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1、毕业设计（论文） 题 目 基于倒车雷达的汽车倒车系统设计 学 院 电子信息学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 谭 洪 学号 159311718 指导教师 景兴红 职称 副教授 余方能 职称 助理工程师 2019 年 4 月 20 日 学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了
2、明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日重庆工程学院本科生毕业设计 摘 要摘 要近年来，随着我国汽车工业迅猛发展，汽车几乎普及到了每一个家庭。当然，随之而来的就是人们对汽车的性能要求更加严格。特别是对于一些刚入门的新手司机来说，汽车安全就显得非常的重要，本设计就是充分考虑到了这一点，设计出了一款基于倒车雷达的汽车倒车系统，在很大程度上解决了一些新手司机倒车难的问题，本设计系统以STC89C52单片机为核心控制器，系统地分析了汽车倒车预警系统的基本设计原理。简而言之，这是一种以倒车雷达为基础的智能预警倒车辅助装置。本文从硬件电路再到软件的描述详细地介绍了汽车倒车预警系
3、统的基本设计原理。硬件部分的核心是超声波测距系统，再与STC89C52单片机相结合，这样采用软硬件相结合的方式，在很大程度上不仅提高了系统的稳定性和可靠性，而且还降低了成本。本设计主要有以下几个功能模块：第一个模块是超声波测距模块，用于距离的测量；第二个模块是按键控制模块，用于根据实际要求改变最小测量距离；第三个模块是显示模块，用于完成实时的距离直观显示；第四个模块是报警模块，用于危险距离时的语音报警提醒；第五个模块是紧急制动模块，用于模拟到达极限距离时汽车的紧急制动。将上诉模块通过单片结合在一起，就达到了预期的功能，而且这样的设计稳定可靠。关键词：超声波 汽车倒车雷达 测量距离 STC89C
4、52 紧急制动I重庆工程学院本科生毕业设计 ABSTRACTABSTRACTIn recent years, with the rapid development of Chinas automobile industry, cars have spread to almost every family. Of course, what follows is that people have stricter requirements on the performance of their cars. Especially for some newcomers who are just get
5、ting started, car safety is very important. This design takes this into consideration and designs a car reversing system based on reversing radar, which has solved some problems to a large extent. The problem of the novice driver reversing the car is difficult. The design system uses the STC89C52 si
6、ngle-chip microcomputer as the core controller to systematically analyze the basic design principle of the car reversing warning system. In short, this is an intelligent early warning reversing aid based on reversing radar. This article introduces the basic design principle of the car reversing warn
7、ing system from the hardware circuit to the description of the software. The core of the hardware part is the ultrasonic ranging system, which is combined with the STC89C52 single-chip microcomputer. This combination of hardware and software not only improves the stability and reliability of the sys
8、tem, but also reduces the cost. The design mainly has the following functional modules: the first module is an ultrasonic ranging module for distance measurement; the second module is a button control module for changing the minimum measurement distance according to actual requirements; the third mo
9、dule is Display module for real-time distance visual display; fourth module is alarm module for voice alarm reminder at dangerous distance; fifth module is emergency brake module for simulating vehicle emergency when reaching limit distance brake. By combining the appeal modules together in a single
10、 piece, the desired function is achieved, and such a design is stable and reliable.Keywords: Ultrasonic wave; Car reversing radar; Measure distance; STC89C52; Emergency brakeII重庆工程学院本科生毕业设计 目 录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 课题研究的背景11.2 设计的主要任务22 总体设计方案42.1 设计总体思路概况42.2 测距系统的原理52.3 测距模块的介绍63 硬件的设计和制作83.1
11、 芯片的选取83.1.1 STC89C52单片机83.1.2 CX20106A芯片93.1.3 ULN2003芯片103.1.4 LED数码管113.2 硬件电路的设计123.2.1 超声波发射电路133.2.2 超声波接收电路133.2.3 显示电路的设计143.2.4 报警电路的设计143.2.5 制动电路的设计153.2.6 按键电路的说明153.3 硬件电路总图163.4 倒车系统的实物制作174 软件部分的设计184.1 软件的工作流程184.2 算法的软件设计184.3 主程序流程图194.3.1 主函数的说明205 系统调试225.1 硬件调试225.2 软件调试226 总 结2
12、3参考文献24致 谢25附 录26附录1 程序清单26重庆工程学院本科生毕业设计 1 绪 论1 绪 论1.1 课题研究的背景我国汽车保有量近年来持续增长，而城市道路建设和停车位的建设明显跟不上其发展的节奏，这就导致了一系列交通问题的出来，其中一个就是停车倒车问题。而倒车问题是驾车技术不高和没有安全意识的开车人士最担心的交通问题之一。稍不小心发生事故不仅会给自己或他人带来财产损失，还可能会引起激烈的争吵和纠纷，甚至可能威胁司机或他人的生命安全。面对这样的问题，倒车防撞报警器就被人们发明出来了，或通过声音报警或通过直观的显示屏显示的方式，从而达到提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了不少驾驶员倒车
13、时需要下车左顾右盼检查的麻烦。帮助驾驶员朋友消除了视觉上的死角和视力模糊等难题，提高倒车时的安全性。但在过去，人们对汽车电子应用于汽车的研究相对比较被动的。例如：在车子上安装前后保险杠，在车内安装安全气囊等。前后保险杠尽管可以减少碰撞对汽车的伤害，但不能抵消物体的损坏，还是对人们的财产构成了不小的威胁。安装汽车安全气囊也不一定能完全保护乘务员的安全，毕竟碰撞的不确定因子太多了。因此，要提高汽车的主动安全才是社会的需求，如果能在源头上对每场事故进行有效的预防，那么汽车安全领域的发展必将会再创新高。经过多年的发展，倒车雷达系统已经经历了六代技术改进。从最原始的倒车时人工智能提醒到后来的数字显示倒车
14、系统，再到现在最新研发出来的整合影音倒车雷达系统。随着科技的进步，倒车辅助系统正在飞速发展。最早出现的倒车辅助装置是倒车时人工智能提醒，直到现在这种倒车雷达仍有使用，但也仅用于小型卡车和自卸卡车，毕竟这类车体型大盲区面积也大。它的使用就是司机将发声设备挂上车辆后方，倒车时按下启动开关，在倒车的过程中，发声设备就会持续不断的发出声音，警示路人注意车子在倒车注意避让，当然这种原始的方法并不能真正意义上帮助到驾驶员。从第一代产品继续发展就来到了驾驶室蜂鸣器报警的时代，这代倒车雷达就是在车尾部装上一个短距离测距传感器，到达危险距离时，车内蜂鸣器就会响起，并且由于信号的强弱不同，报警器的声音也会不同，假
15、设预案通过声音大小的判定从而大概预知能否继续倒车。因为蜂鸣器没有语音提示和距离显示，所以就显得不直观，对经验的要求非常高，并不适用，即使驾驶员知道后方障碍物越来越近，也不能确定障碍物到底离车体有多远，所以对驾驶员帮助作用不大。发展到后来，综合以前产品的缺点，数字显示倒车系统距应运而生。这代产品之所以新颖，是其能够直观地显示车辆后方障碍物与车辆尾部的距离。显示的方法主要有两种：一种是数字显示方式，该方法使用LED显示车辆与障碍物之间的距离，这种方式还是比较直观的；第二种是通过不等同的颜色来提醒：用绿色表示安全距离，黄色表示警告距离，红色表示危险距离，但这种范围显示就不是那样直观，不易掌握。这算是
16、第三代倒车雷达系统，明显较之前的倒车系统更加先进，但缺点是精度较低，安装设计单一。经过多年三代倒车系统的使用和发展，第四代液晶显示器动态显示倒车雷达的出现。相比前面几代产品就有了质的飞跃，这代产品使驾驶员可以比较直观的看到车身与后方障碍物之间的实际距离。这种类型的倒车雷达的优点是，不需要驾驶员将汽车档位挂入倒挡，而是在在汽车启动时，方向盘旁边的显示屏就会显示汽车图案与车身附近障碍物之间的模拟距离。做到了颜色清晰更加直观，而且外观也比较漂亮。它安装也非常方便，可以直接安装在车载仪表上。然而其缺点就是灵敏度低，也就是反应比较迟钝，抗干扰能力也比较弱，误报频繁。所以，很快就有了魔幻镜倒车雷达系统的出
17、现。这代产品在上一代的基础上增加了如扬声器、温湿度显示、车辆污染等级显示等功能，结合超声波技术和高速计算机的控制，它可以在车子启动状态下的任何时间检测周围的障碍物，一旦检测到危险的出现，车载显示器和语音系统就会同时给到驾驶员实时的提示。当然，一些豪车的要求会更高，他们自己量身定做了产品，那就是第六代整合影音倒车雷达系统。这种倒车雷达系统其实就是五代产品的豪华升级版，之所以高端，是因为他在很多方面可以说都做到了极致。首先，它继续继承了魔幻镜倒车雷达系统的优点，在此基础上，它的外观更加优雅，性能方面更加智能化。还结合了可以在显示器上显示的高端汽车所需的视听系统，可以观看DVD图像，目前也仅限于豪车
18、的使用。目前，国内市场上的倒车雷达产品还是主要依靠进口。而我国在汽车领域起步较晚，现在尽管一些国内汽车公司也生产了自己的倒车雷达产品，但因为在性能方面始终无法达到国外同类产品的标准，所以市场占有率上始终无法与德国、日本等国的厂商相竞争。主要是一些核心元器件，国内还无法自主生产或技术上无法得到质的飞跃，多年来原地踏步。在倒车雷达等辅助倒车系统装置领域，之所以德国和日本等发达国家处于领先位置，是因为他们在半导体和微电子领域相较于我国具有很大的技术领先地位，这也导致了在汽车信息技术研究领域遥遥领先于我国。这些国家在车载电子设备方面的智能化程度也是非常成熟了。随着世界汽车工业的快速发展，在倒车系统的研
19、发领域，国外早就有了停车导航系统。其中，导航雷达探测器可以通过路线探测停车位并向驾驶员发送信号，驾驶员可以通过结合车库的检测器显示装置很快找到停车位的位置。停车时，导航系统将会自动从头到尾精确感知车的位置和角度，并通过显示屏显示。丰田汽车公司开发了一种可以准确的自动停车系统。在导航系统锁定了合适的位置之后，驾驶员将车子开过去按照规定停好，再归入倒挡，汽车将自动停进停车位。在这方面国外确实做得很好，而且还在持续发展。1.2 设计的主要任务本文主要论述了以单片机为核心，多电路的协同工作完成倒车辅助系统的模拟实现方法，其中详细介绍了超声波测距系统的工作原理及其实现方法。本课题的研究主要解决的问题是帮
20、助新手或技术不成熟司机的倒车问题，达到从源头上防止倒车事故的发生，保护车主的人身财产安全。以STC89C52单片机为系统的核心，采用了多个电路模块相结合，通过焊接完成各个硬件电路的组合。接着利用相应软件完成各个程序的编写，再将程序烧入单片机，最后完成调试，做到软件与硬件的结合。因为其安全可靠的特点，这个倒车防撞系统对于汽车在安全领域的发展会起到一定的积极作用。34重庆工程学院本科生毕业设计 2 总体设计方案2 总体设计方案基于倒车雷达的汽车倒车系统，顾名思义是一种汽车在倒车的过程中为防止车辆发生碰撞障碍物的智能倒车辅助装置，根据实际情况做出预案。通过单片机的计算，算出汽车与障碍物之间的距离，在
21、到达第一个危险距离时蜂鸣器会发出报警声音，从而提醒驾驶员注意修正方向盘或刹车，在到达极限距离时，系统会对电子刹车做出紧急指示，及时紧急制动，保证汽车不会与障碍物发生碰撞。简而言之，这种汽车倒车系统主要实现的功能有三个：第一、计算出汽车与障碍物之间的距离；第二、当汽车与障碍物之间到达危险距离时发出报警声音；第三、当到达极限距离时控制电子刹车，对车辆进行紧急制动。2.1 设计总体思路概况该设计中使用的单片机是STC89C52系列。信号从单片机的P3.3端口输出到超声波发射电路，其频率为40KHz，结合单片机的定时器功能，为了最大限度的减小测量距离的误差，获得稳定的时钟频率，时钟电路使用了12MHz
22、的高精度晶体振荡器。这种倒车预警系统的原理是利用超声信号从发射装置发射到障碍物，然后反射回接收装置，并由计时器计算时间。然后通过公式及时计算出汽汽车和障碍物之间的距离。在日常生活中，有两种主要的测距方法。一种是将发射装置和接收装置的两端放置在测量距离的两端，然后计算测量距离。这种测量方法比较适合那种固定的装置，用在汽车上显然是不合适的；另一种就是本设计采用的测距方式，利用超声波遇到障碍物后会反射的特点，通过计算得出距离。超声波发射装置的主要使用了电流反向放大器74LS04以及超声波发射传感器。由单片机输出的信号到达发射电路后会分成两路，为了增强超声波的发射强度，单片机输出的间断方波脉冲信号在传
23、输到发射器模块后就会分成两路经过不同程度的放大传输到超声波发射器TCT40的两个引脚上。同时为了提高超声波传感器的阻尼效果，一端接上高电平的电阻R8和R9也分别接到发射器的两端，同时，这也是为了增强超声波传感器输出产生高电平的能力。这样，用两种方式的结合达到了信号的放大，从而保证了信号的正常发射。超声波接收装置使用的是一款现实使用中非常普遍的CX20106A芯片，以该芯片为核心组成超声波接收电路，不仅稳定，而且价格便宜。由于超声波在空气中的传播是一个衰减的过程，尽管发射时有进行放大，但远不能达到传输到单片机计算的要求，所以这就需要将接受到的信号进行放大。而CX20106A芯片就是放大接收信号的
24、核心芯片，CX20106A芯片的内部设置是有多个小电路组成的，它可以将接收信号进行一系列的处理，处理完后，就将信号输入到单片机中请求中断。从此次设计中可以看出用CX20106A来对接收的超声波信号进行处理是非常不错的选择，其优点就是灵敏性高、抗干扰能力较强。超声波测距系统的主要通过主程序读取时间间隔并计算实时距离以及显示。其中定时中断服务子程序完成定时器的初始化和信号的发射，外部中断服务子程序完成时间读取、距离计算和显示预警。首先单片机对系统进行初始化处理，打开全局中断，将显示端口进行清零。然后定时服务中断子程序发射超声波脉冲信号。为了避免直射波的产生，每次发射的时间间隔大约为0.1ms。声波
25、信号在传输过程中在遇到障碍物时会反射回来超声波信号，用外部中断对信号进行接收处理，根据计数器T0中的数值，用单片机进行距离的计算，这样就算出了汽车与障碍物之间的距离，然后将算出的距离在LED上进行显示。这样就实现了超声波测距。在调试系统时，由于我采用的电路模块大多是集成的电路，外围元件会相对较少，因此调试时没有太多的困难。只要焊接电路的走线没有发生失误，只需烧入相关程序，再进行简单的调试，系统就基本能顺畅运作。在电路设计的过程中除了一些集成电路，其他电子元件没有太多的专业上的要求。然后，根据实际倒车距离需要，可以通过按键的调节对最小制动距离进行调节。2.2 测距系统的原理超声技术是通过超声波产
26、生、传播及接收的物理过程过程而完成的2。超声波是一种机械波，其频率范围在20KHz40KHz之间3。它可以在真空、空气、水等介质中以不同的速度传播。超声波的传输的能量比较集中，可将其分为共振式以及脉冲反射式。根据本设计的实际情况，本次设计使用的是脉冲反射式。超声波测距原理就是，用单片机发出的测距信号到测距系统模块，然后触发超声波发射器向前方发射出去超声波信号。在传输过程中，只要遇到障碍物阻碍了信号的传输，那么超声波就会被原路反射回来，直到超声波接收设备检测到回波信号，然后将信号传输到单片机，在这个时间段，过单片机内定时器的计算就可以得出超声波传输的时间，这个时间我们记为t，从而我们就可以计算出
27、汽车尾部距离障碍物的实际距离(S)，即为 S=1/2 （340t） 。在单片机完成系统的初始化工作以后，首先就是触发测距系统工作，这里需要向发射器发出一个10us以上的脉冲触发信号，完成准备工作以后，单片机就会紧接着循环发射出8个40KHz的周期性的脉冲信号，这段时间接收设备保持工作状态，当检测到回波信号，单片机内部会输出一个回响信号，并且这个回响信号的长度是与实际超声波的传输距离是成正比关系的，到此，我们就可以根据公式：所测距离=（高电平持续时间*声速）/ 2，计算出距离。如图2.1为超声波测距系统的时序图。图2.1 超声波测距系统时序图2.3 测距模块的介绍测距模块使用的超声波传感器，是一
28、种将电能量转换为所需频率的超声波能量或者是把超声波能量转换成同频率的电能量的器件，在超声波检测和诊断中都习惯把超声波传感器叫做探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”5。压电传感器是一种受力后产生的压电效应（电敏感材料在受到某一方向力作用时，材料内部偶极子间距发生变化，在压电材料的两表面同时产生异号束缚电荷，出现电势差，当外力撤去后，压电材料恢复原状，成电中性6）的传感器。压电传感器是超声波测试中最常用的电能和声能相互转换的装置。传感器的内部有一个声音和电能相互转换的核心材料，那就是压电晶片。其工作原理是传输回来的超声波信号传输到压电晶片上时，就会会引起压电晶片产生变形，使压电晶
29、片产生振动，就是这样完成了声音到电信号的转换，这个过程就是正压电效应，这里用于超声波的接收。当电信号传输到压电晶片上，就会引起晶片的振动，这个过程是逆压电效应（电能转换为声能），这里我们将这个原理用于超声波信号的发射。在实际的使用中，压电晶片用的是双晶陶瓷晶片。压电陶瓷晶片由于压电效应的作用，当晶片上的交流电压在不同角度上发生变化时，在晶片的大小和方向上的形变范围内产生不同程度的变形。不难知道，外加电压的大小和声波的强度与晶片的形变是呈现正比关系的。压电陶瓷晶片是具有固定的震荡频率的，这个是个可以通过人为设置的。当晶片的中心频率设置某个确定的值时，通过调节可以使超声波传感器具有更高的灵敏度。如
30、果通过改变压电陶瓷晶片上的尺寸，而使用的压电材料保持不变的话，就会非常便捷地根据实际使用情况改变压电陶瓷晶片上的固有谐振频率。正是由于压电陶瓷晶片的这个特性，我们可以制作成各种型号的传感器，从而使其应用范围更加广泛。超声信号传感器的内部结构有压电陶瓷晶片、金属网、金属壳、锥形辐射喇叭等。金属网和金属壳的设计都是为了保护内部装置，金属壳的功能是防止有外力损坏压电陶瓷晶片和锥形辐射喇叭以及其他内部构造。金属网在保护内部构造的同时，还有一个好处就是不会妨碍到超声波信号的正常传输。锥形辐射喇叭用于发射超声波信号，这种喇叭式的设计更有利于能量的集中发射。在本设计中，使用了HC-SR04超声波传感器，它的
31、距离测量的精度可以达到3mm，其正常工作的距离范围在2cm450cm之间。其基本工作原理是从单片机传输过来的触发信号传输到IO端口TRIG，进而传输到发射电路触发信号发射，并发送至少10us的高电平脉冲触发电信号。此时，发射器会每间隔0.1ms自动发送多个40KHz的方波信号，并通过接收电路自动检测有信号返回，在信号返回后，它将通过IO端口ECHO输出高电平信号，进而传输到单片机产生中断，然后计算距离。下图显示了超声波信号传感器模块的物理图。从引脚说明：（1）VCC：输入5V电源接口。（2）TRIG：触发超声波模块开始工作，同时接受从单片机传输过来的发射信号。（3）ECHO：超声波接收装置接收
32、到回波信号后，将从这个端口传输到单片机。（4）GND：接地端口。图2.2 HC-SR04引脚示意图重庆工程学院本科生毕业设计 3 硬件的设计和制作3 硬件的设计和制作本设计中有多个硬件电路，通过以单片机为核心组合到一起。使用的单片机类型为STC89C52，使用的晶体振荡器为12MHz高精度晶体振荡器，这样可以减少测量距离的误差。使用单片机的P3.3端口向信号发射器输入40KHz方波信号。而且单片机还控制着转换模块TCT40-16，超声波信号接收模块中CX20106A芯片和制动模块中的ULN2003芯片的工作运行。3.1 芯片的选取3.1.1 STC89C52单片机这种单片机具有经济实用，结构简
33、单的优点。而且单片机里面有 4K 的存储空间，这就便于编程。单片机是一种集成电路芯片，是一种小而完善的微机系统，它是利用超大规模集成电路技术，将多个具有数据处理能力的功能模块集成在硅芯片中而形成的。其中用到最多的有以下功能模块：中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等，其在工业控制领域广泛应用12。单片机的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。根据本设计系统的实际情况，单片机主要的一些接口的功能有：P3.3端口产生并输出频率为40KHz的脉冲信号；端口生成中断请求；
34、P0.0P0.7端口的功能是显示输出，直接连接数码管显示；P2.0端口连接蜂鸣器报警电路；P2.4P2.7端口连接高级电机模拟制动电路；RST端口是高电位有效的，作为STC89C52单片机复位信号的输入端，如果芯片再次复位，这时只需要把这个引脚的电位调到高电位，STC89C52就可以完成复位的各项工作。STC89C52单片机作为一种高效的微控制器，其外形和引脚的排列如图 3.1 所示。图 3.1 STC89C52单片机STC89C52单片机在许多电子设计中的使用相当广泛，它的优势主要还是使用十分灵活以及成本很低。在本设计中正是由于充分利用了单片机的各项功能，才使本设计的外围电路大大减少，使产品
35、可以精细化，并且大大减小了测量距离的误差，使结果更加准确3.1.2 CX20106A芯片CX20106A芯片在现实生活中地使用还是比较普遍的，很多家用电视和空调遥控器里就是用的这款芯片。其具有抗干扰能力强，灵敏度高等特点。由于红外波的传输频率为38KHz，这与超声波信号的发射频率非常接近，所以用这个芯片作为信号的接收控制器是非常合适的。如图3.2 CX20106A芯片内部电路图。图3.2 CX20106A芯片内部电路图该芯片的主要功能是对接收到的超声波信号先进行放大，再进行滤波。其具有当输入的接收信号通过放大器时会调整信号频率，经过带通滤波会消除一些干扰信号，然后信号经过检波和积分，最后从芯片
36、的输出引脚输出，直接传输到单片机处理。适当调节电容C1的大小，可提高接收电路的灵敏度。用US_R1作为超声波信号的接收入口，当超声波接收头检测到传输回来的40KHz回波信号时，就会将此信号传输到CX20106A芯片电路进行放大和滤波等处理。后将驱动放大的信号发送入单片机的P3.2端口，也就是外部中断INT0口，产生中断，机在得到外部中断0的中断请求后，会转入外部中断0的中断服务程序进行处理1。表3.1 CX20106A芯片的引脚说明IN红外信号输入端接收到的超声波信号从这个端口输入到芯片进行处理C1增益调节端增大外接电阻R1或减小C1，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大C2检测
37、端外接一个电容，检测平均峰值GND外部接地端f0带通滤波器调节端外接一个电阻，通过调整这个电阻的大小就可以调整带通滤波器的中心频率，然后接入电源C3积分端内部接整形器，外接一个330pF的积分电容OUT信号输出端处理之后的信号从这里输出，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降VCC电源端外接5V电源3.1.3 ULN2003芯片ULN2003是一种高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成，其特点是工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关闭状态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行14。ULN2003在这里的作用其实就是用来放大从单片出
38、来的微弱电流的，从而驱动步进电机工作。因为单片机输出引脚输出过来的电流很小，大概只有几毫安，是无法保证步进电机正常工作的，所以这就需要将这个微弱的信号进行放大。其具体工作是，从单片机四个引脚出来的50mA传输到ULN2003，就会被放大十倍，到达500mA，进而就可以驱动步进电机，这样做就可以不用另外外接一个电源，从而也就降低了成本，同时也不妨碍单片机对步进电机的正常控制。如图3.3为ULN2003芯片内部结构图。图3.3 ULN2003芯片内部结构图该芯片内部有7组续流二极管和达林顿管（一种将两个三极管复合成一个三极管的电路）组成的复合电路，每个达林顿管的正极接到单片机引脚，从达林顿管的集电
39、极出来的信号被分成两路，一路直接输出到步进电机，另一路分别接到续流二极管的正极，然后将所有续流二极管的负极连接到一起，接到9脚接上电源实现续流的作用，引脚的综合介绍说明：引脚17：单片机控制信号输入端；引脚9：该引脚接到负载电源的正极；引脚1016：放大电流信号输出端。3.1.4 LED数码管日常生活中常见的LED数码管有七段和八段。在该设计中，使用八段LED数码管。八段和七段数码管的每个部分的结构大致相同，不同之处在于八段在每个数字之间的小数点比七段。数码管是多个LED发光二极管组成的，每个LED二极管由单片机控制。从而显示不同的形状来呈现出数字。常见的数码管分为共阳极和共阴极两种类型。数码
40、管的原理图如图3.4所示，左边为共阴极，右边是共阳极。把数码管中二极管的所有阳极都连接在一起，然后接上接到电源，这就是共阳极数码管。这样若是要哪个二极管发光，只需将对应的二极管的阴极电位拉低，这样二极管就会发光。把数码管中二极管的所有阴极都通过导线连接在一起，然后一起接地，这本次设计所使用到的共阴极数码管，若是要哪个二极管发光，只需将对应的二极管的阳极电位拉高，那同样二极管就会发光。图 3.4 共阴极型和共阳极型原理图3.2 硬件电路的设计整个倒车预警系统的硬件电路在5V电源电路提供电路的情况下，用单片机来控制各个电路的协调工作以及数据的处理也是单片机完成的。通过按键的调节可以控制整个电路系统
41、的工作，启停和最小距离设置都是按键电路完成，开始工作后，单片机通过它的P3.3端口向超声波模块发出测距指令后接收电路作为信号反馈电路；单片机处理反馈数据并相应的输出到显示设备，报警设备，制动设备，以达到测距报警制动的功能。系统装置硬件总体框图如图3.5所示。图3.5 系统装置硬件总体框图从单片机的P3.3口输出的方波信号，在经过三极管的放大后由发射电路发射超声波信号，之所以要将信号进行放大，只为了可以达到超声波换能器所需要的工作条件。再利用单片机的中断控制来检测从超声波信号接收电路接收到的返回超声波信号。然后单片机INT0口的高电平就会改变为低电平，此时超声波信号就被认为返回到了接收端。用计时
42、器算出超声波信号传播所消耗的时间，经过公式的计算我们就能够得到汽车与障碍物之间的距离是多少。为了直观地显示出实时距离，显示电路模块采用的是结构简单的LED数码管组成的显示器。3.2.1 超声波发射电路由单片机的P3.3端口输出一个频率为40KHz的方波信号，然后这个信号经过超声波模块的TRIG端口传输到发射器进行处理。与此同时，单片机的定时器开始计数。信号通过输出引脚输入，在经过驱动器的放大处理之后，就可以通过发射探头发射出去超声波。这种方法充分利用了软件控制，其优点是灵活性好。超声波信号发射电路设计图如图3.6所示。图 3.6 超声波发射装置原理图超声波发射电路主要是由TCT40-16信号发
43、射器和多个反向器组成。 STC89C52单片机输出的中断方波信号分为两种方式，一种方式是将一级反向器传递给TCT40-16的一个电极，另一种方式是将两级反向器传递给TCT40-16另一个电极。利用这样的形式将 P3.3口发出的方波信号输入到 TCT40 的两个电极上，这样可以较大程度上加强超声波信号的发射强度。在加载反向回波信号时使用的是两个74LS04并联在一起，这样可以提高发射器的驱动能力。两个电阻R8、R9一端接到电源正极，一端接到发射器上，这样可以增强超声波信号传感器的阻尼效果，提高了传感器的输出高电平的驱动能力。另外在加载反向回波信号时使用的是两个74LS04并联在一起，这样可以提高
44、发射器的驱动能力。使信号可以正常发射出去，实际测量距离的长度就是看输出电平的强度，强度越高可测距离就越长。3.2.2 超声波接收电路超声信号接收电路主要由接收探头（US-R1）接收传输回来的信号，然后传输到CX20106A芯片进行处理，上面已有介绍，经过波形转换电路和信号放大电路的处理，根据超声波测距的原理，此时需要将回波信号传输回来的时刻马上传到单片机进行处理计算。这里从超声波模块的ECHO引脚传输到单片机。这个模块的核心是CX20106A芯片，这里根据输出的超声波信号的特点，可用于超声波信号的接收。如图3.7为超声波接收装置原理图。图 3.7 超声波接收装置原理图3.2.3 显示电路的设计
45、LED显示器主要有两种驱动模式，一种是静态显示驱动器，另一种是动态显示驱动器。这里说到的静态显示驱动器，就是给LED灯输入恒定的电流，也就是说，每个LED显示引脚都需要占用一个单独的锁存I/O接口。单片机只需要将要显示的部分发送到接口电路并保持不变。如果要显示新的距离数字，则发送新的段代码。所以，可以使用这种方法将单片机里的CPU消耗减小，但是这样驱动的方法需要有寄存器和编译码这些硬件设备。如果需要增加显示的位数，那么就需要引脚和连线也相应增加,与此同时，成本也会增加。动态显示驱动器是打开脉冲电流驱动LED发光。考虑到各方面的因素我为这种设计选择了动态驱动显示器。显示屏显示测量距离。它是一个4
46、位共阴极LED数码管。它在成本方面非常便宜，而且非常简单实用。位代码由四个PNP晶体管驱动。显示电路设计图如图3.8显示电路设计图所示。图3.8 显示电路设计图3.2.4 报警电路的设计报警部分的设计，主要用到了一个蜂鸣器进行报警，利用单片机控制输出一个稳定的可靠频率信号。信号在经过三极管的放大，从而可以增强信号的驱动能力。然后将放大后的信号再连接到蜂鸣器。报警装置的设计图如图3.9所示。 图3.9 报警装置设计图3.2.5 制动电路的设计紧急制动电路的设计主要用到的芯片是ULN2003，总的来说就是以ULN2003芯片为中间放大转换器，将单片机的控制信号与步进电机连接到一起，一个简单的功能实现电路。这个芯片是一种大电流驱动阵列，多用于单片机、PLC、智能仪表等控制电路中,可直接驱动继电器等负