课程设计超声波倒车雷达测距Word文档格式.docx
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第一章绪论·
1.1背景·
1.2目前研究现状分析·
1.3拟解决的关键问题·
第二章课程设计目的·
第三章课程设计正文·
3.1系统分析·
3.2总体设计·
5
3.3原理图设计·
9
3.4软件程序设计·
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第四章调试方案·
10
第五章项目小组分工·
12
第六章课程设计总结·
参考文献·
13
附件1：
项目原理图
附件2：
源程序
摘要
目前，单片机已经渗透到了我们生活的方方面面。
本系统基于AT89S52单片机，利用超声波模块进行距离的探测，将所测得信号交给单片机进行处理，由1602液晶显示模块进行显示，同时将感应出是否有人体接近。
在危险距离之内还有报警音提示，使模型小车避开障碍物。
关键词：
单片机、超声波测距、报警、壁障
1绪论：
题目：
超声波倒车雷达测距
1.1背景：
倒车雷达的快速发展始于20世纪末21世纪初，经过几年的时间，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达在几年的时间里大致经过了六代的演变。
第一代：
倒车时通过喇叭提醒。
“倒车请注意”！
这就是倒车雷达的第一代产品，只要司机挂上倒档，它就会响起。
第二代：
采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。
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。
担对驾驶员帮助不大。
后来又有：
数码波段显示具体距离或者距离范围、液晶屏动态显示等。
担这些倒车系统在使用的过程中都有一定的缺陷，汽车尾部与后车轮之间的空间都普遍成了探测的盲区，致使汽车在倒车时都会受到不同程度的刮伤、碰撞等，这是广大爱车族们所不愿意看到的。
1.2目前研究现状分析
目前国内做倒车雷达的厂家很多，但是性能都不是很理想，普遍存在倒车雷达探测声波波束较窄，当障碍物偏离探头的正对角度时，存在较大的探测盲区。
对管锥状障碍物探测存在较多的死角。
另外，探测低矮的障碍物也比较困难，高度在50cm以下的障碍物就探测不到了，在很大程度上不能满足广大车主的需求。
尤其当下车位少、停车难成了平常事。
停车越来越困难，碰撞时有发生。
倒车雷达的使用有助于减少停车碰撞事件的发生。
而我们所要制作的雷达将重点放在探测高度较低的障碍物，利用超声波的特性，将爱车与较低障碍物的距离测出。
1.3拟解决的关键问题
（1）超声波探头实现对距离的精确测距；
（2）测量结果的反馈于人；
（3）实现对倒车过程的自由监控。
2课程设计目的
通过对超声波汽车系统的设计，了解一个系统设计的总流程。
学习超声波测距方法、数据通信原理，学会采用简单电路的实验调试和整机指标测试方法，增强我们的动手能力，为以后学习和工作打下坚实基础。
3课程设计正文
3.1系统分析
3.1.1技术要求
此系统利用超声波探头时刻测量距离变化情况，实现数据传输、能准确报警，提示实时距离，保障倒车过程安全。
3.1.2设计思路
系统首先设计单片机最小系统，然后设计外围电路部分，包括：
超声波探头接口、液晶显示模块,报警模块的蜂鸣器和指示灯。
硬件设计好后开始软件编程、调试，最后系统设计总体完成。
3.2总体设计
3.2.1设计要求：
设计一个超声波倒车雷达，要求测量距离为0.3m到3m，当车后方与障碍物距离大于3m时，倒车雷达不报警，当探测到车后方与障碍物之间的距离为3m时蜂鸣器开始发出报警，当距离为1.5m时，蜂鸣器报警频率提高；
采用3—4个测距模块，报警显示模块根据检测到的最短障碍物距离进行报警；
探测距离在LCD显示器上进行显示，测量误差不大于10cm。
3.2.2工作原理：
工作原理：
超声波发送器利用逆压电效应产生超声波，即以一定频率的脉冲信号激励超声波发送器，使压电陶瓷片产生共振，由此将电能转换为压电陶瓷片振动的机械能即可产生超声波。
测量车与障碍物之间的距离时，采用渡越时间法进行测量，即由超声波发送器产生超声波，超声波经空气介质传播到达障碍物表面，并产生反射形成反射波，反射波经空气介质进行传播返回到超声波接收器，通过测量超声波由开始发射到接收的时间间隔，由公式：
S=C*t/2（公式一）
C:
为超声波在工作环境中的传播速度;
t:
为由超声波发射到返回被接收的时间间隔
即可计算出车辆与障碍物之间的距离。
超声波测距原理示意图
发射超声波（距离：
S）
图1超声波测距原理示意图
3.2.3硬件设计方案
设计以单片机AT89S52为核心，共包括：
超声波发送模块，超声波接收模块，报警模块，距离显示模块，温度补偿模块五大模块，总体设计如下图所示：
图2总体设计图
3.2.4主控模块：
设计选用AT89S52作为主控芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，32个I／o口、三个16位定时／计数器、八个中断源、全双工UART串行口和看门狗定时器等，资源丰富，既满足了设计要求，也满足了日后扩展的需求。
AT89S52采用11.0592MHZ晶振，采用内部时钟电路，由软件直接在单片机上产生方波脉冲串，为超声波发送器提供40KHZ振荡信号。
当单片机产生振荡信号的同时开始计时。
电路图如图3
图3单片机系统
3.2.5超声波发送模块：
（1）超声波发送器选择：
考虑到当超声波发送器工作频率过高时，会使介质对声波的吸收增大，造成超声波传播损失。
而当超声波发送器频率过低时，会使尺寸分辨率下降，降低测量精度；
同时当传感器工作频率过低时会使传感器尺寸增大，带来安装不便。
因此，设计选择工作频率为40KHZ的超声波发送器，考虑采用TCT40-16T作为超声波发送器，其发射频率为40KHZ，发射声压为117db,接收灵敏度为-65db,静电容量为2500+-25PF,测量距离为0.2—3m，能够满足设计要求。
（2）电路设计：
由于TCT40-16T的发射频率为40KHZ，由AT89S52提供一系列频率为40KHZ的方波信号来驱动，而单片机输出振荡信号的驱动能力较弱，无法驱动TCT40—16T产生超声波，
因此必须设计信号放大电路对单片机的输出振荡信号进行放大，因此超声波发送电路本质上即信号放大电路。
设计采用反相器74HC04构成放大电路，74HC04是一个高速CMOS六反相器，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。
工作时单片机相应端口输出的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，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可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。
上位电阻R0，R1，既可提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，又可增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时,这种方式所得到的波形比其他方式效果更理想。
电路图如图4
图4超声波发送模块
3.2.6超声波接收模块：
超声波接收模块用于接收由障碍物表面发射回来的超声波，超声波接收模块包括三个部分：
信号放大电路，滤波电路，电压比较电路。
由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱，所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数，因此必须用到信号放大电路对其进行放大。
而反馈信号经过放大后，其中会夹杂着其他干扰脉冲，因此在信号放大后必须加以滤波，以过滤掉其他干扰脉冲；
然后将经过滤波之后的信号进行整形成方波从而为AT89S52单片机提供一个中断信号，使单片机停止计时。
由于现已有集成电路CX20106A可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较，而且CX20106A接收超声（无信号时输出高电平，当接收到回波信号后跳变为低电平）具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
调整电容C可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力，因此设计直接采用CX20106A作为超声波接收模块，CX20106A引脚1作为信号输入端，引脚7作为输出端，当超声波接收器接收到回波时由CX20106A的引脚7向单片机输出一个中断信号，单片机接收到中断信号后即停止计时。
电路图如图5
图5超声波接收模块
3.2.7温度补偿模块：
由于超声波传播速度会主要受外界温度影响，其计算公式为：
C=
（公式二）
因此为了提高设计的精度必须对温度造成的误差进行补偿。
设计采用DS18B20对外界温度进行测量，并将测得的温度值传递到单片机，由单片机的软件对超声波的传播速度进行误差补偿，从而消除由温度带来的误差。
图6温度补偿电路
3.2.8显示模块：
设计采用1602LCD对测量距离进行显示，1602LCD是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，1602LCD有两组电源，一组是模块的电源一组是背光板的电源均为5V供电。
R3是调节对比度的引脚，调节此脚上的电压可以改变黑白对比度。
RS是很多液晶上都有的引脚，是命令／数据选择引脚，该脚电平为高时表示将进行数据操作；
为低时表示进行命令操作。
RW也是很多液晶上都有的引脚，是读写选择端，该脚电平为高时表示要对液晶进行读操作；
为低时表示要进行写操作。
同样，很多液晶模块有E引脚，通常在总线上信号稳定后给一正脉冲通知把数据读走，在此脚为高电平的时候总线不允许变化。
DO～D78位双向并行总线，用来传送命令和数据。
BLA是背光源正极，BLK是背光源负极。
电路如图7
图71602液晶显示模块
3.2.9报警模块：
1602LCD包括3级发光二极管报警和3级蜂鸣器报警，电路与常用的发光二极管和蜂鸣器驱动电路相同，这足以满足使用需求。
为了探测到汽车周围各个方向的障碍物，至少要安装3～4个超声波换能器，即需要3～4套超声波测距模块（发射和接收模块）。
报警显示模块根据检测到的最短障碍物距离进行报警。
电路如图8
图8报警电路
3.3原理图设计
3.3.1测量发送模块
（见附录1）
3.3.2接收显示模块。
（见附录2）
3.3.3软件系统流程图
软件系统流程图如图9所示。
开始
S数据入栈保存，
等待发送
单片机上电，超声波探头TCT40—16T发送超声波
液晶显示
判断距离
CX20106A超声波接收
不报警
S>
3
探头发送和接收到返回信号的时间差t
开始报警
S<
=3
DS18B20测量温度
报警频率提高
S<
1.5
计算
C=
制动
S=C*t/2
图9程序流程图
程序流程图说明：
1）模块1实现的功能是：
单片机上电后，超声波探头开始发出超声波，与此同时开启定时器，当超声波探头接收到由障碍物反射得到的返回信号后引起中断，计时器停止计时，将所计时间t通过计算公式：
s=340*t/2可以得到车子与障碍物之间的距离。
计算得的距离s入栈保存等待发送。
模块1的单片机在发送数据s前先给下位机发送一
个校验码，当下位机接收到的校验码正确，下位机给上位机发送一个OK的信号，上位
机将遍随即给下位机发送测量的的数据s。
2）模块2实现的功能是：
单片机上电后便等待删上位机的发送信号，当校验正确后便再等待接收s的测量数据，接收到的数据s由液晶1602模块显示，同时将进行距离判断，由距离大小的改变，改变不同的报警提示。
3.4软件程序设计
该程序主要包括主程序、延时、中断，液晶屏显示、超声波测距。
源程序设计：
1）模块1：
见附录
2）模块2：
4调试方案
调试时采用分模块的方式进行调试，首先对主控模块即单片机最小模块进行调试，确保接线等硬件设计无误后，再将整体设计分超声波测距模块，显示模块，温度补偿模块，报警模块四个模块单独进行调试。
（1）超声波测距模块调试
首先令单片机发出频率为40kHz的振荡信号，作用于超声波发送器，由于设计采用的是超声波发送器与接收器分离的方式，调试时将超声波接收器置于另一端与超声波发送器分开一定的距离，超声波接收器与示波器相连接。
观察示波器，如果在示波器上可以观察到频率为40kHz的信号波形，则说明超声波发送器与接收器可以正常工作，如果观察不到相应的波形，则说明可能是超声波发送模块出现故障，或者超声波接收模块出现故障。
在这种情况下，分别对超声波发送模块与超声波接收模块进行检测，对超声波发送模块进行检测时，先将示波器与P1.0口相接，如果可以观察到频率为40kHz的波形，证明单片机输出没有问题，再换用另一相同的超声波接收器与示波器相接用以代替原来的超声波接收模块，如果观察到相应波形，则说明超声波接收器出现故障，如果依然观察不到相应波形，则换用另一相同的超声波发送器，仍用原超声波接收模块继续观察示波器输出波形，如果波形正常，则说明超声波发送器出现故障，如果观察不到正常波形，则说明超声波接收器出现问题。
由此检测，将故障进行排除。
（2）显示模块
调试时对单片机直接写入一个确定的数据，将此数据传送至1602显示器进行显示，如果显示器能够正确显示该数据，则对该数据进行修改，继续传送至1602显示器进行显示，如果数据不能正确显示，则说明显示模块硬件设计出现问题，重新检验硬件设计。
当显示模块硬件设计问题排除后，则将显示模块接入整体设计中，移动超声波测距模块对不同距离进行测量，观察1602是否出现相应的显示值，如果显示出现问题，则说明可能是程序设计出现问题，对程序设计进行重点排查，直至故障解决。
（3）温度补偿模块
调试时先直接令温度补偿模块对外界温度进行检测，将所得数据直接寄存于单片机寄存器内，如果单片机相应的存储单元内出现正确的测量值，则改变外界温度，重复进行三次测量，观察单片机相应存储单元中测得值是否正确，如果均正确则说明DS18B20可以正常工作。
再将温度补偿模块接入整体电路之中，在不同温度下对同一距离进行五次测量，观察每次测得值是否一致，如果一致则说明温度补偿模块可以正常工作，如果不一致，则可能是程序出现问题，对程序进行检查。
（4）报警模块
直接在单片机相应储存单元写入确定值4，将此数据传递到报警模块，观察报警模块是否正常发出报警声，不发出则将相应存元中的确定值改为3，此时，如果仍未发出报警，则可能是报警模块硬件设计出现问题，对报警模块电路设计重新进行检查，如果可以发出报警，则将确定值改写为1，观察报警声是否频率加快，如果是，则说明报警模块硬件设计基本正确，将报警模块接入整体设计之中，移动超声波测距模块，改变与障碍物之间的距离，观察报警模块是否可以正常报警，如果不能，则说明报警模块软件设计可能出现问题，对软件设计进行重点检查。
（5）整体调试
当分模块调试确定无故障后，对设计进行整体调试，先在同一温度下，通过改变测量距离进行测试，重复测量五次，对测量值进行记录，并观察在相应的测量值下是否出现相应的报警现象，同时对每一个测量值的位置用其他方式进行测量，比较用设计测得的值与其他方式测得的值是否一致，如果一致，则改变环境温度，在不同的温度下重复上述步骤，共取五个不同的温度值，在每个温度值下测量五个不同的距离，观察测得值是否正确，如果正确则说明设计可以正常工作，满足设计要求。
5项目小组分工
何嘉林（20110050）：
超声波测距模块
杨卓（20110051）：
温度补偿模块及报警模块设计
孟克巴特（20110053）：
液晶显示模块及超声波发送模块
冯佳琦（20110054）：
超声波接收模块及程序
马勋杰（20110052）：
方案设计，整体程序，系统的整体调整
6课程设计总结
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
因此单片机已成为全国各大高校计算机、电子、控制、机电等专业的必修课程，对于此，我们本次申请的项目是“基于单片机技术的可视化倒车雷达设计方案”将单片机应用在我们最贴近的生活中，让单片机走进我们的身边。
目的实现在倒车时能及时有效，准确地探测障碍物的距离，将事实信息显示在液晶屏幕上然后反馈于人，在特定的危险距离之内蜂鸣器会发出报警提示音，达到安全倒车的目的。
这个项目包含了电子科学，计算机科学、控制论等多学科的知识，很好的提高了多学科知识综合利用的能力。
让我们在研究阶段学习机械、电子、计算机、控制等各个方面的课程，掌握好各科知识之间的交叉和融合，是将书本知识运用于实践的一次迈进。
本人在此次课程设计当中主要负责的是：
安排课设的进度，给小组的每个成员分配任务，参与单片机的编程并配合其他组员完成整个系统设计。
在设计初期制定设计规划，整理思路，过程中不断适当调整。
通过这课程设计，使我受益匪浅。
从开始的寻找课题到查阅相关参考资料,咨询相关老师学长，确定实验原理、实施方案与寻找创新点;
并制定详细的研究方案和步骤；
整个过程使我学到了很多我所感兴趣的、觉得有用的东西，更重要的是我的动手能力、思维能力、团队协作能力都得到了锻炼。
我们先花一段时去学习相关知识，在此过程中我理解到最重要的是把原理吃透，再对设计详细的实验步骤做出合乎实际的设计，最后取得了预期成果。
在研究方面，最深的体会就是要善于勤于思考，主动动手动脑。
创新性实验不是基础的工陪训练，只要按着老师讲的步骤做就行了。
做的课题对于我们来说，可能是一个没有接触过的新领域，没有人告诉我们一步步该怎么做。
需要自己去找文献查资料，去弄明白实验的原理，然后确定要创新的方向。
按照这个方向一点点努力，所以每一步都需要独立思考。
其中会遇到很多困难，这个时候除了寻找帮助，最重要的还是自己思考。
其实，每一个伟大的成就都是这样“平凡”地一步步得出来的。
在团队合作方面，我也学习到了分工协作的一些心得，在团队合作中，不仅要积极配合其他组员的工作，同时也要对自己的任务严格把关，保证不会给他人的工作带来麻烦，比如加工要精细，认真，不能给装配的组员带来无法拼接或者缝隙过大的麻烦。
总之，通过这次课程设计，我学会了理论联系实际，认真、细心而且要坚持完成实验，不论遇到任何困难都要积极想办法解决坚持到底。
锻炼了自己的团队协作精神，同时也让我了解到自身的不足。
在这次设计要感谢我们的指导老师对我们的引导，我们这个团队的每一个人，以及学长的帮助，感谢他们提出宝贵的意见。
参考文献：
（1）万福君.《单片微机原理系统设计与应用》第二版中国科技大学出版社，2001.8
（2）郭天祥.《51单片机C语言教程》[M].北京：
电子工业出版社2012.4.
（3）华成英，童诗白.《模拟电子技术基础》[M].北京：
高等教育出版社，2006.6.
（4）阎石.《数字电子技术基础》[M].北京：
高等教育出版社，2006.5.
（5）陈耀《城市停车诱导信息系统》2013.1.
（6）西南石油大学《高精度超声波测距系统的设计与实现》
（7）杨旺喜《基于单片机的超声波倒车雷达系统设计》
（8）张甜《一种车辆防撞预警及自动刹车系统》
（9）秦伟《基于CX20106A的超声波倒车雷达设计》
（10）贺桂芳《一种高精度超声波测距系统的设计》
（11）工大图书馆数据库
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