单片机本科毕业设计微处理器控制的超声波汽车倒车测距系统的设计.docx

单片机本科毕业设计微处理器控制的超声波汽车倒车测距系统的设计.docx

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单片机本科毕业设计微处理器控制的超声波汽车倒车测距系统的设计

摘要

超声波汽车倒车探测器是一种能够实时显示车后障碍物状况的汽车倒车辅助装置。

在现实生活中应用十分广泛。

本文根据声波在空气中可定向发射和反射的原理，以超声波换能器为接口部件，应用单片机技术设计了一套超声波测距系统。

文章提出了微处理器控制的超声波汽车倒车测距系统的设计方案。

微处理器计算超声波从发射到接收的时间，在数据处理中采用温度补偿技术对超声波在空气中的传播速度进行修正，计算出距离，并根据障碍物与车尾的距离远近情况发出不同等级的报警声，同时显示车后障碍物与车体的距离。

论文概述了超声波探测器的发展状况及基本原理。

对测距系统发射、接收、检测、显示等部分的设计方案进行了分析。

从系统的性能需求、实用要求出发，对系统组成、检测原理和方法作出选择并对软硬件进行了设计。

文章详细叙述了系统的硬件设计过程，并给出了系统软件设计程序流程图，通过误差分析，说明了系统应用的实用性。

Abstract

Theultrasonicwaveautomobileback-draftdetectorisonekindauxiliaryunitthatcandisplaytheconditionoftheobstaclebehindthevehicleinrealtime．Itappliesextremelywidelyinthereallife．

Inthispaper，accordingtothetransmissionreflectiontheoryofwaveintheair，usingsupersonictransducerasinterfaceunitandapplyingmonolithicmachinetechniquestodesignaseriesofbusultrasonicmeasuringsystem．

ThispaperintroducesthedesignofultrasonicrangesysteminBackCarbasedonmicroprocessor．Themicroprocessorcontrolthetimeandtransmittingandreflectingbackofultrasonic，thedistancecanmeasurethroughcalculatingthespeedofultrasonicincar,andusethetemperaturecompensationamendmentinthedataofthespeedprocessing．Thesystemcanalertaccordingtothechangingdistance,thedistancecouldbedisplayedonrealtimeaswell．

Thispapersummarizesthedevelopmentandfundamentalprincipleofultrasonicdetection.Andthenthetransmission,receiver,detection,displayschimeofthisdistancemetersystemisbroughtout.Startingfromtheperformancedemandandrequirementofutility，theopinionistochoosethesystemcomponent，testingtheoryandmethods，designboththehardandsoftware．Itdescribesthehardwaredesignofthesystemindetail，andprovidestheproceduralflowchartofsoftwaredesign．Itexplainstheappliedfunctionofthesystemthroughtheerroranalysis．

KeyWords:

ultrasonicdistancemeasurement;microcomputer

前言

随着社会的发展，汽车数量不断增加，人们便对汽车操作的便捷性愈加挑剔。

汽车倒车时的不便被汽车制造行业所重视。

人们希望有一种装置能够实现汽车“后视”功能，在倒车时能够提示人们汽车后方是否有障碍物以及障碍物与汽车的大致距离等。

基于以上原因,出现了超声波汽车倒车探测器。

超声波汽车倒车探测器是一种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，帮助驾驶员扫除视野死角，提高驾驶的安全性。

本文设计了一种超声波汽车倒车探测器，用超声波传感器发射和接收超声波测距，DS1820芯片测温，STC12C5A60S2单片机做处理器，处理数据并计算声速及距离，用LED数码管显示距离，报警器及示意指示灯报警。

本课题的主要研究内容有以下几个方面:

（1）简述了设计和设计超声波汽车倒车探测器的目的和意义，以及超声波汽车倒车探测器的应用及发展状况。

（2）简要论述了超声波汽车倒车探测器的工作原理、基本组成，以及系统的方案，工作流程和系统的性能要求。

（3）重点对超声波汽车倒车探测器硬件部分进行了分析与设计。

主要是对超声波发射、接收、温度测量，报警及显示电路的分析与设计。

（4）较为详细的说明了系统软件流程，关键部分还给出了流程图和相关程序。

（5）最后对超声波汽车倒车探测器研制过程中所做工作进行了总结。

1概述

1.1选题的意义

汽车倒车探测器一般被称为“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，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，解除了驾驶员泊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视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

1.2超声波汽车倒车探测器的应用和发展现状

超声波汽车倒车探测器，种类繁多，应用广泛，目前在市场上呈现了一种各种档次并存，高低搭配的局面。

因为它实用性强，技术成熟，所以发展很快。

从第一代经过短短几年时间便发展到第五代，从纯电路模式到使用高速处理器；从单纯轰鸣器报警到显示器显示，语音报警。

另外安装使用更加方便，精度及稳定性也有极大提高。

在现实生活中的作用越来越大。

（1）第1代使用超声波探头、轰鸣器

倒车时，超声波探头发送，接收超声波，车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流产生变化给轰鸣器不同的信号，如果车后1.5-1.8m处有障碍物，轰鸣器就会开始工作。

轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。

第一代探测器没有语音提示，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，对司机帮助不大。

（2）第2代使用超声波探头、微处理器、数码波段显示器

倒车时，超声波探头发送，接收超声波，处理器进行处理，将处理后的信号送给距离显示设备，可以显示车后障碍物与车体的距离。

如果是物体，在1.8m左右的距离开始显示；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种颜色来区别距离：

绿色代表安全距离，表示障碍物与车体的距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，表示与障碍物的距离只有0.6-0.8m；红色代表危险距离，表示与障碍物之间只有不到0.6m的距离，必须停止倒车。

第二代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，能够作到一目了然，但没有声响，警示效果不好。

（3）第3代使用超声波探头、处理器、液晶荧屏显示器

这一代产品较前两代有了质的飞跃，特别是荧屏显示的使用表明开始出现动态显示系统。

不用挂倒挡，只要发动汽车，超声波探头及处理器就开始工作，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。

动态显示，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。

不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。

（4）第4代使用超声波探头、处理器、魔幻镜显示器

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。

魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话结合起来，并设计了语音功能，是目前市面上比较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，直接安装在车内倒视镜的位置。

而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配，不过造价较高。

（5）第5代使用超声波探头、后视摄像机、控制器、监视器

超声波信号接入显示控制器，同时将视频监视子系统中的摄像探头信号接入显示控制器，通过安装在汽车内部的显示控制器的自动切换电路、字符叠加器、微处理器，将显示控制器的输出再接入监视器，这样实现自动切换图像、监视、超声波倒车测距、自动报警等功能。

车载电视显示车后景物图像和车后障碍物距离。

倒车探测器具有精确判断距离的优点，后视摄像对车后方的水沟、山崖、凸出的钢筋、竹竿等倒车安全上的死角极为有效；后者图像直观真实，前者可获得精确的距离，两者精确结合非常实用。

此系统技术非常复杂，也不是很成熟，不宜普及。

虽然各代探测器各有特点但是它们有着此类产品固有的缺点。

车用倒车探测器首先要解决的技术难题就是误报。

由于道路状况十分复杂，以及道路两旁的静态护栏、标志牌，还有各种恶劣天气的影响等，使得探测器对目标的识别十分困难，误报率很高。

要想完全解决好误报问题，还需要采取多传感器的信息融合技术。

实现信息综合分析，利用数据间的冗余性和互补特性进行容错处理，克服单一传感器可靠性低、有效探测范围小等缺点，有效地降低探测器的误报机率。

生产超声波传感器的主要材料的价格一直居高不下，成为车用探测器推广应用的瓶颈。

可以预见，随着新材料、新工艺在探测器制作中的应用，使低价格、高性能的车用探测器的实现和普及成为可能。

超声波的汽车倒车探测器的发展趋势是:

使用的处理器速度越来越快，系统反应时间越来越短；使用的传感器技术越来越先进，系统稳定性越来越高；使用的显示报警技术更加先进，探测器显示、报警方式会更加直观，更加人性化。

各种减小误差电路的出现，会使系统准确性大大提高。

总之，超声波汽车倒车探测器用起来会更加方便，更加令人放心。

2设计方案分析

2.1基于单片机和基于DSP的方案比较

2.1.1基于单片机的倒车雷达设计

测距方式对系统测量精度及稳定性都有较大影响。

因此选择一种合适的测距方式对系统性能提高有很大帮助。

目前汽车倒车探测器使用的距离测量方式多种多样，有基于单片机的倒车雷达设计和基于DSP的倒车雷达设计。

本系统采用STC12C5A60S2为控制核心，外围电路由超声波发射电路、超声波接收电路、温度采集模块、声光报警电路、液晶显示电路、接口电路及电源电路等部分组成。

STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。

2.1.2基于DSP倒车雷达设计

本系统采用数字信号处理器（DSP）来作为控制芯片。

由前视雷达AD模块、复杂可编程逻辑器件（CPLD）模块、模式控制模块、显示语言模块组成。

系统框图如图2.1所示。

图2.1基于DSP倒车雷达设计框图

各个部分作用及特点：

采用TMS320DM643，其内核TMS320c64XTM是TMS320C6000平台的一款最高性能的定点数字信号处理器系列。

用dm642来完成对其他各个模块的控制。

前视雷达AD来实现模拟到数字的转换，将转换结果送给DSP处理。

CPLD采用altera公司的MAX7000系列的EPM7128SL，该器件有2500个可用逻辑门、128个宏单元、8个逻辑阵列块、100个I/O引脚，工作频率为151.5MHz。

显示模块采用LCD显示，模式控制有三个按键，分别用于选择前视、后视、倒车模式。

若选择后视模式，倒车报警界限时，启动车后的报警器，给后面的车以警示；若选择倒车模式，则启动倒车语言；如选择前视模式，到达报警界限时，启动车内报警器。

前后方的最近目标的距离和速度在LCD上显示。

2.2方案确定

从经济等方面考虑，本次设计方案采用基于单片机的倒车雷达设计，DS1820芯片测温，STC12C5A60S2单片机做处理器，处理数据并计算声速及距离，用液晶屏显示距离，用蜂鸣器、指示灯报警。

倒车时倒档启动探测器系统，单片机STC12C5A60S2作为主控器，控制DS1820芯片并处理所测得的温度数据。

控制由555定时器及超声波换能器TCT40组成的发射电路发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。

当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，经滤波电容，放大器，电压比较器传给单片机的INT0口。

如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，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结合由所测温度值换算出的声速值就可以得出车体与障碍物之间的距离。

根据计算的车体与障碍物之间的距离值及其与设定距离值的比较结果给显示电路及提醒电路不同提醒信号，产生不同的声光效果，引起驾驶人员注意，以便采取相应行动。

系统结构如图2.1所示。

图2.1基于STC12C5A60S2单片机的系统框图

2.2.1测距探测器方案

除了上述方案分析比较中讲述的超声波测距所独有的优点外,超声波测距在某些特定场合还有着显著的优点，超声波测距系统是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以它能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。

考虑到所设计产品是主要服务于普通用户，而且要求结构简单、制作方便、成本低廉实用性强。

因此选择利用超声波传感器来作为探测器。

由发射波束特性知，由于扩散角的原因，超声波的角度分辨率较低，但距离分辨率较高（1cm左右），目前最大探测距15m，最小盲区0.3-0.4m。

超声波传感器具有反应灵敏、探测速度快（一个测量周期仅需几十毫秒）的优点，而且结构简单，体积小，成本低。

传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。

工作频率的确定主要基于以下几点考虑:

（1）如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

（2）工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辩识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

（3）从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。

综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大因而选择测距仪工作频率在40KHz，发射角与接收角均为60度的锥角。

这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

所以本方案选用的探头是收发分体式40KHz的超声传感器。

2.2.1超声波发射模块

发射电路通常有调谐式和非调谐式。

在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），调谐频率由调谐电路的电感、电容决定。

发射出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有参数决定，频带较宽。

本文采用非调谐式。

为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声波，电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz。

这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。

发射电压从理论上是越高越好，因为对同一个发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。

但是，每一个实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值以后，会对传感器的内部造成不可回复的损害。

因此，工作电压不能超过这个极限值。

发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压只达毫伏级，甚至微伏。

要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。

本文采用由555定时器构成的多谐震荡器驱动超声波传感器，驱动频率为40KHz。

2.2.3超声波回波接收模块

在超声波发射完毕后，再延迟一小段时间才能进行接收，目的是为了避免单片机对发射头直接传送到接收头的信号进行响应而不能正常工作。

超声波回波经过超声波接收传感器，电容隔直滤波，一、二级放大，三级增益放大后进入比较器，这样在比较器的输出端将得到40KHz的方波输入到单片机INT0引脚以产生中断。

但是由于超声波传感器固有特性，即盲区的存在，对回波的接收和处理造成了一定程度的影响。

2.2.4温度测量及补偿模块

温度对超声波波速影响非常大，极大的影响测距精度，需要进行温度补偿。

本设计采用DS18B20芯片进行测温。

由单片机处理后进行补偿。

DS18B20芯片是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，温度测量范围是-55℃到+120℃，可编程为9位到12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。

2.2.5显示及报警模块

倒车探测器在其侦测区内检测到障碍物时，LED指示灯及蜂鸣器会根据车与障碍物的距离发出警告声。

同时液晶屏显示相应距离。

这样用户不仅可以很快的判断出障碍物的大概距离，还可以清楚的知道详细距离。

障碍距离指示灯与报警器响应方式：

A段：

当汽车尾部与障碍物距离大于5m时,可认为是安全状态，液晶显“――”标志；

B段：

在5m和1m之间时认为是正常的，液晶屏上则显示实测距离；

C段：

小于1m时,应提醒司机注意，系统发出声音报警功能，单片机向其端口发出PWM脉冲，随着距离的减小，通过控制PWM脉冲的占空比使蜂鸣的频率加剧；

D段：

小于0.5m时，要求声光同时报警，由于闪光频率不能过高，通过单片机另一个端口控制其闪亮。

3硬件电路设计

3.1硬件框图

单片机STC12C5A60S2作为主控器，复位端接上电+按钮复位电路。

XTAL1和XTAL2接12MHZ晶振构成的时钟电路。

P1.5脚控制DS18B20芯片并接收所测得的温度数据。

P1.3控制由555定时器及超声波换能器TCT40组成的发射电路发射超声波。

超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，经传感器，滤波电容，放大器，电压比较器传给单片机的INT0口一个低电平。

P2.5和P2.6分别控制声音和LED灯报警电路。

硬件框图如图3.1所示。

图3.1硬件框图

3.2单片机最小系统设计

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。

无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。

单片机复位的条件是：

必须使RST引脚加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。

本文中时钟频率为12MHz，每个机器周期为1µs，则只需2µs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。

复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。

适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按RESET键，此时电源

经电阻

、

分压，在RESET端产生复位高电平。

时钟电路主要任务是提供一个工作频率。

单片机内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。

有内部和外部两种时钟产生方式。

本设计采用内部时钟产生方式。

电路接法如图3.2所示，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体谐振器（振荡频率为12MHZ），与内部反相器构成自激震荡器。

其发出脉冲直接送入片内定时控制部件。

此外，电容对频率有微调作用，因为外接晶振，电容选择20pF，实际应用时谐振器和电容尽可能安装在单片机附近，减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。

图3.2时钟部分

3.3超声波发送电路设计

超声波发送电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用TCT40。

40KHz的超声波是利用555时基电路振荡驱动超声波探头产生的。

由555定时器构成的多谐振荡器（如图3.3所示）。

接通电源后，电源

通过

和

对电容

充电，当

<1/3

时，振荡器输出

=1，放电管截止。

当

充电到≥2/3

后，振荡器输出

翻转成0，此时放电管导通，使放电端（DIS）接地，电容C通过

对地放电，使

下降。

当

下降到≤1/3

后，振荡器输出

又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端（DIS）不接地，电源

通过

和

又对电容

充电，又使

从1/3

上升到2/3

，触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端

得到连续变化的振荡脉冲波形。

脉冲宽度

≈0.7

，由电容

放电时间决定；

=0.7（

+

）

，由电容

充电时间决定，脉冲周期T≈

+

。

其振荡频率计算式为f=1.43/（（

+2

）

）。

超声波发射电路图（如图3.4所示）中将

设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40kHz固有频率一致。

图3.3555定时器构成的多谐振荡器

采用555定时器构成的多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节，并且电路设计简单，占用面积小。

555定时器的4脚是复位端，利用它来控制超声波脉冲的发射。

当4脚为低电平时，555有振荡脉冲输出；为高电平时，555定时器清零，没有输出。

因而，将4脚与单片机的控制信号相接就可以控制发射电路。

为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源即

=12V。

4脚为超声波发射控制信号输入端，由单片机进行控制。

图3.4超声波发射电路图

3.4超声波接收电路设计

超声波接收模块的作用是将反射的超声波转换成电压信号并放大处理成标准的数字信号，然后输出给下一级电路。

超声波接收器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，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。

本设计采用集成电路CX20106芯片。

集成电路CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，它由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器和整型电路组成。

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放大。

正弦波信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。

按照上面所讨论的原理，单片机需要的只是第一个回波的时刻。

接收电路如图3.5所示。

超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在1mV～1V之间。

不同接收探头的输出信号强度存在差异。

由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：

一是放大增益要大，以适应小信号时的需要；二是放大增益要能变化，以适应信号变化范围大的需要。

另外，