基于单片机的倒车雷达的系统设计.docx

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基于单片机的倒车雷达的系统设计

毕业设计（论文）

基于单片机的倒车雷达系统设计

系别

自动化工程系

专业

自动化工程

班级学号

*******

姓名

**

指导教师

**

2011年6月10日

基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计

摘要

目前，随着人民生活的富裕以及政府汽车下乡等相关政策扶持，中国居民购买汽车的数量急剧增加，交通面临极大压力，车主由于实时路况有时不得不倒车改道另行，另一方面，泊车位的缺少让车主必须将车停靠在一些特殊路段。

如果后视能力不足，容易引起追尾等交通事故。

因此，提高车主的后视能力，研制汽车尾部探测障碍物的倒车雷达是必要的，也是发展趋势。

本文利用超声波近距离无接触测距的原理，设计了以AT89S52单片机为核心的倒车雷达系统。

该系统由超声波发射模块、单片机处理模块、超声波接收模块、数码显示以及声光报警等模块组成。

本文详细介绍了各模块的组成和原理，以及系统工作过程、硬件组成和软件调试。

本文共分为五部分，第一部分介绍了设计背景，第二部分是总体设计方案，接下来的三个部分分别对硬件和软件部分进行了详细介绍，最后一部分对毕业设计工作做了一个总结并提出进一步的工作。

关键词：

AT89S52，超声波测距，倒车

DesignofUltrasonicVehicleReversingSystembasedonMCU

Author：

GuoPeng

Tutor：

CaiLing

Abstract

Inrecentyears，asthepeople'slifeandthegovernment'sCarSubsidyProgramforRuralAreasandsoonrelatedpolicysupport，thenumbersofChinesecitizensbuyingcarssharplyincreased.Thetrafficfacegreatpressure.Becauseofreal-timetraffic，sometimesownersofcarshavetoreversethecartochangetheirpath.What’smore，theabsenceoftheparkingplacemakestheownersparkthecarinsomespecialsections.Ifthecarshaveinsufficientcapacityofbackvision，it”llcauseonsuchfundationoftrafficaccidentseasily.Thus，improvingtheowner'sabilityofbackvision，developingthesystemofreversingradardetectingobstaclesisnecessaryanddevelopmenttendency.

Thisarticleisbasedontheprincipleofultrasonicdetectingobstaclesnearbywithouttouching，designingthereversingradarsystemsbasedonAT89S52singlechip.Thissystemconsistsofultrasonicemitingmodule，SCMprocessingmodule，thesignalreceivingmodule，digitaldisplayandtheacousto-opticalarmetcmodule.Thispapermainlyintroducesthecompositionandprincipleofeachmoduleinthesystem，andworkingprocess，thehardwarecompositionandsoftwaredebugging.

Thispaperisdividedintofiveparts，thefirstpartintroducesthebackgroundofdesigning，the2ndpartistheoveralldesigningscheme，thenextthreepartsmakeadetailedintroductionofhardwareandsoftware，thelastpartoftheworkmakesasummaryandputsforwardfurtherwork.

KeyWords:

AT89S52，ultrasonicdetecting，reverse

1绪论

1.1倒车雷达的研究背景及意义

倒车雷达是一种辅助车主泊车或者倒车的装置，当车主将档位挂入倒档，启动倒车雷达系统时，它能通过发射和接收超声波来探测周围障碍物的情况，并以声音或者影像告知车主，帮助车主了解汽车尾部倒车情况，解除车主视角死角，提高驾驶的安全性，其利用的原理是超声波非接触测距技术。

众所周知，关于超声波的研究起于1876年人类首次有效地产生高频声波。

这些年来，随着超声波技术的研究不断深入，再加上其具有高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域获得重要应用，而用于汽车倒车雷达却是近年来的事情，借鉴于一些生物通过自身发出的超声波来捕捉猎物的技能。

利用超声波作为探测猎物的技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段，也就是生物体发出不被人们所听到的超声波，借助空气媒介传播，由被捕捉的猎物或障碍物反射回来的超声波时间间隔长短判断猎物或障碍物位置的方法。

由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定位发射，方向性好，因而人类采用仿真技能开始利用超声波测距。

汽车倒车防撞测距报警器，是我国八五期间重点开发的重大科研项目之一，也是汽车六大类汽车电子产品中的一种。

其原理就是应用超声波无接触近距离测距，结合声波特性、电子计数和光电显示来实现的非接触式距离测量的方法。

近年来，我国居民拥有的私家车数量成几何式速度增长，与之相对应的交通拥堵和汽车停车位的缺少让车主倒车成为难题。

超声波测距由于其能够进行非接触测量和具有相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。

就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达的发展。

国内倒车雷达主流市场已经开始由高档汽车向中低档汽车发展，技术上向着单芯片功能的灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。

由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。

1.2倒车雷达的发展现状

倒车雷达的快速发展始于20世纪末21世纪初，经过几年的时间，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达大体来说已经经过了三代的技术改良：

第一代声音提醒：

通过喇叭发音“倒车，请注意”！

简单的以声音告知车辆附近的人群注意车辆位置，避免碰撞，对于辅助车主倒车没有实际意义。

接着是轰鸣器，这是倒车雷达系统的真正开始。

倒车时，如果车后1.8米~1.5米处有障碍物，轰鸣器就会开始工作，发出声响提示车主车后有障碍物。

第二代影像显示：

数码波段显示这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：

绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有0.8米以上;黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6~0.8米;红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到0.6米的距离，你必须停止倒车。

接着是液晶荧屏显示。

荧屏显示开始出现动态显示系统。

车主不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。

第三代综合性和人性化倒车雷达：

从综合性一体化角度厂家将倒车雷达、彩色液晶显示、免提电话和温度显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。

从人性化角度，为便于安装，厂家设计了采用无线连接的倒车雷达，大大简化倒车雷达的安装。

根据相关资料显示，倒车雷达在国内发展前景很好，需求量越来越大。

主要有以下几个现状：

1、汽车销量增加。

中国汽车工业协会公布2009年中国汽车产销统计，中国以300多万辆的优势，首次超越美国，成为世界汽车产销第一大国，中国成为全球主要的汽车消费市场。

2010年中国汽车产销双超1800万，蝉联全球第一。

汽车销量的增加，必将导致倒车雷达需求量的增加。

2、车位少、停车难。

单位和个人拥有车辆的增加使得市区和住宅小区停车位紧张，停车越来越困难，碰撞时有发生。

倒车雷达的使用有助于减少碰撞事件的发生。

3、女性驾驶员增多。

多数女性驾驶员由于个子小或是胆子小，停车时会非常紧张，因此越来越多的女性驾驶员开始喜欢上倒车雷达。

4、城市街道交通拥挤。

随着汽车市场的繁荣，城市街道的行车越来越拥挤。

倒车雷达，尤其是多探头倒车雷达不仅能在倒车、泊车时提供倒车信息，还可以在行驶时提供前后左右的信息，有助于安全行驶。

鉴于以上现状，在中国，倒车雷达的发展有以下几个特点：

1、越来越多的车辆在一出厂时就配备倒车雷达

起初，倒车雷达只是一些高档车的专利，但是近年来，一些新出厂的中低档车型在配置中也增加了倒车雷达。

2、自行安装倒车雷达成为新兴装饰

尽管新出厂的中高档甚至部分低价位的经济型轿车大都开始配置倒车雷达，但是，仍有许多中低档车型出厂时没有配置倒车雷达，而且现行中低档车型加装倒车雷达的市场需求越来越大，于是自行安装倒车雷达就成了一项新型的车辆装饰项目。

目前，在一些经营汽车配件或装饰美容的商家内，甚至汽车经销商处都可安装倒车雷达。

3、品牌众多

目前后装市场上倒车雷达的品牌多达几十种，基本上国产品牌占90%，而进口产品较少，以采用2~4探头的产品居多。

目前国内生产倒车雷达的企业很多，以广东省居多。

由此可见，倒车雷达在国内发展前景很广阔，充满机遇和希望。

1.3论文的主要内容

本文以AT89S52单片机为核心，设计了倒车雷达系统。

本系统实现了对倒车雷达测距及显示报警的要求，通过发射超声波，碰到障碍物返回后，接收超声波，计时往返时间，并计算出距离，显示结果和报警。

整个系统主要由超声波发射模块、超声波接收模块、单片机处理模块和显示报警模块四大模块组成。

超声波发射模块负责发射超声波，超声波接收模块负责接收超声波并将引起的中断信号送到单片机处理模块，单片机处理模块负责超声波发射的启动并计时超声波往返时间，接收中断处理数据算出结果，显示报警模块显示距离，并根据结果报警。

2总体设计方案

单片机发出短暂的40kHz的PWM信号，通过超声波探头发射超声波，并由另一个超声波探头接收障碍物反射回来的超声波，经过锁相环检波电路过滤后，由单片机内部定时器测量超声波在车尾与障碍物之间的往返时间，进而计算出车与障碍物之间的距离，并将结果显示在LED上。

当在探头探测的一定范围内有障碍物时，蜂鸣器提示报警。

2.1超声波测距的相关介绍

2.1.1超声波测距原理

超声波是一种声波，其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。

利用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，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

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=ct/2，式中的c为超声波波速。

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。

超声波是频率高于20kHz的机械波，由于其指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播距离远，抗干扰性强，因而可以用于距离的测量。

在超声波测距系统中，超声波的频率至关重要。

频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。

故在超声波测量中，常使用40kHz的超声波。

目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合短距离测量的方式。

超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。

距离测量系统常用的频率范围为25KHz～300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也比较简单，并在测量精度方面达到要求，同时节能环保高效。

因为超声波在空气中的传播速度大约为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用AT89S52，其晶振为12mHz，当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12mHz晶体作时钟基准的AT89S52单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用AT89S52定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

所以在测量精度上可以达到毫米级，适用于倒车雷达的要求。

下面是本设计中的原理图：

图2.1倒车雷达测距原理框图

超声波发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去;接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度;收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号;记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。

2.1.2超声波测距的实际应用

超声波测距作为一种典型的非接触型测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。

和其他方法相比，比如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

2.2超声波传感器的相关介绍

2.2.1超声波传感器结构

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：

1压电传感器;2磁致伸缩传感器;3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。

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

有的超声波传感器既作发送，也能作接收。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

1、工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

2、工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

3、灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高;反之，灵敏度低。

2.2.2压电陶瓷超声波传感器

图2.2压电陶瓷超声传感器

1、适用范围

家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置;超声测距及汽车倒车防撞装置;液面探测;超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。

2、命名方法

TCF40—18TR1

TC—压电陶瓷超声传感器;F—类别;T—通用性;F—防水性;40—中心频率kHz;18—外径Φ（mm）;TR—使用方式;T—发射;R—接受;TR—收发兼用;1—产品序列号：

1、2、3···

3、产品性能

（1）标称频率（kHz）：

40kHz;

（2）发射声压10V（0dB＝0.02mPa）：

≥95dB;

（3）接收灵敏度40kHz（0dB＝V／ubar）：

≥-65dB;

（4）静电容量1kHz，＜1V（pF）：

1260pF～2340pF;

（5）探测距离（m）：

0.2～3;

（6）－6dB指向角：

60度;

（7）外壳材料：

铝;

（8）外壳颜色：

黑。

2.2.3超声波传感器原理

当电压作用于压电陶瓷时，其就会随电压和频率的变化产生机械变形。

另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。

利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器（所谓叫双压电晶片元件）施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

2.2.4超声波传感器系统构成及工作过程

由超声波发送传感器、超声波接收传感器和电路控制等部分组成。

发送器传感器由发送器与陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收超声波波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。

而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。

控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给超声波接收器。

接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。

因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。

3系统硬件设计

硬件部分主要由单片机系统电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路以及声音和显示报警电路组成。

单片机采用AT89S52实现对CX20106A红外接收芯片和TC/R系列超声波转换模块的控制。

单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停地检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时表示超声波已经返回。

计数器所计的数据就是超声波从发出到回收到所经历的时间，通过换算就可以得到汽车尾部与障碍物之间的距离。

显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三级管8550驱动。

下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。

3.1超声波发射电路

超声波的发射整个过程分为三部分：

产生调制信号、放大调制信号、发送超声波信号：

1、产生调制信号：

脉冲调制信号由单片机产生，经I/O口输出，AT89S52通过控制P1.0端口发送一组频率约40kHz的PWM波，脉冲发射同时把计数器T0打开进行计时，等待回波反射到接收探头。

2、放大调制信号：

由于单片机I/O口输出高电平仅为5V，而为使发射传感器能够工作，发射端工作电压就不低于15V，且工作电压越大，超声波的发射距离也越远，因此，在此电路上加功率放大电路，把调制信号放大。

3、发送超声波信号：

将放大后的调制信号加载于超声波传感器上。

超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，产生电路由超声波探头（又称“超声波换能器”）选用压电式，发射电路利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。

在本设计中，脉冲发射采用软件方式，利用AT89S52的P1.0口发射40kHz的方波信号，经过放大后输出到超声波换能器，产生超声波。

74LS04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间。

本系统将40KHz方波信号分成两路，分别由74LS04经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。

电路图如图3.1所示。

发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40kHz方波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送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R12、R13一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波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图3.1超声波发射电路

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

3.2超声波检测接收电路

3.2.1集成电路CX20106A

集成电路CX20106A是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。

常用的载波频率38kHz与测距的40kHz较为相近，可以利用它来做接收电路。

CX20106A（国内同类产品型号为D20106A）是日本索尼公司生产的在红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路。

它还可广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。

这种IC性能优越，封装形式及体积与许多遥控信号接收器IC相同或相似，故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。

CX20106A可用来完成遥控信号，CX20106A是日本索尼公司生产的红外解调集成电路，采用8脚单列直插式塑料超小型封装，+5V供电，内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、通带摅波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路。

其主要功能是从38kHz红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加以放大和整形，然后再送到微处理器进行处理，以实现遥控操作功能，其具体引脚图如图3.2所示。

图3.2集成电路CX20106A内部结构图

CX20106A的引脚注释：

（1）l脚：

超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

（2）2脚：

该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。

（3）3脚：

该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低;若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐