基于单片机的倒车雷达设计毕业设计.docx

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基于单片机的倒车雷达设计毕业设计

基于单片机的倒车雷达设计

摘要

随着社会经济的发展，交通运输业日益兴旺，汽车的数量大幅攀升。

交通拥挤状况也日益严重，倒车撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人生伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。

本文在查阅、分析国内外倒车雷达系统相关技术的基础上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨和研究。

该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达预警系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块，相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

关键词AT89C51超声波测距倒车雷达

DESIGNOFREVERSINGRADAR

BASEDONMCU

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theimprovementofpeople'sstandardofliving,speedingupthedevelopmentandconstructionofthecity.urbandrainagesystemhavegreatlydevelopedtheirsituationisconstantlyimproving.However,duetohistoricalreasonsmanyunpredictablefactorsinthesynthesisofhertime,thecitydrainagesystem.Inparticulardrainagesystemoftenlagsbehindurbanconstruction.Therefore,thereareoftengoodbuildingexcavationhasbeenbuildingfacilitiestoupgradethedrainagesystemphenomenon.Itbroughttothecitysewage,anditiscleartothecitysewageanddrainageculvertinthesewagetreatmentsystem.comfortisveryimportanttopeople'slives.MobilerobotsdesignedtoclearthedrainageculvertandtheautomaticcontrolsystemFreesewageculvertclearguaranteerobot,therobotisdesignedtocleartheculvertsewagetothecore.

Basedontheanalysisofdomesticconsulting,reverseradarsystemonthebasisofrelevanttechnology,combiningthelatestresearchresultsofthebasedonultrasonicrangingback-draftradarwarningsystemisdiscussedandstudied.Thissystemisdividedintorangefindermodule,thesystemcontrolmoduleanddisplayalarmingmodule,andcarriesontheanalysis,toconstructthebackingoftheearly-warningradarsystemarchitectureanddesignscheme,Inthehardwarecircuit,atthecoreofthedesignusingAT89C51low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.　

KEYWORDSAT89C51ultrasonicsensorsmeasuredistancereversingradar

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与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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1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。

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倒车雷达的研究背景和意义

随着汽车的迅速增加，停车难已经是个不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。

“往后倒一点，再往后，打方向盘，打多了，回一点再倒，好，停。

”相信一般的车主在停车场泊位时，都会遇到车辆保管员的“热情招呼”。

车技纯熟的倒也与人工提示配合默契；车技一般、方向感较差的，就经常使负责指挥的那位人士高度紧张，脾气急躁的还少不了挤兑车主几句。

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视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

1.2倒车雷达的发展过程及其现状

在几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展。

第一代：

倒车时通过喇叭提醒。

“倒车请注意”想必不少人还记得这种声音，只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，这就是倒车雷达的第一代产品。

第二代：

采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。

这是倒车雷达系统的真正开始。

倒车时，如果车后1.8米~1.5米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。

蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。

第三代：

数码波段显示具体距离或者距离范围，可以显示车后障碍物离车体的距离。

如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。

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0.6~0.8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，你必须停止倒车。

第四代：

液晶荧屏动态显示。

这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕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障碍物的距离。

此产品实现动态显示，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。

第五代：

魔幻镜倒车雷达。

结合了前几代产品的优点，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米以内的障碍物，并以不同等级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项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。

第六代：

整合影音系统。

它在第五代产品的基础上新增了很多功能，是专门为高档轿车生产的。

从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还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。

可以说倒车雷达在人们的生活中已经有着举足轻重的地位。

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视野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。

现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，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器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。

整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。

2系统设计方案

倒车雷达的工作原理为：

首先连接电源并打开，车辆进入倒挡时，探测器主机自动进入工作状态，同时显示器波段亮起。

然后，用专用钻头在保险杠上开孔，并将探测器分别装入孔内。

根据车主倒车和停车的习惯，探头探测器分别安装在汽车的尾部。

安装好探测器主机在适当的位置，将显示器夹在车内后视镜上，就开始正常工作。

汽车倒车雷达预警系统由三个部分组成，分别为测距部分、控制系统部分和显示报警部分（图2-1）。

图2-1倒车系统模块

各模块所完成的具体功能如下：

（1）测距系统模块：

针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。

（2）控制系统模块：

本系统以单片机[1]为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。

（3）显示报警系统模块：

显示与障碍物间的距离及报警以提醒驾驶员。

2.1测距系统设计思路

倒车雷达可以通过不同的测距方式能很好的解决停车时因视线不清而造成倒车不便，主要采用的是超声波测距技术[2]，挂倒档时接通倒车雷达的电源，利用换能器（超声波传感器）的压电特性，间断以频率40KHz的电压激发压电片，该压电片随即由电能转换成机械能（40KHz超声波）并发射出去，当发射出去的声波接触物体时，根据声波的反射性原理，会反射回微弱声波信号给超声波传感器，换能器即将所接收的微弱声波振动信号转化成为电信号，经信号放大处理后，传送至微处理器，微处理器就可计算车与该物体之距离，并显示出来，再由微处理器判断决定是否对构成危险的目标按不同程度进行警示提醒。

2.1.1超声波概述

所谓超声波，是指人耳听不见的声波。

正常人的听觉可以听到16-20千赫（KHZ）的声波，低于16千赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。

与光波不同，超声波是一种弹性机械波，有两种形式：

横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波），在工业中应用主要采用纵向振荡。

它可以在气体、液体和固体中传播，超声波在空气中的传播速度约为340m/s（常温下）。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

常用的超声波传感器可以分为二大类，一是用电气方式产生超声波，如压电式、磁致伸缩式超声波发生器；二是用机械方式产生超声波，有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

超声波传感器的主要性能指标[3]包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。

主要取决于压电晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，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，并带动共振板振动，便产生超声波，反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

压电式超声波传感器在40KHz处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。

而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。

因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。

超声波在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下几个原因:

（1）具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。

（2）在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。

（3）超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。

在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。

（4）超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。

当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。

适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz及40-45KHz。

这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。

超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

2.1.2超声波测距原理

目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。

相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间t。

（如图2-2，2-3所示）。

图2-2超声波测距原理

图2-3发射接收波形

超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、检测迅速、方便、计算单、易于做到实时控制等优点[4]，经常用于距离的测量。

超声波脉冲反射式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时，途中碰到障碍物就立即返射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波脉冲反射式测距原理[5]公式如（2.1）：

（2.1）

其中：

s为发射点与障碍物之间的距离；t为计时器记录的测出发射和接收回波的时间差；c为超声波在空气中的传播速度。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

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要求。

限制倒车雷达系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为（2.2）：

（2.2）

式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。

R——气体普适常数，为8.314kg/mol。

T——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。

M——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol。

c0——0℃时的声波速度，为331.4m/s。

由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系。

温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0℃时的速度为332m/s，30℃时的速度为350m/s，相差18m/s。

因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。

因此，需要通过温度补偿的方法加以校正。

2.2控制系统设计思路

控制系统以单片机为控制核心，我们学过51单片机，对它的功能及其应用也比较熟知。

51系列单片机采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b的I／O端I：

IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。

特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。

5l系列单片机提供以下功能：

4kB存储器；256BRAM；32条I／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式：

CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式：

保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。

充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

2.3显示报警系统的设计思路

显示器应用极为广泛，是一种输出设备，一般常用的包括数码管显示和LCD液晶显示。

数码管显示内容单一，液晶则比较丰富；数码管一般就是一个7段的8字，当然多的有16段的中间米字型的，液晶可以显示各种内容。

数码管是自发光的，液晶是靠背光环境的。

数码管是LED发光的效果，液晶是分子偏转引起的暗影效果，数码管比液晶耗电。

报警装置一般有源蜂鸣器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员；语音报警，给予驾驶员语音提示；声光报警，给予驾驶员以声音提示，并且发光来提示驾驶员。

2.4系统设计方案

要完成整个倒车雷达系统的设计，需要单片机控制核心，超声波发射模块，超声波接收模块，温度补偿电路，报警电路以及显示电路这几个模块（图2-4）。

图2-4系统设计框图

该倒车雷达系统的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。

单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波发射器输出；反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LCD显示电路进行显示，当距离小于安全距离时，并进行蜂鸣器报警。

3倒车雷达系统硬件设计

本章讲述倒车雷达系统的各个模块的设计和主要元器件的介绍。

倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统。

它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。

它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，解除了驾驶员泊车、倒车和启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视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

包括测距系统设计（超声波发送接收及测温系统）、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。

其中，测距系统由超声波发射模块、超声波接收模块及温度补偿模块构成；控制系统设计主要采用AT89C51，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端口控制发射和停止输出超声波换能器所需的40KHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示报警系统设计主要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和LCD显示电路进行设计。

以下就各模块的电路图、功能及设计思路作详细说明。

3.1超声波测距模块的设计

超声波测距系统模块由超声波发射、超声波波接收电路及温度补偿电路组成，其主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压辐值，有效地进行电、声转换，增大超声波的发射距离。

并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号，供单片机进行处理。

3.1.1超声波发射模块的设计

超声波发送模块包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用压电式[6]，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，但需要设计一个驱动电路。

第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路（如由555振荡）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须驱动电路，但缺乏灵活性。

为了节约成本和提高发射的灵活性，本设计采用了利用软件产生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的方法发射超声波信号。

常用的驱动放大电路主要有以9012三极管为驱动放大[7]和用74LS04组成的驱动放大电路[8]。

以单个三极管驱动放大能力有限，以反相器组成的单元能够达到驱动要求，因此，本设计采用了以74LS04组成的驱动放大电路。

74LS04为六组反相器，