单片机应用之HCSR04超声波倒车雷达.docx

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单片机应用之HCSR04超声波倒车雷达

摘要

倒车雷达又称为泊车辅助系统，是汽车安全辅助装置，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，解除驾驶员泊车和启动车辆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。

超声波倒车雷达一般有超声波传感器、控制芯片和显示器组成。

现在的市场上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，在控制芯片的控制下，由位于汽车车尾保险杠上的探头发出超声波，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芯片数据处理，判断出障碍物与车之间的距离，由显示器显示距离并发出警告提示音，从而使驾驶者倒车时做到心中有数。

本文介绍一种基于STC89C51单片机的倒车雷达设计。

整个系统由51单片机最小系统、LCD1602液晶、HC-SRO4超声波模块、DS18B20温度传感器、按键模块和蜂鸣器模块组成。

超声波模块不断发送声波，实时回传测量信号给单片机，同时DS18B20模块也实时采集当前车内温度值，并兼顾超声波测距的温度补偿，用于提高测距精度。

LCD液晶用于显示当前超声波测距值、温度值和设定的倒车预警值。

当超声波测量距离小于预警值时，蜂鸣器鸣叫，发出提示音警告；反之，则蜂鸣器关闭。

预警值可通过按键进行设定。

关键词：

倒车雷达超声波温度传感器STC89C51

ABSTRACT

Thereversingradar,alsoknownastheparkingassistsystem,isacarsafetyassistdevicethatcannotifythedriverofobstaclesaroundthedriverbysoundoramoreintuitivedisplay,andrelievethetroublecausedbythedriver’sparkingandstartingthevehicle.Andtohelpthedrivertoeliminatethedefectsofblindspotsandblurredvision,andimprovesafety.

Theultrasonicreversingradargenerallyconsistsofanultrasonicsensor,acontrolchipandadisplay.Mostofthereversingradarsonthemarketnowusetheprincipleofultrasonicdistancemeasurement.Whenreversing,thedriveractivatesthereversingradar.Underthecontrolofthecontrolchip,theprobeontherearbumperofthecaremitsultrasonicwavesandencountersobstacles.Wavesignal:

Afterthesensorreceivestheechosignal,itisprocessedbythecontrolchiptodeterminethedistancebetweentheobstacleandthecar.Thedistanceisdisplayedonthedisplayandawarningsoundisissued,sothatthedriverisawareofitwhenreversing.

ThisarticleintroducesareversingradardesignbasedonSTC89C51microcontroller.Thewholesystemconsistsof51singlechipmicrocomputerminimumsystem,LCD1602liquidcrystal,HC-SRO4ultrasonicmodule,DS18B20temperaturesensor,buttonmoduleandbuzzermodule.

Theultrasonicmodulecontinuouslysendssoundwavesandsendsbackmeasurementsignalstothesingle-chipmicrocomputerinrealtime.Atthesametime,theDS18B20modulealsocollectsthecurrenttemperatureinthevehicleinrealtime,andtakesintoaccountthetemperaturecompensationoftheultrasonicdistancemeasurementtoimprovetheaccuracyofthedistancemeasurement.LCDliquidcrystalisusedtodisplaythecurrentultrasonicdistancemeasurementvalue,temperaturevalueandsetreversewarningvalue.Whentheultrasonicmeasurementdistanceislessthanthepre-warningvalue,thebuzzerwillsoundandawarningtonewillbeissued;otherwise,thebuzzerwillbeturnedoff.Thewarningvaluecanbesetbypressingthebutton.

Keywords:

reversingradar,ultrasonictemperaturesensor,STC89C51

第1章绪论

近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加，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，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故。

增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。

安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。

基于此，本文所设计的倒车雷达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，并根据障碍物与车尾的距离远近实时发出报警。

1.1课题背景与研究意义

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，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故。

增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。

安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。

基于此，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。

1.2倒车雷达的发展过程及现状

自从1886年2月9日卡尔•本茨发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近127年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。

汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。

当今，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，近年来，我国的汽车数量正逐年增加。

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故。

它给人们带来方便快捷的同时，也出现了许多问题。

如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引起的刮伤事件也越来越多，由此引起的纠纷也在不断地增加。

原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。

尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以在一定程度上帮助驾驶员扫除视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性，减少刮、擦事件。

倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。

而倒车事故给车主带来的许多麻烦，例如撞上别人的车、消防水笼头，如果伤及儿童更是不堪设想，有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷达的加装可以解决驾驶人员后顾之忧，大大降低了倒车事故的发生。

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驾驶车辆周围障碍物的情况，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使用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。

倒车雷达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。

通过感应装置发生超声波，然后通过反射回来的超声波判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。

只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。

通常的倒车雷达主要由感应器（探头）、主机、显示设备等三部分组成。

感应器发出和接受超声波信号，并将接受到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。

感应器装在后保险杠上，以角45度辐射，检测目标，能探索到那些低于保险杠而驾驶员从后窗又难以看见的障碍物并报警，如花坛、蹲在车后玩耍的儿童等；显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示驾驶员停车。

根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式。

粘贴式感应器后有1层胶，可直接粘在后保险杠上；钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去；悬挂式感应器主要用于载货车。

根据显示设备种类不同，倒车雷达又可分为数字式、颜色式和蜂鸣式。

数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接有数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。

倒车防撞雷达发展到现在已经历经5代。

第一代的倒车雷达系统是轰鸣器。

倒车时，如果车后1.5米-1.8米处有障碍物，轰鸣器就会开始工作，轰鸣越急，表示车辆离障碍物越近。

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。

第二代倒车雷达可以显示车后障碍物离车的距离。

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米-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，必须停止倒车。

第三代用液晶荧屏显示，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的障碍物的距离。

该雷达动态显示，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。

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。

第四代魔幻镜倒车雷达，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米内的障碍物，并用不同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。

其外型就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。

第五代倒车雷达是专门为高档轿车生产的，它的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。

因为是新品，售价也较高。

倒车雷达的发展实际上已经融入了整车的设计，随着技术的成熟，价格的降低，倒车雷达将会逐渐普及成为标准配置。

第2章系统总体设计

本课题以STC89C51单片机为核心设计一种超声波倒车雷达系统，同时兼顾车内温度测量。

系统由STC89C51控制器、HC-SR04超声波模块、DS18B20温度测量模块、声音报警电路和LCD1602显示电路组成。

汽车行进时，LCD显示车内温度以及设定的倒车预警值；倒车时，启动超声波测距，回传的声波数据经STC89C51单片机处理后显示到LCD上，如果距离小于设定值，报警电路发出鸣叫声，提醒司机注意车距。

同时，DS18B20采集到的温度值也用于超声波测距的温度补偿，来提供测距的精度。

超声波倒车雷达系统框图如下图2.1所示。

图2.1超声波倒车雷达系统框图

第3章硬件设计

3.1STC89C51单片机

STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。

另外STC89X51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

图3-1STC89C51单片机引脚图

单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。

片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、PWM等模块。

（一）STC89C51主要功能、性能参数如下：

（1）内置标准51内核，机器周期：

增强型为6时钟，普通型为12时钟;

（2）工作频率范围：

0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ;

（3）STC89C51对应Flash空间：

4KB;

（4）内部存储器（RAM）：

512B;

（5）定时器\计数器：

3个16位；

（6）通用异步通信口（UART）1个；

（7）中断源:

8个；

（8）有ISP（在系统可编程）\IAP（在应用可编程）,无需专用编程器\仿真器；

（9）通用I\O口：

32\36个；

（10）工作电压：

3.8~5.5V；

（11）外形封装：

40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。

（二）STC89C51单片机的引脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

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。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

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。

（三）STC89C51单片机最小系统：

最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。

电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单且可靠。

用STC89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图3-2所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

图3-2单片机最小系统原理框图

（1）时钟电路

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

内部时钟方式如图3-3所示。

在STC89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1（18）和XTAL2（19）引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

图中电容C6和C7的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30pF，典型值为30pF。

晶振Y1的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，典型值为12MHz和6MHz。

图3-3STC89C51内部时钟电路

（2）复位电路

当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端与电源Vcc接通而实现的。

按键手动复位电路见图3-4。

电容C5取10uF,R5取10kΩ。

图3-4STC89C51复位电路

（3）STC89C51中断技术概述

中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。

这是由片内的中断系统来实现的。

当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。

中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。

图3-5STC89C51中断技术

如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。

采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。

3.2超声波测距模块

3.2.1超声波测距原理

单片机发出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。

（1-1）

式（1-1）中的c为超声波在空气中传播的速度。

超声波测距的原理如图3-6所示（已略）。

由于基于51单片机的超声波倒车雷达设计为作者蒋宇智的原创设计,现已省略以下几个内容:

（1）超声波测距原理介绍；

（2）超声波测距温度补偿算法介绍；

（3）声音报警模块蜂鸣器介绍部分；

（4）主程序设计流程图；

（5）超声波测距步骤及流程图；

（6）系统原理图；

（7）C程序；

（8）仿真电路图；

（9）参考文献

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My扣扣is:

232，7603，104。

我的围脖：

蒋宇智哟。

3.2.2超声波测距实现

大量实验发现频率为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3-7所示。

图3-7超声波通道工作时序图

以上时序图表明单片机IO口只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出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。

需要说明的是，在使用上述方法时，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。

超声波测距的实现过程如下图3-8所示。

图3-8超声波测距实现过程

3.2.3HC-SR04介绍

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm，该模块集成了超声波发射器、接收器与控制电路。

HC-SR04模块实物图如下图3-9所示。

图3-9HC-SR04超声波模块

图中可以看出，HC-SR04集成度高，单片机只需为其预留4个端口，连线简单，极大地节约了IO口资源。

它的4个引脚分别为VCC、GND、TRIG和ECHO。

其中，TRIG触发控制信号输入，ECHO用于回响信号输出。

本设计中，TRIG引脚与STC89C51单片机的P2.5口相连，ECHO与P3.2口相连。

HC-SR04电路如图3-10所示。

图3-10HC-SR04连接图

HC-SR04的电气参数见表2。

表2HC-SR04电气参数信息

电气参数

HC-SR04超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40kHz

最远射程