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1、 课程设计报告（嵌入式系统设计实践） 学 院：电气工程与自动化学院 题 目：基于51单片机的车倒车雷达设计专业班级：自动化131班 学 号：2420132905 学生姓名：吴亚敏 指导老师：罗龙 时 间：2015年12月1 日 摘 要倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，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，提高了安全性。本文介绍了以STC89C51RC单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统。倒车雷达一般由超声波传感器（俗称探
2、头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。倒车雷达的提示方式可分为液晶、语言和声音三种；接收方式有无线传输和有线传输等。本方案采用语音提示的方式，利用STC89C51RC单片机所具备的功能，外接超声波测距模组，即超声波发射模块和超声波接收模块，加上显示模块和语音报警模块，组成一个示例的倒车雷达
3、系统，语音提示报警（0.27m1.0m）范围内的障碍物，并通过数码管显示与障碍物之间的距离。关键词：倒车雷达；超声波；单片机STC89C51RC目 录第一章 概述11.1 设计目的11.2 设计要求11.3 本设计主要内容1第二章 倒车雷达的基本工作原理22.1 单片机的发展及其应用22.2 超声波测距原理22.2.2 超声波测距的基本原理22.2.3 超声波测距的设计实现52.3 超声波倒车雷达系统工作原理52.3.1 超声波倒车雷达的工作原理52.3.2 系统原理框图62.4 本章小结6第三章 系统硬件设计73.1 单片机系统及显示电路73.1.1 单片机控制芯片选择73.1.2 单片机系
4、统及其外围电路93.1.3 显示电路103.2 超声波发射电路113.3 超声波接收电路123.4 语音部分原理图143.5 电源电路的设计153.6 本章小结15第四章 系统软件设计164.1 超声波测距仪的算法设计174.2 主程序设计184.3 超声波发生与接收程序设计204.3.1 超声波发生子程序设计204.3.2 外部中断子程序设计214.4 倒车距离显示及语音报警程序设计224.4.1 显示报警子程序设计224.4.2 LED显示子程序设计244.5 本章小结24第五章 分析调试及结论255.1 硬件组装255.2 软件实现255.3 整机调试265.4 结论分析265.5 本章
5、小结26致 谢27参考文献28附录I29附录II30教=学第一章 概述1.1 设计目的伴随着我国汽车行业的高速发展，特别是近几年来，开始进入私家车时代，汽车的数量正在逐步增加，造成交通越来越拥挤。驾驶员开始越来越担心行车安全，其中倒车最为典型。同时汽车驾驶员中非职业汽车驾驶员的比例也在逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事件。本系统是将微计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术、单片机技术等相结合，可以检测到汽车倒车时障碍物与车尾的距离，通过液晶显示屏显示距离，并根据实际距离发出报警等级。驾驶员只要在驾驶室里就能做到心中有
6、数，极大的提高了停车和倒车时的安全和效率。1.2 设计要求本系统主要由超声波发射、接收电路、单片机处理模块、LED数码显示以及声光报警等部分组成。 设计要求：1、设计硬件系统；2、设计软件系统；3、绘制硬件电路图；4、进行图像显示提示及声音提示，当距离小于5CM（2.5M）的时候声音提示，小于0.5CM（0.5M）时，急促声音提示。1.3 本设计主要内容本设计是以STC89C51RC单片机为核心，一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统。利用STC89C51RC单片机所具备的功能，外接超声波测距模组，即超声波发射模块和超声波接收模块，加上显示模块和语音报警模块，组成
7、一个示例的倒车雷达系统，语音提示报警（0.27m1.5m）范围内的障碍物，并通过数码管显示与障碍物之间的距离。设计共分六章，主要内容包括：绪论，倒车雷达的基本工作原理，系统硬件设计，系统软件设计，安装调试及分析，以及对测距仪改进的一些设想。第二章 倒车雷达的基本工作原理2.1 单片机的发展及其应用单片机又称微控制器，是在一块硅片上集成了各种部件化微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。单片机体积小、重量轻、具有很强的灵活性而且价格不高，越来越得到广泛的应用。8051在小中型应用场合很常见，已成为单片机领域的实际标准。80
8、年代中期，Intel公司将8051内核使用权以专利互换或出售形式转给世界许多著名IC制造厂商，如PHILIPS、西门子、AMD、OKI、NEC、Atmel等，这样8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。90年代，PHILIPS推出支持16位计算的X4系列。XA系列是16位单片机，又可完全兼容8051的指令系统。Intel推出的80C51也是与8051在机器代码级兼容，这样保证了8051用户到21世纪技术的领先性。随着硬件的发展，8051软件工具已有C级编译器及实时多任务操作系统（RIOS），单片机的程序设计更简单、更可靠、实时性更强。因而8051系列是单片机教学的首选机型
9、。而有内部可擦写RAM的89C51/52是目前我们常用的芯片。2.2 超声波测距原理2.2.2 超声波测距的基本原理（1）认识超声波超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波
10、测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。（2）超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：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。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。（3）超声波传感
11、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，这里以课题中选用的传感器T/R40发射型超声波传感器的特性为例加以说明。频率特性 图2-1 超声波传感器的升压能级和灵敏度图2-1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，声压能级迅速衰减。其频率特性如图2-2所示。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。图2-2 超声发射传感器频率特性另外，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
12、。超声发射传感器频率特性如图2-2所示，曲线在40KHz处曲线最尖锐，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，同时灵敏度以随之降低。并且最大灵敏的向稍低的频率移动。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。考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率f = 40KHz，波长 = 0.85cm。指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片
13、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2-3是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。图2-3 超声波传感器指向特性及结构（4）超声波传感器的应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它
14、已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 （5）超声波测距原理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，超声波在空气中传播，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。假设某环境下超声波在空气中的传播速度为340m/s，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)，即：s=340t/2。2.2.3 超声波测距的设计实现超声波测距是单片机控制超声
