@[设计和实现汽车倒车雷达系统(初稿)]
毕业设计(论文)
题 目： 设计和实现汽车倒车雷达系统
电气与控制工程 电气工程及其 学 院 学院 专 业 自动化
班 级 0912172 学 号 091217255
学生姓名 李津 指导教师 张洛花
发放日期 2019 年 5 月 10 号
设计和实现汽车倒车雷达系统
摘要
汽车倒车雷达系统是一种安装在汽车尾部的超声波雷达检测系统，当司机 在狭窄的位置停车时，倒车雷达系统可以检测汽车尾部的障碍物， 并通过声光信号提示车辆与障碍物的距离，帮助驾驶员轻松停车和安全 全倒车。 基于本文的研究设计 AT89C51 汽车倒车雷达系统介绍了雷达测距 雷达倒车系统的原理、组成和控制电路的设计。使用 AT89C52 以单片机为系 控制各部分电路工作的统一控制平台。超声波传感器发出超声波 超声信号在遇到障碍物时会反射超声信号，超声传输 处理后，传感器检测到信号输入单片机外部中断，单片机停止计时。在计算 汽车后部与障碍物之间的距离可以结合声速计算。 关键词：倒车雷达、单片机、超声波测距、报警、距离测量
Abstract
The vehicle backing radar system is a radar detection system installed on the rear bumper of the car. When backing up in a narrow parking space, the radar mounted on the rear bumper is used to detect whether there are obstacles behind the car and the distance between them. The sound prompt is used to assist the driver to backing and parking safely and easily to avoid collision. In order to achieve safe backing, this paper studies and designs a vehicle backing radar system based on AT89C52, and introduces the principle of radar ranging, the composition of radar backing system and the design of control circuit.AT89C52 MCU is the core component of the whole system. It controls the operation of each part of the circuit. The single-chip computer starts timing when the ultrasonic sensor sends out the ultrasonic signal. When the ultrasonic signal encounters obstacles, it will reflect the ultrasonic signal back. After processing, the signal detected by the ultrasonic sensor is inputted into the external interruption of the single-chip computer, and the single-chip computer stops timing. After calculating this period of time, the distance between the rear of the car and the obstacle can be calculated by combining the sound speed. Key words: reversing radar, single chip computer, ultrasonic ranging, alarm, distance measurement
目录
1 前言 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究内容发与方法 1 2 总体设计及理论分析 2 2.1 系统功能设计 2 2.2 系统原理分析 3 2.2.1 超声测距原理分析 3 2.2.2 超声传感器原理 3 2.3 选择超声传感器 4 2.4 超声传感器数量的选择 5 3 设计系统硬件和电路模块 6 3.1 单片机 STC89C51 介绍 6 3.1.1.介绍单片机内部结构 6 3.1.2 单片机引脚说明 7 3.2 主模块设计 8 3.3 时钟电路设计 9 3.4 复位电路设计 9 3.5 显示电路设计 10 3.5.1 1602 型 LCD 简介 10 3.5.2LCD 显示电路设计 11 3.6 蜂鸣器报警电路设计 12 3.7 键盘模块设计 13 3.8 电源设计 13 3.9 超声波发射和接收电路设计 13 3.9.1 CD4052 芯片的特点 14 3.9.2 超声收发系统电路 15 3.10 超声波回波信号的放大电路设计 16 3.10.1 CX20106A 芯片的基本特性 16
3.10.2 CX20106A 介绍芯片的原理 17 4 系统软件设计 18 4.1 主程序设计及流程图 18 4.2 各部分子程序的设计 20 4.2.1 子程序中断处理 20 4.2.1 显示子程序 21 4.2.3 距离计算子程序 22 5 系统误差分析 23 5.1 影响超声波检测的因素 23 5.2 误差解决方案 24 5.2.1 温度补偿法分析 24 5.2.2 小波去噪分析 25 结论 26 参考文献 27 附录一：主程序 28 附录二：LCD 显示子程序 36 附录三：EEPROM 通讯程序 38 致谢 42
1 前言
1.1 研究背景
国内调查统计 15%的汽车事故是由倒车引起的，倒车过程中的视觉问题 给很多司机带来了很大的麻烦。汽车倒车雷达系统诞生了。 当司机驾驶汽车时，汽车倒车雷达系统是一种安装在汽车尾部的雷达探测系统 在狭窄区域停车或停车时，倒车雷达探测系统能有效地探测周围环境， 检测障碍物与汽车尾部的距离，通过声光信号提示驾驶员，从而辅助驾驶员安全 倒车。系统给采用超声波测距原理，探测周围环境，检测障碍物到汽车尾部的距 距离，并在车内显示距离数状态的指示灯颜色。超过预设定时 安全距离是声光报警，声强度和颜色模式会随着距离的变化而变化 警告司机安全倒车。 1.2 研究内容发与方法 为实现安全倒车，本文从确定研究方向入手，查找相关文献，整理总体 最后，设计了一个完整的倒车雷达系统。详细介绍了一个基于 AT89C52 单片机的汽 雷达测距原理、雷达倒车系统组成及控制电路设计。 本系统使用 AT89C52 作为控制平台，单片机控制各部分电路的工作。单片 当超声波传感器发出超声波信号时，机器开始计时。当超声波信号遇到障碍物时，它会移动 超声波信号反射后，超声波传感器检测到信号，处理后输入单片机外部 中断，单片机停止计时。计算这段时间后，汽车后部和障碍物可以结合声速计算 障碍物之间的距离。 系统采用 TCF40-16TRC 超声型号超声传感器模块 LCD 液晶屏显示障碍物 最小距离的实时数据，当该最小距离接近危险距离时，蜂鸣器进行报警。为了提 该系统配备了四向超声波测距模块，采用分时控制测量四向超声波测距模块 障碍物在不同方向的距离。同时，系统将比较四个检测数据 LCD 液晶屏显示最小距离，并通过声音报警提醒司机。
2 总体设计及理论分析
2.1 系统功能设计
该系统使用超声波探测器传感器4 汽车尾部安装超声波探测器；控制 器采用 AT89C51 单片机；反馈器分别是超声收发电路、蜂鸣器电路和显示电路。
图 1 整个系统结构
系统的整体结构框图如图所示 1.超声波检测障碍物主要由发射电路控制，接收 电路将反馈的超声信号处理成单片机系统的输入信号 处理后，向显示电路、蜂鸣器等执行器生成相应的输出信号。 当传感器在检测区域检测到有效障碍物时，首先通过单片机芯片计算 蜂鸣器会根据车尾距离障碍物的距离发出不同的报警声， 两侧传感器的最远检测距离是 90 厘米，报警音分为三段：中间传感器最远的调查 测距离为 120 cm，报警音分为四段。 倒车时，倒车雷达开始工作。超声信号发射后，一旦车后出现障碍物 超声波被障碍物反射，传感器将接收反射波信号。控制器通过反射超声波 通过处理信号来判断障碍物的位置和障碍物与车身的距离。最后，反馈装置通过 过声(蜂鸣器)（LED 距离显示)将信息反馈给司机。
2.2 系统原理分析
2.2.1 超声测距原理分析
倒车雷达系统采用超声信号 AT89C51 从探头发射的单片机控制 在接收信号时，比较信号折返时间计算与障碍物的距离，然后发出蜂鸣器 不同的警报。 超声波传感器可以发射和独立接收超声波信号，超声波超过频率 20KHz 机械波。当超声波传感器检测到障碍物时，首先测量超声波从发射到接收 日历时间，然后根据收发时间差×声速/2 计算汽车尾部与障碍物之间的距离。 标准空气中声波的传播速度为 332.45m/s） 如图 2，超声波信由传感器 T 发出，被障碍物反射后由传感器 R 接收。测 距原理如下图。
图 2 超声波测距原理图
2.2.2 超声波传感器原理
目前常用的是压电式超声波发生器，它是利用压电晶体的谐振来工作的，该 传感器有两个压电晶片和一个共振板，当其两极外加脉冲信号，且频率等于压电 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，将迫使压电晶片振
动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器。超声波传感器使用
音波媒介对物体进行检测，不接触障碍物，无磨损情况，超声对透明或有色物体、 金属、固体、液体、液体、分状物质都可以进行检查，其检查性能几乎没有任何 环境条件的影响，包括雨天。
图 3 超声波发射器结构图
发送器传感器由一个发送器和一个直径约为 15 毫米的陶瓷振荡器传感器组 成。换能器是将陶瓷振荡器的电振动能量转换成超声波信号并发射到空气中。接 收传感器由陶瓷振荡器传感器和放大电路组成。传感器的接收波产生机械振动并 将其转换为电能，作为传感器接收器的输出，以便检测发射的超声波。在实际应 用中，用于发送传感器的陶瓷振荡器也可用作接收传感器社会的陶瓷振荡器。控 制部分主要控制发射机发射脉冲链的频率、占空比、稀疏调制、计数和检测距离。 超声波传感器的电源可以是 DC12V 或 DC24V。
2.3 超声波传感器的选择
超声波传感器工作方式有收发一体式和收发分体式两种。收发一体式传感器 是自发自收超声波信号的，由于这种传感器发射和接收模块在同一位置，因此采 用这种传感器可以方便计算所测的距离，而且整个系统容易实现集成化，已于安 装和使用。
本系统测距装置采用的是收发一体式超声波传感器，但是这种传感器也有一
定的缺点：1、测量的有效距离较小；2、一体式超声波传感器本身为了避免发射 超声波时产生的余震对接收超声波产生的影响，采用了延时操作，因此一体式传 感器的测量盲区较大。为了满足功要求，本系统使用收发一体式 TCF40-16TRC 型 号的超声波传感器，另外此型号的传感器还具有防水功能。TCF40-16TRC 的主要 性能参数如下表： 表 1 TCF40-16TRC 主要性能参数表
项目 单位 标准 测试条件:T=25±5℃ 中心频率 KHz 40±1.0 At 30cm/10vrms Sine Wave 输出声压电平 bB ≧106 0dB=0.0002 u bar 接收灵敏度 bB ≧-74(150mv) At 1v/1 u bar 声场扇角 deg 70±15° At"-6dB"attenuation 静态电容 pF 1800±20% At 1KHz 驱动电压 v 150 150Vp-p10% max
2.4 超声波传感器数量的选择
单个的超声波传感器覆盖范围有限，盲区较大，整个系统只使用一个超声波 传感器的方式肯定是行不通的。超声波传感器数量越多，测量盲区越小，但是各 个超声波信号之间的声波串扰情况也会越来越严重，也给超声波传感器的安装增 加了不便。权衡以上两个因素，本系统选择 4 个收发一体的超声波传感器进行测 距，达到相对最优的效果。
3 系统硬件及电路模块设计 3.1 单片机 STC89C51 介绍 单片机是一种集成电路芯片，其内部包括多种动能模块。如下图，STC89C51 内部结构包括程序存储器、数据存储器、定时/计数器、并行 I/O 口、串行通信 口、中断系统、双总线等结构，各部分结构共同作用才能实现单片机的正常工作。
图 4 单片机内部结构图 3.1.1、单片机内部结构介绍 单片机内部包括总线（BUS）、CPU、RAM、ROM、四个 8 位并行 I/O 口、两 个定时/记数器、一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口。总线 （BUS）是计算机各部件之间传送信息的公共通道，分内部总线和外部总线，外 部总线连接 CPU 与其他部件，内部总线连接 CPU 内部结构，外部总线还包括数 据总线、地址总线和控制总线。CPU 由运算和控制逻辑器件组成，包括中断系统 和一些外部特殊功能寄存器。RAM 用以存放可以读写的数据，速度比较快，但 其存储的信息需要电力支持，掉电会丢失。ROM 用以存放原始程序，是只读存
储器，不可擦写。四个 8 位并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出。两个定 时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式。全双工 UART 的串 行 I/O 口用于实现单片机之间的串行通信。
3.1.2 单片机引脚说明
图 5 为单片机引脚分布图，每个引脚的功能如下： VCC 电源引脚，接电源+5V GND 接地 XTAL1、XTAL2 时钟，接外部晶振的反向输入端和输出端 RST 复位信号输入端，高电平有效 ALE 地址所存允许，用来锁存 P0 口输出的 8 位地址 EA 内外 ROM 选择端。 PSEN 外部 ROM 读选通，程序存储允许输出信号端 PROG 输入编程脉冲，用于 EPROM 编程 VPD 在 Vcc 掉失电时，接备用电源。 P0、P1、P2、P3 为单片机输入输出信号端口。其中的 P3 口还有第二功 能。如下表： 表 2 P3 口引脚第二功能表
端口引脚 第二功能
P3.0 RXD(串行口输入)
P3.1 TXD(串行口输出)
P3.2 INT0(外部中断 0 输入)
P3.3 INT1(外部中断 1 输入)
P3.4 T0(定时＼计数器 0 的外部输入)
P3.5 T1(定时＼计数器 1 的外部输入)
P3.6 WR(片外数据存储器写选通)
P3.7 RD(片外数据存储器读选通)
图 5 单片机引脚分布图
3.2 主控模块设计
主控模块的设计包括：STC89C51 单片机最小系统和超声波电路，单片机最 小系统包括单片机芯片、复位电路、时钟电路。其单片机最小系统的设计如图 6 所示
图 6 单片机最小系统
单片机最小系统中 VCC 与 GND 分别接+5V 电源与接地，为单片机稳定供电； 复位电路一般是电容复位，在单片机 RST 引脚接上电容和电阻，实现单片机在上 电时 RST 引脚有高电平，继而对单片机复位；另外加上一个按钮与电容并联，当 按钮被按下时，电容放电，会保证一段时间的高电平使电平复位。 此外，电路中共用 3 个按键作为功能键，分别是控制设置、加、减三个功能。 按下“设置键”时系统进入设计界面，默认设置的报警距离为 0.5 米；当按下“加 键”时，能实现报警距离加 1 厘米；当按下“减键”时，报警距离可减少一厘米。 3.3 时钟电路设计 时钟电路是单片机系统不可缺少的一部分，时钟电路是结合单片机内部结构
产生单片机正常运行所必须的时钟频率。单片机晶振能提供的时钟频率越高，单 片机运行的就越快。
图 7 时钟电路
如图 7，X2 为 12M 晶振振荡体，单片机晶振为系统提供了精准的时钟信号， C4 与 C5 为负载电容。晶振与单片机引脚 XTAL1 和 XTAL2 相连构成的振荡电路会 形成谐波，会降低电路的时钟振荡体的频率稳定性，但队电路整体影响不大。在 本设计中，为了减少谐波对电路稳定性的影响，引入两个 0.1uf 陶瓷电容器，并 将其连接到晶体振荡器的两个管脚上。 3.4 复位电路设计 系统在上电前需要进行复位，有时也需要人工按键复位，为此，本设计采用 两种复位功能。上电复位电路使用电容 C 与电阻 R 串联，电容接至 VCC，电阻接 至 GND,复位按钮接在电容与电阻之间，上电时电阻上的电压达到 VCC 的值，经
过一段时间，电阻电压会降至零，起到了上电复位的功能，这个过程是由硬件的
组合实现的，无需按键控制。
按键复位是用 S1 控制，按下 S1 时，电容放电，因此在电阻上出现了一段时 间的高电平，通过 RST 引脚使得单片机复位；在电容充满电时，电阻上的电流将 为零，电压也为零，单片机即可进入工作状态。
图 8 复位电路
3.5 显示电路设计
系统显示电路要求稳定显示超声波测距系统的测距数字结果，实时显示汽车 尾部距离障碍物的最小距离。本系统使用 YBLCD1602 型号的 LCD 液晶显示器， 此型号的显示器可以显示数字以及字符且只有并行输入输出口。
3.5.11602 型 LCD 简介
1602 型 LCD 的基本特点如下：驱动电压为+5V；显示屏幕自带背光；最多 可以显示两行字符，每行的字符数不能多于 16 个；不能直接显示汉字字符；内 置 ASCII 码字符集字库；只存在并行接口。下图为 1602 型 LCD 引脚分部图：
图 9 1602 型 LCD 引脚分布图
1602 型 LCD 每个引脚接口的功能如表 所示
表 3 1 1602 型 LCD 引脚功能 编号 符号 说明 1 VSS 接地端 2 VDD 接电源正极 3 VO 液晶显示对比度调节端 4 RS 数据/命令选择端 5 R/W 读写选择端 6 E 使能信号端 7 D0 数据端口 8 D1 数据端口 9 D2 数据端口 10 D3 数据端口 11 D4 数据端口 12 D5 数据端口 13 D6 数据端口 14 D7 数据端口 15 BLA 背光电源正极 16 BLK 背光电源负极