长春大学 超声波倒车雷达系统的设计分解.docx

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长春大学超声波倒车雷达系统的设计分解

目录

第1章绪论1

第2章总体方案及原理2

2.1总体设计方案2

2.2超声波测距3

2.2.1超声波测距原理3

2.2.2温度对超声波影响3

2.2.3超声波测距计算方法4

第3章硬件设计5

3.1STC89C525

3.1.1芯片简介5

3.1.2主要功能5

3.1.2引脚介绍6

3.1.3单片机控制模块8

3.2LED数码管9

3.2.1LED数码管概述9

3.2.2LED数码管显示9

3.3蜂鸣器电路10

3.4超声波电路11

第4章软件设计12

4.1程序整体思路12

4.2主程序流程设计13

4.2超声波测距的算法设计13

4.4超声波发送及接收中断程序14

4.5显示子程序和蜂鸣报警子程序16

4.6系统的软硬件调试17

第5章设计总结18

参考文献19

第1章绪论

倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，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，解除了驾驶员泊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，提高了安全性。

超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。

就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。

国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。

技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。

由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。

超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的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，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。

超声波是指频率在20kHz～106kHz的机械波,波速一般为1500m/s,波长为0.01cm～10cm。

超声波的波长远大于分子尺寸,说明超声波本身不能直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用影响分子,所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。

超声波既是一种波动形式,又是一种能量形式,在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。

超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。

随着科学技术的发展,相关技术领域相互渗透,使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。

超声波作为一种特殊的能量输入方式,所具有的高效能在材料化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用。

仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说就是其他方法所望尘莫及的,更不用说超声波定量控制的效果了。

近年来,随着超声波技术的日益发展与成熟,其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等领域都得到了广泛的应用。

在材料合成中,尤其是纳米材料的制备中,超声波技术有着极大的潜力。

通过超声波方法制备纳米材料,达到了目前我们采用激光、紫外线照射和热电作用所无法实现的目标,具有很好的前景。

第2章总体方案及原理

2.1总体设计方案

该系统设计由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、温度补偿电路、声报警电路、键盘控制电路、单片机硬件接口电路及显示报警电路组成，该系统的核心部分采用性能较好的AT89C52单片机，下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。

该设计的应用背景是基于AT89C52的超声信号检测的。

单片机AT89C52发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行声光报警。

其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。

在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。

在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带较宽。

将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率40KHz，使其工作在谐振频率，达到最优的特性。

发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。

但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。

发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。

接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。

最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（AT89C52）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

图2-1倒车雷达系统总框图

2.2超声波测距

2.2.1超声波测距原理

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。

它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，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，就成为超声波接收器。

在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。

超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波测距的方法有多种：

如往返时间检测、相位检测法、声波幅值检测法。

本实验采用往返时间检测法测距。

其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超 。

图2-2即为超声波测距流程图。

图2-2超声波测距流程图

2.2.2温度对超声波影响

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在常温下，超声波的传播速度为340m/s，但其传播速度V易受到空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。

一般温度每升高1摄氏度，声速增加约为0.6m/s。

2.2.3超声波测距计算方法

利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式：

其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间，

可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。

这样可以求出距离：

第3章硬件设计

3.1STC89C52

3.1.1芯片简介

单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。

总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：

集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。

单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。

然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。

它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能

STC89C5单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

3.1.2主要功能

增强型8052单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.

工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8052的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

用户应用程序空间为8K字节

片上集成512字节RAM

通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

具有EEPROM功能

具有看门狗功能

共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2

外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

3.1.2引脚介绍

图3-1STC89C52

VCC：

STC89C52电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反向放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统皆可以工作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

STC89C52的重置引脚，高电平工作，当要对晶片重置时，只要对此引脚点评提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，STC89C52便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

PORT0（P0.0―P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路电极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0―A7）及数据总线（D0―D7）。

设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0―A7，再配合端口2所送出的A8―A15合成一个完整的16位地址总线，而定位地址到64K的外部存储器空间。

PORT1（P1.0―P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，若将端口1的输出设为高电平，使是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部缓冲输入脚，而P。

1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发引脚。

PORT2（P2.0―P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，同样地，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成