倒车雷达的设计汇总.docx

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倒车雷达的设计汇总

天津工业大学

毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的倒车雷达设计

姓名马晓阳

学院电气工程与自动化学院

专业自动化

指导教师陈奕梅

职称副教授

2015年6月1日

摘要

随着社会经济的发展和交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大幅攀升。

越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。

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。

因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车报警器应运而生。

很多科研机构对倒车雷达做了深入研究，按工作方式主要有激光超声波红外毫米波等一系列测量方法。

他们的工作原理虽然不完全相同，但最终作用都是通过不同的探测方法测量报警距离。

本设计主要以51单片机芯片为核心，利用超声波进行测距，并根据距离的远近进行相应的提示及显示。

在倒车时，能对车后的目标进行准确地探测，并判断障碍物的距离，做出提示，在发现危险目标后报警，让驾驶者便于判断，从而确保车辆的安全倒车，降低交通事故发生率。

设计系统主要由单片机主控模块、显示模块、报警模块、超声波测距模块、键盘模块组成。

本设计运用二个不同方向的超声波传感器测量倒车距离，并在显示屏上显示最小的测量距离。

当超过最小报警距离时，开始报警。

且报警的频率随着距离的减小而增加。

关键词：

倒车雷达；AT89C52单片机；超声波测距；报警系统

硬件电路；软件设计

ABSTRACT

Withthedevelopmentofsocialeconomy andtransportationindustryisbooming, asharpriseinthenumberof cars. Moreandmore peoplehavetheirowncars, atthesametimecausedbyparkingandreversing accidentsarealsoincreasing. Inviewofthissituation, thedesignofa fastresponse, beimperative vehicleanti-collisionwarningsystem withhighreliabilityand economical. Therefore, reversealarm helpdriversparkingand reversing theemergeasthetimesrequire. Manyscientificresearchinstitutionsofreversingradardoin-depthresearch,accordingtoworkmainlylaserultrasonicinfraredmillimeterwave,aseriesofmethodsofmeasurement. Theywork although notexactlythesame, but thefinal effectis measuredbythe detectionmethodof differentalarm distance.

Thisdesignmainlyto51singlechipasthecoreusingultrasonicranging,andaccordingtothedistanceofthecorrespondingpromptanddisplay. Inreverse,canaccuratelydetectthetargetsontherearofthecar,andjudgmentthedistancetotheobstacle,makeaprompt,alertafterthediscoveryofdangeroustargets,letsthedriverforthejudgment,soastoensurethevehiclesafetyreversing,reducetheincidenceoftrafficaccidents. DesignsystemconsistsofMCUcontrolmodule,displaymodule,alarmmodule,ultrasonicrangingmodule,keyboardmodulecomposition. Thisdesignusingtwodifferentdirectionsoftheultrasonicsensortomeasurethereversingdistance,andtheminimumdistancemeasurementisdisplayedonadisplayscreen. Whenthe distance exceedstheminimumalarm, alarm. Andthealarm frequency increaseswith decreasingdistance.

Keywords:

 reversingradar; AT89C52MCU; ultrasonicranging; alarm

systemHardwarecircuit; softwaredesign

第一章绪论

1.1课题背景

改革开放以来我国经济的飞速发展，汽车已走进千家万户，交通拥挤的状况愈发的严重，交通事发逐年攀升，由此引起的人员伤亡和财产损失让人触目惊心。

在拥挤的公路、街道、停车场和超市等大型场所，加上无法消失的视觉盲区和驾驶员目测的误差以及视线由于各种原因的模糊，驾驶人员在泊车过程中没法注意到车后的环境情况，造成的交通事故给车主和社会带来了很大的危害，倒车雷达应运而生。

倒车雷达有助于驾驶员减小泊车和倒车的时的视觉盲区，提高司机安全驾车的效率，保护驾驶员和他人的生命财产安全。

1.2当前国内外倒车雷达的研究发展情况

倒车雷达技术随着现在科学技术的不断发展而在不断地改良进步之中，由第一代喇叭提醒倒车雷达到现在的第六代无线液晶倒车雷达，无论从外形还是性能上倒车雷达技术可以说是日新月异。

1.3研究倒车雷达的目的和意义

倒车雷达的不断研究和发展给人们的生活带来了极大的便利，减少了交通事故的发生，保护了人们的生命财产安全。

使人们可以放心的倒车和启动，不必担心交通事故的发生。

倒车雷达在行车安全中起着至关重要的作用，因此对它的研究也就显得十分必要。

1.4本课题的主要内容

本设计是基于单片机的倒车雷达报警系统。

本设计中采用AT89C52芯片作为整个倒车雷达控制系统的控制核心，运用超声波传感器作为测距元件，在数码管上显示测量的距离。

本设计运用二个不同方向的超声波传感器测量倒车距离，并对两个测量距离进行比较且在数码管上显示最小的测量距离。

当超声模块1的测量距离小于最小报警距离时，数码管显示超声模块1的测量距离，同时在数码管最后一位显示字母H,而当超声模块2的测量距离小于最小报警距离时，数码管显示超声模块2的测量距离，同时在数码管最后一位显示字母L。

这样能够分辨出到底是哪个超声模块的测量距离小于最小报警距离。

当测量距离小于最小报警距离时，给蜂鸣器的控制端输入低电平信号，蜂鸣器导通开始报警。

且报警的频率随着距离的减小而增加。

1.5本章小结

本章主要介绍了倒车雷达的发展背景，以及国内外倒车雷达的发展状况，使我们对倒车雷达的发展有个初步的了解。

说明了研究倒车雷达的目的和意义。

同时大体介绍了本次设计的主要内容。

第二章超声测距原理

本章主要研究超声模块的测距原理，分别对超声模块的的性能特点、模块框图，接口定义，模块工作原理，注意事项进行分析。

2.1引言

本设计中应用的超声模块为超声波传感器。

超声波传感器是利用超声波在气体、液体、固体中稳定传播，且超声波遇到障碍物发生反射这一特性制成的传感器。

超声波由电压激励超声波探头内的压电晶片发生振动而产生。

超声波信号性能稳定，与物体接触时能够被物体反射回来。

反射回来的超声波能够被检测到。

超声波的实际应用范围十分的广泛。

给人们的日常生活带来了极大的方便。

如果检测装置要以超声波作为检测的技术手段，检测设备一定要能够产生超声波，并且能把超声波发射出去，同时又能检测到超声波的回波。

能够完成这一功能的检测设备被人们称为超声波传感器。

正是由于超声波传感器性能稳定，价格低廉，工作原理简便，所以在日常的生活中超声波传感器应用范围非常广泛。

2.2超声波模块的性能特点

超声波传感器的核心部件是能够产生超声波的压电晶片。

构成晶片的材料是多种多样。

如压电晶片的大小和厚度不尽相同，因此每个超声波传感器的性能也是各不相同的，在我们使用传感器之前必须先了解该超声波传感器的性能特点，使用时的注意事项等。

超声波传感器的主要工作性能指标有以下几个方面：

（1）超声波传感器的频率。

（2）超声波传感器工作时的温度。

（3）超声波传感器的灵敏度。

超声波传感器的灵敏度这主要取决于制造超声波探头的晶片本身.

本次设计所用到的超声模块类型是超声波传感器HC-SRO4。

表2-1超声波性能特性

2.3超声波模块框图

图2-1超声波传感器实物图

图2-2超声波传感器原理图

2.4接口定义

表2-2超声波模块接口定义

2.5超声模块工作原理

（1）超声模块采用T0触发的方式，单片机输入超声模块至少10us高电平

信号，超声模块触发启动；

（2）超声模块的发射电路自动发送8个40khz的方波，并且超声波传感器接收

电路不断检索是否有超声信号返回；

（3）如果有超声信号返回，则通过超声波传感器Echo输出一高电平，则单片机

定时器T0此时停止计时，定时器所记的时间t是高电平持续的时间也就是超声波从发射到返回经历的时间。

（4）单片机计时器计时超声波往返一次的时间t,代入公式测量距离=（高电

平时间t*声速（340m/s））/2；

图2-3超声波模块工作时序图

以上时序图表示你只用提供一个10us以上的脉冲信号，该超声模块就自动发出8个40KHz的方波，并且该超声模块的接受电路自动检测是否有超声波返回信号。

当检测到有回波信号时，该模块就会输出反射信号。

由此可以通过发射信号到反射信号的时间间隔来计算所测得的距离。

测量距离=（高电平持续时间*声速（340m/s））/2.

注意：

超声模块的测量的周期应该为60ms以上，主要是为了防止发射信号对反射信号造成影响，导致测量结果出线误差。

2.6超声模块工作时注意事项

1：

此模块连接时尤其注意VCC和GND连接是否颠倒，小心模块的发热现象。

预

防模块受损。

2：

该超声模块连接时必须断电，若必须要进行带电连接，应注意先让该模块的

GND端先连接。

否则会影响模块工作，烧毁模块。

3：

超声模块测量距离时，被测物体的面积不应少于0.5平方米并且要求被测物

体的平面尽可能平整，不然会影响测量的结果。

4：

测距时，被测物体的移动速度不宜移动过快，以免引起测量结果发生错误。

2.7本章小结

本章介绍了超声测距模块的优势和特点，分析了超生测距模块的结构原理和工作方式。

并指出该模块在工作时的注意事项，为后续的硬件选型和软件设计提供了参考和依据。

第三章倒车雷达系统硬件电路的设计

本章设计了基于单片机的倒车雷达系统的整体硬件结构，并对各功能模块进行了分析和介绍。

并且，分析每个模块所要完成的功能任务。

3.1系统整体方案设计

本系统的硬件构架由五大部分组成，如下图所示，这五大部分分别是AT89C52单片机控制器模块、LED显示模块，报警模块，超声模块，键盘模块。

其整体的结构图如下图所示。

图3-1系统整体结构图

各个模块所要完成的任务如下所示：

（1）单片机控制模块：

这一模块是整个倒车雷达系统的核心模块。

该模块采用了AT89C52控制芯片，控制整个系统的正常运行与工作。

与此同时也对各种接口电路也进行控制，使各个电路有序的工作。

（2）报警模块：

这一模块主要由蜂鸣器构成。

其主要作用是用来显示汽车倒车时与障碍物之间的距离。

当测量小于最小报警距离时，报警模块语音报警进行提醒。

且报警频率随着测量距离的减小而增大，即倒车雷达与障碍物越近时，蜂鸣器的声音越急促。

（3）显示模块：

这一模块主要由LED数码管构成。

当倒车雷达的测量距离大于最小报警距离时，数码管交叉显示两个超声模块的测量距离。

当测量距离小于最小报警距离时，超声模块1测量距离小于最下报警距离，数码管显示模块1的测量距离同时数码管最后一位显示字幕H；超声模块2测量距离小于最小报警距离时，数码管显示超声模块2的报警距离同时数码管最后一位显示字幕L。

（4）测距模块：

这一模块由超声波传感器构成。

超声波传感器产生并发射超声波，同时接收超声回波。

此模块主要用来完成汽车与障碍物之间的距离的测量。

测距模块是整个系统的重要组成模块。

（5）键盘模块：

这一模块由单片机独立键盘组成。

主要功能是通过独立键盘的按键，使系统在正常测量模式和调试模式之间进行转换。

同时通过按键来调试最小的报警距离，增加或减小最小报警距离。

当车辆处于倒车状态时，单片机会的定时器会记录超声波从发射到接收之间的时间差值，根据计算公式，测出汽车与障碍物之间的距离。

单片机发出高电平信号触发超声模块，使超声模块发出40KHz的方波。

与此同时单片机定时器开始计时。

当超声波传感器接收到回波时，定时器停止计时，再将计算得到的数据让数码管显示。

当测量的距离大于最小报警距离时，在数码管上交叉显示两个超声模块的测量距离，蜂鸣器不报警；当测量距离小于报警距离时，触发语言报警模块，蜂鸣器开始报警。

这一发射，接受，显示，报警过程不断重复循环进行，直到汽车退出倒车模式为止。

3.2单片机控制模块

3.2.1单片机系统的介绍

51单片机是在MCS-51系列单片机上研究拓展起来的8位单片机系列。

单片机芯片由中央处理器、数据存储器、定时器、I/O接口和中断源等组成。

51单片由于机性能高，结构简单，运行稳定，价格低廉，所以在实际生活中51单片机的应用十分的广泛，例如在各种测量仪器、控制仪器中都有单片机的身影。

单片机通过软件的编程来实现控制的目的，操作简单方便。

单片机芯片与其外围的数字器件协调作用才能完成各种功能。

单片机控制系统最简单的是单片机最小系统。

3.2.2单片机AT89C52芯片的引脚及功能

AT89C52单片机的引脚及功能如表3-1所示

表3-1单片机芯片引脚及功能

3.2.3单片机的电平特性

单片机是一种数字集成芯片，在单片机中只有用二进制表示的电平信号0和1，即低电平和高电平。

单片机通常用TTL电平信号作为单片机的输入输出电平信号。

与单片机相连的计算机串口使用的是RS-232电平信号。

由于单片机输入输出电平与计算机串口使用电平信号的不同，所以当单片机与计算机进行串行通信时，用进行电平的转换。

我们在TX-1C单片机试验班上所加的电平转换芯片是MAX232。

3.2.4单片机最小系统电路

图3-2单片机最小系统电路

单片机最小系统是单片机及其外设运行起来所需的最基本电路。

单片机最小系统主要由4部分组成，即电源电路、晶振电路、复位电路和程序下载电路。

（1）单片机电源电路

电源电路的功能是为单片机提供稳定的电源电压，使整个单片机最小系统能够正常的运行。

单片机电源电路主要功能是给单片机中各功能电路提供稳定的电压，使个功能电路能够稳定工作。

稳定的电源供电模块可以克服单片机程序跑飞的现象，使单片机稳定安全的运行。

（2）单片机晶振电路

在最小系统电路中，晶振电路是不可缺少。

在计算机系统中，所有的计算机运行工作都是在一个时钟下同步工作，这样才不会产生冲突，使系统稳定运行。

晶振的大小由单片机周期要求而决定。

而在计算机系统中，系统时钟是由晶振电路来提供的，所以说晶振电路是整个计算机系统的心脏。

图3-3晶振电路

（3） 单片机复位电路

单片机最小系统中的复位电路是提供初始化的功能。

每当一个元器件运行之前，先进性复位操作，把元器件初始化到空状态。

在单片机内部的初始化，复位操作把定时器或存储器置位到初始设定值。

当程序跑飞或是进入死循环式时，复位操作使程序从新开始运行。

图3-4单片机复位电路

（4）程序下载电路

程序下载电路所使用的芯片是MAX232。

MAX232芯片的作用在单片机输入输出使用的TTL电平与计算机输入输出所用的RS-232电平之间进行转换。

该芯片只需5V电压就能进行信息传递工作。

典型的RS-232串行通信电路如图3-5所示.

图3-5串行通信电路

3.2.5定时器电路

单片机最小系统中存在两个可编程的定时器/计数器T1、T0。

实际上每个定时器就是一个可编程的加法计数器。

定时器/计数器的是通过计数脉冲的来源不同来分为定时器和计数器。

两种工作模式:

（1）计数器工作模式

单片机对外部引脚输入的信号脉冲进行计数。

每当输入的信号发生发生负跳变即电压从1跳变到0时，计数器数值增加1。

（2）定时器工作模式

单片机同样是通过计数来实现的。

此时的，此时的时钟脉冲是稳定的有晶振电路产生。

本设计用到的计时设备为定时器。

当超声波模块发射超声波时，定时器T0开始计时，当接收到回波信号时计时结束。

计数脉冲来自于单片机的内部时钟脉冲，计时准确可靠。

3.3LED显示模块

单片机上的7段数码管由7个发光二极管组成，7个发光二极管由字母a-g表示，构成了数字的组成。

H表示小数点。

编程时通过编写程序来控制这8个字母的亮灭来显示数字。

发光二极管有共阴极数码管和共阳极数码管两种数码管。

数码管显示时还分为线选和段选。

段选对应显示位，线选对应第几个发光二极管显示。

本次设计中所用到的数码管是共阴极数码管。

数码管的控制端置1时，数码管点亮，数码管的控制端置0时，数码管熄灭。

注意，在数码管显示过程中要注意消影处理。

在高速显示的数码管状态下，消影是十分必要的。

没有消影可能出现乱码的现象。

图3-6数码管显示电路

3.4报警模块

蜂鸣器的介绍

蜂鸣器的作用

蜂鸣器是一种电子报警元件，通常采用直流电压供电。

由于蜂鸣器结构简单、运行稳定、价格低廉，所以在日常的电子产品中蜂鸣器作为报警装置得到广泛的应用。

本设计选用单片机P3.7引脚来控制蜂鸣器的发声。

报警电路中的三极管用来放大电流。

当系统测量的距离大于程序设定的最小报警距离时，单片机的P3.7管脚输出高电平，蜂鸣器不发出声音。

当系统测量的距离小于程序设定的最小报警距离时，单片机的P3.7管脚输出低电平，蜂鸣器发出声音。

且报警声音的周期随着测量距离的减小而减小，即蜂鸣器的报警频率随着测量距离的减小而增加。

图3-7蜂鸣器报警电路

3.5超声波发射与接收模块

3.5.1超声波发射电路

超声波发射电路的主要作用是驱动超声波发射探头内的压电晶片使之发生振动，发出超声波脉冲，其过程主要分为三部分：

（1）调制信号的产生：

单片机产生脉冲调试信号，输送到超声波传感器。

脉冲发射的同时打开单片机定时器T0，定时器开始计时同时等待超声波接收电路接收超声回波信号。

（2）调制信号的放大：

单片机输出的电平为5V，为了是超声波传感器能够正常的工作，必须放大电压。

在电路中功率放大电路，放大调制信号。

使超声信号变的更加的稳定。

（3）发送超声波信号：

为了将放大的调制信号发射出去，需要把调制信号加载到超声波传感器上。

超声波传感器的发射电路把调制信号发射出去。

图3-8超声波发射电路

3.5.2超声波接收电路

超声波接收电路的主要作用是将接收到的回拨信号进行接受处理。

由于超声波回波信号很微弱，同时存在干扰，需要对回波信号进行放大处理。

使单片机能够对回波信号接受处理。

接收到回波信号通过滤波电路消除干扰，回波信号使单片机外部中断计时器停止计时，从而确定行波时间间隔，计算距离.

图3-9超声波接受电路

3.6键盘模块

键盘分为编码键盘和非编码键盘。

在平常的应用中，由于编码键盘需要特定的识别装置，所以应用较少。

而非编码键盘在各种软件编程中应用很多。

非编码键盘利用率远远高于编码键盘。

在实际生活中也有很多的应用。

非编码键盘又分为：

独立键盘和矩阵键盘。

独立式键盘介绍

独立键盘通常分为弹性小按键和自锁式小按键。

自锁式小键盘比弹性小键盘的应用范围更加的广泛。

通常把自锁式按键当做开关使用。

特点：

独立键盘的每个按键占用一条I/O线，所以独立式键盘的键盘利用率低，但编程简单。

适用于所需按键较少的场合。

图3-10独立式键盘电路

本设计中所用键盘比较简单，所以选用独立式键盘。

键盘区的最下面一行为独立键盘S2到S5，他们分别与单片机的P3.4到P3.7相连。

当按下独立键盘中KEY1按键时，整个运行程序进入到调试状态。

独立键盘中KEY1按下一次时，运行程序进入超声波传感器1的调试状态。

此时按下独立键盘中KEY2时，系统最小报警距离加一，以此类推。

而当按下独立键盘中KEY3时，系统的最小报警距离减一，以此类推。

当独立键盘中KEY1被按下两次时，程序进入超声波传感器2的调试状态。

此时按下独立键盘中KEY2时，系统最小报警距离加一，以此类推。

而当按下独立键盘中KEY3时，系统的最小报警距离减一，以此类推。

当再当再按下独立键盘中KEY1一下时，程序再次进去正常的测距状态。

即按当再按下独立键盘中KEY1一下时，程序进入超声波传感器1的调试状态，当再按下独立键盘中KEY1两下时，程序进入超声波传感器2的调试状态，当再按下独立键盘中KEY1三下时，程序进入正常的测距报警状态。

下独立键盘中KEY2时，系统最小报警距离加一，而当按下独立键盘中KEY3时，系统的最小报警距离减一。

注意，键盘在应用时有时会产生抖动的干扰，在编写程序时注意加消抖动的影响。

使按键能够正常安全使用。

3.7本章小结

本章根据汽车倒车雷达控制单元的分布特点完成了整体方案的设计和规划，将倒车雷达控制系统进行了合理的分块，并针对每个模块进行了介绍和功能描述。

同时针对一些干扰，采取了相应的消除措施。

第四章倒车雷达系统软件设计

在上一章的系统硬件的设计，构建了超声波测距的基本的功能以后，本章的系统软件的设计所要实现的主要目标是倒车雷达系统功能的实现和相关测试数据的处理和应用。

系统软件设计思路：

当汽车进入倒车状态时，整个系统开始进入初始化状态。

首先对单片机的定时器中断系统级其他的电路系统参数进行设置，然后超声波模块的发射电路发出频率为40kHz的方波信号，同时超声模块的接收电路等待超声波反射信号的接受。

当单片机中运行的主程序检测到超声模块成功接收到反射信号的标志位后，然后将计数器T0中所记录的数字带入公式，就可以得到障碍物与汽车之间的距离。

测出的结果将以十进制的方式在单片机数码管上显示。

同时单片机中运行的程序将计算距离与开始时设定的最小报警距离相比较，当测量距离小于最小报警距离时，蜂鸣器触发，给蜂鸣器低电平信号，蜂鸣器鸣叫。

然后超声波模块的发射电路再次发射超声脉冲，如此循环往复。

直到汽车退出所处的倒车状态。

本次软件采用了模块化设计。

主要包括以下几个部分：

数码管交叉显示程序，独立键盘调试程序，超声模块测距程序，蜂鸣器报警程序