基于单片机的倒车雷达系统设计

1、i 基于单片机的倒车雷达系统设计 学生： 指导教师： 内容摘要：随着科学技术的飞速发展，汽车已经由原来的奢侈品变为现在人们日常 生活工作中的必需品，在汽车生活中单片机作为一种结构简单价格低廉的控制系统逐 渐得到运用。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机一般是作为一个系 统的核心部件来使用。单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上集计数和 多种接口于一体的微型计算机。它是一种集计数和多种接口于一体的微控制器。而 51 单片机是一种最为典型最有代表性的单片机。 本设计主要应用 at89s51 作为控制核心，与显示器，驱动电路等相结合的系统。 利用单片机 at89s51 作为报警装置

2、的控制器，能充分发挥 at89s51 的数据处理和实时 控制功能。使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏度。本次设计的超声波倒车雷达 具有体积小、使用方便、硬件电路简单、软件功能完善、控制系统可靠等优点，是现 代社会发展必不可少的工具和动力。本设计将安全距离设为 0.5m，就可作为汽车倒车 报警器，提高汽车倒车时的安全性。该防撞报警器利用超声波实现对汽车的测距，利 用单片机的实时控制和数据处理功能完成系统的控制，文章给出了报警器的硬件电路 原理及软件设计。 关键词：单片机 at89s51 超声波 ii basedbased onon at89s51at89s51 back-draftback-d

3、raft radarradar systemssystems designdesign abstractabstract: in recent years, along with the science and technology and economy fly ceaselessly, cars have by original luxury into now people daily life work, the necessities in automotive life as a kind of simple structure microcontroller inexpensive

4、 control system can be applied gradually. in real-time detection and automatic control of microcomputer application system, microcontroller is generally as a component to the core of the system of the heart for a system function. the main function of single chip computer is computer parts were integ

5、rated in a chip used to count and various interface in the integration of microcomputer. this design uses 51 scm is a most typical most representative of microcontroller. this design main application at89s51 as control core, and display, drive circuit combination of system. at89s51 microcontroller a

6、s alarm device controller, can make full use of data processing and at89s51 real-time control function. make the system work in the best condition, and improve the system of sensitivity. the design of ultrasonic reverse radar has small volume, convenient, hardware circuit is simple, perfect function

7、, control system software reliability, is the modern social development essential tools and power. this design will be safe distance set to 0.5 m, can be used as automobile reverse alarm, improve the safety car while backing. the reverse system using ultrasonic realize for the automobile distance. o

8、f the microcontroller real-time control and data processing function complete system control and give the alarm hardware circuit principle and software design. keywords:keywords: microcontroller at89s51 ultrasonic 1 目 录 前言.1 1 绪论.1 1.1 超声波检测的发展.1 1.2 单片机发展综述.2 1.3 本设计所涉及问题的现状综述.2 2 超声波简介.3 2.1 超声波特点

9、.3 2.2 超声波传感器定义.4 2.3 超声波传感器的特性.5 2.3.1超声波传感器的频率特性 .5 2.3.2 指向特性 .6 2.4 超声波传感器应用.6 3 各硬件组成单元方案设计.7 3.1 发射和接收单元方案设计.7 3.1.1 主要模块设计.7 3.1.2 发射接收电路中应考虑的问题.8 3.2 显示报警单元方案设计 .10 3.2.1 系统显示电路设计.10 3.2.2 系统报警电路设计.11 3.3 单片机复位电路.11 3.4 时钟电路.11 3.5 驱动电路.11 2 3.6 硬件电路设计.12 4 系统硬件及软件实现.12 4.1 单片机硬件介绍.12 4.1.1

10、单片机 at89s51 介绍 .12 4.2 cx20106a 超声波芯片介绍.13 4.3 探头 ucm 介绍.14 4.4 系统软件结构.15 4.4.1 软件功能.15 4.4.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序.17 4.4.3 延时程序.17 5 结束语 .17 附录 1：系统图.19 附录 2 ：主程序.20 参考文献：.26 3 基于单片机的倒车雷达系统设计 前言 伴随着中国的国内生产总值(gdp)以两位数持续增长，中国进行着日新月异的变化， 汽车最为一种交通、运输工具在现代社会中扮演者不容忽视的地位，因此人们对汽车 的需求也相应提高，据统计 2009 年光是成都市平均每天新增车辆在

11、 1000 辆左右。如 此庞大数量的汽车数量所带来的交通问题成为城市中不容忽视的问题，不仅是城市的 规划者还有庞大的汽车车主们都纷纷为此挠头，因为他们不仅要面对道路上的交通问 题还要面对停车带来的各种问题。汽车作为一种机械它就有着机械本身的一个特点这 就是笨拙，它不会像人或者动物一样判断问题，在倒车的过程中就会出现一系列的问 题。特别是新手在倒车的过程中无法达到人车合一的境界，所以一个能使一个新手也 能得心应手的把车安全的停到车位上就显得尤为必要倒车雷达（car reversing aid system ）是汽车泊车时的安全辅助装置 , 能以声音警示和距离显示提醒驾驶员 后方障碍物的情况 ,

12、解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视的困扰,提高了安 全性。目前市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理, 所以设计一种较低成本、较 高性能的倒车雷达对国内中低端汽车市场很有价值。 1 绪论 1.1 超声波检测的发展 19 世纪人们开始研究超声波，由于超声波是声波的一个分支，只是超声波的频率 超过了可听的限度。而超声波作为无损检测的方法最早是由苏联萨哈切夫 1929 年提出 并与 1936 年经过首次试验并取得成功；后来分别在 1943 年和 1946 年由美国和英国开 发出发出 a 型脉冲反射式超声波检测仪，并将其运用于钢板检测和探伤中，到了现在 超声波光在各个领域均得到了相当广泛的运用。

13、 我国超声波检测仪器起步较晚但是发展迅猛，20 世纪 50 年代我国第一次引进超声 波检测技术，1950 年我国铁道部首次从瑞士引进的穿透式超声仪运用于路轨检测。 1953 年，国内首台脉冲反射式超声波检测仪在中科院长春机电研究所研制成功，由此 也专门办了培训班塑造出了我国第一代超声波检测人才。到了现阶段我国的超声波技 术与国际上还有一些差距，这些差距主要表现在高层次的技术上但从整体上说我国的 超声波技术还是有着较高层次的研究和运用。改革开放以来中国的经济蒸蒸日上面对 各式各样越来越高的生产要求和工艺要求使得超声波有了发展和进一步完善的大好机 4 会。超声波的进一步开发和利用有待提高。 1.2

14、 单片机发展综述 单片机是属于微型计算机的一种，二者既有相同的地方，又有区别。单片机集成 了微型计算机的很多功能部件，如具有数据处理功能的 cpu、随机和只读存储器、输入 /输出口和中断系统。但它们的具体结构和处理方法不同。 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗、高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 flash 只读存储器，这枚芯片集 flash 程序存储器既可在线编程 也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯片中，atmel 公司的功能强大， 低价位 at89s51 单片机可以提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领

15、 域。 尽管 at89s51 与 89c51 在外型管脚上完全相同，但 at89s51 在在性能方面比 89c51 要优越一些，它可以在线编程，这样在改写片内程序时，不需要将芯片从工作环境中 取下来，使用更加方便；有了更高的工作频率：范围大概为 33mhz，根据有关资料得知 89c51 的极限工作频率只有 24m，使得其计算速度得到了提高；稳定性更好，抗干扰能 力更强；烧写次数更多；程序的保密性大大加强；兼容性方面：at89s51 向下完全兼容 51 全部字系列产品。向 89s51 也可以向下兼容1比如 8051、89s51 等早期 mcs-51 兼 容产品。 1.3 本设计所涉及问题的现状综

16、述 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形式可以分为横波和纵波。譬如，鼓面经敲击后，它就 上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这种能量的传播方式叫做声 波。 超声波是指振动频率大于 20khz 的声波,由于频率超出了人耳听觉的上限 （20000hz） ，我们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波和声波本质上是一致的， 它们的共同点都是一种机械振动模式是一种能量的传播形式，通常以纵波的方式在弹 性介质内会传播，其不同点是超声波频率高，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。 由于超声波的速度和声音传播速度

17、差不多，其传播时间就比较容易检测，并且还 具有定向发射、方向性好、强度易于控制等优点是超声波得以广泛应用的先决条件。 超声波测距是一种利用声波特性，电子计数相结合来实现非接触式距离测量的方法。 超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体 与超声波探头之间的传输来测量距离的所以它就能够在某些特定场合和环境比较恶劣 5 的情况下使用2。 超声波也是一种机械波，所以它也具有波的反射、干涉、衍射等基本物理特性。 波每秒振动的次数我们称为频率，用单位赫兹来恒量其大小。声波范围在 20-20000hz 时，我们人耳就能听见，在这范围之外就是我们不能感受到的声波了。高于 20

18、khz 的 声波我们称为超声波，低于 20hz 的声波称为次声波，所以说超声波是一种特殊的声波。 由于超声波的频率很高，故它的方向性好、振幅小、穿透能力强，在医药行业、工业 制造、农业生产等众多领域都得到了广泛的应用。 近年来，随着经济的不断发展超声波的优点逐渐被人们所周知所以对超声波技术 也不断深入研究，再加上超声波本身具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波得 到了越来越广泛的应用。 2 超声波简介 2.1 超声波特点 3 3 a.超声波的吸收特性 ：声波在各种介质中传播时，传播强度会随着传播距离的增 加逐渐减弱，减弱程度与波的频率和传输介质有关。频率越高强度减少得越多。在固 体、液体、气

19、体的传播时，减少的程度分别是小、中、大。本次设计是用波来测距离， 波的传播介质是气体，而传播强度在气体中减弱强度最大，故我们应该选择能量交大 的超声波。 b.超声波的束射性 ：我们都知道光波是沿直线传播的，具有反射与折射的特性。 发生反射时，入射光线与出射光线在同一平面，入射角与初涉角相同。发生折射时， 折射光线与折射光线也在同一平面上，折射角与发生折射的两种物质的密度差异有关， 差异越多，折射角就越大。超声波的波长很短，故其具有光波的反射与折射的特性。 超声波测距就是用了它的反射特性。 c.超声波的能量传递特性 ：超声波比声波具有强大得多的功率这是超声波在日常 生活中得到广泛运用的一个主要原

20、因。共振现象是指激励频率与物体的固有频率相同 时，物体就会振动。当超声波在介质物质中传播时，超声波会使物质中的分子和自己 一起振动，且频率相同，超声波的频率很高，物质分子的频率也很高，从而使得分子 振动的速度高，能量大。而普通的声波频率不高，物质中分子获得的能量就不大。 首先超声波在功率方面比一般可听声更强大得多。根据有关研究实验表明，一般 的讲话声音的能量是很小的而超声波所具有的能量却很大。举个列子来说假设我们想 用普通说话的能量来烧开一壶水，那么相当于动员 700 多万人，连续大声喊叫 12 个小 6 时将水壶里的水烧开而超声波具有的能量，要比一般可听声大的多，频率为 100 万赫 兹的超

21、声波的能量，要比同幅度的频率为 1000 赫兹的可听声能量大 100 万倍。所以由 于超声波拥有如此巨大的能量，也就使得超声波在实际生产测验中得到了广泛的运用， 而很多具体的应用都是基于超声波的这个特点上的。其次由于超声波的频率较高，所 以超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出和普通光线一样的透射、 反射和折射现象（在本次倒车雷达设计中就采用的超声波的这个特点） 。利用超声波聚 集装置可以将超声波束会聚到一点，从而将超声波的声强提高几倍甚至几千倍，利用 这样巨大的声强可以做许多很有意义的工作5。例如:超声波切割、超声波钻孔、超声 波打磨等。 2.2 超声波传感器定义 传感器：一种能

22、把特定信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信 号输出的期间和装置6。超声传感器是利用超声波特性研制的传感器，可以实现超声 能和其他形式的能互相转化的一种器件。超声波传感器的形式有很多种，主要结构由 压电晶片、吸收块、保护膜和引线等部件组成。日常生活中常用的有两大类:即电声型 （压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器）与流体动力型（气体、液体） 。 压电晶体是一类十分有趣的晶体（水晶（-石英）就是一种有名的压电晶体） ， 当外加力对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生极性不同的电荷，这种现象称为压电 效应。超声波传感器的构成也主要是基于压电晶体的这个特性上的。当压电晶体在沿 一定方向上受

23、到外力的作用而变形时，会在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷 我们称这种现象叫做内部极化现象。当外力去掉后，压电晶体又会恢复到不带电的状 态；当在压电晶体上施加和原来方向相反的外力时，电荷的极性也与之改变。反之如 果在压电晶体的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介 质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。我们把根据压电效应和逆压电效应而 做成的传感器称为为压电传感器。在本次设计中使用的超声波传感器采用的是双压电 陶瓷晶片，这种超声传感器具有使用的压电材料较少、价格低廉等优点并且在气体和 液体介质中尤其适用，这就为超声波倒车雷达提供了先决条件。在超声波超声波传感 器上

24、加交流电压时，利用压电效应就会产生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机械变形这时便会发射与电流同频率的超声波。反之如果有超声 机械波作用在压电陶瓷晶片上，也会使压电晶片产生与超声机械波一致的机械变形， 使压电陶瓷晶片产生电信号5。超声波发生器内部结构如图 2.2-1 所示。发射超声波 7 时要超声传感器有较高的灵敏度加在电极上面的交变电压的频率就必须与它的固有谐 振频率一致。当所用压电材料不变时，其固有谐振频率只与压电陶瓷晶片的几何尺寸 有关。利用这种方法可制成各种频率的超声传感器。 电极 压电晶片 共振片 图 2.2-1 压电式超声波传感器结构图 2.3 超声波传感器的

25、特性 2.3.1超声波传感器的频率特性7 7 图 2.3.1-1 是超声波发射传感器的频率特性曲线。可以看出超声发射传感器在 f040khz 时产生的超声声压能级最高。所以，超声波发射传感器的激励交流电压一定 要为 f0才能产生最强的机械波能量。同理，超声波接收传感器的频率特性也要在特定 频率是才能最好的接收到超声波。超声波接收和发射传感器对频率很敏感，所以在频 率选择上就必须把频率设定在最佳状态这样才能最好的接收和发送超声波。在电路设 计时，要注意超声接收传感器的电路连接，尤其是电路中器件参数的选择。在接收头 上会外接一个电阻 r，这个电阻的大小决定输入到控制器中的交流电压频率特性。当 r

26、大时，频率特性尖锐但灵敏度高；当 r 小时，频率特性平滑但灵敏度低。我们在设计 电路时，这个地方应折中考虑，使超声波的接收效果达到最好。 发射灵敏度（db） 8 图 2.3.1-1 超声波频率特性 2.3.2 指向特性 在日常生活中人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向 四周扩散周围均能听到声音。但对于超声波而言由于超声波具有很高的频率，所以方 向性（方向性即束射性）就相对要强。实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆 片，发出的超声波在各种媒质中传播时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，所以随 着传播路程的增加，声波的强度会随之减弱。超声传感器的空间某一点的声压是这些 子波

27、迭加的结果，具有很强的指向性。本次设计的汽车倒车雷达主要就是要测出汽车 与障碍物的距离，障碍物这一目标是非常明确的，所以我们用的声波需要很强的指向 性，超声波是最好的选择。 2.4 超声波传感器应用 超声波传感器主要是产生超声波和接收超声波信号，主要有两种类型，即专用型 和兼用型，专用型是把发射器和接收器制作在一起的。超声波的检测也主要有两种方 式，即反射式和直射式。反射式是将发送的超声波通过被测物体反射后由探头接收， 发射头和接收头位于被测物同一测；直射式是将发射头与接收头分别置于被测物体的 两侧8。如图 2.4-1。 9 接 收 发 送 被测物体 rx tx tx rx 发 送 接 收 图

28、 2.4-1 反射式与直射式超声波检测 此次设计中超声波的检测方式用的是用的反射式，让压电式超声波传感器在交流 电的作用下产生同频率的超声波，发射出去时微处理器开始计时，遇到障碍物时因其 具有很强的反射行，会反射回超声波，当接收探头收到超声波信号时，转化为电信号 传送给微处理器，此时停止计时，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差 t。根据 超声波常温时在空气中传播的速度 c=340m/s 就可测得发射器与障碍物的距离 l=c*t/2。超声波测距示意图如图 2.4-2 所示： l 障碍物 超声波发射器 超声波接收器 图 2.4-2 超声波测距示意图 3 各硬件组成单元方案设计 3.1 发射和接

29、收单元方案设计 该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电 路组成，通过各个单元模块单独作用通过单片机的整合构成整个单片机倒车雷达系统。 通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用综合性 能较好的 at89s51 单片机。采用压电式超声换能器 t40-16 作为信号的发送和接收，具 体收发电路如图附录一所示。该电路为了符合本设计需要和实验室资源，采用了两级 信号放大，增强了接收信号，简单实用。 10 倒车雷达系统在当汽车的档位启动被启动，微处理器利用定时器的功能从开始发 送超声波时开始定时，在收到反射的超声波时结束定时，从而记录下超声波在空

30、气中 传播的时间。经计算距离中断程序算出汽车与障碍物的距离，如果距离太近了，报警 系统会通过蜂鸣器发出警示声音，从而提醒驾驶员安全驾驶。 3.1.1 主要模块设计 发射电路 发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。由单片机 p1.1 口控制其脉冲产生电路 产生 40khz 脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路。脉冲产生电路的输出电 压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。因为脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小 直接影响测距范围所以应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。发射电路由电压为 9v 的 直流电源提供电能，此外还有阻值分别为 3.6 千欧和 360 欧的电阻各一个，npn 型三极 管和激励换

31、能器 t40-16 也是各一个。发射电路工作原理：用单片机 at89s51 编写一个 产生 40khz 方波的程序，通过 p1.0 这个 i/o 送到发射电路，经过三极管放大,驱动 t40-16 振动发射出超声波。其原理框图如图 3.1.1-1 所示。 at89c5 1 单片机 p1.0 口发 出脉冲 通过放大 器放大 励磁换能 器 t40-16 发射超 声波 图 3.1.1-1 流程框图 接收电路 接收电路的主要任务是接收经过障碍物返回的超声波并向单片机发出中断以停止 计时。接收电路设计是影响超声波在空气中传播时间的测量的关键因素。在超声波接 收器的设计上本次设计采用 t40-16 作为超声

32、波的接收芯片。接收部分电路由检波电路、 滤波放大电路和整形电路组成。检波电路识别回波以便后级电路放大；整形电路把回 波信号整理为单片机系统能够识别的信号并向单片机发出中断信号停止计时。接收电 路的主体是滤波放大电路。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，所以接收电路设 置了滤波放大电路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电 路采用相同的结构和参数。接收电路如框图 3.1.1-2 所示。 接 收 器 r4016 at89c5 1 单片机超声波 通过放 大器放 大 11 图 3.1.1-2 原理框图 3.1.2 发射接收电路中应考虑的问题9 9 超声波是通过压电晶体的振动产生的，

33、但晶体的振动需要一段时间的过度才 能稳定，其发射波形如图 3.1.2-1，在不稳定期虽能产生超声波，但灵敏度不高，为 了提高灵敏度，我们应该在稳态时产生超声波，本次设计选择脉宽为 120s 来消除测 量“盲区” ，即波形出于暂态的区域，其中包含 5 个调制的 44khz 的方波信号。 图 3.1.2-1 发射波形 由于超声波传感器发出的是以声波形式在空气中传播所以在传播的过程中就 必然会损失掉部分能量，传感器功能的实现主要取决于发射信号传输过程中的损耗的 因素，就比如说声波在空气中损失、反射时的损失、环境噪声等。由于接收的超声波 信号很弱，所以在信号放大和滤波方面尤其重要。 信号接收状态是否良

34、好关系到整个系统的准确性和安全性，所以必须考虑对 接收信号有影响的各种因素，如超声波在空气介质中传输时回波等其他波的干扰，接 收到的超声波产生的电信号是否足够大。为了解决这些问题，在电路中需要安装一个 滤波器，它主要起两方面的作用，一是使输出的有用信号成分最强，二是使输出噪声 成分尽可能的减小。但是任意的滤波器都行，必须选一个与之相匹配的。 接收电路中需要一个放大器，其作用是放大经障碍物反射回来的超声波信号，并 且抑止干扰信号。运算放大器的工作原理如图 3.1.2-2。运算放大器的主要技术参数: 激励阶段减幅震荡 暂态稳态 12 （a） 开环差模电压增益 au0：au0 是指集成运放在无外加反

35、馈情况下,并工作在 线性区时的差模电压增益.用分贝表示则是 20lgau0.性能较好的集成运放的 au0 可达 140db 以上。 （b） 输入失调电压及其温漂：失调电压的大小主要反映了差分输入元件的失配； 输入失调电压是随温度,电源电压或时间而变化的,通常将输入失调电压对温度的平均 变化率称为输入电压温度漂移。 （c） 输入失调电流及其温漂：在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入 端的基极静态电流之差称为输入失调电流 ii0。输入失调电流温度漂移是指输入失调电 压随温度变化的平均变化率。一般以 ma/0c 为单位。高质量的为每度几个皮安。 （d） 输入偏置电流 iib：iib 是指常温下

36、输入信号为零时，两个输入端静态电流 的平均值，即 iib=（ib1+ib2）/2 （4.2.1） iib 的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小，iib 越小，运算放大 器的输入电阻越高，输入失调电流越小。 （e） 差模输入电阻 rid：rid 是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般 为几兆。 （f） 输出电阻 r0：运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效 电阻即为输出电阻。r0 大小放映了运算放大器的负载能力。 （g） 共模抑制比 kcmr kcmr=aud/auc （4.2.2） 用 db 表示，即为 20lg(aud/auc). （h） 最大差模输入电压 u

37、idm：uidm 是指运算放大器同相端和反相端之间所能加 的最大电压。 （i） 最大共模输入电压 uicm：uicm 是指运算放大器在线性工作范围内能承受的 最大共模输入电压。 13 前 置放 大 信号 带通 放大 模拟 开关 程控 放大 输出 控制端 a1 a0 图 3.1.2-2 信号放大器原理图 3.2 显示报警单元方案设计 当超声波接收器接收到返回的超声波时将信号传送给单片机 at89s51，经过运算得 出汽车与障碍物得距离，通过数码管显示出来，如果具体晓得一定范围蜂鸣器就会发 出声音，以被驾驶员直接识别，从而避免安全事故发生。显示报警单元主要由显示电 路和报警电路组成。 3.2.1

38、系统显示电路设计 本设计的显示距离范围为 8 米，用四联共阳极数码管 led 进行显示，即汽车与障 碍物距离在 0 到 8 米内都能通过数码管准确清晰的为驾驶员反映障碍物到保险杠的距 离。从而使驾驶员能够将汽车停靠在相应的位置，显示电路图见附录一所示。 3.2.2 系统报警电路设计 系统报警电路由一个三极管、一个上拉电阻和一个蜂鸣器组成如图附录一所示。当 t40-16 发 射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，通过接收器 r40-16 接收，并将其转换成相应的电信 号，经过运算放大器放大后，将信号送给单片机 at89s51 产生一个中断。这样，计数器便停止计 数。单片机计算相应的时间差，根据

39、 s=340*t/2 这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果 以十进制的方式送到七段 led 显示电路去显示，如果距离小于 0.5m，则单片机 at89s51 便给 p1.5 口一个信号，使得报警电路工作，实现显示报警功能7。 3.3 单片机复位电路 当给单片机上电那一瞬间，电压有在几微秒内（有的是几毫秒内）不是直接跳变 到 5v 的而是一个直线上升的阶段，这时候，单片机不能正常工作，需要复位电路给它 延时以等到电压稳定。单片机系统在启动运行时都需要复位，复位中央处理器 cpu 和 内部其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。 14 mcs-51 单片机 有一个复位引脚 rs

40、t，高电平有效。在时钟电路工作以后，当外部 电路使得 rst 端出现 2 个机器周期（24 个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。 负未有两种方式：上电复位和按钮复位，这里采用按钮复位，复位电路的设计图见附 录一9。 3.4 时钟电路 定时/计数器的核心是 16 位加法计数器，在图中用特殊功能寄存器 th0、tl0 及 th1、tl1 表示。th0，tl0 是定时计数器 t0 加法计数器的高 8 位和低 8 位，th1 和 tl1 是定时计数器 t1 加法计数器的高 8 位和低 8 位。方式寄存器 tmod 用于设定定时计数 器 t0 和 t1 的工作方式，控制寄存器 tcon 用于对定时/

41、计数器启动。停止进行控制。 当定时计数器用于计时时，激发计数器对内部机械周期 tcy 计数。用于机械周期时间 是定值，所以对 tcy 的计数就是定时，如 tcy=1us，计数 100，定时 100us，这样就需 要有一个晶振电路，晶振电路由两个 30pf 左右的电容和一个 11.0592mhz 的晶体振荡 器组成。只是为方便计算我们常取 12mhz，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高8。 3.5 驱动电路 怎么样才能让驾驶员知道车尾到后方障碍的准确距离呢？这还得用数字的方法显 示出来，这样 led 数码管就派上了用场，但是由于单片机的口线驱动能力太弱，要使 数码管亮起来光靠单片机自带的电流是

42、远远不够的所以就得加一个驱动电路来驱动数 码这样才能让数码管清晰的显示出来，驱动电路如图附录一所示。 3.6 硬件电路设计 在做好了超声波发射和接收模块后与单片机相结合构成了整个倒车雷达系统设计， 设计原理框图如图 3.5-1 所示由 at89s51 作为系统的心脏，支配超声波发射器发射出 超声波在发射超声波的同时开始计时，同时开始检测反射回来的超声波，当检测到超 声波时由放大整形电路对超声波进行过滤和放大，计算出超声波在整个过程中的传播 时间并由此计算出汽车保险杠到障碍物的距离，将数据以十进制的形式发送给数码管 进行显示，在小于安全距离时进行报警。 15 数码管 晶振 电路 at 89s51

43、 放大电路 放大电路 超声波发射电路 蜂鸣器报警 放大整 形电路 超声波接收电路 图 3.5-1 硬件原理框图 4 系统硬件及软件实现 4.1 单片机硬件介绍 4.1.1 单片机 at89s51 介绍 at89s51 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 8k bytes isp(in- system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器，芯片内集成了 通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 at89s51 可为 许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。 at89s51 具有如下特点：

44、a.在存储器结构上，改单片机采用是将程序指令和数据存储分的哈佛结构，rom 和 ram 是严格分开的，两者的访问方式不，使用的寻址方式也不同，通过不同的地址 指针访问，这样单片机的存储器在操作时分为开执行，提高了 cpu 的运行效率。 b.在芯片引脚上，虽然 at89s51 只有 40 个引脚，但大部分都采用分时复用技术， 一根引脚往往设计了两个或多个功能，每个引脚在当前工作状态是起的什么作用，要 看指令和当前机器的状态。 c.在指令系统上，采用面向控制系统的指令。因单片机有很强的逻辑控制能力， 所以可以满足众多领域的控制要求。为了提高运算速度，在单片机内部有个独立的位 处理器，用于位计算。

45、d. 程序的保密性大大加强：全新的加密算法，这使得对于 89s51 的解密变为不可 能这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 e. 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。向 89s51 也可以向下兼容1 16 比如 8051、89s51 等早期 mcs-51 兼容产品。由于具有编程简单，系统稳定，易于实现， 价格低廉等优点在控制领域得到了非常广泛的运用。 图 4.1.1-1 at89s51 引脚图 4.2 cx20106a 超声波芯片介绍 cx20106a 是索尼公司生产的一款彩色电视专用红外遥控接收器。红外的载波频率 为 38 khz，这与超声波频率 40 khz 较为接近，故用了

46、这枚芯片。它采用单列 8 脚直插 式封装，需要外部提供+5v 的电源。其内部又前置放大电路、限幅放大电路、宽频带滤 波电路、比较整形和滞后比较电路组成。cx20106a 引脚如图 4.2-1，引脚功能如表 4.2-1。 图 4.2-1 cx20106a 引脚图 17 表 4.2-1cx20106a 引脚功能 管脚 1信号输入端，输入阻抗在 40 千欧左右 管脚 2增益调节端，与 gnd 连接组成负反馈，调节电阻与 电容参数可改变放大倍数 管脚 3检测端，与 gnd 连接成为检波电容 管脚 4接地端 管脚 5带通滤波器调节端 管脚 6积分端，连接一个积分电容再接地 管脚 7信号输出端 管脚 8电

47、源端 4.3探头 ucm 介绍 表 4.3-1 超声波传感器特性参数 型号 ucmt40k1ucmr40k1 结构开放式开放式 发射距离810 米810 米 使用方式发射接收 谐振频率 40khz1khz40khz1khz 频带宽 2khz0.5khz2khz0.5khz 灵敏度 70db / v / ubar70db / v / ubar 外形尺寸 16mm22.5mm16mm22.5mm 温度范围 20 + 60 20 + 60 相对湿度20 5时达 98%20 5时达 98% 超声波传感器具有体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉等优点是现代生活、 工业生产中必不可少的原件被广泛应用于各种

48、遥控电路，测量电路中。 18 4.4 系统软件结构 4.4.1 软件功能 在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，开始对各个组件进行融合首先是 对系统进行初始化，由单片机产生固定频率作用到超声波发生器发射超声波同时开始 计时，当超声波接收器接收到返回的超声波时，计算出超声波在整个过程中传播的时 间，对时间进行处理，当处于安全距离时有显示电路显示出距离返回继续发射超声波， 当测得的距离小于安全距离时由显示电路显示出距离并且由报警电路进行报警形成一 个有机的整体超声波倒车雷达系统。根据所述系统硬件设计和所完成的功能，系 统软件需要实现以下功能流程图如图 4.4.1-1 所示。 n n 开始 单片

49、机初始化 发射超声波 外部中断程序 发射超声波 返回 y 有回波吗？ 三个方向是否发射完？ 计算距离 显示报警 图 4.4.1-1 主程序流程图 控制信号 在编写程序时，我们需要考虑整个系统中所出现的各种信号，如发射脉冲信号、 峰值采集信号、滤波信号、中断信号。当各个信号被送到中央处理器时，我们能及时 19 处理，并把结果送到相应的部件上去。 存储数据 通过对发射超声波和接收超声波之间的时间差要进行计算，然后存储以便在后来 用在计算距离上，然后存储在 ram 中，对数据进行分析处理，需要注意的是在发生超 声波是需要对计数器清零，为下次存储新数据做准备。 处理信号 单片机内存中记录的数据是传输时

50、间，而不是距离，说以不能直接显示出来，学 院经过 s=v*t/2 的换算。然后将数据处理由二进制转换为十进制，然后交由单片机 软件处理得到的距离送显示输出，用七段 led 显示并进行报警。 4.4.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序 在进入到倒车程序时，系统启动并开始向车尾发射超声波同时开始计时，当发射 出的超声波遇到障碍物时返回，当超声波接收器接收到返回的超声波时单片机进行一 次中断由此来计算出超声波在整个传播过程中的时间并用这个时间来计算超声波在空 气中传播的距离用这个距离除以 2 便是后保险杠距离障碍物的距离，并且将这个数据 用 led 显示出来让驾驶员知道。当距离小于安全距离时通过蜂鸣器进

51、行报警。流程图 如 4.4.2-1 所示。 显示报警子程序 取测量值 led 显示 返回 蜂鸣器报警 n y 距离小于 50cm 图 4.4.2-1 显示报警程序流程图 外部中断入口 外部中断 读取 t0时间值 计算距离 外部中断返回 返回 20 4.4.3 延时程序 本次设计采用的中央处理器是 at89s51，器晶体振荡频率为 11.0529 mhz，机器周 期为 1 s。只有计算出一条指令所用的时间，就可以编写任意值的延时程序，通常采 用的是循环方式来实现的。由于按键有抖动的特性，所以延时还有一个非常重要的作 用就是软件去抖动，当驾驶员挂上倒车档位时插入一个延时程序，等待完全进入到倒 车时

52、才启动倒车雷达系统。 5 结束语 通过这一阶段的毕业设计，我受益匪浅，在这个过程中不仅锻炼了良好的逻辑思 维能力，而且培养了弃而不舍的求学精神和严谨作风。回顾此次毕业设计，是大学四 年所学知识很好的总结。通过毕业设计锻炼了我们发现问题解决问题的思维和能力同 时也锻炼实践能力是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。这次的毕业设计通 过搜集相关资料和撰写可以说已经囊括了大学期间大部分的知识，从选题到定稿，从 理论到实践可以把所学的专业认识充分运用起来解决具体的问题，巩固了已有的知识， 也学到了很多在书本上所没有学到过的知识,能够使所学知识融会贯通。对于我来说这 不仅仅是一次毕业设计，更重要的是在过程中提高了我学习的能力、解决问题的能力 和实际工作的能力,这些技能和方法都会对将来的工作有很大的帮助。这次毕业设计也 许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想借此机会感谢四年以来给我帮助的所有老 师、同学，你们的友谊是我人生的财