1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于 AVR 单片机的倒车雷达设计 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 本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波传感器为接口部件，介绍了基于 AVR单片机的超声波测距器。该设计由超声波发 射模块、信号接收模块、 AVR 单片机处理模块、数码显示以及显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。超声波接收电路使用 CX20106A 红外检测芯片，该芯片用于 38kHz的检波电路。文中设计出对 40kHz超声波检波的硬件电路，并使用数码管显示目标物的距离。
2、关键词： ATmega16，超声波，倒车雷达 The parking radar design system based on AVR microcontroller II ABSTRACT The paper introduces an ultrasonic range-finder control system based on AVR microcontroller, according to the principle of sound wave propagation reflection in the air,using the ultrasonic sensors as the
3、interface unit. The design consists of an ultrasonic transmitter module, a signal receiver module, AVR microcontroller processing module, digital display and the display module and other components, Described in detail the hardware components of the rangefinder, testing principles, methods and softw
4、are structure. The system uses the CX10106A infrared detecting chip as the receiving circuit. the chip used in the detector circuit 38KHz. The paper design the hardware circuit of 40kHz ultrasonic detector, and use LED display the distance between objects. Keywords: ATmega16， Ultrasonic, back-draft
5、radar 目 录 III 摘要 ABSTRACT 目录 1 绪论 1 1.1 汽车倒车雷达系统概述 1 1.1.1 倒车雷达系统作用 1 1.1.2 倒车雷达系统的发展 1 2 核心器件简介 3 2.1 ATmega16 芯片 3 2.1.1 ATmega16 简介 3 2.1.2 芯片特性 3 2.1.3 ATmega16 引脚功能 4 2.1.4 ATmega16 内核介绍 5 2.2 超声波传感器的结构与特点 6 2.3 超声波传感器的应用 7 3 系统硬件设计 8 3.1 ATmega16 核心控制模块 8 3.2 超声波发射模块 9 3.3 超声波接收模块 9 3.4 显示及报警模
6、块 10 3.5 复位模块 11 4 系统软件设计 12 4.1 超声波测距原理及应用 12 4.2 软件结构 12 4.3 各模块程序说明 14 4.3.1 超声波测距子程序 14 4.3.2 T0 中断子程序 16 参考文献 16 致 谢 17 附录 1 原理图 18 附录 2 PCB 图 18 附录 3 程序 18 基于 AVR 单片机的倒车雷达设计 1 1 绪论 1.1 汽车倒车雷达系统概述 1.1.1 倒车雷达系统作用 随着消费水平的提高，拥有汽车的人也逐渐增多，停车位也日趋紧张，泊车就成为很多车主头痛的问题，这时倒车雷达就成了车主泊车的好助手。倒车雷达，全称“倒车防撞雷达”，又称“
7、泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以直观的显示和警报来告知车主周围障碍物的情况，为车主解除了泊车时前后左右探视所引起的烦扰，并且还帮助 车主扫除了视线模糊和视野死角的缺陷，提高了泊车的安全性。 倒车雷达是汽车泊车安全辅助装置，主要由超声波探头、控制器、显示器及蜂鸣器等部分组成。它能以直观的显示和警报来告知车主周围障碍物的情况，为车主解除了泊车时前后左右探视所引起的烦扰，并且还帮助车主扫除了视线模糊和视野死角的缺陷，提高了泊车的安全性。 1倒车雷达其实跟我们所知道的雷达是一样的，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障得物相撞的原理设计开发的，通过感应装置发出超声波，然后通
8、过反射回来的超声波来判断前方有无障得物，以及距障碍物的距离、障碍物的 大小、方位和形状等。不过由于倒车雷达体积和实用性的限制，目前的倒车雷达主要具备的就是判断障碍物的距离，并作出提示，让驾驶者便于判断。 2 通常的倒车雷达主要由三部分组成：感应器 (探头 )、主机和显示设备。感应器发出和接收超声波信号，然后将得到的信号传输到主机里面的电脑进行分析，再通过显示设备显示出来。探头装在后保险杠上，根据不同价格和品牌，探头有 1、 3、 4、 6 只不等，有的高档进口车甚至要装 8 只，分别管前后左右。探头以 45角辐射，上下左右搜寻目标。它最大的特点是能探索到那些低于保险杠而驾驶员从后窗难以看见的
9、障碍物 (如花坛、蹲在车后玩耍的小孩等 )并报警。倒车雷达的显示器装在驾驶室仪表板上，它不停地提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少距离。到危险距离时蜂鸣器就开始鸣叫，提醒驾驶员停车。按探头分，倒车雷达有粘贴式、钻孔式和悬挂式三种。粘贴式探头后有层胶，可直接粘在后保险杠上。钻孔式探头，是在保险杠上打一个洞，然后把探头嵌进去。悬挂式探头主要用于货车。从显示器分，有数字显示、颜色显示和蜂鸣三种。数字式显示器是一只如 BP 机大小的盒子，安装在驾驶室仪表板上，距离直接用数字显示，精确到 0.01mm，让驾驶员一目了然。它会提醒驾 驶员： 1.5 0.8m 为安全区； 0.8 0.3m 为适当区； 0.3
10、0.1m 为危险区。在安全区，你可正常倒泊。在适当区，你要减速倒泊；在危险区，你则要停止倒泊。 3 1.1.2 倒车雷达系统的发展 （ 1）蜂鸣器 基于 AVR 单片机的倒车雷达设计 2 这是倒车雷达系统的真正开始，倒车时，如果车后 1.5 1.8m 处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近，没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 （ 2）数码波段显示 数码波段显示可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体， 在 1.8 米开始显示；如果是人，在 0.9 米左右的距离开始显示。 这一代产品有两种显示方式，数码显
11、示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有 0.8 米以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有 0.60.8 米；红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到 0.6 米的距离，你必须停止倒车。 该代产品由于比较实用，价格不高，中低档车和车铃超过三年的车安装使用较多，但安装在车内不太美观、功能单一。 （ 3）液晶显示屏动态显示 这一代产品有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动 态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便，目前已逐渐
12、成为新购中高档车安装使用的主流产品。不过目前国产的液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。 （ 4）魔幻镜倒车雷达 魔幻镜倒车雷达结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知 2 米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。 魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、 免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上比较先进的倒车雷达系统，部分进口的高档车已有安装使用。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置，而且颜色款式多样，可以按照个
13、人需求和车内装饰选配。 （ 5）整合影音系统 这是专为高档轿车生产的，它在上一代产品的基础上新增了很多功能。从外观上来看，这套系统比上代产品更精致和典雅；从功能上来看，它除了具备上代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看 DVD 影像。 4 基于 AVR 单片机的倒车雷达设计 3 2 核心器件简介 2.1 ATmega16 芯片 ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于单时钟周期指令执行时间以及先进的指令集， ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz，从而可以减少系统处理速度和系统功耗之间的
14、矛盾。 ATmega16 AVR 内核具有 32 个通用工作寄存器和丰富的指令集。所有的寄存器都是直接跟算术逻辑单元 (ALU) 相连接的，这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。在一个时 钟周期内，使得一条指令可以访问两个独立的寄存器。 2.1.1 ATmega16 简介 芯片 ATmega16 是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过运行于 AVR 内核之中的引导程，或者序 ISP 串行接口进行编程，也可以通过通用编程器进行编程。 ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包
15、括：程序调试器 / 软件仿真器、仿真器及评估板、 C 语言编译器、宏汇编。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区 (ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash 存储区时引导 Flash 区 (Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。5 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 2.1.2 芯片特性 芯片 ATmega16 具有如下特性 : 32 个通用工作寄存器， 512
16、 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM， 16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)， 32 个通用 I/O 口线，支持片内调试与编程，用于边界扫描的 JTAG 接口，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器 (T/C),片内 /外中断，可编程串行 USART，六个可以通过软件进行选择的省电模式， 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益 (TQFP 封装 ) 的 ADC ，一个 SPI 串行端口，有起始条件检测器的通用串行接口以及具有片内振荡器的可编程看门狗定时器。 工作在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休
17、眠状态；工作于掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复 位之外都停止工作；工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 SPI 端口、 T/C、 SRAM、中断系统、 A/D 转换器、 USART 以及两线接口继续工作； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作； ADC 噪声基于 AVR 单片机的倒车雷达设计 4 抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声。 6 2.1.3
18、ATmega16 引脚功能 端口 B(PB0PB7) 端口 B 为 8 位 I/O 双向口，具有可编程的内部上拉电阻。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B 处于高阻状态。端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 VCC 电源正极。 GND 电源地极。 XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 XTAL1 反向振荡放大器与片内 时钟操作电路的输入端。 端口
19、 D(PD0PD7) 端口 D 为 8 位 I/O 双向口，具有可编程的内部上拉电阻。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 C(PC0PC7) 端口 C 为 8 位 I/O 双向口，具有可编程的内部上拉电阻。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可 以输出和吸收大电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。端口 C 也可
20、以用做其他不同的特殊功能。如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。 AVCC AVCC 是端口 A 与 A/D 转换器的电源。使用 ADC 时应将 VCC 与一个低通滤波器连接。不使用 ADC 时，该引脚应直接与 VCC 连接。 AREF A/D 的模拟基准输入引脚。 端口 A(PA0PA7) 端口 A 做为 A/D 转换器的模拟输入端。端口 A 为 8 位 I/O 双向口，具有可编 程的内部上拉电阻。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大
21、电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 基于 AVR 单片机的倒车雷达设计 5 P B 0 / T 01P B 1 / T 12P B 2 / I N T 23P B 3 / O C 04P B 4 / S S5P B 5 / M O S I6P B 6 / M I S O7P B 7 / S C K8R E S E T9V c c10G N D11X T A L 212X T A L 113P D 0 / R X D14P D 1 / T X D15P D 2 / I N T 016P D 3 / I N T 117P D 4 / O C 1 B18P D 5 /
22、 O C 1 A19P D 6 / I C P 120P D 7 / O C 221P C 0 / S C L22P C 1 / S D A23P C 2 / T C K24P C 3 / T M S25P C 4 / T D O26P C 5 / T D I27P C 6 / T O S C 128P C 7 / T O S C 229A V c c30G N D31A R E F32P A 7 / A D G33P A 6 / A D C 634P A 5 / A D C 535P A 4 / A D C 436P A 3 / A D C 337P A 2 / A D C 238P A 1
23、 / A D C 139P A 0 / A D C 040图 2-1 ATmega16 2.1.4 ATmega16 内核介绍 AVR 存储器空间结构为线性平面。 AVR 有一个灵活的中断模块。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。状态寄存器里有全局中断使能位。控制寄存器位于 I/O 空间。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。 AVR 采用了 Harvard 结构，取得了较高的性能以及并行性，具有独立的数据和程序总线。程序存储器是可以在线编程的 FLASH。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。 CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令。这个概念实现
24、了指令的单时钟周期运行。 程序存储器空间可以分为两个区：应用程序区和引导程序区 (Boot 区 )。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读 / 写保护。用于写应用程序区的 SPM 指令必须位于引导程序区。 I/O 存储器空间包含 64 个可以直接寻址的地址，作为 CPU 外设的控制寄存器、SPI，以及其他 I/O 功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址 0x200x5F。 快速访问寄存器文件包括 32 个 8 位通用工作寄存器，又因为访问时间为一个时钟周期，从而实现了单时钟周期的 ALU 操作。在典型的 ALU 操作中，整个过程仅一个基于 AVR 单片机的倒车雷达设计 6 时钟周期，两个位
25、于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，运算结果再被送回到寄存器文件。 ALU 支持常数和寄存器之间以及寄存器之间的算术和逻辑运算。 ALU 也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。 在调用和中断子程序时返回地址的程序计数器 (PC) 保存于堆栈之中。通用数据SRAM 包含堆栈在内，因此其深度仅受限于 SRAM 的大小。在复位例程里首先要初始化堆栈指针 SP。这个指针可以进行读写访问，它位于 I/O 空间。可以通过 5 种不同的寻址模式进行访问数据 SRAM。 寄存器文件里有 6 个寄存器可以用作 3 个 16 位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，
26、从而实现高效的地址运算。这些附加的功能寄存器即为 16 位的 X、 Y、 Z 寄存器。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。 通过有无条件的调用指令和跳转指令来控制程序流程，从而直接寻址整个地址空间。 大多数指令长度为 16 位，即每个程序存储器地址都包含一条 16 位或 32 位的指令。 2.2 超声波传感器的结构与特点 （ 1）组成部分 超声波探头主要由压电晶片组成，用来发射超声波和接收超声波。功率较小的超声波探头大多用来探测。它的结构可分斜探头（横波）、直探头（纵波）、兰姆波探头（兰姆波）、表面波探头（表面波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 （ 2）性能指标 超声
27、探头的核心部件是其金属外套或者塑料外套中的一块压电晶片，构成晶片的材料也有许多种，各有不同。由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，所以 每个探头的特性是不相同的，我们使用前应该先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括以下部分： a）灵敏度 主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数小，灵敏度低；反之，灵敏度高。 b）工作温度 由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用的超声波探头功率较小，因此工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。而医疗用的超声探头的温度比较高，不能长时间工作，所以需要单独的制冷设备。 c）工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率。当晶片的共振频率和加到它两端的交流电压的频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
