科技作品结题报告模板

西华大学“西华杯”学生课外学术科技作品 结题 项目名称： 防止高速行驶的汽车追尾的智能提醒系统 学院名称： 电气信息学院 申报者姓名 （集体名称）： 吴纯伦 曾仕鹏 余翔 吴强 指导老师 ： 李涛 类别： □自然科学类 □哲学社会科学类 ●科技发明制作类 关于《防止高速行驶的汽车追尾的智能提醒系统》课题 结题报告 一、研究背景 1.汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。随着交通运输向高密度发展，电子控制技术进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航方面。 2.汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（如汽车、行人或其他障碍物）的距离与汽车本身的距离近而相对速度太高。为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车与前方物体之间要保持一定的距离。这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。 二、研究内容 本次设计的主要内容是设计一种基于单片机汽车防撞报警系统的硬件电路，主要利用单片机对超声波传感器采集的模拟数据的处理及存储。 设计的基本要求： 1.快速自动报警功能：当超声波传感器检测到汽车后方障碍物与汽车的距离小于安全值时，系统能快速进行声光报警。 2.准确地向终端报警：能够及时并准确地向司机进行报警，快速地实现安全检测。 3.实时检测功能：监测模块能实时采集汽车与后方障碍物距离的变化，将这些数据定时传送给单片机，有利于及时了解当前所处情况是否处于安全环境之下。 三、研究方法 1.3.1发送模块 1：采用压电式超声波换能器。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 方案2：采用反向器74LS04和超声波发射换能器T构成震荡器。这种电路可以提高超声波发射强度，且电路简单，稳定性高。 方案3：单电源乙类互补对称功率放大电路和UCM—40T发射器。利用单电源乙类互补对称功率放大大路驱动发射器[5]。 经论证比较，三种方案差距不大，但鉴于用74LS04电路简单。故选择方案2。 1.3.2接收模块 方案1：采用集成电路CX20106A。它是一款红外线检波接收的专用芯片，考虑到红外常用的载波频率38KHZ与测距的超声波40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接受电路，且电路简单，灵敏度高，还有较强的抗干扰能力。 方案2：采用uA741构成两级放大电路，这是专用运算放大器，高增益，增益带宽积大，抗干扰能力强，可测距离远，精度高[6]。 经论证比较，虽然方案2相对方案1可测的更远，但方案1已可满足项目功能的要求，且方案1电路结构简单，方便调试，故采用方案1。 四、研究过程 前三个月对一些有可行性的方案进行选择以及对选择的电路进行仿真塞选。 中间六个月主要是对一些器件选型以及一些代码的编写。 最后三个月主要是焊接电路板以及调试功能。 五．硬件分析 2 AT89S51单片机与超声波简介 2.1 AT89S51单片机的概述 AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[7]。 AT89S51单片机的引脚结构如图1所示。 图1 AT89S51单片机引脚图 2.2 AT89S51单片机的特点 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，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80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 　　AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes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。 　　此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求[9]。 　　主要特性： 　　· 8031 CPU与MCS-51 兼容 　　· 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 　　· 全静态工作：0Hz-33MHz 　　· 三级程序存储器保密锁定 　　· 128*8位内部RAM 　　· 32条可编程I/O线 　　· 两个16位定时器/计数器 　　· 6个中断源 　　· 可编程串行通道 　　· 低功耗的闲置和掉电模式 　　· 片内振荡器和时钟电路 2.3 超声波简介 超声波具有方向性好、在介质中能量消耗缓慢且速度远小于光速等特点，因而可用于距离测定。超声波测量的思想是从超声波发射到接收到反射回波的时间间隔来计算距离。超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或者超声波探头。它是在超声频率的范围内将交变的电信号转变成声信号的能量转换器件。考虑到实际情况，利用超声波测距时，选用频率为40KHz的超声波。采用异地反射式来测距，即所测距离是声波传输距离的一半。测量发射和接收回波的时间差ΔT,在声速V已知的情况下求出距离S[10]。距离的计算公式如下： S=(V*ΔT)/2 2.4 基于CX20106A超声波测距的调试 CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz较为接近，所以把它用于超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。当超声波接收头接收到40KHz 方波信号时，将会将此信号通过CX20106A 驱动放大送入单片机的外部中断0 口。单片机在得到外部中断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，在移动机器人的避障工作中，可以在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离，比如0.5m。对于距离大于0.5 m 的障碍物，可以不做处理直接跳出中断服务程序。 四 软件设计 3.1超声波系统主流程图 图2主程序流程图 图3 按键中断处理流程图 3.2超声波硬件设计与软件编程 综合考虑，控制模块采用单片机AT89S51控制；发射模块采用反向器74LS04；接收模块采用CX20106A；显示模块采用液晶显示器LED显示；报警模块采用蜂鸣器。 其系统框图如图4所示。 图4超声波系统框图 3.2.1复位电路 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。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（电池电压不足）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。复位电路的设计图如图5所示： 图5 复位电路 3.2.2显示电路 显示电路采用的是共阳极8位数码管，该显示器与驱动电路相连用于控制LED的显示。为使LED显示，只需在S1，S2，S3，S4依次置为低电平信号，再给LED延时一段很小的时间，使数码管分别显示，由于人眼的视觉暂留效应，数码管就像同时显示一样。LED显示电路的电路图如图6所示。 图6 LED显示电路 3.2.3超声波发送与接收模块 （1）主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式，设置总中断允许为EA，显示器接P0口，P2接蜂鸣器。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms秒后（这是测距器会有一个最小可测距的原因），才打开外中断0接受返回的超声波信号。由于采用12MHZ的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接受成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间），按下式计算即可得到被测物体与测距仪之间的距离，设计时取声速为0.0347cm/um,则S=(V*T0)/2(V为声速，T0为声波来回传输的时间)。然后再用超声波脉冲重复测量。 （2）超声波发送子程序和超声波接收中断程序。超声波发送子程序是通过P1.0端口发送4个左右的超声波信号频率约为40KHZ的方波，同时把计数器T0打开并进行计时。超声波测距离主程序利用外部中断0检测返回超声波信号，一旦接受到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断程序后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志子赋值1[12]。超声波发送和接收模块如图7，图8所示。 图7 超声波发送模块 图8 超声波接收模块 3.2.4 报警模块 P2口接蜂鸣器，当小车离障碍物的距离小于80cm时，置P2.0为低电平，蜂鸣器发出报警；当小车距离障碍物的距离大于80 cm时，置P2.0为高电平，蜂鸣器停止报警。当小车距离障碍物的距离50cm时，蜂鸣器放出长报警。报警模块如图9所示。 图9 报警模块 单片机 AT89S51 发送模块 接收模块 LED显示 报警 - 1 -