倒车辅助系统设计

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1课题研究的背景和意义 (1)
1.2国内外倒车雷达发展现状 (1)
第2章主要元器件介绍 (3)
2.1单片机AT89C51介绍 (3)
2.1.1AT89C51的功能描述 (3)
2.1.2AT89C51的主要特性 (4)
2.2超声波传感器 (5)
2.2.1什么是超声波 (5)
2.2.2超声波传感器特性 (5)
2.2.3压电式超声波传感器 (8)
2.2.4超声波传感器应用 (9)
第3章倒车雷达原理 (10)
3.1超声波测距原理 (10)
3.2总体设计方案 (11)
第4章单元电路说明 (14)
4.1超声波发射电路 (14)
4.2超声波接收电路 (14)
4.3电源电路 (14)
4.4语音播报及外围电路 (15)
4.5报警电路 (15)
4.6单片机复位电路设计 (16)
第5章系统软件设计 (18)
5.1系统程序总框图 (18)
5.2主要编程设计 (18)
第6章调试 (22)
第7章误差分析 (24)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
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摘要
倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

本设计利用ATMEL公司的AT89C51 单片机、超声波传感器测距实现超声波倒车雷达。

关键词：单片机测距超声波倒车雷达
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Abstract
Back-draft radar is the safety and assistant devices when parking or reversing a vehicle,it can tell drivers circs about the around barrier with voice
or a more intuitive display,release the surrounded visit puzzle from drivers
when parking,reversing and start vehicles,and to help drivers clean off dead ends and the limitation of vision blur,improve the security of driving.It is
used that single-chip tehnology ultrasonicranging and sensor technology in the ing Single Chip AT89C51of ATMEL and Ultrasonic Sensor measure distance to achieve Ultrasonic Back-draft Radar.
Key Words：MCU
measuring distance ultrasonic sensor back-dr aft radar
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1.1
第1章
课题研究的背景及意义
绪论
随着国民经济的不断发展和道路交通状况的不断改善，我国汽车
保有量不断增加。

但随着汽车数量的不断增加，一系列后续问题也随
之产生。

尤其是交通安全问题。

据统计，由于车后盲区所导致的事故
在中国约占30%，因此增强汽车的后视能力是十分必要的。

据调差了解，绝大部分驾驶员都希望有一双能够发现汽车尾部障碍物的“后视眼”
以增强倒车时的安全性，基于以上原因，汽车倒车雷达应运而生。

倒车雷达全称叫做“倒车防撞雷达”，也可以叫做“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全的辅助装置。

能以声音或显示告知驾驶员车后
的情况，解决了驾驶员倒车或启动汽车时前后左右探视引起的麻烦，
并帮助驾驶员解决由视觉误差引起的缺陷，提高驾驶安全性。

倒车雷
达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任
何障碍物相撞的原理设计开发的。

通过感应装置发出超声波来判断前
方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、形状等信息。

只不过由
于倒车雷达的体积大小和实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障
碍物与车的距离，并作出提示。

司机在倒车时，倒车雷达也启动，在
控制器的控制下，由车尾保险杠的探头发送超声波，遇到障碍物，产
生回波信号。

传感器接收到回波信号后，通过控制器进行数据处理，
从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置。

再由显
示设备显示并由报警装置发出警示。

从而使司机倒车时不至于撞到障
碍物。

1.2国内外倒车雷达的发展情况
经过多年发展，倒车辅助系统已经过六代技术改良。

无论是结构外观还是技术性能都有了长足的进步。

“倒车请注意”！想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第
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一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。

只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。

从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。

第二代“轰鸣器”这是倒车雷达系统的真正开始。

倒车时，如果车后1.8米~1.5米处有障碍物，轰鸣器就会开始工作。

轰鸣声越急，表示车辆
离障碍物越近。

在第二代基础之上，人们又研究出了数码波段显示的倒车辅助系统。

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0.6~0.8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。

第四代产品又有了一个质的飞跃，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。

第五代产品结合了前四代的优点，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，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。

第六代产品就是无线倒车雷达，全新无线液晶倒车雷达，融无线连接、倒车雷达、彩色液晶显示、BP警示音、于一体。

由于普通倒车雷达安装时，从车后雷达主机到车前仪表台上显示器要布一条线，这样要拆装车内的装饰板、胶条等，非常不方便。

现在最新推出的第六代无线液晶倒车雷达，一举解决此问题，车后主机和显示器之间无线连接，方便快捷。

更可在大巴、卡车等车身长的车上使用，使安装更容易。

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主要元器件介绍
第2章
2.1单片机AT89C51
2.1.1AT89C51的功能描述
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MCS-51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。

AT89C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.
VCC:供电电压
GND:接地
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外
部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲
器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可
接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将
输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地
址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读
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写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时
接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出
4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用
作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这
是由于上拉的缘故。

RST：复位输入
ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起
作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN:外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效
的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA
将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系
统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于8K，四个I/O口全部
提供给用户。

可用12V电压编程，而且擦鞋时间仅需10毫秒。

工作电压
范围2.7V-6V，全静态工作。

工作频率在0Hz-24MHz之间。

AT89C51提供
三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠地硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口，统称数据总线口，因为只有
该口能直接用于对外部存储器的读、写操作。

2.1.2AT89C51的主要特性
·与MCS-51兼容
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·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.2超声波传感器
2.2.1什么是超声波
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20Hz-20KHz
范围内，而超声波是指频率高于20KHz的机械波。

超声波是一种在弹性
介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。

在工业中应用主要采用纵向振荡。

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程
中有衰减。

在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在
固体、液体中则频率可用得较高。

在空气中衰减较快，而在液体及固体
中传播，衰减较小，传播较远。

为了以超声波作为检测手段，必须产生
超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上
称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但
一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

常用的超声波
传感器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸
缩式超声波发生器；二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和
气流旋笛等。

2.2.2超声波传感器特性
超声波传感器分为发射换能器和接受换能器，既能发射超声波又
能接收发射出去的超声波回波。

发射换能器利用压电元件的逆压电效
应，而接收换能器则是利用压电效应。

超声波换能器的种类很多，按照
实现超声波换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、
电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式。

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超声波换能器的材料也有多种选择，某些电解质（晶体、陶瓷、
高分子聚合物等）在其适应的方向施加作用力时，内部的电极化状态会发生变化，在电解质的某相对两表面会出现与外力成反比的符号相反的束缚电荷，这种由外力作用是电解质带电的现象叫做压电效应。

相反的，若在电解质加上一个电场，在此电场作用下，电解质内部电极化状态会发生相应的变化，产生与外加电场强度成正比的应变现象，这一现象叫做逆压电效应。

压电材料是雅典换能器的研制、应用和发展的关键。

大致可分为五类：压电单晶体、压电多晶体、压电半导体、压电高分子聚合物和复合压电材料。

其中压电陶瓷是压电多晶体材料，这类压电陶瓷为实心，均匀和一体的压电功能材料，具有优良的压电性能。

其优点如下：
1.所有原材料廉价且易得
2.具有非水溶性，遇潮不易损坏
3.压电性能优越
4.品种繁多、性能各异，可满足不同的设计要求
5.机械强度好，易于加工成各种不同的形状和尺寸
6.采用不同的形状和不同的电极化轴，可以得到所需的各种振动
模式
7.制作工艺简单，生产周期较短，价格适中
超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性：
图2-1声压能级
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图2-2灵敏度
图2-1和图2-2是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。

其中，
40KHz处为超声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，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40KHz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40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，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，并目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。

并目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。

考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。

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，可以把表而上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球波(子波)，这些子波没有一指向性。

但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果(衍射)，却
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有一指向性。

如图2-3是超声波的指向特性图。

图2-3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到80度，课题要求发射传感器的指向角为60度。

2.2.3压电式超声波传感器
压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

如图2-4，超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。

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。

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图2-4
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，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了，如图2-5.
图2-5
2.2.4超声波传感器的应用
超声在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下凡个原因：
1.具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。

2.在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的
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考虑因素。

3.超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。

在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。

4.超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。

当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。

适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz及40-45KHz。

这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。

超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

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第3章倒车雷达原理
3.1超声波测距原理
本设计利用超声波测距仪测得的距离作为倒车依据。

超声波产生分为有源和无源两种方式，本设计里用的有源测距。

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331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12M晶振，
所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight），也可
以称为回波探测法，如图所示。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。

根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。

而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，根据计时器记录的时间(t)，就可以计算出
发射点距障碍物的距离(s)。

公式如3-1：
s=340t/2（3-1）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。

限制倒车雷达系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反
射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

声波的速度c
与温度T有关。

如果环境温度变化显著,则必须考虑温度。

由于超声波也
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是一种声波，其声速c与温度有关，表3-1列出了几种不同温度下的声速。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是所谓的时间差测距法。

表3-1声速c与温度的关系
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接受的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与以上方式是一样的。

测距的公示为：L=C*T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测
量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

3.2总体设计方案
该倒车雷达系统的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。

因
此初步计划是在室内小范围的测距，限定在2.5米左右量程。

单片机
(AT89C51)发出短暂的40KHz信号，经放大后通过超声波发射器输出；反
射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至显示电路进行显示，并进行声光报警。

其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。

在调谐式电路中有调谐线圈(有时装在探头内)，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄。

在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。

为了将一定频率、隔度的交流电
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压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。

电路频率的选择应该满足
发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。

发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波
功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。

但是，每一支实际
的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。

因此，工作电压不能超
过这个极限值。

同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。

通
常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。

电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。

电阻
小时阻尼大，分辨率高，在探测近表而缺陷时或对分辨力有较高要求时应
予采用。

发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生
的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定
的幅度。

接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成的，其中
包括杂波抑制电路。

最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机
(AT89C51)能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

在测距计数电路中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片
机系统先给发射电路提供20个左右的脉冲信号，单片机计数器立即计数。

当发射信号一定时间以后，若单片机收到外中断1的信号则即使成功，若
没有收到信号就重新发射信号一次，直到收到脉冲信号，计数器停止计数。

双向超声波测距仪的系统主要有以下部分组成：LCD显示模块、AT89C51控制芯片、超声波发射模块、超声波接收模块、电源模块五大部分组成。

另外包括语音报警电路。

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图3-1
如图3-1该设计的优缺点如下：
优点：能进行双向测距，实时性好，精度高，功耗低。

采用AT89C51的优点是：指令简单容易控制。

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