1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本 科 毕 业 论 文基于单片机的超声波测距倒车雷达设计The design of Ultrasonic ranging reverse radar based on Singlechip 系（院）名称： 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2011 年 5 月目 录摘 要 .Abstract .引 言 .1第一章 方案论证及选择 .21.1 微处理器选择 .21.2 测距传感器选择 .21.3 语音报警器的选择 .31.4 显示子系统的设计 .3第二章 超声波测距雷达工作原理 .42.1 超声波传感器
2、介绍 .42.1.1 超声波传感器的特性 .62.2 超声波测距的原理及实现 .7第三章 硬件设计 .93.1 系统总体结构框图 .93.2 AT89C51 单片机 .93.3 电源电路 .123.4 时钟电路 .133.5 复位电路 .133.6 超声波测距模块 HC-SR04 .143.7 74HC573 芯片 .163.8 数码管显示及报警电路设计 .17第四章 系统软件设计 .204.1 系统主程序的设计 .204.2 中断处理程序的设计 .224.3 测距模块的设计 .224.4 显示及报警模块的设计 .23结 论 .25致 谢 .26参考文献 .27附 录 .28附录 A：系统总电
3、路图 .28附录 B：部分源程序 .29I基于单片机的超声波测距倒车雷达设计摘要：随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。这些事故常常给驾驶员带来许多麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。倒车雷达，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况。本文设计了一种利用超声波测距原理研究的高性价比倒车雷达，它可以提醒驾驶员进入警戒区域，同时进行声光报警。无须占用司机的视觉资源，使司机可以把全部注意力用于观察车前及车旁的路况。超声发射部分由 AT89C51 单片机产生 10us 的高电平信号，触发测距模块
4、；系统接收部分由接收探头拾取反射回来的信号，当接收电路接收到反射信号就中断 AT89C51 计数器停止计数，从而得到超声波从发射到接收信号的时间差,进而计算出车与后方障碍物之间的距离，指导司机安全倒车。关键词：倒车雷达 超声波 单片机 声光报警IIThe design of Ultrasonic ranging reverse radar based on SinglechipAbstract：Along with the rapid development of economy of our country, more and more people have their own cars,
5、 as well as the parking and reversing the accident caused will be increasingly. These accidents often bring many troubles to drivers, so, the reverse radar of help drivers parking and of reversing arise at the historic moment. Reverse radar, the automobile parking safety auxiliary devices, more intu
6、itive to told the driver of around obstacles by voice or display. This paper designs a kind of using ultrasonic ranging principle research high performance-to-price ratio reverse radar；it can remind drivers entered exclusionary area, simultaneously the acousto-optic alarm. The radar need not occupy
7、the drivers visual resources, and can make the driver putting the whole attention to observe the passenger side of the front and roads. Ultrasonic launching 10us partly by AT89C51 produce the high level signal to triggering ranging module; System receiving part reflected by the receiving probe of th
8、e signal and when the receiving circuit receives reflected signals will interrupt AT89C51 counter stop counting. Thus obtains from the launch to receiving signal ultrasonic lag between driving, and then calculating the distance between the obstacles to instruct driver safety reverse.Key words：Revers
9、e radar; Ultrasonic ; Single-chip microcomputer；Sound-light ala1引 言随着社会的不断发展，汽车已逐渐成为人们不可或缺的交通工具。由于汽车的日益普及，人为原因而产生的碰撞问题也日益突出，其中倒车碰撞占据很大一部分。因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达” ，也叫“泊车辅助装置” ，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者显示器的显示通告司机车后的状况，解除了司机泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的麻烦，并帮助司机解决由视觉引起的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的原
10、理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。司机在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使司机倒车时不至于撞上障碍物。当前国内外倒车雷达的研究现状：通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。据感应器种类
11、不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等种。粘帖式感应器后有一层胶，可直接粘在后保险杠上：钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去：悬挂式感应器主要用于载货车。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可以分为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到 1 厘米，让驾驶员一目了然。经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。本文旨在设计一种以 AT89C51 单片机为核心控制芯
12、片，高性价比的倒车雷达，系统成型后，经过专业技术人员论证后可推向市场。2第一章 方案论证及选择1.1 微处理器选择方案一：使用 51 单片机。51 单片机具有功能强、抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，而且它经过多年的发展，技术也相当成熟。方案二：使用 AVR Mega 系列单片机。Mega 系列是美国 ATMEL 公司生产的 AVR 8 位单片机中的高端产品，由于市场和技术原因，市场占有率挺高，采用精简指令集系统。方案三：使用 MPS430，凌阳 61 单片机等 16 位单片机或者 ARM 系列 32 位单片机。由于本系统控制功能简单，没有
13、必要为了提高性能而增加成本和开发难度。经过综合考虑，本题目采用第一套方案，选取性价比较高的 51 单片机。1.2 测距传感器选择方案一：红外传感器。其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号强弱判断物体的距离。 方案二：激光传感器。它是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播
14、速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30 万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。 方案三：超声波传感器。超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。其原理犹如蝙蝠，它嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接收来判断是否检测到物体。 根据以上性能的比较，我们能看出来激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较3高，不易为大众接受。考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较短的响应时间，最终选用超声波传感器作为此方案的技术扩展
15、。1.3 语音报警器的选择由于在该设计中只涉及到简单的报警声音，可以直接用单片机的某一引脚产生方波控制。我拟定采用简单的蜂鸣器来实现该功能。1.4 显示子系统的设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以用 LED发光二极管，设计简单，易于安装，但给出只是一个简单的开关信息，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT 监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏，从能够实现显示功能以及个人设计简单方便方面考虑，本设计中采用三位 8 段数码管实现显示功能。4第二章 超声波测距雷达工作原理2.1 超声波传感器介
16、绍 超声波是一种频率超过 20kHz 的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比
17、，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而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。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控
18、系统的研制上得到了广泛应用。 超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛” 。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传
19、感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属5于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波
20、的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0 交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。电极 压电晶片共振板图 2.1 压电式超声波传感器结构图压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图 2.1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面
