基于单片机的汽车倒车雷达系统本科毕业设计论文.docx

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基于单片机的汽车倒车雷达系统本科毕业设计论文

基于单片机的汽车倒车雷达系统

摘要

随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。

交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，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倒车防撞预警系统势在必行。

本设计是利用最常见的超声波测距法来设计的一种基于单片机的汽车倒车雷达系统。

本设计的主要是基于AT89C51单片机利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的汽车倒车雷达系统。

该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。

本设计论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。

在超声波测距系统功能和AT89C51单片运用的基础上，提出了系统的总体构成，对系统各个设计单元的原理进行了介绍，并且对组成各单元硬件电路的主要器件做了详细说明和选择。

本设计论文还介绍了系统的软件结构，并通过编程来实现系统功能和要求。

关键词：

汽车倒车雷达、AT89C51、超声波、测量距离、LED数码管

第一章绪论

1.1课题设计的目的及意义

1.1.1设计的目的

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。

但就目前技术水平来说，人们可以利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具，在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需要，如倒车雷达，工地及工业现场，声纳探测等方面都有其广泛的应用，经济，军事，文化方面都有重要的应用价值。

毋庸置疑，未来的超声波测距仪将于自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。

随着测距仪的技术进步，测距仪从具有单纯判断动能，发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

1.1.2设计的意义

随着社会飞速发展，人们生活水平的不断提高，汽车愈来愈成为人们不可缺少的最常用的交通工具，交通安全问题变的日益严重。

而通过研究汽车倒车雷达系统，可以达到很高的采集速率和精度。

汽车倒车时可以检测车辆后面的障碍物、并显示其距离，至危险区域后会自动报警。

本设计综合了电子技术、计算机技术、数据处理技术等知识，设计利用单片机控制的汽车倒车雷达超声波测距系统，实现汽车倒车的安全保障，这就是我设计的意义。

1.2超声波测距系统的设计思路

1.2.1超声波测距原理

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeoffilght）。

它通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所发射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S。

一般采用渡越时间发：

即S=CT/2，其中S为测量点与被测物体之间的距离，C为声波在介质（此处指空气）中的传播速度，T为超声波发射到返回的时间间隔。

由于超声波也是一种声波，其声速C与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米/秒。

在进行计算时，如果温度变化不大，则可认为声速C是基本不变的，计算时取C为340M/S。

如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿的方法或者在硬件电路基本不变的情况下，通过软件改进算法的方法来加以校正。

如果环境温度变化显著，则必须考虑温度补偿问题。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

1.2.2超声波测距原理框图

图1-1超声波测距仪原理框图

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。

1.2.3超声波测距

超声波一般是指频率在40KHz以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点，超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。

超声波的谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰设计。

超声波测距系统成本低、性能稳定可靠，同时超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性，应用前景好。

通过对以上几种测距方式的分析比较，由于超声波指向性强、能量消耗缓慢、成本低、性能稳定可靠、在介质中传播距离远的优点，所以超声波测距方式在短距和低速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。

因此本设计采用超声波测距方式。

第二章超声波的发展及测距原理

2.1超声波的发展与运用

一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F．Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。

由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响，在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西。

人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。

40年代末期超声波治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。

医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构，以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。

1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。

如今，由于超声波在物理化学方面的独特特性，已广泛应用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

2.2超声波测距原理

超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离

，式中的C为超声波波速。

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表2.1列出了几种不同温度下的声速。

表2.1几种不同温度下的声速

气温（℃）

0

5

10

15

20

声速（m/s）

331

334

337

340

343

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，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

然而其超声波测距的时间主要有以下三种方法：

相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；

声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响；

渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现，超声波测距一般所的采用方法。

本设计采用渡越时间检测法，其主要原理是当超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。

其具体的算法如下：

假设超声波在空气中的传播速度为

，根据计时器记录的时间

，发射点距障碍物的距离

，如图2-1所示

图2-1超声波测距原理

图2-1中两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用

表示，由图可得：

（2-1）

（2-2）

将式（2-2）带入式（2-1）得：

（2-3）

在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：

（2-4）

式中：

为超声波的传播速度，

为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。

将式（2-4）带入式（2-3）可得：

（2-5）

当被测距离H远远大于M时，式（2-5）变为：

（2-6）

本设计由单片机负责计时，采用12MHZ的晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

2.3超声波测距在汽车上的运用

以超声波测距方式的汽车倒车倒车雷达是现在市场上倒车雷达的主流产品，甚至还配合以声音或者更为直观的数字形式动态显示周围障碍物的情况。

其较早的产品是用蜂鸣器报警,蜂鸣声越急,表示车辆离障碍物越近，后继的产品可以显示车后障碍物离车体的距离。

汽车防撞雷达之所以能实现防撞报警功能。

汽车倒车雷达的探头主要安装于前后保险杠上，根据汽车的不同价格和品牌，探头有二、三、四、六、八、十、十二只不等。

其中探头能够以最大水平120度垂直70度范围辐射，上下左右搜寻目标。

一般的汽车挡位杆挂入倒挡时，倒车雷达自动开始工作，超声波这把无形尺子能够测量到那些低于保险杠而司机从后窗难以看见的障碍物（如花坛、路肩、蹲在车后玩耍的小孩等），并显示距离与报警。

本设计介绍的超声测距系统共有2只超声波换能器（俗称探头）,假设分别布置在汽车的后左、后右2个位置上。

能检测倒车方向障碍物距离显示范围为0.07～10.00m,当距离小于2米时发出一定的声响,起到提示和警戒的作用。

本系统采用AT89C51单片机对两路超声波信号进行循环采集，已达到上述效果。

2.4超声波传感器的介绍

2.4.1超声波传感器介绍

超声传感器是一种将其他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他形式的能的器件。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，目前常用的超声传感器有电声型与流体动力型两大类。

电声型主要有：

压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。

流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

压电传感器是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分，其内部结构（如图2-2）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，压电晶片是传感器的核心等组成。

，当在压电晶片上加有大小和方向不断变化的交流电压（或者脉冲）时，根据压电效应，就会使压电晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。

同理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，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。

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。

图2-2压电式超声波传感器结构图

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。

发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。

这样，超声传感器才有较高的灵敏度。

当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。

，用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

2.4.2超声波传感器的特性

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以TR系列的超声波传感器的特性为例加以说明

（1）频率特性

超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。

40KHz处为超声波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的电压（或者脉冲）来激励。

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。

曲线在40KHz（波长λ=0.85cm）处最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。

因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。

超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。

如果R较小，频率特性变得光滑而且有较宽的带宽，同时灵敏度也随之降低，并且最大灵敏度向稍低的频率移动。

因此，超声接收传感器应与输入阻抗的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。

（2）指向特性

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡器，辐射出一个半球而波（子波），这些子波没有指向性。

但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。

超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。

超声传感器的指向角一般为40度到80度，本设计要求传感器的指向角为75度。

超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，探头（超声波换能器）选用压电式，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流100mA以上的驱动电路。

第二种方法是利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。

这种方法的优点是无需驱动电路，但缺点是灵活性低。

本设计采用第二种方法产生40KHZ的超声波发射信号。

第三章系统硬件设计

3.1系统设计的要求

此系统设计必须满足以下要求：

1）基于单片机的汽车倒车雷达系统

2）具有为单片机提供工作的电源及指示

3）显示障碍物离汽车的距离（10米内）

4）距离小于指定值时（小于2米），系统发出声音预警信号

3.2系统整体设计方案

本设计的应用背景是基于型号为AT89C51的单片机发出40KHz的超声波信号，超声波信号经放大后通过超声波发射器的探头发射，当遇到障碍物时则反射信号，超声波接收器探头将接收到的反射回来信号经放大器放大和滤波，送入单片机并启动机中断程序，测得时间差，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。

若测得距离小于事先设定的数值，则发出声音预警。

其系统原理图如图3-1所示：

图3-1系统原理图

3.3单片机系统介绍

3.3.1AT89C51单片机介绍

（1）AT89C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

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，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机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。

AT89C51主要由微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、并行I/O口、串口、定时计数器、中断系统、特殊功能寄存器（SFR）组成。

其结构图如3-2所示：

图3-2AT89C51结构图

（2）主要特性

1）与MCS-51兼容2）4K字节可编程FLASH存储器

3）寿命：

1000写/擦循环4）数据保留时间：

10年

5）全静态工作：

0Hz-24MHz6）三级程序存储器锁定

7）128×8位内部RAM8）32个编程I/O线

9）两个16位定时器/计数器10）5个中断源

11）可编程串行通道12）低功耗的闲置和掉电模式

13）片内振荡器和时钟电路

（3）引脚及功能

图3-3AT89C51引脚排列

AT89C51单片机为40脚双列直插式封装结构。

其引脚排列顺序及引脚符号如图3-3所示。

各引脚功能如下：

1）电源及接地

GND:

电源接地端。

Vcc:

供电电压即正常运行和编程校验时为+5V电源（士10%）。

2）时钟及复位信号

XTAL1:

是片内振荡器反相放大器及内部时钟工作电路的输入端。

当采用外部振荡器为时钟源时，此脚必须接地。

XTAL2:

是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。

使用外部振荡器时，可由此脚引入外部时钟信号。

RST:

复位信号输入端，高电平有效。

若此输入端保持2个机器周期（24个时钟振荡周期）以上的高电平，即可以将89C51完成复位操作。

此外，RST引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，单片机自动将+5v电源接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使复电后能继续正常运行。

3）地址锁存允许/编程信号端

ALE/PROG:

当89C51上电正常工作后，ALE管脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的六分之一。

CPU访问片外存储器时，此信号作为锁存地址总线的低8位地址的控制信号。

因此ALE信号可以对外输出时钟或定时信号。

ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL。

4）程序存储允许输出信号端

：

在访问片外存储器时，此端定时输出脉冲作为读片外存储器的选通信号。

此管脚接EPROM的OE端，PSEN端有效，即允许读出EPROM/ROM中的指令码。

当CPU访问外部程序存储器时，要产生两次PSEN负脉冲信号，当CPU访问内部程序存储器时，PSEN不跳变。

此端驱动8个LS型TTL。

5）外部程序存储器地址通话输入端/固化编程电压输入端

/VPP:

当EA端接高电平时，CPU只访问片内EPROM并执行内部程序存储器中的指令，但在PC的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。

当EA端接低电平时，则CPU只访问外部EPROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。

此管脚的第二功能Vpp是对89c51片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压的输入端。

6）输入/输出端口

I/O端口引脚：

I/O端口P0～P3（地址为80H，90H，A0H，B0H），且P0～P3为四个8位特殊功能寄存器，分别为四个并行I/O端口的锁存器。

它们都有字节地址，每一个端口锁存器还有位地址，所以每一条I/O线独立地用做输入或输出时，数据可以锁存；作输入时，数据可以缓冲。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示：

表3.1P3口的特殊功能

引脚符号

特殊功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1

P3.4

T0（计时器0外部输入）

P3.5

T1（计时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时也可以为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

3.3.2单片机的复位电路

单片机的复位电路是靠外部电路实现的，其主要目的就是在上电的瞬间提供一个与正常工作状态下相反的电平。

一般利用电容电压不能突变的原理，将电容与电阻串联，上电时刻，电容没有充电，两端电压为零，此时，提供复位脉冲，电源不断的给电容充电，直至电容两端电压为电源电压，电路进入正常工作状态。

图3-4复位电路

当在时钟电路工作以后，只要在RESET端加上大于10ms的高电平，单片机便能实现复位。

若RESET端保持高电平，单片机循环复位。

单片机一般要求在上电时，或者按复位键时复位。

所以复位电路分为上电复位和按键复位两种。

图3-4为上电和按键复位电路。

复位电路的极性电容C3直接影响单片机的复位时间，一般采用10～30uF，本次选用22uF。

上电瞬间，RST端的电压与Vcc相同，随着电容的逐步充电，RST端的电位逐渐下降。

此时

。

当按下按键时，RST端出现

使单片机复位。

3.3.3单片机的时钟电路

（1）时钟电路

当使用单片机的内部时钟电路时，这两个端用来外接石英晶体和微调电容，如图3-5所示。

时钟电路中，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

晶体可在1.2～12MHz选择。

起振电容一般用15～33pF，本设计使用30pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。

单片机的时钟电路如图3-5所示：

图3-5时钟电路

（2）晶振的选择

晶振一般分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振就是石英晶体谐振器的别称，晶体（crystal），有2个引脚，体积小，需借助于时钟电路才能产生振荡信号；有源晶振叫做振荡器（oscillator），有4只引脚，体积较大，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。

本设计采用无源晶体振荡器HC-49/SSMD，其产品详细参数如下：

频率范围：

4.0～90MHz

　　并联电容（C0）：

7pFMax.

储存温度范围：

-40～+85oC

老化（25℃）：

±3ppm/yearMax.

驱动级：

1~500μW（100μWtypical）

频率公差（25℃）±30ppm,orspecify

　　工作温度范围：

-20～+70oC,orspecify

在工作温度范围内的频率稳定度：

±30ppm,orspecify

负载电容：

Series,16pF,20pF,30pF,32pF,orspecify

3.3.4单片机的电源电路

（1）直流稳压电源的工作原理

查阅资料可知IntelMCS-51系列单片机的工作电压范围是：

+3.3V～+5.5V,一般用+5V的电源，所以本设计设计+5V的电压源为系统单片机工作。

+5V的稳压电路很多种方法可以得到，比如LM336-5.0的5V电源芯片，还有现在市面上的做好的+5V输出稳压电源，直接变压器输出就是可调的直流稳压电源，在这里我采用最原始的电桥变压加上LM7805整流5V稳压电源。

直流稳压电源的工作流程如图3-6所示：

图3-6直流稳压电源的工作流程

直流稳压电源的工作原理：

1）电源变压器

降压变压器将电网220V交流电，变换成符合需要的交流电压，并送给整流

电路，变压器的变比由变压器的副边电压决定。

2）整流电路

利用单向导电元件，把50HZ的正弦交流电变换成脉冲的直流电压。

常用的整流电路有全波整流、桥式整流等。

本设计采用单相桥式整流电路，