基于51单片机的倒车雷达设计说明.docx

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基于51单片机的倒车雷达设计说明

课程设计报告

（嵌入式系统设计实践）

学院：

电气工程与自动化学院

题目：

基于51单片机的车倒车雷达设计

专业班级：

自动化131班

学号：

2420132905

学生：

吴亚敏

指导老师：

罗龙

时间：

2015年12月1日

摘要

倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。

本文介绍了以STC89C51RC单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统。

倒车雷达一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。

倒车雷达的提示方式可分为液晶、语言和声音三种；接收方式有无线传输和有线传输等。

本方案采用语音提示的方式，利用STC89C51RC单片机所具备的功能，外接超声波测距模组，即超声波发射模块和超声波接收模块，加上显示模块和语音报警模块，组成一个示例的倒车雷达系统，语音提示报警（0.27m~1.0m）围的障碍物，并通过数码管显示与障碍物之间的距离。

关键词：

倒车雷达；超声波；单片机STC89C51RC

第一章概述

1.1设计目的

伴随着我国汽车行业的高速发展，特别是近几年来，开始进入私家车时代，汽车的数量正在逐步增加，造成交通越来越拥挤。

驾驶员开始越来越担心行车安全，其中倒车最为典型。

同时汽车驾驶员中非职业汽车驾驶员的比例也在逐年增加。

在公路、街道、停车场、车库等拥挤狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事件。

 本系统是将微计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术、单片机技术等相结合，可以检测到汽车倒车时障碍物与车尾的距离，通过液晶显示屏显示距离，并根据实际距离发出报警等级。

驾驶员只要在驾驶室里就能做到心中有数，极大的提高了停车和倒车时的安全和效率。

1.2设计要求

本系统主要由超声波发射、接收电路、单片机处理模块、LED数码显示以及声光报警等部分组成。

设计要求：

1、设计硬件系统；

2、设计软件系统；

3、绘制硬件电路图；

4、进行图像显示提示及声音提示，当距离小于5CM（2.5M）的时候声音提示，小于0.5CM（0.5M）时，急促声音提示。

1.3本设计主要容

本设计是以STC89C51RC单片机为核心，一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统。

利用STC89C51RC单片机所具备的功能，外接超声波测距模组，即超声波发射模块和超声波接收模块，加上显示模块和语音报警模块，组成一个示例的倒车雷达系统，语音提示报警（0.27m~1.5m）围的障碍物，并通过数码管显示与障碍物之间的距离。

设计共分六章，主要容包括：

绪论，倒车雷达的基本工作原理，系统硬件设计，系统软件设计，安装调试及分析，以及对测距仪改进的一些设想。

第二章倒车雷达的基本工作原理

2.1单片机的发展及其应用

单片机又称微控制器，是在一块硅片上集成了各种部件化微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。

单片机体积小、重量轻、具有很强的灵活性而且价格不高，越来越得到广泛的应用。

8051在小中型应用场合很常见，已成为单片机领域的实际标准。

80年代中期，Intel公司将8051核使用权以专利互换或出售形式转给世界许多著名IC制造厂商，如PHILIPS、西门子、AMD、OKI、NEC、Atmel等，这样8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。

90年代，PHILIPS推出支持16位计算的X4系列。

XA系列是16位单片机，又可完全兼容8051的指令系统。

Intel推出的80C51也是与8051在机器代码级兼容，这样保证了8051用户到21世纪技术的领先性。

随着硬件的发展，8051软件工具已有C级编译器及实时多任务操作系统（RIOS），单片机的程序设计更简单、更可靠、实时性更强。

因而8051系列是单片机教学的首选机型。

而有部可擦写RAM的89C51/52是目前我们常用的芯片。

2.2超声波测距原理

（1）认识超声波

超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。

（2）超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

（3）超声波传感器的特性

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器T/R40发射型超声波传感器的特性为例加以说明。

①频率特性

图2-1超声波传感器的升压能级和灵敏度

图2-1是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。

其中，40KHz处为超声波发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。

而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。

其频率特性如图2-2所示。

因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。

图2-2超声发射传感器频率特性

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。

超声发射传感器频率特性如图2-2所示，曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。

因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。

超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。

如果R较小，频率特性变得光滑而且有较宽的带宽，同时灵敏度以随之降低。

并且最大灵敏的向稍低的频率移动。

因此，超声接收传感器应与输入阻抗的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。

考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率f=40KHz，波长λ=0.85cm。

②指向特性

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡器，辐射出一个半球波（子波），这些子波没有指向性。

但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。

超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。

超声传感器的指向角一般为40度到80度，本设计要求传感器的指向角为75度。

图2-3是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。

图2-3超声波传感器指向特性及结构

（4）超声波传感器的应用

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。

超声波诊断的优点是：

对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。

超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的A型方法。

这个方法是利用超声波的反射。

当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。

每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。

过去，许多技术因为无法探测到物体组织部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。

当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。

在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。

（5）超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

假设某环境下超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2。

的设计实现

超声波测距是单片机控制超声波传感器发射出超声波束，遇到障碍后返回，然后接收它的回波，利用发、收过程中产生的时间差，就可以计算出前方物体离超声波传感器的实际距离。

经分析可知：

频率为40KHZ左右的超声波在空气中传播的效率最佳，因此，为了方便处理，发射的超声波被调制成40KHZ左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号，如图2-4所示。

图2-4超声波通道工作时序图

以上时序图表明你只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块部将发出2个40kHz周期电平并检测回波。

一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。

由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

2.3超声波倒车雷达系统工作原理

倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。

由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。

在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。

该设计的应用背景是基于STC89C51RC的超声信号检测的。

因此初步计划实在室小围的测试，限定在1.5米左右。

单片机（STC89C51RC）发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行声光报警。

声波在其传播介质中被定义为纵波。

当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。

假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。

这就是本系统的测量原理。

超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T,然后求出距离S=VT/2，式中的V为超声波波速。

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距仪的机理。

图2-5即为超声波测距的具体流程图。

图2-5超声波测距流程图

倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。

由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。

在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。

系统原理框图

如图2-6所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机STC89C51RC将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、大于0.27m时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。

系统的工作原理框图如图2-6所示：

图2-6系统工作原理框图

2.4本章小结

本章主要学习了单片机的发展及其应用，超声波研究发展及其测距工作原理，超声波倒车雷达系统工作原理，包括国外超声波研究历史及发展现状，超声波测距的基本原理，利用超声波测距的实现，超声波倒车雷达的工作原理，并完成了系统工作原理基本框图。

基本熟悉了超声波倒车雷达所涉及的理论知识，为后面的设计打下了一定基础。

第三章系统硬件设计

3.1单片机系统及显示电路

在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。

目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。

一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面：

（1）单片机的基本性能参数。

例如指令执行速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。

（2）单片机的存储介质。

对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相比较，最好是Flash存储器。

（3）芯片的封装形式。

如DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC有对应插座）封装及表面贴附等。

（4）芯片的功耗。

比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几毫安的电流，选用STC单片机就是因为它能满足低功耗的要求。

（5）供货渠道是否畅通、价格是否低廉。

（6）芯片性能好、单片机的抗干扰性能好。

综合考虑以上因素，选择STC89C55作为本系统的控制部件。

STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）的系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。

STC89C51RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,部集成MAX810专用复位电路。

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。

单片机STC89C51RC的特点：

（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU。

（2）工作电压：

3.4V-5.5V（5V单片机）/2.0V-3.8V（3V单片机）。

（3）工作频率围：

0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz。

（4）用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节。

（5）片上集成512字节RAM。

（6）通用I/O口（27/23个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器。

可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成。

（8）EEPROM功能。

（9）看门狗。

（10）部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）。

（11）时钟源：

外部高精度晶体/时钟，部R/C振荡器。

用户在下载用户程序时，可选择是使用部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。

常温下部R/C振荡器频率为：

5.2MHz～6.8MHz。

精度要求不高时，可选择使用部时钟，因为有温漂，请选4MHz～8MHz。

（12）有2个16位定时器/计数器。

（13）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

（14）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）。

（15）STC89Cc516AD具有ADC功能。

10位精度ADC，共8路。

（16）通用异步串行口（UART）。

（17）SPI同步通信口，主模式/从模式。

（18）工作温度围：

0-75℃/-40-+85℃。

（19）封装：

PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20（超小封装）。

它的超低功耗性能表现在：

（1）掉电模式：

典型功耗<0.1uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。

（2）空闲模式：

典型功耗2mA。

（3）正常工作模式：

典型功耗4mA—7mA。

（4）掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。

单片机STC89C51RC的管脚图如图3-1所示：

图3-1单片机STC89C51RC管脚图

复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。

除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。

在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，本设计复位电路由一个按键、一个10uF电容、一个10k电阻组成，接到单片机的RESET管脚，如图3-2所示。

时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。

时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

单片机采用STC89C51RC系列。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。

本设计振荡电路由两个30pF电容和一个12MHZ的晶振组成时钟电路，接到单片机的XTAL1和XTAL2管脚。

单片机系统及其外围电路如图3-2所示：

图3-2单片机系统及其外围电路

超声波测距仪显示模块电路如图3-3所示。

通过单片机的21、22、23、24四个管脚的信号控制四个三极管的B极，利用三极管的开关特性，实现数码管的点亮，从而实现动态显示。

采用LED动态显示，数据经过芯片的计算后传到LED上，显示精度是厘米。

单片机STC89C51RC采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减少测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，用于显示车尾障碍物的距离，由单片机P0.0—P0.6接LED的a~g七个笔段，单片机的P0.7口接LED的dp段，P2.0~P2.3接四个8550三极管的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。

段码用74LS04驱动，位码用PNP三极管8550驱动。

显示部分电路如图3-3所示：

图3-3显示电路

3.2超声波发射电路

发射电路通常分为调谐式和非调谐式。

在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。

在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带较宽。

将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率40KHz，使其工作在谐振频率，达到最优的特性。

发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。

但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。

通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。

发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。

接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。

最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（STC89C51RC）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

超声波发射电路原理图如下图所示。

图3-4超声波发射电路原理图

发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz方渡信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上拉电阻R10、R11，一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。

目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。

电声型主要有：

压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。

流体动力性中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。

压电超声波转换器的功能：

利用压电晶体谐振工作。

它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。

超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。

发射部分电路硬件接线图如图3-5所示：

图3-5发射部分电路硬件连接图

3.3超声波接收电路

电路采用集成电路CX20106A。

这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与测距超声波频率40kHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。

实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当改变C1的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

R1和C5控制CX20106A部的放大增益，R2控制带通滤波器的中心频率。

一般取R1=4.7Ω，C5=3.3μF。

其余元件按图3-5取值。

超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断INT0上。

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1.0m。

对于距离大于1.0m

使用CX20106A作为超声波接收处理的典型电路。

当CX20106A接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。

使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号