基于单片机的车用倒车雷达设计.docx

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基于单片机的车用倒车雷达设计

基于AT89C51单片机的车用倒车雷达设计

【摘要】倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，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、倒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，提高驾驶的安全性。

本设计利用ATMEL公司的AT89C51单片机、超声波传感器测距实现超声波倒车雷达。

利用LED和发光二极管表示传感器探测范围内是否有障碍物，当在探测范围内有障碍物时，发光管以一定频率闪烁，闪烁的频率以距离定，距离越近频率越高。

同时蜂鸣器提示报警，探测并指明障碍物距离。

【关键词】倒车雷达，超声波，测距，报警，单片机

【Abstract】Back-draftradaristhesafetyandassistantdeviceswhenparkingorreversingavehicle,itcantelldriverscircsaboutthearoundbarrierwithvoiceoramoreintuitivedisplay,releasethesurroundedvisitpuzzlefromdriverswhenparking,reversingandstartvehicles,andtohelpdriverscleanoffdeadendsandthelimitationofvisionblur,improvethesecurityofdriving.UsingSingleChipAT89C51ofATMELandUltrasonicSensormeasuredistancetoachieveUltrasonicBack-draftRadar.UsingLEDandLBDSensortodetectwhethertherearebarriers,whendetectingbarrierswithinthescope,theLBDwillblinkwithaconfirmfrequency,theblinkfrequencyofLBDisdeterminedbythedistanceofbarrier,thenearerdistanceandthehigherfrequencies.Atthesametime,TheVoiceAlarmwarning,detectingthedistance,anddemonstratethedistanceofbarrier.

【Keywords】Back-draftradar,ultrasonic,measure,warning,microprocessor

第一章引言

随着我国汽车产业的高速发展，尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐渐增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。

汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个典型。

本文所设计的倒车雷达预警系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。

该系统将微型计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可检测汽车倒车，其障碍物与汽车的距离，通过发光二极管闪烁的频率来显示距离，障碍物越近，闪烁的频率越高，并根据障碍物与车尾的距离远近实时发出报警。

1.1课题研究的背景和意义

随着汽车的迅速增加，停车难已经是个不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。

虽然每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区。

倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，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、倒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，提高驾驶的安全性。

倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。

1.2国内外倒车雷达的发展现状

经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的改变。

经过五年的发展，倒车雷达系统已经过了六代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。

第一代倒车喇叭提醒：

“倒车请注意”！

想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。

只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。

从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。

此产品在倒车状态时，语音提示路人小心，但价格便宜，100元左右就能买到，基本属于淘汰产品。

第二代轰鸣器提示：

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。

轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。

此产品没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。

价格在200~400元之间。

第三代数码波段显示 ：

比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。

如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。

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。

 此点评：

第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观，价格在400~1000元左右。

第四代液晶荧屏显示：

这一代产品有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。

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。

此产品实现动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便，价格在800~1500元之间。

不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。

第五代魔幻镜倒车雷达：

结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。

魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染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。

由于其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。

而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配，不过价格稍高，在1000~2000元之间。

第六代新品即将推出，是专门为高档车配置的。

从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。

相信价格超过2000元，不过对于享受尊贵的消费者来说，这套系统值得一试。

可以说倒车雷达在人们的生活中已经有着举足轻重的地位。

在经济上，人们也是可以接受的。

倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，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、倒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，提高驾驶的安全性。

倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。

第二章超声波介绍

2.1什么是超声波

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20Hz-20KHz范围内，而超声波是指频率高于20KHz的机械波。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：

横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。

在工业中应用主要采用纵向振荡。

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。

在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率可用得较高。

在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

常用的超声波传感器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器；二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

下面我们主要介绍压电式超声波传感器[5]。

2.1.1压电式超声波传感器简介

压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号[8]。

超声波发生器内部结构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，便产生超声波（图2.1）。

图2.1超声波发生器

反之，如果两电极间未外加电压，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器了，如图2.2：

图2.2超声波接收器

2.2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特性为例子。

2.2.1频率特性

图2.3超声波传感器的升压能级和灵敏度

图2.3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。

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。

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。

曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，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，并目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具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。

并目最大灵敏度向稍低的频率移动。

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

考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。

2.2.2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，可以把表而上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球而波（子波），这些子波没有一指向性。

但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有一指向性。

图2.4是电路中选用的发射传感器的指向图。

图2.4超声波传感器指向特性及结构

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到80度，课题要求发射传感器的指向角为60度。

2.3超声波传感器的应用

超声在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下凡个原因[7]:

1.具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。

2.在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。

3.超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。

在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。

4.超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。

当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。

适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz及40-45KHz。

这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。

超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

第三章倒车雷达的原理与总体设计

3.1超声波测距原理

测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight），也可以称为回波探测法，如图3.1所示[10]。

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，超声波在介质中传播，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。

根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。

根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。

而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中（20℃）的传播速度为340m/s（实际速度为344m/s这里取整数），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）。

公式如3-1：

（3-1）

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。

限制倒车雷达系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

声波的速度c与温度T有关。

如果环境温度变化显著,则必须考虑温度。

由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表3-1列出了几种不同温度下的声速。

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。

这就是倒车雷达的机理。

表3-1声速c与温度的关系

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速（米/秒）

313

319

325

333

338

344

349

386

3.2倒车雷达的总体设计方案

图3.2倒车雷达系统总框图

该倒车雷达系统的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。

因此初步计划是在室内小范围的测距，限定在2.5米左右量程。

单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波发射器输出；反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示，并进行声光报警[1]。

其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（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出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有参数决定，频带较宽。

为了将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。

电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能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，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。

但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。

因此，工作电压不能超过这个极限值。

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。

电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。

电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表而缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。

发射部分的点脉冲电压很高，但是由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的，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（AT89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

3.3单片机的选择

本系统中所用到的主要芯片有单片机AT89C51、ZLG7289、LF353、LM567、TLP521。

以下就部分芯片的功能与结构做简单介绍。

3.3.1AT89C51的简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含4Kbytes的可反复檫写的只读程序存储器（PERONM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域[3]。

3.3.2AT89C51的主要性能参数

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4K字节可重檫写Flash闪速存储器

·1000次檫写周期

·全静态操作：

0Hz--24MHz

·三级加密程序存储器

·128x8字节内部RAM

·32个可编程I/O口线

·2个16位定时/计数器

·6个中断源

·可编程串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

3.3.3AT89C51的结构

AT89C51的结构如图3.3所示

图3.3AT89C51的结构框图

在本设计中主要利用P0口来驱动ZLG7289芯片，用P1口的P1.0来控制超声波发送间隔，其中P0要求上拉电阻10K，才可以输出到ZLG7289芯片。

利用P3.3，P3.2来作为按键输入和响应超声波接收中断。

利用P3.2口的外部中断0引入中断，中断后送入单片机处理时间和计算工作。

3.4超声波发送和接收元器件选择

元器件的选择尊重一定的原则,必须适合设计要求，本节主要讲述选择元器件的理由，以及元器件性能的对比。

3.4.1超声波发送模块元器件选择

本模块选用硬件来驱动超声波发送器，通过LC震荡电路（其中L=6.8mH，C=2200pF）产生40KHz（计算值为41.17KHz）的共振信号驱动超声波发射探头发射超声波信号[2]。

通过单片机引脚控制TLP521光电耦合开关来控制超声波的发射。

由于用光电耦合开关反应速度快，且还有隔离效果，所以本模块中用了TLP521光电耦合开关。

图3.4p521接线电路

3.4.2超声波接收模块元器件选择

LM567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。

用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。

主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。

如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。

其性能指标有如下特点：

·用外接电阻20比1频率范围

·逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力。

·可调带宽从0%至14%

·宽信号输出与噪声的高抑制

·对假信号抗干扰

·高稳定的中心频率

·中心频率调节从0.01Hz到500kHz

·电源电压5V--15V，推荐使用8V。

图3.5LM567内部结构图

第四章硬件设计

倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统[6]。

它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。

它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、倒车和启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，提高驾驶的安全性。

倒车雷达系统主要有主机和探头两部分组成。

主机电路包括发射电路、接收电路、计数显示电路三部分。

单片机采用AT89C51。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口控制发射和停止输出超声波换能器所需的40KHz的方波信号，利用外中断0口监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3位共阴LED数码管，段码用ZLG7289驱动。

4.1超声波发射模块

超声波发送模块包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用压电式，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。

前者利用软件产生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。

这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流在100mA以上的驱动电路。

第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。

这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。

本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。

40KHz的超声波是利用LC震荡电路振荡产生的。

其振荡频率计算式如公式4-1为：

（4-1）

其中L=6.8mH，C=2200pF，计算得结果约等于40KHz。

其电路设计如图4.1所示：

图4.1超声波发射模块电路图

4.2超声波接收模块

超声波接收模块包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。

超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用发生端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。

由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。

由于是倒车雷达系统所测距离在两米左右所以采用两级放大，用LF353实现。

第一级放大100倍，第二级放大50倍总计放大5000倍，这样不仅放大增益足够大，可以适合小信号的需求，而且信号增益也能够变化，适应信号变化范围大的需求。

放大后的交流信号经LM567锁相环锁定后向CPU发中断申请。

在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并通过计算算出雷达与障碍物的距离。

接收探头将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两极放大后加至LM567。

LM567是带有锁相环的音频译码集成块，LM567内部的压控振荡器的中心频率

，接收电路如图4.2所示。

电容C7决定其锁定带宽。

调节R10在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

图4.2超声波接收模块电路图

选频放大电路的作用是仅允许一定频率的信号通过并放大，而其他频率的信号将被阻断或衰减。

只要把选频放大电路工作的中心频率设定为40KHz，就可以把其他频率的干扰信号清除或衰减，同时把40KHz的回波信号进行放大。

4.3单片机最小系统

本设计主要运用带有ZLG7289的周立功最小系统来控制超声波的发送、接收，以及声光报警系统和距离显示。

本最小系统中包括了数码管显示、光电报警和键盘控制等功能。

图4.3单片机最小系统

最小系统中通过ZLG7289来驱动3个共阴极数码管显示所测的距离与键盘的使用，通过单片机AT89C51的P0.4与P0.5来控制LED发光二极管的亮灭，控制P0.6脚的电平高低来控制蜂鸣器的鸣叫。

键盘通过外部中断1来控制整个倒车雷达系统的工作。

第五章软件设计

5.1软件的设计要求

本系统的设计要求是利用超声波测距原理设计一个车用的倒车雷达。

要求通过设计能够测出并显示车与障碍物之间的距离，并能在距离小于一定的值的时候根据设定的值进行声光报警[12]。

5.2软件设计的总体结构框图

图5.1系统