基于单片机的倒车雷达设计
摘 要
随着社会经济的发展，交通运输业日益兴旺，汽车的数量大幅攀升。交通拥挤状况也日益严重，倒车撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人生伤亡和经济损失，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，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。
本文在查阅、分析国内外倒车雷达系统相关技术的基础上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨和研究。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达预警系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块，相关部分附有硬件电路图、程序流程图。
关键词 AT89C51 超声波 测距 倒车雷达
DESIGN OF REVERSING RADAR
BASED ON MCU
ABSTRACT
With the development of science and technology, the improvement of people's standard of living, speeding up the development and construction of the city. urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction. Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core.
Based on the analysis of domestic consulting, reverse radar system on the basis of relevant technology, combining the latest research results of the based on ultrasonic ranging back-draft radar warning system is discussed and studied. This system is divided into rangefinder module, the system control module and display alarming module, and carries on the analysis, to construct the backing of the early-warning radar system architecture and design scheme, In the hardware circuit, at the core of the design using AT89C51low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module.
KEY WORDS AT89C51 ultrasonic sensors measure distance reversing radar
毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日
毕业论文（设计）版权使用授权书
本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为 。
论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日
目 录
中文摘要 ............................................................................................................................................... I 英文摘要 ............................................................................................................................................. II 1绪论 . .................................................................................................................................................... 1 1.1
1.2倒车雷达的研究背景和意义 . ................................................................................... 1 倒车雷达的发展过程及其现状 .............................................................................. 1 2系统设计方案 ............................................................................................................................... 3
2.1测距系统设计思路 ......................................................................................................... 3
2.1.1超声波概述 .................................................................................................................. 4
2.1.2超声波测距原理 ......................................................................................................... 5
2.2控制系统设计思路 ......................................................................................................... 7
2.3显示报警系统的设计思路 ......................................................................................... 7
2.4系统设计方案 . ................................................................................................................... 8 3倒车雷达系统硬件设计 .......................................................................................................... 9
3.1超声波测距模块的设计 .............................................................................................. 9
3.1.1超声波发射模块的设计 . ........................................................................................... 9
3.1.2超声波接收模块的设计 . ......................................................................................... 11
3.1.3温度补偿电路 . ........................................................................................................... 14
3.2报警显示模块的设计 . ................................................................................................. 15
3.2.1蜂鸣器报警电路 ....................................................................................................... 16
3.2.2 LCD显示电路 . .......................................................................................................... 16
3.3电源模块的设计 ............................................................................................................ 17
3.4复位和晶振电路模块 . ................................................................................................. 18 4系统软件的设计 ........................................................................................................................ 20
4.1超声波发送子程序及超声波接收中断子程序 . ............................................ 21
4.2测温子程序 . ...................................................................................................................... 22
4.3距离计算子程序 ............................................................................................................ 23
4.4显示报警子程序 ............................................................................................................ 24 5系统调试及误差分析 . ............................................................................................................. 25
5.1声速引起的误差 ............................................................................................................ 25
5.2单片机时间分辨率的影响 ....................................................................................... 25
5.3提高测距精度的方法 . ................................................................................................. 26 6总结 . .................................................................................................................................................. 27 致谢 . ...................................................................................................................................................... 28 参考文献 ............................................................................................................................................ 29 附录 . ...................................................................................................................................................... 30
1 绪论
近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加，我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐渐增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤，在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。基于此，本文所设计的倒车雷达预警系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。该系统将微型计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可检测汽车倒车，其障碍物与汽车的距离，并根据障碍物与车尾的距离远近实时发出报警。
1.1 倒车雷达的研究背景和意义
随着汽车的迅速增加，停车难已经是个不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。“往后倒一点，再往后，打方向盘，打多了，回一点再倒，好，停。”相信一般的车主在停车场泊位时，都会遇到车辆保管员的“热情招呼”。车技纯熟的倒也与人工提示配合默契；车技一般、方向感较差的，就经常使负责指挥的那位人士高度紧张，脾气急躁的还少不了挤兑车主几句。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
1.2 倒车雷达的发展过程及其现状 在几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展。 第一代：倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意”想必不少人还记得这种声音，只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，这就是倒车雷达的第一代产品。第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统
的真正开始。倒车时，如果车后1.8米~1.5米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有0.8米以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6~0.8米；红色代表危险距离， 表示离障碍物只有不到0.6米的距离，你必须停止倒车。第四代：液晶荧屏动态显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。此产品实现动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。第六代：整合影音系统。它在第五代产品的基础上新增了很多功能，是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看 DVD 影像。
可以说倒车雷达在人们的生活中已经有着举足轻重的地位。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R 挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠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，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。整个过程，驾驶者无须回头便可知
车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。
2 系统设计方案
各模块所完成的具体功能如下：
(1)测距系统模块：针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。
(2)控制系统模块：本系统以单片机 [1]为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。
(3)显示报警系统模块：显示与障碍物间的距离及报警以提醒驾驶员。
2.1 测距系统设计思路
倒车雷达可以通过不同的测距方式能很好的解决停车时因视线不清而造成倒车不便，主要采用的是超声波测距技术 [2]，挂倒档时接通倒车雷达的电源，利用换能器(超声波传感器) 的压电特性，间断以频率40KHz 的电压激发压电片，该压电片随即由电能转换成机械能(40KHz超声波) 并发射出去，当发射出去的声波接触物体时，根据声波的反射性原理，会反射回微弱声波信号给超声波传感器，
换能器即将所接收的微弱声波振动信号转化成为电信号，经信号放大处理后，传送至微处理器，微处理器就可计算车与该物体之距离，并显示出来，再由微处理器判断决定是否对构成危险的目标按不同程度进行警示提醒。
2.1.1 超声波概述
所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到16-20千赫（KHZ ）的声波，低于16千赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波），在工业中应用主要采用纵向振荡。它可以在气体、液体和固体中传播，超声波在空气中的传播速度约为340m/s （常温下）。为了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，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。常用的超声波传感器可以分为二大类，一是用电气方式产生超声波，如压电式、磁致伸缩式超声波发生器；二是用机械方式产生超声波，有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
超声波传感器的主要性能指标 [3]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，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。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。主要取决于压电晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波，反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这
时它就成为超声波接收器了。压电式超声波传感器在40KHz 处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz 处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz 两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz 的交流电压来激励。
超声波在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下几个原因:
（1）具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。
（2）在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。
（3）超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。
（4）超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz 及40-45KHz 。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。
2.1.2 超声波测距原理
目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间t 。（如图2-2，2-3所示）。
图2-3 发射接收波形
超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、检测迅速、方便、计算单、易于做到实时控制等优点 [4]，经常用于距离的测量。超声波脉冲反射式测距原理是通过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时，途中碰到障碍物就立即返射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波脉冲反射式测距原理[5]公式如（2.1）：
（2.1） s =ct /2
其中：s 为发射点与障碍物之间的距离；t 为计时器记录的测出发射和接收回波的时间差；c 为超声波在空气中的传播速度。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。限制倒车雷达系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。超声波的传播速度c 并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为（2.2）：
c =
（2.2） γRT M =c 0+T 273K
式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。
R ——气体普适常数，为8.314kg/mol。
T ——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。
M ——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol。
c 0——0℃时的声波速度，为331.4m/s。
由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系。温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0℃时的速度为332m/s，30℃时的速度为350m/s，相差18m/s。因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。因此，需要通过温度补偿的方法加以校正。
2.2 控制系统设计思路
控制系统以单片机为控制核心，我们学过51单片机，对它的功能及其应用也比较熟知。
51系列单片机采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU ，4kB 的ROM ，256 B的RAM ，2个16b 的定时／计数器TO 和T1，4个8 b的I ／O 端I ：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash 可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
5l 系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条I ／O 线；2个16b 定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。
空闲方式：CPU 停止工作，而让RAM 、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式：保存RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
2.3 显示报警系统的设计思路
显示器应用极为广泛，是一种输出设备，一般常用的包括数码管显示和LCD 液晶显示。数码管显示内容单一，液晶则比较丰富；数码管一般就是一个7段的
8字，当然多的有16段的中间米字型的，液晶可以显示各种内容。数码管是自发光的，液晶是靠背光环境的。数码管是LED 发光的效果，液晶是分子偏转引起的暗影效果，数码管比液晶耗电。
报警装置一般有源蜂鸣器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员；语音报警，给予驾驶员语音提示；声光报警，给予驾驶员以声音提示，并且发光来提示驾驶员。
2.4 系统设计方案
要完成整个倒车雷达系统的设计，需要单片机控制核心，超声波发射模块，超声波接收模块，温度补偿电路，报警电路以及显示电路这几个模块（图2-4）。
图2-4 系统设计框图
该倒车雷达系统的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。单片机(AT89C51)发出短暂的40KHz 信号，经放大后通过超声波发射器输出；反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t ，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LCD 显示电路进行显示，当距离小于安全距离时，并进行蜂鸣器报警。
3 倒车雷达系统硬件设计
本章讲述倒车雷达系统的各个模块的设计和主要元器件的介绍。倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统。它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。包括测距系统设计(超声波发送接收及测温系统) 、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。其中，测距系统由超声波发射模块、超声波接收模块及温度补偿模块构成；控制系统设计主要采用AT89C51，用12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口控制发射和停止输出超声波换能器所需的40KHz 的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示报警系统设计主要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和LCD 显示电路进行设计。以下就各模块的电路图、功能及设计思路作详细说明。
3.1 超声波测距模块的设计
超声波测距系统模块由超声波发射、超声波波接收电路及温度补偿电路组成，其主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压辐值，有效地进行电、声转换，增大超声波的发射距离。并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号，供单片机进行处理。
3.1.1 超声波发射模块的设计
超声波发送模块包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用压电式 [6]，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入
至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路（如由555振荡）产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。为了节约成本和提高发射的灵活性，本设计采用了利用软件产生40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波的方法发射超声波信号。
常用的驱动放大电路主要有以9012三极管为驱动放大 [7]和用74LS04组成的驱动放大电路 [8]。以单个三极管驱动放大能力有限，以反相器组成的单元能够达到驱动要求，因此，本设计采用了以74LS04组成的驱动放大电路。74LS04为六组反相器，它的工作电压5V 。
编程由单片机ATC89C51的端口输出40KHz 左右的方波脉冲信号，由单片机端口输出功率不够，40KHz 方波脉冲信号分成两路，送给一个由74LS04组成的推免式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器以声波形式发射到空气中。如图3-1所示：
图3-1 超声波发射电路
一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽 [9]形式将脉冲信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。
图3-2 超声波发射电路等效电路图
单片机端口输出40kHz 方波信号，考虑到单片机端口的输出电压为5V ，其驱动能力达不到要求，所以采用推挽形式用4个反相器（图3-2）将方波信号加到超声波换能器两端，使得超声波发射器得到足够的能量，同时为了保证信号上升沿、下降沿的同步，还要求4个反相器是来自同一个芯片上。一路经一级反相器送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力提高从而提高驱动能力也能增强接收信号，抑制其他噪声与干扰，超声波发射探头两端产生的振荡波近似于方波。上拉电阻R6 和 R7一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。
3.1.2 超声波接收模块的设计
超声波接收模块一般有由LM567通用音调译码器构成的接收电路 [10]，检波电路和单稳态延时电路构成的接收电路，以及专用集成前置放大器CX20106 [11]构成的接收电路。本设计采用以专用集成前置放大器CX20106A （图3-3）构成的接收电路。
集成电路CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz
较为接近，因为当CX20106A 接受到40KHZ 的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，可以利用它制作超声波接收电路。
图3-3 CX20106A内部结构
用CX20106A 接收超声波(无信号时输出高电平) ，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
图3-4 CX20106A引脚
CX20106A 的引脚（图3-4）注释：
l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40K 。
2脚：该脚与GND 之间连接RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R 或减小C ，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7K，C=3.3μF 。
3脚：该脚与GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF 。
4脚：接地端。
5脚：该脚与电源端VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200K时，fn ≈42kHz ，若取R=220K，则中心频率f0≈38kHz 。
6脚：该脚与GND 之间接入一个积分电容，标准值为330pF ，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22K ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。
8脚：电源正极，4.5V ～5V 。
超声波接收如图3-5：
图3-5 超声波接收电路
超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz 毫伏级的电压信号，需要经过大、处理、用于触发单片机中断INT0。一方面传感器输出信号微弱，同时根
据反射条件不同信号大小变化较大，需要放大倍数大约为100到5000倍，另一方面传感器输出阻抗较大，这就需要高输入阻抗的多级放大电路。当接收探头接收到回波后把超声波信号转变为微弱的电信号，再经过CX20106A 放大、滤波，在遥控命令输出端输出。由于它是采用集电极开路的输出方式，因此该输出引脚必须接上一个上拉电阻到电源端。超声波接收子程序的流程是：利用IN 中断检测回波信号，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会输出低电平。即在INT0产生一个下降沿信号，此信号作为单片机的中断信号。单片机响应中断后，读取单片机内部定时器的时间，计算距离，保存最终结果后打开外部中断，等待下次测量。
3.1.3 温度补偿电路
温度补偿电路采用美国达拉斯(Dallas)公司的单线数字温度传感器芯片
DS18B20作为温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同。DS18B20 [12]可直接将被测温度转化成数字信号。 以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。
DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点 ：
（1）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
（2）测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为-55 ℃ ~+ 125 ℃； 在-10~+ 85°C 范围内，精度为± 0.5°C 。
（3）在使用中不需要任何外围元件。
（4）多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。
（5）供电方式灵活，DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
（6）测量参数可配置DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9~12位。
（7）负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
（8）掉电保护功能DS18B20内部含有EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的测温系统。温度补偿电路图3-6：
图3-6 温度补偿电路
DSl8 B20采用单总线方式和C5 l单片机相连，即DSl8 B20的l 脚接地，3脚接VCC ，2脚接至AT89C51的P 1.0引脚，同时为了保证有足够能力驱动负载，系统采用外部电源直接供电方式，单线总线上加一个4.7 k的上拉电阻R4，完成对DSl8B20总线的上拉。主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM 指令，最后发送RAM 指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。通过DSl8820后单片机可以实时采集温度值，在进行测量时将温度补偿给波速，从而计算出该温度下的超声波速度。
3.2 报警显示模块的设计
在驾驶员倒车时，需要显示器显示出车距离障碍物的距离，这样才能使驾驶员倒车时心中有数，且当车辆迫近障碍物时，需要声音报警装置给予驾驶员以警示，提醒驾驶员已经迫近障碍物，保证车辆及人身安全，由此可见，报警显示模块在倒车雷达中是由不可缺的。常见的显示器主要有数码显示和液晶显示，而声音报警模块则包括蜂鸣器报警，语音报警，声光报警等。本设计采用了LCD 显示 [14]（轻薄短小，分辨率高，可显示汉字等各种符号的优点）和蜂鸣器报警电路 [15]来提醒驾驶员。
基于单片机的倒车雷达设计
摘 要
随着社会经济的发展，交通运输业日益兴旺，汽车的数量大幅攀升。交通拥挤状况也日益严重，倒车撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人生伤亡和经济损失，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，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。
本文在查阅、分析国内外倒车雷达系统相关技术的基础上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨和研究。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达预警系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块，相关部分附有硬件电路图、程序流程图。
关键词 AT89C51 超声波 测距 倒车雷达
DESIGN OF REVERSING RADAR
BASED ON MCU
ABSTRACT
With the development of science and technology, the improvement of people's standard of living, speeding up the development and construction of the city. urban drainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However, due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction. Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core.
Based on the analysis of domestic consulting, reverse radar system on the basis of relevant technology, combining the latest research results of the based on ultrasonic ranging back-draft radar warning system is discussed and studied. This system is divided into rangefinder module, the system control module and display alarming module, and carries on the analysis, to construct the backing of the early-warning radar system architecture and design scheme, In the hardware circuit, at the core of the design using AT89C51low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module.
KEY WORDS AT89C51 ultrasonic sensors measure distance reversing radar
毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日
毕业论文（设计）版权使用授权书
本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为 。
论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日
目 录
中文摘要 ............................................................................................................................................... I 英文摘要 ............................................................................................................................................. II 1绪论 . .................................................................................................................................................... 1 1.1
1.2倒车雷达的研究背景和意义 . ................................................................................... 1 倒车雷达的发展过程及其现状 .............................................................................. 1 2系统设计方案 ............................................................................................................................... 3
2.1测距系统设计思路 ......................................................................................................... 3
2.1.1超声波概述 .................................................................................................................. 4
2.1.2超声波测距原理 ......................................................................................................... 5
2.2控制系统设计思路 ......................................................................................................... 7
2.3显示报警系统的设计思路 ......................................................................................... 7
2.4系统设计方案 . ................................................................................................................... 8 3倒车雷达系统硬件设计 .......................................................................................................... 9
3.1超声波测距模块的设计 .............................................................................................. 9
3.1.1超声波发射模块的设计 . ........................................................................................... 9
3.1.2超声波接收模块的设计 . ......................................................................................... 11
3.1.3温度补偿电路 . ........................................................................................................... 14
3.2报警显示模块的设计 . ................................................................................................. 15
3.2.1蜂鸣器报警电路 ....................................................................................................... 16
3.2.2 LCD显示电路 . .......................................................................................................... 16
3.3电源模块的设计 ............................................................................................................ 17
3.4复位和晶振电路模块 . ................................................................................................. 18 4系统软件的设计 ........................................................................................................................ 20
4.1超声波发送子程序及超声波接收中断子程序 . ............................................ 21
4.2测温子程序 . ...................................................................................................................... 22
4.3距离计算子程序 ............................................................................................................ 23
4.4显示报警子程序 ............................................................................................................ 24 5系统调试及误差分析 . ............................................................................................................. 25
5.1声速引起的误差 ............................................................................................................ 25
5.2单片机时间分辨率的影响 ....................................................................................... 25
5.3提高测距精度的方法 . ................................................................................................. 26 6总结 . .................................................................................................................................................. 27 致谢 . ...................................................................................................................................................... 28 参考文献 ............................................................................................................................................ 29 附录 . ...................................................................................................................................................... 30
1 绪论
近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加，我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐渐增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤，在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。基于此，本文所设计的倒车雷达预警系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。该系统将微型计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可检测汽车倒车，其障碍物与汽车的距离，并根据障碍物与车尾的距离远近实时发出报警。
1.1 倒车雷达的研究背景和意义
随着汽车的迅速增加，停车难已经是个不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。“往后倒一点，再往后，打方向盘，打多了，回一点再倒，好，停。”相信一般的车主在停车场泊位时，都会遇到车辆保管员的“热情招呼”。车技纯熟的倒也与人工提示配合默契；车技一般、方向感较差的，就经常使负责指挥的那位人士高度紧张，脾气急躁的还少不了挤兑车主几句。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
1.2 倒车雷达的发展过程及其现状 在几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展。 第一代：倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意”想必不少人还记得这种声音，只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，这就是倒车雷达的第一代产品。第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统
的真正开始。倒车时，如果车后1.8米~1.5米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有0.8米以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6~0.8米；红色代表危险距离， 表示离障碍物只有不到0.6米的距离，你必须停止倒车。第四代：液晶荧屏动态显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。此产品实现动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。第六代：整合影音系统。它在第五代产品的基础上新增了很多功能，是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看 DVD 影像。
可以说倒车雷达在人们的生活中已经有着举足轻重的地位。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R 挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠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，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。整个过程，驾驶者无须回头便可知
车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。
2 系统设计方案
各模块所完成的具体功能如下：
(1)测距系统模块：针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。
(2)控制系统模块：本系统以单片机 [1]为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。
(3)显示报警系统模块：显示与障碍物间的距离及报警以提醒驾驶员。
2.1 测距系统设计思路
倒车雷达可以通过不同的测距方式能很好的解决停车时因视线不清而造成倒车不便，主要采用的是超声波测距技术 [2]，挂倒档时接通倒车雷达的电源，利用换能器(超声波传感器) 的压电特性，间断以频率40KHz 的电压激发压电片，该压电片随即由电能转换成机械能(40KHz超声波) 并发射出去，当发射出去的声波接触物体时，根据声波的反射性原理，会反射回微弱声波信号给超声波传感器，
换能器即将所接收的微弱声波振动信号转化成为电信号，经信号放大处理后，传送至微处理器，微处理器就可计算车与该物体之距离，并显示出来，再由微处理器判断决定是否对构成危险的目标按不同程度进行警示提醒。
2.1.1 超声波概述
所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到16-20千赫（KHZ ）的声波，低于16千赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波），在工业中应用主要采用纵向振荡。它可以在气体、液体和固体中传播，超声波在空气中的传播速度约为340m/s （常温下）。为了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，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。常用的超声波传感器可以分为二大类，一是用电气方式产生超声波，如压电式、磁致伸缩式超声波发生器；二是用机械方式产生超声波，有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
超声波传感器的主要性能指标 [3]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，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。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。主要取决于压电晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波，反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这
时它就成为超声波接收器了。压电式超声波传感器在40KHz 处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz 处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz 两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz 的交流电压来激励。
超声波在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下几个原因:
（1）具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。
（2）在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。
（3）超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。
（4）超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz 及40-45KHz 。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。
2.1.2 超声波测距原理
目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间t 。（如图2-2，2-3所示）。
图2-3 发射接收波形
超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、检测迅速、方便、计算单、易于做到实时控制等优点 [4]，经常用于距离的测量。超声波脉冲反射式测距原理是通过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时，途中碰到障碍物就立即返射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波脉冲反射式测距原理[5]公式如（2.1）：
（2.1） s =ct /2
其中：s 为发射点与障碍物之间的距离；t 为计时器记录的测出发射和接收回波的时间差；c 为超声波在空气中的传播速度。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。限制倒车雷达系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。超声波的传播速度c 并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为（2.2）：
c =
（2.2） γRT M =c 0+T 273K
式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。
R ——气体普适常数，为8.314kg/mol。
T ——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。
M ——气体相对分子质量，空气为28.8×10-3kg/mol。
c 0——0℃时的声波速度，为331.4m/s。
由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出波速与温度的关系。温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0℃时的速度为332m/s，30℃时的速度为350m/s，相差18m/s。因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。因此，需要通过温度补偿的方法加以校正。
2.2 控制系统设计思路
控制系统以单片机为控制核心，我们学过51单片机，对它的功能及其应用也比较熟知。
51系列单片机采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU ，4kB 的ROM ，256 B的RAM ，2个16b 的定时／计数器TO 和T1，4个8 b的I ／O 端I ：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash 可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
5l 系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条I ／O 线；2个16b 定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。
空闲方式：CPU 停止工作，而让RAM 、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式：保存RAM 的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
2.3 显示报警系统的设计思路
显示器应用极为广泛，是一种输出设备，一般常用的包括数码管显示和LCD 液晶显示。数码管显示内容单一，液晶则比较丰富；数码管一般就是一个7段的
8字，当然多的有16段的中间米字型的，液晶可以显示各种内容。数码管是自发光的，液晶是靠背光环境的。数码管是LED 发光的效果，液晶是分子偏转引起的暗影效果，数码管比液晶耗电。
报警装置一般有源蜂鸣器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员；语音报警，给予驾驶员语音提示；声光报警，给予驾驶员以声音提示，并且发光来提示驾驶员。
2.4 系统设计方案
要完成整个倒车雷达系统的设计，需要单片机控制核心，超声波发射模块，超声波接收模块，温度补偿电路，报警电路以及显示电路这几个模块（图2-4）。
图2-4 系统设计框图
该倒车雷达系统的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。单片机(AT89C51)发出短暂的40KHz 信号，经放大后通过超声波发射器输出；反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t ，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LCD 显示电路进行显示，当距离小于安全距离时，并进行蜂鸣器报警。
3 倒车雷达系统硬件设计
本章讲述倒车雷达系统的各个模块的设计和主要元器件的介绍。倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统。它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。包括测距系统设计(超声波发送接收及测温系统) 、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。其中，测距系统由超声波发射模块、超声波接收模块及温度补偿模块构成；控制系统设计主要采用AT89C51，用12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口控制发射和停止输出超声波换能器所需的40KHz 的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示报警系统设计主要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和LCD 显示电路进行设计。以下就各模块的电路图、功能及设计思路作详细说明。
3.1 超声波测距模块的设计
超声波测距系统模块由超声波发射、超声波波接收电路及温度补偿电路组成，其主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压辐值，有效地进行电、声转换，增大超声波的发射距离。并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号，供单片机进行处理。
3.1.1 超声波发射模块的设计
超声波发送模块包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用压电式 [6]，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入
至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路（如由555振荡）产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。为了节约成本和提高发射的灵活性，本设计采用了利用软件产生40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波的方法发射超声波信号。
常用的驱动放大电路主要有以9012三极管为驱动放大 [7]和用74LS04组成的驱动放大电路 [8]。以单个三极管驱动放大能力有限，以反相器组成的单元能够达到驱动要求，因此，本设计采用了以74LS04组成的驱动放大电路。74LS04为六组反相器，它的工作电压5V 。
编程由单片机ATC89C51的端口输出40KHz 左右的方波脉冲信号，由单片机端口输出功率不够，40KHz 方波脉冲信号分成两路，送给一个由74LS04组成的推免式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器以声波形式发射到空气中。如图3-1所示：
图3-1 超声波发射电路
一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽 [9]形式将脉冲信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。
图3-2 超声波发射电路等效电路图
单片机端口输出40kHz 方波信号，考虑到单片机端口的输出电压为5V ，其驱动能力达不到要求，所以采用推挽形式用4个反相器（图3-2）将方波信号加到超声波换能器两端，使得超声波发射器得到足够的能量，同时为了保证信号上升沿、下降沿的同步，还要求4个反相器是来自同一个芯片上。一路经一级反相器送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力提高从而提高驱动能力也能增强接收信号，抑制其他噪声与干扰，超声波发射探头两端产生的振荡波近似于方波。上拉电阻R6 和 R7一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。
3.1.2 超声波接收模块的设计
超声波接收模块一般有由LM567通用音调译码器构成的接收电路 [10]，检波电路和单稳态延时电路构成的接收电路，以及专用集成前置放大器CX20106 [11]构成的接收电路。本设计采用以专用集成前置放大器CX20106A （图3-3）构成的接收电路。
集成电路CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz
较为接近，因为当CX20106A 接受到40KHZ 的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，可以利用它制作超声波接收电路。
图3-3 CX20106A内部结构
用CX20106A 接收超声波(无信号时输出高电平) ，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
图3-4 CX20106A引脚
CX20106A 的引脚（图3-4）注释：
l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40K 。
2脚：该脚与GND 之间连接RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R 或减小C ，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7K，C=3.3μF 。
3脚：该脚与GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF 。
4脚：接地端。
5脚：该脚与电源端VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200K时，fn ≈42kHz ，若取R=220K，则中心频率f0≈38kHz 。
6脚：该脚与GND 之间接入一个积分电容，标准值为330pF ，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22K ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。
8脚：电源正极，4.5V ～5V 。
超声波接收如图3-5：
图3-5 超声波接收电路
超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz 毫伏级的电压信号，需要经过大、处理、用于触发单片机中断INT0。一方面传感器输出信号微弱，同时根
据反射条件不同信号大小变化较大，需要放大倍数大约为100到5000倍，另一方面传感器输出阻抗较大，这就需要高输入阻抗的多级放大电路。当接收探头接收到回波后把超声波信号转变为微弱的电信号，再经过CX20106A 放大、滤波，在遥控命令输出端输出。由于它是采用集电极开路的输出方式，因此该输出引脚必须接上一个上拉电阻到电源端。超声波接收子程序的流程是：利用IN 中断检测回波信号，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会输出低电平。即在INT0产生一个下降沿信号，此信号作为单片机的中断信号。单片机响应中断后，读取单片机内部定时器的时间，计算距离，保存最终结果后打开外部中断，等待下次测量。
3.1.3 温度补偿电路
温度补偿电路采用美国达拉斯(Dallas)公司的单线数字温度传感器芯片
DS18B20作为温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同。DS18B20 [12]可直接将被测温度转化成数字信号。 以供单片机处理，它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。
DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点 ：
（1）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
（2）测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为-55 ℃ ~+ 125 ℃； 在-10~+ 85°C 范围内，精度为± 0.5°C 。
（3）在使用中不需要任何外围元件。
（4）多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。
（5）供电方式灵活，DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
（6）测量参数可配置DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9~12位。
（7）负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
（8）掉电保护功能DS18B20内部含有EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的测温系统。温度补偿电路图3-6：
图3-6 温度补偿电路
DSl8 B20采用单总线方式和C5 l单片机相连，即DSl8 B20的l 脚接地，3脚接VCC ，2脚接至AT89C51的P 1.0引脚，同时为了保证有足够能力驱动负载，系统采用外部电源直接供电方式，单线总线上加一个4.7 k的上拉电阻R4，完成对DSl8B20总线的上拉。主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM 指令，最后发送RAM 指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。通过DSl8820后单片机可以实时采集温度值，在进行测量时将温度补偿给波速，从而计算出该温度下的超声波速度。
3.2 报警显示模块的设计
在驾驶员倒车时，需要显示器显示出车距离障碍物的距离，这样才能使驾驶员倒车时心中有数，且当车辆迫近障碍物时，需要声音报警装置给予驾驶员以警示，提醒驾驶员已经迫近障碍物，保证车辆及人身安全，由此可见，报警显示模块在倒车雷达中是由不可缺的。常见的显示器主要有数码显示和液晶显示，而声音报警模块则包括蜂鸣器报警，语音报警，声光报警等。本设计采用了LCD 显示 [14]（轻薄短小，分辨率高，可显示汉字等各种符号的优点）和蜂鸣器报警电路 [15]来提醒驾驶员。