基于超声波检测的倒车雷达的设计.docx

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基于超声波检测的倒车雷达的设计

摘要

本文介绍了一种基于STC89C52单片机的倒车雷达系统，主要论述了超声波测距的基本工作原理、系统的结构组成、系统硬件电路以及软件流程的设计。

由于超声波受外界温度的影响较大，本设计在数据处理中采用温度补偿技术对超声波的传播速度进行修正。

单片机对超声波发射信号与接收信号之间的时间差和修正后的真实传播速度进行分析、处理，计算出精确的距离，并通过LCD实现数字显示。

同时，系统根据障碍物与车尾的距离远近情况，发出不同频率的声光报警信号，使驾驶者得到及时提醒，降低倒车事故的发生率。

测试结果表明，该系统满足设计要求，且具有性价比高、稳定性强等优点，应用前景广阔，为中低端汽车市场开辟了一条汽车防撞的新道路。

关键词：

超声波；STC89C52；温度补偿；测距。

ABSTRACT

ThisarticleintroducesasystemofreversingradarbasedonSTC89C52singlechipcomputer,mainlyelaboratedthebasicprincipleofultrasonicranging,thestructurecompositionofthesystem,thedesignofhardwarecircuitandsoftwareflowchart.Thetemperaturehasastronginfluenceonthespeedofultrasonic,thusthesystemadoptsthetemperaturecompensationamendmenttoeliminatetheeffectoftemperatureonsoundvelocityindataprocessing.Bymeasuringthetimedifferencebetweentheultrasonictransmittingsignalandreceivingsignal,correctingtherealpropagationvelocity,thesinglechipMCUanalyzesandprocessesthedata,thencalculatestheaccuratedistance.Simultaneously,throughtheLCDdisplaythedistanceonrealtime.Accordingtothedistancebetweentailstockandobstacles,thesystemwillsendsoundandlightalarmsignalofdifferentfrequenciestowarndriverstobecarefulsoastodecreasethefrequencyofaccidents.

Experimentalresultsshowthat,thesystemwhichmeetstherequirementsofparkinghascost-effective,strongstabilityandbroadapplicationprospects.Itwillbreakanewpathforthemarketofthemediumcarsandthelow-endcarsforthecarcollisionavoidance.

Keywords:

ultrasonic;STC89C52;temperaturecompensation;distancemeasure

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1课题研究的背景与意义1

1.2国内外研究现状1

1.3本文的主要研究内容3

第2章超声波测距的基本原理5

2.1超声波简介5

2.2超声波测距原理5

第3章倒车雷达的硬件系统设计9

3.1超声波收发电路设计9

3.2单片机系统电路10

第4章倒车雷达的软件系统设计16

4.1倒车雷达的软件设计方案16

4.2主程序设计16

4.3超声波测距子程序18

4.4显示子程序19

4.5报警子程序19

第5章系统调试与分析24

5.1调试分析的一般过程24

5.2硬件调试24

5.3软件调试25

5.4汽车倒车雷达的系统调试25

5.5调试故障及原因分析25

5.6测试结果分析26

第6章结束语27

参考文献28

附录I源程序代码29

附录II系统原理图37

致谢38

第1章绪论

1.1课题研究的背景与意义

世界上第一辆汽车是由德国的发明家卡尔·本茨发明的，自它问世以来，汽车工业发展历史已经有120多年了。

随着汽车保有量的不断增加、驾驶员人数的递增、道路通行能力逐渐饱和、驾驶环境日益恶化，交通事故的发生率也在不断地增长[1]。

根据数据统计，我国在2011年共发生道路交通事故21.1万起，死亡人数达到6.2万，造成的直接经济损失超过10亿。

另外，世界卫生组织发布的《道路安全全球现状报告》指出，全球每年至少有127万人的生命被交通事故夺走，伤害死亡的首位原因也由曾经的自杀伤害被道路交通伤害所取代。

报告同时预测：

如果道路交通安全仍然按照现在的状况发展的话，2030年全球由道路交通事故导致的死亡人数将高达240万人。

在所有的道路交通事故中，倒车引发的事故约占总数的一半，其极高的发生频率引起了社会和交通部门的高度重视，技术人员对汽车倒车安全的研究也随之兴起。

国内外研究成果表明：

只有驾驶员在交通危险出现的1.5秒之前正确操纵，90%的交通事故才有可能避免发生。

但事实表明，依靠驾驶员的心理警觉与生理反应来操纵车辆以避免或者降低交通事故的发生，是一件极不可靠的事情[1]。

因此，人们在控制安全车距的操作上提出了更智能的要求，希望汽车能够摆脱驾驶员通过后视镜来估算汽车与车后障碍物之间的距离的传统倒车预警方式，能够具备一种安全智能技术从而更有效地解决倒车事故问题，消除不安全因素，提高汽车驾驶的安全性、便捷性。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

据美国的最新统计表明，因各种原因造成的车辆碰撞追尾事故占公路交通事故总量的90%左右。

因此，要降低公路交通事故，必须降低车辆碰撞事故的发生，而汽车碰撞技术的不断发展及其广泛应用有利于降低汽车碰撞事故发生。

随着经济的不断发展，我国公路级别水平的不断提升，尤其是高速公路的快速发展，车流量越来越大，并且汽车行驶速度也越来越快，导致汽车碰撞事故发生率越来越高。

造成汽车碰撞的原因非常复杂，既有人为自身的因素，也有车辆本身的因素，也包括公路、气象等外界的环境因素。

在诸多因素中，造成汽车碰撞的主要原因还是人为自身因素。

所以，国内外许多科学家都在研究怎样利用先进的技术，即汽车避撞技术，来辅助汽车驾驶人员对影响公路交通安全的人、车、道路等环境进行实时监控和观测，在紧急情况下由系统自动对车辆进行驾驶操纵、辅助引导驾驶人员进行应急处理、避免汽车相撞事故的发生。

1.2.2国内研究现状

倒车雷达，又称汽车防撞报警系统，根据使用传感器的不同，倒车雷达系统可以分为红外线式、激光式、电磁感应式、超声波式等类型。

由于红外线式系统抗干扰性差、激光式系统价格昂贵、电磁感应式系统只能动态检测障碍物，所以市面上的倒车雷达通常采用具有指向性强、耗能低、在传播距离远、不受环境限制等优点的[2]超声波作为检测手段。

随着科技的进步，超声波倒车雷达的种类日益增多，技术也日趋成熟。

第1代——鸣笛器提示

倒车时，根据车体与障碍物之间距离的远近改变电路中的电压或电流，使轰鸣器发出不同频率的警报声。

警报声的频率越快，表示障碍物离车辆越近。

该倒车雷达没有语音和距离显示提示，虽然驾驶者知道车后有障碍物，但并不能确定具体确切的距离数值，帮助并不是很大[3]。

第2代——数码波段显示

系统对超声波传感器探测到的距离进行处理，并将结果送给显示设备以显示车后障碍物与车体的距离。

这一代最初的产品分别采用数码和波段两种显示方式，数码显示的产品能直接显示距离数字，而波段显示的产品则由红黄绿3种颜色来代表距离远近。

之后的产品将这两种提示方式组合在一起，具有性价比高、普及面广等特点，但其反应速度不够快，且没有声响，警示效果并不好。

第3代——液晶显示屏动态显示

除了采用不同等级的声音提示以外，系统将汽车模型的图案以及汽车周围障碍物的方位和距离标识动态显示在液晶显示屏上，使驾驶员得到更加清晰、直观的提示。

缺点是此系统的抗干扰能力较差，误报情况较多[4]。

第4代——魔幻镜倒车雷达

采用了最新的超声雷达技术，通过电脑的高速控制超声波传感器探测汽车2m以内的障碍物，并以直观的数值显示和不同等级的声音提示来提醒驾驶员。

魔幻镜倒车雷达将倒车雷达、后视镜、免提电话融为一体，并设计了语音提示功能[5]，但是该设备的造价较高。

第5代——整合影音系统

将车后情况通过摄像头的拍摄以将图象方式传送给单片机。

单片机在收到图象、转向角、车身转角和车速等信号后，对倒车轨迹和距离进行测算，最后将引导汽车停车的路线以图像的形式显示在屏幕上以提示驾驶员如何操纵方向盘。

整合影音系统拥有高级影音系统能够播放高清画质的DVD影片[6]。

该系统专门为高档汽车生产，不利于中低端市场的推广。

1.3本文的主要研究内容

本课题的设计采用超声波检测和单片机系统的汽车倒车雷达。

该倒车障碍物检测系统主要采用的是超声波传感器技术，它可以探测附近的障碍物，为驾驶者提供倒车警告以及辅助泊车的功能。

它是利用超声波来探测倒车路径上或者车辆附近存在的障碍物，并且能够及时发出警告。

此设计的检测系统能够同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，当汽车与障碍物不同距离时，发出不同的报警声，提醒驾驶员以不同的车速倒车或者及时停车。

设计一个基于超声波检测的倒车雷达设计，实现以下功能：

（1）温度补偿，提高测量精度；

（2）实时液晶屏显示车辆与障碍物之间的距离和温度；

（3）当与障碍物之间距离小于1m，1.50m，0.25m,发出不同频率的声光警报。

本文论述的倒车雷达系统主要由单片机最小系统、超声波测距模块、DS18B20温度补偿模块、LCD数值显示模块、声光报警模块等部分组成。

系统整体框架如图1.1所示。

图1.1系统结构原理框图

各主要模块所完成的具体功能如下：

（1）单片机最小系统：

以STC89C52单片机为核心，外接晶振电路和复位电路，控制整个系统的运行，对各种接口电路进行控制；

（2）超声波测距模块：

由单片机控制系统、超声波测距传感器组成，用来完成汽车与障碍物之间的距离测量；

（3）温度补偿模块：

由单片机控制系统和DS18B20温度传感器组成[7]，实时监测环境温度并进行温度补偿，提高测距精度；

（4）显示报警模块：

由单片机控制系统、显示模块和声光报警模块组成，用来实时显示汽车与障碍物的距离，同时通过蜂鸣声和发光二极管闪烁报警提示提醒驾驶员注意。

当汽车处于倒车状态时，接通倒车雷达的电源，DS18B20传感器开始检测周围环境温度并实时传输给单片机，单片机根据检测到的温度确定此时超声波真正的传播速度。

另外，STC89C52单片机通过编程产生频率为40kHz的脉方波，该信号经驱动电路驱动后进入超声波传感器，并使超声波发射引脚发出超声波，于此同时启动定时器工作。

根据超声波的反射性原理，超声波接收引脚接收超声波回波信号并将其转换为电信号，该信号经放大器放大整形后送至比较器，当比较器的输出由低电平转变为高电平时，单片机启动中断程序并读取定时器记录的时间，即超声波发射信号与超声波接收信号之间的时间差。

通过系统软件对数据进行处理、分析，计算得出车尾与障碍物的距离并送至LCD数码管显示，同时触发声光报警模块电路。

单片机通过上述的循环检验不断给驾驶者实时的警报提示，直至汽车退出倒车运行控制状态。

第2章超声波测距的基本原理

2.1超声波简介

超声波频率大于等于20KHz，诊断超声波频率一般范围在0.5-80MHz，其中3-10MHz最常用。

超声波可由多种物理能量转变而成，需经过换能器进行转换。

目前最常用的换能器是压电陶瓷即压电晶体，在交变电场的作用中产生厚度的交替改变即声振动：

当电场交变频率与压电晶体的固有频率一致时，换能器的电转换效率最高，即晶体的振幅最大。

压电晶体常具有两种可逆的能量转变效应：

由电能转变为声能时称逆压电效应；相反，由声波的压力变化传至压电晶体后其两端的电极随声波的压缩（压力）与张弛（负压）发生正负电位交替变化，称正压电效应。

在逆压电效应中压电晶体成为超声发生器；在正压电效应中压电晶体成为回声接收器。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。

可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石等。

2.2超声波测距原理

随着科技的发展以及人们对超声波测距的不同需求，市面上的超声波传感器的种类越来越多。

不同型号的超声波传感器产生的超声波频率、声波特性各不相同，因此其使用范围也不相同。

就目前而言，较为常用的超声波发生器采用压电陶瓷作为换能材料，将电能和机械能相互转换的压电式超声波发生器。

为了使测量的距离更加精确，超声波的回波功率必须要足够多，因此传感器产生的超声波频率必须要合理。

经数据分析和大量实验表明，频率为40kHZ的超声波波长短、方向性好、能够呈射线定向传播，界面反射较为显著，在空气中的传播效率最佳。

所以，大多数超声波传感器的超声波信号频率都为40kHZ左右[8]。

利用超声波传感器测距的方法有很多种，本设计采用渡越时间法，即往返时间检测法。

将超声波传感器安装在汽车的尾部，单片机驱动超声波传感器发射超声波，当其遇到障碍物便会反射回来，该回波又作用于超声波传感器，使之将机械振动转化为电信号。

单片机通过计时器，计算出超声波发射与接收信号之间的时间差，再根据超声波在空气中的传播速度来计算出车尾与障碍物的距离。

假设超声波在介质中的传播速度为c，超声波发射时定时器记录的时间为t1,超声波接收时定时器记录的时间为t2，则所测的障碍物与车尾之间的距离L为：

（2-1）

如果在实际操作中，超声波传感器工作环境的温度变化较大，为了提高测量的精确度，通常应通过温度补偿的方法加以校正。

图2.1即为超声波测距的具体流程图。

图2.1超声波测距流程图

声波在其传播介质中被定义为纵波。

当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。

假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。

2.2.1影响精度的因素分析

（1）发射和接收时间对测量精度的影响分析

采用TR40压电超声波传感器，脉冲发射是由单片机来控制，发射频率为40KHz，当忽略脉冲电路对硬件产生的延时时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精准度是很可靠的。

而对于接收到的回波来说，当超声波在空气介质中传播时，其过程中会有很大的衰减，并且衰减遵循指数规律。

设测量设备的基准面距被测物距离为h，那么超声波在空气中传播的的波动方程为：

（2-2）

由以上公式很容易知道，超声波在传播过程中存在衰减，并且超声波频率越高，衰减越快，然而频率的增高对提高超声波的指向性是很有利的。

经以上的分析，超声波回波在传播过程中的幅值存在衰减很大，收到的回波信号有可能十分微弱，如果要判断捕获到的第一个回波来确定准确的接受时间，就必须对接收信号进行足够的放大，反之不正确的判断回波时间，就会对超声波测量的精度产生很大影响。

（2）当地声速对测量精度的影响分析

超声波测距测量精度受当地声速的影响比收发时间的影响更加严重。

超声波在大气中的传播速度是受介质气体的密度、温度以及气体分子成分影响的，即：

（2-3）

由上式知，在空气中，当地声速只取决于气体的温度，所以要获得准确的当地气温可以有效地提高超声波测距的测量精度。

气温估算当地声速常用与工程上，其公式如下：

（2-4）

式中C0=331.4m/s；其中T为绝对温度，单位K。

此公式一般可以为声速的换算提供比较准确的结果。

在实际情况下，温度每上升或下降1℃,声速将增加或者减少0.607m/s，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。

因此提高超声波测量精准度的最重要任务的就是获得精准的当地声速。

对于时间误差主要是由发送计时点以及接收计时点的准确性确定，为了可以提高计时点选择的准确性，所以本文提出了对发射信号以及加收信号通过校正方式实现准确计时要求。

除此之外，如果要求测距误差小于1mm时，首先假定超声波速度为C=344m/s（20℃室温），并且忽略声速传播的误差。

那么测距的误差s△t<0.000002907s，即2.907ms。

通过以上计算容易得知，当超声波传播速度是准确的前提下，并且测量的距离传播时差值的精度只要达到了微秒级，就可以保证测距的误差小于1mm的误差。

当使用的12MHz晶体作为时钟基准的STC89C52单片机定时器可以方便的计数到要求的1μ的精度，因此如果系统采用STC89C52定时器就可以确保时间误差保证在1mm的测量范围之内。

空气密度是影响超声波传播速度的主要原因，如果空气密度越高那么超声波的传播速度也就越快，并且空气的密度又和温度有着紧密的关系。

因此，测量精度和温度有着直接关系，本文中采用的是DS18B20温度传感器，其对外界的温度进行测量，并且在软件中可以实现温度补偿。

2.2.2提高精度的方案及系统设计

（1）温度校正的方法提高测距精度

由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式（2-4）求出当地声速，进而能够获得很高的测量精准度。

而问题的关键是获得温度数据的方法。

采用热敏电阻或者热电耦等都可以获得比较准确的温度值。

为了方便对温度信号数据采集以及处理，我们采用DALASS公司生产的DS18B20集成温度的传感器。

DS18B20采用DALASS公司的1-WIRE总线专利技术，可以仅在占用控制器一个I/O口的情况下工作下，极大的方便使用者的调试以及使用，而且其在－10℃～＋85℃的工作环境下能够保持±0.5%使用精准度，在这个空间内可以保证为超声波测距的设备提供充分的精度范围。

通过DS18B20芯片获得的数据信号通过1-WIRE总线传至MCU，通过软件进行声速的换算。

为了可以更好的实现换算的过程并且同时兼顾设备的使用成本，因此采用宏晶公司的最新推出的STC89C52单片机实现超声波测距的各项功能。

STC89C52采用了低功耗、强抗干扰设计，并且当在最高支持频率48MHz的前提下可以实现1个时钟机械周期运行速度。

因为能够使用高频率晶振，所以相对于普通单片机来说可以有效的降低由计时问题带来的量化误差，可以满足比较高精准度超声波测距仪的设计要求。

（2）标杆校正的方法提高测距精度

当在复杂环境下，当难于获得环境温度，或不方便获得环境温度时，如果依旧要求比较高的测量精准度，我们可以采用所谓标杆校正方法来实现超声波测距精度的校正。

其校正的示意图如图2.2所示。

图2.2标杆校正的示意图

通过超声波测距装置测量距离已知为h的基平面（标杆）声波往返所用的时间，然后利用测得的时间以及距离h。

并且根据公式（2-4）求出当地声速。

利用这样的方法，我们就可以顺利地求出声速，并且省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。

所以，只需为测距设备设定“标定”以及“测量”两种状态，就可以实现温度校正所能够实现的高精准度的测距功能。

第3章倒车雷达的硬件系统设计

研制一台智能仪器是一个复杂的过程，这一过程包括分析仪表的功能要求和拟定总体设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路和编制程序，以及仪表的调试和性能的测试等等。

软件的设计应遵循结构化设计原则，在总体概况设计的基础上进行具体的详细设计，功能分解，模块划分，细化软件层次，优化软件结构，以达到模块功能的独立性，执行的高效性。

总之，设计的程序应该达到可读性、可理解性、可维护性、有效性、可修改性。

3.1超声波收发电路设计

本设计采用的HC-SR04超声波传感器[9]内含超声波发射器、接收器和控制电路，能够提供2～400cm的非接触式距离感测功能，测距精度高达3mm。

其实物如图3.1所示。

HC-SR04的各引脚功能如下：

（1）引脚1：

VCC引脚，+5V工作电源；

（2）引脚2：

TRIG信号发射引脚，提供的高电平信号至少为10us；

（3）引脚3：

ECHO信号接收引脚，有收到超声波返回信号时输出一个高电平，高电平持续的时间即为超声波传感器从发射到接收超声波的时间；

（4）引脚4：

GND引脚，接地。

图3.1HC-SR04超声波传感器

为了扩大视线范围，减小盲区，本设计采用1个HC-SR04超声波传感器，传感器被平均安装在车尾，独立工作。

这个传感器的引脚2分别连接单片机的P2.6口，引脚3分别连接单片机的P2.7口。

当单片机上电工作后，超声波传感器的引脚2就开始源源不断地产生超声波，遇到障碍物后反射回来的超声波信号由引脚3接收，经过单片机的分析比较处理，探头中测得的距离为系统最后确定的车尾与障碍物的距离。

其引脚连接电路如图3.2所示。

图3.2HC-SR04超声波测距电路

3.2单片机系统电路

3.2.1单片机的选择

单片机自从问世以来，它一直是工业检测、控制应用的主角。

市场上常用的单片机有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。

其中，MCS-51由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。

89C52是由北京集成电路中心（BIDC）设计，由美国的Atmel公司生产八位单片机。

它是一种低功耗高性能的具有8K字节可电气烧录及可擦除的程序ROM的八位CMOS单片机。

该器件是用高密度、非易丢失存储技术制造并且与国际工业标准80C51单片机指令系统和引脚完全兼容。

从使用方便与简化电路以及其性价比等角度来考虑，STC89C52比较合适的。

本系统采用CPU为AT89C52的单片机，STC89C52本身带有8K的内存储器。

STC89C52管脚图如图3.3所示。

下面介绍STC89C52的主要管脚功能如下：

图3.3STC89C52管脚图

VCC（40）：

电源+5V；VSS（20）：

接地；P0口（32-39）：

双向I/O口，既可作低8位地址和8位数据总线使用，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：

多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作；P2口（21-28）：

既可作高8位地址总线，也可作普通I/O口；P1口（1-8）：

准双向通用I/O口；RST（9）：

复位信号输入端；ALE/PROG：

地址锁存信号输出端；PSEN：

内外程序存储器选择线；XTAL1（19）和XTAL2（18）：

外接石英晶体振荡器。

由于本课题的需要用到单片机内部的计数器和定时器，所以在这里有必要介绍定时器/计数器的工作原理。

首先，先看看定时器/计数器的结构图：

图3.4定时器/计数器的结构原理图

从上面定时器/计数器的结构图中可以看出，16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成，即：

T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。

其访问地址依次为8AH-8DH。

每个寄存器均可单独访问。

这些寄存器是用来存放定时