【正文】 基于單片機的超聲波倒車雷達設(shè)計 超聲波倒車雷達 摘 要 隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展越來越多的人擁有了自己的汽車同時由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來越多這些事故常常給駕駛員帶來許多的麻煩因此有助于駕駛員泊車和倒車的倒車雷達應(yīng)運而生 倒車雷達全稱叫倒車防撞雷達也叫泊車輔助裝置是汽車泊車安全輔助裝置能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況解除了駕駛員泊車和啟動車倆時前后左右探視所引起的困擾并幫助駕駛員掃除視野的死角和視線模糊的缺陷本文介紹了以 AT89S52 單 片機為核心的一種低成本高精度微型化并有數(shù)字顯示和聲光報警功能的倒車雷達系統(tǒng)該倒車雷達根據(jù)超聲波測距原理研制采用溫度補償技術(shù)開機自檢技術(shù)和優(yōu)化的軟硬件技術(shù)將測得的結(jié)果送至數(shù)碼管顯示同時進行三級聲光報警駕駛員只需坐在駕駛室就能做到心里有數(shù)極大的提高了泊車和倒車時的安全和效率 關(guān)鍵詞倒車雷達超聲波單片機 AT89S52 目 錄 引 言 5 第一章 倒車雷達工作原理 11 單片機的發(fā)展及其應(yīng)用 12 超聲波測距 13 超聲波測距原理 24 超聲波測距儀的算法設(shè)計 25 距離計算程序 26 倒車語音電路和報警電路及其 控制程序 261 倒車語音電路 262 倒車語音及報警控制程序 第三章 主程序 31 主程序 32 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 33 第四章 安裝調(diào)試及分析 41 硬件部分 42 軟件實現(xiàn)與操作 第五章 測距儀改進的設(shè)想 第六章 心得體會與總結(jié) 第七章 英語翻譯及參考文獻 1112 國內(nèi)外倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀 通常的倒車雷達主要由感應(yīng)器探頭主機顯示設(shè)備等三部分組成感應(yīng)器發(fā)出和接受超聲波信號并將接受到的信號傳輸?shù)街鳈C再通過顯示設(shè)備顯示出來感應(yīng)器裝 在后保險杠上以角 45 度輻射檢測目標能探索到那些低于保險杠而駕駛員從后窗又難以看見的障礙物并報警如花壇蹲在車后玩耍的兒童等顯示設(shè)備裝在儀表板上提醒駕駛員汽車距后面物體還有多少距離到危險距離時蜂鳴器就開始鳴叫提示駕駛員停車根據(jù)感應(yīng)器種類不同倒車雷達可分為粘貼式鉆孔式和懸掛式粘貼式感應(yīng)器后有 1 層膠可直接粘在后保險杠上鉆孔式感應(yīng)器是在保險杠上鉆一個洞然后把感應(yīng)器嵌進去懸掛式感應(yīng)器主要用于載貨車根據(jù)顯示設(shè)備種類不同倒車雷達又可分為數(shù)字式顏色式和蜂鳴式數(shù)字式顯示設(shè)備是一只如傳呼機大小的盒子安裝在駕駛臺上直接有數(shù)字表示汽 車與后面物體的距離并可精確到 1厘米讓駕駛員一目了然倒車防撞雷達發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)歷經(jīng) 5 代 第一代的倒車雷達系統(tǒng)是轟鳴器倒車時如果車后 15 米 18 米處有障礙物轟鳴器就會開始工作轟鳴越急表示車輛離障礙物越近沒有語音提示也沒有距離顯示雖然司機知道有障礙物但不能確定障礙物離車有多遠對駕駛員幫助不大 第二代倒車雷達可以顯示車后障礙物離車的距離這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字而波段顯示產(chǎn)品由三種顏色來區(qū)別綠色代表安全距離表示障礙物離車體距離有 08 米以上黃色代表警告距離表示離障礙物的距離只有 06米 08米紅色 代表危險距離表示離障礙物只有不到 06米的距離必須停止倒車 第三代用液晶熒屏顯示特別是熒屏顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)不用掛倒檔只要發(fā)動汽車顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍的障礙物的距離該雷達動態(tài)顯示色彩清晰漂亮外表美觀可以直接粘貼在儀表盤上安裝很方便不過液晶顯示器外觀雖精巧但靈敏度較高抗干擾能力不強所以誤報也較多 第四代魔幻鏡倒車雷達采用了最新仿生超聲雷達技術(shù)配以高速電腦控制可全天候準確地測知 2 米內(nèi)的障礙物并一不用等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員魔幻鏡倒車雷達把后視鏡倒車雷達免提電話溫度顯示和車內(nèi)空氣污 染顯示等多功能整合在一起并設(shè)計了語音功能是目前市面上最先進的倒車雷達系統(tǒng)其外型就是一塊倒車鏡所以可以不占用車內(nèi)空間直接安裝在車內(nèi)倒視鏡的位置 第五代倒車雷達是專門為高檔轎車生產(chǎn)的它的整合了高檔轎車具備的影音 系統(tǒng)可以在顯示器上觀看 DVD 影像因為是新品售價也較高 倒車雷達的發(fā)展實際上已經(jīng)融入了整車的設(shè)計隨著技術(shù)的成熟價格的降低倒車雷達將會逐漸普及成為標準配置 第一章 倒車雷達工作原理 11 單片機的發(fā)展及其應(yīng)用 單片機又稱微控制器是在一塊硅片上集成了各種部件化微型計算機這些部件包括中央處理器 CPU 數(shù)據(jù)存貯器 RAM 程序存貯器 ROM 定時器計數(shù)器和多種 IO接口電路單片機體積小重量輕具有很強的靈活性而且價格不高越來越得到廣泛的應(yīng)用 8051在小中型應(yīng)用場合很常見已成為單片機領(lǐng)域的實際標準 80年代中期Intel公司將 8051內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)給世界許多著名 IC制造廠商如 PHILIPS西門子 AMDOKINECAtmel等這樣 8051就變成有眾多制造廠商支持的發(fā)展出上百個品種的大家族 90 年代 PHILIPS 推出支持 16 位計算的 X4 系列 XA系列是 16 位單片機又可完全兼容 8051 的指令系統(tǒng) Intel 推出的 80C51 也是與8051 在機器代碼級兼容這樣保證了 8051 用戶到 21 世紀技術(shù)的領(lǐng)先性隨著硬件的發(fā)展 8051軟件工具已有 C級編譯器及實時多任務(wù)操作系統(tǒng) RIOS單片機的程序設(shè)計更簡單更可靠實時性更強因而 8051 系列是單片機教學的首選機型而有內(nèi)部可擦寫 RAM 的 89C5152 是目前我們常用的芯片 12 超聲波測距 121 超聲波測距的基本原理 1 超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波電氣方式包括壓電型磁致伸縮型和電動型 等機械方式有加爾統(tǒng)笛液哨和氣流旋笛等它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率功率和聲波特性各不相同因而用途也各不相同目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器 2 壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示它有兩個壓電晶片和一個共振板當它的兩極外加脈沖信號其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時壓電晶片將會發(fā)生共振并帶動共振板振動便產(chǎn)生超聲波反之如果兩電極間未外加電壓當共振板接收到超聲波時將壓迫壓電晶片作振動將機械能轉(zhuǎn)換為電信號這時它就成為超聲波接收器了 超聲波測距原理超聲波發(fā) 射器向某一方向發(fā)射超聲波在發(fā)射時刻的同時開始計時超聲波在空氣中傳播途中碰到障礙物就立即返回來超聲波接收器收到反射波就立即停止計時超聲波在空氣中的傳播速度為 340ms 根據(jù)計時器記錄的時間 t就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s 即 s 340t2 超聲波是指振動頻率大于20KHz以上的其每秒的振動次數(shù)頻率甚高超出了人耳聽覺的上限 20200Hz人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的它們的共同點都是一種機械振動通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播是一種能量的傳播形式其不同點是超聲頻率高波長短在一定距離 內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 25MHz之間常用為 335MHz每秒振動 1次為 1Hz1MHz 106Hz 即每秒振動 100 萬次可聞波的頻率在 16－ 20200HZ 之間超聲波測距是單片機控制超聲波傳感器發(fā)射出超聲波束遇到障礙后返回然后接收它的回波利用發(fā)收過程中產(chǎn)生的時間差就可以計算出前方物體離超聲波傳感器的實際距離 14 超聲波倒車雷達系統(tǒng)工作原理 倒車雷達只需要在汽車倒車時工作為駕駛員提供汽車后方的信息由于倒車時汽車的行駛速度較慢和聲速相比可以認為汽車是靜止的因此在系統(tǒng)中可 以忽略多普勒效應(yīng)的影響在許多測距方法中脈沖測距法只需要測量超聲波在測量點與目標間的往返時間實現(xiàn)簡單因此本系統(tǒng)采用了種方法如圖所示駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后系統(tǒng)自動啟動超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射 40kHz 的超聲波信號經(jīng)障礙物反射由超聲波接收模塊收集進行放大和比較單片機 AT89C2051 將此信號送入顯示模塊同時觸發(fā)語音電路發(fā)出同步語音提示當與障礙物距離小于1m05m025m 時發(fā)出不同的報警聲提醒駕駛員停車 圖 系統(tǒng)工作原理框圖繼續(xù)工作狀態(tài)省電模式中片內(nèi) RAM 將被凍結(jié)時鐘停止振蕩所有功能停止工作直至系統(tǒng)被硬件復位方可繼 續(xù)運行 主要功能特性兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 2k 可反復擦寫 1000 次 Flash ROM 5 個雙向 IO 口 6 個中斷源 兩個 16 位可編程定時計數(shù)器 276V 的寬工作電壓范圍 時鐘頻率 024MHz 128x8bit 內(nèi)部 RAM 兩個外部中斷源 兩個串行中斷 可直接驅(qū)動 LED 兩級加密位 低功耗睡眠功能 內(nèi)置一個模擬比較放大器 可編程 UARL 通道 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 單片機采用 89S51 或其兼容系列采用 12MHz 高精度的晶振以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率減小測量誤差單片機用 P10 端口輸出超聲 波轉(zhuǎn)化器所需的 40KHz 方波信號利用外中斷 0 口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管段碼用 74LS245 驅(qū)動位碼用 PNP9012 三極管驅(qū)動單片機系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示 22 超聲波發(fā)射電路與接收電路及其距離測算程序 發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成單片機 P1 0 端口輸出的 40 kHz 方渡信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極另一路經(jīng)兩級反向器后進到超聲波換能器的另一個電極用這種推挽形式將方渡信號加到超聲波換能器兩端可以提高 超聲波的發(fā)射強度輸出端采用兩個反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動能力上拉電阻 R10R11一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果縮短其自由振蕩的時間 壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能利用壓電晶體諧振工作內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖所示它有兩個壓電晶片和一個共振板當它的兩極外加脈沖信號其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時壓電晶片將會發(fā)生共振并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波這時它就是一超聲波發(fā)生器如沒加電壓當共振板接受