基于8051单片机的超声波汽车倒车测距仪控制系统的设计

摘要

随着社会经济的提高，交通运输业日益发展，汽车的数量不断增加，汽车的普及极大方便了人们的出行、学习和工作。但与此同时，交通拥挤状况也日趋严重，汽车也给人们带来了很大的安全隐患，比如倒车时不能有效看清车身后的障碍物或存在视线模糊等情况，这往往会造成行车事故的频繁发生，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统尤为重要。

汽车倒车测距仪是汽车泊车或倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器、控制器、显示器和报警器组成。它能以声音和具体的数据来告诉驾驶员后方障碍物的情况，就可以扫除视野死角和视线模糊的缺陷，减小了驾驶员泊车和倒车难度，提高了驾驶的安全性。

关键词：单片机；倒车；测距仪

ABSTRACT

With the improvement of social economy, transportation industry growing, increasing the number of vehicles, the popularity of cars greatly facilitates people's travel, study and work. But at the same time, traffic congestion is serious, the car also brings a lot of potential safety problems, such as when reversing cannot effectively see body after obstacles or blurred vision, and so on and so forth, which often causes traffic accidents frequently occur, taking place repeatedly crash, caused the inevitable personal casualty and economic losses, for this kind of situation, design a kind of fast response, high reliability and more economical car crash warning system is particularly important.

Reverse range finder is when the car parking or reversing safety auxiliary device, composed of ultrasonic sensor, controller, display and alarm. It can sound and specific data to tell drivers behind obstacles, can eliminate the blind spot and the defects of blurred vision, reduced the driver parking and reversing difficult, improve the driving safety.

Key words: single chip microcomputer; Astern. Range finder

目录

第1章绪论 (2)

1.1 课题研究的意义和背景 (2)

1.2 国内外发展现状 (2)

1.3 超声波测距仪51单片机控制系统概述 (3)

1.4研究内容及论文的安排 (4)

第2章总体方案设计 (5)

2.1 设计方框图 (5)

2.2 系统总体设计思想 (5)

第3章系统硬件各主电路设计 (6)

3.1 超声波的介绍 (6)

3.2 超声波测距原理 (7)

3.3超声波发射电路设计 (8)

3.4 超声波接收电路设计 (9)

3.5 HC-SR04超声波测距模块 (10)

3.6 显示模块设计 (13)

3.7 报警电路设计 (14)

3.8单片机控制电路设计 (15)

第4章系统的软件设计 (16)

4.1 系统的主程序设计 (16)

4.2 系统的子程序设计 (19)

第5章结论 (20)

致谢 .............................................................................................. 错误！未定义书签。

第1章绪论

1.1 课题研究的意义和背景

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为人们所关注。由于倒车后视镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因，倒车事故发生的频率远大于汽车前进时的事故率。倒车事故不仅会对自己的车和他人财物造成损伤如果伤及儿童更是不堪设想。有鉴于此，汽车产品家族中，专为倒车泊车而设计的“倒车测距仪”应运而生。经过调查，绝大部分非职业汽车驾驶员都希望有一种能发现汽车尾部障碍物的“后视眼”。倒车测距仪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。

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。该测距仪讲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[1]。

1.2 国内外发展现状

超声波倒车防装系统是倒车雷达的一种，倒车雷达在车挂倒挡时开始工作，由探头、主机和显示器三部分构成。

倒车雷达系统经历了三个阶段，六代的技术改良，从早期的倒车防撞仪，只能测试车后有限范围的障碍物，并发出警报，发展到根据距离远近程度分段报警，前两个阶段的倒车雷达一般采用专用集成电路，功能较简单。随着人们对汽车驾驶辅助系统求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。要求倒车雷达连续测距并显示障碍物距离，并采用不同间歇呜叫频率的声音报警提示距离，让驾驶员全神贯注地注视场景。

汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的倒车雷达具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上。如最为先进的倒车雷达系统为“智能可

视倒车雷达系统”，它在车尾部装上针孔摄像头，倒车时可以在DVD显示屏上显示车后的广角真实图像。

德国大众公司将超声波测距技术应用在倒车雷达上。日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。戴姆勒——克莱斯勒公司成功开发出供商用车(尤指卡车)使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由一控制器加上处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判断所发生状况是否需要利用刹车。未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，其过高的成本限制了它应用的普遍性。通用公司的Precept 概念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有消火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓。东风汽车有限公司乘用车公司推出的全新一代“蓝鸟智尊”配备了倒车影像显示和NAVI卫星导航系统，直接将高级别汽车的智能化从“概念”引入了“应用”。在驾驶者挂入倒挡时，中控台上的液晶显示屏会自动切换画面，将车尾摄像头拍下的环境状况展示在驾驶者眼前，最大程度地方便泊车，这项功能在夜间尤其具有价值。

1.3 超声波测距仪51单片机控制系统概述

汽车倒车多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启用倒车雷达，在控制器的作用下，由装置于车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，又显示器显示距离并发出警示信号，驾驶者得到及时警示。单片机是现代计算机和电子技术的新兴领域。单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。单片机具有多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格的显著特点。所以利用单片机对超声波进行控制可以极大的减少投入，具有很高

的经济价值与实用性。利用单片机实现超声波测距控制，对于提高劳动生产率和产品质量，节约能源等都有着积极意义[1]。

1.4研究内容及论文的安排

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C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。

论文构成主要由以下部分组成：

第 1 章为绪论。包括研究背景、意义以及相关技术在国内外的研究现状。

第2章为系统总体设计思想及方案论证。首先介绍汽车倒车测距仪的设计要求，详细介绍测距系统传感器的选择、显示报警系统的方案设计，然后提出本系统总的方案设计。为其后的硬件设计奠定了基础。

第3章为系统硬件设计。首先分析超声波传感器的工作原理，然后具体讨论测距模块中超声波发射电路和接收电路等的设计，最后介绍了系统显示电路及报警电路的设计。

第4章为系统软件设计。在软件设计中采用模块化设计思想，分别对系统的主程序模块、测距模块、报警模块和显示模块的程序进行了软件设计。

第5章为结论。对全文进行了总结，并指明了系统设计的不足之处，最后也对本系统的倒车雷达报警系统的发展前景进行了展望。

第2章总体方案设计

2.1 设计方框图

图2.1 系统电路总体方框图

2.2 系统总体设计思想

本系统采用超声波测距原理，由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离。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。（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）。

第3章系统硬件各主电路设计

3.1 超声波的介绍

3.1.1超声波的概念

我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。人类耳朵能听到的声波频率为20～20KHz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20KHz 的声波称为“超声波”。

3.1.2 超声波的特点

超声波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，其特点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的方向性。

超声波具有以下的特点：

(1) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

(2) 超声波可传递很强的能量。

(3) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

3.1.3 超声波的应用

超声波广泛地应用在多种技术中。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。

(1) 工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等。

(2) 生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等。

(3) 诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。

(4) 治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。

3.1.4 超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质

或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应[17]。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：

(1) 工作频率

工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

(2) 工作温度

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

(3) 灵敏度

主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

3.2 超声波测距原理

在超声波测距电路中，发射端输出一系列脉冲方波，其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。本次设计采用超声波往返时间检测法，测量原理图如下图3-1所示

图3-1 超声波测距原理图

测距时由安装在同位置的超声波发射器和超声波接收器完成超声波的发射和接收，由定时器计时。首先有发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在介质中传播时，一旦遇到障碍物就会被反射回来，当接收器接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：

（3-1）

公式（3-1）中，L为车尾与障碍物的距离，单位为米，t为计时器记录的时间，单位为秒。

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，设计数值为N，则

T机==1μs，t=N×T机=N×10-6 (s)

L=170×N×T机=170×N×10-6 (m)

或 L=0.017×N (cm) （3-2）程序中按（3-2）式计算车尾与障碍物间的距离。

3.3超声波发射电路设计

超声波发射电路采用基于MAX232的方波发射电路，利用MAX232的电荷泵输出±8.5V电压驱动超声波传感器。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。MAX232主要是用来进行电平转换，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器。由单片机产生相位相反的2个40KHz方波信号，并通过单片机P2.0和P2.1口输出。信号通过MAX232放大后叠加在超声波传感器两端，信号电压幅值大约17V，频率为40KHz，超声波传感器在这个电压的作用下，产生40KHz的超声波。具体电路如图3-2所示。

图3-2 超声波发射电路

3.4 超声波接收电路设计

超声波接收包括接收探头，信号放大器等部分，超声波接收探头必须与发射探头型号相同，否则可能导致接收效果不理想，甚至不能接收回波信号。由于超声波接收探头接收的回波信号非常弱，所以必须用放大器进行放大，本设计所用的放大器型号为TL074C，4运算放大器。没有接收到回波信号时，超声波接收电路的输出端为低电平，当接收到回波信号后，输出端由低电平变为高电平，且高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

具体电路如图3-3所示。

图3-3 超声波接收电路

3.5 HC-SR04超声波测距模块

HC-SR04超声波测距模块是将超声波发射探头、超声波接收探头、MAX232、TL074C及STC11等器件与超声波收发电路集成到的一起的一个超声波测距模块。可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。HC-SR04超声波测距模块的电气参数如表3-1所示。

HC-SR04基本工作原理：

(1)采用IO口TRIG触发测距，给最少10μs的高电平信号

(2)模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回

(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

表3-1 HC-SR04超声波测距模块的电气参数

电气参数HC-SR04超声波测距模块

工作电压DC 5 V

工作电流15mA

工作频率40kHz

最远射程4m

最近射程2cm

测量角度15度

输入触发信号10μs的TTL脉冲

输出回响信号输出TTL 电平信号，与射程成比例规格尺寸45×20×15mm

模块的接线方式如图3-4所示，VCC供5V电源,GND为地线，TRIG为触发控制信号输入，ECHO为回响信号输出口端。

图3-4 HC-SR04接线图

一个控制口发出一个10μs以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。

一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时间就为此次测距的时间，通过运算即可得出距离。这样不断的循环周期测量，就可以在不停地移动的过程中测量距离值了[2]。但是，为防止发射信号对回收信号的影响，HC-SR04超声波测距模块的测量周期最好定在60ms以上，所以本设计将计将测量周期定在80ms。

HC-SR04超声波测距模块的时序图如图3-5所示。

10μs的TTL

触发信号

HC-SR04超声波测距模块的时序图如图3-5所示。

循环发出8个40KHz的脉冲

模块内部发出信号

输出回响信号

回响电平输出与检测距离成正比

图3-5 HC-SR04超声波测距模块的时序图

图3-5表明只需要提供一个10μs以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

3.6 显示模块设计

在单片机系统中，最常用的显示器有：发光二极管，简称LED(Light Emitting Diode)；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器，简称VFD(Vacuum Fluorscents Display)。其中LED是一种极低功耗显示器，广泛应用于测量产品中。由于本课题不需要复杂的显示信息，所以选择的是LED显示模块，可以节约硬件资源，降低成本。

LED数码管里面有8只发光二极管，分别记作a、b、c、d、e、f、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3-6所示，而图3-7为实物图，其中引脚的排列因不同的厂商而有所不同。

图3-6 LED数码管引脚图图3-7 LED数码管实物图

市面上常用的LED数码管有两种即共阳极数码管与共阴极数码管。共阳极是数码管里面的发光二极的阳极接在一起作为公共引脚即公共阳极，在使用时此公共引脚接到电源正极。相反，共阴极就是数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚即公共阴极，在使用时此引脚接到电源负极。

单片机对数码管的显示可以分为静态显示和动态显示，静态显示能够稳定地显示数值，但是搭建电路时比较烦索。而动态显示是数码管轮流显示，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[14]。这种显示方式在数码管应用系统中应用的最为广泛，这也是本次设计中所应用的显示方法。

显示电路如下图3-8所示。

图3-8 LED数码管显示电路

3.7 报警电路设计

本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。本设计中，P37输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器两端获得约+5V电压而发出蜂鸣；当P37输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声[10]。报警电路如图3-9所示。

图3-9 报警电路

3.8单片机控制电路设计

3.8.1 主控芯片STC12C56

STC12C56是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM，8路高速10位A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。

主要功能特性：

指令代码完全兼容传统8051；

片上集成768字节RAM；

23个双向I/O口；

复位后为：准双向口/ 弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA；

采用 ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

具有看门狗电路，内部集成MAX810专用复位电路（外部晶振20M以下时，可省外部复位电路）；

共6个16位定时器/计数器，两个专用16位定时器T0和T1，PCA模块可再实现4个16位定时器；

2个时钟输出口，可由T0的溢出在P1.0输出时钟，可由T1的溢出在P1.1输出时钟；

通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12 系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口；

外部中断9路，下降沿中断或低电平触发中断，PCA模式可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中断，Power Down模式可由外部中断唤醒；

A/D转换，10位精度ADC，共8路；

工作温度范围：-40~+85℃；

本次使用的是STC12C5608AD单片机，具体引脚图如图3-10。

图3-10 STC12C5608AD单片机引脚图

STC12C5608AD单片机通过P1.0引脚控制发射电路发射超声波，回波信号传送给外中断0 (P3.2)，由P2.0~P2.7控制4位共阳LED数码管显示电路，报警电路由P3.7引脚控制。

第4章系统的软件设计

本设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序，程序主要由系统主程序和中断程序构成。主程序完成单片机的初始化，超声波的发射和接收、计算超声波发射点与障碍物之间的距离、数码管显示和蜂鸣器报警等。系统程序设计的主要的功能是发射超声波、接受超声波、计算测量距离、数据计算、蜂鸣器报警和数码管显示。

4.1 系统的主程序设计

整个系统的设计的关键是对距离进行测量的，然后通过单片机来处理测量数据是比较容易实现的，能精确的实现测距。在测距中，各种信号对声速的影响都将干扰到测距的准确性，其中超声波的余波信号对整个设计中测距的精确度的干扰的影响比较大。超声波接收回路中的超声波信号一共有两种波信号：第一种波信号为余波信号就是当发射探头发射出信号之后，超声波接收探头马上就接收到的超声波信号，实际就是超声波的发射信号；另一种波信号就是有效信号，即经过障碍物表面反射回来的超声波回波信号，也是所需要测量的距离数值。

在进行超声波测距时，实际上测距就是记录从超声波发射电路发射超声波信号开始到接收到信号的声波的往返时间差，然后通过数据计算出距离，对于回波信号需要进行检测的有效信号是反射物体反射的回波信号，所以要尽量避免在检测时候检测到余波信号[4]。余波就是在发射超声波时超声波信号直接到达接受探头的波信号，同时余波信号也是超声波测量时存在测量盲区的最主要的原因。

超声波接收电路在接收到超声波回波后，向单片机发出有效信号，单片机通过外部中断的改变记录回波信号的到达时间，中断发生之后就是表示已经接收到了回波信号，这个时候停止计时，并且读取计数器中的数值，这个数值就是需要进行测量的时间差的数据。

程序中对测距距离的计算方法是按上一章中提到的公式（3-2）进行计算的，其中，N为计数器的值，声速的值取为340 m/s。

综合以上的分析可以得到系统主程序的流程图，系统主程序流程图如图4-1

所示。

图4-1 系统主程序流程图