基于单片机的汽车倒车雷达系统设计本科毕业设计论文.docx

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基于单片机的汽车倒车雷达系统设计本科毕业设计论文

毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的汽车倒车

雷达系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解XX大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

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

Abstract

Associalandeconomicdevelopmentofthetransportindustrybooming,thenumberofcarsinthefirstmatetoclimb.Trafficcongestionhasbecomeincreasinglyseriouscrashoccurredfrequently,resultingintheinevitablepersonalinjuryandeconomicloss,forthissituation,designafastresponse,highreliabilityandmoreeconomicalcarreversingcollisionwarningsystemisinevitableline.Themostcommondesignistheuseofultrasonicdistancemeasurementmethodtodesignamicrocontrollerbasedcarreversingradarsystem.

ThedesignismainlybasedonAT89C51microcontrollerfeaturesandadvantagesoftheuseofultrasound,ultrasonicrangingsystemandAT89C51microcontrollercombinedinonedesignacarbasedonAT89C51microcontrollerreversingradarsystem.Thesystemusessoftwareandhardwarecombinationofmethods.

Thepaperoutlinesthedesignofthedevelopmentofultrasonictestingandthebasicprinciplesexpoundedtheprincipleandcharacteristicsofultrasonicsensors.IntheultrasonicrangingsystemfunctionsandAT89C51monolithicapplication,basedontheoverallcompositionofthesystemproposed,eachofthedesignelementsofthesystemwereintroducedtheprincipleandhardwarecircuitforeachunitcomposedofthemaincomponentsofadetaileddescriptionandchoices.Thepaperalsodescribesthedesignofsystemsoftwarearchitecture,andisprogrammedtoimplementsystemfunctionsandrequirements.

Keywords:

carreversingradar,AT89C51,ultrasound,measuringdistance,LEDdigitaltube

第一章绪论

1.1概述

汽车倒车雷达全称叫“汽车倒车防撞雷达”，也叫“汽车泊车辅助装置”，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。

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。

本毕业设计的内容是基于AT89C51单片机倒车防撞系统的设计，主要是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

1.2设计目的及意义

随着经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。

对于公路交通事故的分析表明，80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的，超过65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。

奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明：

若驾驶员能够提早1S意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。

其中倒车事故由于发生的频率极高，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，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因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，例如撞上别人的车、消防水笼头，如果伤及儿童更是不堪设想。

有鉴于此汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生。

汽车倒车雷达的加装可以解决驾驶人员的后顾之忧，汽车倒车雷达的设计大大降低倒车事故的发生。

汽车倒车雷达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，解除驾驶员泊车和起动车辆时因前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员克服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，然后通过反射回来的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。

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。

我国倒车雷达从2000年开始起步，从最初只是奔驰、宝马等高档车的专利，发展到现在成为许多轿车的标准配置。

经过多年的发展，倒车雷达系统已经历了六代技术改良，不管从结构外观上还是性能价格上，这六代产品都各有特点，其中使用较多的是数码显示、荧屏显示、防炫目、和魔幻镜倒车雷达这四种。

因为，大力研究开发倒车雷达等主动式汽车辅助安全装置，将减少驾驶员的负担和判断错误，对于交通安全起到重要作用。

显然，此类产品的研发具有极大的现实意义和广阔的应用前景。

1.3测距方式的分析与比较

测距方式对系统测量精度及稳定性都有较大影响。

因此选择一种合适的测距方式对系统性能提高有很大帮助。

主要距离测量方式有激光测距、红外线测距、CCD摄象机和超声波测距这几种，它们各有优缺点，下面对它们各自的特点进行详细分析和比较。

（1）激光测距

激光测距装置是一种光子雷达系统，主要根据激光束传播时间确定距离。

具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。

但由于激光测距受天气、接收器表面摩损和污染等影响较大，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少1/2到1/3损失很大，最终影响探测精度。

（2）红外线测距

红外线传播时的具有不易扩散的特点，显著的热效应和较强的穿透云雾的能力，在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线。

它主要应用于夜间行车或在军事上使用。

但是它比较容易受到光源和热源影响。

（3）CCD摄像机

CCD（ChargeCoupledDevice）摄像机即电荷耦合器摄像机，它是一种用来模拟人眼的光电探测器。

它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性。

但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。

（4）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。

气温（℃）

0

5

10

15

20

声速（m/s）

331

334

337

340

343

表2-1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。

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。

图2-2汽车倒车雷达示意图（后4个探头）

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2-3）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2-3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

a）b）

图2-4超声波传感器的频率特性图

（a）超声波传感器的声压能级（b）超声波传感器的灵敏度

图2-4是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。

如图（a）所示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。

其频率特性（b）所示,可见40KHz处其灵敏度最高。

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。

图2-5是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。

图2-5超声波传感器指向特性

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