汽车倒车测距仪毕业设计论文

密级：公开

汽车倒车测距仪的研究Design for the Car Parking Sensor

学院：信息科学与工程学院

专业班级：电子信息工程XXXX班

学号：XXXX

学生姓名：XXX

指导教师：XXX （副教授）

2012年6 月

摘要

随着社会经济的发展，交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大幅攀升，交通拥挤状况也日趋严重，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势在必行。

本文介绍了一种基于80C51单片机控制的汽车倒车测距仪。采用超声波测距技术与单片机技术相结合，利用超声波传输中距离和时间的关系运算，80C51单片机计算出车后的障碍物与汽车尾部的距离，并通过数码显示车后的障碍物与汽车尾部的距离远近，实时发出报警信号，使驾驶员能时刻了解倒车时车后的环境并采取积极有效措施，从而大大提高了驾驶的安全性。

文章对总体设计思想进行了论述，分析了系统主要功能并以系统硬件设计框图的形式体现，进行了方案选择与方案论证。完成了硬件电路的设计，描述了各模块电路的组成，其中包括超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、蜂鸣器报警电路等，分析了电路中所用芯片的主要功能及各部分电路的工作原理。

本设计通过对各模块的硬件和软件的设计，基本能够达到设计要求，满足汽车倒车安全指标。

关键词：超声波；单片机；测距

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Abstract

With the development of social economy, transportation industry is booming. The number of cars climbed sharply, traffic congestion has become more and more serious. Crash ongoing caused the inevitable personal casualty and economic loss. In this kind of situation, design a kind of fast response, high reliability and more economical car crash warning system is imperative.

This paper introduces a kind of Car Parking Sensor based on 80C51 single chip microcomputer. Using ultrasonic transmission distance and time relationship operations, along with the ultrasonic ranging technology and single chip microcomputer combined, 80C51 single chip computer calculate the distance between the obstacles and the rear of the car, showing the distance with Digital tube and sending real-time warning signal. This made the driver can always know the environment reverse of the car and take positive and effective measures, which greatly improve the driving safety.

It discusses the overall design thought, analyses the main function and show the hardware design of the system with a diagram, and give the plan selection and scheme comparison. Completed the design of the hardware circuit, described the module of the circuit component, which include the ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, display circuit, the buzzer warning circuit. Analysis of the main function of the chip used in the circuit and the works for various parts of the circuit.

Through the design for the software and hardware of each module, it can basically meet the design requirements and the reversing safety indicators.

Keywords: ultrasonic; single chip microcomputer; ranging

II

目录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... I I 第1章绪论 .. (1)

1.1 课题研究的意义和背景 (1)

1.2 国内外发展现状 (1)

1.3 研究内容及论文构成 (2)

第2章设计思想及方案论证 (4)

2.1 方案选择 (4)

2.1.1 测距传感器模块 (4)

2.1.2 显示模块 (5)

2.1.3 报警模块 (5)

2.2 系统总体设计思想 (5)

2.3 本章小结 (6)

第3章硬件电路设计 (7)

3.1 超声波发射及接收电路设计 (7)

3.1.1 超声波的介绍 (7)

3.1.2 超声波的特点 (7)

3.1.3 超声波的应用 (7)

3.1.4 超声波传感器 (8)

3.1.5 超声波测距原理 (8)

3.1.6 超声波发射电路设计 (10)

3.1.7 超声波接收电路设计 (10)

3.1.8 HC-SR04超声波测距模块 (11)

3.2 显示模块设计 (14)

3.3 报警电路设计 (15)

3.4 单片机控制电路设计 (16)

3.4.1 主控芯片STC12C56 (16)

3.4.2 时钟电路 (17)

3.4.3 复位电路 (18)

3.5 本章小结 (19)

I

第4章系统的软件设计 (20)

4.1 系统的主程序设计 (20)

4.2 系统的子程序设计 (22)

4.2.1 中断处理程序 (22)

4.2.2 蜂鸣器分段报警程序 (23)

4.3 本章小结 (24)

第5章硬件组装及调试 (25)

5.1 硬件组装及调试 (25)

5.2 误差原因分析 (26)

5.3 本章小结 (27)

第6章结论 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

附录1 单片机整体电路原理图 (31)

附录2 超声波测距模块原理图 (32)

附录3 程序清单 (33)

II

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。

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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NA VI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 研究内容及论文构成

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。

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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章为硬件组装及调试。对汽车倒车测距仪的硬件进行了组装与调试，并进行了实地测量，对产生误差的可能原因进行了分析，给出减小误差的方法。

第6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。

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第2章设计思想及方案论证

2.1 方案选择

2.1.1 测距传感器模块

目前常见的测距传感器，主要有红外传感器、激光传感器、超声波传感器。按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择：

方案一：红外传感器测距

其原理是传感器的红外发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体的反射光，接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物并根据接收信号的强弱判断物体的距离。

方案二：激光传感器测距

它是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距仪和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。

方案三：超声波测距

超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。其原理犹如蝙蝠，从嘴里发出超声波，当超声波遇到小昆虫时，它的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置并予以捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接受来判断是否检测到物体的。

根据以上的性能比较，我们能看出激光传感器是比较理想的选择，但是其价格较高，不易为大众所接受。考虑到车辆行驶过程中，测距应当有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，最终选择方案三。

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2.1.2 显示模块

方案一：LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二极管数码显示器。对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号[16]。LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。

方案二：点阵字符型液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，可以显示数字和西文字符。液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的代码，显示方便且显示质量高、功耗低，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

鉴于本次设计只需显示车后障碍物距离车尾的距离，显示内容比较简单，LED数码管可完全满足设计要求，且价格低廉，因此选择LED数码管显示模块。

2.1.3 报警模块

报警模块可选择蜂鸣器或者语音模块。蜂鸣器比较简单，只能发出不同频率的蜂鸣声音；语音模块可根据需求发出各种不同的语音。本次设计仅需在车后障碍物与车尾距离到达预先设定不同距离范围内时发出不同频率的警报音，蜂鸣器完全可以满足设计要求，故选择蜂鸣器来实现报警功能。

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）。

系统的总体结构框图如图2-1所示。

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图2-1 系统总体结构框图

2.3 本章小结

本章阐述了总体设计思想，通过系统硬件设计框图，表述了各部分之间的逻辑关系，也表明了设计所要完成的任务。通过方案的对比与论证，最终确定使用超声波测距模块进行距离测量，使用LED 数码管作为显示模块，使用蜂鸣器报警。

障碍物

超声波 发送模块

超声波 接收模块

单片机

倒车挡

LED 显示模块

蜂鸣器报警

第3章硬件电路设计

倒车测距仪由超声波传感器（俗称探头）、控制器、显示器和蜂鸣器等部分组成。倒车测距仪采用超声波测距方法，在控制器的控制下由传感器发射超声波信号，当遇到障碍时，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，由显示器显示距离并根据距离发出警报信号，从而达到安全泊车的目的。

3.1 超声波发射及接收电路设计

3.1.1 超声波的介绍

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。

(4) 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

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。

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(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。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

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。

3.1.5 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。

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T

R L

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f osc 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。

3.1.6 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

3.1.7 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。

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具体电路如图3-3所示。

图3-3超声波接收电路

3.1.8 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。

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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，V CC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

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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

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

13

14 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。

3.2 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