超声波倒车雷达系统的设计

1、南阳理工学院本科生毕业设计论文学院：电子与电气工程学院专业：电气工程及其自动化学 生：睢丰指导教师：尉乔南完成日期2021年主_月南阳理工学院本科生毕业设计论文超声波倒车雷达系统的设计Design of Ultrasonic Reversing Radar System总计：29页表格：1个插图：18幅南阳理工学院本科毕业设计论文超声波倒车雷达系统的设计Design of Ultrasonic Reversing Radar System学专院：电子与电气工程学院业：电气工程及其自动化学生姓名：睢丰学号：_1109614050指导教师职称：尉乔南讲师评阅教帅：_完成日期：_南阳理工学院Nany

2、ang Institute of Technology超声波倒车雷达系统的设计I超声波倒车雷达系统的设计电气工程及其白动化专业 睢丰摘要基丁超声波测距的汽车倒车雷达系统是在充分理解了超声波测距原理的基 础上提出的。工作时，超声波传感器发出脉冲信号，经障碍物反射后由超声波接收装置 接收并送至单片机处理，可实现倒车时障碍物距离的实时监测并通过语音报警提示驾驶 员。本设计是以AT89C51II片机为主控制器的超声波倒车雷达系统，包括超声波发射和 接收局部、单片机处理局部、LCD显示局部和语音报警局部等硬件系统以及软件程序设 计。关键词倒车雷达；单片机控制；超声波测距；语音报警Design of Ul

3、trasonic Reversing Radar SystemElectrical Engineering and Automation Specialty SUI FengAbstract: Based on the ultrasonic distance measurement principle,this text put forward adesign scheme of car reversing radar system based on ultrasonic distance measurement. Ultrasonicsensor sends a pulse signal w

4、hen it is working,and the ultrasonic receiving decive send the reflectedsignal by the obstacle to the MCU,this system could achieve Real-time monitoring of the Obstacledistance when reversing and prompt the driver by voice alarm.The overall design of ultrasonicreversing radar system based on the AT8

5、9C51 single chip as main controller was detailedintroduced,include Ultrasonic transmitting and receiving part,MCU processing part,display by LCD,Voice Alarm part and its programming in the software.Keywords: Reversing radar; single chip microprocessor; ultrasonic distance measurement;voice alarm超声波倒

6、车雷达系统的设计2目 录1引言.11.1倒车雷达的研究现状及开展趋势.11.2设计主要内容.22系统的总体设计方案及理论根底 .22.1总体设计方案.22.2超声波测距理论分析.32.2.1超声波测距原理.32.2.2超声波测距精度分析.32.3超声波传感器.42.3.1超声波传感器的原理及结构.42.3.2超声波传感器的应用.52.2.3超声波传感器的主要性能指标 .53系统的硬件设计.53.1单片机主控系统电路设计 .53.1.1单片机选择.53.1.2电源电路.63.1.3复位电路.73.1.4时钟电路.83.2超声波发射电路.83.3超声波检测接收电路.93.3.1集成电路CX2021

7、6A.93.3.2超声波接收电路 .103.4显示电路.113.5语音报警电路.123.5.1语音芯片选择.123.5.2 ISD4004语音芯片的引脚定义 .123.5.3 ISD4004与单片机的接口电路 .134系统的软件设计.144.1软件设计的要求.154.2主程序设计.154.3超声波测距模块设计.164.3.1距离计算子程序 .16超声波倒车雷达系统的设计II4.3.2超声波发送和接收程序 .164.4ISD4004语音报警程序设计 .174.4.1录音放音时序及操作流程 .174.4.2语音报警主程序设计 .185系统的仿真调试.185.1系统仿真调试内容 .185.2实验的误

8、差分析.20结束语.21参考文献.22附录.23致谢.29超声波倒车雷达系统的设计11引言倒车，是每位驾驶员都必须掌握的技能，如同前行一样需要小心谨慎，每年都有倒 车引起事故的报道，轻那么对自己的车和他人的财物造成损伤，重那么可能危及人的性命， 尤其是对儿童危害较大，他们体型较小，仅从后视镜来获取视野指导倒车仍有可能会对 让们造成伤害。现如今后视镜已越来越不能满足人们平安倒车的需求了。据初步调查统 计，15%的汽车事故是由汽车倒车后视不良造成的。因此，人们对汽车倒车操纵的便捷 性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给驾驶员们带来的不便，消除安 全隐患。由此，专为汽车倒车泊位设置的倒车

9、雷达应运而生。倒车雷达是汽车倒车停车时的平安辅助装置，能够以声音或者直观的显示来告知驾 驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，帮助驾驶员解决泊车倒车时前后左右探视所引起的困 扰。超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器、控制器和报警装置等局部组成。现如今 市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶员在倒车时，启动倒车雷达，在控制 器的控制下，由超声波探头发送超声波，在遇到障碍物后产生回波信号，传感器接收到 回波信号后经处理器进行数据处理，判断出障碍物的位置，通过声音、数据、图像等形 式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围情况，从而使驾驶员倒车时做到心中有 数，提高了驾驶的平安性。1.1倒车雷达的研究现

10、状及开展趋势经过多年的开展，倒车雷达设计及应用都发生了质的变化。日本、美国和欧洲等国 的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成平安预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。据海外媒体报道，戴 姆勒-克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车 尤指卡车使用的电子刹车系统，它与其 他刹车系统的区别在丁，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境， 并将所有收集的信息交由一控制器进行处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来 判断所发生状况是否需要利用刹车。未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但 价格昂贵，其过高的本钱限制了它应用的普遍性。

11、在底特律国际车展上，通用公司的Precept念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为根底的后视镜系统。该系统用一个内 后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有消 火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓。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，开展到 现在成为许多轿车的标准配置。经过多年的开展，倒车雷达系统已经历经了六代技术改 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。使用较多的是数码显 示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。迄今为止，国内外许

12、多学者均着眼丁测距传感器的研究。通常的倒车雷达主要由感 应器、超声波倒车雷达系统的设计2主机、显示设备等三局部组成。在日新月异的科学技术开展的背景下，倒车雷达 系统也会随着计算机技术等的开展而不断创新，向着智能化、可视化、集成化的方向发 展，逐渐将各个功能集中在一起，实现了一套硬件设备可以完成多项功能。倒车雷达的 集成化就是将倒车雷达的可视化、LCD显示、超声波测距、语音报警等功能集成在一起， 组成了真正意义上的硬件系统。在今后的开展中，我们依然可以将倒车雷达、车载导航， 车载音频等系统集成在一起，组成一个更为广泛的集成化系统。1.2设计主要内容为防止汽车在倒车过程中发生事故，本文设计了一种基

13、丁AT89C51单片机的超声波 倒车雷达系统。介绍了超声波测距的根本原理，阐述了倒车雷达系统的结构组成、硬件 电路设计以及软件设计。倒车距离通过语音报警电路对不同距离段做出不同的语音提 示。该系统由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路以及语音报警电路等 几局部组成。AT89C51单片机是整个系统的核心部件，协调各局部电路的工作。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，在遇到障碍物后发生反 射，反射的回波信号经过处理后输入到单片机的外部中断口发生中断，单片机停止计时。通过单片机可得到超声波信号往返所需要的时间，再结合当地声速即可求得车体与障碍物之间的距离。超声波

14、传感器选用CSB40T(R)超声波传感器，谐振频率为40KHz;超声 波发射电路包括超声波发射器、驱动电路等组成；超声波接收电路包括集成电路CX20216A及外围电路组成；语音报警电路采用语音芯片ISD4004,可实现汽车倒车过程中的分段语音报警功能。2系统的总体设计方案及理论根底2.1总体设计方案本设计的应用背景是基丁AT89C51的超声信号检测的。因此初步方案在实验室内 小范围的测试。超声波发射仪发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收 器作为系统的输入，单片机对此信号进行技术判断处理后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行语音报警。系统硬件局部主要由单片机控制电路、

15、超声波发射和 接收电路、超声波接收电路、LCD显示电路以及语音报警电路等几局部组成。系统的总体结构框图如图1所示。系统的软件设计系统应用软件由C语言编写，程序采用模块化设计思想，可对各子 程序分别进行设计和调试，然后将调试好的子程序块链接起来进行统调。系统软件模块 划分为主程序模块、超声波测距模块和语音报警模块等几大功能模块。超声波倒车雷达系统的设计3图1系统总体结构框图2.2超声波测距理论分析2.2.1超声波测距原理一般来说，频率在20Hz-20KHz之间能为人耳所听到的机械波称为声波；频率低丁20Hz的机械波称为次声波；高丁20KHz的机械波称为超声波；而高丁100MHz的机械 波那么称之

16、为特超声波。超声波由丁其为直线传播，反射能力强且在液体、固体中传播衰 减很小，穿透力强等特性，使其在实际生活中得到广泛应用。假设声波在介质中传播的速度是的， 而且声波从声源到达目标然后返回声源的 时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量 原理。超声波测距就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 超声波传输的往返时间，然后求出声波传播距离。其关系式如公式(1):S %(1)式中：S为待测距离;c为超声波在空气介质中的传播速度；t为往返时间。2.2.2超声波测距精度分析(1)发射接收时间对测量精度的影响分析采用压电超声波传感器，脉冲发射由单片

17、机控制，发射频率40KHz,忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对丁一般要求的精度是可靠的。对丁接收 到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律，超 声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利丁提高超声波的指向性。所以，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱， 要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接收时间，必须对收到的信号进行足够的放 大，否那么不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。(2)当地声速对测量精度的影响分析超声波倒车雷达系统的设计4当地声速对超声波测距测量精度的影响也比拟大。超声波在大气中传播的速度受介

18、质气体的温度、密度及气体分子成分的影响如式21:CS呵2由上式知，在空气中，当地声速只决定丁气体的温度，在实际情况下温度每上升或 者下降1C,声速将增加或者减少0.607m/s。因此提高超声波测量精度的重中之重就是 获得准确的当地声速。假定超声波速度C=344m/s20C室温，忽略声速的传播误差。那么 测距误差stS12.P22ADF=lZ*E段FZMOFZTABF13T7ggPl.iiTZBE3.1FIZFEOPI3yzrtTHFl,MTJFl5P3STIPl肖FJsfWFlJfl?W*!*!s器nsKT.f f一e 31-481T5H?/-圭程.字-113 void nidliL (|im

19、 j(勺1 1DD .1.1 t tHT_ca_ir:i-1 :ITS4tiZy(r 7IT?THCE-CH冷1T9EA-1；itsnt Ai；因EXCI=1;iKni=i；izrEi=Gxr：定时器工柞；模式二，计时=定时器。工但；r/启紊定时芸广产妹部丰旨口.L 昔定升 M 中宇TTO*1;while.-设置为下点沿中断方式H *. 命命-UHL-I侦也BKila ,sarraeT Targec 1 ,comEiiirG sr.c.PEDQXM：SIzejaC xdsa-D1UE31EL.匡副岫谯TF下一RF111 I i il t|ii |i III ii pl i laMri ih-

20、id r. d - H ft *超声波倒车雷达系统的设计245.2实验的误差分析本系统在实验测距的过程中，不可防止地会存在测量误差。产生测量误差的主要原 因如下16：(1)超声波传播速度的影响。准确的得到超声波传播速度是保证测量精度的必要条 件，超声波在空气中传播的速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响。对丁测距 而言，引起超声波传播速度变化的主要原因是温度的变化。但在本实验中，设定的环境 条件是在实验室内，室温20C下的声波平均速度344m/s,而这个声速定会与当地的实 际超声波传播速度有偏差，这样就会造成测量误差。(2)超声波回波时间测定的影响。为了防止其他信号的干扰，提高测量的可靠性

21、， 超声波传感器常常一次发射的是多个超声波脉冲申。实际测量时，接收电路接收到的往 往不是第一个回波的过零触发。这样，最终测得的时间那么与实际距离所对应的时间不同， 从而造成了超声波回波时间引起测量误差。(3)测量盲区的影响。超声波传感器安装在汽车尾部的保险杠上，当障碍物不在超 声波发射的几何角度上，就会产生测量盲区。在测量盲区内不能实现正常测距，测量误 差很大。此外，在程序指令运行过程中需要占用一定的时间以及环境中的干扰因素等都会引 起测量误差。超声波倒车雷达系统的设计25结束语本文所设计的超声波倒车雷达系统是一种保证汽车平安的辅助泊车系统。在本系统中通过AT89C51单片机的引脚发出40KH

22、z的脉冲，经超声波探头反射出超声波，使用 高速单片机计算测量车与障碍物之间的往返时间然后再通过公式计算出车与障碍物的 距离，当测得的距离小丁设定值时由扬声器发出语音报警提示，根据具体距离数据进行 语音提示，在报警过程中可使用按键关闭报警。该超声波倒车雷达系统工作稳定，能够满足一般近距离测距要求，具有电路设计简 单，且本钱低、有良好的性价比，测量精度比拟高等优点，而其最大的优势在丁硬件电 路中参加了ISD4004语音芯片，可以对测量距离进行实时语音提示， 使驾驶员更直观的 了解倒车状态。但是由丁时间精力和个人能力有限，本系统设计还有很多缺乏。所以如假设使用在实 际生产中还应在以下几个方面进一步探

23、讨：(1)如何将温度对声速的影响降到最低。(2)如何对非平面物体和倾斜物体进行准确测距。(3)如何减小测距盲区。(4)如何进一步提高系统的稳定性和重复性。超声波倒车雷达系统的设计26参考文献1冯假设.超声手册M.南京：南京大学出版社，1999.1:20-342林书玉.超声换能器的原理及设计M.北京：北京科学出版社，2004.7:49-703莫品光，刘艳红.基于超声波的倒车防撞报警系统设计J.技术与应用,2021.3:14-164陈涛.单片机应用及C51程序设计M.北京：机械工业出版社,2021.1:8-305韩博起.车载倒车雷达系统的研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006 : 1-206陈连

24、坤.单片机原理及接口技术(C语言版)M.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社,2021.12:124-1287张涵.AT89S51单片机在汽车倒车雷达设计中的应用J.工程技术，2021.9:363-3658宋永东，周美丽.高精度超声波测距系统设计J.现代电子技术，2021,31(15):137-1399 Y - P Huang,J - S Wang.Envelope pulsed ultrasonic distance measurement system basedupon amplitude modulation and phase modulation J.REVIEW OF SCI

25、ENTIFIC INSTRUMENTS,2007,9(12):92-11310楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导(第二版)M.北京：北京航空航天大学社，2021.1:42-4411Aalen,Germany .Sensors for distance Measurement and Their Applications in Automobiles J.University for AppliedSciences,2007.4,12(2):23-2512吴琼.汽车倒车雷达系统的研究D.南京林业大学硕士论文,2021.613徐卫.基于S3C44BO*勺倒车雷达系统的设计及应用D.吉林：吉林大学硕

26、士学位论文,2006.1014谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计M.北京:清华大学出版社,2006.10:70-7115裘有斌，张国忠等.基于ISD4004的家庭语音报警系统设计J.应用大地，2021,12(4):47-5016吴琼，封维忠，马文杰.汽车倒车雷达系统的设计与实现J.现代电子技术，2021,32(9):91-94超声波倒车雷达系统的设计27附录系统硬件电路图一:63并HATH.工W JTLWg13UZ Z4 4Q Q茬VJA口Ewt?Ewt? HnHno oA A +E+E心皿扼.一祁1K1KCDCD1KMWC1KMWCA ANCMNCNCrAmNCMNCNCrAm

27、w-w-ncnc scvtSDCLscvtSDCL虞皿非NoeiNEC 国NCNCNCNCMCtictGSA舲超声波倒车雷达系统的设计2!系统硬件电路图局部单片机程序清单：sbit isd4004_mosi=P2A0;/master outslave in ,isd4004串行数据输入端sbit isd4004_sclk=P2A2;/ISD的时钟输入端sbit isd4004_cs=P2A1；/片选(SS)此端为低，即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平sbit isd4004_int=P2A3;/ISD4004溢出，当为0时为溢出sbit record_key=P2A4;/定

28、义控制录音的按键sbit play_key=P2A5;/定义控制放音的按键sbit addr key=P2A6;K - + lL4口m7CZ-33V7C7-J57UO心超声波倒车雷达系统的设计25void delay_50us(unsigned int t);/延时50*T微妙函数的声明void delay_3us();/3US的延时程序void send_isd4004(unsigned char value);/向ISD4004发送数据void isd4004_stopmode();/向ISD4004发送0X30，让ISD4004停止工作void isd4004_powerdown();/

29、向ISD4004发送0X10,使ISD4004发送数void isd4004_powerup();/向ISD4004发送0X20,使ISD4004上电void isd4004_play();/放音void play_deal();/放音处理unsigned char flag1=0,flag2=0,flag3=0,flag4=0,addr_flag=0,addr;void play_deal()isd4004_int=1;if(isd4004_int=1)play_key=1;if(play_key=0)switch (flag2)case 0:isd4004_play();flag2=1;f

30、lag1=0;break;case 1:isd4004_stopmode();isd4004_powerdown();flag2=0;break;elseif(flag1=0)isd4004_stopmode();isd4004_powerdown();flag1=1;while(play_key=0);voidisd4004lp-ay()isd4004lpowerup()w涎(wkc4dQayl50us(600MkCBnn浦耳汁T25辱-Sd4oo4lcsno;sendsd4oo4oxao)wM(wmits8asendsd4004(addr)w涎陆薄邮售军SM8aSendsd4oo4oxeo

31、)w涎陆SETPLAY底4。成4羔M11100XXXde-ayl3usoisd4004lcsn1*de-ayl3uso-Sd4oo4lcsno;Sendsd4oo4oxf。)wiwPLAY底4羔M-1111oxxxisd4004lcsn1*voidisd4004lpowerup()voidisd4004lpowerdown()isd4004lcsns?dQayl3us()Sendsd4oo4ox10)isd4004lcs*voidisd4004lsspmode()isd4004lcsns?dQayl3us()isd4004lcs*voidsendsd4004(unsignedcharva-ue)unsignedchari;isd4004lmosll0;-Sd4oo4lsc-kno;for(ll0=A8=+)超声波倒车雷达系统的设计27isd4004_sclk=0;if(value & 0 x01)=1)(isd4004_mosi=1;else(isd4004_mosi=0;delay_3us();isd4004_sclk=1;delay_3us()