1、汽车倒车雷达设计论文成果毕业设计成果（产品、作品、方案）设计题目： 汽车倒车雷达设计 1绪论 11.1课题设计的目的和意义 11.2国内应用现状 12总体方案 22.1本设计的研究方法 22.2系统整体方案的设计 32.3系统整体方案的论证 33系统硬件设计 43.1AT89S51 单片机 53.2超声波测距的系统及其组成 63.2.1超声波测距单片机系统 73.2.2超声波发射、接受电路 83.3.3显示电路 103.3.4供电电路 113.2.5报警输出电路 124系统软件设计 134.1主程序设计 134.2超声波测距子程序及其流程图 144.3超声波测距流程图 185倒车雷达电路及工艺
2、的检测方案 185.1电路的检测流程 185.2硬件电路检测方法 19参考资料 211 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
3、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
4、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
5、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。超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用， 目前对超声波的精度要求越来越大。 超声波作为一种新型的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度 的方向发展，以满足日益发展的社会需求。未来超声波测距技术将朝着更高精度，更大 应用范围，更稳定方向发展。2 总体方案2.1本设计的研究方法本设计选用 TCT40-16T/R 超声波传感器。了解超声波测距的原理的，只有对理论 知识有一定的学习才能运用到实际操作中。 根据原理设计
6、超声波测距仪的硬件结构电路。对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，从而实现利用超声 波测距的方法测量物体之间的距离。具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单 片机控制电路，发射电路，接收电路， LED 显示电路。2.2系统整体方案的设计 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，因而超声波经常 用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测 量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式 产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液
7、哨和气流旋笛 等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。 目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。 根据设计要求并综合各方面因素， 本文采用 AT89S51 单片机作为控制器， 用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动 信号用单片机的定时器。2.3系统整体方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传 播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的 直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用 于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于
8、对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应 的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传 感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。3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。
9、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AT89S
10、51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 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
11、 的工作电压范围全静态工作模式： 0Hz 33MHz三级程序加密锁128 X8字节内部RAM32个可编程I/0 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
12、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
13、 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
14、声波测距报警值。如图3-3 。图3-2 :超声波测距单片机系统根据前面的研究完成各个电路模板的原理设计并生成PCB图，制作电路板，进行实 验调试。同时，对现有的系统进行测试， （2 ）先用万用表复核目测中认为可疑的连接或 是接点，检查它们的短路状态是否与设计规定相符。再检查各种电源线与地线之间是否 有短路现象，如有再仔细检查出并排除。短路现象一定要在器件安装及加电前检查出。 经过测试，发现现有单片机系统可以有效运行，并且在现有的 K1 ， K2 组成测距系统的 按键电路下，能够较为有效的运行，说明了系统设计的有效性。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
15、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
16、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为了测试现有电路单元的有效性。电路接通电源后，用手摸一下芯片是否发热，如 果发热，立即关掉电源，稍后再进行再次检测；如果没有发热，再测试芯片的VCC端电 压是否达到设计要求，接地端是否都接地。经过测试，其本能够发送5-10米内的外部情 况，从而保证了在后续的设计中满足实际的应用需求，保证了每一次的倒车之后的雷达 反射效能。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25卩s，半
17、周期为12.5卩s。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1卩s，所以只能产生半周期为12 ys或13 us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
18、冲波。这里使用的是I N 4148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L E D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S9012三极管驱动显示单元的测试中，对雷达成像以及其具体的数字显示进行测试。测试结果显示,其本身能够提供较为清晰的数字，可以较为完整的就现有的具体内容进行呈现。同时, 其精确度较高，可以满足后续的倒车实际应用需求。334供电电路本测距系统由于采用的
19、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滤波系统通过按键方式测取时间来进行仿真。由于手动按键测取时间比实际时间大 100倍左右，所以仿真程序处理时给时间t
20、除了一个系数即100。通过给P2.5 口一个低电平 模拟汽车换入倒档行驶，给P3.2 口一个低电平模拟超声波接收电路接收到反射回来的超 声波。由Keil生成的“ Hex ”文件仿真时导入AT89C51芯片。结果显示，整个电路本 身是一个通路，具有良好的运转效能，符合以及满足后续的实际倒车雷达应用需求。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，
21、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、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 :报警输出电路通过对5-10米内的物体的测试，整个报警输出电路运行良好。其对于外部情况的反映良好，而且较为有效的反映外部实际情况，保证了在后续的倒车过程中的有效性，减少了由此所带来的一系列负面影响。4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
22、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。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 T
23、0 计时。由 于采用单片机采用的是12 MHz的晶振，计时器每计一个数就是1卩s，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 C时的声速为340 m/s则有：d=(c x t)/2=172 x 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void wdzh()TR0=0;TH1=0x00;TL1=0x00;csbint
24、=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UCSBFS SEGMENT CODERSEG UCSBFSPUBLIC CSBFSCS
25、BFS: mov R6,#8h ;超声波发射的完整波形个数：共计四个here: cpl p2.7 ;输出 40kHz 方波nopnopnopnopnop nopnop nop流程图:nopdjnz R6,hereRETEND超声波测距4.3超声波测距流程图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
26、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 MHz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。5倒车雷达电路及工艺的检测方案5.1电路的检测流程检测流程如图4-1所示超声波电路模块检测报警电路检测图5-1电路检测流程5.2硬件电路检测方法(1)电源电路检测因为单片机需要提供直流稳定的5V电源。因此，本次设计中通过10伏的稳定电压输出，判断整个电源供电是否稳定。因此我们用完用表调到电压档对经过稳压输出的10伏电压进行检测，测量其是否为10
27、伏。小结：通过检测，输出电压正常，能够判断倒车雷达电源电路完好。(2)单片机最小系统检测通过示波器检测单片机P1.0端口输出的信号是否为超声波换能器所需的40 KHz 方波信号，经过对P1.0端口的检测，该端口的输出信号满足设计要求。当焊接好显示 电路之后，先对硬件一些明显错误进行排查，首先在集成电路器件未插入电路板之前， 用万用表仔细检查线路，查看连线是否连接正常，防止电源短路。检查系统的总线是否 存在相互之间短路或于其他信号线的短路，直至线路问题正确无误。其次对器件进行检 查，方法是用面包板逐个检查器件的逻辑状态是否正常，确保器件工作正常。在上述工 作完成后，接通电源，看LED显示的状态，
28、如全亮则表示LED显示正常，否则需要进步排查错误小结： 通过检测晶振两端电压正常，晶振频率正常，则单片机最小系统工作正常（3）时钟电路检测时钟电路主要是在系统主板上，它是大规模集成电路赖以工作的基本条件。它是以 晶体振荡器（俗称晶振）为基础，在电路中产生恒定的方波信号。1） 晶振漏电损坏。可用万用表PX10K挡测量，若其电阻为无穷大，则为正常；若 有阻值则为漏电。2） 晶振内部开路。用万用表测其电阻虽无穷大，但在电路中不能产生振荡脉冲。 小结:通过对是否漏电，内部开路电阻及晶振频率检测。如果个数值正常，那么时钟电路工作正常。（4 ）超声波电路模块检测主程序首先是对系统环境初始化，设定时器 0
29、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。测试过程中回响信号输出与单片机相连。 同时，测试过程中采用 10V 电压，观察整个测试过程中电压是否稳定，是否有异常。小结：通过测试，电源电压正常，信号输入输出信号正常。由此，显示其能够进行 正常的运作。（5 ）报警电路检测本次设计主要采用的是方式二， 即报警信号由单片机 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。考虑到各个电阻R7、三极管BG8、 蜂鸣器BY彼此之间是相连的
30、。因此，在测试过程中观察10伏电压是否发生改变，报警 器是否能够正常获得有效的电流经过，其是否可以正常报警小结:通过检测，LED与蜂鸣器和单片机连接输出正常，能够报警，说明报警电路工 作正常。参考资料1盛春明超声波测距仪J.制作天地，2010,(5):31-422楼然苗，李光飞 .单片机课程设计指导 M. 北京：北京航空航天大学出版社， 20073杨国田 白 焰董玲51单片机实用C语言程序设计M中国电力出版社20094王爱珍.基于单片机的超声波测距系统的设计与实现 N.忻州师范学院校报，2010.045张琛，耿标超声波测距的原理及设计J.科技传播，2010,(13):217-222 赵广涛，程萌杭.基于超声波传感器的测距系统设计J.微计算机信息，2006,(1):129-1317郭丽颖.基于单片机的超声波测距电路的设计J.自动化系统与用,2010,(6):100-1028杨亿希，肖博，苏宇.超声波测距装置的研制简介N.凯里学院学报,2010.069张波，王朋亮.基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计J.机床与液压,2010,(18):56-5810
