基于C51单片机的超声波倒车雷达系统设计说明Word文档下载推荐.docx

1、Automobile Reversing range finder；UltrasonicComputerSimulation；1 绪论1.1选题背景随着汽车工业的发展，城市汽车数量迅速增加。尤其是近几年来，我国汽车的拥有量逐年增加，已是汽车消费大国了。人们将汽车作为其日常的生活工具，这也带来了不少的安全隐患。汽车驾驶员也越来越担心车的安全，其中倒车就是一个典型的问题。由于驾驶员无法看见车后的障碍物，倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故。为了减少因此带来的损失，需要有一种专门的辅助装置帮助司机安全倒车。目前用于辅助司机倒车的装置主要有：语音告警装置、后视系统以与倒车雷达等。语音告警装置用于播放提示

2、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，使用方便，其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，通过后视系统司机可以直观地看到车后的障碍物，消除视觉盲区。由于这类装置的价位较高，目前还没有普遍推广使用。1.2设计意义随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的都存在一个后视盲区。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车

3、、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使用死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。1.3目前国倒车雷达的发展概况目前，很多科研机构已对倒车测距技术进行深入研究、开发，国外也已有相应的产品。经过分析总结，按其工作方式分主要有超声波、红外、激光和毫米波等方法。虽然所用到的技术不完全一样，但基本原理都是通过不同的方法判断车后方障碍物与本车的相对距离，并根据预设置好的危险等级发出相应的指示信号。下面简要分析一下几种方式的特点：超声波方式：超声波是频率大于20kHz的声波，具有方向性强、能量衰减缓慢、在介质中传播距离远等特点，用于测距

4、计算方法简单，常用于非接触式距离测量，其传感器种类较多,由于超声波指向性强，在传输过程中能量损耗缓慢，反射能力强，经常被用于距离的测量。由于超声波测距的探测距离较短，主要用于倒车雷达等近距离测距1。红外线方式：红外线的波长比可见光长，是肉眼看不见的光，有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。红外线可以人为制造,自然界中也广泛存在，一般的生物都会辐射出红外线，体现出来的宏观效应就是热度。红外线透视和夜视是分别利用了红外线的不同性质。红外线测距系统成本低廉，但是容易受到天气和路边等物体干扰的影响，在恶劣的天气与环境下探测距离仍然不能满足要求。激光方式：激光具有高定向性，能以定向的光束无发散地直线向前

5、传播；单色性好，它可以达到的亮度比太还高几百亿倍；相干性好，激光的频率、振动方向、相位高度一致。因此激光波束近似直线性，很少扩散，波束能量集中，传输距离较远。但它在对气候的适应能力方面具有局限性，因为激光测距方式受恶劣天气、汽车激烈震动、发射镜表面磨损、污染等因素影响，则探测距离减少二分之一至三分之一，降低了实用精度，所以在汽车倒车雷达领域激光测距方式没有得到很好发展。毫米波方式：毫米波是微波的一个波段，频率在30300G，相应波长为110mm。毫米波电子系统具有如下特性：小天线孔径具有较高的天线增益；高跟踪精度和制导精度；不易受电子干扰；不受被测物体表面形状、颜色等的影响；对大气紊流、气涡等

6、具有适应性，并且毫米波雷达的天线也不会因为灰尘等污染而产生较大的误差；低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小；多目标鉴别性能好；雷达分辨率高；大气衰减“谐振点”可作传输。但其价格昂贵，结构复杂。汽车雷达按照其测距的方向可分为倒车雷达和前置雷达。倒车雷达主要针对当前在拥挤的街道、停车场以与人群当中倒车时时有发生的倒车碰撞事故而设计的。它是在汽车以较低速度倒车行驶时，周期不停检测车后障碍物到车的距离，当达到一定危险距离时即时给予司机以声与光的形式的警告。由于倒车雷达检测距离比较短，可选择红外线和超声波，而本文就是对超声波倒车雷达的具体分析研究。目前，很多汽车生产商已经开始在生产的汽车中加入超声波倒车雷达

7、。1.4当前存在的问题超声波倒车雷达运用超声波测距原理结合单片机或IC的智能技术作为一种具有结构简单、智能判断不受可见光限制等特点的汽车倒车安全辅助装置应用到了轿车当中，但现有的倒车雷达还仍然存在如下一些问题2：（1） 最大有效探测距离偏小的问题，等到报警后再减速就很紧，感到预警时间不充足；（2） 显示滞后性，多数倒车雷达的显示速度因考虑到抗干扰等因素，显示更新的速度约为0.20 4s，算上从倒车雷达发现目标到发出警报将需要1-2s，这时车已经行使了一段距离，这显然存在反应迟钝；（3） 以往关于倒车雷达的研究都采用的是不容易购买到的专用元件作为附加电路，使其难以推广； （4） 主流产品仅仅是独

8、立的控制单元，无法与汽车数字化信息平台接轨。目前我国的整车制造厂和汽车电子电器厂几乎没有涉与到汽车电器网络化设计的领域，选择一个合理的总线实现汽车电器的网络化非常必要3。2总体设计方案2.1 模块构建按照系统设计要求，超声波倒车测距仪由硬件和软件两部分组成，系统设计采用模块化思想。系统硬件结构分为三个主要部分：测距部分、控制部分和显示报警部分。软件部分按不同功能模块分别进行编程，便于调试和移植。整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图2.1所示。图2.1 倒车测距仪系统结构原理图该设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的，因此单片机选择为AT89C51 单片机（AT89C

9、51）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。2.2 超声波测距原理超声波测距工作原理：超声波测距正是利用超声波的直线传播特点，通过超声波换能器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=ct/2公式中c代表超声波波速4。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。在使用时，如果温度变化不

10、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。这就是超声波测距仪的机理。图2.3即为超声波测距的具体流程图。图2.3系统总体设计流程图2.3 超声波特点超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过20KHz的声音。超声波的基本特性如下所述：（1）波长与辐射波的传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s（20时）。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得

11、很高的精确度。超声波设备的外表面尺寸易于获得精确的辐射。（2）反射要探测某个物体是否存在，只要超声波能够在该物体上得到反射。由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100的超声波，此我们可以很容易地发现这些物体。由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到表面振动幅度很大的物体。（3）温度效应声波传播的速度C可以用下列公式表示。C=331.5+0.607t（m/s）式中,t=温度（）也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的。如图2.4所示，温

12、度越高，声音传播速度越快。图2.4 温度与声速的关系（4）衰减传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。如图2.5所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，波的传播距离也就越短。2.4 系统方案选择目前，汽车倒车测距技术主要有超声波、红外、激光和毫米波。对于各种方法都各自的优缺点，这前面也介绍了，而本系统采用超声波进行测距，不过超声波测距也有几种方案：方案一：取输入脉冲的平均值电压在超声波探测电路中，发射模块不断连续发射频率为40KHz的超声波，同时接收模块将遇到障碍物反射回来的超声波转换成脉冲的平均值电压

13、，该电压与距离成正比，通过A/D转换得到电压的数字信号量，再用查表法得出距离值。其原理是根据超声波在空气传播中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，再将超声波相应的幅值转换成相应的电压值。这种方案需要不断发射超声波，从而增加系统的功耗，并且需要用到一个A/D转换。如果主控芯片不带A/D转换，需要格外增加一块A/D转换芯片，增加成本。并且要事先测量出不同电压值对应的实际距离，制成表格，供程序查表，这也一定程度限制了测量的精度。方案二：时间差测距法超声波测距正是利用超声波的直线传播特点，通过超声波换能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

14、波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2这就是所谓的时间差测距法。这种方案不需要不断连续发射超声波，也不需要A/D转换，更重要的是，在不增加硬件的条件下可以把测量精度做到很高。方案一是基于反射回来的超声波强度转换成脉冲的平均值电压，其抗脉冲干扰能力强，但增加了系统的复杂性，同时要增加A/D转换芯片，增加了成本。而方案二是基于时间差的测距原理，不需要A/D转换芯片，对回波的检测、放大、滤波处理较方案一更容易实现。且其测量误差主要取决于计时器的精度，基于成本、实现难度、精度等因素的

15、考虑，本系统选择方案二。2.5 超声波传感器2.5.1 超声波传感器的原理与结构超声波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。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3静电传感器。流体动力性中包括有气体与液体两种类型的哨笛。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，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”活“笛”。压电式传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头有压电晶片、契块、接头等组成，是

16、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，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器5。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效

17、应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定围是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电瓷晶片产生频率与超声机械波一样的电信号。压电式超声波发生

18、器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器部结构如图2.6所示。图2.6压电式超声波传感器结构它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，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，并带动共振板的振动，便产生超声波。反之，如果两级间为外加电压，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。压电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，改变压电瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。

19、利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的部结构由压电瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳与金属网构成，其中，压电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瓷晶片与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。2.5.2 超声波传感器的频率特性这里以本设计选用的超声波传感器TCT40-16型探头（如图2.7）为特例加以说明。型号：TCT40-16R/T（直径16mm）1.标称频率（KHz）：40KHz2.发射声压at10V（0dB=0.02mPa）：117dB3.接收灵敏度at40K

20、Hz （0dB=V/ubar）：-65dB图2.7 TCT40-16型探头4 .静电容量at1KHz,1V （PF）：200030% TCT40-16R/T声压能级与灵敏度如图2.8 : 图2.8 TCT40-16R/T声压能级与灵敏度由图2.8可以看出40khz处为超声波传感器的中心频率，在此中心频率处，超声波传感器所产生的机械波最强，也就是说40khz处所产生的声压能级最高。而在40khz两侧声压能级迅速衰减。其频率特性曲线如图2.9所示。图2.9 TCT40-16R/T传感器的频率特性曲线由图2.9知超声波传感器一定要使用非常接近于中心频率40khz的交流电压来激励。3 系统的硬件设计3

21、.1系统总体方案设计本系统基于超声波反射原理利用单片机控制器产生40Khz的方波信号，通过发送模块对方波信号进行功率放大，驱动超声波探头，发射40K超声波。超声波信号在空气中传播至障碍物后发生反射，反射回波经空气传播给超声波接收换能器并转换成电信号，经接收模块滤波、放大、整形后，输入到微控制器的外部中断口，产生中断，通过相应的公式计算出距离，然后将距离值通过LED显示出来。为了减少不同环境下，系统都能达到测量精度的要求，需要对测量数据进行温度补偿，而本系统采用数字化温度传感器DS18B20进行温度取样，用算法对数据进行温度补偿。如图3.1所示为系统总体框图。 图3.1 系统总体框图3.2AT8

22、9C51单片机简介单片机是本系统的核心元件，它负责各个模块的协调工作，记录超声波发送到遇障碍物后反射回来的时间差，并将这个时间差转化为距离，然后通过LED显示模块把距离显示出来。AT89C51是一种带4KB字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8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，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

23、方案。（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位部RAM32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振荡器和时钟电路 （2）AT89C51引脚如图3.2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外部必须被拉高。图3.2 AT89C51引脚图P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的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，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校