1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 超声波测距倒车雷达系统的研究 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 现在，越来越多的人们拥有汽车，但由此带来的交通隐患也越来越大。本课题设计的超声波测距倒车雷达系统正是考虑安 全方面的问题。 本课题介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的 AT89C2051单片机的性能和特点，在分析了超声波测距倒车雷达的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以 AT89C2051单片机为核心的低成本、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路设计和软件设计方案。 本文首先阐
2、述了超声传感器的原理及特性，对于测距系统的超声波频率、信号脉冲、器件型号等主要参数进行了讨论，在介绍了超声测距电路各模块功能的基础上，提出了系统的总体结构并对测距系统发射、接收、检测、显示及报警部份的 硬件设计方案。根据系统要求采用模块化的编程思路完成系统的算法设计，实现超声发射和距离显示功能。最后通过软硬件的综合调试实现短距离超声测距系统的基本功能。 硬件电路包括滤波电路、放大电路和整形电路。滤波电路的作用是滤掉一些不需要的噪音，因为超声波传感器是通过振动产生电流，产生的电流是非常微弱，所以我们需要放大电路，而单片机只能接受方波，所以要对放大的电流进行整波，这样单片机就可以正常工作。 关键词
3、： 单片机， 倒车雷达，超声波测距 Ultrasonic Parking Sensor System Range Abstract More and more people own cars now, but the resulting traffic hazards is also growing,The design of the ultrasonic ranging system is to consider security issues. II This subject has introduced principle and characteristic of the ultras
4、onic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C2051 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provid
5、e low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C2051 as the core . In the article first elaborated the supersonic sensors principle and the characteristic;Regarding range measuring systems supersonic wav
6、e frequency ,the signal pulse,the component model and so on main parameter has carried on the discussion;In introduced in the supersonic range measuring system launch,the receive,the examination,the demonstration and the newspaper warning parts hardware design plan has carried on the proof.Requests
7、according to the system to use modular the programming mentality to complete systems algorithm design,realizes the supersonic range measuring systems basic function through software and hardwares synthesis debugging. And hardware circuit including filter circuit,amplifying circuit and waveshaping ci
8、rcuit.Filter circuit function filters out some noises， Because the ultrasonic sensor produces the electric current through the vibration, the electric current is weak,therefore we need the amplifying circuit， But the monolithic integrated circuit only receives the square-wave,must therefore carry on
9、 the entire wave to the enlargement electric current,such monolithic integrated circuit might the normal work. Keywords: SCM， Car Reversing Aid System， Ultrasonic Distance III 目录 摘 要 . I Abstract . I 1 绪论 . 1 1.1超声波测距倒车雷达系统设计的来源 . 1 1.2超声波测距倒车雷达系统设计的意义 . 2 1.3超声波测距倒车雷达系统国内外发展现状 . 2 1.4超声波测距倒车雷达系统研究的
10、主要内容 . 3 1.4.1 主要研究原理 . 3 1.4.2 主要硬件研究方法 . 9 1.4.3 主要软件研究方法 . 5 2超声波测距倒车雷达方案设计与总体设计 . 6 2.1超声波测距倒车雷达系统的设计 . 6 2.2方案评价 . 6 2.3超声波测距倒车雷达系统的总体设计 . 7 2.3.1 总体设计 . 7 2.3.2 系统电路原理图 . 8 3硬件各个模块的设计和研究 . 9 3.1电源模块的设计 . 9 3.2 测距系统的设计 . 9 3.2.1 超声波发送模块 . 9 3.2.2 超声波接收模块 . 10 3.2.3 放大电路的设计 . 10 3.3控制系统的设计和研究 .
11、11 3.3.1 单片机介绍 . 11 3.3.2 AT89C2051 及各引脚功能介绍 . 12 3.3.3 单片机最小系统模块 . 13 3.4换向选通电路的设计 . 14 3.5显示报警模块电路的设计 . 15 3.5.1 语音电路模块 . 15 3.5.2 显 示电路模块 . 16 4软件方案设计和研究 . 17 4.1主要模块软件设计说明 . 17 4.1.1 主函数程序模块 . 18 4.1.2 显示功能模块 . 18 IV 4.1.3 单片机编程产生超声波 . 19 4.1.4 中断程序 . 20 结论 . 21 参考文献 . 23 致谢 . 25 附录 . 26 附录图 1 系
12、统电路原理图 . 26 附录图 2 主控板实物图 . 27 附录图 3 c语言源程序 . 27 超声波测距倒车雷达系统的研究 1 1 绪论 1.1 超声波测距倒车雷达系统设计的来源 很多人都喜欢汽车给我们带来的便利， 随着 国内 经济的持续增长和汽车价格 变得越来越低 ，拥有了汽车 的群体变得 越来越 大 。 路上的汽车变得越多，由倒车而产生的问题就会变得越来越严重 。 汽车 的数量 不断增加，我们可用的 转动空间 就会 越来越少 ，驾驶空间就会变的很狭小，道路 拥挤不堪 。 另一方面 ，那种所谓的马路杀手数量呈直线上升，交通事故不断发生，给我们的生活出行带来了很大的麻烦。在近些年的交通事故发
13、生情况来看，倒车事故所占的比重已近达到了近三分之一。倒车问题明显已近成为交通事故的实质性问题，亟待解决。根据最近的一项研究表明，如果能在出现交通事的那一刹那，给司机一秒的处理时间，那么很多交通事故的发生比率会降低很多个百分比。如何给驾驶者一定的 预处理时间，受到了社会各个阶层的普遍关注。这就要求汽车生产商提升汽车的便捷性，迫切希望有一种汽车电子装备能够出现在汽车中，消除倒车过程中所带来的不安全因素，降低倒车交通事故的发生率。 在汽车倒车过程中，驾驶者需要克服多方面的困难： 第一司机在驾驶汽车的时候，他是无法很清楚的了解汽车四周的具体情况的。司机要观察了解汽车后方的事物，此时就必须通过后视镜，但
14、后视镜是受其自身的限制，后视镜狭小且不清晰，这就不能完全了解到障碍物。 第 二 司机在倒车的时候， 要兼顾车辆前方、两侧的情 况，他需要不停的环顾四周，这是注 意力不容易集中，脑力时常消耗过大，容易产生视疲劳。 第 三倒车 就 是一个 完完全全的 复杂工程， 这个需要很长的 驾驶经验、驾驶技巧 和 反应灵敏度 ，只有不断的积累驾驶经验，才能有超强的倒车技巧。但是对于很多非专职司机这是无法达到的。 目前，大家比较认同的解决汽车倒车难的方法有两种思路。其 一是 提升汽车本身的配套设备，比如倒车摄像头系统，但是这个需要很高的成本。对于一般的经济性汽车是无法达到的。所以这个需要科技的进步以降低开发成本
15、。 其 二 是超声波测距倒车雷达系统的开发应用，这是一个简单的雷达预警系统，成本低、实用性强。本课题 研究的是使用第二种思路，它是在简单倒车雷达系统的基础上进行创新实验，在一定的使用范围内解决了汽车倒车问题，为汽车电子系统的进一步完善奠定实质性的基础。相信这种雷达系统会得到很好的推广和应用，很好的提升汽车驾驶的便捷性。 超声波测距倒车雷达系统的研究 2 1.2 超声波测距倒车雷达系统设计的意义 在整个汽车电子系统中 ， 倒车雷达的根本性目的是用于倒车防撞的，是一种汽车安全辅助电子装备。倒车防撞雷达一般由探头、控制器和显示器组成。从而提高汽车倒车的安全性，提升汽车驾驶的便捷性。所以该超声波倒车雷
16、达系统设计的意义： (1)倒车防撞雷达系统开始从机械 的自动化向着芯片智能化的道路发展； (2)倒车雷达系统用直观的方式提醒司机汽车四周的情况，扫除视野死角。是驾驶者能够集中精力去避免倒车交通事故，汽车的可靠性和安全行得到大大的提高。这是“以人为本”人文理念的体现，减轻驾驶者视疲劳和脑疲劳。解决现在日益严重的汽车倒车难题； (3)一个安全可靠的超声波测距倒车雷达系统的设计，司机可以无论在白天还是在黑夜都可以有效的进行汽车倒车 ; (4)该设计方法所使用的元器件价格低，是一组小组件系统方案。对于整个汽车电子系统的开发成本的影响是很有限的。这种汽车雷达系统是在基础雷 达系统的基础上进行创新开发，经
17、济使用，易于推广。 超声波测距倒车雷达系统的推广可以极大的方便人们的出行，减轻了司机的体力和脑力。该系统开发成本低，很多经济型汽车也容易实现安装。是汽车向智能化方向发展进一步迈进，对于以后真正的无人汽车驾驶技术的开发应用产生了积极的推动作用。 1.3 超声波测距倒车雷达系统国内外发展现状 经过 几十 年的 不断研究 ，倒车雷达系统经过了数代的技术 更新。 目前使用较多的 有三种产品，分别是 数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达 系统 。 他们不管从结构外观上，还是从性能价格上，这 三种 产品都各有 各的 特点 。 第一代倒车雷达 系统 真正开始于 一些简单的 轰鸣器， 我们小时候经常会听到这样的
18、话 “ 倒车请注意！倒车请注意！ ” 。这个倒车雷达价格十分便宜，现在是属于被市场淘汰的产品，它不是真正的倒车雷达系统。 第二代 比第一代进步很多， 采用数码波段显示， 可是该系统没有语音提示，也没有具体的距离显示。虽然该系统可以显示汽车后方有障碍物，却不能显示出具体的数值，对于司机的真正帮助是很有限的，所以这是有很大缺陷的。 第三代 产品是 液晶荧屏显示 系统，这算得上是一次汽车电子产品质的飞跃。这种系统把波段和数码管组合在一起，是非常实用的产品，唯一 的缺点是外观不理想，安装在车上不够美观大方。 超声波测距倒车雷达系统的研究 3 第 四代 产品发展到 魔幻镜倒车雷达 ，它结合前几代系统的特
19、点，是一种 仿生超声雷达技术 的应用， 以高速电脑控制 ，可以精确的测量汽车后方两米以内的障碍物 。外观美观大方，并不占汽车内部空间，款式多样，安装简单。但这种设备要求高， 它的抗干扰能力不足。在一些情况下，会出现误报或者错报，给司机朋友带来不必要的麻烦，而且价格在上千以上，推广难度很大。 第六代产品在第五代的基础上 发展成为无线倒车雷达系统，并且新增很多功能，这种产品是专门为那些高档汽车所开发应用的。它可以探测汽车四周的情 况， 安装更容易 ，这种 全天侯设计，可以适应不同的 行驶 环境 。 这些先进的技术能在汽车产品上的应用，对于超声波倒车雷达系统的完善起到了积极的作用。 倒车雷达系统的发
20、展趋势： (1)由加装向原装发展，越来越多的汽车在出厂时配有倒车雷达； (2)原装倒车雷达车型呈现高档 中档 低档的发展态势； (3)由主流探头向更多探头发展； (4)功能更加强大，集成音响和音像播放功能； (5)设备趋于小型化、人性化及智能化。 1.4 超声波测距倒车雷达研究的主要内容 1.4.1 主要研究原理 超声波测距是的超声波用单片机发出，系统通过检 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，从而求出汽车于障碍物的距离。超声波频率是指在 20 kHz以上的机械波，它们的穿透性强和反射能力强。在工作时，通过主控制器的控制下，超声波探头不断发射出一系列连续的
21、超声波脉冲，同时给测量计算电路提供一个短暂的脉冲。最后由探头接收返回的信号，经过处理装置对接收的信号进行必要的处理，计算出时间差，通过公式算出车与障碍物之间的距离。 超声波测距的原理简单，其元器件成本低，系统的开发试制简单方便，但超声波的传输速度很容易收到天气的影响，所以在很多 时候是无法达到预期的效果。另外，该雷达系统只适于短距离测距，因为超声波与距离的平方成正比衰减，所以，距离越远，能量的衰减越严重。 超声波测距的一般算法 : 超声波在空气中传播速度约为 340m/s。 X2是声波返回时刻， X1是声波发声时刻， X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，超声波发出到遇到返射物返回的距离。示意
22、图如图 1-1： 超声波测距倒车雷达系统的研究 4 图 1-1超声波测距原理图 限制该超声波测距系统能存在四个因素：超声波的幅度、障碍物质地、反射和入射声波之间的夹角以及主控制器的灵敏度。主控制器对超声波脉冲的直接接收处理能力决定了最小可测距离长度，因此对主控制器的要求是比较高的。为了提高主控制器的测量范围，减少不必要的测量的误差，可采用多个超声波测量探头，作为多路超声波发 /收器的设计思路。由于受到超声波发射声波范围的限制，其超声波波速是与温度 有关，表 1-1列出几种不同温度下的波速： 温度 -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速 313 319 325 323 338
23、 344 349 386 1.4.2 主要硬件研究方法 1、 超声波测距倒车雷达主机硬件框图 ，如图 1-2所示： 图 1-2硬件框图 AT89C2051是美国 ATMEL公司生产的低电压、高性能 CMOS 8位单片机，片内含 2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128bytes的随机数据存储器（ RAM），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 MCS-51指令系统，片内置通用 8位中央处理器和 Flash存储单元 。 为了测量汽车尾部与障碍物之间的最小距离，在汽车尾部安装多个超声波传感器，测量时巡回检测各个探头与障碍物之间的距离，以各
24、距离的最小值作为最终测量 。 超声波测距倒车雷达系统的研究 5 2、 超声波发送模块 ： 超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分 组成 超声波发送器。 超声波的产生 可采用软件 或者 硬件 的方案 产生。软件 方法是通过编程 产生 40 kHz的超声波信号，通过 相应的 引脚输入至驱动器， 通过 驱动器 直接 驱动 来 推动 超声波 探头产生超声波 ，并把超声波发生出去 。 3、 超 声波接收模块 ： 超声波接收探头 器件、 放大电路 和 波形变换电路三部分 组成 超声波接收器 。 超声波探头与发射探头的型号 必须是一致的，两者的频率需要一样的。如果它们的频率不一致就不会产生共振，那么接收
25、效果就会受到很大影响甚至无法接收回波信号 ， 这就要求我们要设计一路 放大电路 进行 放大 要求。 4、 换向选通电路 ： 本课题要求要设计一个 换向选通电路 ， 实现接收来自不同方向的信号 ， 从而进行 多方向测距。 初步思路是设计四路发射和接收电路，使用四个收发一体的超声波探头。这样就会出现信号间的 串扰的问题 ，所以我考虑使用时分复用的工作方式， 让各个探头分时分段的进行工作，独立完成一个一个测距周期。 采用一路 PWM 信号 使用 模拟开关分配四路，轮 流独立 发射的办法实现。 1.4.3 主要软件研究方法 超声波测距倒车雷达 软件流程 框图 ，如图 1-3 图 1-3软件框图 在对控制模块初始化之后，进行 40KHz 的超声波发射，延时一段时间，等待传感器余震消失之后，开始检测是否 可以 收到回波，当没有收到回波的时候，继续等待，如果收到回波，则根据此时与开始发送之间时间间隔计算车尾到障碍物之间的距离，并送往液晶模块显示，根据 具体做出 预警。
