基于单片机的超声波测距倒车雷达设计毕业论文.docx
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基于单片机的超声波测距倒车雷达设计毕业论文
基于单片机的超声波测距倒车雷达设计
ThedesignofUltrasonicrangingreverseradarbasedonSinglechip
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2011年5月
基于单片机的超声波测距倒车雷达设计
摘要：
随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。
这些事故常常给驾驶员带来许多麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。
倒车雷达，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况。
本文设计了一种利用超声波测距原理研究的高性价比倒车雷达，它可以提醒驾驶员进入警戒区域，同时进行声光报警。
无须占用司机的视觉资源，使司机可以把全部注意力用于观察车前及车旁的路况。
超声发射部分由AT89C51单片机产生10us的高电平信号，触发测距模块；系统接收部分由接收探头拾取反射回来的信号，当接收电路接收到反射信号就中断AT89C51计数器停止计数，从而得到超声波从发射到接收信号的时间差,进而计算出车与后方障碍物之间的距离，指导司机安全倒车。
关键词：
倒车雷达超声波单片机声光报警
ThedesignofUltrasonicrangingreverseradarbasedonSinglechip
Abstract：
Alongwiththerapiddevelopmentofeconomyofourcountry,moreandmorepeoplehavetheirowncars,aswellastheparkingandreversingtheaccidentcausedwillbeincreasingly.Theseaccidentsoftenbringmanytroublestodrivers,so,thereverseradarofhelpdriversparkingandofreversingariseatthehistoricmoment.Reverseradar,theautomobileparkingsafetyauxiliarydevices,moreintuitivetotoldthedriverofaroundobstaclesbyvoiceordisplay.Thispaperdesignsakindofusingultrasonicrangingprincipleresearchhighperformance-to-priceratioreverseradar；itcanreminddriversenteredexclusionaryarea,simultaneouslytheacousto-opticalarm.Theradarneednotoccupythedriver'svisualresources,andcanmakethedriverputtingthewholeattentiontoobservethepassengersideofthefrontandroads.Ultrasoniclaunching10uspartlybyAT89C51producethehighlevelsignaltotriggeringrangingmodule;SystemreceivingpartreflectedbythereceivingprobeofthesignalandwhenthereceivingcircuitreceivesreflectedsignalswillinterruptAT89C51counterstopcounting.Thusobtainsfromthelaunchtoreceivingsignalultrasoniclagbetweendriving,andthencalculatingthedistancebetweentheobstaclestoinstructdriversafetyreverse.
Keywords：
Reverseradar;Ultrasonic;Single-chipmicrocomputer；Sound-lightala
引言
随着社会的不断发展，汽车已逐渐成为人们不可或缺的交通工具。
由于汽车的日益普及，人为原因而产生的碰撞问题也日益突出，其中倒车碰撞占据很大一部分。
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。
倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者显示器的显示通告司机车后的状况，解除了司机泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的麻烦，并帮助司机解决由视觉引起的缺陷，提高驾驶的安全性。
倒车雷达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。
由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。
司机在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由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，从而计算出车体与障碍物之间的距离，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使司机倒车时不至于撞上障碍物。
当前国内外倒车雷达的研究现状：
通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。
感应器发出和接受超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。
据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等种。
粘帖式感应器后有一层胶，可直接粘在后保险杠上：
钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去：
悬挂式感应器主要用于载货车。
根据显示设备种类不同，倒车雷达又可以分为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。
数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。
经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。
本文旨在设计一种以AT89C51单片机为核心控制芯片，高性价比的倒车雷达，系统成型后，经过专业技术人员论证后可推向市场。
第一章方案论证及选择
1.1微处理器选择
方案一：
使用51单片机。
51单片机具有功能强、抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，而且它经过多年的发展，技术也相当成熟。
方案二：
使用AVRMega系列单片机。
Mega系列是美国ATMEL公司生产的AVR8位单片机中的高端产品，由于市场和技术原因，市场占有率挺高，采用精简指令集系统。
方案三：
使用MPS430，凌阳61单片机等16位单片机或者ARM系列32位单片机。
由于本系统控制功能简单，没有必要为了提高性能而增加成本和开发难度。
经过综合考虑，本题目采用第一套方案，选取性价比较高的51单片机。
1.2测距传感器选择
方案一：
红外传感器。
其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号强弱判断物体的距离。
方案二：
激光传感器。
它是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。
激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。
脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。
方案三：
超声波传感器。
超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。
其原理犹如蝙蝠，它嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。
超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接收来判断是否检测到物体。
根据以上性能的比较，我们能看出来激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较高，不易为大众接受。
考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较短的响应时间，最终选用超声波传感器作为此方案的技术扩展。
1.3语音报警器的选择
由于在该设计中只涉及到简单的报警声音，可以直接用单片机的某一引脚产生方波控制。
我拟定采用简单的蜂鸣器来实现该功能。
1.4显示子系统的设计
显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。
最简单的显示器可以用LED发光二极管，设计简单，易于安装，但给出只是一个简单的开关信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏，从能够实现显示功能以及个人设计简单方便方面考虑，本设计中采用三位8段数码管实现显示功能。
第二章超声波测距雷达工作原理
2.1超声波传感器介绍
超声波是一种频率超过20kHz的机械波。
超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射。
超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。
利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：
液位、井深、管道长度等场合。
超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。
超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。
超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。
近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。
超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。
超声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。
流体动力型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”或“笛”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是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件，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陶瓷两类。
属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，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内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。
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陶瓷晶片制成。
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。
在压电陶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，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的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。
也就是说，在压电陶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。
如果在压电陶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，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
图2.1压电式超声波传感器结构图
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。
压电陶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，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶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，金属壳可以防止外界力量对压电陶瓷晶片及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。
2.1.1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：
1）频率特性
如图2.2是超声波发射传感器的频率特性曲线。
其中，f0＝40KHz为超声发射传感器的中心频率，在f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在f0处所产生的超声声压能级最高。
而在f0两侧，声压能级迅速衰减。
因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率f0的交流电压来激励。
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f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0处
图2.2超声波传感器频率特性曲线
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具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。
并且最大灵敏度向稍低的频率移动。
因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。
2）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源，辐射出一个半球面波（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。
2.2超声波测距的原理及实现
超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。
由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。
超声波测距原理是通过超声波发射传感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停止计时。
常温下超声波在空气中的传播速度为C=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：
（2-1）
其中，t0就是所谓的渡越时间。
可以看出主要部分有：
1）供应电能的脉冲发生器（发射电路）；
2）使接收和发射隔离的开关部分；
3）转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；
4）接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；
5）接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；
6）记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。
故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。
目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。
由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。
距离测量系统常用的频率范围为25KHz～300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。
发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。
第三章硬件设计
3.1系统总体结构框图
按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为三大主要模块：
测距系统、控制系统以及显示和语音报警系统。
系统总体结构框图如3.1所示。
图3.1系统总体结构框图
其中测距系统有超声波发射、接收子系统构成；控制部分以AT89C51单片机为核心，其P2.0口输出10us的触发信号制超声波发射电路产生40KHz的超声波，利用外部中断监测超声波接收电路输出的返回信号；显示报警部分由显示系统及语音系统构成，其中显示系统采用简单实用的3位共阳8段数码管。
3.2AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8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100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方案。
如图3.2所示。
图3.2AT89C51管脚图
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位内部RAM
32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
片内振荡器和时钟电路
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，它可以被定义为数据/地址的第八位。
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。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3）振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4）芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.3电源电路
本设计使用汽车尾灯的12V电源为系统供电，但本系统适用电压为5V，需设计电源电路将其转化为5V电压。
电源电路如图3.3所示。
图3.3电源电路图
三端稳压集成电路7805：
用7805三端稳压器组成稳压电源输出电压稳定，电压大小为+5V，满足单片机的工作电源需求，7805所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
桥堆2W10：
将交流电压变为直流电压。
整流桥堆是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。
整流桥品种多：
有扁形、圆形、方形、板凳形（分直插与贴片）等，有GPP与O/J结构之分。
最大整流电流从0.5A到100A，最高反向峰值电压从50V到1600V。
3.4时钟电路
单片机各种功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速
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