超声波倒车雷达系统的设计.docx
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超声波倒车雷达系统的设计
郑州轻院轻工职业学院
专科毕业设计（论文）
题目超声波倒车雷达
系统硬件设计
学生姓名
专业班级
学号
院（系）机电工程系
指导教师（职称）
完成时间2017年05月01日
超声波倒车雷达系统的设计
摘要
基于超声波测距的汽车倒车雷达系统是在充分理解了超声波测距原理的基础上提出的。
工作时，超声波传感器发出脉冲信号，经障碍物反射后由超声波接收装置接收并送至单片机处理，可实现倒车时障碍物距离的实时监测并通过语音报警提示驾驶员。
本设计是以AT89C51单片机为主控制器的超声波倒车雷达系统，包括超声波发射和接收部分、单片机处理部分、LCD显示部分和语音报警部分等硬件系统以及软件程序设计。
关键词倒车雷达/单片机控制/超声波测距
DesignofUltrasonicReversingRadarSystem
Abstract
Basedontheultrasonicdistancemeasurementprinciple,thistextputforwardadesignschemeofcarreversingradarsystembasedonultrasonicdistancemeasurement.Ultrasonicsensorsendsapulsesignalwhenitisworking,andtheultrasonicreceivingdecivesendthereflectedsignalbytheobstacletotheMCU,thissystemcouldachieveReal-timemonitoringoftheObstacledistancewhenreversingandpromptthedriverbyvoicealarm.TheoveralldesignofultrasonicreversingradarsystembasedontheAT89C51singlechipasmaincontrollerwasdetailedintroduced,includeUltrasonictransmittingandreceivingpart,MCUprocessingpart,displaybyLCD,VoiceAlarmpartanditsprogramminginthesoftware.
KeywordsReversingradar，singlechipmicroprocessor，ultrasonicdistancemeasurement
中文摘要
英文摘要
1引言
倒车，是每位驾驶员都必须掌握的技能，如同前行一样需要小心谨慎，每年都有倒车引起事故的报道，轻则对自己的车和他人的财物造成损伤，重则可能危及人的性命，尤其是对儿童危害较大，他们体型较小，仅从后视镜来获取视野指导倒车仍有可能会对让们造成伤害。
现如今后视镜已越来越不能满足人们安全倒车的需求了。
据初步调查统计，15％的汽车事故是由汽车倒车后视不良造成的。
因此，人们对汽车倒车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给驾驶员们带来的不便，消除安全隐患。
由此，专为汽车倒车泊位设置的倒车雷达应运而生。
倒车雷达是汽车倒车停车时的安全辅助装置，能够以声音或者直观的显示来告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，帮助驾驶员解决泊车倒车时前后左右探视所引起的困扰。
超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器、控制器和报警装置等部分组成。
现如今市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶员在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由超声波探头发送超声波，在遇到障碍物后产生回波信号，传感器接收到回波信号后经处理器进行数据处理，判断出障碍物的位置，通过声音、数据、图像等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围情况，从而使驾驶员倒车时做到心中有数，提高了驾驶的安全性。
1.1设计主要内容
为避免汽车在倒车过程中发生事故，本文设计了一种基于AT89C51单片机的超声波倒车雷达系统。
介绍了超声波测距的基本原理，阐述了倒车雷达系统的结构组成、硬件电路设计以及软件设计。
该系统由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路等几部分组成。
AT89C51单片机是整个系统的核心部件，协调各部分电路的工作。
单片机在超声波信号发射的同时开始计时，超声波信号在空气中传播，在遇到障碍物后发生反射，反射的回波信号经过处理后输入到单片机的外部中断口发生中断，单片机停止计时。
通过单片机可得到超声波信号往返所需要的时间，再结合当地声速即可求得车体与障碍物之间的距离。
超声波传感器选用CSB40T（R）超声波传感器，谐振频率为40KHz；超声波发射电路包括超声波发射器、驱动电路等组成；超声波接收电路包括集成电路CX20106A及外围电路组成。
2系统的总体设计方案及理论基础
2.1总体设计方案
本设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。
因此初步计划在实验室内小范围的测试。
超声波发射仪发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，单片机对此信号进行技术判断处理后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示。
系统硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射和接收电路、超声波接收电路、LCD显示电路等几部分组成。
系统的总体结构框图如图1所示。
图1系统总体结构框图
2.2超声波测距理论分析
2.2.1超声波测距原理
超声波是指频率高于20KHZ的机械波。
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，习惯称之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两种，但是一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器利用压电效应的原理将超声波和电能相互转换，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换为电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的生源与障碍物之间的距离，超声波测距适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度为332.45m/s。
单片机使用12MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论可以达到毫米级。
如下图超声波发生器T在某一时刻发出一段超声波信号，当超声波遇到障碍物（被测物体）后返回被接收器R接受。
测距的原理如图2。
图2测距的原理
这样只要检测出发射超声波和接收到超声波之间的时间，就可以计算出超声发射器与反射物体的距离。
距离计算公式为：
其中：
d为被测物与测距器的距离
s为声速的来回路程
c为声速
t为声波来回所用的时间
由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表1列出了几种不同温度下的声速。
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。
表1超声波波速与温度的关系表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速（m／s）
313
319
325
323
338
344
349
386
2.3超声波传感器
2.3.1超声波传感器的原理及结构
要利用超声波进行测距，首先要研究超声波传感器的工作原理。
超声波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器，它是一种将其它形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其它形式的能的器件。
总体上讲，超声波传感器可以分为两大类：
一类是使用电气方式产生超声波；另一类是使用机械方式产生超声波。
压电式传感器属于电声型超声波传感器，一般采用双压电陶瓷芯片制成，需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。
它是利用压电材料的正、逆压电效应来工作的，在压电陶瓷芯片上加有一定频率的电压脉冲，芯片就会产生同频率的机械振动。
这种振动在介质中的传播，便会产生超声波。
反之，如在压电陶瓷芯片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷芯片产生频率与超声波相同的电信号[2]。
图2超声波传感器结构示意图
图2为超声波传感器的结构示意图，其内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。
金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。
2.3.2超声波传感器的应用
超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，它在医学上的应用主要是诊断疾病，已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。
超声波诊断的优点是：
对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。
因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。
当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。
在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。
2.2.3超声波传感器的主要性能指标
超声波传感器按收发方式一般可分为两类：
一类是发送和接收是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘防水功能；另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，如TR40-16，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距范围比较小，防尘、防水性能好。
根据本设计所处的环境要求，本系统选用的超声波传感器为分体式超声波传感器CSB40T（R），该型号探头各项参数为：
频率为40KHz，阻抗500，灵敏度为103dB（min），带宽在-3dB时为1.5K，角度最大值为（-6dB），静电容200010%PF，最大驱动电压150Vp-p（10%工作周期），回波灵敏度为-70dB（min），声压电平0dB=1uvolt/bar[3]。
3系统的硬件设计
本章主要内容是具体分析系统的硬件实现。
整个系统以性能较好的AT89C51单片机为核心，控制超声波传感器的收发，并测算距离，同时根据倒车距离段的不同进行分段语音报警。
硬件部分实现分四部分来阐述：
第一是以AT89C51单片机为核心的主控系统电路；第二是超声波发射和接收电路；第三是显示电路。
3.1单片机主控系统电路设计
3.1.1单片机选择
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3所示[4]。
图3AT89C51外形及引脚排列图
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：
此时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。
3.1.2电源电路
在一般家用中小型汽车内部的电瓶为12V，单片机所需电压为5V，语音芯片所需电压为3.3V。
所以本系统的电源电路主要由一个AC-DC的+12V电源适配器、两个三端稳压块（LM7805、LM1117-3.3）、一些滤波电容等组成，输出+5V电压[5]。
电源电路如图4所示。
图4系统电源电路图
3.1.3复位电路
在单片机引用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
所以，系统的复位电路必须准确、可靠的工作。
在时钟电路工作后，只要在单片机的RET引脚上出现24个时钟震荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使RET保持高电平，则单片机就循环复位。
系统的复位电路如图5所示。
图5系统复位电路
3.1.4时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。
X1是接外部晶体管的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。
时钟电路如图6所示。
图6系统时钟电路
3.2超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图所示。
发射电路主要由反相器74ls04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上位电阻R2、R3一方面可以提高反向器74hc04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
其原理图如图所示。
图7超声波谐振频率调理电路
图8超声波发射电路原理图
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。
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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。
超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
3.3超声波检测接收电路
3.3.1集成电路CX20106A
集成电路CX20106A是一款红外接收的专用芯片，广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。
实验证明，其具有较高的灵敏度和较强的抗干扰的能力。
CX20106A芯片（国内同类产品型号为D20106A）是日本索尼公司生产的用于检测红外线的专用芯片，常作为家用电器的红外遥控接收器。
常用的载波频率38KHz与测距的40KHz较为相近，可以利用它来做接收电路。
CX20106A芯片采用8脚单列直插式塑料超小型封装，+5v供电，内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路。
其主要功能是从38KHz红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加以放大和整形，然后再送到微处理器（CPU）进行处理[8]。
CX20106A是CX20106的改进型，二者之间的主要差别在于电参数略有不同，CX20106A多用于超声波测试。
CX20106A芯片简单易用，电路简单，减少了生产调试的麻烦。
7引脚连接单片机的外部中断，没有接收到回波时，输出为高电平，当收到回波后立即变为低电平。
CX20106A的引脚连接说明如表1所示。
表1CX20106A的引脚说明
引脚符号
说明
引脚1-IN
超声波信号输入端，接超声波接收探头，用来检验超声波回波信号。
引脚2-C1
引脚与地之间串联一个由电阻和电容组成的RC网络，改变电容或电阻中的一个，即可改变前置放大器的增益和频率特性。
本文RC参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。
引脚3－C2
连接检波电容，检波方式为平均值检波。
本文超声波测距对灵敏度要求相对较高，因此，电容参数取3.3μF。
引脚4－GND
接地端
引脚5－F0
与电源间接入一个电阻，以确定带通滤波器中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。
本文超声波的频率为40kHz，取R=210kΩ
引脚6－C3
与地之间接一个积分电容，一般情况下，标准值为330pF。
引脚7－OUT
信号输出端，接一个22kΩ上拉电阻到电源端
引脚8－Vcc
电源端，接+5V电压
3.3.2超声波接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
图9超声波检测接收电路
3.4数码管显示模块
本电路的显示模块主要由一个4位一体的8段LED数码管构成，用于显示测量到的电压值。
它是一个共阳极的数码管，每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收单片机的P0口产生的显示段码。
S1，S2，S3，S4引脚端为其位选端，用于接收单片机的P2口产生的位选码。
本系统采用动态扫描方式。
扫描方式是用其接口电路把所有数码管的8个比划段a~g和dp同名端连在一起，而每一个数码管的公共极COM各自独立地受I/O线控制。
单片机从字段输出口送出字型码时，所有数码管接收到相同的字型码，但究竟是哪个数码管亮，则取决于COM端。
COM端与单片机的I/O接口相连接，由单片机输出位选码到I/O接口，控制何时哪一位数码管被点亮。
在轮流点亮数码管的位扫描过程中，每位数码管的点亮时间极为短暂。
但由于人的视觉暂留现象，给人的印象就是一组稳定显示的数码。
动态方式的优点是十分明显的，即耗电省，在动态扫描过程中，任何时刻只有一个数码管是处于工作状态的。
具体原理图如图5
图5数码管显示模块
4系统的软件设计
倒车雷达系统各项功能的实现，离不开软件的支持，本章主要介绍在系统硬件设计基础上的系统软件设计。
本系统的软件设计将主程序分为若干个功能模块，然后对各个功能模块分别进行程序设计，最后将所有模块组合起来成为整个倒车雷达系统的软件部分。
本章将对本系统的软件实现进行阐述。
4.1软件设计的要求
本系统的设计要求是利用超声波测距原理设计一个车用的倒车雷达。
要求通过设计能够测出车与障碍物的距离，并能在距离小于2m的时候开始根据设定值进行语音报警。
超声波倒车雷达系统的软件对总体设计主要包括：
（1）主程序，包括系统的初始化以及各子程序的调度管理等部分。
（2）超声波测距程序模块，包括超声波发射子程序、超声波接收子程序以及距离计算子程序等部分。
4.2主程序设计
主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，主程序首先对系统环境初始化，然后调用超声波发射子程序送出超声波脉冲，打开外部中断0接收返回的超声波信号[13]。
如果有回波接收到则利用声速进行距离计算，并送到显示程序显示。
主流程框图如图12所示。
图12主程序流程图图13计算距离子程序
4.3超声波测距模块设计
超声波测距器软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。
超声波主程序首先对系统初始化，设置定时器的初值和工作方式，使总中断允许位EA=1，并给显示端口清零。
然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延时0.1ms（这也就是测距器会有一个最小可能测距的原因）后，才能打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用12MHZ的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距器之间的距离，设计时取20摄氏度时的声速344m/s，则有：
，（其中T0为计数器T0的计数值）。
C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效容易精细计算程序运行的时间，所以控制程序采用C语言编程。
通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。
利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。
进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。
4.3.2超声波发送和接收程序
超声波发射子程序的作用是通过P1.0端口发送超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把定时器T0打开进行计时。
主程序利用为中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序，并立即关闭计时器T0停止计时。
如果当计时器溢出是还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭。
超声波发射程序比较简单，主要包括T1中断服务程序和超声波接收中断服务程序。
其中部分源程序如下：
voidtime1（）interrupt3
{
P1_0=~P1_0;
}
voidint0（）interrupt0
{
t=（TH0*256+TL0）;//计算高电平持续的时间
TR1=0;
TH0=0;
TL0=0;
}
5主程序
5.1显示程序
voidscanLED（）//显示功能模块
{
LED=buffer[0];
LED3=0;
delay（200）;
LED3=1;
LED=buffer[1];
LED2=0;
delay（200）;
LED2=1;
LED=buffer[2];
LED1=0;
delay（200）;
LED1=1;
}
5.2超声波测距程序
voidtimeToBuffer（）//转换段码功能模块
{
xm0=s/100;
xm1=（s-100*xm0）/10;
xm2=s-100*xm0-10*xm1;
buffer[2]=convert[xm2];
buffer[1]=convert[xm1];
buffer[0]=convert[xm0];
}
voiddelay（i）
{
while（--i）;
}
voidtimer1int（void）interrupt3using2
{
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds++;
if（csbds>=40）
{
csbds=0;
cl=1;
}
}
voidcsbcj（）//超声波测距
{
if（cl==1）
{
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=csbs;
while（i--）
{
csbout=!
csbout;
}
TR0=1;
i=mqs;//盲区
while（i--）
{
}
i=0;
while（csbint）
{
i++;
if（i>
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