基于STM32可视化倒车雷达的设计

基于STM32可视化倒车雷达的设计

摘要

为有效地解决驾驶员停车及泊车所面临视野盲区的困扰，提高驾驶安全系数。本文设计了一种基于STM32可视化倒车雷达的预警系统，该系统成本低、经济实用，是一种很人性化的设计。

倒车雷达又叫超声波倒车防撞系统。该系统核心是利用超声波技术测距，驾驶员倒车时系统能自动检测与障碍物的距离，并在LCD 上实时显示出来，当车辆与障碍物距离超出预先设定的范围，系统就会语音提示驾驶员作出正确的判断。实验结果表明：该系统能够及时预警，可降低交通事故的发生。

关键词STM32/超声波测距/LCD显示/语音提示

Design Of Visual

Reversing Radar Based On STM32

ABSTRACT

In order to effectively solve the driver parking and parking to face the vision of the blind area, and improve driving safety.This paper designs a visual reversing radar warning system based on STM32, the system is low cost, economical and practical, is a very user-friendly design.

The reversing radar is also called ultrasonic reversing anti-collsion system. The core of the system is the use of ultrasonic ranging technology, when the driver backs up, the system can automatically detect the distance with obstacles, and display it on LCD in real time, When the distance between the vehicle and the obstacle exceeds the preset range, the system will voice prompt the driver to make a correct judgment. Experimental results show that the system can give early warning, and reduce the occurrence of traffic accidents.

KEY WORDS STM32, ultrasonic distance measurement, LCD display, voice prompt

目录

摘要………………………I

ABSTRACT ………………………II

1 绪论 (3)

1.1 课题的背景及意义 (3)

1.2 论文研究内容 (3)

2 可视化倒车雷达系统 (4)

2.1 倒车雷达系统构成及原理 (4)

2.2 倒车雷达的发展历程 (4)

3 基于STM32倒车雷达硬件电路设计 (6)

3.1 基于STM32倒车雷达硬件总体结构 (6)

3.2 STM32F103ZET6单片机 (6)

3.2.1 STM32F103ZET6单片机结构 (6)

3.2.2引脚定义及功能 (7)

3.3超声波测距电路模块 (8)

3.3.1 超声波测距功能及原理 (8)

3.3.2 超声波发射电路 (8)

3.3.3 超声波接收电路 (9)

3.4 LCD显示电路 (10)

3.4.1 LCD显示模块引脚及功能 (10)

3.4.2 STM32与LCD显示电路的接口电路 (11)

3.5 报警电路 (11)

3.5.1 蜂鸣器 (11)

3.5.2 STM32与蜂鸣器的接口电路 (12)

3.6 OV7670图像传感器 (12)

3.6.1 OV7670模块引脚及功能 (12)

3.6.2 STM32与OV7670模块的接口电路 (14)

4 基于STM32倒车雷达的软件设计 (14)

4.1 软件开发环境 (14)

4.2 软件设计流程 (15)

5.安装与调试 (18)

5.1 硬件调试 (18)

5.2 软件调试 (18)

5.3 实验误差分析 (19)

总结 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

附录 (24)

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

在这个高速发展的时代，各式各样的交通工具已经成为人们出行不可缺少的一部分。汽车，生活中随处可见，川流不息的马路上各式各样的车辆竞相涌流，它给我们带来便利的同时，也引发了一些严重的交通事故，尽管驾驶员具有高超的驾驶技术，但是在泊车或者停车时都会存在视觉盲区，就是因为视野受到限制的原因，常常会发生一些小磕小碰、没有必要发生的意外事故，人们也越来越担心驾驶汽车的安全问题。为了避免和解决这些不必要的意外事故以及麻烦，汽车倒车提示预警显得尤为重要，于是汽车倒车雷达装置孕育而生。目前，在大多数中高档次的私家车中都配备有可视化倒车雷达装置，但存在一些低档次的车辆中出于对价格的考虑，目前还不具备配备可视化倒车雷达装置的能力。所以他们就很适合本文设计的价格低廉的可视化倒车雷达。

据调查统计，2018年年末全国汽车保有量已高到24028万辆，相比于去年来说增加了10个百分点，伴随着汽车数量的不断增加，安全隐患已经成为我们不可忽视的一部分。在全国道路交通事故中，安装可视化倒车雷达的车辆交通事故比去年同比减少44.4%，这一数据的显示更为强调可视化倒车雷达的重要性。即保全了自己的安全，又给他人带来了便利。

1.2 论文研究内容

研究可视化倒车雷达组成部分、各个部分的结构以及工作原理、各个部分之间的电路连接。以STM32F103ZET6最小系统为核心运算部分、HC-SR04为信号接收部分、LCD显示屏为数据显示部分、OV7670为图像处理部分进行电路规划。

首先从可视化倒车雷达系统的构成以及原理来介绍，其次介绍发展历程，并构建明确的电路结构，分层介绍各个部分的结构以及工作原理和运行规则，实行各部分之间的可联系性，写入代码程序，使各个部分之间的电路有效的连接，最终实现所需要的功能。最后完成整体调试、分析测量结果，完成实物的设计，并检验实物的可用性。

此次设计，用Keil uVision5软件来完成所需功能的代码程序编译测试，用ST-LINK连接开发板烧录程序，使整个系统达到距离显示、语音提示、图像显示的效果。

2 可视化倒车雷达系统

2.1 倒车雷达系统构成及原理

倒车雷达名为“倒车防撞雷达装置”，又有“泊车辅助装置”之称。它是由超声波传感器（发射和接收超声波信号），控制器（交换、检测及提供信号）以及显示器（或蜂鸣器）三部分组成，采用超声波测距技术发射超声波信号，当信号发现前方“道路”不通时，利用反射原理会产生回波信号，传感器接收到回拨信号后经控制器进行数据分析以及处理，然后判断障碍物的位置，并命令显示器将距离呈现在LCD上，报警装置发出警告信号，以便驾驶员在倒车时可以心知肚明，使倒车更加安全方便，减少不必要的交通事故。

2.2 倒车雷达的发展历程

随着对驾驶安全要求的不断提高，倒车雷达也历经了种种发展变革，目前已达到六代之多。

第一代倒车雷达是被动性的，至今在街上的三轮车上还能听到那熟悉的声音“倒车，请注意”，这段语音堪称倒车雷达的鼻祖，但它并不算是真正意义上的倒车雷达，它只能通过喇叭来提醒周边该车辆正在进行倒车，引起周边人们的注意，主动去避让。与现在的倒车雷达不同，它在倒车时不能测量到车辆后面障碍物的距离，也不能提醒驾驶员做出正确的判断。

采用蜂鸣器提示是第二代倒车雷达惯用的方法，当驾驶员倒车时，突然听到报警声，就说明车辆后方存在障碍物。报警声越大，意在提醒驾驶员其车辆离障碍物越来越近。尽管很直观的告诫驾驶员后方存在障碍物，但并不能让驾驶员清楚它们之间的距离。

数码、波段显示版出现于第三代，如果是静止物体的话，在距离物体1.8米的位置显示屏就会开始显示；如果是运动物体的话，会在0.9米左右的位置开始显示。数码显示、波段显示模式是该产品的两种自选模式，两者侧重点不同，数码显示侧重于在数字凸显方面，而波段显示则是异色警示方面（红指示危险，黄指示警告，绿指示安全）。已初步具备现代倒车雷达功能，但不美观，甚至会造成驾驶员观察路况的新盲点。

倒车雷达发展到第四代，人们用液晶荧幕显示代替第三代的数码显示，这时有了质的飞越。在不将汽车置于倒车档，驾驶员也可以通过显示器观察汽车与周边障碍物之间的距离。并且这一代外观美观，使用方便，但由于抗干扰能力不强，会引起误报。

第五代倒车雷达是提升用户体验更上一层的产品，其中集成了语音提示、倒车雷达、车内温度显示和后视镜等多项功能。采用不同级别的语音提示和视觉显示以及当时最新的仿生超声雷达技术，准确地检测距汽车2米范围内的障碍物反馈给驾驶员。

无线液晶倒车雷达和彩色液晶显示的加入，以及影音系统、无线连接等功能的有机结合是第六代倒车雷达的又一大特色。无线连接完美地解决安装时布线难的问题，方便快捷。

3 基于STM32倒车雷达硬件电路设计

3.1 基于STM32倒车雷达硬件总体结构

MCU执行数据处理，超声波模块执行信号的发射与接收，LCD显示模块执行屏显，报警电路模块执行报警提醒，摄像头模块执行投影显示。根据方案的设计，硬件系统采用STM32F103ZET6单片机、TFT_LCD屏显、S8050蜂鸣报警、HC-SR04超声波测距模块、OV7670图像传感、电源电路、复位电路等。系统结构如图3-1所示。

图3-1 系统结构框图

3.2 STM32F103ZET6单片机

3.2.1 STM32F103ZET6单片机结构

此次系统选用STM32F103ZET6型号的单片机，内核32位高性能ARM Cortex-M3处理器，时钟高达72M并且可以实际超频一点点，支持单周期乘法和硬件除法。64KB SRAM、512KB FLASH和112个通用IO口以及各种基本定时器等多种零件使其拼接而成。而且还可以用外部总线（FSMC）扩展SRAM并连接LCD等，通过FSMC驱动LCD，可以有效提高LCD刷屏的速度。其中芯片144个引脚，其中有112个可以作为IO口来使用，大部分IO口都耐5V。该系列支持三种低功耗模式：睡眠，停止和待机，用电池可以为RTC和备份寄存器提供供电环境。其性价比高，价格便宜。内部结构如图3-2所示。

图3-2 芯片内部结构图

3.2.2引脚定义及功能

下图3-3为STM32F103ZET6的引脚图

图3-3 STM32F103ZET6引脚图

图中，P1、P2一共有106个IO端口，原本该单片机有112个IO口，这时刨除RTC晶振用的2个，余下110个，再除去P1和P2总共引出的106个IO口，剩余的4个IO口由其它2组排针引出。

3.3超声波测距电路模块

3.3.1 超声波测距功能及原理

HC-SR04超声波测距模块具有信号发射和接收两大功能，它的工作电压维持在4.5V-5.5V之间，可提供的探测距离为2cm-400cm，测量精度误差不超过4%。它的四个引脚连接到MCU的VCC，并使用5V电源，让TRIG IO端口触发控制信号输入，ECHO IO端口用于回响信号输出，GND端口用于接地，使用2个IO口，然后就可以模拟时序来使超声波模块工作了。通过超声脉冲回波渡越时间法来达到超声波测距的目的。假定从信号发射到接收消耗的时间为t，传播速度（空气中）为c，到标记物体的间距为D时，它们的关系如下3-4式所示：

D = ct /2 （3-4）

基本原理：发射器发射长度约6毫米，频率为40千赫兹的超声波信号，该信号被障碍物反射回来并被接收头接收。不仅可以产生mV电平的弱电压信号，而且接收头还能被看成压电效应传感器。原理图如下图3-5所示

图3-5 超声波测距原理框图

3.3.2 超声波发射电路

超声波发射电路如下图3-6所示，MCU产生的40KHz方波，74LS04则对40KHz频率信号进行解调，使超声波传感器产生谐振。通过谐振转变信号发射脉冲，在传播期间遭到障碍物的阻拦，经其表面反射回来被接收器接收，控制器进行下一步处理。

图3-6 超声波发射电路

3.3.3 超声波接收电路

超声波接收电路如下图3-7所示。在超声波信号的传播过程中，难免会造成能量损失等不必要因素影响实验结果，而且与障碍物的距离越远，损失的能量就越多。因此，为了有效的提高测量数据的精确度，信号放大的功能对于超声波接收电路是必不可少的。当然，通过信号放大后接收到的超声波信号也有很大的误差，这是因为在接收过程中不可避免的会混杂一些无关的干扰信号，所以只能改变传输模式进行防止信号的衰减。

图3-7 超声波接收电路

3.4 LCD显示电路

3.4.1 LCD显示模块引脚及功能

LCD模块接口电路如下图3-8所示

图3-8 LCD模块接口

TFT_LCD薄膜晶体管液晶显示器，不同于无源TN_LCD、STN_LCD的简单矩阵，它可以有效克服非选通时的串扰，原因在于液晶屏上每个像素它都设置了一个薄膜晶体管（TFT），不用使数字信号转化成模拟信号后再进行输出，进而确保色彩更加准确完美。显示质量高、没有电磁辐射、功耗小、画面显示效果好是TFT_LCD成为主流的LCD显示器的重要因素。D 模块不采用8位的方式，而采用与外部并方式的16位连接，其主要原因是彩屏数据量庞大，在图像显示时，成像速度越快越好，16位传输数据让其处于真正的工作状态。该模块的并口有如下一些信号线：

CS：TFT_LCD 片选信号

WR：向TFT_LCD 写入数据

RD：从TFT_LCD 读取数据

D[15：0]：16 位双向数据线

RST：硬复位TFT_LCD

RS：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）

BL_CTR：背光控制信号

T_MISO/T_MOSI/T_PEN/T_CS/T_CLK：触摸屏接口信号

3.4.2 STM32与LCD显示电路的接口电路

TFT_LCD 模块与STM32F103的IO口对应关系如下：

LCD_BL(背光控制)对应PB0

LCD_CS 对应PG12 即FSMC_NE4

LCD_RS 对应PG0 即FSMC_A10

LCD_WR 对应PD5 即FSMC_NWE

LCD_RD 对应PD4 即FSMC_NOE

LCD_D[15:0]则直接连接在FSMC_D15~FSMC_D0。如下图3-9所示

图3-9 TFTLCD与开发板连接示意图

3.5 报警电路

3.5.1 蜂鸣器

本设计用有源蜂鸣器，即自带震荡电路的蜂鸣器，当接通电源时，它会振动。而如果是无源蜂鸣器，就需要特定的频率（2-5Khz）来驱动信号让其产生振动，其原理图如下图3-10所示

图3-10 有源蜂鸣器

从R31输入信号经过三极管S8050的放大促使蜂鸣器发出警报，来提醒驾驶员防止事故的发生。图3-10中，R33用作下拉电阻，Q1用于电流扩展，有效的避免MCU复位时，蜂鸣器存在发声的现象。

3.5.2 STM32与蜂鸣器的接口电路

蜂鸣器与STM32的接口电路如下图3-11所示

图3-11 蜂鸣器与STM32连接原理图

3.6 OV7670图像传感器

3.6.1 OV7670模块引脚及功能

OV7670图像传感器是一款体积小、工作电压低、高灵敏度适合低照度的CMOS传感器。该产品VGA图像最高可达30帧/秒，外界图像透过镜头经过一个感光矩阵（传感器的像敏单元阵列），图像传感器的图像点都和感光元件相对应，感光二极管是感光单元的核心元件，二极管吸收光照并产生电流，电流强度决定光照强度。需要注意的是CMOS传感器已经集成了A/D转换器和信号放大器在每个感光元件上，因此数字信号由感光元件直接输出，然后把每个感光单元的数字信号整合后传给DSP芯片做一些处理，通过传输线路把采集到的图像信息存储在FIFO芯片（AL422B）中，并获得清晰稳定的彩色图像。原理图如下图3-12所示。

图3-12 OV7670原理图

OV7670 摄像头模块自带一个有源晶体振荡器，可产生12M的时钟信号作为OV7670的XCLK输入。同时，它配备了稳压芯片，可提供稳定的2.8V工作电压，并含有一个FIFO芯片（AL422B）。采用AL422B作为缓冲，存储较为完整的图像，工作频率为50M赫兹。通信信号如下所示：

VCC3.3：模块供电脚，接3.3V电源

FIFO_WEN：FIFO写使能

GND：模块地线

OV_SCL：SCCB通信时钟信号

OV_SDA：SCCB通信数据信号

FIFO_WRST：FIFO写指针复位

FIFO_RRST：FIFO读指针复位

FIFO_OE：FIFO输出使能（片选）

FIFO_D[7:0]：FIFO输出数据（8位）

OV_VSYNC：OV7670帧同步信号

FIFO_RCLK：读FIFO时钟

3.6.2 STM32与OV7670模块的接口电路

OV7670 摄像头模块引脚和STM32 的连接关系如下：

OV_SDA 接PG13；

OV_SCL 接PD3；

FIFO_RCLK 接PB4；

FIFO_WEN 接PB3；

FIFO_WRST 接PD6；

FIFO_RRST 接PG14；

FIFO_OE 接PG15；

OV_VSYNC 接PA8；

OV_D[7:0]接PC[7:0]。

如下图3-13所示

图3-13 摄像头模块接口与STM32连接图

4 基于STM32倒车雷达的软件设计

4.1 软件开发环境

本设计所需的程序包括STM32主控制程序、超声波发射和接收程序、距离检测程序和危险报警程序以及图像处理显示程序。以主控制程序为主，用Keil uVision5软件并用32语音对其进行编译调试并写入，而超声波发射及接收程序、距离检测程序、危险报警程序、图像处理显示程序则对其进行辅助。

本系统的下位机固定开发使用Keil uVision5软件，用于开发基于STM32F103ZET6系列固件库的固件程序，把库里面存在的模块化HC-SRO4、TFT_LCD 、OV7670驱动添加到工程中，对其进行编译调试。具体的工程创建方式如下：

第一步，在STM32_Project目录下新建工程文件夹并给予命名。

第二步，用右键单击Keil uVision5图标选择打开选项进行运行。

第三步，在打开软件中点击project，再点击提示下拉菜单中的New uVision Project进行工程项目创建。

第四步，选择在弹出的对话框第一步中创建的工程文件夹对其进行命名，然后点击确认。

第五步，在弹出的新对话框中点击STMicroelectronics下拉中STM32F1 Series的STM32F103，再选择STM32F103ZE，点击OK。

第六步，在弹出的ManageRun-TimeEnvironment选择界面中勾选需要的驱动程序。

第七步，在程序界面中点击ManageProjectItems然后可以对ProjectTargets和Groupsr内的名称进行更改，再在Groupsr目录下把ProjectTargets的主程序文件添加进来，点击OK结束。

第八步，最后在程序界面中点击OptionsforTarget进行设置更改。

4.2 软件设计流程

系统的工作流程如下：首先，系统开始初始化，然后超声波发射模块发射出超声波信号。使定时器打开并开始计时，信号通过发射到被反射再到被接收。打开外部中断并关闭计时器，然后计算出到障碍物之间的距离，最后设置报警距离和屏幕显示，检测障碍物的距离是否小于预设报警距离，如果小于则有效的警示驾驶员，提高驾车安全系数。具体流程图如下图4-1所示。

图4-1 系统主程序流程图

除了超声波测距流程外，系统还具有通过MCU外部端口实现外部中断的功能。当驾驶员倒车时，预警系统会自动进入定时器中断服务子程序，然后MCU端口通过输出频率40kHz的脉冲方波信号，使定时器打开并开始计时。接收到反射信号后产生外部中断信号，该信号送达到MCU，然后MCU进入外部中断服务程序，同时关闭定时器。其流程图4-2、4-3如下所示。

图4-2定时器中断图4-3外部中断

5.安装与调试

5.1 硬件调试

在产品设计过程中电路的设计错误、电路的焊接错误（元器件的虚焊、漏焊、错焊等）、电路的连接错误都是影响硬件调试的主要因素，有效的解决这些问题，排除一切故障，给软件的调试提供一个好的环境。

电路线路和各独立模块检查：

（1）首先检查电器元件的型号是否与仿真时的一样。根据原先设计的电路图，仔细查找是否存在元器件与电路有接线错误以及是否有损坏。其次检查元器件是否存在虚焊、漏焊、错焊的现象，一旦发现这方面的问题，立即更换新的或者完好的元器件避免电路板被损坏；

（2）电路检查过程中，通过万用表检测电路看是否存在连接不全，以及电路设计的时候的线路接线是否正确，如果找出线路接线的错误，应立即修改，然后从第一步从新开始检查；

（3）待上面的检查全部完成后，给电路通电，并用万用表对各个元器件、电路的引脚是否有连接错误，如果存在错误，必须把错误修改完毕，否则容易损坏元器件甚至电路板；

（4）上电后，打开电源开关，检查LCD是否正常显示，各模块是否正常工作。

5.2 软件调试

硬件调试进行完后，就要开始软件调试。软件调试顾名思义就是利用软件自身带的错误反馈功能来检验编写程序是否有错误，看设计是否能够满足需要，注意在各个模块之间的传递参数是否正确。

程序部分：

（1）检查LCD显示模块程序，查看是否显示距离。

（2）检查超声波测距模块程序，查看测量距离是否接收正确。

（3）LCD显示模块与超声波测距模块相结合，查看是否能正确显示测量距离信息。

（4）检查报警模块程序，查看是否能正确警示。

（5）报警模块与LCD显示、超声波测距模块相结合，查看是否能正确在预设距离范围内报警。

（6）检查图像处理模块程序，查看是否能正确显示图像。

（7）程序调试完成后，可以正确显示测量距离信息，编写的程序正确。

软件部分：

（1）查看是否选择正确的单片机型号。

（2）尽量把工程和文件放在同一文件夹下。

（3）检查编写的程序是否出现报错，及时修改调试。

（4）计算机是否识别单片机编译器。

5.3 实验误差分析

在系统的设计过程中难免会存在一定的误差，其产生误差的原因以及解决方法主要有：

（1）测量偏差的影响。测量偏差主要是由于超声波发射器的发散角引起的，如下图5-1所示。解决方法有两种：一是更换发散角小的发射头；二是避免探测到这种结构的物体。

图5-1 发射角引起的误差

（2）超声波传播速度的影响。介质的密度和温度都是影响声波传播速度的直接因素。通过多次测量来校正声波的波度进行减少该误差，以此来减少这种误差。再者对其进行温度补偿，选择温室20°C左右、声速344米/秒作为固定参数，来有效地降低温度变化带来的直接性误差。

（3）超声波回波声响的影响。超声波发出信号到障碍物的距离与回波的声响有着直接的关系，与障碍物的距离越近，回波声响越强；越远离障碍物，回声越弱。尽管不能从根本上消除这种情况，但是可以根据障碍物的距离调节脉冲组的脉冲数以减小误差。

总结

总体来说，完成本次设计让我受益匪浅。起初课题的选择到现在课题的收尾，每一阶段的成功都来之不易。本次设计实现了倒车避障的功能，通过超声波测距原理测出与障碍物的距离，进行报警并显示处理，最终达到避障的目的。

在这段时间里，我深深地感受到只学习课本上的知识理论是远远不够的，只能应付考试，要想真正的掌握还需要理论与实践相结合。在设计过程中，发现之前学的知识大多已被遗忘，要查阅相关资料和书籍，让理论知识概念在头脑中逐渐浮现。在硬件电路设计过程中，查寻各个模块以及它们之间电路连接的资料和视频讲解，经过多次调试与检查，把其每个模块都发挥其应有的功能，才把实物做好，达到预期的效果。不单单进行的是系统的知识整合，还通过撰写和实际操作来锻炼自己的能力。在论文创作过程中，无法做到规范的使用书面描述，通过一次次的修改来完善，最终撰写完成，从中学会了做任何事都要持之以恒。

由于时间和技术有限，系统解决方案还不够成熟，存在着缺点，设备价格和设备性能方面还有待通过技术提升加以改进，希望未来系统设计的其他功能可以进一步扩大，提升它的价值空间。

致谢

“惊风飘白日，光景西驰流。”时光如流水般匆匆而去，转眼间，便到了该我毕业离开学校的时候了，毕业论文的完成也逐渐进入尾声。

在本次论文设计中，薛老师从论文选题开始就不止一次的耐心解答我不懂的地方，并不忘拓展我的视野，对待学生认真负责、平易近人，对待工作一丝不苟，不仅教会了我解决问题的方法，还培养了我面对困题不轻易放弃的信念，深深地影响着我、改变着我、充实着我。

毕业论文的完成，首先感谢老师为我传道授业解惑，朋友的耐心帮助，以及西亚斯学校提供的学习环境。其次在过去的四年里，我所学到的不仅仅局限于课本上的理论知识，而是所培养的表达能力、思维方式和广阔视野。我很荣幸遇到了这么多的良师益友，不管是在学习、生活，还是工作，都给了我无微不至的关心和照顾，使我能够度过四年美好的大学生活。最后，感谢父母对我无微不至的照顾。

“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。”步入社会，踏上新征程，未来是未知的，但我将风雨兼程，为美好未来而努力奋斗。

参考文献

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