基于超声波测倒车雷达系统设计.docx

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基于超声波测倒车雷达系统设计

摘要

本论文阐述的是基于超声波检测的倒车雷达的设计。

本课题利用超声波检测、单片机系统设计出一种汽车倒车雷达，并能将汽车与障碍物的距离用LED实时显示，同时对特定的距离进行声光报警。

本系统由两部分组成，硬件系统和软件系统。

硬件系统利用超声波发生电路驱动超声波发射探头发射超声波信号，再由超声波接收探头接收经障碍物反射回的超声波信号，并通过接收电路对信号进行调理，再将调理后的信号传入单片机系统，然后单片机系统将信号经过处理送显示，并且在规定的距离进行声光报警。

软件系统用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。

该系统通过联调后，实现了预期各种功能，符合设计要求。

关键词：

倒车雷达超声波传感器单片机LED显示

Abstract

Thispaperintroducesthedesignofcarreversingradarbasedontheultrasonictesting.ThetaskusesultrasonictestingandSingleChipMicyoco（SCM）syetemtodesignakindofcarreversingradar.ThedistancebetweencarandbarriercanbedisplayedonLEDrealtime,andatthesametime,thesoundanglightalarmingcanbegivenatappointeddistance.Thesyetemconsistoftwoparts:

hardwaresystemandsoftwaresystem.Inthehardwaresystem,ultrasonicsoundgeneratingcircuitdrivesemittingprobetosendoutultrasonicsignalandthereceivingprobereceivesultrasonicsignalthatisreflectedfrombarrier.ThereceivedelectricalsignlisconditionedbythereceivingcircuitandputintoSCMsystemafterconditioning,wherethesignalisprocessed,thendisplayed,andthesoundandlightalarmingwillbegivenattheappointeddistance.Assemblelanguageisusedinthesoftwaresystemandmodularizationdesignideaisadopted.Thissystemrealizesalldesiredfunctionsandcoincideswithdemandaftersystemdebugging.

Keywords:

ReversingradarUltrasonicsensorSingleChipMicyocoLEDdisplay

目录

第一章绪言1

第二章总体方案2

第一节模块构建2

第二节超声波测距的原理2

第三节超声波传感器3

第三章系统硬件设计6

第一节系统总体方案设计6

第二节AT89C51单片机简介6

第三节电源电路9

第四节控制电路10

第五节超声波发射和接收电路11

第六节LED显示电路15

第七节报警电路16

第四章系统软件设计18

第一节软件设计要求18

第二节超声波测距仪的算法设计18

第三节主程序18

第四节超声波发送、接收中断程序19

第五节显示程序、报警程序20

结论22

致谢23

参考文献24

第一章绪言

随着社会的进步和生活的需求，越来越多的家庭拥有了汽车。

交通拥挤状况也随之出现，撞车事件也是经常发生，人们在享受汽车带来的乐趣和方便的同时，更加注重的是汽车的安全性，许多“追尾”事故都与车距有着密切的关系。

为了解决这个安全问题，设计一种汽车测距防撞报警系统势在必行。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声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。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。

所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，应用在汽车停车的前后左右防撞的近距离测量，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性—折射，反射，干涉，衍射，散射。

超声波测距是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用LED显示出来，当到达一定距离时，系统能发出报警声，从而提醒驾驶人员，起到安全的左右。

通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。

该设计可广泛应用在生活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在LED数码管上。

第二章总体方案

第一节模块构建

按照系统设计要求，超声波倒车测距仪由硬件和软件两部分组成，系统设计采用模块化思想。

系统硬件结构分为三个主要部分：

测距部分、控制部分和显示报警部分。

软件部分按不同功能模块分别进行编程，便于调试和移植。

整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图2.1所示。

图2.1倒车测距仪系统结构原理图

该设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的，因此单片机选择为AT89C51单片机（AT89C51）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。

第二节超声波测距的原理

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

假设超声波在空气中的传播速度为

，根据计时器记录的时间

，发射点距障碍物的距离

，如图2.2所示:

图2.2超声波测距原理

图2.2中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用

表示，由图可得：

（1）

（2）

将式

（2）带入式

（1）得：

（3）

在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：

（4）

式中：

为超声波的传播速度，

为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。

将式（4）带入式（3）可得：

（5）

当被测距离H远远大于M时，式（5）变为：

（6）

这就是所谓的时间差测距法。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离[2]。

由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。

经分析和大量实验表明，频率为40

左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。

第三节超声波传感器

一、超声波传感器的原理及结构

超声波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。

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”活“笛”。

压电式传感器属于超声传感器中电声型的一种。

探头有压电晶片、契块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器，是超声波检测装置的重要组成部分。

压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。

属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。

其具有下列的特性：

把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。

所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。

因此，用这种材料可以制成超声传感器[5]。

传感器的主要组成部分是压电晶片。

当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。

当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。

前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。

超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。

这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。

在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。

也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。

如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器内部结构如图2.4所示。

图2.3压电式超声波传感器结构图

它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，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，并带动共振板的振动，便产生超声波。

反之，如果两级间为外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。

发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。

这样，超声传感器才有较高的灵敏度。

当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。

利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。

金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

第三章系统硬件设计

第一节系统总体方案设计

本系统基于超声波反射原理利用单片机控制器产生40Khz的方波信号，通过发送模块对方波信号进行功率放大，驱动超声波探头，发射40K超声波。

超声波信号在空气中传播至障碍物后发生反射，反射回波经空气传播给超声波接收换能器并转换成电信号，经接收模块滤波、放大、整形后，输入到微控制器的外部中断口，产生中断，通过相应的公式计算出距离，然后将距离值通过LED显示出来。

为了减少不同环境下，系统都能达到测量精度的要求，需要对测量数据进行温度补偿，而本系统采用数字化温度传感器DS18B20进行温度取样，用算法对数据进行温度补偿。

如图3.1所示为系统总体框图。

图3.1系统总体框图

第二节AT89C51单片机简介

单片机是本系统的核心元件，它负责各个模块的协调工作，记录超声波发送到遇障碍物后反射回来的时间差，并将这个时间差转化为距离，然后通过LED显示模块把距离显示出来。

AT89C51是一种带4KB字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机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。

（1）主要特性：

与MCS-51兼容

4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

全静态工作：

0Hz-24Hz

三级程序存储器锁定

128*8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5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）AT89C51引脚如图3.2

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

图3.2AT89C51引脚图

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（3）振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

（4）芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

第三节电源电路

在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要，直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。

其电路图图3.3所示。

其中，变压器将交流电源（220V/50Hz）变换为符合整流电路所需要的交流电压；整流电路是具有单方向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单方向脉动的直流电压；滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部分，保留直流成分，尽可能供给负载平滑的直流电压；稳压电路是一种自动调节电路，在交流电源电压波动或负载变化时，通过此电路使直流输出电压稳定[7]。

图3.3电源电路

220V交流电通过电源变压器变换成交流低压电源，再经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容的整理和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压。

此直流电压经过LM7805的稳压和电容滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直接输出电压。

如3.3所示的电路为输出电压为+5V、输出的电流1.5A的稳压电源。

它由电源变压器，桥式整流电路D1~D4，滤波电容C4、C5，防止自激电容C10、C11和一只固定式三端稳压器（7805）组成。

第四节控制电路

主控制器主要由单片机AT89C51、振荡器和复位电路三部分组成，它是单片机工作的必要组成部分，又称为单片机最小系统。

其中XTAL1和XTAL2外接一个晶体振荡器，采用12MHZ的晶振以获得稳定的时钟频率，减小误差。

RST外接一个复位电路，晶体振荡电路为单片机提供时钟控制信号。

复位电路采用上电复位方式。

电路图如图3.4所示。

图3.4控制电路

第五节超声波发射和接收电路

一、超声波发射部分

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，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。

第二种方法是利用超声波专业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需驱动电路，但缺点是灵活性低。

本设计采用第一种方法产生超声波发射信号。

利用AT89C51的P1.0口发射40kHz的方波信号后经过74LS04三级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，而相对于LSTTL逻辑IC，它的功耗减少很多。

对于HC类型，其工作电压为2～6V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS逻辑输入等特点。

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。

发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，如图3.7所示。

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波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图3.5超声波发射电路

二、超声波接收电路

超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果不好甚至不能接收。

由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。

本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。

CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理，该芯片内部如下图3.6所示：

图3.6CX20106内部结构

前置放大器：

它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很大的变化。

为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。

通过反馈将放大器设定于适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。

限度放大器：

当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可消除寄生调幅干扰。

宽频带滤波器：

其频率范围为30Hz~60Hz，其中心频率可调。

检测器：

将返回的超声波的包络解调回来。

积分滤波器与整形电路：

检测器输出的信号经积分滤波器送到整形电路，输出较好的矩形波。

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。

X20106构成本次设计接收电路如下图3.7：

图3.7超声波接收电路

使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。

其总放大增益80db。

以下是CX20106A的引脚注释[10]。

1脚：

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：

该脚与地之间连接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R18或减小C12,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C12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R18=4.7Ω，C12=10μF。

3脚：

该脚与地之间连接检波电容，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，推荐参数为10μf。

4脚：

接地端。

5脚：

该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚：

该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为200kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8脚：

电源正极，4.5～5V。

第六节LED显示电路

图3.8LED显示电路

超声波测距仪显示控制模块电路如图3.10所示。

通过单片机的25、26、27、28四个管脚的信号控制四位三极管的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PIC芯片的计算后传到LED上，显示精度是厘米。

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，用于显示障碍物的距离，由单片机P0.0—P0.6接LED的a~g七个笔段，P2.4