基于单片机的超声波倒车雷达.docx

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基于单片机的超声波倒车雷达

摘要

本文设计了一款基于AT89C51单片机的倒车雷达，它采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为控制核心，片外结合T/R-40-12小型超声波传感器模块、LCD1602液晶显示器模块、报警模块、晶振电路模块以及复位电路等模块而构成本倒车雷达的硬件系统。

当倒车雷达安装在汽车尾部时，通过系统上的超声波模块来采集使用者距离后方障碍物的距离，然后通过单片机对采集数据进行处理，当距离少于临界距离时，单片机将驱动蜂鸣器进行报警提示司机；当后方无障碍物时，倒车雷达处于待机模式。

经过大量的实验测试，本倒车雷达性能稳定，携带便捷，能够做到随时随地地辅助司机倒车，从而预防事故的发生。

不仅如此，它对单片机以及超声波技术的推广也具有一定的积极作用。

关键词：

倒车雷达，AT89C51，超声波模块

Abstract

ThispaperdesignsareversingradarbasedonAT89C51MCU,whichusesATMELtheAT89C51asthecontrolcore,theexternalbindingT/R-40-12smallultrasonicsensormodule,LCD1602liquidcrystaldisplaymodule,alarmmodule,crystaloscillatorcircuitmoduleandcomplexcircuitmoduleandthecostofreversingradarhardwaresystemstructure.Whenreversingradarisinstalledintherearofthevehicle,thedistanceoftheobstacleisacquiredbytheultrasonicmoduleofthesystem,andthedataisprocessedbythemicrocontroller.Themicrocontrollerwilldrivethebuzzertoalertthedriverwhenthedistanceislessthanthecriticaldistance.Afteralargenumberofexperimentaltests,theperformanceofthereversingradarisstable,easytocarry,canbedoneanytimeandanywheretoassistthedrivertoreverse,soastopreventtheoccurrenceofaccidents.Notonlythat,italsohasacertainpositiveeffectonthepromotionofSCMandultrasonic.

Keywords:

ReversingRadar,AT89C51,UltrasonicModule

一、引言1

（一）课题背景1

（二）国内外发展现状1

（三）本文主要内容2

二、方案选择及元器件介绍3

（一）主控核心选择3

（二）AT89C51单片机介绍3

（三）HC-SR04超声波传感器5

（四）LCD1602液晶显示器介绍6

三、硬件系统设计7

（一）方案设计7

（二）AT89C51单片机最小系统构建7

（三）超声波传感器原理图设计9

（四）LCD1602液晶显示器电路设计10

四、软件系统设计12

（一）软件系统流程图设计12

（二）超声波测距流程设计13

（三）LCD1602显示流程设计14

（四）报警流程图设计15

总结17

致谢18

参考文献19

附录一原理图20

附录二PCB图21

附录三元件列表22

附录四程序23

一、引言

（一）课题背景

随着国民经济的迅速发展以及人们生活质量的大幅提高，私家车几乎进入了大多数家庭，成为了一种平民化交通工具，然而据最近的一份数据显示，由司机不当驾驶或者驾驶技术不合格造成的交通事故越来越多，这侧面反应了如今只通过驾校的学习也不能完全驾驶好汽车。

调查显示目前好多私家车驾驶员越来越多地依赖车上的辅助行车设备进行驾驶，如利用导航仪进行路线导航，从而避免不熟悉路况的情况下顺利到达目的地，又比如通过倒车摄像头来进行倒车，使得倒车入库变得不再那么难。

调查显示，很多驾驶员呼吁车上能够配置更多的行车辅助设备，他们不仅要求辅助设备灵活好用，还要价格低廉，能够被大多数人所接受。

因此本文以基于超声波测距的倒车防撞报警系统为课题，提出以超声波测距为基础，结合其他必要模块设计一款简单实用并且价格低廉的行车辅助系统。

根据文献显示，超声波最早是由斯帕拉捷发现的，他根据蝙蝠能在黑夜中自由快速飞行，经过大量实验后，得出了蝙蝠能够发出一种人耳听不见的声波，通过这种超声波的指引，蝙蝠才得以自由飞翔，由于这种声波的频率大于20khz，超过了人耳听觉的上限，因此被称为超声波，经过后来相关仪器的测量，发现超声波具有很强的能量集中性，不容易发散，因此非常适合测距、测速以及其他一些医疗功能，随着电子技术以及半导体技术的发展，技术人员设计了超声波传感器，这种传感器不但能够发出超声波，同时能够对反射回来的超声波进行接收，这使得超声波传感器被广泛用于自动化场合，如能够自动避障的智能小车，就是基于超声波测距的原理。

通过超声波测距来引导汽车倒车入库同时避免撞墙有很多实用的价值，一是超声波不易发散，测到的距离非常精确和准确，能够有效地辅助司机倒车；二是这种控制系统的报警提示音比较明显，当车位与后方障碍物的距离小于一定距离后，报警器立即发出具有一定频率的“嘀嘀”声，距离越小，“嘀嘀”声的频率越高，从而能在心理上加紧小心；三是这种控制系统不但效果好，其成本也非常地低廉，与目前常用的摄像头倒车仪相比，具有同样的效果。

因此本文以此为课题，不但能够起到推广单片机应用的效果，更能够降低汽车的生产成本。

（二）国内外发展现状

目前国际上对于倒车雷达的研究和开发正处于如火如荼的状态，各种新型的智能汽车正在不断地投入到生产和人们的生活中，为了不失设计的高科技性以及实用性，倒车雷达正朝着多功能以及多传感器化发展，目前国内外对于倒车雷达的研究者主要在于提高倒车雷达的处理速度以及测量结果准确性上，以此来给司机提供更多方位的信息，减少交通事故的发生。

（三）本文主要内容

本课题主要设计了一款基于超声波的倒车雷达设计，将本系统配置在轿车上使用时，倒车途中如后方障碍物与车尾距离小于安全距离时，控制系统立即发出报警信号，提醒司机引起注意，另外报警信号的频率和车位距障碍物的距离有关系，距离越小则蜂鸣器发出的“滴滴滴”报警信号频率越快，频率越快越能引起司机的谨慎和紧张。

设计以AT89C51单片机芯片、时钟电路以及复位电路三个部分组成51单片机最小系统，负责系统的的数据处理、超声波模块的驱动、LCD1602液晶屏驱动以及蜂鸣器报警模块的驱动等。

倒车雷达主要依托于超声波的测距功能，当超声波模块发射出超声波时，在传播过程中如果遇到障碍物，超声波会原路返回并被超声波模块接收到，单片机只需要对超声波从发出到返回的这段时间进行计算，就可通过超声波的速度计算出发射位置距离障碍物的大小。

该过程能实现主要是因为超声波在传播过程具有不易发散的性能，即发射和接收回来的超声波强度大小相等。

AT89C51单片机通过其外部触发中断管脚（P3.2和P3.3）进行超声波发射和接收的时间计算，当AT89C51单片机驱动HC—SR04超声波模块发射超声波时，其发射中断管脚会同时输出一个高电平给51单片机的P3.2中断管脚INT0，在INT0中断时计时器T0被立即启动，开始计时；当超声波返回并被HC—SR04接收到时，其接收中断管脚会同时输出一个脉冲给51单片机的P3.3中断管脚INT1，在INT1中断时立即停止计时器T0的工作，这样51单片机就得到了超声波发射和接收过程所用的时间，由于超声波在空气中的传输速度是340m/s，这样将两者相乘并除以2，就是车尾距障碍物的大小。

为了实现测量数据的显示，本系统选用LCD1602液晶屏作为显示模块，其清晰度高并且成本低的特点非常适合用于本系统。

报警模块主要由蜂鸣器和SI2302型MOS管组成，由于51单片机的最大输出电流很微弱，不能够直接驱动蜂鸣器，因此通过MOS的扩流作用，实现蜂鸣器的驱动，对于本课题的能力要求主要有以下几点。

1、熟练使用AT89C51单片机，掌握其外部中断、定时器寄存器的配置以及51最小系统的设计。

查阅HC—SR04模块的Datasheet，根据官方资料进行其电路模块设计。

2、能够通过Protel绘制电路图和PCB图，会使用Proteus对系统进行仿真。

3、首先查阅AT89C51的官方资料，根据官方提供的资料进行电路设计，并查阅相关的文献资料，通过大量的实验来不断改进。

二、

方案选择及元器件介绍

（一）主控核心选择

方案一：

选择学生群体使用最多的C51单片机作为本系统的主控核心，由于在大学期间对于C51单片机具有较为系统的学习，其内功的结构原理、模块组成以及程序编写，以及掌握了一套较为熟悉的流程，因此能够为本设计的顺利完成奠定夯实的基础。

另外C51单片机内部已经集成了一个容量为4K的加密型FLASH和一个大小为128字节的RAM，足以够本系统的使用，再者C51单片机内部的两个8位定时器在经过简单的寄存器配置后，能够灵活的在本系统中提供精准的定时，为一些需要精准时基的地方提供帮助。

根据C51单片机的资料显示，其P3.2和P3.3两个管脚带有中断功能，如果按键接在这两个管脚上，经过中断服务程序，能够方便的配置程序代码的运行。

虽然目前市面上C51单片机的生产厂家众多，目前使用最多的是美国ATMEL公司生产的AT89C51和中国宏晶公司生产的STC89C51单片机，这两款单片机目前已经占据了C51单片机市场的主要份额，虽然生产厂家不同，然而这些C51单片机都可以相互替代，在使用上几乎没有任何区别，这也是使用C51单片机作为系统核心的另一个优点。

方案二：

选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。

STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。

STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作为内核，这种性能优良的内核结构使得其对数据处理的能力显得非常完善和高速，在一些需要处理大量数据的场合，如高像素液晶屏、MP3等应用将显得非常有优势。

其优势已经无以言表了，然而在学生试验中，其缺点也是不可忽略的，STM32的性能之所以这么强大，要靠用户对其繁多寄存器的熟练配置，然而对于普通学生来说，这将变得捉襟见肘，如果没有相关STM32开发经历的学生，在面对这些寄存器时将无从下手。

综上所述两种常用单片机的优缺点，考虑到自身的学习经历以及知识掌握度，对于51单片机非常熟悉，虽然上文说到其内部没有集成AD转换或者硬件IIC等模块，但是在片外扩展这些模块也非常容易，网上相关的程序和资料相当的多，并不会给设计过程带来极大的阻碍。

考虑到成本方面，上述所说的几种单片机就成本来说只有51单片机的价格最低，并且非常容易买到，这给设计的成功性带来了极大的保障，因此本系统选用51单片机作为主控核心。

（二）AT89C51单片机介绍

所谓的C51单片机或者S51单片机都是采用经典的51内核作为核心的微控制器，经过各个厂家对51内核的扩展，产生了各种C51单片机，比较着名的有美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机和中国台湾宏晶公司推出的STC89C51单片机，本系统采用了AT89C51单片机来作为主控核心，这款C51单片机在内部结构上，非常简洁，在采用51内核的同时，外部扩展了两个8位定时器、一个功能强大的UART模块，同时在P3.2和P3.3两个管脚加入了中断功能，是的这两个管脚比其他普通管脚具有更高的性能，使用起来更加方便；通过数据总线和地址总线的连接，将内核和外部的几个模块进行关联，从而构建了这款C51单片机，下图2-1为AT89C51单片机的内部结构图。

图2-1C51单片机内部结构图

C51单片机是一种FLASH型芯片，即它内部的代码存储器件是FLASH，C51的资料表明其内部的FLASH储存容量为4K字节，这对于大多数的小型系统已经足够使用，当然在一些大型系统中，4K的存储量已经捉襟见肘，必须在外部扩展大容量的代码存储芯片。

AT89C51单片机内部的FLASH具有很高的保密性，也就是烧入进去的代码很难够被破解出来，由于器相对于过去的51产品，加入了熔断丝技术，使得代码一旦被烧录进FLASH，熔丝将立即断开，是的破解变得不可能。

另外C51单片机内部集成了一块具有128字节的RAM，主要负责存储一些高频率使用的数据，128字节对于大多数应用已经足够。

C51单片机在运行速度方面，具有很宽的性能，这主要表现在其处理速度能够完全由其外部的晶振频率决定，在0-24M内，其时钟信号频率可以自由选择，当然高速的时钟信号将带来更高的功耗，因此不同的系统一定要选择合适时钟频率，不能一味的追求高速度性。

本系统的AT8C51单片机选用了40管脚封装的芯片，其管脚定义如下图所示，其中P0至P3的32个管脚是功能各异的GPIO管脚，每个管脚都具有输入输出功能，每组管脚在驱动方面具有差异，其中P1至P3的24个管脚内部都集成了上拉电阻，因此输出电流的能力很高，但是灌电流能力很弱；而P0的8个管脚内部没有集成上拉电阻，所以几乎没有任何输出电流能力，而灌电流能力很强，这为不同的应用创造了可能；其中P3.0和P3.1是两个复用管脚，通过寄存器的配置，它们分别是UART模块的RXD和TXD管脚；而P3.2和P3.3两个管脚具有中断功能，在外部触发信号对该管脚的作用下，系统能够立即进入管脚中断事件

（三）HC-SR04超声波传感器

HC-SR04传感器是一种高度集成的超声波发送与接收模块，通过该模块能够实现高精度的距离测量功能，目前好多单片机系统都采用了HC-SR04模块做距离采集，比如智能小车控制系统、基于超声波的近视预防等系统中。

HC-SR04是一种高度集成的单片机外围电路，它集超声波产生、超声波发送以及超声波接受等于一体，下图为改模块的实物图，两个桶状的模块即是发送端和接收端，模块上面用了白色丝印字母T和R来表示。

HC-SR04共有四个引脚，分别为VCC、Trig、Echo以及GND，VCC和GND很好理解，为该模块的供电管脚，而Trig为发送使能端，即单片机只要产生一个发送脉冲传送给Trig端，HC-SR04模块立即通过T发送端向外发射38KHz的超声波，当超声波在传送过程中遇到障碍物体时（如墙壁或者挡板）会被反射，从而反射的部分超声波信号会被接收端R接收到，此时模块的Echo管脚会立即产生一个脉冲信号，从而表示超声波已经返回，这就是HC-SR04超声波模块的工作过程，在组成测距系统时，单片机可以对给Trig管脚发送脉冲信号和Echo管脚发出脉冲信号的时间差进行测量，从而实现距离的测量，下图2-2为HC-SR04超声波传感器实物图。

图2-2HC-SR04传感器

（四）LCD1602液晶显示器介绍

本系统的显示模块采用的是一种工业级的字符显示型的液晶显示器，它的屏幕大小能够同时显示32个英文字母、数字或者符号，正因为如此所以通常称它为LCD1602液晶显示器。

LCD1602液晶显示器屏幕上由两行共32个液晶点阵组成，每个点内部又由5×7或者5×11的小液晶点阵组成，这种由若干小点阵组成的液晶能够显示一个字母、数字或者符号。

另外需要注意的是，LCD1602的每个液晶之间有一定的间隔，这种间隔的存在使得LCD1602液晶显示器不能显示汉字或者图片，所以LCD1602液晶显示器的驱动相对其他较为复杂的液晶显示器较为简单，也正是由于这种简单性使得LCD1602很受欢迎。

除了LCD1602内部已经定义好的数字、字母或者符号外，用户也可以通过程序对LCD1602内的CGRAM进行编写，来生成自定义的字符,下图2-3为LCD1602液晶显示器。

图2-3LCD1602液晶显示器

LCD1602液晶显示器模块的内部控制芯片是一种型号为HD44780的液晶驱动芯片，另外当前市面上许多流行的液晶都是通过这种型号的液晶驱动芯片来控制的，所以这些液晶显示器的驱动代码大多具有相似的语句，这种相同的控制原理有时能够给用户带来很大的便利性。

三、

硬件系统设计

（一）方案设计

下图3-1为倒车雷达的总体硬件框图设计，共分为四大模块，即51单片机最小系统、超声波模块、显示模块以及报警模块。

51单片机最小系统有AT89C51单片机、晶振电路以及复位电路组成，主要负责整个系统的信号处理、超声波模块的驱动、液晶屏的驱动以及报警模块的驱动，是这个系统的控制核心；超声波模块主要用于向车后的障碍物发送超声波信号，并将被反射回来的超声波进行接收，该模块是实现倒车雷达功能的核心元件；LCD1602是本系统的显示模块，用于显示车辆尾部距离后方障碍物的距离以及系统的其他参数；蜂鸣器报警模块用于发出报警信号，当车辆尾部距离后方障碍物的距离小于安全距离后，报警模块立即发出“滴、滴、滴”报警信号，并且“滴、滴、滴”的频率会随着距离减小而变大，以此来警示驾驶员小心倒车。

图3-1整体系统框图

（二）AT89C51单片机最小系统构建

对于C51单片机最小系统的构建，主要表现在两个方面：

一是晶振电路的设计，二是复位电路的构建；将这两个电路和51单片机进行组合后，51最小系统就完成了，下面将介绍两个电路模块的作用和构建方法。

1.晶振电路设计

晶振电路主要由三个元器件组成：

一个晶振和两个小容量电容。

晶振的主要作用可以用一个非常形象的比喻来说明，其功能就好比心脏对于人体的作用，心脏每搏动一次，就能够将新鲜的血液送至全身。

而晶振也是这样，在周期时间内，晶振输出脉冲信号给单片机，以此来让单片机能够按照时钟信号的指示来完成动作。

而小电容的作用主要是为了能够和晶振配合产生谐振作用，只有产生谐振，晶振才能在其正常的频率下工作，下图3-2为晶振电路的拓扑结构。

图3-2晶振电路设计

2.复位电路设计

给单片机设计复位电路的作用主要是考虑到当系统程序跑飞或者死机时，能够通过人工按键来给系统复位，或者称之为重启，就好比当我们使用的电脑死机时，按下重启按键对电脑重启一样。

C51单片机的复位采用高电平复位，复位方法是在两个机器周期内，将RST管脚保持高电平，这样系统将被立即重启。

因此对于复位电路的设计就可以设计为下图中的结构，当按键未被按下时，由于电容对直流电压的阻断能力，因此电阻两端的电压为0，因此RST管脚为低电平；而当按键被按下时，由于电容两端被短路，因此电阻两端的电压为VCC，RST管脚为高电平，系统将被重启。

图3-3复位电路设计

（三）超声波传感器原理图设计

下图3-4为HC-SR04超声波传感器模块的电路原理图设计，其VCC管脚接+5V直流电源，GND管脚接地，Trig管脚接单片机的P3.3管脚，而Echo管脚接单片机的P3.2管脚，这两个管脚不能随意连接到单片机的任何两个管脚，因为要正常使用HC-SR04模块必须要使用单片机的管脚中断功能，而51单片机中只有P3.2和P3.3两个管脚含有管脚中断能力，即INT0和INT1，另外只需要将其与单片机直接相连即可，外部不需要为IO口配置上拉电阻，因为51单片机的P3口内部集成了10K的上拉电阻，这样大大简化了其外围电路的结构。

当进行超声波测距时，由单片机的P3.2口产生一个40kHz的脉冲信号进行输出，与此同时立即启动51单片机的定时器进行计时。

在40kHz的脉冲信号传送到HC-SR04模块内时与其内部的晶体振荡器发生共振从而通过原理图中的TX发送端对外发出超声波，当超声波在传送过程中遇到障碍物时会立即返回并被RX接收端捕捉到，与此同时Echo管脚立即输出一个终止脉冲给51单片机，51单片机停止其定时器的工作，从而得到计时值，并转换为距离。

图3-4HC-SR04原理图设计

（四）LCD1602液晶显示器电路设计

下图3-5为LCD1602液晶显示器的电路原理图，由于本系统中51单片机不对LCD1602进行判忙，所以也就不存在读取数据的过程，因此LCD1602液晶显示器的DB0~DB7的八个管脚与51单片机的P0管脚直接相连，外部无需配置上拉排阻。

按照LCD1602的管脚使用说明，给其1号管脚直接接地，2号管脚接了+5V直流电压作为LCD1602的供电电源。

LCD1602的RS、RW以及EN三个管脚分别接51单片机的P2.5、P2.6以及P2.7三个管脚，而15和16号管脚分别接+5V直流电压和地，从而将LCD1602的背景灯光打开。

图3-5LCD1602液晶屏电路设计

本系统的报警模块电路选用了有源电磁式蜂鸣器作为发声元件，上文对有源电磁式蜂鸣器已经做过相关介绍，只需要单片机的IO管脚输出高电平给蜂鸣器即可让蜂鸣器发出声音，然而由于51单片机的管脚最大输出电流能力非常的弱不能够直接驱动蜂鸣器发声，所以报警模块配置了蜂鸣器的驱动电路，即由SI2302型MOS管组成了一个结构非常简单但是电流驱动能力非常大的电路，只要51单片机的P2.0管口输出高电平，SI2302将被导通，从而蜂鸣器将有电流流过，其内部的振荡器将得电输出一定频率的信号从而引起振膜的振动发出蜂鸣声；而当51单片机的P2.0口输出低电平时，SI2302将被截止，从而蜂鸣器所在的支路将没有电流流过，蜂鸣器不能发声，这就是报警器工作的原理。

图3-5蜂鸣器驱动电路设计

四、

软件系统设计

（一）软件系统流程图设计

下图4-1为本倒车雷达控制系统的软件流程图设计，上电后系统首先进入初始化阶段，在该阶段单片机、超声波模块以及液晶屏内部的寄存器被清零，为接下来的正常工作做准备。

初始化完成后，系统就进入了正式的工作状态，AT89C51单片机首先驱动HC—SR04超声波模块发射超声波时，其发射中断管脚会同时输出一个高电平给51单片机的P3.2中断管脚INT0，在INT0中断时计时器T0被立即启动，开始计时；当超声波返回并被HC—SR04接收到时，其接收中断管脚会同时输出一个脉冲给51单片机的P3.3中断管脚INT1，在INT1中断时立即停止计时器T0的工作，这样51单片机就得到了超声波发射和接收过程所用的时间，由于超声波在空气中的传输速度是340m/s，这样将两者相乘并除以2，这样就得到了车辆尾部距离后方障碍物的距离大小。

与此同时51单片机驱动液晶屏将距离大小显示出来，供用户查看。

在得到距离大小后，单片机会将此值大小与安全距离值进行比较，当小于安全距离后，单片机立即驱动报警器模块发出报警信号。

图4-1主程序流程图

（二）超声波测距流程设计

下图4-2为HC-SR04超声波测距流程设计，当系统上电后HC-SR04超声波模块经过初始化过程后测距过程进入正常工作阶段。

测距过程开始时，单片机通过内部的精准定时电路产生一串频率稳定的脉冲信号并经过P3.2管脚传送给HC-SR04的Trig管脚，与此同时单片机的定时器开始计时。

HC-SR04内部的晶振在感受到Trig管脚的脉冲信号后出现共振向外发送超声波，当超声波在传送途中遇到障碍物时会被返回，并最终会被HC-SR04的接受器接收到，与此同时单片机的定时器立即停止计时并将计时值换算成和障碍物的距离，这就是超声波测距的一个流程。

图