基于单片机汽车倒车测距仪的设计

本科毕业论文（设计、创作）

题目：基于单片机汽车倒车测距仪的设计

学生姓名：学号： 103402034 所在系院：专业：电子信息工程

入学时间： 2010 年 9 月导师姓名：职称/学位：副教授/硕士

导师所在单位：

完成时间： 2014 年 5 月

安徽三联学院教务处制

基于单片机汽车倒车测距仪的设计

摘要：在分析国内外基于单片机汽车倒车测距仪相关技术的基础上，结合最新的相关测距仪的研究成果，对超声波测距的汽车倒车测距系统进行了深入的探讨与研究。通过利用超声波传输中的距离与时间的关系，采用AT89S52单片机进行控制以及数据的处理,从而进行设计的能精确测量汽车车尾与障碍物间点与点距离的超声波测距仪，其能够比较精确测量我们所需的车后障碍物的距离。系统可分为测距模块、系统控制模块与LED显示报警模块,分别对此系统进行方案分析，初步构建了单片机汽车倒车测距仪构架与设计方案,在其硬件电路中，分析了运用单片机技术实现的可视倒车预警系统，阐述并分析了以单片机为主控单元的系统软件与硬件设计，并对该系统进行了试验和误差分析，能够基本上满足设计的需求。

关键字：测距仪；单片机；超声波传感器

The design range finder of car parking

based on microcomputer

Abstract：In the analysis of domestic and foreign-based microcontroller car reversing range finder based on relevant technologies, combined with the latest research results on ultrasonic distance measuring system car reversing conducted in-depth discussion and research. Through the use of the relationship between the distance between the ultrasonic transmission time using AT89S51 MCU control and data processing, and thus between the ultrasonic range finder designed to accurately measure the distance between points, which can more accurately measure the vehicle obstacle distance. The system can be divided ranging module, alarm system control module and display module and system solutions for this analysis were initially constructed single-chip architecture and design of the car parking finder program, in its hardware circuit, detailed account of the use of visual reversing warning system microcontroller technology, describes and analyzes the microcontroller as the main control unit system software and hardware design, and the system was tested and error analysis, Which can substantially meet the design, gives the corresponding stability and safety index of the system.

Key words: range finder; MCU; Ultrasonic sensors

目录

第一章绪论 (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (1)

1.3 研究内容及论文构成 (1)

第二章系统总体设计 (3)

2.1 方案设计与论证 (3)

2.1.1 控制器的选择 (3)

2.1.2 距离测量的器件选择 (3)

2.1.3 显示子系统设计 (3)

2.1.4 声音报警设计 (3)

2.2 系统的总体结构 (3)

第三章系统硬件设计 (5)

3.1 单片机控制电路设计 (5)

3.2 超声波发射及接收电路设计 (5)

3.2.1 超声波发射电路的设计 (6)

3.2.2 超声波接收器 (7)

3.3 LED显示及报警电路设计 (8)

3.4 本章小节 (9)

第四章系统软件设计............................... 错误！未定义书签。

4.1 主程序的设计............................... 错误！未定义书签。

4.2 中断处理程序设计........................... 错误！未定义书签。

4.3 测距模块设计............................... 错误！未定义书签。

4.4 显示及报警模块设计......................... 错误！未定义书签。第五章硬件组装与性能分析......................... 错误！未定义书签。第六章结论及展望................................. 错误！未定义书签。致谢............................................... 错误！未定义书签。参考文献........................................... 错误！未定义书签。附录 A硬件电路连接图............................. 错误！未定义书签。

附录 B主要程序清单 (19)

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

随着生活节奏的加快，汽车行业的逐渐普及，非职业汽车驾驶员渴望汽车倒车装置的出现，可以在一定程度上缓解驾驶员的一些担忧，从而提高了驾驶的安全性。此种需求可用单片机控制的汽车倒车测距仪来实现。本测距仪把单片机的各种功能及技术相结合，通过距离的显示滴答报警等，在听觉和视觉上共同达到驾驶员的要求，有利的缓解驾驶员在泊车和起动车辆时探视所引起的困扰，方便了驾驶，使驾驶的安全率提高。

1.2 国内外研究现状

本文所设计的汽车倒车测距仪实现了各部件有效的联系，具有精确测距及提示和报警的功能，且以蜂鸣器提示才真正开始的，因此很好操作。蜂鸣声的频率标志车辆离障碍物的远近。液晶荧屏动态显示能够有效地帮助驾驶员看清路况，因此作用明显。其动态显示，直接粘贴在仪表盘上，安装很方便，色彩清晰漂亮，外表美观。但在灵敏度方面要求很高，所以在一定程度上容易产生误报的现象。

魔幻镜倒车测距仪在目前测距仪市场上算是现在较先进的倒车测距仪，它是在取其精华，去其糟粕，综合前几代产品的优点，较完美的展现出来，设计而完成的。其可有效地测量2米以内的障碍物，能够显示并及时提醒驾驶员。把后视镜、温度显示、倒车雷达、免提电话和车内空气污染显示等多项功能整合在一起的魔幻镜倒车雷达，还有语音功能。其安装方便且不占空间。颜色款式各异，可自由装饰调配。随电子技术的发展，其相关技术日新月异，使高度信息化、电子化的车辆研制有了基础。该测距仪能通过测距、显示、报警、提示功能给司机提供优质服务，且不影响视觉效果，占用空间小。

1.3 研究内容及论文构成

论文内容及构成主要由以下部分组成：

第1章主要介绍了本研究测距仪的背景、意义及相关技术在国内外的研究现状。

第2章论述了系统的总体方案设计。本测距仪对测距系统传感器的选择、显示报警系统的方案设计的分析，并对本系统总的方案设计进行了模拟。

第3章系统硬件设计。对超声波传感器工作原理的分析，讨论测距模块中电

路硬件的设计，介绍了系统显示报警模块电路的设计。

第4章系统软件设计。对各个模块分别进行了软件设计。

第5章硬件及其性能分析。先对系统进行硬件组装及连接，接着对系统的性能误差进行论述。

第6章总结与展望。先对论文总体进行概括，继而进行总结，最后做了预测。

第二章系统总体设计

2.1 方案设计与论证

为实现汽车倒车防撞报警，本设计方案需要解决的方案，测量的器件，显示器件，数据芯片的选择。为达到所需精度则用传感器再经由合适的核心芯片处理，以下将分别论述。

2.1.1 控制器的选择

52系统单片机具有优良的特点，目前其技术也相当成熟且是一种功能强大的微控制器。总而言之，89S51有设计简单，体积小，安装简易，成本低等特点，所以此数据模块成为本系统进行设计的首选。

2.1.2 距离测量的器件选择

关于测距传感器，现在主要有以下几种：

（1）红外传感器。通过发出红外光，接收到前方物体的反射光，再接收数据，计算距离后，依此判断障碍物距离。

（2）激光测距。由于激光的特性中单色抗干扰好且有较强的方向性，对于检测可实现高精度值计量。

（3）超声波原理传感器，如蝙蝠。超声波传感器通过超声波的回波判断是否检测到物体。综合考虑时间干扰情况，此方案选用超声波传感器。

2.1.3 显示子系统设计

显示器应用广泛，其中LED发光二极管，设计简单易安装，低成本。与此相比较，CRT监视器、屏幕较大的LCD液晶屏是复杂、较完整的显示器，其成本不等。为简单设计，本论文采用LED实现显示功能。

2.1.4 声音报警设计

本论文用单片机产生一方波来控制。本论文设计采用市场廉价蜂鸣器来完成声音报警功能。

2.2 系统的总体结构

根据论文所需，系统硬件结构需要符合相关要求，因此系统总体结构框图如2.1所示。

图2.1 系统总体结构框图

第三章系统硬件设计

超声波传感器(俗称探头)、蜂鸣器、控制器和显示器成为此系统的组成部分。控制器的控制，通过采用超声波测距，由传感器发射超声波信号，产生回波信号的方法，当遇到障碍物，后经控制器进行综合数据处理，来判断障碍物的位置，并显示距离以用来发出警报，最后用以达到安全泊车的效果。

3.1 单片机控制电路设计

本论文设计采用AT89S52作为系统控制器。其能兼容标准8051指令系统及引脚，具有很大的实用性。且在编程方面非常的方便，AT89S51有很多标准功能。

图3.1 单片机最小系统

空闲方式时停止CPU工作，但定时器（计数器），及中断系统还可以工作。

单片机最小系统是指能让单片机工作时的最简单的电路，包括电源电路、振荡电路、复位电路，如图 3.1。

对于P0口，有两种不一样的功能。一是在8051不带片外存储器时，此时，需要输出数据锁存，不需外接专用锁存器，此时输入数据缓冲，增加数据输入可靠性。二是8051带片外存储器，在CPU访问片外存储器时，随后传送CPU对片外存储器读写的数据。对比而言P2口也有类似的功能。

3.2 超声波发射及接收电路设计

超声波测距原理（接收频率40KHZ左右)：

超声波测距原理是利用已知超声波在空气传播速度，测量声波在发出遇到障碍物反射回来的时间，根据时间差计算距离。

超声波传播轨迹是直线，且有较好的方向性、传播距离较远。利用超声波测量是一种非常有效的测距的方法。

在超声波测距时，向设置的前方发射超声波，同时启动定时器开始计时，若出现回波，则立即就停止计时。用时间t(s)。计算发射点（车距）距障碍物之间的距离为：

L=340×t(超声波在空气中的传播速度）/2=170×t (1)

的计数，时钟频率f osc取12MHz，设此定时器的计时方式是对机器周期T

机

计数值N，则

T机＝12/fosc=1ms，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。

3.2.1 超声波发射电路的设计

电路如图 3.2所示。

超声波发生器经由压电型超声换能器（相当于一只扬声器）把AT89S51产生的40Khz信号，由HCF4069六非门(反相器）放大经超声波发射模块转化为机械波向外界发射。

在操作时，单片机能由换能器转换为超声波向前方空间发射40KHZ标准超声波信号。

图3.2 超声波发生器

在操作时，单片机能由换能器转换为超声波向前方空间发射信号。

3.2.2 超声波接收器

超声波能量与空气中的传输距离远近成反比，因此在设计时要选择放大倍数较大的超声波接收电路，本文采用HCF4069ubc；为减小环境噪声对回波信号的干扰，回波易于被检测，选用带有良好滤波特性的电路。超声波接收电路则要具有完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能。

CX20106A为红外线遥控专用芯片，会对探头接到的信号进行滤波，放大总增益80DB。

图3.3 超声波接收机

在工作时，发出声波后启动中断，开始计收到时间，而后进行距离结果计算，再根据远近,控制LED显示和蜂鸣器报警。

3.3 LED显示及报警电路设计

发光二极管的缩写为LED。LED数码管由8只发光二极管组成，分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp为小数点。如图 3.4所示，图 3.5为其实物图，其引脚会有所不同。

图3.4 发光二极管引脚图图3.5 LED实物图

图3.6 共阳二极管图3.7 共阴二极管

利用人眼的“视觉暂留”特性，本实例采用动态扫描，这种显示方式无需存储，且AT89S51 本例资源足够，故选用此动态显示方法。

3.4 本章小节

总体硬件设计图如图 3.8所示。

图3.8 总体硬件设计图

如图 3.8所示，根据如图进行电路的链接，其中P2.0接蜂鸣器，用于报警提示。 Vcc为5V电源，供电只在倒车时才有。

第四章系统软件设计

硬件和软件的结合才能发挥本设计的功能，因此在梳理硬件电路后，须配合软件，方能实现本系统的功能。本设计可分为发送超声波、计算测量距离、显示测量距离等。

软件包括四个主要模块组成分别是主程序、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。

4.1 主程序的设计

首先经过对主程序进行操作后，然后通过对系统环境初始化，去置位回波接收标志，P3.2口输出40KHZ驱动超声波的发射电路，然后启动定时器T0。调用计算距离子程序，计算出待测距离，调用显示子程序，同时调用声音处理程序达到蜂鸣器的发声。最后通过回波信号接收，如此循环下去。

在测距时，超声波需要测的时间差为开始到结束的反射波，因此要避免检测到余波信号。余波是直达波，为超声测量的主因。

数据处理，按L=17×N/103=0.017×N(cm)来计算，其中，Ｎ为计数器的值，声速取为340m/s。

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

在系统初使化中，设定定时器0的工作方式是主要的，同时开总中断等。P2.3发出40KHz超声波，同时要打开定时器去计时。当回波信号接收时，则会把低电平给INT0后随后进入中断处理程序。继而主程序恢复初值，随后循环进行。4.2 中断处理程序设计

中断服务程序INT0对距离进行计算，部分程序流程图如图2所示。

图4.2 中断处理程序流程图

中断处理程序进行距离的计算。在定时器0里可知超声波的传播时间，从而算出障碍物离车尾的距离，最后把距离值调到其它模块进行处理，随即完成此操作。

4.3 测距模块设计

由L=17×N/103=0.017×N(cm)，算出距离数值，此过程仅需知道从发送到接收到超声波定时器0的计数次数N。

超声波发生器要得到主程序发送的信号，需打开总中断和定时器0。信号接收后INT0为低电平。停止定时器的计时在检测到该信号后，去统计定时器的计数次数，从而可得到以cm为单位的距离值。

4.4 显示及报警模块设计

LED采用共阳极的连接方式且能够显示距离，同时与P0口连接进行段扫描。所以这个显示过程是在外部中断0发生后进行。

根据计算出的距离大小，来对蜂鸣器的频率进行控制。在距离小于某一特定距离时，距离越小蜂鸣器的鸣叫速度越快；在距离小于1.1m时，就会发出长鸣声，此过程可用AT89S51单片机来实现操作。

第五章硬件组装与性能分析

超声波测距传感器为本设计的主体，硬件组装与连线如下：

P0口接在四位八段数码管的8个引脚上，随后进行段扫描。

P2口的P2.1~P2.4控制四位数码管片。

P3.6有控制声音的播报作用。

INT0接超声波接收器，可用来判断超声波接收到回波的信号，并可使计数器停止计时。

接受到回波的时间差是测距时需要的关键数据，在检测有效信号时避免检测到余波信号的干扰，余波干扰也是超声测量的主要干扰。在理论上中本论文设计存在误差，一般可控范围是是20cm。这在一定程度上传感器的驱动功率、测量方法对超声波测距所能测的距离大小有关。

由于器件选择，距离的计算，以及安装，环境影响会产生一定的误差，但我们要尽量减小误差，就可能产生误差的原因进行分析。

（1）环境温度引起的误差

气候为误差产生的主因，声速V随环境温度T变化,其计算公式为：

V=335.5+0.607T(m/s) (5-1) 根据数据计算，当温差30o C左右时，误差大概在18cm。本论文设计没有采用温度补偿，对近距离主要是起到警报的作用，故没采用温度补偿来节约成本。

（2）料质所带来的误差

表面光滑的材料比粗糙材质测量结果要好很多，在反射物体表面较粗糙时，会引起回波信号减弱，此时产生的测量数据就会有差异，则结果误差增大。

（3）对超声波波束入射角的影响

障碍物、探头、保险杠三者之间角度不到90度时，此时系统测量到的是障碍物与探头间的距离，但不是其与保险杠的垂直距离，此时则会造成测量上有一定的误差，给数据带来偏差。在障碍物的距离较小时，此将为距离测量误差来源的重要组成部分，误差减小，可通过增加探头个数去减小误差。在一般情况下，汽车上会安装4个以上的探头。

（4）直达波影响

直达波的干扰用软件来消除。自动忽略结果，则是在芯片一旦判定收到的超

声波信号，且是声波衍射返回信号的时候，判断其否为有效，有则尽心处理，反之，则进行新一次的测量。

第六章结论及展望

本设计是基于89S51单片机且是以超声波测距为主的报警系统。以单片机为控制核心，由超声波传感器采集数据，通过AT89S51快速计算出障碍物距离车尾的距离，并显示距离并及时的发出语音报警，不仅为安全泊车提供帮助，也为当代司机大众提供安全的保障，更在一定程度上为治安、人民财产安全提供保障。

此论文可在下面进行完善：

(1) 基于探头的限制，高温高压等恶性环境，因此测量时误差会增大，可更换合适的探头。

(2) 动态性能不高，因为当被测物的速度较小时，此时实现跟踪测量，但当移动速度过快且大时，则测量误差随之增大。

(3)没有采用温度补偿，若系统中加入温度补偿的方法，则将使整个系统发展到另一个层次。

(4) 本设计技术一般，在加入模糊控制系统情况下，则会出现不一样的发展前景。汽车倒车测距仪的设计范围广泛，涉及面广，随着技术在不断的进步中，此设计会得到进一步发展