基于AT89C51单片机倒车防撞报警系统设计1.docx

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基于AT89C51单片机倒车防撞报警系统设计1

山西大学

毕业论文

论文题目基于单片机倒车防撞雷达的设计研究

学院工程技术学院

专业电气工程及其自动化

年级

姓名原志伟

指导教师宋海燕

职称副教授

（2008年6月）

学士学位论文（设计）原创性声明

本人郑重声明：

所提交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

学位论文作者签名（亲笔）：

年月日

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学士学位论文（设计）版权使用授权书

专业：

论文（设计）题目：

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，本科生在校攻读期间学位论文（设计）工作的知识产权单位属山西农业大学，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山西农业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

毕业后发表与本研究有关的文章，作者单位署名应为“山西农业大学”，可以在备注中注明本人现工作单位。

本研究成果的知识产权归属山西农业大学，未经指导教师和山西农业大学同意。

本人不私自从事与课题有关的任何开发和盈利性活动。

学位论文作者签名（亲笔）：

年月日

导师签名（亲笔）：

年月日

毕业设计（论文）评价表

指

导

教

师

意

见

签字：

年月日

评

阅

人

意

见

签字：

年月日

答辩委员会意见

主任委员签字：

年月日

评分

或评语

院长签字：

年月日

基于单片机倒车防撞雷达的设计研究

摘要

随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。

这些事故常常给驾驶员带来许多麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。

倒车雷达，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。

本文介绍了一种利用超声波测距原理研究的高性价比倒车雷达，它可以提醒驾驶员进入警戒区域，同时进行三级声光报警。

无须占用司机的视觉资源，使司机可以把全部注意力用于观察车前及车旁的路况。

超声发射部分由89C51单片机产生40kHz的信号，通过CD4069驱动发射探头；系统接收部分由接收探头拾取反射回来的微弱信号，当接收电路接收到反射信号就中断89C51计数器停止计数，从而得到超声波从发射到接收信号的时间差。

关键词：

倒车雷达、超声波、单片机

毕业设计说明书（论文）中文摘要

Basedonmonolithicintegratedcircuitback-draftanticollisionradardesignresearch

修改对应的英文文摘

Abstract

Alongwithourcountryeconomyrapiddevelopment,moreandmoremanypeoplehadownautomobile,simultaneouslybyparkstheaccidentwhichinitiateswiththeback-draftmoreandmoretobealsomany.Theseaccidentsfrequentlybringmanytroublestothepilot,therefore,ishelpfulinthepilotparkswiththeback-draftback-draftradararisesatthehistoricmoment.

Theback-draftradar,istheautomobileparksthesafeauxiliaryunit,canoramoredirect-viewingdemonstrationinformsaroundthepilotbythesoundtheobstaclesituation,thepuzzlewhichrelievedthepilottohaveparkedwithstartvehicleswhenallaroundvisitscauses,andhelpedthepilottocleanthefieldofvisiondeadangleandthelineofsightfuzzyflaw.Thisarticleintroducedonekindofuseultrasonicrangingprincipleresearchthehighperformance-to-priceratioback-draftradar,itmayremindthepilottoenterthezoneofsecurity,simultaneouslycarriesonthreelevelsofacousto-

毕业设计说明书（论文）外文摘要

opticstoreporttothepolice.Doesnotneedtotakedriver'svisualresources,enablesthedrivertobepossibletouseinthecompleteattentionobservinginfrontofnearbythevehicleandthevehiclestateofroads.Thesupersoniclaunchpartproducesthe40kHzsignalbythe89C51monolithicintegratedcircuit,ThroughCD4069actuationlaunchprobehead;Thesystemreceiveparttheweaksignalwhichreflectsbythereceiveprobeheadcollection,Whentheacceptingcircuitreceivesthereflectionsignaltointerruptthe89C51counterstopcounting,thusobtainstheultrasonicwavefromtolaunchtothereceivesignaltimedifference.

Keywords:

Reversingradar,Ultrasonic,SCM

1引言

1．1倒车雷达研究的背景及意义

随着我国经济的快速发展，交通运输车辆及私家用车的不断增加，不可避免的交通问题瞬时成为人们关注的问题。

其中由于倒车事故发生的频率高，已引起了社会和交通部门的高度重视。

倒车事故发生的原因是多方面的，造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。

而倒车事故给车主带来许多麻烦，不仅经济上，更有人身伤害，例如撞上别人的车，如果伤及儿童更是不堪设想，基于此基础，汽车高科技产品中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷达的加装可以解决司机的不少麻烦，大大降低了倒车事故的频率。

由于存在视觉盲区，无法看清车后状况，司机在倒车时很容易发生事故。

为了减少带来的损失，需要有一种专门帮助司机安全倒车的装置。

目前市场上用于辅助司机倒车的装置主要有：

语音告警装置、后视系统以及倒车雷达等。

语音告警装置用于播放提示语以提醒车后的行人注意避让正在倒车的汽车。

这种装置价格便宜且使用方便，缺点是只能对车后的行人起告警作用，对于其他障碍物则不起作用，所以其应用范围有限。

后视系统是由视频捕捉装置和视频播放装置组成，通过视频司机可以很直接地看到车后的障碍物。

由于这类装置的价钱较高，目前还没有普及。

倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者后视镜的显示通告司机车后的状况，解除了司机泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的麻烦，并帮助司机解决由视觉引起的缺陷，提高驾驶的安全性。

倒车雷达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。

通过感应装置发出超声波来判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。

只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。

司机在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由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，从而使司机倒车时不至于撞上障碍物。

1.2国内外倒车雷达的发展现状

通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。

感应器发出和接受超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。

感应器装在后保险杠上，以角45°辐射，检查目标，能探索到那些低于保险杠而司机从后窗又难以看见的障碍物并报警，如花坛，蹲在车后玩耍的儿童等：

显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车据后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示司机停车。

根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等种。

转帖式感应器后有一层胶，可直接粘在后保险杠上：

钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去：

悬挂式感应器主要用于载货车。

根据显示设备种类不同，倒车雷达又可以分为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。

数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。

经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。

1．3雷达的发展

1）第1代倒车雷达

“倒车请注意”!

想必不少人还记得这种声音它只能算作最早的有关于倒车的一个产品,不能称为雷达,现在只有小部分商用车还在使用。

只要驾驶员挂上倒档,它就会响起，提醒周围的人注意。

从某种意义上说,它对驾驶员并没有直接的帮助,基本属于淘汰产品。

最初的倒车雷达是蜂呜器,它标志着倒车雷达系统的真正开始。

倒车时,如果距车1.5～1.8M处有障碍物,蜂鸣器就会开始工作,蜂鸣声越急,表示车距障碍物越近。

该装置既没有语音提示,也没有距离显示,虽然驾驶员知道车后有障碍物,但不能确定障碍物距离车究竟有多远。

2）第2代倒车雷达

第2代产品采用数码波段显示,可以显示车后障碍物离车体的距离。

如果车后是物，在1.8M开始显示;如果是人,在0.9M左右的距离开始显示。

这一代产品有2种显示方式，数码显示产品直接显示距离数字，而波段显示产品由3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0．8M以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6～0.8M；红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到0.6M的距离，必须停止倒车。

第2代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内不太美观。

3）第3代倒车雷达

第3代产品是液晶荧屏显示，这一代产品较以前有一个质的飞跃，特别是荧屏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。

其外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便，给人以舒适的感觉，显示的距离也更准确些。

不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。

4）第4代倒车雷达

第4代产品是魔幻镜倒车雷达，它结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速微机控制，可全天候准确地测知2M以内的障碍物，并以不同等级的声音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，其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。

而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配，不过价格稍高。

5）第5代倒车雷达

第5代产品是整合影音系统，它是专为高档轿车生产的，在上一代产品的基础上新增了很多功能，它整合了高档轿车的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。

当然其价格也相当的不菲。

倒车雷达的发展实际上已经融入了整车的设计，随着技术的成熟，价格的降低，倒车雷达将会逐渐普及成为标准配置。

2超声波倒车雷达的工作原理

2.1超声波

我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000HZ。

当声波的振动频率大于20000HZ或小于20HZ时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000HZ的声波称为“超声波”。

超声波广泛地应用在多种技术中。

超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。

由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

超声波具有以下的特点：

1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2）超声波可传递很强的能量。

3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象

2．2超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构，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，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。

2．3超声波测距原理

在超声波探测电路中,发射端输出一系列脉冲方波,其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔,被测物距越远,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。

相位检测法虽然精度高,但检测范围有限可检测到汽车倒车中,其障碍物与汽车的距离；声波幅值检测法易受反射波的影响。

本文硬件设计采用超声波往返时间检测法,其测量原理图如图1所示。

图1超声波测距原理图

其原理为:

在超声波发射器两端输入40KHZ脉冲串,脉冲信号经过超声波内部振子,振荡产生机械波,并通过空气介质传播到被测面,由被测面反射到超声波接收器接收,在超声波接收器两端,信号是毫伏级的正弦波信号,超声波经气体介质的传播到接收器的时间,即为往返时间。

超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法,其中常用脉冲回波法测距。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法,其原理是超声传感器发射超声波,超声波在空气中传播至障碍物,经反射后由超声传感器接收反射脉冲,测量出超声脉冲从发射到接收的时间,再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即：

L=c·t/2

（1）

式

（1）中,L为超声传感器与被测障碍物之间的距离,c为超声波在介质（空气）中的传输速率,t为超声波从发射到接收的时间。

超声波在空气中的传播速度为:

其中T为绝对温度数值,

。

在测量精度不是很高的情况下,一般可以认为c为常数340m/s。

由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波又很难精确捕捉,致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。

这些因素是使用超声测距引起误差的原因。

2.4超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=c·t/2，可知测距的误差是由超声波的温度误差、传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

2.4.1温度误差

由于超声波也是一种声波。

其声速C与温度有关。

表1列出了几种不同温度下的声速

表1声速与温度关系

温度（℃）

－30

－20

－10

0

10

20

30

100

声速（米／秒）

313

319

325

323

338

344

349

386

这是超声波的温度效应特性，超声波的传播速度“C”可以用公式

（2）表示：

C＝331.5＋0.607t（m/s）,式中t=温度（℃）。

因此要精确测量与某个物体之间的距离时，则应通过温度补偿的方法加以校正。

2.4.2时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907ms。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

对于超声波测距精度要求达到1MM时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100M距离所引起的测量误差将达到5M，测量1M误差将达到5MM。

超声波遇到障碍物后，一部分会反来，那么，通过计算发射出超声波到接收到回波之间的时差，还有音速，就能算出障碍物的距离。

2．5影响超声波探测的因素

图2超声波差距示意图

在图2中，用一个超声波传感器来发射超声波，同时它又可以接收到回波。

一般使用的超声波频率为40KHZ。

根据以上原理，所算出的障碍物距离都是指障碍物到传感器的距离。

传感器可检查到的角度：

传感器发射超声波有一定的角度范围，图3，图4为常用传感器的探测角度:

图3水平探测角度

图4垂直探测角度

以上菱形区域是发射超声波的覆盖区，而覆盖区内的障碍物能否被探测到，则与以下因素有关（见图5示）:

1）从物理方面的反射原理可知:

超声波的反射规律为反射角等于入射角，因此，反射波是否能被传感器捕捉，与反射面的角度有关。

2）反射面的大小不同，也会影响反射波的强度。

3）另外，障碍物会吸收掉一部分超声波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，则与障碍物的材质和表面处理相关。

疏松、多孔的表面较易吸收音波而导致反射效率较低，不易被侦测。

4）超声波在空气中传输时也会衰减，所以同一个反射面，同样的角度，距离越远，发射和反射的超声波衰减越大，越不易被测到。

5）以上几点简单的说，就是:

角度、大小、表面材质和距离。

这些因素综合起来，决定障碍物是否会被探测到。

图5超声波探测障碍物

根据以上原理可知，在下列环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况！

1）铁丝网，绳索类细小物体。

2）草地行车或崎岖不平路面。

3）棉质或表面易吸收声波之物质。

4）传感器表面附着异物。

5）同频率（40KHz）之超声波杂音加金属声，高压气体排放声，汽车喇叭正对传感器鸣叫时。

6）障碍物为锐角反射体，锥状物体。

2．6如何提醒车主

倒车雷达在上图所示侦测区内检测到有效障碍物时，LED及系统内的蜂鸣器会根据障碍物的距离发出警告声和不同的显示方式。

分为三段（如表2）这样，用户可以很清楚的判断出障碍物的大概距离。

表2倒车雷达左中/右中传感器提示方式:

障碍距离

LED与蜂鸣器响应方式

A段

150~100CM

对应方位的指示灯亮、蜂鸣器以相应的频率叫声为提示

B段

100~50CM

对应方位的指示灯亮、蜂鸣器以不同频率的叫声提示

C段

50CM以内

对应方位指示灯全亮，并伴有闪烁以警告用户、蜂鸣器长鸣

3系统设计

3．1倒车雷达的工作原理图

图6测距工作原理

以单片机作为主控电路元件，以12MHZ晶振作为标准脉冲振荡电路元件，通过软件编程实现40KHZ方波的产生，经过放大驱动超声波发射探头产生谐振，发射超声波信号，同时单片机开中断并开始计时，超声波信号遇到障碍物后反射回来被超声波接收探头接收，经过整形滤波及放大驱动音频译码器LM567，锁相后，该芯片8脚变为低电平接在INT1上，关中断，计时结束，根据超声波测距原理：

L=ct/2，调用测距子程序，计算距离。

除了设计主测距电路外还需设计好电源部分、声光报警部分，及其接口部分，以便很好的与上位机通讯，进行实时控制。

发送的脉冲选用40KHZ的方波，这是由探头本身的中心频率和其频率特性决定的，如图2所示：

在40KHZ频率时，超声波探头的输出声压和灵敏度值最大。

输出超声波的声压/dB灵敏度/dB

图7超声波传感器发射和接收头的频率特性

3．2系统硬件电路原理图

图8电路原理图

4系统硬件电路介绍

图9电路框图

4．1AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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，AT89C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。

图片见图5：

图10AT89C51管脚图

1）主要特性：

与MCS-51兼容

4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

全静态工作：

0Hz-24Hz

三级程序存储器锁定

128*8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源

可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

片内振荡器和时钟电路

2）管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

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P1口的管脚第一次写1