基于AT89C51单片机倒车防撞报警系统设计毕业设计论文

毕业论文

基于AT89C51单片机倒车防撞报警系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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教研室（或答辩小组）及教学系意见

摘要

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，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。

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。

论文概述了超声波检测的发展及基本原理，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，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。

关键词：AT89C51单片机；超声波；AT89C51

Reverse collision warning system based on AT89C51

d esign

ABSTRACT

Is day by day prosperous along with the social economy development transportation shipping industry, the automobile 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 to respond quickly, the reliability was high also a more economical automobile 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.

The paper outlines the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function. Finally, through the analysis of system error, giving the system improvement programme.

KEY WORDS：monolithic integrated circuit；ultrasonic wave；

目录

基于AT89C51单片机倒车防撞报警系统设计 (1)

摘要 (2)

Reverse collision warning system based on AT89C51 design .............................................. I II ABSTRACT......................................................................................................................... I II 目录 .............................................................................................................................. I V 第1章绪论 . (1)

超声波检测发展综述 (1)

第2章方案设计 (5)

1. 发射与接收电路的设计方案 (5)

2.主控芯片的选择 (12)

第3章设计思路及原理 (16)

3.1超声波传感器概述 (16)

3.1.1 超声波传感器介绍 (16)

3.1.2超声波传感器的特性 (18)

3.1.3 超声波检测概述 (18)

3.1.4 超声波测距的原理及实现 (20)

3.2 超声波测距系统的总体方案 (21)

3.3 系统主要参数考虑 (23)

3.3.1 传感器的指向角θ (23)

3.3.2 测距仪的工作频率 (24)

3.3.3声速计算 (24)

3.3.4发射脉冲宽度计算 (25)

2.2.5 测量盲区计算 (25)

第4章系统硬件 (27)

4.1 单片机硬件介绍 (27)

4.1.1 单片机A T89C51介绍 (27)

4.1.2 8155芯片介绍 (29)

4.1.3 LM567芯片介绍 (30)

1.1.4探头UCM介绍 (31)

4.2单片机最小系统设计 (32)

4.2.1 单片机复位电路 (32)

4.2.2 时钟电路 (33)

4.2.3 稳压电源 (33)

4.2.4 运算放大器 (35)

第5章系统软件结构 (36)

5.1 主程序 (36)

5.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序 (39)

第6章系统的仿真及运行 (42)

第7章结论 (46)

参考文献 (48)

致谢 (49)

附录 (49)

第1章绪论

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

为经济的汽车防撞报警系统势在必行，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。

超声波检测发展综述

高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。

五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的UCT-2 超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在

一些工程检测中取得了较好的效果。

五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10 型仪器。

1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的PUNDIT 便携式超声仪。

1978 年10 月，中国建筑科学院研制出JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。

超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。

超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较

高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。

八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究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包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境噪声进行估测，设置一定的回波开平电路，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH 公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机

可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。

第2章 方案设计

1. 发射与接收电路的设计方案

超声波发射与接收电路是整个系统的重要部分，因此确定一种好的设计方案关系整个系统的精确性和安全可靠性。本文通过多种方案比较，以达到最佳方案确定。

设计方案一：

由施密特振荡器和数字功放电路组成，由P1.0口发出的同步脉冲信号如图

4.1。它启动振荡器，输出40KHz 的高频信号，经整形及功放电路，加至发射换能器，发出40kHz 的超声波。

接收电路主要由回波放大接收及比较控制电路组成，如图2.1所示。

图1.1 接收控制及接口电路

初始，比较器A1同相端已经通过调整Rr ，使其电压略高于2.5V 。因此A1应输出高电平，但由于D1相位作用，A1输出低电平，即RS 触发器的S =0，Q=1，R =1，0INT = 0。当P1.0发出启动信号，在A 点形成正脉冲，经N1反相，R = 0，D1相位释放，S = 1，Q=0，0INT = 1（正跳），T0计数器开始计数。脉冲过后，S = 1，R =1，Q=0，0INT = 1。回波信号经放大滤波，送至比较器A1的反相端，

它是叠加在2.5V 电压上的交变40kHz 的信号。它的前沿使A1输出低电平。

S =0，R = 1，Q=1，0INT = 0（负跳），即0INT 获得负跳沿信号，CPU 响应中断，T0计数停，计数值N1送存RAM 。

由于发射探头和接收探头都是平行放置且距离较近，发射探头发射超声波

时，接收探头会引起强烈的感应信号，因此必须将其隐去。当P1.0输出启动信号，主控同步脉冲加至比较器A2时，A2输出一个远大于2.5V的电压，经过D2降压后约为7.5V左右，加至A1同相端，又C2的延迟作用，A1同相端产生一定宽度和高度的方波，它的幅度和宽度均大于发射串扰信号，A1输出端即RS 触发器的S端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去。这段时间称为盲区，约2ms。

设计方案二:

40KHz的超声波发送脉冲信号由单片机的P1.0口送出，发出一系列的脉冲群，每一个脉冲群的持续时间大约为0.5ms左右。信号经过三极管放大，再经过阻抗匹配电路即变压器（变压器输入输出比为1：10）后，驱动超声波发射头，发射换能器两端就加上了高电压，内部的压电晶片开始震动，经过压电换能器将发出40kHz的脉冲超声波。当超声波遇到障碍物时就会产生反射波，发射波返回到超声波传感器上，尽管发射部分的脉冲电压比较高，但是由回波引起的接受压电晶片产生的射频电压幅度近距离有几毫伏，远距离还不到几毫伏，由于在较远距离的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也很小，为此要求将信号放大6000倍左右。信号经过放大整形电路产生一个负脉冲信号，使单片机产生中断。

在接收端第一级，要求其放大倍数为了C945这62倍左右，所以选择只三极管，达到了放大倍数。第二三级选用了一枚集成放大器NE5532，它集成了两个放大器，可达到预定放大倍数。

设计方案三:

1、发射电路

发射电路由555多谐振荡器和数字功率放大器组成。采用555 多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节，并且电路设计简单占用面积小。如图4.2所示，由单片机.P1.0口发出同步脉冲信号，该同步脉冲启动多谐振荡器，使其输出20KHz的高频电压信号，经过整形及功放电路加至超声波换能器探头，根据逆压电效应，产生振动频率为20KHz 的超声波。

2、接收电路

接收电路主要由回波放大接收电路及比较电路组成。如图4.3所示，首先调节可调电阻R使比较器A1 同相端电位高于2.5V。由于D1输出低电平，而反

INT=0当P1.0发相器N 输出高电平，所以有RS 触发器的S=0，R=1，Q=1，0

出启动信号（如图4.2中的（1）所示）经过微分电路形成的同步脉冲信号通过

INT=1（正跳变），T0 计反相器N 的反相功能，R=0，D1 箝位释放S=1，Q=0，0

INT=1。回波信号经过放大滤波数器开始记数，脉冲经过之后S=R=1，Q=0，0

送至比较器A1的反相端，它是叠加在2.5V上的频率为20KHz的高频电压信号。

INT=0如图4.2中的（3）所示，其前上升沿使A1输出低电平，S=0，R=1，Q=1，0 INT获得负跳沿信号，CPU 响应中断请求，使T0计数器停止计（负跳变）；即0

数，记数值N 送存RAM。

3、盲区干扰信号的消隐

通常发射换能器和接收换能器都是平行放置且距离较近。当发射探头发射超声波时接收换能器接收到的第一个波是串扰直通波，也称泄漏波它是近源的波束旁瓣或通过绕射由发射换能器直接到达接收换能器而造成的。因此，通常接收探头会引起强烈的感应信号。所以必须将其隐去,当P1.0输出启动信息,同步脉冲加至比较器A2时，A2 输出一远大于2.5V 的电压，经D2降压后大约等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延迟作用，A1同相端将产生一定宽度和高度的方波，如图 2.2中的（4）所示。它的宽度和幅度都大于发射串扰信号，A1 输出端即RS触发器S端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去，这段时间称为盲区，约2毫秒。

图2.2 测距脉冲图

图2.3 超声波回波接收电路

方案四:

1、发射电路

发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz 脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由单片机P1.1 口控制其是否工作。其电路图如图1所示。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。

2、接收电路

接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。

发射接收电路中应考虑的各种问题：

发射波形如图 2.6，传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态，理论上信号的幅度时指数上升的，Q 各周期后达到满幅度的95%，1.5Q 个周期后达到99%。为提高传感器的灵敏度，Q 值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于Q 个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。