机车与测量地方距离已到阙值。
优点是不影响司机视线,缺点是有一定延迟,不够准确。
(2)人声报警:
指通过喇叭产生的人的声音来提醒司机,与电子声基本一致。
但若果距离发生变化过快,内转换容易出现问题,影响驾驶员。
(3)数字显示:
指在液晶显示器上数字化的显示出测量地方与车的距离,优点是快且准,缺点是影响驾驶员的视线,易出事故。
经过查阅资料及网上搜寻,这几年内,伴随着技术不断更新和驾驶人员使用后的想法与改进,倒车预警一共有着六代的进步与进化。
一代倒车预警系统 ,当年大街小巷的车上都会有六字真言“倒车了,请注意”这是倒车预警的第一代作品,现在仍然有一小部分的货车还在用它。
驾驶员在汽车上挂上倒档,它就会重复地响起,提醒着身边的物体。
现在我们看来,一代倒车预警对驾驶员只有间接地帮助,让周围的人散开,不算是真正意义的倒车预警。
二代倒车预警系统:
它使用了蜂鸣器不同频率的鸣叫提醒司机不同距离,到这里倒车预警系统才真正意义上被使用。
在驾驶员倒挡挂上后,此时若是车后1.5米-1.8米处有阻碍物体,提醒模块就会开始鸣叫。
鸣叫声越急促,则代表着车子越来越靠近障碍物。
在这一个时期,倒车雷达预警系统仍处于可升级状态,还没有语音报警系统,更没有模块显示车尾与阻碍物的距离。
三代倒车预警系统:
利用数码波段显示具体距离。
三代倒车预警系统比第二代的效果要好太多,在车内即可标示出阻碍物体和车尾间的距离。
若是固定物体,在车尾后1.8米时开始显示;若是生物(人),在车尾后0.9米开始显示。
三代倒车预警系统拥有两种报警的方式,数码管可以显示出来倒车雷达中的距离模块和障碍物间的距离数字,另外,波段显示产品使用三种不同的颜色来区分不同的距离段:
绿颜色表示的是处于安全距离,黄颜色表示的是处于警告距离,红颜色表示的是处于危险距离,立刻需要停止倒车。
第三代倒车预警产品把数码和波段放在在一起使用,确实有很好的效果,但是,影响了汽车内部环境的美观性。
四代倒车预警系统:
液晶和荧屏动态的显示。
第四代产品发展有了跳跃性,尤其是屏幕显示开始使用动态显示。
驾驶员从点火的那一刻起,显示器上就会出现汽车的模拟团以及此车四周的阻碍物及阻碍物与汽车距离,外观小巧精致,驾驶员可以将它装在自己周围的任何一个眼和耳都可看到和听到的地方。
虽然它用起来十分简便,不需要说明书和学习操作方法,但它过于敏感,外界条件很容易影响到最终的检测结果。
第五代倒车预警系统:
即是我们常用的“魔幻镜倒车雷达”。
它采纳了现代技术中最先进的,拥有先进高速处理器的它,可快速且准确地测量出在2米之间的阻碍物,并使用几种不一样的声音报警方式和直接的对驾驶员进行提醒。
六代倒车预警系统:
整合影音系统。
它在第五代倒车雷达预警系统的原有物上更新了更多的属性,属于第六代雷达预警,是为少数的高级轿车特制出来的。
从外形上我们看到,这套系统比第五代雷达更加小巧精致;从别的方面来看,它不但拥有第五代雷达系统的一切优点,还与汽车影音系统综合在一起,比起第五代雷达升级更新了许多。
(三)研究意义
综上所述,一种以微型处理器作为核心处理器,伴随着超声波技术来完成无线测距的新一代倒车雷达预警系统应势而出。
基于单片机的倒车新型雷达即是俗称的泊车狗,是驾驶员在泊车时候使用的辅助装备。
在驾驶员进行泊车任务时,新型倒车预警系统使用超声波模块测量出超声波模块与阻碍物之间的长度,当测距模块和阻碍物体之间的S到了设置的预警阙值时,预警系统使用数码管及时地表达出距离。
当测距模块离阻碍物物的距离达到了设置的预警阙值时,预警系统开始报警,以提醒开车人,帮助开车人安全的完成泊车任务。
随着科技的发展,一些过时的测距手段在很多时候已无法帮助人们,例如在测量井,液位,管道长度等时候,过时的测距手段根本无法完成这些东西的测量。
于是,一种新的测距方法诞生了——非接触测距。
声波测距就是一种不用接触的测量方式,这个方式拥有受干扰条件少的优秀之处,计算了测量声波在发出和收回时候的时间差,用速度和时间算出距离。
对需要测量的物体无损害。
并且影响超声波传播速度条件少,超声波速度在很大条件下都不会发生太大。
超声波测距从被人们发现后,人们越来越倾向于使用这种新型方法进行工作。
超声波在现在的测量生活中扮演的角色越来来重要,加上国家的飞速发展,科技的不断完善,越来越多的场合需要超声波测距的出现,一些新兴的产业也很常见超声波测距。
(四)本设计的特点
本次的设计结合以前的很多设计方案,加上自己开车的亲身体会,即保留原本的“嘀嘀”声,我们还在原本的设计上加了如同“红绿灯”一般的颜色提醒设备,而且使用了LCD1602液晶屏显示距离,使距离数字化,更加人性化。
为了减少超声波在不同温度下所产生的误差,我们在设计中加入了温度传感器,以便对检测结果进行校正,来减少不同温度下产生的误差。
还有最重要的一点,本设计成本较低,比起其他预警系统,不仅有精准的数据,而且成本少了很多。
二、总体设计及基本原理
(一)设计思路
本次的设计是以单片机为核心的倒车雷达预警设计,要完成的基础功能是在汽车挂倒档后,能辅助驾驶员实时监视超声波模块周围驾驶员视线所不能及的阻碍物,及时报警反馈给司机,从而安全快速地完成整个倒车任务。
其中:
本设计有最基础的测量距离的功能,它是整个系统的数据的初始,是最根本最重要的数据;系统还能对一些数据进行校正,校正的过程即为采集温度来进行温度补偿,这个过程是整个系统准确性的关键之处;系统有显示器,把距离实体化通过数字的方式告诉驾驶员;系统有报警器,在容易出现安全事故的距离处报警提醒司机要更加小心和谨慎,从而减少事故的发生。
除了以上说的这些之外,我们还应对整个系统的成本做出估计,做出来的设计难易程度,可实施性,综合总结,选出最适合本次设计的元件。
综上所述,本设计共有六大模块,分别为:
1.单片机最小系统;2.测距模块;3.测温模块;4.显示模块;5.报警模块;6.电源烧写。
(二)基本原理
渡越时间法(TOF)的工作原理:
检测超声波的发出和接收到超声波的时间,这段从出发到接收的时间被人叫做渡越时间。
这段时间与超声波此时的速度相乘,即是声波传输的距离。
公式为S=1/2vt,原理图如下所示:
超声波传输的过程中容易受到温度的干扰,它与温度的关系为:
在上述的公式中,V0是超声波在0℃的空气中的速度,查阅资料得速度为331.45m/s,T为测量时空气的温度。
(三)系统方案设计
通过整体的分析并且综合了整个系统的各个方面,本次设计决定使用模块化的方式分模块进行设计。
使用了以单片机为主控系统,它的主要功能是:
1.负责各个模块程序的进行顺序,2.对主要数据进行处理。
测距模块的主要功能是:
对超声波发出和接收的时间统计;温度传感器的主要功能是:
测量出测量环境的温度数据后,将温度数据代入写入的公式,温度补偿速度,算出更加准确的距离数据;显示模块的主要功能是:
将距离数据通过显示器显示给驾驶员;报警模块的主要功能是:
检测距离数据是否超出阈值,从而可对驾驶员进行报警功能。
三、测量仪的硬件电路设计
(一)单片机的选用
本设计中选用的是STC12C5A60S2。
它是宏晶科技研发的新一代速度更快,有更低的功能时消耗,有更强大的抗干扰能力的一种新型单片机。
它是8051系列大家族中的新成员,与家族的长老们比起来,它具有以下的优点:
1.在使用同样的晶振电路下,它的处理速度提升了8~12倍。
2增添了更多的10位AD。
3.多了两个带有PWM功能的定时器。
4.增添了新的SPI接口。
5.增添了EEPROM。
6.有1K内部扩展RAM。
7.有WATCH_DOG8、多一个串口。
9.IO口可以定义,有四种状态。
实物如下:
(二)测距模块元件的选用
本设计中选用的是超声波模块中的US-015型,它在工作量为2cm-400cm的时候较为精准,它抗高温,最高温度可达70摄氏度,探测精度在0.3cm左右。
实物如下:
(三)温度模块元件的选用
本设计中使用的温度测量感应器件为DS18B20元器件,DS18B20是生活中常见的温度测量感应器,它的外形比较小,消耗资源少,最主要的是它有强大的抗干扰能力,准确度高的。
本来想要使用DHT11,但是后来发现DHT11用在此设计中是大材小用。
它的实物图如下:
(四)显示模块器材的选用
本预警系统中选用的是LCD1602液晶显示器。
它能够同时显示16列2行一共有32个字符。
而且它不但拥有160个内建的符号发生器,集成出常用的字型,可以完全满足用于所有需求(不包括中文),还有8个字符发生器CGRAM,可以在使用过程中按自己的需要定义简单汉字。
1602液晶显示屏的实物图如下:
(五)报警模块元件的选用与论证
本预警系统中中报警模块共有两个:
1.三色LED,2.蜂鸣器。
当测量模块距离障碍物1m及以上时绿色灯亮,蜂鸣器不鸣叫;当测量模块距离障碍物0.5m-1m时黄色灯亮,蜂鸣器发低频率的鸣叫;当测量模块距离障碍物在0.5m以内时红色灯亮闪烁,蜂鸣器发高频率的鸣叫。
四、测量仪的硬件电路设计
(一)单片机的电路设计
单片机,概括地说,就是将一个很大的计算机变成了一块小小的芯片。
麻雀虽小,五脏俱全说的便是它。
一个完整计算机需要的东西它都有,cpu,内存,总线;甚至于用于扩展的外围设备,通讯口等等。
单片机,又称微控制器。
因为,最早它单片机是用在工业生产的控制系统平台里面。
最早的设计理念是这样的:
首先,通过将很多的外围设备和模块进行设计,然后再把它们一起集中在一个芯片里面去,这样,不仅使计算机的系统更加小巧,有使它更容易集成,然后,嵌入进要求严格的很多控制设备里面。
比如说,最早按照这种思路设计出来的是一款名为Z80的处理器。
自此之后,单片机,处理器,两种产品就互不相干了。
刚开始,单片机不是4位就是8位的。
其中,最成功的,便是intel公司的8031型号,因为它简单的结构却又实实在在而性能,在使用者中获得了很大的好评。
此后,在8031系列的好评声之中,intel公司又发行了一种更加受人欢迎,一直被人们使用的MCS-51系列的单片机。
随着工业的发展,对单片机的要求也提高了,于是,逐渐开始出现更高位的单片机,比如说16位的单片机,但是,它的性价比是它最大的缺点,使得没有被大众人群所接受,因此,没有广泛的使用。
90年代的时候,随着科技与电子的火花不断碰撞,设计师们需要越来越多的新生血液。
跟着intel公司发行的新产品-I960系列以及,新型产品ARM系列,新型的32位单片机被设计出来之后,后者顶替了了前者的皇位,并且,推动了新的市场。
曾今红极一时的8位单片机的在自己的处理功能上,也有了很大的进步,它的工作能力相比比起曾经的年代,足足提升了百倍之多。
目前,高端的32位单片机有很高的配置。
在现代,单片机的变换很大,早已不是当年在裸机环境下进行开发和使用用,更多的专用嵌入式系统一一被人们产出,然后使用在单片机,对它进行革命改革。
另一方面,作为微型笔记本和新产业手机的核心,一些更加高端的单片机,已经能够使用属于它们专用的操作系统。
单片机与专用处理器两者比较,经过比较,用途是不一样的,单片机呢,更适合于嵌入式旧式传统系统,因此它得到了最广泛的应用,后者却不能。
其实,总的来讲,单片机是世界上使用最多的计算机,它被用于更多的地方,不仅仅是电脑。
在现在的日常生活中,我们身边的很多电子用品、用于生产制造的工业产片等等,都或多或少都会使用它。
常见的产品,都使用了1个,或者几个单片机。
而我们的个人电脑中,也有不少的单片机被使用。
使用在交通工具上的就更多了,一般都是40多个。
在更加复杂的工厂中,有时候,可能会有几百个单片机,它们同时开始运行,制造和生产。
MCS-51系列,它们拥有处理性能强大的处理器,它的内部器件与计算机类似。
比如说,它装了硬件乘法器、除法器,也集成了专门的控制寄存器,;还有程序存储器和数据存储器,;它还有四组8位的并行口;两个计数器。
它的寻址空间还是比较大的,地址总线数量,一共是16条,也就是说,外部数据存储器,程序的存储器加起来,寻址范围可以达到更大字节,这样的配置,对于单片机,已经属于比较大的一类了;同时,也具备对每一个I/O口的访问权限。
此外,MCS-51系列,它采用的是模块化设计,简单地说就是说,我们可以很方便地通过增删一个模块,就可使得我们所用单片机的引脚,以及我们编写的指令,对一个新的产品,实现完全兼容。
所以,这样一来,容易使单片机的参与集成的产品自成一体,形成一个个的系列化。
MCS-51系列单片机,主要的配置上,它有强大的处理能力和拥有更快速的处理速度了。
如此看来,单片机在应用方面具有更大的优势。
它的优势在于更加强大的指令系统,在指令方面,它也更加强大,其中包含:
数据传送的指令,各种花式算法、逻辑运算的指令算法,另外的一点就是逻辑的操作和控制的指令,做编程的人更倾向于使用这种更为便捷和简单的只能,如此可以减少工作量。
它能够在2-12M赫兹的多频率环境下正常的运行和工作。
8051单片机中,配有各种的中断源,用户可以十分方便地控制,并使用它的功能,它的应用范围也正在不断的加大和扩充,因此它可以在更多的环境下工作。
单片机它把微型计算机的主要元件,集中在一块芯片上,使得需要传送的长度,大大的减少,同时,它拥有了越来越强的可靠性,在运行方面,它的速度也越来越迅速,加强的还有它本就不错的抗干扰能力。
工作性能上,也比较稳定。
因此,在工业测控的系统里,单片机,立足于一个很高的地位,而且,单片机的成本也低,所以,选择单片机作为本次课题设计的核心,是合情合理的。
本次预警雷达中的单片机原理电路图如下图所示:
(二)测量模块电路设计
1、US-015超声波测距模块
本设计中采用的超声波测量距离模块是us015超声波测距模块,经过观察发现,它的硬件设计非常简单,外部没有什么特别添加过的元件,采用高电平触发了TRIG引脚从而发射超声波信号,再然后检测到ECHO的高电平过程中的持续时间来计算距离。
综合上述所言,我们只需将它的VCC接高电平(5V),GND接地,TRIG引脚与单片机的P20连接,ECHO引脚与单片机的P21连接便是正确的。
2、温度测量电路设计
设计中的温度测量传输感应器接引脚也不复杂,外部共有3个引脚,以面对的是直面为标准,左边的引脚为接地引脚,右边的引脚接VCC,中间的引脚接单片机的P35即可。
(三)显示电路设计
1602液晶显示器,D0-D7引脚直接与系统核心处理器P0.0-P0.7引脚连接,RS,RW,EN分别与单片机的P25-P27引脚连接。
将第15引脚A即(背光电源正)接高电平,第16引脚K即(背光电源负)接地,将第1引脚VSS地电源针脚接GND,第2引脚VDD接VCC,与其他针脚相比较,第3引脚V0的连接比较重要,它承担着液晶显示屏的对比度,我们在使用时让它与10K大小的电位器连接。
观察发现,每当电位器阻值发生变化时,对比度也会随着阻值变化而产生变化,如下图所示:
图4.3.1 对比度过低
图4.3.2 对比度过高
图4.3.3 对比度合理
(四)报警电路设计
蜂鸣器直接接电路会一直鸣叫,所以在这里使用三极管驱动,另一方面是因为单片机的输出电流不够,接线时,我们将蜂鸣器的正极直接接连高电平,将负极接驱动三极管PNP的集电极,我们把驱动三极管的发射极接地,另一极与单片机的P10相连接即能正常使用。
三色led的电阻起保护作用,以免电流直接烧坏led。
针脚依次对应P11-13。
(五)晶振电路,复位电路及开关电路设计
因为本设计为车载设计的倒车雷达,所以使用的车载系统中的USB供电。
自左及右依次为设计的电源接口原理电路图,晶振电路原理电路图,复位按键电路原理图。
五、总结
毕业设计是将理论与实际相结合的一次难得的机会,通过对单片机的倒车雷达预警系统设计,一方面本次设计锻炼了我的实际操作动手能力,一方面增强了我面对问题时候的分析能力,也增强了我的能力,让我在面对实际问题的时候更沉着冷静,同时提高了我的专业能力水平。
出于自身的能力和时间问题,我对我的设计中仍有一些较不满意的地方,而且由于成本的限制和主控芯片的限制,我所设计的倒车雷达系统并没有人生语音提醒功能,也没有使用GPS导航对车身全方位监控,而这一功能在很多高端车中都已经具备。
当然经过这次设计我还有一个更大胆的提议,在充沛条件下使用全方位监控,并使用新型的显示系统对车身周围进行温差距离模拟。
希望我以后也可以将这一功能实现。
一次毕业设计使我真正的认识到知识的伟大,使我认识到现在我的学术水平有限,能力也有所欠缺,希望老师在阅后能给我宝贵的意见。
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