【《基于单片机的倒车雷达系统设计》9300字（论文）】

基于单片机的倒车雷达系统设计摘要随着社会的进步和科学技术的发展，汽车成为了家家户户生活中重要的一员，它让人们享受了便利。但与之而来的交通问题也同样要引起重视。在诸多交通问题当中，安全、高效地完成倒车是驾驶初学者最为头疼的一件事。倒车过程中稍不注意就将给自己以及他人带来严重的财产损失，更严重的，甚至会威胁自己与他人的生命健康及安全。面对当前交通问题日益严重，倒车问题又是其中的重中之重情况，本文设计了一款基于单片机的倒车雷达系统，旨在直观显示倒车过程中与后方物体的距离，并通过声光提示驾驶员进行操作，以此来解决驾驶员在倒车过程中，伸出窗外向后探视的问题，以及倒车过程中视觉死角问题，以便提高行车倒车过程中的安全性。本文基于超声波传输过程中传输距离与传输时间的函数关系，采用单片机对采集到的数据进行分析和处理，进而控制步进电机操作，模拟汽车行驶倒车过程中的刹车操作。本次基于单片机的倒车雷达系统主要由单片机主控电路，超声波测距电路，步进电机电路，按键电路，由led灯和蜂鸣器组成的声光提示电路构成。该系统通过软件代码的编写，设置了合适的安全距离，距离过近时，系统会发出声光报警提示，并主动进行刹车操作。该倒车雷达系统具有易操作，可靠性高等优点，能够实现倒车过程中与后方障碍物距离的精确测量，具有一定的实际意义。关键词：超声波；MCU；测距目录摘要 III第1章绪论 绪论研究背景及意义随着社会的进步和科学技术的发展，汽车成为了家家户户生活中重要的一员，它让人们享受了便利。但与此同时，交通问题也变得更加严重。在诸多交通问题当中，安全、高效地完成倒车是驾驶初学者最为头疼的一件事。倒车过程中稍不注意就将给自己以及他人带来严重的财产损失，更严重的，甚至会威胁自己与他人的生命健康及安全。面对当前交通问题日益严重，倒车问题又是其中的重中之重情况，倒车雷达系统必不可少。然而在目前，倒车雷达系统往往售价昂贵，有些操作过于复杂，不适合驾驶初学者。此外，倒车雷达系统的安全性也需要放在考虑之中，一方面对于驾驶员本身的安全，另一方则要对路上其他行人负责，进行全面保障。所以，设计一个实用、简单、安全的雷达倒车系统是十分必要的。汽车雷达倒车系统在保证安全的前提下，需要做到操作简单方便，并且能够满足人们的需求，解决驾驶人员的后顾之忧，帮助驾驶员克服视觉死角和实现模糊的缺陷，以便提高行车倒车过程中的安全性。课题研究现状倒车雷达主要由三个部分组成：接收端、主机端和显示端。感应接收端发出和接收信号，主机端接收传递信号，然后显示端进行显示。我国的倒车雷达研究起步于2000年，一开始仅仅是一线豪华车车品牌的专利，发展至今，倒车雷达经历了七代技术的改良，已经成为了各种类型汽车的标配。大力发展倒车雷达技术的研究，有助于减轻驾驶员的负担和减少行驶错误，因此对于该类产品的研究具有重要意义。在我国，诸多文献对于倒车雷达技术进行了研究与阐述。文献[2]利用超声波测距原理，采用四路收发一体封闭型超声波传感器设计了一款汽车倒车防撞预警系统，并结合LED数码管显示电路和蜂蜜器进行报警提示。文献[3]以微控制器MSP430F2274为主控核心，利用键盘模块、液晶显示模块等构成外围电路，共同实现了倒车雷达设计，充分利用了MSP430F2274单片机片上资源，使得外围芯片减少，提高了系统设计的可靠性。文献[4]介绍了一款基于PIC16F877单片机控制的汽车倒车测距警示系统。系统利用超声波测距原理,采用型号为PIC16F877的单片机进行运算，计算出后方障碍物与后车厢距离,并对看不到的区域进行红外感应监测，以此来提高倒车过程中的安全性。综上所述，关于倒车雷达系统设计的研究和实现主要围绕单片机，超声波测距模块为主体完成，并增加LED显示，蜂鸣器模块，按键电路模块等加以辅助，实现附加功能。本文根据资料和文献阅读后，特此设计基于单片机的倒车雷达系统设计，旨在利用价格便宜的单片机最小系统，以及一些完善的硬件系统，实现一个较为简单实用的倒车雷达系统装置。主要研究内容和章节安排本文就基于单片机的倒车雷达系统设计及实现的关键性步骤做出论述，全文一共五章：第一章绪论部分主要讲解基于单片机的雷达倒车系统的研究目的和意义，对目前基于单片机的倒车雷达系统的研究现状以及存在问题进行了阐述。此外，还对硬件模块的方案选择进行了介绍，选取合适的硬件模块进行设计。第二章介绍了基于单片机的雷达系统的设计和硬件的选择，首先对系统进行了需求分析，并根据设计要求进行了规划和可行性分析，最后确定了总体方案。还介绍了硬件模块方案的选择，并选择相应的硬件模块进行设计。第三章介绍了基于单片机的倒车雷达系统的硬件设计，对单片机的最小系统、关键模块和语音模块进行了分析和描述。介绍了一种基于单片机的倒车雷达系统的设计与实现。第四章对基于单片机的倒车雷达系统设计实现介绍和说明，首先介绍了系统软件编程环境，再对按键部分、步进电机控制和程序原理以及流程进行介绍。最后介绍了系统的整个程序设计过程第五章是基于单片机的倒车雷达系统设计的系统调试与结果，主要对功能和性能进行测试，验证是否能符合设计的需求和目标。倒车雷达系统方案设计系统实现功能和指标针对驾驶初学者倒车过程中后方觉死角的安全问题，本设计依据低成本、高效、可靠、安全、智能等理念，旨在以ST89C51单片机为核心设计一款倒车雷达系统。该系统设计包括单片机主控电路模块，超声波测距电路模块，步进电机电路模块，按键电路模块，由LED灯和蜂鸣器组成的声光提示电路模块。该系统通过软件代码的编写，设置了合适的安全距离，距离过近时，系统会发出声光报警提示，并主动进行刹车操作。该倒车雷达系统具有易操作，可靠性高等优点，能够实现倒车过程中与后方障碍物距离的精确测量，具有一定的现实意义。具体实现功能如下：(1)按键功能：设计按键电路并将其进入设置界面，其他按键可进行倒车距离远近的设置；(2)电机控制：步进电机用于电机模拟倒车刹车的制动，以实现电机旋转和闭合路径的控制(3)测距功能控制：超声波测距模块用于测试车辆与故障之间的距离(4)显示功能：可以使用数码管直观显示当前车与后方障碍物距离，设置的距离大小等信息；主要技术指标如下：(1)报警提示要求：当实际测量出来的距离小于设定安全距离时LED灯亮并且蜂鸣器鸣叫，进行危险警示；(2)准确度要求：在通信状况良好的情况下，测量范围2CM~500CM，并确保测距系统每次测量的误差小于1cm。整体方案的设计根据本次设计中，倒车雷达系统设计所需实现的功能和指标（包括按键电路、最小系统、步进电机控制电路等），进行了整体方案的设计。通过资料查找和文献查询，先提出几个可行的方案，对方案进行论证和比较后，决定采用相对合适、可行性较高的一种方案作为此系统的最终设计方案。主控芯片选择本设计的主控制器主要对超声波测距模块读取的数据进行转换计算、控制步进电机、以及对声光提示等模块进行控制，系统功能相对简单，出于对实用性和廉价性的考虑，选择使用较为常见的STC89C51单片机。一方面，此款芯片所拥有的功能特性能够符合此次设计的要求，另一方面，又能同时兼顾了性能的同时又有比较低的价格。而且，此款芯片较为频繁出现在本科学习和各类电子类竞赛中，因此对其较为熟悉。综合以上因素，选择STC89C52RC作为主控系统并成为倒车雷达设计的“核心”。发声元器件选择在基于单片机的倒车雷达系统设计当中，需要采用放声元器件来对距离小于设置的安全距离时进行报警提示驾驶员，通知其进行刹车操作。根据相关文献的调研，目前市场上主要的发声元器件有两种：其中最主要的是通过蜂鸣器来进行鸣叫发声，另一种则是通过语音模块写入语音来发声。二者相比之下，语音模块的输出声音类型更加多样，但其使用相对复杂。在本次设计中，需要发声装置发出声音对驾驶员进行提醒，因此简单的蜂鸣器能够满足这一需求，并且蜂鸣器使用操作简单，易于上手操作。因此声音提示器件就由蜂鸣器模块来做测距模块选择方案一：采用激光测距作为倒车距离测量方法。一种非常细的激光束发射到目标上，目标反射的激光束由光学部件接收，往返时间用计数器测量，车辆到后障碍物的距离是往返时间和光速测出，激光测距精度高，但操作复杂，成本高。方案二：倒车距离测量方法为使用超声波测距，超声测距的基本原理声波在空气的速度测量声波在发射后遇到障碍物时的反射时间，并根据发射和接收时间差来得出发射电到障碍物之间的实际距离。超声波测距精度可达厘米级，操作简单，成本低。综合以上对于倒车雷达设计提出的两种测距方案，综合考虑成本因素和设计需求因素，最终采用方案二，使用超声波测距模块HC-SR04作为测距模块，其电路相比于激光模块较为简单，并且软件设计也相对简单，故最终采用了方案二。显示模块的选择方案一：采用七段数码管作为基于单片机的倒车雷达系统设计中有关数据信息的显示。显示模块主要用于显示当前时间和进给时间。根据查阅相关文献，有关数字的显示，多选择七段LED数码管。这与本次倒车雷达需要显示的距离信息非常契合，且数码管抗干扰能力强，造价低。方案二：采用LCD1602作为基于单片机的倒车雷达系统设计中有关数据信息的显示。如果用LCD1602液晶显示器显示，它的优点是，耗能少，在显示方面更加灵活，如果需要修改显示的内容，只需要修改软件程序就能做到，不需要改变硬件电路，并且LCD的体积娇小不占面积。但是用在显示位数较少的设计上，LCD液晶显示的价格相对来说就高一些。综合两种显示元器件的比较，以要想达到我们预期的效果为首要前提，在满足能实现的功能前提下，价格方面是在可以接受的范围内，所以选七段数码管液晶显示。总体设计框图电路框图如下图2-1所示，主要包括51单片机最小系统、HC-SR04超声波测距模块、LED数码显示电路、蜂鸣报警电路和按键电路。使用者可以利用按键手动设置合适的安全距离，当距离过近时，系统会发出声光报警提示，并主动进行刹车操作，系统通过步进电机转动模拟刹车制动功能。数码管显示数码管显示蜂鸣器报警按键设置驱动超声波测距模块STC89C52RC5V直流稳压电源图2-1总体设计框图本章小结本章主要说明了基于单片机的倒车雷达系统的总体设计，首先对设计需求进行了分析，根据设计需求进行主要的方案的比较和可行性分析。最后确定了总体的方案。其中，主控芯片采用STC89C51单片机，超声波测距模块的型号为HC-SR04，显示模块采用LED液晶数码管等，最后对方案的总体设计进行说明。倒车雷达系统电路设计单片机最小系统的电路设计本次基于单片机的倒车雷达系统设计采用型号为STC89C51的单片机，这款单片机总共40个引脚，并采用DPIP封装形式。该单片机具有速度快、价格低等多方面优势，能够满足本次设计需求。在40个引脚当中，根据各个引脚的不同功能，可以将这些引脚大致分为三类：其中，最主要的是由P0、P1、P2等引脚组成的输入输出控制引脚；然后是振荡电路的输入引脚；最后是单片机复位引脚。除了单片机之外，完整的单片机最小控制系统还应该具备复位电路以及晶体振荡电路。复位电路是确保单片机最小系统工作稳定可靠运行必不可少的一部分，其主要由电阻、电解电容和按键开关组成，可通过按下按键或RC充放电路重置系统。此外，只有晶体振荡电路正常起振，系统才会正常工作。本次基于单片机的雷达倒车系统设计中单片机最小系统的电容器C1和C2采用经典值20pf，晶振的振荡频率为11.0592Mhz，如下图所示。图3-1主控电路设计驱动电路设计本次基于单片机的倒车雷达系统设计，采用蜂鸣器和LED灯组合成声光提示装置，用于在倒车过程中，车与后方障碍物距离过近时提醒驾驶者进行刹车，并采用步进电机转动过程来模拟倒车过程中的制动刹车装置。在本次设计中，采用电磁式蜂鸣器，其发声原理是通过电流经过线圈产生磁场来驱动振动膜进行发声，但单片机本身的输入输出端口并不足以驱动电磁式蜂鸣器进行发声来提示驾驶员，所以在输入输出端口外部，需要增加一个电流放大的电路，即如下图所示，通过一个PNP型三极管8550来发达电流，驱动电磁式蜂鸣器发声。原理图如下图所示：图3-2驱动电路设计按键电路设计在本次基于单片机的倒车雷达设计中，共设计了三个按键，三个按键分别对应增减距离和进入安全距离设置模式功能。根据文献阅读后，常见的单片机键盘有两种实现方式：分别为独立键盘和矩阵键盘。独立键盘每个按键与每一个单片机的输入输出端口相连接，需要占用较多的输入输出端口，但端口与端口之间互不干扰，稳定性高，系统更加稳定。矩阵键盘采用十字交叉连接方法，占用的输入输出端口较少，通过行与列的扫描来定位哪个按键按下。本次设计中，按键数量只需要三个，输入输出端口充足，因此采用了独立键盘进行设计，操作简单，并且可靠性高。硬件电路如图5.6所示：图3-3按键电路设计显示电路设计在本次基于单片机的倒车雷达系统设计中的显示电路主要通过一个“四合一”的7段LED数码管组成，其主要功能是用来显示倒车过程中测量到的实际距离。7端LED数码管是一种常见的共阳极电子管，将每个数码管的A、B、C、D、E、F、G、DP端连接在一起，接收单片机P1口产生的显示段码。S1,S2,S3,S4引脚端子为选位端子，用于接收单片机P2端口生成的选位码。系统采用动态扫描方式，其是将所有同名数码管的8段A~G和DP通过接口电路连接起来，每个数码管的共极COM由I/O线独立控制。当cup从字段输出端口发送字体代码时，所有数码管接收到相同的字体代码，但是哪个数码管依赖于com终端。com端与单片机I/O接口相连，单片机在I/O接口上显示选择选位码，控制哪个位和哪个位打开，打开数码管扫描时，每个数字管的打开时间很短。由于人眼视觉的瞬态现象，给人的印象是一套稳定的数字显示器，动态模式最明显的优点，即功耗低，在动态扫描过程中，任何时候只有一个数码管工作。具体原理图如图3-4所示。图3-4显示电路设计总体电路的设计与实现最后，将倒车雷达系统的各个部分电路整合起来，完成的最终设计路如下图3-8所示。整个电路系统主要包括的部分有单片机最小系统电路、电机控制电路、显示电路、按键电路以及测距电路等，它们共同作用完成了整个倒车雷达系统功能。图3-5总体电路设计本章小结本章介绍了基于单片机的倒车雷达系统设计与制作的电路设计及其实现过程。具体的，分别对整个倒车雷达系统设计的各个部分的电路设计进行介绍，包括主芯片控制、显示控制等多个电路在内。最后介绍了总体电路的设计和实现。具体电路为，由单片机最小系统构成的主控部分，计算由超声波测距获得的数据，得出实际距离，将实际距离方面的信息内容向7端LED数码管模块输出数字。这一系列电路组合构成了基于单片机的倒车雷达系统的电路设计。软件设计与实现系统软件编程环境介绍本次基于单片机的倒车雷达系统，以软硬件相结合的方式进行设计，其中，在前面二、三章中内容中对设计的硬件部分设计进行了详细阐述与论证。与软件设计相关说明将在本章进行阐述。由于本次选择的芯片是STC89C51单片机。属于8051系列单片机，其集成开发环境应选择和51单片机相对应的IDE进行。因此，设计程序代码采用KeilC51编写，高级编程语言为C语言。。KeilC51软件针对8051系列单片机而集成了一系列开发工具，是一款功能强大的编译器，能够满足基于单片机的倒车雷达设计中编辑代码，编译代码，链接，调试仿真在内等一系列功能需求。在操作完成之后，由KeilC51软件生成的.hex文件，能够直接通过单片机的输入输出端口进行代码烧录，进而完成设计。主程序设计介绍主程序流程图如下图所示，设计思路主要基于倒车环境，系统上电后首先进行各个模块的初始化操作，紧接着，单片机控制芯片读取来自超声波测距模块传输过来的数据，并将其转化为实际距离数据。并将实际距离数据与先前驾驶员通过按键手动设定好的安全距离进行对比，当实际距离小于安全距离，则利用单片机控制芯片控制蜂鸣器和LED灯进行声光报警提示，提醒驾驶员进行刹车操作。图4-1主程序流程图显示模块的子程序设计本节中，对于倒车雷达的显示模块程序的设计进行介绍。超声波测距模块将获取的距离数据传递到单片机主控芯片，单片机主控芯片将其转化为实际距离，而显示数据子程序主要进行实际距离的显示功能，使得驾驶员能够在驾驶过程中，直观简洁明了地看清楚车与后方障碍物的距离，实现良好的人机交互过程。基于单片机的倒车雷达设计数码管显示模块流程图如4.2所示：图4-2LCD1602初始化流程图报警模块的子程序设计在基于单片机的倒车雷达系统的设计中，报警子程序的主要功能是在距离值超过报警值时发出蜂鸣器来实现报警，已达到报警目的。其中，预警值可以通过独立按键手动输入，输入后的数字和超声波测量的实际距离进行对比，当实际距离小于预设值时，单片机控制蜂鸣器进行报警提示，以提醒驾驶员进行刹车操作。报警子程序流程图如图6.3所示。YY开始超出预设值Y蜂鸣器报警结束图4-3报警模块流程图按键子程序在本次基于单片机的雷达倒车系统设计中，安全距离可以通过人为手动设定，由三个独立按键实现人机交互过程。通过按下设置按键进入安全距离设置界面，其余两个按键分别实现距离的增加和减少，在设置完成之后，接着按下设置按键，即可退出设置界面，确认设置的安全距离。本次设计涉及的按键数量较少，因此不需要采用“矩阵键盘”设计方式，而是将用到的三个按键并联在一块，三个按键分别连接到单片机三个不同的输入输出端口。在判断按键是否按下，哪个按键按下时，仅仅需要检测输入输出端口的电平信号，即可判断哪个按键按下，当按键按下，即去执行其对应功能。按键子程序流程图如图4-4所示。图4-4按键流程图本章小结本章对基于单片机的倒车雷达系统设计的软件部分的内容和代码逻辑实现，进行了介绍和说明，具体地分别对设计程序的主程序流程图、对按键功能流程图、显示模块功能等程序原理和流程进行介绍。倒车雷达系统的组装与调试电路焊接设计的电路焊接过程主要由以下步骤完成：首先，需要按照需求采购相应的电子元器件，并将采购到的电子元器件进行型号和数值大小的比对；然后，在洞洞板上按照事先设计好的原理图摆放元器件，进行布局和相应位置调整。最后，学习使用电烙铁的用法，在洞洞板上使用电烙铁进行元器件的焊接固定于连接，并使用万用表等功能检测各个链路的通断，判断有无存在虚焊问题。程序烧写雷达倒车系统的电路焊接完成后，需要通过CH340TTL和STC-ISP编程软件将编写好的程序写入到单片机上实现功能：首先，在Keil上编写及编译程序，并输出生成.HEX文件。然后使用CH340模块将计算机USB口连接到单片机输入输出端口，打开STC-ISP编程软件，选择单片机的型号，然后单击“下载/程序”然后等待下载进度条完成并完成程序编程。打开编译的.HEX文件，点击“下载/程序”后等待下载进度，然后编程程序即可完成。如图是STC-ISP烧录软件界面:图5-2STC-ISP烧录软件功能测试在完成了倒车雷达系统的电路焊接及软件代码烧录过程后，需要对设计实现的功能进行一系列相应的测试，确保所设计实现的功能能够满足预期标准效果。采取的测试实验主要包含测距功能测试、报警功能测试、电机转动功能测试三个部分。（1）测距功能测试首先启动单片机系统来操作，然后自动打开7端数码管显示模块。等待程序完成初始化后，可以看到数码管上能够显示相关实际距离信息。通过按键的进行设置界面操作，可以对预设安全距离进行设定操作，测试功能正常。（2）报警功能测试在（1）中设置完预设的安全距离之后，主动地将超声波测距模块靠近墙壁，数码管上实时显示倒车雷达系统与墙壁之间的距离，并在实际距离小于预设安全距离之后，发出蜂鸣报警。实际测试功能一切正常。（3）电机转动功能测试在（2）操作基础上，同时观察模拟刹车制动的步进电机状态，当蜂鸣器响起时，电机同时转动，功能正常。本章小结在第五章中，主要对最终设计的实物电路进行介绍，阐述了程序烧写过程，以及对完成后的系统进行了实际测试。通过实际测试的结果，来验证本次基于单片机的倒车雷达设计的功能性达到了现实需求。结论随着社会的进步和科学技术的发展，汽车成为了家家户户生活中重要的一员，它让人们享受了便利。但交通问题同样要引起重视。在诸多交通问题当中，安全、高效地完成倒车是驾驶初学者最为头疼的一件事。倒车过程中稍不注意就将给自己以及他人带来严重的财产损失，更严重的，甚至会威胁自己与他人的生命健康及安全。面对当前交通问题日益严重，倒车问题又是其中的重中之重情况，本文设计了一款基于单片机的倒车雷达系统，旨在直观显示倒车过程中与后方物体的距离，并通过声光提示驾驶员进行操作，以此来解决驾驶员在倒车过程中，伸出窗外向后探视的问题，以及倒车过程中视觉死角问题，以便提高行车倒车过程中的安全性。本文基于超声波传输过程中传输距离与传输时间的函数关系，采用单片机对采集到的数据进行分析和处理，进而控制步进电机操作，模拟汽车行驶倒车过程中的刹车操作。本次基于单片机的倒车雷达系统主要由单片机主控电路，超声波测距电路，步进电机电路，按键电路，由led灯和蜂鸣器组成的声光提示电路构成。该系统通过软件代码的编写，设置了合适的安全距离，距离过近时，系统会发出声光报警提示，并主动进行刹车操作。该倒车雷达系统具有易操作，可靠性高等优点，能够实现倒车过程中与后方障碍物距离的精确测量，具有一定的实际意义。本课题实现了基于单片机的倒车雷达的设计与制作，并给出了包括芯片选型、原理图绘制、代码编写过程等在内的一系列具体实现方案。完成了预期的功能需求和指标，并经过测试，验证了功能性和安全性符合设计预期指标，但仍有以下的不足：(1)本