基于stc89c52单片机的超声波倒车雷达设计

基于stc89c52单片机的超声波倒车雷达设计内容摘要：

，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 上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。 这样，超声传感器才有较高的灵敏度。 当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。 利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。 超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可以防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。 金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。 超声 波传感器的特性 超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性： （ 1）频率特性 如图 是超声波发射传感器的频率特性曲线。 其中， f0＝ 40KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 f0 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 f0 处所产生的超声声压能级最高。 而在 f0 两侧，声压能级迅速衰减。 因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率f0 的交流电压来激励。 另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。 曲线在 f0 处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0 处接收灵敏度最高。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 3 59 51 0 01 0 51 1 01 1 54 04 5f ( K H z )发 射 灵 敏 度 （ d B ） 图 22 超声发射传感器频率特性 因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。 超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻 R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。 如果 R 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。 并且最大灵敏度向稍低的频率移动。 因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。 (2) 指向特性 实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小 圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。 但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。 超声波的测距原理及实现 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（ time of flight）。 首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。 因为超声波在标准空气中的传播 速度为 340 米 /秒，由单片机负责洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 计时，单片机使用 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。 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要求。 超声波发生器可以分为两类：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。 本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现触发单元。 利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而 达到测量距离的作用。 其主要有三种测距方法： （ 1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限； （ 2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响； （ 3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。 其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。 其原理图如图 23。 图 23 超声波测距原理 本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。 在移动车辆中应用的超 声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。 由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表 21 列出了几种不同温度下的声速。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 表 21 超声波速度与温度关系表 由于我国大部分地区四季温差不超过 40（ 10 到 30）摄氏度 ，且本系统测距范围（车后 4 到 5 米）比较小，单片机以微秒计时，故温度影响可以不予考虑。 温度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 声速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 第 3 章 系统硬件设计 系统总体结构 本章讲述倒车雷达系统的各个模块的设计和主要元器件的介绍。 包括测距系统设计 (超声波发送接收系统 )、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。 其中，测距系统由超声波发射模块和超声波接收模块构成；控制系统设计主要对 STC89C52 单片机系统进行设计；显示报警系统设计要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和动态态显示电路进行设计。 以下就各模块的电路图、功能及设计思路作详细说明。 系统设计要求 按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为三大主要模块：测距系统、控制系统以及显示和语音报警系统。 本系统的主要功能是：当车挂入倒档后，超声波发射电路开始连续不断的发出超声波，遇到障碍物后反射，超声波接收电路接收，控制电路通过相应的计算，可以计算出相应的距离，并送至显示电路进行显示。 如果所测距离小于预先设置好的报警距离，那么，报警电路则会发出一定的声音进行报警提醒驾驶者。 系统总体结构框图 超 声 波 发送 模 块超 声 波 接收 模 块障碍物S T C 8 9 C5 2单 片 机数 码 管 显示 模 块报 警 模 块 图 31 系统总体结构 框图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 其中测距系统有超声波发射、接收子系统构成；控制部分以 STC89C52单片机为核心，其 口输出 10us 的触发信号 制超声波发射电路产生40KHz 的超声波，利用外部中断监测超声波接收电路输出的返回信号；显示报警部分由显示系统及语音系统构成，其中显示系统采用简单实用的 4位共阳 8 段数码管。 单片机控制系统 单片机的选择 一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。 如果选择了一个合适的单 片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。 目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。 在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有： （ 1）单片机最基本性能参数指标。 例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量， I/O 口的引脚数量等。 （ 2）单片机的某些增强的功能。 （ 3）单片机的存储介质。 例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Flash 的存储器。 （ 4）单片机的封装形式。 封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC 封装及表面贴附等。 （ 5）单片机对工作的温度范围的要求。 例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。 （ 6）单片机的功耗。 例如，如果信号线取电只能提供几 mA 的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用 STC 的单片机是最合适的。 （ 7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。 （ 8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 （ 9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。 综合考虑以 上因素，选择 STC89C52 作为本系统的控制部件。 STC89C52 单片机简介 是一 种带 8K 字 节 闪烁 可 编 程 可擦 除 只 读存 储 器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能 COMOS8 的微处理器，该器件采用 ATMEL 搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 单片机 (STC89C52)外观 如图 32： 图 32 STC89C52 外观 单片机 (STC89C52)引脚功能图如图 33 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 图 33 STC89C52 引脚图 2． STC89C52 引脚具体介绍如下： ① 主电源引脚（ 2 根） VCC(Pin40)：电源输入，接 ＋ 5V 电源 GND(Pin20)：接地线 ② 外接晶振引脚（ 2 根） XTAL1(Pin19)和 XTAL2(Pin20) 为了产生时钟信号，在 STC89C52 单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中 XTAL1 端口就是片内反相放大器的输入端， XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端。 单片机使用的工作方式是自激振荡的方式， XTAL1 和 XTAL2 外接的是 的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。 它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。 单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。 时钟信号电路如图 34 所示。 图 34 晶振电路 ③ 控制引脚（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 复位电路如图 35： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 图 35 复位电路 ALE/PRO。