单片机课程设计倒车雷达.docx

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单片机课程设计倒车雷达

1、绪论———————————————————————————————1

1.1论文研究的背景意义——————————————————————1

1.2国内外发展现状————————————————————————1

2、单片机超声波测距系统构想—————————————————————3

2.1系统总体方案工作原理—————————————————————3

2.2系统主要参数考虑———————————————————————4

2.2.1传感器的指向角θ————————————————————4

2.2.2测距仪的工作频率————————————————————4

2.2.3声速——————————————————————————5

2.2.4发射脉冲宽度——————————————————————5

2.2.5测量盲区————————————————————————5

3、硬件设计—————————————————————————————7

3.1发射与接收电路的设计方案———————————————————7

3.2选频电路———————————————————————————9

3.3显示报警电路—————————————————————————11

3.3.1LED显示原理——————————————————————11

3.3.2系统显示电路设计————————————————————12

3.3.3报警电路————————————————————————13

3.4单片机复位电路————————————————————————14

3.5时钟电路———————————————————————————15

3.6稳压电源———————————————————————————15

3.7单片机硬件——————————————————————————16

3.7.1单片机 AT89C51—————————————————————16

3.7.28155芯片介绍——————————————————————18

3.7.3探头UCM介绍——————————————————————18

3.7.4反相驱动器74LS244介绍—————————————————19

3.7.5反相驱动器74LS06————————————————————20

3.7.6运算放大器———————————————————————21

4、软件设计—————————————————————————————22

4.1主程序————————————————————————————22

4.2显示子程序和蜂鸣报警子程序——————————————————25

5、结论———————————————————————————————28

6、致谢———————————————————————————————29

7、参考文献—————————————————————————————30

8、附录———————————————————————————————31

汽车倒车防撞装置的设计

摘要

本文主要介绍了一种利用超声波测距技术的汽车倒车防撞装置，设计了超声波发射电路来产生40kHZ的超声波脉冲信号，并通过超声波接收电路接收回波信号，通过放大、鉴幅、检波电路对所接收的信号进行鉴别。

主机采用AT89C51单片机，完成对超声波反射信号的识别、往返时间的计算及距离测量。

报警显示电路，当车距小于所设置的安全车距时，启动报警，提示司机进行安全操作。

本文对汽车倒车防撞装置的硬件和软件的设计、参数的计算、以及器件的选用等做了详细介绍。

关键字：

超声波温度传感器单片机检波

Abstract

Thisarticlemainlyintroducedautomobileback-draftanti-collisionsystemthatusingultrasonicrangingtechnology.Theultrasonicwavetransmissioncircuitproducesthe40kHZultrasonicwavepulsesignal.Thereceptioncircuitreceivesechosignal.Theechosignalisdifferentiatedthroughtheenlarginganddetectingcircuit.ThesystemusesAT89C51singlechipcomputerasthecenter,whichcanrecognizetheultrasonicwavereflectionsignalandcomputestheround-triptimeandthedistance.Thefunctionofthealarmanddisplaycircuitisthat,whenthedistancebetweenvehicleswassmallerthanthesecuritydistance,whichhasbeenestablishedbyprogram.Thealarmcircuitremindsthedriverofcarryingonthesafeoperation.Thearticlemakesthedetailedintroductionoftheautomobileback-draftanti-collisionsystem’shardwareandthesoftwaredesign,theparametercomputation,aswellasthecomponentselectedandsoon.

Keywords:

Ultrasonicwave,Temperaturesensor,Single-chipcomputer,Detection

1、绪论

1.1论文研究的背景意义

随着汽车大量增加，路上车流不息，使道路交通事故逐年大幅度增加，造成大量人员伤亡和财产损失。

交通事故的主要原因包括超速行使、占道行使、酒后驾驶、疲劳驾驶等。

而碰撞是交通事故的主要表现形式，其中大部分是车与车碰撞和人与车碰撞。

可以肯定，随着我国汽车保有量和生产量的快速增长，高速公路和高等级公路里程的快速延伸，如果不加大汽车交通安全控制，交通安全事故会大量增加，造成更多的伤亡和经济损失。

专家对汽车交通事故的分析结果表明，在所发生的交通事故中，有80%是由于驾驶员反应不及时、处置不当造成的。

其中有65%的事故属汽车追尾碰撞造成，其余则属于侧面碰撞、擦挂所致。

因此，德国奔驰公司的专家们在对各类交通事故进行系统研究分析后得出：

若驾驶员能在事故发生前提早1秒钟意识到会有交通事故发生，并采取了相应的正确措施，则绝大多数事故都可能避免。

汽车防撞预警系统对提高汽车行驶安全性十分重要。

从1971年开始，国内外相继出现了超声波、雷达、激光、机器视觉、红外以及交互式等防撞预警系统的研究或者产品。

本文将对超声波防撞预警系统的原理、特点等方面进行分析，并提出汽车防撞预警系统的发展方向。

目前，超声波测距技术一般应用于汽车倒车避撞方面。

本文主要介绍一种利用超声波测距的汽车倒车防撞装置，本设计可以自动连续测量行驶车辆后方障碍物（车辆，行人或其他物体）的距离，如果后方障碍物的距离太近，装置可发出报警声，提醒驾驶员采取措施，进一步的开发还可以完成自动减速刹车的作用。

本设计可以辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危险情况下提醒驾驶员注意谨慎驾驶，防止汽车倒车相撞事故的发生。

1.2国内外发展现状

从二十世纪八十年代起，国内外著名大学、研究机构以及汽车生产厂家就积极地研究汽车防撞预警系统，各个运输公司和保险公司也非常关心如何减少交通事故的发生，其原因有以下几点：

①据统计，全球每年都有约120万人死于交通事故，汽车事故的增加不仅带来了经济损失，还给城市交通带来了不必要的堵塞，给家庭带来许多创伤，使人们的生活受到负面影响，这日益成为人们关心的社会问题；②研究表明，早1s报警会减少50%～90%追尾事故；③安全一直是汽车市场的焦点，调查表明，大部分用户认为最重要考虑的问题是汽车的安全性；④系统的市场前景很大。

通过对现有的各种汽车防撞预警系统的特点、性能进行分析，我们发现，超声波、雷达、激光有以下的固有缺陷：

①在汽车一方出现多目标时，不能很好的辨识出最危险的目标，导致误报；②在道路弯道处不能很好检测到危险目标，受公路上栏杆影响，也导致误报和漏报；③雷达和激光都能测出上几公里的距离，但是在200m以下效果不好、成本高、大题小做，并且它们系统复杂、体积庞大、造价昂贵；④激光的视觉角度几乎为0，方向性强；⑤机器视觉的防撞预警系统的技术要求和硬件要求高，受气候影响；⑥红外防撞预警系统相对来说是最好的，可以全天候使用，抗干扰能力强，但是系统的技术要求和硬件要求也高；⑦交互式智能化防撞预警系统在交通信息化上有一定的促进作用，但是要广泛应用和汽车配套使用都需要漫长的过程。

电子技术的发展将带动防撞预警系统的发展。

为了使防撞预警系统克服上面各个系统的缺陷，应该从以下几个方面去做：

①提高抗干扰能力，减少误报；②增加视觉角度，提高监控范围；③增强稳定性，减少误报、漏报；④增加驾驶员和汽车检测，因为碰撞事故中驾驶员的疲劳驾驶和汽车的性能也有关系；⑤增加报警决策因素，超声波、雷达、激光等系统报警的因素是汽车和危险物的距离，应该考虑相对速度、相对加速度、车型以及天气；⑥形成智能型专家系统，提高报警的实时性、准确性，因为不同的车型和不同的天气对安全距离和安全时间要求不同，⑦形成行业标准，这是当务之急，因为产品的成功应用离不开行业标准。

防撞预警系统的应用将推动汽车的智能化、信息化，也对无人驾驶技术起到促进作用，从而让我们的行车生活处于安全、舒适、快捷之中。

2、单片机超声波测距系统构想

2.1系统总体方案工作原理

本装置的应用原理是：

超声波由于其反射性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而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。

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。

本文介绍一种以STC89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示汽车倒车防撞装置，它由硬件电路和软件设计组成。

超声波测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。

由于共振法的应用要求复杂，在这里使用脉冲反射式。

超声波测距原理是通过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，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物立即返回，超声波接收器收到反射波立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为c，而根据计时器记录的超声波发射和接收回波的时间差为ｔ，就可以计算出发射点到障碍物的距离S，即：

S=ct/2。

图2.1

这就是所谓的时间差测距法。

由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，在温差变化较大的地区使用超声波测距要进行温度补偿。

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，只需测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距装置的原理。

汽车倒车雷达装置是基于STC89C51单片机为核心的测量显示系统。

测量距离是通过超声波发生器发出超声波，通过超声波接收器接收超声波，同时利用单片机通过外界中断计算超声波在空气中的传播时间，通过程序进一步计算距离。

本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。

系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。

硬件设计方框图如图2.2。

图2.2汽车倒车防撞系统硬件框图

本装置的主要工作原理是单片机控制超声波的发射，当发射超声波时单片机同时启动定时中断，当单片机接到中断信号时，停止计时，并记录超声波传播时间。

通过程序计算障碍物与车辆之间的距离。

2.2系统主要参数考虑

系统的主要参数有传感器的指向角、测距的工作频率、声速、脉冲宽度、测量盲区等，下面做介绍并阐述。

2.2.1传感器的指向角θ

传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。

对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径r有关。

由（2π/λ）*r*sin（θ/2）=1.615（2-1）

选f0=40KHz时，λ＝C/f0=8.5mm。

当f0选定后，指向角θ近似与传感器半径成反比。

指向角θ愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。

鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有电传感器片最大半径r=6.3mm，故θ=2*arcsin（1.615λ/2*π*r）=75°。

2.2.2测距仪的工作频率

由文献[5]知，空气中超声波的衰减系数为α=αaαs=Af2+Bf4。

所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz左右。

太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。

传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。

工作频率的确定主要基于以下几点考虑：

（1）如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

（2）工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

（3）从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。

综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz，定为44KHz。

这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

2.2.3声速

由S=C*t/2=C*t0知，声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。

传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。

声速随温度变化公式为

V=331.4＋0.607T（m/s）（2-2）

式中，T是温度。

由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。

在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为340m/s。

2.2.4发射脉冲宽度

发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。

根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。

但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。

在具体设计中，比较了24μs（1个40KHz脉冲方波），120μs（5个40KHz脉冲方波），240μs（10个40KHz脉冲方波），720μs（30个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号，最终选用120μs（5个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度。

此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。

2.2.5测量盲区

在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。

此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。

不同的检测仪阻塞程度不一样。

根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。

由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下：

当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。

因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平VM；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。

当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。

在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。

为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。

3、硬件设计

3.1发射与接收电路的设计方案

超声波发射接收电路如图3.1所示。

该电路简单实用，通过两极放大，增强接收信号，比较适合本设计需要。

测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHZ的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHZ的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHZ的脉冲超声波，且持续发射200μs。

图3.1超声波测距系统发射接收电路

由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0口产生40KHZ的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。

接收头采用和发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至DC2。

DC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。

调解R8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。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

发射电路电路图如图3.2所示：

图3.2系统发射电路

此电路由一个9V的电源，R1=3.6KΩ，R2=360Ω，三极管T一个，激励换能器T40-16一个。

其流程图如图3.3所示：

图3.3流程图

发射电路原理：

当单片机AT89C51,通过P1.0这个I/O口，发送一系列的脉冲，经过三极管T进行放大，从而使T40-16这个激励换能器发射出超声波。

接收电路如3.4所示：

图3.4接收电路图

其原理框图如下：

图3.5原理框图

3.2选频电路

本装置采用带有锁定环的音频译码集成块LM567进行频率选择，只接收超声波发生器发出的一定频率的脉冲信号，将其他频率的噪音信号和其他干扰信号去除，从而减少系统的误报和错报。

锁相环是一个闭环的相位负反馈控制系统，它由相位检波器（亦称鉴相器），低通滤波器（又称环路滤波器）和压控振荡器（简称VCO）三个基本部件组成。

锁相环音频译码器LM567采用8脚双列直插式封装，管脚功能如图3.6。

图3.6LM567管脚图

LM567由相位比较器、压控振荡器、正交相位检波器、逻辑输出放大器等几部分构成。

图3.7LM567内部电路图

它的内部电路结构由正交相位探测器、锁相环、放大器等组成。

LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率可达500KHZ，静态工作电流仅8mA。

第3脚是信号输入端，要求输入信号大于25mV。

第8脚是逻辑输出端，它是一个集电极开路的晶体管输出，允许最大灌电流为100mA。

第5、6脚外接的电阻、电容，它们决定了DC内部的压控振荡器中心频率fT≈1.1/RC。

第1、2脚通常是分别对地接电容，形成输出滤波网络和环路低通滤波网络，其中第2脚所接电容决定了锁相环路的捕捉带宽，电容数值越大，环路带宽越窄。

LM567的环路带宽BW可由下式计算：

BW=1070（Vi/FoC2），当音频译码器LM567工作时，其锁相环内部电压控制振荡器产生一定频率的振荡信号，此信号连同引脚3输入的信号频率一起送入正交相位探测器进行比较，若连续输入的信号频率落在给定的通频带时，锁相环即将这个信号锁定，同时LM567的内部晶体管受控导通，引脚8输出端输出低电平。

LM567的引脚5输出内部振荡器的矩形信号，引脚6输出锯齿波脉冲，二者的频率都与内部振荡器的中心频率相同。

LM567的特性参数：

Ⅰ、外接电阻和电容实现20：

1的频率调整范围；

Ⅱ、逻辑兼容性：

输出端具有接受100mA灌电流的能力；

Ⅲ、可调带宽：

10%～14%；

Ⅳ、抑制噪声的能力强；

Ⅴ、抗干扰能力强；

Ⅵ、振荡频率（中心频率fT）稳定性好；

Ⅶ、中心频率可调整从0.01HZ～500kHZ。

选频电路工作原理分析:

图3.8选频电路的外部接线

其5、6脚外接的电阻Rp1和电容C23决定了内部压控振荡器的中心频率fT≈1.1/（Rp1×C23）。

2脚所接电容C25决定锁相环路的捕捉带宽，C25的确定方法是：

C25=130fT（Rp2+10Rp2）。

1脚所接电容C24的容量应至少是2脚电容的2倍。

第3脚为信号输入端，要求输入信号的幅度大于25mV，最佳值为200mV左右。

当LM567的3脚输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率

附近时且信号幅度大于25mV时，逻辑输出端（8脚）将由原高电平变为低电平，输出一个负脉冲。

8脚不仅可以实现选频，而且还有负脉冲形成功能。

改变Rp可改变选频频率。

我们可利用了LM567接收到相同频率的载波信号后8脚输出低电平这一特性，来形成对控制对象的控制。

由于8脚为集电极开路输出，故实际应用时，其8脚应接一上拉电阻至电源正极Vdd。

LM567的输出端8脚接单片机的中端口，由高电平跃变为低电平，作为判断回波的信号，送至单片机处理，关掉定时器读取定时器的记录时间。

3.3显示报警电路

3.3.1LED显示原理

本装置的显示采用了共阴极数码管作为显示器件，数码管LED结构和显示原理：

LED（LightEmittingDiode）显示器是由发光二极管作为显示字段的显示器件，最常见的是由7段型发光二极管（a-g7段）和1个圆点型发光二极管（常以dp表示，主要用来显示小数点）组成的LED显示器，其排列形状如图3.9所示。

这种LED显示器也可称为7段数码显示器（或8段数码显示器，如图3.9所示）。

图3.9LED管脚图

图3.10（a）共阴极图3.10（b）共阳极

LED显示中的发光二极管根据其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。

共阴极结构：

把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，如图3.10（a）所示。

使用时，公共阴极接地，根据要求需点亮发光二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。

共阳极结构：

把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，如图3.10（b）所示。

使用时，公共阳极接+5V，根据要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极输入高电平。

通过控制7个段的发光二极管的亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。

字段码：

为了显