汽车倒车雷达设计毕业设计成果.docx
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汽车倒车雷达设计毕业设计成果
毕业设计成果
（产品、作品、方案）
设计题目:
汽车倒车雷达设计
二级学院
专业
班级
学号
姓名
指导教师
诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计，是本人在老师的指导下，独立完成所取得的成果。
尽我所知，设计中除特别加以标注的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
本声明的法律结果由本人承担。
学生签名：
指导教师签名：
年月日年月日
1绪论
1.1课题设计的目的和意义
随着汽车的普及，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，进而提醒驾驶人员，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。
1.2国内应用现状
近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。
与同类测距方法相比，超声波测距法具有以下优势：
（1）相对于声波，超声波有定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。
（2）和光学方法相比，超声波的波速较小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境有一定的适应能力。
特别是在海洋勘测具有独特的优点。
（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。
随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。
但就目前技术水平
来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。
超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，目前对超声波的精度要求越来越大。
超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
未来超声波测距技术将朝着更高精度，更大应用范围，更稳定方向发展。
2总体方案
2.1本设计的研究方法
本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。
了解超声波测距的原理的，只有对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。
根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。
对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，从而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。
具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED显示电路。
2.2系统整体方案的设计
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，因而超声波经常用于距离的测量。
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农业生产等自动化的使用要求。
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、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。
目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。
根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。
2.3系统整体方案的论证
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。
超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。
3系统硬件设计
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。
单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。
接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。
图3-1：
系统设计框图
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。
单片机采用AT89S51，系统晶振采用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P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端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位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
3.1AT89S51单片机
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
主要性能参数：
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·4.0－5.5V的工作电压范围
·全静态工作模式：
0Hz－33MHz
·三级程序加密锁
·128×8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
·全双工串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
·中断可从空闲模唤醒系统
·看门狗（WDT）及双数据指针
·掉电标识和快速编程特性
·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）
除此以外AT89S51还提供一个5向量两级中断结构，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2超声波测距的系统及其组成
本系统由单片机AT89S51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图3-1所示。
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。
单片机采用AT89S51。
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P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端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位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.5输入一个低电平脉冲。
单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.5由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。
单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
3.2.1超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由：
AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。
由K1，K2组成测距系统的按键电路。
用于设定超声波测距报警值。
如图3-3。
图3-2：
超声波测距单片机系统
根据前面的研究完成各个电路模板的原理设计并生成PCB图，制作电路板，进行实验调试。
同时，对现有的系统进行测试，
（2）先用万用表复核目测中认为可疑的连接或是接点，检查它们的短路状态是否与设计规定相符。
再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象，如有再仔细检查出并排除。
短路现象一定要在器件安装及加电前检查出。
经过测试，发现现有单片机系统可以有效运行，并且在现有的K1，K2组成测距系统的按键电路下，能够较为有效的运行，说明了系统设计的有效性。
3.2.2超声波发射、接受电路
超声波发射如图3-3，接收电路如图3-4。
超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。
接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。
发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。
由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。
图3-3：
超声波测距发送单元
为了测试现有电路单元的有效性。
电路接通电源后，用手摸一下芯片是否发热，如果发热，立即关掉电源，稍后再进行再次检测；如果没有发热，再测试芯片的VCC端电压是否达到设计要求，接地端是否都接地。
经过测试，其本能够发送5-10米内的外部情况，从而保证了在后续的设计中满足实际的应用需求，保证了每一次的倒车之后的雷达反射效能。
该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。
方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。
每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。
由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。
本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
图3-4：
超声波测距接收单元
由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。
接收电路如图3-4所示。
接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。
每级放大器的放大倍数为70倍。
放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。
这里使用的是IN4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。
该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。
3.3.3显示电路
本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值，如图3-6。
数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
图3-5：
显示单元
显示单元的测试中，对雷达成像以及其具体的数字显示进行测试。
测试结果显示，其本身能够提供较为清晰的数字，可以较为完整的就现有的具体内容进行呈现。
同时，其精确度较高，可以满足后续的倒车实际应用需求。
3.3.4供电电路
本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。
6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经虑波电容C1虑波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。
图3-6：
供电单元电路图
系统通过按键方式测取时间来进行仿真。
由于手动按键测取时间比实际时间大100倍左右，所以仿真程序处理时给时间t除了一个系数即100。
通过给P2.5口一个低电平模拟汽车换入倒档行驶，给P3.2口一个低电平模拟超声波接收电路接收到反射回来的超声波。
由Keil生成的“Hex”文件仿真时导入AT89C51芯片。
结果显示，整个电路本身是一个通路，具有良好的运转效能，符合以及满足后续的实际倒车雷达应用需求。
3.2.5报警输出电路
为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。
方式一：
报警信号由单片机P3.1端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管BG9、继电器JDQ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。
方式二：
报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。
报警输出电路如图3-7。
图3-7：
报警输出电路
通过对5-10米内的物体的测试，整个报警输出电路运行良好。
其对于外部情况的反映良好，而且较为有效的反映外部实际情况，保证了在后续的倒车过程中的有效性，减少了由此所带来的一系列负面影响。
4系统软件设计
4.1主程序设计
超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。
超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。
测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。
当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。
超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5-2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.5脚的电平判断程序。
当检测到P3.5脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。
由于采用单片机采用的是12MHz的晶振，计时器每计一个数就是1μs，当超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式
（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。
设计时取15℃时的声速为340m/s则有：
d=（c×t）/2=172×T0/10000cm其中，T0为计数器T0的计算值。
测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
4.2超声波测距子程序及其流程图
voidwdzh（）
{
TR0=0;
TH1=0x00;
TL1=0x00;
csbint=1;
sx=0;
delay（1700）;
csbfs（）;
csbout=1;
TR1=1;
i=yzsj;
while（i--）
{
}
i=0;
while（csbint）//判断接收回路是否收到超声波的回波
{
i++;
if（i>=3300）
csbint=0;
}
TR1=0;
s=TH1;
s=s*256+TL1;
TR0=1;
csbint=1;
jsz=s*csbc;//计算测量结果
jsz=jsz/2;
}
产生超声波的子程序：
为了方便程序移置及准确产生超声波信号，本测距的超声波产生程序是用汇编语言编写的进退声波产生程序。
产生的超声波个数为
UCSBFSSEGMENTCODE
RSEGUCSBFS
PUBLICCSBFS
CSBFS:
movR6,#8h;超声波发射的完整波形个数：
共计四个
here:
cplp2.7;输出40kHz方波
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
nop
djnzR6,here
RET
END
流程图：
4.3超声波测距流程图
本文主要讲述了倒车雷达，即超声波测距仪的原理和设计方法，设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，并以数字的形式显示测量距离，在距离小于50cm时发出报警。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。
单片机采用AT89S51，采用12
高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机控制超声波发射与接收模块进行信号的发射与接收。
显示电路采用LED数码管进行数字显示。
5倒车雷达电路及工艺的检测方案
5.1电路的检测流程
检测流程如图4-1所示
图5-1电路检测流程
5.2硬件电路检测方法
（1）电源电路检测
因为单片机需要提供直流稳定的5V电源。
因此，本次设计中通过10伏的稳定电压输出，判断整个电源供电是否稳定。
因此我们用完用表调到电压档对经过稳压输出的10伏电压进行检测，测量其是否为10伏。
小结：
通过检测，输出电压正常，能够判断倒车雷达电源电路完好。
（2）单片机最小系统检测
通过示波器检测单片机P1.0端口输出的信号是否为超声波换能器所需的40 KHz方波信号，经过对P1.0端口的检测，该端口的输出信号满足设计要求。
当焊接好显示电路之后，先对硬件一些明显错误进行排查，首先在集成电路器件未插入电路板之前，用万用表仔细检查线路，查看连线是否连接正常，防止电源短路。
检查系统的总线是否存在相互之间短路或于其他信号线的短路，直至线路问题正确无误。
其次对器件进行检查，方法是用面包板逐个检查器件的逻辑状态是否正常，确保器件工作正常。
在上述工作完成后，接通电源，看LED显示的状态，如全亮则表示LED显示正常，否则需要进一步排查错误。
小结：
通过检测晶振两端电压正常，晶振频率正常，则单片机最小系统工作正常
（3）时钟电路检测
时钟电路主要是在系统主板上，它是大规模集成电路赖以工作的基本条件。
它是以晶体振荡器（俗称晶振）为基础，在电路中产生恒定的方波信号。
1）晶振漏电损坏。
可用万用表P×10K挡测量，若其电阻为无穷大，则为正常;若有阻值则为漏电。
2）晶振内部开路。
用万用表测其电阻虽无穷大，但在电路中不能产生振荡脉冲。
小结:
通过对是否漏电，内部开路电阻及晶振频率检测。
如果个数值正常，那么时钟电路工作正常。
（4）超声波电路模块检测
主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。
置位总中断允许位EA。
进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位ec=1时，测量一次，程序设计中，超声波测距频度是4-5次/秒。
测试过程中回响信号输出与单片机相连。
同时，测试过程中采用10V电压，观察整个测试过程中电压是否稳定，是否有异常。
小结：
通过测试，电源电压正常，信号输入输出信号正常。
由此，显示其能够进行正常的运作。
（5）报警电路检测
本次设计主要采用的是方式二，即报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成。
考虑到各个电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY彼此之间是相连的。
因此，在测试过程中观察10伏电压是否发生改变，报警器是否能够正常获得有效的电流经过，其是否可以正常报警。
小结:
通过检测，LED与蜂鸣器和单片机连接输出正常，能够报警，说明报警电路工作正常。
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