汽车倒车测距仪word版.docx

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汽车倒车测距仪word版

密级：

公开

汽车倒车测距仪的研究

DesignfortheCarParkingSensor

学院：

信息科学与工程学院

专业班级：

电子信息工程XXXX班

学号：

XXXX

学生姓名：

XXX

指导教师：

XXX（副教授）

2012年6月

摘要

随着社会经济的发展，交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大幅攀升，交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行。

本文介绍了一种基于80C51单片机控制的汽车倒车测距仪。

采用超声波测距技术与单片机技术相结合，利用超声波传输中距离和时间的关系运算，80C51单片机计算出车后的障碍物与汽车尾部的距离，并通过数码显示车后的障碍物与汽车尾部的距离远近，实时发出报警信号，使驾驶员能时刻了解倒车时车后的环境并采取积极有效措施，从而大大提高了驾驶的安全性。

文章对总体设计思想进行了论述，分析了系统主要功能并以系统硬件设计框图的形式体现，进行了方案选择与方案论证。

完成了硬件电路的设计，描述了各模块电路的组成，其中包括超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、蜂鸣器报警电路等，分析了电路中所用芯片的主要功能及各部分电路的工作原理。

本设计通过对各模块的硬件和软件的设计，基本能够达到设计要求，满足汽车倒车安全指标。

关键词：

超声波；单片机；测距

Abstract

Withthedevelopmentofsocialeconomy,transportationindustryisbooming.Thenumberofcarsclimbedsharply,trafficcongestionhasbecomemoreandmoreserious.Crashongoingcausedtheinevitablepersonalcasualtyandeconomicloss.Inthiskindofsituation,designakindoffastresponse,highreliabilityandmoreeconomicalcarcrashwarningsystemisimperative.

ThispaperintroducesakindofCarParkingSensorbasedon80C51singlechipmicrocomputer.Usingultrasonictransmissiondistanceandtimerelationshipoperations,alongwiththeultrasonicrangingtechnologyandsinglechipmicrocomputercombined,80C51singlechipcomputercalculatethedistancebetweentheobstaclesandtherearofthecar,showingthedistancewithDigitaltubeandsendingreal-timewarningsignal.Thismadethedrivercanalwaysknowtheenvironmentreverseofthecarandtakepositiveandeffectivemeasures,whichgreatlyimprovethedrivingsafety.

Itdiscussestheoveralldesignthought,analysesthemainfunctionandshowthehardwaredesignofthesystemwithadiagram,andgivetheplanselectionandschemecomparison.Completedthedesignofthehardwarecircuit,describedthemoduleofthecircuitcomponent,whichincludetheultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivercircuit,displaycircuit,thebuzzerwarningcircuit.Analysisofthemainfunctionofthechipusedinthecircuitandtheworksforvariouspartsofthecircuit.

Throughthedesignforthesoftwareandhardwareofeachmodule,itcanbasicallymeetthedesignrequirementsandthereversingsafetyindicators.

Keywords:

ultrasonic;singlechipmicrocomputer;ranging

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题研究的意义和背景1

1.2国内外发展现状1

1.3研究内容及论文构成2

第2章设计思想及方案论证4

2.1方案选择4

2.1.1测距传感器模块4

2.1.2显示模块5

2.1.3报警模块5

2.2系统总体设计思想5

2.3本章小结6

第3章硬件电路设计7

3.1超声波发射及接收电路设计7

3.1.1超声波的介绍7

3.1.2超声波的特点7

3.1.3超声波的应用7

3.1.4超声波传感器8

3.1.5超声波测距原理8

3.1.6超声波发射电路设计10

3.1.7超声波接收电路设计10

3.1.8HC-SR04超声波测距模块11

3.2显示模块设计14

3.3报警电路设计15

3.4单片机控制电路设计16

3.4.1主控芯片STC12C5616

3.4.2时钟电路17

3.4.3复位电路18

3.5本章小结19

第4章系统的软件设计20

4.1系统的主程序设计20

4.2系统的子程序设计22

4.2.1中断处理程序22

4.2.2蜂鸣器分段报警程序23

4.3本章小结24

第5章硬件组装及调试25

5.1硬件组装及调试25

5.2误差原因分析26

5.3本章小结27

第6章结论28

参考文献29

致谢30

附录1单片机整体电路原理图31

附录2超声波测距模块原理图32

附录3程序清单33

第1章绪论

1.1课题研究的意义和背景

随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越为人们所关注。

由于倒车后视镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因，倒车事故发生的频率远大于汽车前进时的事故率。

倒车事故不仅会对自己的车和他人财物造成损伤如果伤及儿童更是不堪设想。

有鉴于此，汽车产品家族中，专为倒车泊车而设计的“倒车测距仪”应运而生。

经过调查，绝大部分非职业汽车驾驶员都希望有一种能发现汽车尾部障碍物的“后视眼”。

倒车测距仪的加装可以解决驾驶人员的后顾之忧，大大降低倒车事故的发生。

倒车测距仪是一个由单片机控制的汽车泊车安全辅助装置。

该测距仪讲单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，能够测量并显示车辆后部障碍物里车辆的距离，同时用间歇的“嘟嘟”声发出警报，“嘟嘟”声间隙随障碍物距离的缩小而缩短，驾驶员不但可以直接观察到显示的距离，还可以凭听觉判断车后障碍物离车辆的远近，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，并可以帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性[1]。

1.2国内外发展现状

汽车倒车测距仪应该包含有总控制器、测距传感器、语音提示及图像显示部件等。

各部件有机地结合起来，实现测距及提示功能。

轰鸣器提示是倒车测距仪系统的真正开始。

蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。

虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。

之后液晶荧屏显示的出现是一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。

不用挂倒挡，只要发动汽车，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。

现在比较先进的倒车测距仪应该算是魔幻镜倒车测距仪了，它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

2米以内的障碍物，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、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。

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。

而且它颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。

近年来由于电子技术的飞跃发展，使得相关技术日新月异，尤其是汽车电子产业的迅速发展，使得高度信息化、电子化的车辆研制有了基础。

目前主流的汽车倒车测距仪都是以单片机为核心的智能测距传感系统。

这种测距仪能够连续测距和显示障碍物距离，并采用间歇不同的鸣叫声进行报警和提示距离，以尽量不占用驾驶员的视觉。

此外，从成品来讲，目前的汽车倒车测距仪主要是以数码管或者液晶屏的精确显示和精确的语音播报为主。

这个时期主要是采用以单片机为核心的智能测距传感系统，能够使得汽车驾驶辅助系统更加简便易用，而且达到了汽车电子系统网络化的发展需求。

1.3研究内容及论文构成

本文将在以单片机为控制核心的基础上，设计出汽车倒车测距仪的电路，并通过数码管显示及蜂鸣器报警来提示障碍物与车后的距离。

分别完成单片机控制电路设计、数码管显示电路设计、蜂鸣器报警电路设计、按键控制电路设计及超声波测距模块的安装与调试等。

软件设计中，通过C语言编写程序，完成单片机对外围芯片的驱动与控制，从而完成整个汽车倒车测距仪的功能实现。

论文构成主要由以下部分组成：

第1章为绪论。

包括研究背景、意义以及相关技术在国内外的研究现状。

第2章为系统总体设计思想及方案论证。

首先介绍汽车倒车测距仪的设计要求，详细介绍测距系统传感器的选择、显示报警系统的方案设计，然后提出本系统总的方案设计。

为其后的硬件设计奠定了基础。

第3章为系统硬件设计。

首先分析超声波传感器的工作原理，然后具体讨论测距模块中超声波发射电路和接收电路等的设计，最后介绍了系统显示电路及报警电路的设计。

第4章为系统软件设计。

在软件设计中采用模块化设计思想，分别对系统的主程序模块、测距模块、报警模块和显示模块的程序进行了软件设计。

第5章为硬件组装及调试。

对汽车倒车测距仪的硬件进行了组装与调试，并进行了实地测量，对产生误差的可能原因进行了分析，给出减小误差的方法。

第6章为结论。

对全文进行了总结，并指明了系统设计的不足之处，最后也对本系统的倒车雷达报警系统的发展前景进行了展望。

第2章设计思想及方案论证

2.1方案选择

2.1.1测距传感器模块

目前常见的测距传感器，主要有红外传感器、激光传感器、超声波传感器。

按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择：

方案一：

红外传感器测距

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的反射光，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的强弱判断物体的距离。

方案二：

激光传感器测距

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仪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：

超声波测距

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，从嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫时，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受来判断是否检测到物体的。

根据以上的性能比较，我们能看出激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较高，不易为大众所接受。

考虑到车辆行驶过程中，测距应当有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，最终选择方案三。

2.1.2显示模块

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，成本只要几元，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，其成本在几十元到百元不等。

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LED实现显示功能。

2.1.3报警模块

报警模块可选择蜂鸣器或者语音模块。

蜂鸣器比较简单，只能发出不同频率的蜂鸣声音；语音模块可根据需求发出各种不同的语音。

本次设计仅需在车后障碍物与车尾距离到达预先设定距离范围内时发出的警报音，蜂鸣器完全可以满足设计要求，故选择蜂鸣器来实现报警功能。

2.2系统总体设计思想

本系统采用超声波测距原理，由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。

通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离。

超声波发射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立即停止计时。

（超声波在空气中的传播速度为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：

s=340t/2）。

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2.1所示。

图2-1系统总体结构框图

2.3本章小结

本章阐述了总体设计思想，通过系统硬件设计框图，表述了各部分之间的逻辑关系，也表明了设计所要完成的任务。

通过方案的对比与论证，最终确定使用超声波测距模块进行距离测量，使用LED数码管作为显示模块，使用蜂鸣器报警。

第3章硬件电路设计

倒车测距仪由超声波传感器（俗称探头）、控制器、显示器和蜂鸣器等部分组成。

倒车测距仪采用超声波测距方法，在控制器的控制下由传感器发射超声波信号，当遇到障碍时，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，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并根据距离发出警报信号，从而达到安全泊车的目的。

3.1超声波发射及接收电路设计

3.1.1超声波的介绍

我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

人类耳朵能听到的声波频率为20～20KHz。

当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20KHz的声波称为“超声波”。

3.1.4超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应[17]。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

3.1.5超声波测距原理

在超声波测距电路中，发射端输出一系列脉冲方波，其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。

本次设计采用超声波往返时间检测法，测量原理图如下图3-1所示。

图3-1超声波测距原理图

测距时由安装在同位置的超声波发射器和超声波接收器完成超声波的发射和接收，由定时器计时。

首先有发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在介质中传播时，一旦遇到障碍物就会被反射回来，当接收器接收到反射波后立即停止计时。

这样，定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t（s）。

由于常温下，超声波在空气中的传播速度约为340m/s，所以发射点距障碍物之间的距离为：

（3-1）

公式（3-1）中，L为车尾与障碍物的距离，单位为米，t为计时器记录的时间，单位为秒。

由于单片机内部定时器的计时，实际上是对机器周期T机的计数，设计中时钟频率fosc取12MHz，设计数值为N，则

T机=

=1μs，t=N×T机=N×10-6（s）

L=170×N×T机=170×N×10-6（m）

或L=0.017×N（cm）（3-2）

程序中按（3-2）式计算车尾与障碍物间的距离。

3.1.6超声波发射电路设计

超声波发射电路采用基于MAX232的方波发射电路，利用MAX232的电荷泵输出±8.5V电压驱动超声波传感器。

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。

MAX232主要是用来进行电平转换，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器。

由单片机产生相位相反的2个40KHz方波信号，并通过单片机P2.0和P2.1口输出。

信号通过MAX232放大后叠加在超声波传感器两端，信号电压幅值大约17V，频率为40KHz，超声波传感器在这个电压的作用下，产生40KHz的超声波。

具体电路如图3-2所示。

图3-2超声波发射电路

3.1.7超声波接收电路设计

超声波接收包括接收探头，信号放大器等部分，超声波接收探头必须与发射探头型号相同，否则可能导致接收效果不理想，甚至不能接收回波信号。

由于超声波接收探头接收的回波信号非常弱，所以必须用放大器进行放大，本设计所用的放大器型号为TL074C，4运算放大器。

没有接收到回波信号时，超声波接收电路的输出端为低电平，当接收到回波信号后，输出端由低电平变为高电平，且高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

具体电路如图3-3所示。

图3-3超声波接收电路

3.1.8HC-SR04超声波测距模块

HC-SR04超声波测距模块是将超声波发射探头、超声波接收探头、MAX232、TL074C及STC11等器件与超声波收发电路集成到的一起的一个超声波测距模块。

可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。

模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

HC-SR04超声波测距模块的电气参数如表3-1所示。

HC-SR04基本工作原理：

（1）采用IO口TRIG触发测距，给最少10μs的高电平信号

（2）模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回

（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

表3-1HC-SR04超声波测距模块的电气参数

电气参数

HC-SR04超声波测距模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40kHz

最远射程