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毕业设计基于单片机的超声波倒车雷达.doc
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毕业设计基于单片机的超声波倒车雷达.doc
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摘 要
本文设计了一款基于 AT89C51 单片机的倒车雷达,它采用 ATMEL 公司生产的
AT89C51 单片机作为控制核心,片外结合 T/R-40-12 小型超声波传感器模块、LCD1602
液晶显示器模块、报警模块、晶振电路模块以及复位电路等模块而构成本倒车雷达的硬
件系统。当倒车雷达安装在汽车尾部时,通过系统上的超声波模块来采集使用者距离后
方障碍物的距离,然后通过单片机对采集数据进行处理,当距离少于临界距离时,单片
机将驱动蜂鸣器进行报警提示司机;当后方无障碍物时,倒车雷达处于待机模式。经过
大量的实验测试,本倒车雷达性能稳定,携带便捷,能够做到随时随地地辅助司机倒车,
从而预防事故的发生。不仅如此,它对单片机以及超声波技术的推广也具有一定的积极
作用。
关键词:倒车雷达,AT89C51,超声波模块
Abstract
This paper designs a reversing radar based on AT89C51 MCU, which uses ATMEL the
AT89C51 as the control core, the external binding T/R-40-12 small ultrasonic sensor module,
LCD1602 liquid crystal display module, alarm module, crystal oscillator circuit module and
complex circuit module and the cost of reversing radar hardware system structure. When
reversing radar is installed in the rear of the vehicle, the distance of the obstacle is acquired by
the ultrasonic module of the system, and the data is processed by the microcontroller. The
microcontroller will drive the buzzer to alert the driver when the distance is less than the
critical distance. After a large number of experimental tests, the performance of the reversing
radar is stable, easy to carry, can be done anytime and anywhere to assist the driver to reverse,
so as to prevent the occurrence of accidents. Not only that, it also has a certain positive effect
on the promotion of SCM and ultrasonic.
Keywords:Reversing Radar, AT89C51, Ultrasonic Module
目 录
一、 引言...........................................................................................................................1
(一) 课题背景.......................................................................................................1
(二) 国内外发展现状...........................................................................................1
(三) 本文主要内容...............................................................................................2
二、 方案选择及元器件介绍...........................................................................................3
(一) 主控核心选择...............................................................................................3
(二) AT89C51 单片机介绍..................................................................................3
(三) HC-SR04 超声波传感器..............................................................................5
(四) LCD1602 液晶显示器介绍..........................................................................6
三、 硬件系统设计...........................................................................................................7
(一) 方案设计.......................................................................................................7
(二) AT89C51 单片机最小系统构建..................................................................7
(三) 超声波传感器原理图设计...........................................................................9
(四) LCD1602 液晶显示器电路设计................................................................10
四、 软件系统设计.........................................................................................................12
(一) 软件系统流程图设计.................................................................................12
(二) 超声波测距流程设计.................................................................................13
(三) LCD1602 显示流程设计............................................................................14
(四) 报警流程图设计.........................................................................................15
总结...................................................................................................................................17
致谢...................................................................................................................................18
参考文献...........................................................................................................................19
附录一 原理图.................................................................................................................20
附录二 PCB 图 ................................................................................................................21
附录三 元件列表.............................................................................................................22
附录四 程序.....................................................................................................................23
一、 引言
(一) 课题背景
随着国民经济的迅速发展以及人们生活质量的大幅提高,私家车几乎进入了大多数
家庭,成为了一种平民化交通工具,然而据最近的一份数据显示,由司机不当驾驶或者
驾驶技术不合格造成的交通事故越来越多,这侧面反应了如今只通过驾校的学习也不能
完全驾驶好汽车。调查显示目前好多私家车驾驶员越来越多地依赖车上的辅助行车设备
进行驾驶,如利用导航仪进行路线导航,从而避免不熟悉路况的情况下顺利到达目的地,
又比如通过倒车摄像头来进行倒车,使得倒车入库变得不再那么难。调查显示,很多驾
驶员呼吁车上能够配置更多的行车辅助设备,他们不仅要求辅助设备灵活好用,还要价
格低廉,能够被大多数人所接受。因此本文以基于超声波测距的倒车防撞报警系统为课
题,提出以超声波测距为基础,结合其他必要模块设计一款简单实用并且价格低廉的行
车辅助系统。根据文献显示,超声波最早是由斯帕拉捷发现的,他根据蝙蝠能在黑夜中
自由快速飞行,经过大量实验后,得出了蝙蝠能够发出一种人耳听不见的声波,通过这
种超声波的指引,蝙蝠才得以自由飞翔,由于这种声波的频率大于 20khz,超过了人耳
听觉的上限,因此被称为超声波,经过后来相关仪器的测量,发现超声波具有很强的能
量集中性,不容易发散,因此非常适合测距、测速以及其他一些医疗功能,随着电子技
术以及半导体技术的发展,技术人员设计了超声波传感器,这种传感器不但能够发出超
声波,同时能够对反射回来的超声波进行接收,这使得超声波传感器被广泛用于自动化
场合,如能够自动避障的智能小车,就是基于超声波测距的原理。通过超声波测距来引
导汽车倒车入库同时避免撞墙有很多实用的价值,一是超声波不易发散,测到的距离非
常精确和准确,能够有效地辅助司机倒车;二是这种控制系统的报警提示音比较明显,
当车位与后方障碍物的距离小于一定距离后,报警器立即发出具有一定频率的“嘀嘀”声,
距离越小,“嘀嘀”声的频率越高,从而能在心理上加紧小心;三是这种控制系统不但效
果好,其成本也非常地低廉,与目前常用的摄像头倒车仪相比,具有同样的效果。因此
本文以此为课题,不但能够起到推广单片机应用的效果,更能够降低汽车的生产成本。
(二) 国内外发展现状
目前国际上对于倒车雷达的研究和开发正处于如火如荼的状态,各种新型的智能汽
车正在不断地投入到生产和人们的生活中,为了不失设计的高科技性以及实用性,倒车
雷达正朝着多功能以及多传感器化发展,目前国内外对于倒车雷达的研究者主要在于提
高倒车雷达的处理速度以及测量结果准确性上,以此来给司机提供更多方位的信息,减
少交通事故的发生。
(三) 本文主要内容
本课题主要设计了一款基于超声波的倒车雷达设计,将本系统配置在轿车上使用时,
倒车途中如后方障碍物与车尾距离小于安全距离时,控制系统立即发出报警信号,提醒
司机引起注意,另外报警信号的频率和车位距障碍物的距离有关系,距离越小则蜂鸣器
发出的“滴滴滴”报警信号频率越快,频率越快越能引起司机的谨慎和紧张。
设计以 AT89C51 单片机芯片、时钟电路以及复位电路三个部分组成 51 单片机最小
系统,负责系统的的数据处理、超声波模块的驱动、LCD1602 液晶屏驱动以及蜂鸣器报
警模块的驱动等。倒车雷达主要依托于超声波的测距功能,当超声波模块发射出超声波
时,在传播过程中如果遇到障碍物,超声波会原路返回并被超声波模块接收到,单片机
只需要对超声波从发出到返回的这段时间进行计算,就可通过超声波的速度计算出发射
位置距离障碍物的大小。该过程能实现主要是因为超声波在传播过程具有不易发散的性
能,即发射和接收回来的超声波强度大小相等。AT89C51 单片机通过其外部触发中断管
脚(P3.2 和 P3.3)进行超声波发射和接收的时间计算,当 AT89C51 单片机驱动 HC—SR04
超声波模块发射超声波时,其发射中断管脚会同时输出一个高电平给 51 单片机的 P3.2
中断管脚 INT0,在 INT0 中断时计时器 T0 被立即启动,开始计时;当超声波返回并被
HC—SR04 接收到时,其接收中断管脚会同时输出一个脉冲给 51 单片机的 P3.3 中断管
脚 INT1,在 INT1 中断时立即停止计时器 T0 的工作,这样 51 单片机就得到了超声波发
射和接收过程所用的时间,由于超声波在空气中的传输速度是 340m/s,这样将两者相乘
并除以 2,就是车尾距障碍物的大小。为了实现测量数据的显示,本系统选用 LCD1602
液晶屏作为显示模块,其清晰度高并且成本低的特点非常适合用于本系统。报警模块主
要由蜂鸣器和 SI2302 型 MOS 管组成,由于 51 单片机的最大输出电流很微弱,不能够
直接驱动蜂鸣器,因此通过 MOS 的扩流作用,实现蜂鸣器的驱动,对于本课题的能力
要求主要有以下几点。
1、熟练使用 AT89C51 单片机,掌握其外部中断、定时器寄存器的配置以及 51 最
小系统的设计。查阅 HC—SR04 模块的 Datasheet,根据官方资料进行其电路模块设计。
2、能够通过 Protel 绘制电路图和 PCB 图,会使用 Proteus 对系统进行仿真。
3、首先查阅 AT89C51 的官方资料,根据官方提供的资料进行电路设计,并查阅相
关的文献资料,通过大量的实验来不断改进。
二、 方案选择及元器件介绍
(一) 主控核心选择
方案一:选择学生群体使用最多的 C51 单片机作为本系统的主控核心,由于在大学
期间对于 C51 单片机具有较为系统的学习,其内功的结构原理、模块组成以及程序编写,
以及掌握了一套较为熟悉的流程,因此能够为本设计的顺利完成奠定夯实的基础。另外
C51 单片机内部已经集成了一个容量为 4K 的加密型 FLASH 和一个大小为 128 字节的
RAM,足以够本系统的使用,再者 C51 单片机内部的两个 8 位定时器在经过简单的寄
存器配置后,能够灵活的在本系统中提供精准的定时,为一些需要精准时基的地方提供
帮助。根据 C51 单片机的资料显示,其 P3.2 和 P3.3 两个管脚带有中断功能,如果按键
接在这两个管脚上,经过中断服务程序,能够方便的配置程序代码的运行。虽然目前市
面上 C51 单片机的生产厂家众多,目前使用最多的是美国 ATMEL 公司生产的
AT89C51 和中国宏晶公司生产的 STC89C51 单片机,这两款单片机目前已经占据了 C51
单片机市场的主要份额,虽然生产厂家不同,然而这些 C51 单片机都可以相互替代,在
使用上几乎没有任何区别,这也是使用 C51 单片机作为系统核心的另一个优点。
方案二:选择意大利意法半导体(SST)公司推出的 STM32 系列单片机作为主控核
心,STM32 单片机的最大特色是采用了 ARM 结构作为内核,其 32 位的总线宽度使得
它在处理一些数据时能够表现出更大的优势,由于采用 ARM 内核,因此这种类型的单
片机被业内人士称之为微处理器,同 MCU 有较大区别。STM32 系列的低端芯片的主频
就已经达到了 72M,高端系列能够达到 168M,由于片内集成了高性能的锁相环
(PLL),所以采用精度较高的低频晶振(8M)就可以给芯片提供时钟信号,经过锁相
环的作用,能够将频率倍频到 72M 甚至更高。STM32 采用了 Cortex-M3 或者 Cortex-M4
作为内核,这种性能优良的内核结构使得其对数据处理的能力显得非常完善和高速,在
一些需要处理大量数据的场合,如高像素液晶屏、MP3 等应用将显得非常有优势。其优
势已经无以言表了,然而在学生试验中,其缺点也是不可忽略的,STM32 的性能之所
以这么强大,要靠用户对其繁多寄存器的熟练配置,然而对于普通学生来说,这将变得
捉襟见肘,如果没有相关 STM32 开发经历的学生,在面对这些寄存器时将无从下手。
综上所述两种常用单片机的优缺点,考虑到自身的学习经历以及知识掌握度,对于
51 单片机非常熟悉,虽然上文说到其内部没有集成 AD 转换或者硬件 IIC 等模块,但是
在片外扩展这些模块也非常容易,网上相关的程序和资料相当的多,并不会给设计过程
带来极大的阻碍。考虑到成本方面,上述所说的几种单片机就成本来说只有 51 单片机
的价格最低,并且非常容易买到,这给设计的成功性带来了极大的保障,因此本系统选
用 51 单片机作为主控核心。
(二) AT89C51 单片机介绍
所谓的 C51 单片机或者 S51 单片机都是采用经典的 51 内核作为核心的微控制器,
经过各个厂家对 51 内核的扩展,产生了各种 C51 单片机,比较著名的有美国 ATMEL
公司生产的 AT89C51 单片机和中国台湾宏晶公司推出的 STC89C51 单片机,本系统采
用了 AT89C51 单片机来作为主控核心,这款 C51 单片机在内部结构上,非常简洁,在
采用 51 内核的同时,外部扩展了两个 8 位定时器、一个功能强大的 UART 模块,同时
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