-汽车倒车测距仪

一、应用系统的一般构成

1、硬件系统

按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为三大主要模块：测距系统、控制系统以及显示和语音报警系统。系统总体结构框图如1所示.

图1 系统总体结构图

其中测距系统有超声波发射、接收子系统构成；控制部分以AT89S51单片机为核心，其P1.0口输出低电平控制超声波发射电路产生40KHz的超声波，利用外部中断监测超声波接收电路输出的返回信号；显示报警部分由显示系统及语音系统构成，其中显示系统采用简单实用的4位共阳8段LED数码管。

二、设计原则和要求

倒车测距仪是一个由单片机控制的汽车泊车安全辅助装置。该测距仪将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，能够测量并显示车辆后部障碍物里车辆的距离，同时用间歇的“嘟嘟”声发出警报，“嘟嘟”声间隙随障碍物距离的缩小而缩短，驾驶员不但可以直接观察到显示的距离，还可以凭听觉判断车后障碍物离车辆的远近，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，并可以帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

三、基本设计内容和步骤

本文将在以单片机为控制核心的基础上，设计出汽车倒车测距仪的电路，并通过数码管显示及蜂鸣器报警来提示障碍物与车后的距离。

分别完成单片机控制电路设计、数码管显示电路设计、蜂鸣器报警电路设计、按键控制电路设计及超声波测距模块的安装与调试等。软件设计中，通过汇编语言编写程序，完成单片机对外围芯片的驱动与控制，从而完成整个汽车倒车测距仪的功能实现。

四、硬件和软件的具体设计

1、系统硬件的具体设计

（1）单片机控制电路设计

采用AT89S51作为系统控制器。它是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程，也可用传统方法进行编程。AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗，2个数据指针，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，单片机振荡器及时钟电路。

同时AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

单片机最小系统是指能让单片机工作的最简单的电路，包括电源电路、振荡电路、复位电路，如图2

图2 单片机最小系统

对于其P0口，这组引脚共有8条，P0.7为最高位，P0.0为最低位。这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I /O口使用，P0.7~P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7~P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

与此类似，P1.7~P1.0口作为I /O口使用时，P1.7~P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入/输出数据。同理，P2口也有相似的功能。

89S51有INT0和INT1两条外部中断请求输入线，用于输入两个外部中断的中断请求信号，并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式输入中断请求信号。89S51究竟工作于哪种工作中断触发方式，可由用户通过对定时器控制寄存器TCON中IT0和IT1位状态的设定来选取。89S51在每个机器周期的S5P2时对INT0/INT1线上的中断请求信号进行一次检测，检测方式和中断触发方式的选取有关。若89S51设定为电平触发方式（IT0=0或IT1=0），则CPU 检测到INT0/INT1上低电平时就可认定其中断请求有效；若设定为边沿触发方式（IT0=1或

IT1=1），则CPU需要两次检测INT0/INT1线上的电平方能确定其中断请求是否有效，即前一次检测为高电平且后一次检测为低电平时INT0/INT1上的中断请求才有效。因此，89S51检测INT0/INT1上负边沿中断请求的时刻不一定恰好是其上中断请求信号发生负跳变的时刻，但两者之间最多不会相差一个机器周期时间。

（2）超声波法设计接收电路设计

超声波是一种频率超过20KHz的机械波。它沿直线传播，方向性好，传播距离较远，在介质中传播时在不同的分界面上会产生反射波。由于超声波具有以上特点，被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。利用超声波测量是一种有效的非接触式测距方法。

测距时由安装在同位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，由定时器计时。首先由发射向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到反射波后立即停止计时。这样，定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s，所以发射点距障碍物之间的距离为：

S=340×t/2=170×t (1) 由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数，设计中时钟频率fosc 取12MHz，设计数值N，则

T机＝12/fosc=1μs，t=NT机＝N×10-6(s)

S＝170×N×T机＝170×N/106(m)

或S=17×N/103=0.017×N(cm) (2) 程序中按式（2）计算距离。

A、超声波发射电路设计

超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波探头）和超声波发生器两部分，电路如图3所示。系统中，超声波换能器的型号是CSB40T，它将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动并发射出去。

NE555D为8脚时基集成芯片。其时基电路封装形式有两种：一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555D时基电路是一种使用极为广泛的集成电路.根据外接电路的不同，可作波形发生器，产生方波、锯齿波、窄脉冲等，也可作单稳双稳电路、定时器、比较器等。其时基集成电路的引脚功能如下： 1是地线，2是触发，3是输出电平，4是复位，5是控制电压，6是阀值电压，7是放电，8是电源(VDD)。

超声波发生器实质上是一个由555 电路组成的多谐振荡器，由于在脚7与6，8脚间跨接了电阻电容，因此其振荡频率可按公式f≈1.44/((R2+2×R3)×C1)来计算，通过R3调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致。本电路中，C1其数值为3300pF，R2数值为1kΩ。按公式计算，其最低频率为39.7KHz，最高频率为436KHz。由超声波振荡器产生的超声波电脉冲，通过压电型超声换能器（相当于一只扬声器）将电脉冲转换为机械波向外界发射。当接通电源后，换挡脉冲振荡器不停地发出换挡脉冲，因此只要不断开电源，电路就不停地自动循环工作下去。

图3 超声波发生器

B、超声波接收电路设计

由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱，所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数；为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。超声波接收电路使用集成电路CX20106A，可用完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能。

其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载；其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外拉电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。

图4 超声波接收器

工作时，换能器CSB40R将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，送给CX20106A 的输入端1，当CX20106A接收到信号时，7脚就会输出一个低电平，可用于单片机的中断信号源。当单片机接收到中断信号时，说明检测到了反射回来的超声波。单片机就进入中断处理程序，开始进行距离计算，分析计算结果后控制LED和蜂鸣器的工作。

（3）、LED显示及报警电路设计

LED是发光二极管的缩写。LED数码管里面有8只发光二极管，分别记作a、b、c、d、ef、g、dp，其中dp为小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚上，而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端（COM），如图5所示，而图6为实物图，其中引脚的排列因不同的厂商而有所不同。

市面上常用的LED数码管有两种，分为共阳极与共阴极。共阳极：当数码管里面的发光二极的阳极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源正极。当发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示（如图7所示）。而输入高电平的段则不能点亮。相反，共阴极：当数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源负极。当发光二极管的阳极接高电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示（如图8所示），而输入低电平的段则不能点亮。

图5 发光二级管引脚图图6 LED实物图

图7 共阳二极管图8 共阴二极管在单片机应用电路中，最实用的LED数码管显示方法是“动态扫描”。即就是所要工作的若干个数码管轮流显示，只要轮流显示的速度足够快，每秒约50次以上，由于人眼的“视觉暂留”特性，看起来就像是连续显示，这样称为动态扫描。这种显示方式在数码管应用系统中应用得最为广泛，这也是我在本设计中的显示方法。

共阳极与共阴极这两种方法难度差不多，考虑到我自己对于共阳极的编程更熟悉，因此在该设计中我也采用数码管共阳极的接法。

至于声音报警，我打算采用一个简单的蜂鸣器，利用单片机产生方法来控制。根据所测距离的长短来决定该方波的频率。

根据前面有关各个模块的讲述，结合单片机各引脚的功能，可得到总体硬件设计图如图9所示。

图9 总体硬件设计图

如图3.8所示，单片机外接4位8段共阳极LED数码管，用于显示车尾距障碍物的距离，由单片机P0.0 ~ P0.7接LED的a ~ dp八个笔段，P2.1 ~ P2.4接四位LED的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。P2.0接蜂鸣器，用于报警。

其中Vcc为5V电源，由车上倒车开关后的12V电源经7805三端稳压器稳压后获得，只在倒车时供电。

2、系统软件的具体设计

软件包括主程序、超声波发射子程序、INT0中断服务程序、定时器T0溢出中断程序四个主要模块组成。

（1）、主程序与INT0中断程序

图10为主程序流程框图。程序在初始化以后，发射40kHz超声波1ms，并立即启动定时/计数器T0，CPU接收到回波信号后，立即中断，T0停。定时/计数器T0专用于记录CPU发射脉冲信号的前沿至回波脉冲信号前沿之间的时间，这个时间就作为换算障碍物距离和控制嘟声间隙的数据。由于汽车倒车测距精度要求不高，为简化计算，取超声波传播速度为340m/s，考虑到信号来回，速度为170ｍ/s，即17cm/ms。因此障碍物距离d=T0×17cm/ms，相对误差可达±2%以内。

图10 主程序流程图

主程序

ORG 0000H ;复位地址

LJMP MAIN ;复位转主程序

ORG 0013H ;INT1中断入口地址

LJMP LINT1 ; 转INT1中断

ORG 001BH ;T1中断入口地址

LJMP IT1 ;转TI中断

ORG 0100H ;主程序首地址

MAIN:MOV SP,#60H ;置堆栈指针

MOV P1.#0FFH ;停显示

CLR P3.4 ;不发射

SET P3.6 ;灯亮

SET P3.5 ;开机发嘟声

MOV 40H,#7EH ;显示符号“- - -”→显示单元 MOV 41H,#7EH ;

MOV 42H,#7EH ;

MOV 32H,#160 ;置显示循环数

LCALL DIR ;调用显示子程序

MOV IP,#00000100B ;置INT1为高优先级

MOV TMOD,#00010001B ;置T0、T1定时器方式

MOV TH1,#9EH ;置T1时间常数25ms。

用于控制嘟声方波脉宽

MOV TL1,#58H ;

SETB TR1 ;T1运行

MOV IE,#10001100B ;INT1、T1开中

MOV 20H,#00H ;各标志位清零

MOV 21H,#00H ;

MOV 22H,#00H ;

MOV 23H,#00H ;

MOV 44H,#FFH ;置嘟声方波初值

255×255ms=6.375s

MOV 45H,#04H ;置闪烁间隙时间4×25ms=0.1s

MOV R2,#04H ;置信号计数器初值

MOV R3,#04H ;置连续无回波信号计数器初值

TLOOP:MOV TH0,#00H ;T0值清零

MOV TL0,#00H ;

SETB P3.4 ;开始发射40kHz超声波

SETB TR0 ;启动T0，开始计时

LCALL DELAY ;延时1ms,即发射1ms

CLR P3.4 ;停发射

MOV 32H,#20 ;置显示循环数

LCALL DIP ;显示3ms×20=60ms

LCALL WORK ;信息与数据处理

SJMP TLOOP ;循环

INT1中断服务子程序

LINT1:CLR TR0 ；T0停

SETB 01H ；信息与数据处理

RETI ；

说明：

①开机后先显示“- - -”，并亮灯、发声约0.5s,表示开始工作。

②5个中断源中，INT0、串行口不用；T0用于记录发射接收时间，不中断；

INT1用于回波信号中断；T1定时25ms,用于控制嘟声间隙时间和闪烁显示时间。

③CPU发射40kHz超声波1ms,然后显示60ms，1ms和60ms时间均由延时子

程序控制，在显示60ms期间等待INT1中断，INT0中断后立即关断T0。

④60+1=61ms是一个工作周期。在这个周期内完成一次信号探测，然后进

行数据处理。由于选用晶振12MHz，T0定时最大时间为65.5ms。大于61ms，当T0时间常数为0时，T0尚未溢出中断。第二周期又开始。因此T0不开中，也不会产生中断。超声波往返速度为17cm/ms，61ms可达10.37m，已超过本装置选用的超声波传感器能探测到的最大距离。

（2）、显示与延时子程序

A、扫描显示程序

DIR: SETB P3.2 ;百位停显示

MOV P1,40H ;输出个位段码

CLR P3.0 ;个位显示

LCALL DELAY ;延时1ms

DIR1: SETB P3.0 ;个位停显示

MOV P1,41H ;输出十位段码

CLR P3.1 ;十位显示

LCALL DELAY ;延时1ms

DIR2: SETB P3.1 ;十位显示

MOV P1,42H ;输出百位段码

CLR P3.2 ;百位显示

LCALL DELAY ;延时1ms

DJNZ 32H,DIR ;循环显示结束否?

未结束，结束

ORL P3,#00000111B ;循环显示结束，停显示

RET ;

每一位显示1ms，显示3位共3ms，作为一个循环。用32H控制循环次数，显示时间由32H决定，在调用DIR前先赋值给32H。

B、延迟子程序

DELAY: MOV 30H,#10 ;置外循环数

DY1: MOV 31H,#48 ;置内循环数

DY2: DJNZ 31H,DY2 ;2机周

DJNZ 30H,DY1 ;2机周

RET ;2机周

延时时间：T=(48×2+2+2)×10+2+2=1004机周=1004us≈1ms。

（3）、信号处理程序WORK

图11为信号处理程序WORK流程图。

图11 信号处理程序流程图

说明如下：

1)信号处理首先判断有否回波信号。01H=0，无回波信号，若连续4次无回波信号，说明车后无障碍或障碍物距离较远，超过最大探测距离，此时置闪烁“———”，并发出长嘟声。

2)由于CPU工作速度比倒车速度快得多，所以不需要每次收到信号后立即显示。收到信号可先存起来，存满4个信号连同原来显示的信号，共5个信号，从中筛选出一个正确信号。

3)因为空中有各种干扰信号，如喇叭的鸣叫声，汽车废汽排除声，在这些噪声中也含有40kHz的谐波成分，被接收放大后，可引起干扰。另外。汽车运行，特别是刚起动时，电源中也有许多干扰脉冲。除在硬件电路中采取措施外，在软件中还需要加入抗干扰程序，甄别和删除，一般可根据倒车的速度和回波信号脉宽来分析判别。

4)连续取4个信号的原因，出了抗干扰外，还因为人的视觉特性。若每取一个信号，立即更换显示。更换显示过快，人的眼睛受不了。61ms×4=244ms,约4

次/s，驾驶员来不及看，反而觉得仪器工作不稳定。所以在更换显示值子程序中还有一个判断是否需要更换值子程序中还有一个判断是否需要更换显示值的子程序，其流程图为图12。障碍物距离小于0.5m,距离值变化1cm就要及时更换显示；距离在0.5~1m之间，新值与原显示值之差大于5cm更换，否则不更换；距离在1~2m之间，新老差值大于10cm更换，否则不更换；距离在2m以上，新老差值大于20cm更换，否则不更换。不更换即返回重测。

信号处理程序如下：

WORK：JBC 01H,WORK1 ;有回波信号，转存信号 DJNZ R3,GORET ;无回波信号，判别连续无回波信号数次

MOV R3,#04H ;连续无回波计数器恢复初值

LCALL FLASH ;调用闪烁显示子程序

GORET: RET ;

WORK1: MOV R3,#04H ;有回波，连续无回波计数器恢复初值 DJNZ R2,WORK2 ;未存满4个信号，转存信号

MOV R2,#04H ;存满4个信号，信号计数器恢复原值 MOV 56H,TL0 ;存第4个信号

MOV 57H,TH0 ;

LCALL SORT ;调用信号排序子程序

LCALL RIGHT ;调用筛选正确信号子程序

LCALL TRAS ;调用更换显示子程序

LCALL TONE ;调用计算嘟声方波脉宽子程序

RET ;

WORK2: JBC 11H,WORK21 ;1#信号标志，转存第1个信号

JBC 12H,WORK22 ;2#信号标志，转存第2个信号

JBC 13H,WORK23 ;3#信号标志，转存第3个信号

RET ;

WORK2: MOV 50H,TL0 ;存第1个信号

MOV 51H,TH0 ;

RET ;

WORK22: MOV 52H,TL0 ;存第2个信号

MOV 53H,TH0 ;

RET ;

WORK23: MOV 54H,TL0 ;存第3个信号

MOV 55H,TH0 ;

RET ;

图12 是否需要更换显示值程序流程图

(4)、内存RAM分配

为便于阅读已列出的程序，将有关寄存器内容及用途说明如下： 30H：延时子程序外循环数

31H：延时子程序内循环数

32H：扫描显示循环数

40H：个位显示符寄存器

41H：十位显示符寄存器

42H：百位显示符寄存器

44H：嘟声方波脉冲宽值

45H：闪烁显示间隙时间

50H：1#信号低8位

51H：1#信号高8位

52H：2#信号低8位

53H：2#信号高8位

54H：3#信号低8位

55H：3#信号高8位

56H：4#信号低8位

57H：4#信号高8位

R2：回波信号计数器

R3：连续无回波计数器

标志位：

P3.4：40kHz超声波发射控制位

P3.5：嘟声控制位

P3.6：STOP灯控制位

11H： 1#信号存储标志

01H： 2#信号存储标志

13H：信号存储标志

01H：回波标志，01H=1有回波，01H=0无回波。