基于51单片机的倒车监视系统设计

张琪

摘 要：AT89C51单片机是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能微处理器，业内习惯称之为单片机。随着微电子技术的快速发展，AT89C51单片机技术也取得了巨大的技术突破和进步，AT89C51单片机以其高灵活性和价格低廉的特点广泛地应用在诸多行业，为很多嵌入式控制系统的设计提供了一种可行的解决方案。本文将AT89C51单片机技术和超声波测距技术相结合，设计出一种基于51单片机的倒车监视系统。本文主要对该系统的设计原理、系统组成进行了详细阐述，并在此基础上对系统的主要硬件和软件系统进行了设计和仿真检测。

关键词：AT89C51单片机；微电子技术；超声波测距；倒车监视系统

1 绪论

1.1 课题的目的及意义 随着我国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，汽车逐渐走进了越来越多的普通家庭之中。汽车以其快捷性给人们带来了极大的便利，方便了人们的出行，但是在这个过程中也出现了很多日益严重的问题，其中以倒车事故最为突出。有数据显示，大约15%的事故都是汽车倒车视野差造成的。为了使倒车过程更加方便、安全，减少倒车事故的发生率，我们对倒车监视系统进行了深入的研究和设计。基于51单片机的倒车监视系统具有倒车可视化、实时音频提示等功能，在倒车过程中发挥着巨大的作用，对减少倒车事故发生率，保证倒车过程顺利进行有着重要的意义。

1.2 倒车监控系统发展现状 我国的倒车监控系统始于2000年前后，最初只有少数高档车应用，现在已经成为各种品牌汽车的标准配置。我国的倒车监视系统在发展过程中，从最初的蜂鸣器语音报警到如今最先进的全景数显倒车监控系统，经历了六代的技术改良和跨越，未来随着计算机技术和传感器技術的发展，汽车倒车监视系统将会朝着更加小型化、智能化的方向发展。

2 超声波测距技术概述

2.1 超声波测距原理 超声波是一种振动频率大于20000Hz的声波，由于其振动频率很高超过了人耳听觉所能认知的上限，所以人耳不能听到，因此这种声波被称为超声波。由于其频率高，因而超声波具有许多诸如大功率、传播距离远的特点。再者由于它频率很高，波长短，衍射不严重，有着优良的定向传播特性，利用超声波的这种特性，人们制成了超声波传感器。超声波测距的原理是借助超声波频率高、定向性好的优点利用超声波发射器发射超声波，在发射的同时利用单片机的计数器功能开始计时，传播过程中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波的同时单片机计时器停止计时。同时利用计时器记录的时间和超声波在空气中的传播速度通过公式算出发射点到障碍物的距离。

2.2 超声波测距方式 利用超声波在发射点与障碍物之间的传播，根据测量反射波和发射波之间的计时间隔，从而达到测距的目的。

2.2.1 声波幅值检测法。声波幅值检测法是利用接收器接受反射波并对其反射波的波幅进行检测，通过对反射波的幅度大小的检测来判断发射点和障碍物之间的距离。这种检测方法简单廉价，但是检测的精度较低。在使用过程中因其精度低所以使用较少。

2.2.2 相位检测法。相位检测法测距是通过测量连续的调制声波往返距离产生的相位延迟，间接的测定声波在空气中往返于发射点和障碍物之间的飞行时间，从而求出被测距离。这种检测方法最精确，但是受反射波的影响较大，导致测量距离较近。

2.2.3 渡越时间检测法。渡越时间检测法是通过对反射波的返回时延进行检测，并以此为依据判断距离远近。这种检测法不太复杂，测量精度高、测量距离大，应用极其广泛。

3 51单片机概述

3.1 51单片机基本信息 我们将所有的兼容因特尔8031指令系统的单片机总称为51单片机。该类型单片机的原始型号为因特尔8004单片机，随着技术的发展和进步，8004单片机在某些性能指标上取得了突破，广泛地应用在各个行业之中，其中以ATMEL公司的AT89型号单片机为代表型号，它广泛的应用在工业测量控制系统之中。有很多公司为了占据市场份额，因而推出了多种类型的兼容型51系列单片机。虽然51单片机不具备自编程能力，但是其作为一种基础入门型的单片机，应用仍旧极其广泛，本文中基于51单片机的倒车监控系统所涉及的AT89C51型单片机即是带有4K字节FLASH存储器的高性能CMOS 8位微处理器。

3.2 51单片机特性 AT89C51型单片机可以提供很多诸如闪存存储器、内部RAM、I/O 接口标准、定时/计数器、终端结构等功能。同时，AT89C51也可以在0Hz下完成静态逻辑操作，并可以以节电工作模式来工作。在空闲方式下工作时，系统虽然停止了CPU的工作，但是RAM和定时/计数器继续保持工作状态。在掉电模式下工作时，系统可以保存RAM中的内容，但是在下一个硬件复位之前，振荡器和其他所有部件都停止工作。

3.3 51单片机封装形式 图1系列单片机DIP封装图给出了双列直插式封装，DIP封装与MCS-51系列单片机的引脚完全兼容，可以互换使用。CMOS工艺制造的低功耗芯片也采用塑封方型扁平式封装和塑封有引线芯片载体封簇形式，这两种封装采用44个引脚，其中4个引脚不用，其引脚的排列如51系列单片机PQFP和PLCC封装图。

4 基于51单片机的倒车监视系统整体方案设计

4.1 系统功能设计

4.1.1 基于51单片机的倒车监视系统概述。倒车监视器也叫汽车监视器、车载监视器、倒车监视器，每个人的叫法不一样，但是是一样的产品。因目前大部分的公交车，大巴都已经安装了，自从国内多次出现公交车爆炸，公交车交通事故后，更是受到广大用户的喜爱，该系统最初是倒车监视器与车载摄像头，传输线组成，有利于驾驶员在驾驶位置观察上下车情况及倒车过程中尾部画面，广泛应用于各种类型车辆之上。这种系统虽然现在广泛应用，但产品质量参差不齐，行业也缺乏具体的型号标准以供用户选择和参考，导致很多用户安装了这种系统后，未能达到预期设计的效果。基于51单片机的倒车监视系统由装在车尾的摄像头和超声波检测设备把倒车过程中尾部获取的画面，通过传输线把信号送到安装在驾驶位的显示器之中，以图像的方式显示车辆倒车过程中的障碍物情况，并以语音的形式进行提示。这样一来就扩大了驾驶者的倒车视野范围，使驾驶者更好地了解车辆周围的状况，及时地发现车后的障碍物，使倒车过程更加方便、更加安全。

4.1.2 倒车监控系统的功能。①电源输出功能。视频监视器和超声波检测设备工作的电源DC12V，因目前市场上有好些厂家，设计的时候没有考虑这个功能，摄像头电源必须外接电源，造成的影响是摄像头工作时间长了，经常烧坏，由其是车载启动瞬间，最为明显；另一方面，因为线路复杂、烦琐，留下很多隐患，最专业倒车监视器，是摄像头的电源由监视器内部通过电源电路转换，输出DC12V电源，这样电压稳定，纹波系数少，不易造成干扰。AT89C51单片机P3.3端口以一定的周期输出频率为40kHz的矩形脉冲信号，同时通过模拟开关以一定的周期将矩形脉冲信号传输到超声波检测设备。本系统采用数字化显示屏幕和蜂鸣器作为监控、报警装置，其电路如图3所示。超声波检测设备的主要作用是提高传感器脉冲电压幅值、进行声电转换从而增大发射距离，将返回的超声波转化为电信号。其电路集成图如图4所示。②抗震系统功能。由于倒车监视系统安装在不同的汽车载体之上，在运行过程中震动较大，这对倒车监视系統的抗震功能提出了严格的要求，因此在设计过程中倒车系统必须具备系统抗震功能。③数字显示和语音提示功能。当汽车挂倒档倒车时，该系统会自动接通位于车尾的摄像系统和倒车检测设备，将车后状况清晰地显示在驾驶座的液晶显示屏上，准确地把握后方路况。

4.2 系统组成框架 基于AT89C51单片机的倒车监控系统主要由控制模块（以AT89C51为倒车防撞报警系统控制芯片）对系统的整体运行进行控制，发射模块通过发射数字信号和超声波信号对倒车过程中的障碍状况进行了解，并通过接收模块接收发射模块发射的数字信号和超声波信号且通过单片机进行处理和转换。另一方面还存在着显示模块和报警模块，起到显示和报警作用，直接实现基于51单片机的监控系统的监控功能，系统组成框架图见图5。

4.3 硬件系统设计

4.3.1 单片机控制系统设计。基于AT89C51单片的倒车监控系统的控制系统由AT89C51单片机控制，其超声波发射电路可以在AT89C51单片机控制下发射超声波。当单片机接收电路接收到系统的反馈信号时，信号直接输入到单片机系统中进行计算和处理，最后通过单片机的计算程序计算出汽车尾部与障碍物之间的距离，然后将计算处理后的结果输入到系统显示电路，对比系统初设指标的设计要求，通过数字化显示器和音频报警系统显示视频监控实时倒车影像。

4.3.2 发射系统和接收系统设计。基于AT89C51单片机的倒车监控系统的发射系统主要由超声波换能器和反向器74ALS04等组成，其电路图如图6所示。

系统超声波接收模块电路图如图7所示，其结构主要有接收探头、信号放大电路和波形变换电路。

4.4 实物仿真系统 系统设计完成后应通过仿真予以验证，实物仿真系统可以仿真各种模拟电路，支持单片机系统。通过实物仿真系统设计的倒车监控系统可以模拟倒车的整个过程，当汽车和障碍物距离在1米以内时，仿真系统报警电路模块能够发出报警信号，系统达到设计预期的目标。在诸多仿真系统中，由Labcenter公司推出的ISIS系统是一款性能十分出色的实物仿真系统，有着广泛的应用。

5 总结

本文详细的阐述了基于51单片机的倒车监控系统设计的课题研究目的及意义、倒车监控系统的发展现状，并在此基础上对超声波测距原理、51单片机进行了相关研究。同时也对基于51单片机的倒车监控系统的整体方案进行了设计。该系统的预期设计功能基本实现，系统设计较为合理，有较好的市场经济型。此外，本次设计还引入了实物仿真系统，通过实物仿真系统对倒车监控系统进行了仿真和验证，对于发现和解决设计过程中的技术问题有着很大的实际意义。