基于单片机的超声波倒车雷达系统设计Word文档格式.docx

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超声波；

单片机；

语音播报；

显示器

ThedesignofUltrasonicreversingradarsystembasedonSinglechip

Abstract:

STC89C52microcontrollercorewithanultrasonicreversingradarsystemdesign.Thefunctionsofthesystemhasanultrasonictransmitteremitsaseriesofsuccessivepulses,whentheyhitanobstructionreturn,theultrasonicpulsereceivedbythereceiver,thesuppliedsinglechipmicrocomputer,thesinglechipmicrocomputercalculatesthedistance,showingdistanceonthedisplayandinformsthedriverviavoicebroadcast,whenitreachesthedangerfromissuehazardwarnings.

Accordingtothemainfunctionoftheultrasonicreversingradarsystemdesignschemeisproposedanddemonstrated.Design,includinghardwaredesignandsoftwaredesigntwoparts.Minimumsystemhardwareconsistsofamicrocontroller,ultrasonicmodule,displaymodule,voicemodule,akeymoduleoffiveparts.TheSTC89C52singlechipchoosemacrocrystallineonSTCcompany;

transmitandreceivepulseswithHC-SR04module;

LCD1602displaywithdistance,andcomparedwithalarm;

soundmodulebythehornsandYF017voicechips,broadcastbyloudspeakerdistance,andwhenthedistanceisreachedalarmwhenthealarmvalue;

setalarmvaluesbuttonmodule.Softwareusesamodulardesign,dividedintothemainprogram,subprogramultrasonictransmitter,ultrasonicreceptionsubroutine,LCD1602displayroutines,voicebroadcastsubroutineandbuttonsubroutinesixparts.

Jointdebugsystem’ssoftwareandhardware.Afterthesuccessofthesoftwareandhardware’sdebuggingrealizedtransmitandreceivepulsesofultrasonicmodule,thecalculateddistanceisdisplayedonadisplay,speakersbroadcastdistance.Whenthedistanceislessthanthesetvalue,thehornalarm.

Keywords:

reversingradar;

Ultrasound;

Singlechipmicrocomputer;

Voicebroadcast;

monitor

1概述1

课题研究背景与意义1

课题设计内容1

2设计方案论证1

整体设计1

超声波测距方式选择2

器件选择2

3系统硬件设计3

单片机最小系统3

超声波模块4

超声波模块介绍4

超声波发射和接收电路6

超声波模块电路6

显示模块7

显示模块介绍7

LCD1602电路8

语音模块9

YF017语音芯片介绍9

语音模块电路10

按键模块10

4系统软件设计10

主程序10

超声波发射子程序12

超声波接收子程序12

LCD1602显示子程序13

语音播报子程序13

按键子程序14

5系统调试15

硬件调试15

软件调试15

软硬件联调16

实验结果16

6终止语19

致谢20

参考文献21

附录22

附录1基于单片机的超声波倒车雷达系统原理图...........................................23

附录2基于单片机的超声波倒车雷达系统元器件清单...................................24

附录3基于单片机的超声波倒车雷达系统程序清单.......................................25

1概述

课题研究背景与意义

此刻利用汽车的人愈来愈多了，可是车子一多，也会造成交通拥堵，随之带来的平安隐患也就愈来愈多了。

当人们在街道、停车场或车库要倒车的时候，驾驶员要不断的看着车子周围的情形，不然的话，一不警惕就会造成碰撞，给自己造成财产损失，更严峻的话会给自己或他人的生命平安造成危险。

因此，倒车雷达系统就显现了。

倒车雷达是停车和倒车的平安辅助装置，当驾驶员倒车时，启动倒车雷达系统，它能通过发射和接收超声波来探测周围的情形，并以声音或影像告知驾驶员，既解除驾驶员倒车时要左顾右盼、前看后视的麻烦，又帮忙驾驶员看清了整个车子周围的情形，大大降低了发生事故的机率。

课题设计内容

超声波倒车雷达系统的操纵器为STC89C52单片机。

该系统能够实现超声波模块发射和接收脉冲，在显示器上显示距离，并语音告知驾驶员，在达到危险距离时，发出报警声。

系统需要用到以下四种技术：

a、单片机：

STC89C52单片机体积小、结构简单、功能壮大，在生活中取得了普遍的应用，符合倒车雷达系统的要求；

b、超声波测距：

超声波指向性强、能够测量较远的距离、能够适应较为复杂的环境、应用级别较高；

c、显示：

用LCD1602来显示测得的距离；

d、语音播报：

用YF017语音芯片和喇叭组成来播报距离，并在达到危险距离时，发出报警声。

2设计方案论证

整体设计

超声波倒车雷达系统整体设计框图如图2-1所示。

其中包括单片机最小系统、超声波模块、显示模块、语音模块和按键模块五个部份。

障碍物

STC

89C52

单片机最小系统

超声波模块

按键模块

显示模块

语音模块

图2-1超声波倒车雷达系统整体设计框图

以STC89C52单片机为微处置器的最小系统驱动超声波模块发射出脉冲，碰到障碍物后，再同意返回的脉冲，单片机计算出脉冲从发射到同意之间的时刻，接着计算出距离，将数据送至显示模块和语音模块。

在显示器上显示距离，通过喇叭播报距离，并当距离达到危险值时，发出报警声。

按键模块能够从头设定报警值。

超声波测距方式选择

超声波测距用的较多的方式有相位检测法、声波幅值检测法、来回时刻检测法。

相位检测法的精度虽高，可是测量的距离较小。

声波幅值检测法对环境的要求较高，利用起来难度较大。

来回时刻检测法简单易懂、计算方便，在硬件和软件设计上容易实现。

因此选用来回时刻检测法来测量距离。

来回时刻检测法的原理是计算出从超声波发射器发射出脉冲到接收器接收到脉冲之间的时刻t，那个时刻称为渡越时刻，再依照公式S=ct/2计算出距离。

c为超声波在空气中的传播速度，因为测试实验在实验室进行，能够考虑超声波在常温下传播，c取340m/s。

器件选择

单片机选用宏晶公司的STC89C52单片机。

该单片机利用起来简单方便，而且功能壮大，能够知足系统的计算和操纵要求。

超声波模块选用HC-SR04模块。

该模块的测量距离较远，测量的精度高，其结构简单、价钱低廉、小巧、容易装卸，符合系统设计的要求。

显示模块利用的是LCD1602。

该模块体积小、质量轻、消耗少，能够显示2*16个字符，而且不需要驱动电路，能够直接通过单片机驱动，简单方便。

由于这次显示不需要字符和图案，LCD1602价钱廉价，容易购买，因此选用LCD1602模块。

语音模块由一个喇叭、一个YF017语音芯片和2个104电容组成。

喇叭用来发作声音，104电容将电源中的高频杂波对地短路，用来降低电源输入对芯片的阻碍，维持电路的稳固。

YF017芯片能够直接驱动喇叭，能够操纵多段地址的组合，利用起来，简单方便，功能壮大。

按键模块由4个按键组成。

K一、K二、K3、K别离是“设置报警值”、“增大报警值”、“减小报警值”、“播报距离”。

3.系统硬件设计

依照第2节的整体设计方案，设计基于单片机的超声波倒车雷达系统的硬件电路，总电路原理图如附录1所示。

单片机最小系统

选用的单片机为STC89C52单片机，其引脚图如图3-1所示。

图3-1STC89C52引脚图

STC89C52单片机是STC公司生产的一种消耗低、功能壮大的COMS8位微型操纵器。

STC89C52单片机在传统的51单片机的基础上，做了许多的改动，拥有8位的CPU和系统可编程Flash，为众多的嵌入式操纵应用系统提供了高效的解决方案。

要使单片机最小系统正常工作，就必需还要有复位电路和晶振电路。

复位电路由电阻和电容串联组成。

当单片机系统在运行时，受到环境的阻碍，会显现程序跑偏，这时，按下复位按钮，内部的程序就会从头开始运行。

要想显现复位信号，就要给RST引脚提供一个2us以上的高电平，而要想超声波模块发射出脉冲，就要提供一个10us以上的高电平。

因此，选择一个10uF的电容和10K的电阻就能够知足要求。

晶振电路由2个22pF的电容C2和C3，和12MHz的晶振Y1组成。

振荡器的工作状态决定整个最小系统的运行。

STC89C52单片机的最小系统如图3-2所示。

图3-2STC89C52单片机最小系统图

将单片机的RST引脚接在复位电路的电容C1和电阻R2之间，C2连接XTAL2引脚，C3连接XTAL1引脚，并在C2和C3之间并连一个12MHz的晶振，就组成了STC89C52单片机的最小系统。

超声波模块

超声波模块介绍

超声波模块选用的是HC-SR04模块。

其实物图如图3-3所示。

图3-3HC-SR04模块实物图

（1）HC-SR04模块参数如表3-1所示

表3-1模块参数

电气参数

HC-SR04超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40khz

最远射程

4m

最近射程

2cm

测量角度

15°

输入触发信号

10us的TTL脉冲

输入回响信号

输出TTL电平信号，与射程成比例

规格尺寸

45*20*15cm

（2）HC-SR04工作原理

HC-SR04的模块时序图如图3-4所示。

10us的TTL

循环发出8个40khz脉冲

回响电平输出与检测距离成比例

触发信号

模块内部

发出信号

输出回响

信号

图3-4HC-SR04模块时序图

依照以上的时序图能够看出，只要向Trig提供一个10uS以上的高电平信号，模块就会启动，自动循环地发出8个40KHz的脉冲而且检测是不是有回波。

当检测到回波信号后，ECHO会输出一个回响电平到，回响电平的持续时刻和检测距离成正比。

依照时刻距离就能够够计算出距离。

超声波发射和接收电路

超声波内部的发射和接收电路图如图3-5所示。

图3-5超声波发射和接收电路图

超声波模块电路

超声波模块电路图如图3-6所示。

超声波模块的VCC接电源，VDD接地，Trig接单片机的，用来接收触发电平，Echo接输出回响电平。

图3-6超声波模块电路图

显示模块

显示模块介绍

显示模块为LCD1602显示器。

它是一种用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它是由假设干个5*7或5*11等点阵字符位组成，每一个点阵字符位都能够显示一个字符。

因为每位之间有距离，因此它不能显示图形和汉字。

其通过5V电压驱动，带背光，可以显示两行，每行显示16个字符，只有并行接口，没有串行接口。

其实物图如图3-7所示。

图3-7LCD1602实物图

（1）LCD1602引脚说明如表3-2所示

表3-21602引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VCC

电源正极

10

D3

3

VO

液晶显示偏压

11

D4

4

RS

数据/命令选择

12

D5

5

R/W

读/写选择

13

D6

6

EN

使能信号

14

D7

7

D0

15

BLA

背光源正极

8

D1

16

BLK

背光源负极

第一脚：

接地电源VSS。

第二脚：

5V正电源为VCC。

第三脚：

VO为液晶显示器对照度调整的端口，对照度的强弱由接电源的不同决定，对照度的调整能够通过一个10k的电位器。

第四脚：

RS是寄放器选择，当接收到高电平常，接数据寄放器，低电平常，接指令寄放器。

第五脚：

R/W的读和写信号线，当接收到高电平常，进行读操作，低电平常，进行写操作。

其中RS与R/W的关系决定了那时状态。

第六脚：

使能端EN，当EN端由1至0时，液晶模块中的命令开始被运行。

第七至十四脚：

D0-D7为8位双向数据线。

第十五脚：

背光源正极。

第十六脚：

背光源负极。

（2）LCD1602写操作时序图如图3-8所示

图3-8写操作时序图

从那个时序图能够看出，写命令字节时，RS变成低电平，R/W变成低电平。

然后LCD1602的DB0~DB7口接收数据，E引脚从低电平变成高电平，脉冲宽度要维持最小400ns，然后E引脚负跳变，RS电平变低，R/W电平变高。

LCD1602电路

LCD1602电路图如图3-9所示。

其中D0~D7与单片机的~相连接，EN与单片机的相连，RS与单片机的相连接，V0和一个的电阻相连接地。

GND、R/W和K接地，VCC和A接电源正极。

图3-9LCD1602电路图

语音模块

语音模块分为三个部份，别离是一个喇叭、一个YF017语音芯片和2个104电容。

喇叭负责发作声音，104电容负责去耦，维持电路的稳固，而YF017语音芯片负责驱动喇叭发作声音。

YF017语音芯片介绍

YF017语音芯片有8个引脚，采纳DIP或SOP方式封装，工作电压为，采纳PWM直接驱动小喇叭发作声音。

YF017语音芯片是固定标准模块，能够只通过一个IO口来操纵多达32段地址。

通经常使用3个IO口来操纵芯片，其引脚图如图3-10所示。

图3-10YF017引脚图

模拟串行工作时各IO的作用：

BUSY：

芯片工作时，输出低电平，停止工作或待机时，维持高电平；

DATA：

接收单片机的脉冲信号；

RST：

芯片的复位脚，当收到高电平常，芯片停止工作。

语音模块电路

语音芯片的Busy连接单片机的，用来识别语音芯片的工作状态。

Data连接，识别单片机的脉冲信号，受到几个脉冲，就播放第几个地址的内容。

Rest连接，收到高电平后，语音芯片停止运行。

2个104电容降低电源输入对芯片的阻碍，维持电路的稳固。

喇叭用来发作声音。

语音模块电路图如图3-11所示。

图3-11语音模块电路图

按键模块

设计中有4个按键K一、K二、K3和K，作用别离是设置报警值、增大报警值、减小报警值和播报距离，因为按键较少，故采纳了独立键盘的方式，K1、K2、K3、K别离连到了单片机的、、、，当按下K时，喇叭播报当前距离。

按键模块电路图如图3-12所示。

图3-12按键模块电路图

4系统软件设计

系统软件设计分为主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、LCD1602显示子程序、语音播报子程序和按键子程序六部份。

主程序

主程序流程图如图4-1所示。

主程序是单片机程序的主体，单片机系统软件的功能都是在其中完成的。

第一对液晶初始化，读取原报警值，按时器0初始化，再按键扫描，接着从头设定报警值并按键扫描，然后启动超声波模块，超声波发射器发射出脉冲后，超声波接收器检测回波。

当接收到回波后，通过单片机计算出距离，并在显示器上显示出来。

若是距离小于报警值，喇叭就会发出“注意危险”的报警声，若是距离大于报警值，那么没有声音。

按下K键，喇叭播报距离。

计算距离

显示距离

按下K键

发出“注意危险”警报声

小于报警值

播报距离

结束

接收回波

开始

液晶初始化

读取原报警值

启动模块，发射脉冲

定时器0初始化

重新设定报警值

按键扫描

按键扫描

没声音

Y

N

图4-1主程序流程图

超声波发射子程序

超声波发射子程序流程图如图4-2所示。

超声波发射子程序的进程是模块接收到来自单片机的触发信号后，发射出持续脉冲，同时按时器0开启。

接收触发信号

发射超声波

初始化定时器0

图4-2超声波发射子程序流程图

超声波接收子程序

超声波接收子程序流程图如图4-3所示。

超声波接收子程序的进程是超声波接收器检测是不是有回波，若是没有回波，那么继续检测，若是检测到回波，模块会输出回响信号，那么按时器0中断，单片机算出脉冲从发出到接收的时刻差。

输出回响信号

定时器0中断

图4-3超声波接收子程序流程图

LCD1602显示子程序

LCD1602显示子程序流程图如图4-4所示。

LCD1602显示子程序主若是对液晶内部的操纵指令进行指定如液晶初始化，显示空白，读，写，判定液晶的工作状态及指定字符的位置。

第一对液晶初始化，然后将地址命令写到LCD,然后向LCD发送字符串，最终在液晶上显示距离。

液晶初始化

向LCD写命令

向LCD写字符串

图4-4LCD1602显示子程序流程图

语音播报子程序

语音播报子程序流程图如图4-5所示。

语音播报的进程是第一对语音芯片进行复位，在同意脉冲信号，接收到几个脉冲信号，就挪用第几个地址的内容，最后通过喇叭发作声音。

语音芯片复位

接收脉冲信号

调用语音地址

语音播报

图4-5语音播报子程序流程图

按键子程序

按键子程序流程图如图4-6所示。

按下K1键，对液晶进行初始化，从头设定报警值，按下K2键，增大报警值，按下K3键，减少报警值。

按下K1

按下K2

增大报警值

按下K3

减少报警值

图4-6按键子程序流程图

5系统调试

单片机应用系统的调试分为硬件和软件两部份，可是它们是紧密相连的。

第一对硬件进行故障排除，然后调试软件，最后在软硬件联调。

硬件电路是基础，软件是支撑硬件能够运行的关键。

总之，调试进程是在硬件电路的基础上进行软件调试的进程，软硬件缺一不可。

硬件调试

第一观看看器件的焊接布局是不是和原理图上的一致，再看器件的引脚有无焊在一路，有无没焊好，同时检查器件是不是有损坏，接着用万用表检测各个引脚的线是不是有短路或断路。

软件调试

软件调试利用的是Keil软件。

第一对编写的程序进行调试，看是不是有错误，再进行编译，将程序下载到单片机里。

软硬件联调

在硬件和软件调试成功后，给万用表通上电，观看给个模块的工作状态。

分析各个模块是不是达到了要求的工作性能。

a、LCD1602能够显示距离；

b、当距离小于报警值时，喇叭发出“注意危险”的报警声，按下K键，喇叭播报距离；

c、按下K1键，报警值从头设定，按下K2键，增大报警值，按下K3键，减小报警值。

实验结果

万用板未通电，其界面如图5-1所示。

按下K1键，从头设定报警值，其工作界面如图5-2所示。

按下K2键，将报警值增大到，其工作界面如图5-3所示。

按下K3键，将报警值减少到，其工作界面如图5-4所示。

在超声波模块前处放置一个挡板，液晶上显示，其工作界面如图5-5所示。

图5-1万用板未通电界面

图5-2设定报警值工作界面

图5-3增大报警值工作界面

图5-4减小报警值工作界面

图5-5测距工作界面

6终止语

通过一学期的尽