基于单片机的超声波测距倒车雷达设计毕业设计Word格式文档下载.docx
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本文所设计的倒车雷达预警系统主若是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。
该系统将微型运算机技术与超声波测距技术、传感器技术等相结合，可检测在汽车倒车时，障碍物与汽车的距离。
假设检测到距离在应报警范围内，那么通过LED发光二极管闪烁频率的高低来表示二者之间的距离，车辆离障碍物越近，LED闪烁的频率越高，并可依照LED闪烁频率的高低，配合利用声音为驾驶员示警，闪烁频率越高，那么蜂鸣器发出的声调越高，反之那么越低或不发作声音报警。
汽车倒车雷达尽管此刻已经被普遍运用到汽车行业，但并非妨碍本课题研究的存在性和科学性，其一是目前的倒车雷达技术并非是尽善尽美的，它也有它的不足的地方；
其二是实现倒车雷达的方式多种多样，只有反复研究，才能设计出更简单更符合实际需要的倒车雷达系统。
第一章概论
设计现状
倒车雷达又称停车辅助系统，是汽车停车平安辅助装置，能以声音或更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情形，解除驾驶员停车和起动车辆时前后左右探视所引发的困扰，并帮忙驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺点，提高了平安性。
倒车雷达的原理与一般雷达一样，是依照蝙蝠在黑夜里高速飞行而可不能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有效性的限制，目前其要紧功能仅为判定障碍物与车的距离，并做出提示。
司机在倒车时，启动倒车雷达，在操纵器的操纵下，由车尾保险杠上的探头发送超声波，碰到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经操纵器进行数据处置，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。
超声波倒车雷达系统一样由超声波传感器（俗称探头）、操纵器和显示器等部份组成，此刻市场上的倒车雷达大多采纳超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在操纵器的操纵下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，碰到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经操纵器进行数据处置，判定出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，取得及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。
设计意义
随着汽车的迅速增加，停车难已是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，那么闯祸，烦事又烦人。
尽管每辆车都有后视镜，但不可幸免的都存在一个后视盲区。
倒车雷达是汽车停车或倒车时的平安辅助装置，能以声音或更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情形，解除驾驶员停车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引发的困扰，并帮忙驾驶员扫除利用死角和视线模糊的缺点，提高驾驶的平安性。
倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。
目前国内倒车雷达的现状
通常的倒车雷达要紧由感应器、主机、显示设备等三部份组成。
感应器发出和同意超声波信号，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：
悬挂式感应器要紧用于载货车。
依照显示设备种类不同，倒车雷达又能够分为数字式、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，并可精准到1厘米，让驾驶员一目了然。
通过几年的进展，倒车雷达系统已通过了数代的技术改良，不管从结构外观上，仍是从性能价钱上，这几代产品都各有特点，目前利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单片机为核心操纵芯片，高性价比的倒车雷达，系统成型后，通过专业技术人员论证后可推向市场。
第二章系统整体结构设计
系统整体结构框图
依照系统所需功能，系统硬件结构能够划分为三大要紧模块：
测距系统、操纵系统和显示和语音报警系统。
系统整体结构框图如图2-1所示。
图2-1系统整体结构框图
其中测距系统有超声波发射、接收子系统组成；
操纵部份以AT89C51单片机为核心，其口输出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；
显示报警部份由显示系统及语音系统组成，其中显示系统采纳简单有效的3位共阳8段数码管。
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，一样具有声波传输的大体物理特性—反射、折射、干与、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，而且在不同的媒质介面，超声波的大部份能量会反射。
利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时操纵，而且在测量精度方面能达到工业有效的要求，要紧应用于倒车雷达、建筑施工工地和一些工业现场，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普遍的作用，它不但能够保证产品质量、保障平安，还可起到节约能源、降低本钱的作用。
超声波与光波、电磁波、射线等检测相较，其最大特点是穿透力强，几乎能够在任何物体中传播，了解被测物体内部情形。
超声检测设备还具有结构简单，本钱低廉的优势，有利于工程实际利用。
近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处置技术和超声波产生和接收新技术的进展，冲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、传播距离较远等优势，而常经常使用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都能够通过超声波来实现。
超声波测距要紧应用于倒车雷达、建筑施工工地和一些工业现场，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、易于做到实时操纵，而且在测量精度方面能达到工业有效的要求，因此在测控系统的研制上取得了普遍应用。
超声传感器是一种将其他形式的能转变成所需频率的超声能或是把超声能转变成同频率的其他形式的能的器件。
目前经常使用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。
电声型要紧有：
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，而且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中适应上都把超声传感器称作探头，而工业中采纳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，是超声检测中最经常使用的实现电能和声能彼此转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部份。
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。
其具有以下的特性：
把这种材料置于电场当中，它就产生必然的应变；
相反，对这种材料施之外力，那么由于产生了应变就会在其内部产生必然方向的电场。
因此，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，用这种材料能够制成超声传感器。
传感器的要紧组成部份是压电晶片。
当压电晶片受发射电脉冲鼓励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引发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。
超声波传感器一样采纳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，价钱低廉，且超级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转变的交流电压时，依照压电效应，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必然范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也确实是说，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。
若是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2-2压电式超声波传感器结构图
压电式超声波发生器事实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下图，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，若是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。
如此，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，就可超级方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各类频率的超声传感器。
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、金属壳及金属网组成，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，并使传感器有必然的指向角，金属壳能够避免外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。
金属网也是起爱惜作用的，但不阻碍发射与接收超声波。
超声波传感器的特性
超声波传感器的大体特性有频率特性和指向特性：
1频率特性
如图2-3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，也确实是说在f0处所产生的超声声压能级最高。
而在f0双侧，声压能级迅速衰减。
因此，超声波发射传感器必然要利用超级接近中心频率f0的交流电压来鼓励。
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2-3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专门好的频率选择特性。
超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有专门大关系，若是R专门大，频率特性是尖锐共振的，而且在那个共振频率上灵敏度很高。
若是R较小，频率特性变得滑腻而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。
而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利用，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，能够把表面上每一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。
超声波测距原理
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，在那个地址利用脉冲反射式，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，途中碰着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，依照计时器记录的时刻t，就能够够计算动身射点距障碍物的距离（S），即：
（2-1）
其中，t0确实是所谓的渡越时刻。
能够看出要紧部份有：
（1）供给电能的脉冲发生器（发射电路）；
（2）使接收和发射隔离的开关部份；
（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，能够使微弱的回声放大到必然幅度，并使回声激发记录设备；
（6）记录/操纵设备，通常操纵发射到传感器中的电能，并操纵声能脉冲发射到记录回波的时刻，存储所要求的数据，并将时刻距离转换成距离。
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，在传播的进程中衰减较大。
故在超声波测量中，常利用40KHz的超声波。
目前超声波测量的距离一样为几米到几十米，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。
距离测量系统经常使用的频率范围为25KHz～300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或两个是分开利用的。
发射电路一样由振荡和功放两部份组成，负责向传感器输出一个有必然宽度的高压脉冲串，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必然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/发隔离那么使接收装置躲开壮大的发射信号；
记录/操纵部份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。
第三章系统硬件设计
AT89C51芯片
AT89C51芯片介绍
5l系列单片机中典型芯片（AT89C51）采纳40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的按时／计数器T0和T1，4个8b的I/O端I：
IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
专门是
该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM）。
图3-1AT89C51单片机结构及引脚图
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位微处置器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器能够反复擦除100次。
该器件采纳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是一种高效微操纵器，AT89C51单片机为很多嵌入式操纵系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
如图3-1所示。
AT89C51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，被概念为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它能够被概念为数据/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，现在P0外部必需被拉高。
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口被外手下拉为低电平常，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放器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和操纵信号。
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，由于外手下拉为低电平，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：
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
/INT0（外部中断0）
/INT1（外部中断1）
T0（记时器0外部输入）
T1（记时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/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，要维持RST脚两个机械周期的高电平常刻。
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。
1振荡器特性：
XTAL1和XTAL2别离为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器能够配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡都可采纳。
如采纳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，但必需保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2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操纵信号组合，并维持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，该操作必需被执行。
另外，AT89C51设有稳态逻辑，能够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，按时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保留RAM的内容而且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
AT89C51要紧特性
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时刻：
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位按时器/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。
5l系列单片机提供以下功能：
4KB存储器；
256BRAM；
32条I/O线；
2个16b按时／计数器；
5个2级中断源；
1个全双向的串行口和时钟电路。
空闲方式：
CPU停止工作，而让RAM、按时／计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式：
保留RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
5l系列单片机为许多操纵提供了高度灵活和低本钱的解决方法。
充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情形下组成功能完善的超声波测距系统。
电源电路
本设计利用汽车尾灯的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3-2所示。
图3-2电源电路图
在各类电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部份，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的要紧任务是将50Hz的电网电压转换成稳固的直流电压和电流，从而知足负载的需要，直流稳压电源一样由整流、滤波、稳压等环节组成。
整流电路是具有但方向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单方向脉动的直流电压；
滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部份，保留直流成份，尽可能供给负载滑腻的直流电压；
稳压电路是一种自动调剂电路，在交流电源电压波动或负载转变时，通过此电路使直流输出电压稳固。
桥堆2W10：
将交流电压变成直流电压。
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。
最大整流电流从到100A，最高反向峰值电压从50V到1600V。
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固，电压大小为+5V，
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