基于51单片机的汽车倒车雷达设计

第1页共25页-PAGEI-课题：汽车倒车雷达设计目录第一章绪论315311.1课题设计的目的和意义 1186111.2国内应用现状 131429第二章总体方案 2115182.1本设计的研究方法 2132402.2系统整体方案的设计 290312.3系统整体方案的论证 2301002.4超声测距原理 2223242.4.1超声波测距概述 2139332.4.2超声波传感器介绍 390622.4.3超声波测距的原理 414269第三章系统硬件设计141823.1AT89S51单片机 6222893.2超声波测距的系统及其组成 8240743.2.1超声波测距单片机系统 844533.2.2超声波发射、接受电路 9286583.3.3显示电路 11138543.3.4供电电路 1269313.2.5报警输出电路 1228408第四章系统软件设计121354.1主程序设计 13113804.2超声波测距子程序及其流程图 14251384.3超声波测距流程图 1617017第五章系统调试与误差分析175485.1调试步骤 17288065.2误差分析 18768结论12529参考资料 2014239附录一超声波测距原理图 2127513附录二PCB图 229335附录三实物图 23-PAGE1-第一章绪论1.1课题设计的目的和意义随着汽车的普及，越来越多的家庭拥有了汽车。交通拥挤状况也随之出现，撞车事件也是经常发生，人们在享受汽车带来的乐趣和方便的同时，更加注重的是汽车的安全性，许多“追尾”事故都与车距有着密切的关系。为了解决这个安全问题，设计一种汽车测距防撞报警系统势在必行。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，应用在汽车停车的前后左右防撞的近距离测量，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性—折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用LED显示出来，当到达一定距离时，系统能发出报警声，进而提醒驾驶人员，起到安全的左右。通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。该设计可广泛应用在生活、军事、工业等各个领域，它需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射与接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在LED数码管上。1.2国内应用现状近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。与同类测距方法相比，超声波测距法具有以下优势：（1）相对于声波，超声波有定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。（2）和光学方法相比，超声波的波速较小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘测具有独特的优点。（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。图2-2超声波测距原理图2-2中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用表示，由图可得：(1)(2)将式(2)带入式(1)得：(3)在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：(4)式中：为超声波的传播速度，为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式(4)带入式(3)可得：(5)当被测距离H远远大于M时，式(5)变为：(6)这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离[2]。由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。系统硬件设计按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。图3-1：系统设计框图硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。单片机采用AT89S51，系统晶振采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。3.1AT89S51单片机AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：·与MCS-51产品指令系统完全兼容·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器·1000次擦写周期·4.0－5.5V的工作电压范围·全静态工作模式：0Hz－33MHz·三级程序加密锁·128×8字节内部RAM·32个可编程I／O口线·2个16位定时／计数器·6个中断源·全双工串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式·中断可从空闲模唤醒系统·看门狗（WDT）及双数据指针·掉电标识和快速编程特性·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）除此以外AT89S51还提供一个5向量两级中断结构，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2超声波测距的系统及其组成本系统由单片机AT89S51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成，如图3-1所示。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89S51。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.5输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.5由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。3.2.1超声波测距单片机系统超声波测距单片机系统主要由：AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由K1，K2组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。如图3-3。图3-2：超声波测距单片机系统3.2.2超声波发射、接受电路超声波发射如图3-3，接收电路如图3-4。超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。图3-3：超声波测距发送单元该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。图3-4：超声波测距接收单元由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3-4所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是IN4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。3.3.3显示电路本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值，如图3-6。数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。图3-5：显示单元3.3.4供电电路本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经虑波电容C1虑波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。图3-6：供电单元电路图3.2.5报警输出电路为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。方式一：报警信号由单片机P3.1端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管BG9、继电器JDQ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。方式二：报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图3-7。图3-7：报警输出电路系统软件设计4.1主程序设计超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。

主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。置位总中断允许位EA。进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位ec=1时，测量一次，程序设计中，超声波测距频度是4-5次/秒。测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5-2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.5脚的电平判断程序。当检测到P3.5脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。由于采用单片机采用的是12MHz的晶振，计时器每计一个数就是1μs，当超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。设计时取15℃时的声速为340m/s则有：

d=(c×t)/2=172×T0/10000cm其中，T0为计数器T0的计算值。

测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。4.2超声波测距子程序及其流程图voidwdzh() { TR0=0; TH1=0x00; TL1=0x00; csbint=1; sx=0; delay(1700); csbfs(); csbout=1; TR1=1; i=yzsj; while(i--) { } i=0; while(csbint) //判断接收回路是否收到超声波的回波 { i++; if(i>=3300) csbint=0; } TR1=0; s=TH1; s=s*256+TL1; TR0=1; csbint=1; jsz=s*csbc; //计算测量结果 jsz=jsz/2; } 产生超声波的子程序： 为了方便程序移置及准确产生超声波信号，本测距的超声波产生程序是用汇编语言编写的进退声波产生程序。产生的超声波个数为 UCSBFSSEGMENTCODE RSEGUCSBFS PUBLICCSBFS CSBFS: movR6,#8h;超声波发射的完整波形个数：共计四个 here: cplp2.7;输出40kHz方波 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnzR6,here RET END流程图：4.3超声波测距流程图系统调试与误差分析5.1调试步骤我的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89S51机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“---”，则需将下限值增大。本测距板1s测量4-5次，超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s，该值为15℃时的超声波值。注：由于条件原因调试时无法提供6V交流电与5V双USB接口线，所以由4.5V干电池与5V实验室稳压电源代替。5.2误差分析超声波测距由于其再使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之其结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。在原理上将，超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声波传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在已知超声波声速的前提下，可计算被测物的距离H，即：H=vt/2。由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。（1）温度对超声波波速的影响空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。其中温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响，当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。（2）超声波回波声强影响超声波回波声强与被测物得距离有由直接的关系，实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发。这种误差不能从根本上消除，但是可以通过根据测量距离调整脉冲群的脉冲个数以及动态调整比较电压来减小这种误差。（3）电路本身影响电路硬件和软件本身存在一定的缺陷，因此会造成测量误差，主要表现为：①启动发射和启动计时之间的偏差。这是源于单片机一次只能处理一件事，所以启动发射和启动计时实际上不能同时完成，是先后完成的，存在时差。但只要指令速度足够快，其偏差可以忽略。②收到回波到被检测出的滞后。这是源于检测电路的灵敏度和判断偏差，从收到实际回波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后，这和回波信号强弱、检测电路原理以及判断电路的敏感性相关，也是超声波测距的核心。③收到中断到中断响应停止计时之间的滞后。这是源于单片机的中断机制。收到中断信号后，单片机不可能立刻响应，至少要完成当前的指令，有时还要等待其它中断服务结束，所以这个滞后时间也不确定，从而导致测量结果的变化。但这个因素可以通过提高单片机速度，使用高优先级中断。④计时器本身的误差。这是源于计时器本身。由于目前多数使用晶体振荡器，其稳定度和准确度为20-50PPM级别，对于音速而言，其带来的误差在mm级。为减小此项误差，应该提高计时的最小单位，即是选择频率高的晶振，从而降低量化误差。同时选用质量好的晶振。（4）超声波波速入射角影响超声波波束入射角也会对测量数据产生影响，由于系统是用来测量点和面的距离，则被测物表面，超声波发射探头和接收探头三者之间存在一个几何角度，即发射波入射到接收探头的角度，如果这个角度不是0度，系统测量到的距离是被测物与接收探头之间的距离而不是和测量参考面之间的距离，这就会造成测量误差。（5）超声波传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响制作超声波传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声波测距常用压电材料制作的传感器。超声波传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E的关系为： S=dE其中d为应变电场常数。超声波传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为了提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。结论本文主要讲述了倒车雷达，即超声波测距仪的原理和设计方法，设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，并以数字的形式显示测量距离，在距离小于50cm时发出报警。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89S51，采用12高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机控制超声波发射与接收模块进行信号的发射与接收。显示电路采用LED数码管进行数字显示。实际测试证明，本超声波测距仪的性能不是特别稳定。超声波测距仪还可以做如下改进：系统的动态性能不高，被测物体表面移动速度很小时，可以实现跟踪测量；移动速度过大，波动较大时，误差变大。可以研究更为合理的波导管和辅助测量手段。提高超声波发射探头的固有频率。如果超声波的固有频率为40kHz，并假设接收信号触发阀值建立时间滞后两个周期，如果将超声波的固有频率提高至200kHz,则测试误差将缩小5倍。增加抗干扰措施。由于超声波测距仪测量的距离比较小，故采用TCT40-16T/R超声波传感器作为发射和接收装置，虽然也存在一定得自身干扰，但是比发射与接收采用一只压电陶瓷超声波传感器自身干扰要小些。另外加上环境温度、气流等的影响，使超声波测距系统受到干扰尤为严重。系统抗干扰措施必须从硬件和软件两个方面着手。为了抑制外部干扰，接收装置可以采用过零检测装置，保证接收到得超声波为物体反射回来的超声波，