1、基于单片机的汽车倒车雷达系统设计毕业设计 基于单片机的汽车倒车雷达系统设计摘要随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，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，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞系统。 论文的内容是基于AT89C51单片机倒车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞系统。该系统采用软、硬件结合的方
2、法，具有模块化和多用化的特点。 论文概述了倒车雷达的发展及基本原理，整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。关键字：单片机 超声波 AT89C51一、引言1、倒车雷达设计的背景至今世界汽车工业经过了近122年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，尽管每辆车都有后视镜，但不可避免
3、地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以在一定程度上帮助驾驶员扫除视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性，减少剐蹭事件。本次设计的倒车雷达预警系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物体的距离而设计开发的。该系统将微技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可检测到汽车倒车中，其障碍物与汽车的距离，通过液晶显示屏显示距离。2、倒车雷达的发展状况经济的发展和科学技术的进步，推动着交通运输业朝行驶高速化，车流密集化和驾驶非职业化的方向发展。同时，汽车的生产量和保有量都在急剧增加。但相应的公路管理，交通管理系统却相对比较落后，由此造成的事故频繁发生，在一些大城市尤为突出。智能交通系统ITS（
4、Intelligent Transportation System）是当前国际各个国家共同关注的交通管理的前沿技术，它在充分发挥现有的交通基础设施潜能，提高工作效率，增强交通安全性，改善环境方面已取得卓越成效，很多国家都很重视相关项目的开发。中国也已开始进入相关技术的研究开发，倒车雷达技术是ITS中的一项重要研究，它的成功与否与ITS有着相当紧密的关系。目前，很多科研机构已对汽车雷达技术进行深入开发，国内外也已有相应的产品。经过总结分析，按照工作方式分主要有激光、超声波、红外、毫米波等一些测量方法1，它们的工作原理虽然不完全一样，但最终作用都是通过不同的探测方法判断车后方障碍物与本车的相对距离
5、，并根据程序中定义好的危险等级做出相应的预防措施。下面简要分析一下几种方式的特点：激光方式：激光具有高定向性，能以定向的光束无发散地直线向前传播；单色性好，它可以达到的亮度比太阳光还高几百亿倍；相干性好，激光的频率、振动方向、相位高度一致。因此激光波束近似直线性，很少扩散，波束能量集中，传输距离较远。但它在对气候的适应能力方面具有局限性，因为激光测距方式受恶劣天气、汽车激烈震动、发射镜表面磨损、污染等因素影响，则探测距离减少二分之一至三分之一,降低了实用精度，所以在汽车倒车雷达领域激光测距方式没有得到很好发展。红外线方式：红外线可以人为制造,自然界中也广泛存在,一般的生物都会辐射出红外线,体现
6、出来的宏观效应就是热度。 红外线透视和夜视是分别利用了红外线的不同性质。红外线测距系统成本低廉，但是容易受到天气和路边等物体干扰的影响，在恶劣的天气与环境下探测距离仍然不能满足要求。毫米波方式：毫米波是微波的一个波段，频率在30300G,相应波长为110mm。毫米波电子系统具有如下特性: 小天线孔径具有较高的天线增益; 高跟踪精度和制导精度; 不易受电子干扰; 低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小; 多目标鉴别性能好; 雷达分辨率高; 大气衰减“谐振点”可作保密传输。但其价格昂贵，结构复杂。超声波方式：超声波是频率大于20 kHz 的声波, 具有方向性强、能量衰减缓慢、在介质中转播距离远等特点,用
7、于测距计算方法简单, 常用于非接触式距离测量, 其传感器种类较多,由于超声波指向性强，在传输过程中能量损耗缓慢，反射能力强，经常被用于距离的测量。由于超声波测距的探测距离较短，主要用于倒车雷达等近距离测距。汽车雷达按照其测距的方向可分为倒车雷达和前置雷达。倒车雷达主要针对当前在拥挤的街道、停车场以及人群当中倒车时时有发生的倒车碰撞事故而设计的。它是在汽车以较低速度倒车行驶时，周期内不停检测车后障碍物到车的距离，当达到一定危险距离时即时给予司机以声与光的形式的警告。由于倒车雷达检测距离比较短，可选择红外线和超声波，而本文就是对超声波倒车雷达的具体分析研究。目前，很高汽车生产商已经开始在生产的汽车
8、当中加入超声波倒车雷达，一些汽车维护部门已引进了这方的修理维护技术。二、超声波测距的原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波, 从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离 (1-1)式(1-1)中的c为超声波在空气中传播的速度。限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表1-1列出了几种不同
9、温度下的波速。表1-1 声速与温度的关系温度()3020100102030100声速(m/s)313319325323338344349386波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。其系统原理框图如图1-1所示。图1-1 超声波测距系统框图单片机AT89C51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。三、倒车雷达系统总体方案设计由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，由P3.
10、2口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图1-2所示。图1-2 时序图单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，
11、定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。四、 系统的硬件设计本系统硬件电路主要由AT89C51单片机核心电路、超声波发射电路、超声波接受放大电路等组成。1、AT89C51单片机由于本课题所设计的超声波测距系统是以Atmel公司的8位单片机AT89C51为核心的，所以先简单的介绍一下AT89C51的一些特性。5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时计数器TO和T1，4个8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是
12、该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图2-1所示。5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条工O线；2个16b定时计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下
13、构成功能完善的超声波测距系统。2、晶振电路图2-2 晶振电路晶振是用来接时钟电路的，也就是用来立生时钟的，单片机没有时钟那就不能工作的，它有节拍的工作都是在时钟的控制下进行的，这都是一定的，晶振的型号一般是12M，还有24M，等等，根据你对时钟的要求，选用不同的型号，至于电容一般都是30，这个电容是用来微调的。如图2-2所示：3、复位电路图2-3 复位电路复位电路有上电复位和手动按钮复位两种形式，RST/VPD端的高电平直接由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电平复位信号称为手动按钮复位。上电自动复位是在加电的瞬间，电容C1通过电阻R17充电，就在AT89C51的RES端出现一定
14、时间的高电平，只要高电平的时间足够长，就可以有效的复位。RES端在加电时应保持高电平时间包括Vcc的上升时间和振荡器起振时间，Vcc上升时间若为10ms，振荡器起振时间和频率有关，10MHz时约为1ms，1MHz时约为10ms。所以一般为可靠复位，RST上电时应保持20ms以上的高电平。当振荡器频率为12MHz时，典型值为：C1=10uf，R17=8.2k。人工复位是将一个按钮开关并联于上电自动复位电路，按一下开关就在RST端出现一段时间的高电平，即使器件复位。如图2-3所示：4、超声波发射电路图2-4 超声波的发射电路图2-4所示是超声波的发射电路实际上是由LM555构成的40KHZ多谐振荡
15、电路。调节电阻器R1阻值，可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波传感器，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压12V，工作电流4050mA。发射超声波信号大于8m。第4脚接单片机的P3.2.5、超声波接收电路图2-5 超声波接收电路由于超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器的接受信号一般在10mv60mv之间。为了便于使用，接受电路要提供100倍以上的放大增益.该电路将超声波信号，经过放大方波整形之后，最后在输送到单片机中进行数据处理。其接受电路如图2-5所示。五、系统的软件设计1、流程图设计单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时
16、利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据通过LED显示。程序流程图如图1-8，(3-1)为主程序流程图，(3-2)为定时中断子程序流程图，(3-3)为外部中断子程序流程图。图 3-1 图3-2 图3-3软件设计的主要思路是将预置、发射、接受、显示等功能编成独立的模块，当按下控制键后，在一定的周期内一次接收各个模块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并将测量结果进行分析处理，根据决定显示程序的内容。主
17、程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz的晶 振，计数器每计一个数就是1s，当主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20时的声速为344 m/s则有：d=(ct)/2=172T0/100
18、00cm (2)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。2、系统的控制程序;*超声测距主程序S_MAIN*;程序功能：测试障碍物距离，用数码管显示结果;出口参数：P0,P2.0P2.3 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0013H LJMP CUNT_LMAIN: MOV TMOD,#10HCSH:MOV TL0,#00H MOV TH0,#00H MOV 20H,#25 MOV 21H,#50 MOV 22H,#99 CLR F0 JB P2.2,$ SETB EA SETB EX1 SET
19、B TR0HERE:SETB P3.2 NOP NOP NOP NOP NOP JNB F0,NEXT0 LCALL CUNT_L LCALL DISP1 SJMP NEXT1NEXT0:JBC TR0,NEXT1 SJMP HERENEXT1:CLR TR0 LJMP CSH;*INT1中断服务子程序INPUT1*;程序功能：计算障碍物测试距离INPUT1: CLR TR0 SETB F0 RETI;*计算距离子程序CUNT_L*;程序功能：计算距前方障碍物的距离CUNT_L: MOV R2,TL0 MOV R3,TL1 MOV R6,#11H MOV R7,#00H LCALL MULD
20、MOV R6,#64H MOV R7,#00H LCALL DIVD MOV 73H,R2 MOV 74H,R3 MOV A,73H RET;*显示数据处理子程序 HE *;功能：将A中的数据转换成0.05.0之间的十进制数;显示数据存放在40H，41H单元中，40H单元存放整数，41H单元存放小数HE: MOV R2,#00H MOV R3,A MOV R6,#00H MOV R7,#0AH LCALL MULD MOV R6,#00H MOV R7,#33H LCALL DIVD MOV A,R3 LCALL HBCD MOV 41H,A ANL 41H,#0FH SWAP A ANL A
21、,#0FH MOV 40H,A RET;*双字节乘法子程序 MULD *;功能：双字节二进制无符号数乘法;被乘数在R2，R3中，乘数在R6,R7中，乘积在R2,R3,R4,R5中MULD: MOV A,R3 MOV B,R7 MUL AB MOV R4,B MOV R5,A MOV A,R3 MOV B,R6 MUL AB ADD A,R4 MOV R4,A CLR A ADDC A,B MOV R3,A MOV A,R2 MOV B,R7 MUL AB ADD A,R4 MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,B MOV R3,A CLR A RLC A XCH A,R2 MOV
22、B,R6 MUL AB ADD A,R3 MOV R3,A MOV A,R2 ADDC A,B MOV R2,A RET;*双字节除法子程序 DIVD *;功能：双字节二进制无符号数除法;被除数在R2,R3,R4,R5中，除数在R6,R7中，OV=0时，双字节商在R2,R3中，OV=1时表示溢出DIVD: CLR C MOV A,R3 SUBB A,R7 MOV A,R2 SUBB A,R6 JC DVD1 SETB OV RET DVD1: MOV B,#10H DVD2: CLR C MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R5,A MOV A
23、,R4 RLC A MOV R4,A MOV A,R3 RLC A MOV R3,A XCH A,R2 RLC A XCH A,R2 MOV F0,C CLR C SUBB A,R7 MOV R1,A MOV A,R2 SUBB A,R6 ANL C,/F0 JC DVD3 MOV R2,A MOV A,R1 MOV R3,A INC R5 DVD3: DJNZ B,DVD2 MOV A,R4 MOV R2,A MOV A,R5 MOV R3,A CLR OV RET;*将十六进制数转换成BCD码子程序 HBCD *;功能：将单字节十六进制整数转换成单字节BCD码整数;单字节十六进制整数在累加
24、器A中，转换后的BCD码十位和个位整数存在A中，百位存在R3中HBCD: MOV B,#100 DIV AB MOV R3,A MOV A,#10 XCH A,B DIV AB SWAP A ORL A,B RET;*LED动态显示子程序 DISP1 *;功能：用两位LED显示0.05.0数字;将40H,41H单元的内容用两位LED显示DISP1: MOV DPTR,#TAB MOV A,41H MOVC A,A+DPTR CLR P2.0 SETB P2.1 MOV P0,A LCALL DELLAY LCALL DELLAY MOV DPTR,#EVER MOV A,40H MOVC A,
25、A+DPTR CLR P2.1 SETB P2.0 MOV P0,A LCALL DELLAY LCALL DELLAY RET TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H EVER: DB 40H,079H,024H,030H,19H,12H,02H,078H,00H,10H DELLAY:MOV R6,#10 DEL2:MOV R7,#250 DEL1:NOP NOP DJNZ R7,DEL1 DJNZ R6,DEL2 RET END六、系统的软硬件调试超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用15的超声波换能
26、器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时候超声波探头应保持亮换能中心轴平行4到8cm，其余的没什么特殊要求。调试过程中有时候波形会有些失真，应为信号受到干扰的缘故。最后将超声波的接受电路用金属壳屏蔽起来或者将发射和接受电路焊接在两个电路板上。最后使它的抗干扰能力会大大提高。根据接收区范围不同，可以通过适当调整滤波电容的大小的办法，以此来得到合适的接受灵敏度和抗干扰能力。超声波从发射到接受的时间间隔是由555定时器来完成的。就是由于两个探头的距离不是很远，有部分波不一定直接射到接收器上，有可能部分超声波会从发射端直接传到接收端上，造成发送部分
27、和接收部分的直接串扰问题。这一个过程可以通过编程的方法。可以在启动超声波发射后，并不马上开启接收中断，而是调用延时程序，在延时结束后才开启接收中断使控制器不读取接受器在从发射开始到“虚假发射波”结束的时间段里的信号。这样就可以有效避免干扰。六、总结通过这次的毕业设计，在其制作过程的中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了倒车雷达的一些发展现状及超声波测距的基本原理，理解了AT89C51单片机的一些特性，懂得了其各模块的功能。学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。但由于经验不足，
28、电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。总体来说，从本次的毕业设计中学到的知识对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。致 谢首先，我要感谢我的导师王明文老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严格要求，同时也感谢本校的一些老师在毕业设计期间所给予我得帮助。在我毕业论文写作期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。同时还要感谢系实验室在毕业设计期间提供给我们优越的实验条件。接着，我要感谢和我一起做毕业设计的同学。在毕业设计的短短3个月里，你们给我提出很多宝贵的意见，给
29、了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚的谢谢你们。同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是在这样一个团结友爱，相互促进的环境中，在和他们的相互帮助和启发中，才有我今天的小小收获。还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的朋友，在此无法一一列举，在此也一并表示忠心地感谢！六、 参考文献1 朱利娜. 基于单片机的超声测距倒车雷达的研究J . 微计算机信息,2007 ,23 (23) : ,73.2 韩博奇. 车载倒车雷达系统的研究D . 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.3 袁佑新,吴妍,刘苏敏,等. 可视汽车倒车雷达预警系统设计4 . 微计算机信息,2007 ,23 (5) :.5 方佩敏. 超声波专用集成电路LM1812 的原理与应用J .电子世界,1993 (12) :18221.6 吴勉. 超声波驻车暨倒车雷达系统研制J . 现代电子技术,2007 ,30 (17) : ,189.7 张永枫 王静霞 刘守义 单片机应用实训教程 20088 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.109 九州.放大电路实用设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.510 樊昌元，丁义元. 高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报，2000.1011 苏伟，巩壁
