车辆工程毕业设计65基于单片机的汽车倒车雷达设计与实现.docx

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车辆工程毕业设计65基于单片机的汽车倒车雷达设计与实现

摘要

近年来，我国的汽车数量正逐年增加。

在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。

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。

为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。

工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。

最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。

目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为1m～5m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。

本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于STC89C51单片机的超声波倒车雷达。

该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了倒车雷达的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。

超声波接收电路使用SONY公司的CX20106A红外检测专用芯片，该芯片常用于38kHz的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，倒车雷达使用数码管显示目标物的距离。

关键词：

STC89C51；倒车雷达；超声波传感器；测距

ABSTRACT

Inrecentyears,China'snumberofcarsisincreasingeveryyear.Highways,streets,parking,garageandothercrowdedplacesnarrowreverse,thedrivershouldnotonlyforwardbutalsolookingback,alittlerear-endcarelessaccidentscanoccur.Soaftertheincreaseofmotorvehiclesastheabilitytodetectobstaclesonthedevelopmentoftherearofthecarreversingradarhasbecometheresearchhotspotinrecentyears.theultrasonictransmittercontinuouslyemitsaseriesofconsecutivepulsestothemeasurementoflogiccircuitstoprovideashortpulse.Finally,signalprocessingdevicesbasedonthereceivedsignalforprocessingthetimedifference,automaticcalculationofturnoutandthedistancebetweenobstacles.UltrasonicRangingsimple,lowcost,easyproduction,butthetransmissionspeedbyalargerweathercannotbepreciserange;Inaddition,theultrasonicenergyandtheattenuationisdirectlyproportionaltothesquareofthedistance,thefartherthedistance,thelowersensitivityandthusUltrasonicRangingwaysothatonlyapplytoashorterdistance.Atpresent,ultrasonicrangefinderathomeandabroadingeneral,theidealdistanceofthemeasurement1~5m,basedonSTC89C51ultrasonicrange-finder.ReceivingcircuitusingtheSONYcompanydedicatedCX20106Ainfrareddetectingchip,thechipusedinthedetectorcircuit38KHz,thetextofthechipthroughthecarefulanalysisoftheinternalcircuitdesigncansuccessfully40kHzultrasonicdetectionofhardwarecircuitryandadjustablegain,Theuseofdigitalrangefinderdisplaythedistancebetweenobjects.

KEYWORDS：

STC89C51；Wave;Measure；DistanceReversing；Reverseradar

1.4主要研究问题3

3.5超声波传感器的特性11

3.7超声波传感器的选择13

3.8本章小结14

4.3主程序16

第1章绪论

1.1课题的研究现状

随着我国汽车产业的迅速发展，我国开始进入了私家车时代，汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个隐患。

本文所设计的倒车雷达主要是针对汽车倒车时无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。

超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。

就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。

国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。

技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。

由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。

超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于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，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。

1.2设计的目的和意义

随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。

虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的都存在一个后视盲区。

倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒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使用死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。

1.3目前国内倒车雷达的研究现状

经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。

经过这几年的发展，倒车雷达系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品各有特点，使用较多的是数码显示、荧光显示和魔幻镜倒车雷达这三种。

第一代：

倒车时通过喇叭提醒。

“倒车请注意”！

想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有少部分商用车还在使用。

只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。

第二代：

采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。

这是倒车雷达系统的真正开始。

倒车时，如果车后1.8m～1.5m处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。

蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。

但没有语音提示，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，对驾驶员帮助不大。

第三代：

数码波段显示具体距离或者距离范围。

这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。

如果是物体，在1.8m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：

绿色代表安全距离，表示障碍物距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有0.6m~0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到0.6m，必须停止倒车。

第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。

第四代：

液晶屏动态显示。

这一代有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。

不用挂倒档，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，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LCD显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。

现动态显示系统。

不用挂倒档，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，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LCD显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。

第五代：

魔幻镜倒车雷达。

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。

魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、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，是目前市面上最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，直接安装在车内后视镜的位置。

而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。

第六代：

专为高档轿车配置的。

第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：

外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。

1.4主要研究问题

（1）超声波测距范围小于350cm，距离显示分辨率1cm，测距误差小于5%；

（2）超声波在传播中距离的计算；

（3）超声波的发射和接受能否顺利完成，达到实时显示倒车距离，倒车距离显示的是测距值的最小值，在达到设计要求的最小距离时系统产生报警。

该设计的应用背景是基于STC89C51的超声信号检测的。

因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在2.5米左右。

单片机（STC89C51）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，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，进行蜂鸣报警。

其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。

在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率有调谐电路的电感、电容决定，发射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定参数决定，频带较宽。

将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率40KHz，使其工作在谐振频率，达到最优的特性。

发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。

但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。

通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。

发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。

接收部分就是有两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。

最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（STC89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

超声波发射

单

片

机

LED数码管显示

键盘控制

超声波接收

放大

比较

图2.1倒车雷达系统总设计方案

该系统又单片机控制电路、超声波发射和接受电路、显示电路以及报警电路等几部分组成。

单片机是整个系统的核心部件，协调各部分电路的工作。

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，遇到障碍物后发生反射，反射的声波信号经过处理后输入到单片机的外部中断口产生中断，单片机停止计时。

通过单片机可得到超声波信号的往返所需要的时间，即可求得车体与障碍物之间的距离。

在达到技术要求的情况下产生报警。

2.1.1超声波测距原理

超声波测距的原理一般采用回波探测法，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，超声波在介质中传播，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。

图2.2即为超声波测距的具体流程图：

T2

T1

图2.2测距的原理

2.1.2理论计算

如图2.2为反射时间，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式：

其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间，

可以计算出路程，这种

方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。

这样可以求出距离：

555时基电路振荡产生40Hz的超声波信号。

其振荡频率计算公式如下：

超声波测距的原理：

即为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。

这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离的计算公式为：

其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

 超声波的指向性强，能量消耗缓慢，遇到障碍物后反射效率高，是测距的良好载体。

测距时有安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，有定时器计时。

首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波咋介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到发射波立即停止计时。

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。

由于常温下超声波在空气中的传播数的约为340m/s。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。

2.2本章小结

本章分析了超声波测距的原理，以及理论的计算，对于系统的总体设计方案做了详细的介绍。

该系统设计有超声波发射电路、超声波接收电路、键盘控制电路、单片机硬件接口电路及显示报警电路组成，该系统的核心部分采用性能较好的STC89C51单片机，下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。

3.1超声波发射模块

超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用压电式，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。

前者利用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。

这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流100mA以上的驱动电路。

第二种方法是利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。

这种方法的优点是无需驱动电路，但缺点是灵活性低。

本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。

40KHz的超声波是利用LC震荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下：

脉冲发射采用软件方式，利用STC89S51的P1.0口发射40kHz的方波信号，经过74HC04放大后输出到超声波换能器，产生超声波。

74LS04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于LSTTL逻辑IC，它的功耗减少很多。

对于HC类型，其工作电压为2～6V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS逻辑输入等特点。

本系统将40KHz方波信号分成两路，分别由74LS04经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。

电路图如图3.1所示。

发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

图3.1超声波发射电路

3.2超声波接收模块

超声波接收电路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，本设计采用与发射端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。

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进行放大。

超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。

内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。

可以利用它作为超声波检测电路。

前置放大器：

它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很大的变化。

为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。

通过反馈将放大器设定于适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。

限度放大器：

当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可消除寄生调幅干扰。

宽频带滤波器：

其频率范围为30Hz~60Hz，其中心频率可调。

检测器：

将返回的超声波的包络解调回来。

积分滤波器与整形电路：

检测器输出的信号经积分滤波器送到整形电路，输出较好的矩形波。

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。

图3.2超声波接收电路图

3.2.1集成电路CX20106A

集成电路CX20106A是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。

常用的载波频率38khz与测距的40khz较为相近，可以利用它来做接收电路。

适当的改变C3的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。

CX20106A（国内同类产品型号为D20106A）是日本索尼公司生产的在红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路。

它还可广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。

这种IC性能优越，封装形式及体积与许多遥控信号接收器IC相同或相似，故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。

CX20106A可用来完成遥控信号，CX20106A是日本索尼公司生产的红外解调集成电路，采用8脚单列直插式塑料超小型封装，+5v供电，内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、通带摅波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路。

其主要功能是从38KHz红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加以放大和整形，然后再送到微处理器（CPU）进行处理，以实现遥控操作功能，其具体引脚图如图3.3所示：

图3.3集成电路CX20106A内部结构图

CX20106A的引脚注释：

（1）l脚：

超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

（2）2脚：

该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。

（3）3脚：

该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。

（4）4脚：

接地端。

（5）5脚：

该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38KHz。

（6）6脚：

该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

（7）7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。

（8）8脚：

电源正极，4.5V～5V。

3.3单片机实现测距原理

单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S＝Ct/2，式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。

3.4键盘控制电路

此键盘与单片机P2口四个引脚相接，用于对报警距离进行设定。

其中S1表示“确定”按键；S2表示“减一”；S3表示“加一”、S4表示循环移位，对不同位置进行选择。

驾驶员可以根据自身要求对报警距离进行设定，从而大大提高了驾驶的安全系数。

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器特性为例子。

3.5.1超声波传感器的频率特性

图3.4超声波传感器的升压能级和灵敏度

图3.4声波发射传感器的升压能级和灵敏度。

其中，40KHz处为超声波发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。

而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。

其频率特性如图3.5所示。

因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。

图3.5超声发射传感器频率特性

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40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。

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