基于单片机的倒车雷达设计开题报告
一、课题背景和意义
随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。而倒车事故给车主带来许多麻烦，例如撞上别人的车、消防水笼头，如果伤及儿童更是不堪设想，有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷达的加装可以解决驾驶人员的后顾之忧，大大降低倒车事故的发生。汽车倒车雷达全称为“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，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，解除驾驶员泊车和起动车辆时因前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员克服视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。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，然后通过反射回来的超声波来判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。
二、课题任务的主要内容
此次设计采用超声波测距原理，当汽车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统能发出声光报警，并随着距离的不断缩近，报警频率不断提高。超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理器三部分组成。工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收遇到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到遇到障碍物反射返回的时间，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离。
三、已具备条件
应用电子技术专业的毕业生已完成电子线路、数字电路基础、单片机原理、单片
四、设计思路与方案
1. 系统模块
系统以微控制器AT89C51为核心，外围电路由超声波发射模块、超声波接收模块、声光报警电路、显示模块四部分组成
2．系统工作过程
驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，经障碍
物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C2051将此信号送入显示模块，同时触发语. 音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、0.5m、0.25m时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。
3．各个模块的介绍
（1）超声波发射模块，选用软件发生超声波法，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，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。
汽车倒车雷达（2）超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。探头变换后的正弦波电信号经放大电路放大并进行波形变换。
（3）声光报警是指当倒车雷达探测到的距离小于所设定的安全值时，发出声音、点亮发光二极管提醒驾驶员。
五、预期目标
设计制作一个基于单片机的倒车雷达。
超声波倒车雷达的设计
引言
据美国的最新统计表明，因各种原因造成的车辆碰撞追尾事故占公路交通事故总量的90%左右。因此，要降低公路交通事故，必须大力降低车辆碰撞事故，而汽车碰撞技术的发展及应用有助于减少汽车碰撞事故的发生。随着我国公路等级的不断提高，特别是高速公路的飞速发展，汽车的行驶速度越来越快，车流量也越来越大，汽车碰撞事故越来越多。造成汽车碰撞的原因十分复杂，既有车辆自身的因素，也有人为的因素，还有公路、气象等环境因素。在上述诸多因素中，人为因素是造成汽车碰撞的主要原因。因此，国内外都在研究如何利用先进的技术，即汽车避撞技术，辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路环境进行实时监控，在危急情况下由系统主动干涉驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防止汽车相撞事故的发生。
汽车避撞技术首先需要解决的问题是汽车之间的安全距离。汽车与汽车之间的距离超过了这个安全距离，就应该能够自动报警，并采取制动措施。如何测定汽车之间的安全距离呢？目前一般采用的技术有三种：超声波测距；微波雷达测距；激光测距。本文着重研究超声波测距。
1 超声波测距的原理与方案设计
1.1超声波测距的原理
超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵能够听到的范围.一般而言是指声音超过20KHz以上时,
称之为超声波.与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体、固体中传播。由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。理论上，在13℃的海水里声音的传播速度为
15OOm/s。在盐度水平为35‰，深度为Om温度为0℃的环境下，声波的速度为1449.3m/s。声音在25℃空气中传播速度的理论值为344m/s，这个速度在0℃时降为334m/s。声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。它和温度的关系可以用以下公式来表示:C=331.45+0.61T(米/秒)。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，这就是超声波测距系统的机理。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，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：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)。图1为原理图。
图1 超声波测距原理图
1.2 关于硬件电路的方案设计
在设计之初，有一下几种设计方案。一种设计方案是以MCS-51为核心控制器；另一种设计方案是以AT89C8051为核心控制器；最后一种设计方案是以AT89C2051为核心控制器。之所以最终选用AT89C2051
为控制器是以为AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。
AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率
的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到图2  AT89C2051管脚图
0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。图2为AT89C2051的管脚图。由于AT89C2051有以上的特点，适合试验研究的要求，故选用AT89C2051做控制器的方案。
1.3 GXD40-16T3/R3超声波传感器介绍
1.3.1传感器特点
本系统所使用的GXD40-16T3/R3探头有一下两个优点:
1.灵敏度高、可靠性强、稳定性好。
2.防尘耐湿、耐高低温、耐冲击、震动等严酷环境条件。
本系统之所以采取这样的探头是因为试验条件、焊接条件简陋，对测量的精度要求较高。
1.3.2探头的技术指标
1.中心频率:40KHz
2.电容:1800pF
3.输入声压:≥106dB
4.回波敏感度:≥-75dB/V/μbar
5.余振时间:≤0.8ms
6.波束角度:90度
1.4 总体设计技术指标
1.4.1量程：30---1000厘米 (0.3---10米) 。
1.4.2测试精度：空气中测距精度≤1%；温度适应范围：-20~+60摄氏度。
1.4.3数据显示：转换成厘米后在LED上直接显示被测距离，温度值转换成摄氏度在LED上显示。
1.4.4键盘输入：开启值30--1000厘米，关闭值30--1000厘米, (在该范围内任意设置)。
1.4.5反射面积：距离超声波发射探头1000厘米时为1平方米,400厘米时为0.25平方米。
1.4.6超声波发散角：选用型号401型时超声波发散角为45度, (选用各种不同型号探头时，发散角有所变化)。
1.4.7串行数据输出：在显示测距数值后发送1200BIT串行数据共4帧,1,2幀为测距数值,3,4幀为温度数值(有利于PC计算机和远程显示板串口数据联接及其它功能的扩展)。
1.4.8测控周期：预置开启，关闭数据后每秒为2次周期进行测距控制。
1.4.9工作环境：电压12V直流±10%，用干电池或充电池，工作电流50毫安(显示时)。
2 基于AT89C2051的超声波倒车雷达的硬件设计
2.1硬件的实现
AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250μs，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，P1.7输出一个高电平启动，给电容C4充电。发射结束时高电平翻转为低电平，C4开始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个
高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。发射时P1.7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射装置产生的超声波直接辐射到接收装置而导致错误检测。图5为超声波倒车雷达中超声波测距部分的电路图。
2.1.1发射部分
发射部分用来对超声波换能器进行功率驱动，将由单片机产生的40KHZ脉冲信号送入发射输入端，经过驱动放大达到足够功率之后，推动超声波换能器产生超声波。之所以使用40KHz的脉冲信号是因为实际的需要。α=af2 式中α为衰减，a为介质常数(空气中a=2×10-13S2/cm)，f为振荡频率。由上面的公式可知，当f=40KHz时,α=3.2×10-4/cm，1/α=31m。如果f=30KHz，1/α=56m。用波动方程表示超声波A=A0e-αxcos(wt+kx)，那么(1/α)表示了在这个长度上，平面声波的振幅衰减为原来e分之一。由此可见，频率越高，衰减越厉害，传播的距离越短。本系统是近距离测量，经比较发现，频率为40KHz为最好。如图3所示。
图3 发射部分电路
2.1.2接收部分
接收部分主要由接收换能器和放大电路等环节组成。其中放大电路是一个放大倍数较高的三级运算放
大器，其功能是将从目标处反射回来的微弱信号进行放大整形后送入计数控制电路部分。由于在距离较远的情况下，声波的回波信号很小，因而转换为电信号的幅度也较小，为此要求将信号放大60万倍左右(经计算,60万倍左右才能使单片机工作)。因为共射放大适合用于小信号放大，所以采用三级共射放大：前两级放大100倍，其带宽为15MHz能充分满足要求；第三级采用运算放大器，带宽为4 MHz。
在回路中采取了隔离、滤波、整形措施。调试过程中使用信号发生器送脉冲信号给接收回路，在输出端通过示波器观察输出波形。如图4所
示
图4 接收部分电路
2.1.3计数控制部分
由于AT89C2051本身具有定时功能，所以计数部分由AT89C2051完成并由单片机发出指令完成计数功能。
2.1.4系统控制
控制由单片机AT89C2051构成。ATB9C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。在这个系统里，它的作用是形成用于产生超声波的40KHZ信号、形成必要的时序、控制LCD字符的显示、控制继电器通断以及对采集到的数据进行运算。
2.1.5显示部分
显示部分用了一块LED模块，和单片机的接口较简单方便。在该系统中，它主要是用来显示计数，测量距离等。
2.1.6电源部分
电源部分由两部分组成。一部分是单片机供电为+6V，另一部分是超声波供电为+12V。
图5 超声波测距部分电路图
3 AT89C2051的软件设计
为了实现功能，软件设计一种分为三个部分。分辨是：主程序、定时中断程序、外部中断程序。主程序的作用是单片机驱动超声波传感器产生并发射超声波。定时中断程序的作用是接受超声波的回波。
外部中断程序的作用是计算并显示数据。具体的工作过程为，主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计一个数就是1μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算，即可得被测物体与测距电路之间的距离，设计时取20℃时的声速为344 m/s则有：
d=(c×t)/2=172T0/10000cm
其中，T0为计数器T0的计算值。