基于单片机的汽车倒车雷达设计与实现说明书

黑龙江工程学院本科生毕业设计 摘 要 近年来，我国的汽车数量正逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。因此 ,增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量 距离为 1m 5 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于 STC89C51 单片机的超声波倒车雷达。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了倒车雷达的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。超声波接收电路使用 SONY 公司的 CX20106A 红外检测专用芯片，该芯片常用于 38kHz的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对 40kHz 超声波检波的硬件电路， 倒车 雷达 使用数码管显示目标物的距离。 关键词 ： STC89C51；倒车雷达；超声波传感器；测距 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 ABSTRACT In recent years, Chinas number of cars is increasing every year. Highways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur.So after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. Finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range； In addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 1 5 m, based on STC89C51 ultrasonic range-finder. Receiving circuit using the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38KHz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, The use of digital rangefinder display the distance between objects. KEY WORDS： STC89C51； Wave；Measure； Distance Reversing； Reverse radar 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1章 绪论 . 1 1.1 设计的研究现状 . 1 1.2 设计的目的和意义 . 1 1.3 目前国内倒车雷达的研究现状 . 1 1.4 主要研究问题 . 3 第 2章 倒车雷达总体设计方案 . 4 2.1 超声波测距 . 5 2.1.1 超声波测距原理 . 5 2.1.2 理论计算 . 5 2.2 本章小结 . 6 第 3章 倒车雷达 的硬件设计 . 7 3.1 超声波发射模块 . 7 3.2 超声波接收模块 . 8 3.3 单片机实现测距原理 . 10 3.4 键盘控制电路 . 11 3.5 超声波传感器的特性 . 11 3.5.1 超声波传感器的频率特性 . 11 3.5.2 超声波传感器的指向特性 . 12 3.6 单片机的选择 . 13 3.6.1 STC89C51 的简介 . 13 3.6.2 STC89C51 的主要性能参数和特点 . 13 3.7 超声波传感器的选择 . 13 3.7.1 超声波传感器的简介 . 13 3.7.2 超声波传感器的技术参数 . 14 3.8 本章小结 . 14 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 第 4章 倒车雷达 的软件设计 . 15 4.1 软件 总体结构框图 . 15 4.1.1 软件各程序 的简介 . 15 4.2 软件设计要求 . 16 4.3 主程序 . 16 4.4 发射和接收模块中断程序 . 18 4.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序 . 18 4.6 本章小结 . 19 第 5章 测试结果与分析 . 20 5.1 测试结果 . 20 5.2 误差分析 . 21 5.3 测试过程 . 21 5.3.1 实验目的 . 21 5.3.2 实验原理 . 21 5.3.3 实验过程 . 22 5.3.4 实验结果 . 22 5.3.5 实验结论 . 22 5.4 本章小结 . 22 结论 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 25 附录 1 . 26 附录 2 . 41 黑龙江工程学院本科生毕业设计 第 1 章 绪 论 1.1 课题的研究现状 随着我国汽车产业的迅速发展，我国开始进入了私家车时代，汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个隐患。本文所设计的倒车雷达主要是针对汽车倒车时无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。 超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车 发展。技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。 超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于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，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发 出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。 1.2 设计的目的和意义 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、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 目前国内倒车雷达的研究现状 经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。经过这几年的发展，倒车雷达系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品各有特点，使用较多的是数码显示、荧光显示和魔幻镜倒车雷达这三种。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 2 第一代：倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意”！想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有少部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能 算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后 1.8m 1.5m 处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在 1.8m 开始显示；如果是人，在0.9m 左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示 产品显示距离数字，而波段显示产品由 3 种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物距离有 0.8m以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有 0.6m0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到 0.6m，必须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。 第四代：液晶屏动态显示。这一代有一个质的飞跃，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，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过 LCD 显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。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，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过 LCD 显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。 第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，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提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、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，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。因为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。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 3 第六代：专为高档轿车配置的。第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看 DVD 影像。 1.4 主要研究问题 （ 1）超声波测距范围小于 350cm，距 离显示分辨率 1cm，测距误差小于 5%； （ 2）超声波在传播中距离的计算； （ 3）超声波的发射和接受能否顺利完成，达到实时显示倒车距离，倒车距离显示的是测距值的最小值，在达到设计要求的最小距离时系统产生报警。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 4 第 2 章 倒车雷达 总体设计方案 该设计的应用背景是基于 STC89C51 的超声信号检测的。因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在 2.5 米左右。单片机（ STC89C51）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，进行蜂鸣报警。 其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率有调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带较宽。将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率 40KHz，使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同 一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。 发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是有两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个 单片机（ STC89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。 图 2.1 倒车雷达系统总 设计方案 该系统又单片机控制电路、超声波发射和接受电路、显示电路以及报警电路等几部分组成。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，遇到障碍物后发生反射，反射的声波信号经过处理后输入到单片机的外部中断口产生中断，单片机停止计时。通超声波发射 单 片 机 LED数码管显示 键盘控制 超声波接收 放大 比较 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 5 过单片机可得到超声波信号的往返所需要的时间，即可求得车体与障碍 物之间的距离。在达到技术要求的情况下产生报警。 2.1 超声波测距 2.1.1 超声波测距原理 超声波测距的原理一般采用回波探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质中传播，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。图 2.2即为超声波测距的具体流程图： 图 2.2 测 距的原理 2.1.2 理论计算 如图 2.2 为反射时间，是利用检测 声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式： 2TCS 其中， S 为被测距离、 V 为空气中声速、 T 为回波时间， 21 TTT 可以计算出路程，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离： 2 21 TTCS 555 时基电路振荡产生 40Hz 的超声波信号。其振荡频率计算公式如下： 5109 2 43.1 CRRf 超声波测距的原理：即为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这T 2 T 1 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 6 个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为： 22 tcsd 其中， d 为被测物与测距仪的距离， s 为声波的来回的路程， c 为声速， t 为声波来回所用的时间。 超声波的指向性强，能量消耗缓慢，遇到障 碍物后反射效率高，是测距的良好载体。测距时有安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，有定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波咋介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到发射波立即停止计时。这样，定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间 t 。由于常温下超声波在空气中的传播数的约为 340m/s。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接 收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。 2.2 本章小结 本章分析了超声波测距的原理，以及理论的计算，对于系统的总体设计方案做了详细的介绍。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 7 第 3 章 倒车雷达 的硬件设计 该系统设计有超声波发射电路、超声波接收电路、键盘控制电路、单片机硬件接口电 路及显示报警电路组成，该系统的核心部分采用性能较好的 STC89C51单片机，下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。 3.1 超声波发射模块 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，超声波探头（又称“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超声波发射信号。 40KHz 的超声波是利用 LC 震荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下： 脉冲发射采用软件方式，利用 STC89S51 的 P1.0 口发射 40 kHz 的方波信号，经过 74HC04 放大后输出到超声波换能器，产生超声波。 74LS04 是一个高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于 LSTTL 逻辑 IC，它的功耗减少很多。对于 HC 类型，其工作电压为 2 6 V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入 LSTTL 逻辑信号和 CMOS 逻辑输入等特点。本系统将 40 KHz方波信号分成两路，分别由 74LS04 经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。电路图如图 3.1 所示。发射电路主要由反向器 74LS04 和超声波换能器构成，单片机 P1.0 端口输出 40KHz 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。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力 ，上拉电阻 R8、 R9 一方面可以提高反向器 74LS04 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，缩短其自由振荡的时间。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 8 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。 U 4 A74 A L S 04 U 4 B74 A L S 04U 4 C74 A L S 04U 4 D74 A L S 04U 4 E74 A L S 04L S 1T X (F )R81KR91KV C CP 1 0 图 3.1 超声波发射电路 3.2 超声波接收模块 超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用与发射端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路进行放大。 超声波接收部分采用集成芯片 CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平 控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路 。 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很大的变化。为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。通过反馈将放大器设定于适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。 限度放大器：当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可消除寄生调幅干扰。 宽频带滤波器：其频率范 围为 30Hz60Hz，其中心频率可调。 检测器：将返回的超声波的包络解调回来。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 9 积分滤波器与整形电路：检测器输出的信号经积分滤波器送到整形电路，输出较好的矩形波。 接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。 IN1C12C23G N D4F05C36O U T7V C C8R 1 7C X 201 06AL S 3R X (S )C947 3R 1 4 4.7 K+C 1 7 10 uF /5 0V+C 1 0 10 uF /5 0VR 1 520 0KR 1 620 0KC6 33 0pFV C CC110 4P 3 2超声波接收电路 图 3.2 超声波接收电路图 3.2.1 集成电路 CX20106A 集成电路 CX20106A 是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。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。适当的改变C3 的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 CX20106A(国内同类产品型号为 D20106A)是日本索尼公司生产的在红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路。它还可广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。这种 IC 性能优越 ， 封装形式及体积与许多遥控信号接收器 IC 相同或相似 ， 故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。 CX20106A 可用来完成遥控信号， CX20106A 是日本索尼公司生产的红外解调集成电路，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、通带摅波、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，以实现遥控操作功能，其具体引脚图如图 3.3 所示 ： 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 10 图 3.3 集成电路 CX20106A 内部结构 图 CX20106A 的引脚注释： （ 1） l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k 。 （ 2） 2 脚：该脚与 GND 之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们 的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻 R 或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为 R=4.7 ， C=3.3 F。 （ 3） 3 脚：该脚与 GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为 3.3 F。 （ 4） 4 脚：接地端 。 （ 5） 5 脚：该脚与电源端 VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大， 中心频率越低。例如，取 R=200k 时， fn 42kHz，若取 R=220k ，则中心频率 f0 38KHz。 （ 6） 6 脚： 该脚与 GND 之间接入一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短 。 （ 7） 7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 22k ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降 。 （ 8） 8 脚： 电源正极， 4.5V 5V。 3.3 单片机实现测距原理 单片机发出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 tr，然后求出距离 S Ct/2，式中的 C 为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声黑龙江工程学院本科生 毕业设计 11 波换能器分别作为多路超声波发射 /接收的设计方法。 3.4 键盘控制电路 此键盘与单片机 P2口四个引脚相接，用于对报警距离进行设定。其中 S1表示“确定”按键； S2表示“减一”； S3表示“加一” 、 S4表示循环移位，对不同位置进行选择。驾驶员可以根据自身要求对报警距离进行设定，从而大大提高了驾驶的安全系数。 3.5 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，这里以课题中选用的传感器特性为例子。 3.5.1 超声波传感器的频率特性 图 3.4 超声波传感器的升压能级和灵敏度 图 3.4声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中， 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。其频率特性如图 3.5所示。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 40KHz 的交流电压来激励。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 12 图 3.5 超声发射传感器频率特性 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处曲线最尖锐，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，同时灵敏度以随之降低。并且最大灵敏的向稍低的频率移动。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。考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率 f = 40KHz，波长 = 0.85cm。 3.5.2 超声波传感器的指向特性 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 3.6是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。 图 3.6 超声波传感器指向特性及结构 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 13 3.6 单片机的选择 本系统中所用到的单片机为 STC89C51，以下是对其功能与结构的简单介绍。 3.6.1 STC89C51的简介 STC89C51是兼容 8051内核的单片机，是高速低功耗的新一 代 8051单片机， 12时钟机器周期和 6时钟周期可反复设置。 3.6.2 STC89C51的主要性能参数和特点 1 增强型 6时钟机器周期， 12时钟机器周期， 8051CPU。 2 工作电压： 5.5V 3.4V。 3 工作频率范围： 0 40 MHZ，相当于普通 8051的 0 80 MHZ，实际工作频率可达 48MHZ。 4 用户应用程序空间 4K/8K/16K/20K/32K/64K 字节。 5 片上集成 512字节 /1280字节 RAM。 6 通用 I/0口（ 32/36个），复位后为： P1/P2/P3/P4是准双向口 /弱上拉（普通 8051传统 I/0口） PO 口是开漏输入，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 7 ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（ P3.1） 直接下载用户程序， 8K 程序 3秒即可完成一片。 8 EEPROM 功能。 9看门狗。 10内部集成 MAX810专用复位电路（ D 版本才有 0）外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路。 11共 3个 16位定时器 /计数器。 12外部中断 2路，下降沿中断或电平触发中断， power down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 13通用异步串行口（ UART）。 14工作温度范围 :0-75 /-40 - +85。 15.封装： PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44。 3.7 超声波传感器的选择 3.7.1 超声波传感器的简介 超声波传感器选择的是 DYP-ME007 超声波测距模块，可提供 3cm-3.5cm 的非接触式距离感测功 能，包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理为给予此超声波测距模块触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块黑龙江工程学院本科生 毕业设计 14 输出回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面 会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面 。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 3.7.2 超声波传感器的技术参数 1 工作电压： DC5V； 2 静态电流：小于 2mA； 3 电平输出：高 5V； 4 电平输出：低 0V； 5 感应角度：不大于 15 度； 6 感应距 离： 4cm-5m； 7 高精度： 0.3cm。 3.8 本章小结 本章介绍了系统硬件的设计，对硬件的选择做了介绍和分析，以及硬件个部分的组成，对硬件部分的搭建做了充分的准备。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 15 第 4 章 倒车雷达 的软件设计 4.1 软 件总体结构框图 超声波倒车雷达系统的软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、 INT0 超声波接收中断程序及显示子程序四个主要模块组成。软 件设计的总体结构框图如图 4.1 图 4.1 程序总体框图 4.1.1 软件设计各程序简介 （ 1） 系统初始化模块：即系统刚上电的时候对系统的各个引脚的电平分配和对各寄存器的初值赋值。 （ 2） 数码管显示模块：通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在数码管上。 （ 3） 按键扫描模块：此模块用来通过键盘控制倒车雷达的工作。 （ 4） 发射接收控制模块：发射控制模块是软件控制超声波发射电路发射超声脉冲启动定时器工作，同时启动接收电路工作，当接收电路有信号输入时，对输入信号进行处理。 （ 5） 运算结果处理模块： 运算结果处理模块将多次所测得时间进行处理，进行软件取大值工作，根据公式计算出距离，然后再对计算得出的结果进行修正处理，数据处理后送至数码显示模块。 （ 6） 蜂鸣报警模块：当所测距离小于一定值时，通过蜂鸣报警来挺行驾驶员。 系统初始化程序 按键扫描模块 液晶显示模块 运算结果处理模块 发射接收控制模块 蜂鸣报警模块 系统各功能模块 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 16 我们知道 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率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用 C 语言和汇编语言混合编程。 主程序除了完成定时器 T0、中断源 TNT0 初 始化外，主要实现超声波的巡回发射（调用超声波发射程序）和距离的动态扫描显示； INT0 中断服务程序计算车尾距离障碍物的距离数据，该数据一方面交由主程序显示，另一方面与设定值（比如 1m）进行比较，如小于 1m，接蜂鸣器报警，否则关闭报警；如果车尾距离障碍物的距离较远，超声波往返时间就会超过了定时器 T 一次性最长的定时时间，则 T0 发生溢出而中断，这时进行距离计算，并显示“ OFF”，以示车后无障碍物，可放心倒车。 4.2 软件设计要求 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并显示车与障碍物的距离，并能在距离小于 4m 的时候根据设定值进行蜂鸣报警。 4.3 主程序 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，在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。程序首先完成初始化过程，然后是一个重复的控制发射信号的过程，即调用发射子程序几遍，而且每次发射周期结束都很判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生了中断，即是否有回波产生来判断程序的流程。 工作时，微处理器 STC89C51先把 p1.0置 0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器 T0开始计时。要检测返回信号必须在启动发射信号后 1.4毫秒才可以检测，这样就可以抑制输出的干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描 int0引脚，如果 int0接收的信号有高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。然后再根据现场情况进行声光报警。下图 4.2 为主程序流程框图： 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 17 图 4.2 主程序流程图 开始 初始化 发射超声波 启动定时 开中断 Testok=1 计算距离 开报警 距离 1.0m 关报警 显示距离 Testok=2 Testok=0 N Y 显示 OFF 显示距离 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 18 4.4 发射和接收模块中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 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 12 s左右，同时把计数器 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。进入中断程序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即 Testok=1。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，并将测距成功标志字赋值 2，及 Testok=2以表示此次测距失败。超声波发射程序比较简单，主要包括 T0中断服务程序和超声波接收中断服务程序。 下面分别给出各自的流程图如图 4.3 和 4.4： 图 4.3 T0 中断子程序 图 4.4 超声波接收中断子程序 4.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序 先进行动态显示初始化将指针指向缓冲区首地址，然后去显示位指针，取要显示的数，再将数变成段码，然后将段码送段控制器，位码送位控制器，在延时，然后判断 是否是最后一位，是否显示完毕，没有的话修改该缓冲区指针和位码，直到显示完毕。 显示及报警子程序框图： 屏蔽外部中断 屏蔽定时器中断 关定时器 屏蔽外部中断 关定时器 Testok=2 返回 屏蔽定时器中断 关定时器 T0 关外部中断 Testok=1 返回 屏蔽 T0 中断 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 19 图 4.5 显示子程序框图 图 4.6 报警子程序框图 4.6 本章小结 本章介绍了系统的软件部分，包括各部分的详细介绍和程序设计框图，对于程序的编写做了准备。 报警子程序 取测量值 LED 显示 Y 距离小于 1m 返回 蜂鸣报警 N 外部中断入口 初始化 开位选 查表送段码 位选左移一位 修正段码指针 返回 显示完毕 N Y 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 20 第 5 章 测试结果与 分析 5.1 测试结果 在室内进行的实验中，根据实验要求做了多次测试，记录了每次的数据，因为实验中都会存在着误差，所以测量时取平均值的方式记录，每次测量时根据设定的距离进行 3 次测量，然后取平均值。 表 5.1 距离测量数据表 序号 理论值 cm 实际值 cm 绝对误差 % 相对误差 % 1 25 24 1 3.8 2 30 31 1 3.2 3 40 42 2 4.7 4 58 57 1 1.7 5 80 81 1 1.2 6 96 94 2 2.1 7 120 119 1 0.8 8 144 146 2 1.3 9 190 188 2 1.0 10 210 211 1 0.4 11 250 248 2 0.8 12 280 283 3 1.0 13 300 301 1 0.3 14 325 326 1 0.3 15 333 332 1 0.3 16 350 349 1 0.2 从表中可以看出绝对误差为 3cm，相对误差小于 5%，满足设计要求。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 21 图 5.1 倒车雷达工作图 5.2 误差分析 引入测量误差的原因主要有： 1、环境对 测量的影响，包括空气温度变化引起的声速变化、空气成分变化、声波传播途中温度梯度导致的误差，由于这些因素对结果产生的影响比较小。开关门的可靠性是标志超声波传感器可靠性的关键，即同门控制。也就是说发射与脉冲计数必须同步。 2、量化误差，即参考频率计数结果的误差，由于单片机计时时钟频率的值有量化误差为 0.01 米，符合测距要求范围。所以超声波发送应考虑因素有： 1 量程范围 ；2 目标距离和目标反射情况。 3、触发误差，由于被测信号经放大，噪声信号。干扰信号的掺入，使触发时间可能提前或滞后，给测量结构带来了随机误差。 4、 本系统接收模块在工作时对发射信号的接收需要有一定的延时，再在这段时间中锁相环锁定信号，由此产生的误差。影响测量误差的因素很多，还有现场环境干扰、实际脉冲频率等。 5.3 测试过程 影响本设备进行报警的过程有很多原因，这些原因会导致仪器报警的成功与否，所以为此做了本次实验。 5.3.1 实验目的 本次实验目的是对本系统能否成功做出多次测试，保证设备的设计成功。 5.3.2 实验原理 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 22 通过超声波传感器的超声波的发射与接收验证倒车雷达的系统报警。 5.3.3 实验步骤 第一，验证硬件各部分接触是否完好； 第 二，接通电源，按复位键，进行系统初始化； 第三，设定报警距离，在超声波发射方向设立障碍物，观察在被测距离范围内报警器是否报警； 第四，改变报警距离，进行多次显示记录，观察是否能够准确报警。 5.3.4 实验结果 第一种，报警器能够第一时间准确在到达设定的报警距离时进行报警，报警器指示灯闪烁，发出蜂鸣声。 第二种，报警器没有在设定的报警距离时报警，指示灯没有闪亮，蜂鸣器没有发出声音。 5.3.5 实验结论 超声波传感器的发射和接收受到周围环境的影响，造成了设备测量的不准确，导致报警器无法报警。 5.4 本章小 结 本章对于系统的实现做了多次实验，进行了测量和误差的分析。介绍了产生误差的原因。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 23 结 论 本 研究所设计的倒车雷达系统，通过超声波传感器反射超声波，使用 STC89C51高速单片机计算 测量车与障碍物之间的往返时间 ，计算出车和障碍物之间的距离 然后显示在 LED 数码管上，当在探测的范围有障碍物时，蜂鸣器提示报警 。 在设计本产品时，通过查阅网络与图书馆搜集到的材料，再加上指导老师的指导与资料提供，与生活中对于超声波的工作原理的观察研究相结合，设计出了这个超声波倒车雷达系统，完成了 课题的要求，但是由于设计的理论基础知识掌握不充足，对课题的研究深度还不够，在某些地方还不能阐述的非常详尽，但设计的系统中也有着自己的特点，特点如下： （ 1） 产品价格低廉； （ 2） 采用模块化设计，使用方便； （ 3） 利用超声波传感器和单片机，易安装，稳定性好； （ 4） 超声波接收和发射分开，防止了信号发射和接收的不准确； 由于考虑了成本问题，在硬件上使用了 DYP-ME007 超声波传感器，在软件上，充分利用了 STC89C51 的强大功能。 但是现在市场上大多数倒车雷达多数存在这几点不足： （ 1） 最大有效探测距离问题； （ 2） 反应速度问题 ； （ 3） 探测盲区问题。 目前汽车倒车雷达系统的发展趋势就是逐步解决这些问题，以至于更好的为驾驶者服务。 本论文所存在的不足以及进一步的展望：经过前面章节的详细叙述，论文讨论了倒车雷达 系统的硬件与软件设计，虽然做出了一些成果，但由于个人能力和时间限制，系统 的精确度还不够好，对于声速在空气中会受到影响没有解决。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 24 参考文献 1 童诗白，华成英 ， 模拟电子技术基础 M,第三版 .北京：高等教育出版， 2001.1. 2 姜威等 ， 实用电子系统设计基础 .北京理工大学出版社， 2002.10. 3 杨凌霄等 ， 微型计算机原理及应用 .中国矿业大学出版社， 2004.05. 4 沈小丰等 ， 电子技术实践基础 .清华大学出版社， 2005.09130 141. 5 陈光东 ， 单片机微型计算机原理与接口技术 (第二版 ).武汉：华中理工大学出版社，1999.4. 6 徐淑华，程退安，姚万生 .单片机微型机原理及应用 .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1999. 6. 7 苏长赞 ， 红外线与超声波遥控 .北京：人民邮电出版社， 1993.7. 8 张谦琳 ， 超声波检测原理和方法 .北京：中国科技大学出版社， 1993.10. 9 丁义元等 ， 高精度测距雷达研究 .电子测量与仪器学报， 2000.10. 10 胜全 .D18B20 数字温度计在微机温度采集系统中的序编制 ， 南京：南京大学出版社 ， 1998. 3. 11 张靖 ， 加强单片机系统抗干扰能力的方法 .通化师范学院学报， 2004 .10. 12 袁慧梅 ， 单片机系统的印制板设计与抗干扰技术 .电子工艺技术 ， 2004 .6. 13 薛红宣等 ， 采用软件抗干扰设计提高微机系统的可靠性 .电子产品世界， 2004.1. 14 刘霞 .单片机系统软件抗干扰措施分析 .电子测量技术 ， 2003. 15 余发山等 .单片机原理及应用技术 .中国矿业大学出版社， 2003.12. 16Lopez-sanchez,Ana lilia. Ultrasonic sysem models and measurementsM.America:Iowa State Unibersity,2005. 17 Cirrus Logic Corporation.Single Phase BiDirectional Power/Energy IC-CS5460AEB/OL. .JAN2003. 18 Modbus Protocol.Modicon Modbus Protocol Reference GuideEB/OL. 1杨忠敏汽车仪表的发展现状 J汽车电器， 2004. 19 Silk M G Ultrasonic transducers for nondestructive testingM.Bristol:A.Hillier,1984. 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 25 致 谢 经过近半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经 接近尾声，衷心感谢我的导师。本文工作开始到撰写的每一个阶段都是在我的导师悉心指导下完成的，在这次设计中我不仅巩固了专业知识，而且提高了动手的能力，更重要的是这次毕业设计培养了我塌实的作风，端正了我学习的态度，也教给了我做人的道理。我相信这次毕业设计所积累下的宝贵经验会给我今后的学习和工作带来很大的帮助和深远的影响。 范德会老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神，兢兢业业、孜孜以求的工作作风对我产生了重要的影响，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及 同学的支持和帮助，想要完成这个设计是难以想象的。循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。虽然老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，到中期检查，后期详细设计，试验测试等整个繁琐的过程中老师都给予了我悉心的指导。 同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。 同时还要感谢大学四年来所有的老师，为我打下了夯实的专业知识基础。正是因为有了他们的支持和鼓励，本次毕业设计才会顺利完 成。 还要感谢黑龙江工程学院四年来对我的大力栽培。 最后我要深深地感谢我的家人 正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。 还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友，在此无法一一列举，在此也一并表示忠心地感谢！ 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 26 附 录 1 #include #include #include #define uchar unsigned char /定义一下方便使用 #define uint unsigned int #define ulong unsigned long #define jump_ROM 0xCC #define start 0x44 #define read_EEROM 0xBE sbit speak = P10； sbit k1=P12； sbit k2=P13； sbit k3=P14； sbit k4=P15； sbit k5=P16； sbit k6=P17； sbit led=P11； unsigned char TMPH,TMPL； /P3 口接液晶的 8 个数据口， RS、 RW、 E 三个液晶控制位接到 P1 口的低三位。 /若程序下载后液晶无任何显示或显示偏暗，需调节电位器来调节液晶的显示对比度。 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 27 sbit LCM_RW=P25； /定义引脚 sbit LCM_RS=P24； sbit LCM_E=P26； #define LCM_Data P0 #define Busy 0x80 /用于检测 LCM 状态字中的 Busy 标识 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint times=0； code char exampl= ； code char examp2= ； void WriteDataLCM(unsigned char WDLCM)； void WriteCommandLCM(unsigned char WCLCM,BuysC)； unsigned char ReadDataLCM(void)； unsigned char ReadStatusLCM(void)； void LCMInit(void)； void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData)； void DispInt(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned int i)； void Delay5Ms(void)； void Delay400Ms(void)； void mdelay(unsigned int delay)； void ePutstr(uchar x,uchar y,uchar code *ptr)； void disp(uchar code *dir)； void delay_ms(uchar t) /延时函数，大概为 t 为 1，则延时 5 到 6ms 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 28 uint i； for( ；t0；t-) for(i=0；i31) l+； ； for (i=0；il；i+) DisplayOneChar(x+,y,ptri)； if ( x = 16 ) x = 0； y = 1； /*= 移动显示 =*/ void disp(uchar code *dir) 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 32 uchar i,j=0； while(1) for(i=0；i0；delay-) for(i=0；i124；i+) ； /* sfr CLK_DIV = 0x97； /为 STC 单片机定义 ,系统时钟分频 /为 STC 单片机的 IO 口设置地址定义 /* sbit Trig = P37； /产生脉冲引脚 sbit Echo = P32； /回波引脚 sbit test = P11； /测试用引脚 黑龙江工程学院本科生 毕业设计 34 uchar code SEG710=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f；/数码管 0-9 uint distance4； /测距接收缓冲区 uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i； /自