基于单片机的汽车倒车雷达系统设计(论文

基于单片机的汽车倒车雷达系统设计(论文内容摘要：

态显示周围障碍物的情况。 其较早的产品是用蜂鸣器报警 ,蜂鸣声越急 ,表示车辆离障碍物越近， 后 继的产品可以显示车后障碍物离车体的距离。 汽车防撞雷达之所以能实现防撞报警功能。 汽车倒车雷达的探头 主要安装于前后保险杠上 ，根据 汽车的 不同价格和品牌，探头有二、三、四、六、八、十、十二只不等。 其中 探头能够以最大水平120 度垂直 70 度范围辐射，上下左右搜寻目标。 一般的汽车 挡位杆挂入倒挡时，倒车雷达自动开始工作， 超声波这把无形尺子 能够 测量 到那些低于 保险杠 而司机从后窗难以看见的障碍物 （ 如花坛、路肩、蹲在车后玩耍的小孩等 ） ，并 显示距离与 报警。 图 22 汽车倒车雷达示意图（后 4 个探头） 基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 7 本 设计介 绍的超声测距系统共有 2 只超声波换能器 ( 俗称探头 ) , 假设 分别布置在汽车的后左、后右 2 个位置上。 能检测倒车方向障碍物距离 显示范围为～ , 当距离小于 2 米时 发出一定的声响 , 起到提示和警戒的作用。 本系统采用 AT89C51 单片机对两路超声波信号进行循环采集 ，已达到上述效果。 超声波传感器的介绍 超声波传感器介绍 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。 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 ， 目前常用的超声传感器有电声型与流体动力型 两 大类。 电声型主要有： 压电传感器、 磁致伸缩传感器、 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。 压电传感器 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感器件，是超声波检测装置的重要组成部分， 其 内部结构 （如图 23）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，压电晶片是传感器的核心 等组成。 ， 当 在 压 电晶片 上加有大小和方向不断变化的交流电压 （或者脉冲） 时，根据压电效应，就会使压电晶片产生机械变形，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。 同理 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。 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。 基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 8 图 23压电式超声波传感器结构图 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。 ， 用这一特性可制成各种频率的超声传感器。 超声波传感器的特性 超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性， 这里以 TR 系列的 超声波传感器的特性为例加以说明 （ 1） 频率特性 4 04 3声 压 能 级T / R 4 0 1 6 A T / R 1 8 AT / R 4 0 2 4 A 3 74 0 4 3灵 敏 度 T / R 4 0 1 6 AT / R 4 0 1 8 AT / R 4 0 2 4 A a) b) 图 24超声波传感器的 频率特性图 (a) 超声波传感器的声压能级 (b) 超声波传感器的灵敏度 图 24 是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。 如图（ a） 所示 40KHz 处为超声波发射传感器的中心频率，在 40KHz 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 40KHz 处所产生 的超声声压能级最高 ,而在 40KHz 两侧，基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 9 声压能级迅速衰减。 其频率特性 （ b） 所示 , 可见 40KHz 处 其 灵敏度最高。 因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 40KHz 的电压 （或者脉冲） 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40KHz（ 波长 λ = ） 处最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在 40KHz 处接收灵敏度最高。 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且有较宽的带宽，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的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。 (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器，辐射出一个半球而波（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。 超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0度时电压最大，角度逐渐增大时， 声压减小。 超声传感器的指向角一般为 40度到 80 度，本设计要求传感器的指向角为 75 度。 图 25是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。 1 0 2 0 3 0 1 0 0 d B 3 0 2 0 1 06 03 00 d e c3 06 0 图 25 超声波传感器指向特性 超声波发射电路包括超声波产生电路 和超声波发射电路两个部分，探头（ 超声波换能器）选用压电式，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。 前者利用软件产生 40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 10 推动探头产生超声波。 这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱 动电流 100mA 以上的驱动电路。 第二种方法是利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。 这种方法的优点是无需驱动电路，但缺点是灵活性低。 本设计采用第二种方法产生 40KHZ 的 超声波发射信号。 第三章 系统硬件设计 系统设计的 要求 此 系统设计必须满足以下要求 ： 1） 基于单片机的汽车倒车雷达 系统 2） 具有为单片机提供工作的电源及指示 3） 显示障碍物离汽车的距离 （ 10 米内） 4） 距离小于指定值时 （小于 2米） ，系统 发出声音 预警 信号 系统整体设计方案 本 设计的应用背 景是基于 型号为 AT89C51 的 单片机发 出 40KHz 的超声波 信号， 超声波 信号 经放大后通过超声波发射器 的探头发射，当遇到障碍物时则反射信号， 超声波接收器 探头 将接收到的 反射回来 信号经放大器放大 和滤波，送入单片机并 启动机中断程序，测得时间 差 ，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送 LED 显示。 若测得距离小于事先设定的数值，则发出声音预警。 其系统原理图如图 31 所示： 基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 11 图 31系统原理图 单片机系统介绍 AT89C51 单片机 介 绍 （ 1） AT89C51 单片机简介 AT89C51 是一种带 4K字节 FLASH 存储器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位 微处理器 ，俗称 单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节 闪存可编程可擦除 只读存储 器 的 单片机。 单片机 的可擦除 只读存储器 可以反复擦除 1000 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器 制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁 存储器 组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机 为很多 嵌入式控制系统 提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51 主要由微处理器（ CPU）、数据存储器（ RAM） 、程序存储器（ ROM） 、并行 I/O 口、串口、定时计数器、中断系统、特殊功能寄存器（ SFR）组成。 其结构图如 32 所示： 基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 12 图 32 AT89C51 结构图 （ 2）主要特性 1) 与 MCS51 兼容 2） 4K 字节可编程 FLASH 存储器 3） 寿命： 1000 写 /擦循环 4） 数据保留时间： 10 年 5） 全静态工作： 0Hz24MHz 6） 三级 程序存储器 锁 定 7） 1288 位内部 RAM 8） 32 个 编程 I/O线 9） 两个 16位 定时器 /计数器 10） 5个 中断源 11） 可编程串行通道 12） 低功耗的闲置和掉电模式 13） 片内振荡器和时钟电路 （ 3）引脚及功能 图 33 AT89C51 引脚排列 AT89C51 单片机为 40脚双列直插式封装结构。 其引脚排列顺序及引脚符号基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 13 如图 33 所示。 各引脚功能如下： 1） 电源及接地 GND:电源接地端。 Vcc:供电电压即正常运行和编程校验时为 +5V电源 (士 10%)。 2） 时钟及复位信号 XTAL1:是片内振荡器反相放大器及内部时钟工作电路的输入 端。 当采用外部振荡器为时钟源时，此脚必须接地。 XTAL2:是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。 使用外部振荡器时，可 由此脚引入外部时钟信号。 RST:复位信号输入端，高电平有效。 若此输入端保持 2 个机器周期（ 24个时钟振荡周期）以上的高电平，即可以将 89C51 完成复位操作。 此外， RST 引脚的第二功能是 VPD，即备用电源的输入端。 当主电源 Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，单片机自动将 +5v 电源接入 RST端，为 RAM 提供备用电源，以保证存储在 RAM 中的信息不丢失，以使复电后能继续正常运行。 3） 地址锁存允许 /编程信号端 ALE/PROG:当 89C51 上电正常工作后， ALE管脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的六分 之一。 CPU访问片外存储器时，此信号作为锁存地址总线的低 8 位地址的控制信号。 因此 ALE 信号可以对外输出时钟或定时信号。 ALE端的负载驱动能力为 8 个 LS 型 TTL。 4）程序存储允许输出信号端 PSEN———— ： 在访问片外存储器时，此端定时输出脉冲作为读片外存储器的选通信号。 此管脚接 EPROM 的 OE 端， PSEN 端有效，即允许读出 EPROM/ROM 中的指令码。 当 CPU 访问外部程序存储器时，要产生两次 PSEN 负脉冲信号， 当 CPU 访问内部程序存储器时， PSEN 不跳变。 此端驱动 8 个 LS 型 TTL。 5） 外部程序存储器地址通话输入端 /固化编程电压输入端 EA—— /VPP:当 EA 端接高电平时， CPU 只访问片内 EPROM 并执行内部程序存储器中的指令，但在 PC的值超过 0FFFH 时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。 当 EA端接低电平时，则 CPU只访问外部 EPROM 并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。 此管脚的第二功 能 Vpp是对 89c51 片内基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院 2020 届 毕业设计（论文） 14 EPROM 固化编程时，作为施加较高编程电压的输入端。 6） 输入 /输出端口 I/O 端口引脚： I/O 端口 P0～ P3（地址为 80H， 90H， A0H， B0H），且 P0～P3为四个 8位特殊功能寄存器，分别为四个并行 I/O 端口的锁存器。 它们都有字节地址，每一个端口锁存器还有位地址，所以每一条 I/O线独立地用做输入或输出时，数据可以锁存；作输入时，数据可以缓冲。 P。