基于STC89C51單片機的倒車雷達設計7400字【論文】

基于STC89C51單片機的倒車雷達設計摘要本設計采用了STC89C51單片機為核心進行倒車雷達設計，以HC-SR04超聲波模塊進行測距，使用超聲波向后發(fā)射頻率為40kHz的超聲波進行探測，在遇到障礙物時形成反射波，超聲波模塊在接收到反射波信號后中斷計時器，然后通過計算將結果由LCD1602屏顯示出來，同時在測得距離小于安全設定距離時，通過蜂鳴器的工作進行報警達到倒車雷達功能。本設計通過實物實現(xiàn)了設定報警距離為50cm，當LCD屏顯示的距離小于這個設定值時，蜂鳴器會進行報警，使駕駛員了解到后方有障礙物。關鍵詞：倒車雷達；超聲波；單片機目錄1緒論 緒論1.1課題研究的背景隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的經(jīng)濟水平也逐漸提高，越來越多的家庭擁有了自己的私家車，我國的汽車數(shù)量也在快速增長，然而在汽車的日常使用過程中，往往會出現(xiàn)許多問題，高架時常堵車，商場地下車庫沒有停車位，倒車的空間越來越狹窄，在汽車倒車時經(jīng)常會發(fā)生一些碰撞事故，同時現(xiàn)在的年輕人基本都參加駕校拿到了駕駛證，這也誕生了許多的新手司機，在剛開始駕駛汽車時，倒車對于他們也是很困難的一部分，這也使得發(fā)生了許多倒車糾紛，如果只是不慎的撞到了墻壁類的障礙物，那對于駕駛員的損失還小，但是如果碰撞到了他人的車輛，或者撞到了人，那是非常不利于自身的，因此，駕駛員們對于倒車應該更加的注意，而倒車雷達就是為了解決這種問題而誕生的，通過在倒車時提前檢測到障礙物，并對駕駛員進行提示，達到安全倒車的目的。1.2課題發(fā)展的情況經(jīng)過了這么多年的科技發(fā)展，倒車雷達也伴隨著越來越智能，但是每一代倒車雷達，都有其各自的特點：第一代倒車雷達：它的功能僅限于人工聲納的提示音，目前只有小部分的大型車輛使用這代倒車雷達。第二代倒車雷達：主要是通過蜂鳴器的提示音來示意駕駛員，當障礙物距離小于設定的安全距離時，就會開始響起蜂鳴聲，隨著距離的越來越近，蜂鳴聲會越來越急，但是不會顯示障礙物具體距離。第三代倒車雷達：它采用了數(shù)碼段顯示方式。會直接的顯示出與障礙物的距離，它有兩種距離顯示式，可以通過數(shù)字的形式顯示，以LED顯示的距離來避障，另一類則是通過顏色的變換來表示出障礙物距離的遠近。第四代倒車雷達：通過使用液晶螢屏顯示，可以讓駕駛員看到障礙物與車體的實際距離而且并不需要通過掛倒擋開啟，當汽車發(fā)動時，立刻就會進行顯示，缺點是它的穩(wěn)定性較弱，容易受到干擾出現(xiàn)誤報。第五代倒車雷達：基于前四代倒車雷達的長處，采用了最新的仿生超聲雷達計數(shù)，可以精準的檢測出周圍2米的障礙物，通過高速電腦將結果顯示給駕駛員，第六代倒車雷達：發(fā)展到了整合影音倒車雷達系統(tǒng)，它屬于高檔的汽車雷達，它的外觀就設計的很精致，而且功能更加的齊全，還能在顯示屏幕上看影像，只是它的價格高昂。1.3課題研究的內(nèi)容本文公共分五章節(jié)：第一章為緒論，講述了該課題目前的背景，介紹了迄今為止的發(fā)展史。第二章是該設計的方案選擇，首先確定了整體的設計流程，然后對核心的測距模塊進行比較，選出最適合本設計的測距模塊。第三章是對于主要硬件進行的分析，首先針對控制核心單片機的型號、引腳等進行說明，其次是對超聲波模塊的詳細介紹，用來顯示的LCD屏型號也進行了說明。第四章是該系統(tǒng)各模塊的設計，先把整體的電路圖進行了介紹，然后針對其中每個模塊進行了各自的分析。第五章是本設計的實物調試，先用仿真軟件對各模塊功能驗證，在確定功能正常后，用實物進行了二次驗證。2系統(tǒng)設計方案2.1方案選擇1.方案的分析與選擇①激光雷達型通過使用一個小型的激光雷達發(fā)射器發(fā)射超聲波檢測障礙物，然后通過激光的反射將障礙物返回時間進行接收，這個檢測的誤差較小所以它能夠較精確的計算出車體與障礙物之間的距離。最早期的汽車都是使用激光雷達的特性，同時發(fā)射出多股激光來反射周圍障礙物來檢測障礙物的。②超聲波傳感器型所謂的超聲波,即通常是指一個人的眼睛和耳朵都無法被觀察者所聽到的高頻噪音。超聲波(行駛距離)定位傳感器的主要功能作用之一就是當正在車輛向前方后退時,利用汽車超聲波信號來實時檢測正在汽車后方的其他障礙物,并且汽車可以同時利用正在汽車的轉向指示燈和汽車蜂鳴器等將正在汽車行駛到其他地方障礙物的行駛距離和停車位置等相關信息及時告訴正在汽車上的駕駛者,起到了汽車確保安全的重要目標和保障作用。超聲波(超遠距離)式高壓傳感器中所需要采用的主體材料都主要是高高壓電化學元件比如鋯鈦化鋁,一般被我們的簡稱為ztpzt。這種電子傳感器的最大設計特點之處就是其在于它本身內(nèi)部具有一定方向性,傳感器內(nèi)部采用微型蜂鳴器使其設計的整個紙質水桶外形呈一個橢圓形,其外型設計主要目的也就是因為該不同類型電子傳感器對于水平和角度垂直運行方向的運動特性范圍較寬,而且其水平垂直運行方向也同樣會容易受到重力約束。超聲波(超遠距離)噪聲傳感器的基本結構和功能工作作用原理仿佛有人在對著高空中的大山大水進行大聲呼喊時所自動產(chǎn)生的自然響應和自動回聲,利用這個自然現(xiàn)象進行設計開發(fā)出來的機制成了電動汽車經(jīng)常使用的一種自動倒車式噪音聲納控制系統(tǒng),如圖所示,主要部分包括主機反射式噪聲傳感器、接收式噪聲傳感器、微機和其他顯示電子設備等部分。圖2.1.1超聲波原理倒車聲納器檢測裝置：對車輛的后方發(fā)射出超聲波進行障礙物檢測，當遇到障礙物時超聲波會進行反射，距離越遠反射效果越差，如果超聲波檢測的后方并沒有障礙物的話，它自身的強度會隨著距離越來越弱，反射時間也會變久，所以可以從中得出，其所用時間與速度成正比，就能夠測量出障礙物的距離。這種系統(tǒng)也具備自我檢查的功能,用于實現(xiàn)對本系統(tǒng)的工作情況進行檢查。③紅外線測距傳感器型紅外線是一種特殊的光波，它也可以對光進行反射或者折射，而且紅外線的價格很便宜，因為它對于技術的要求不高以及它良好的性能，也被廣泛地使用。對于紅外線測距系統(tǒng)，它的原理就是通過測量時間差為基礎，對距離進行測算，紅外線向外部發(fā)送一個頻率40kHz的紅外線，通過遇到障礙時的反射使得接收器可以接收到一個反射波信號，然后接收器會對其進行轉變，使它變?yōu)殡娦盘枺@樣就可以計算出從發(fā)射到接收這個反射波的時間差t，通過公式S:S=1/2ct，其中c是光的速度，我們一般取其為3×108上述的三種方案，結合實際情況，超聲波模塊的測距效果和性價比是最合適該設計的。2.2原理介紹由于本設計采用的測距模塊是超聲波測距，對超聲波測距原理進行介紹，如下圖所示：圖2.2超聲波測距原理圖超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的，設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離D可用下式求出：D=1基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長約6mm，頻率為40khz的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生mV級的微弱電壓信號。2.3系統(tǒng)設計任務系統(tǒng)的總體設計主要采用了硬件和軟件的結合。硬件設計就是選擇相應的電路與實物器件通過一系列的電路的設計與調試來實現(xiàn)測距這項功能，先對功能進行分析，判斷出所需元器件的型號，才能進行設計。挑選元器件時，首先應該要查找對應型號的數(shù)據(jù)手冊，然后確定器件的引腳功能，最后要看得懂電路原理圖，這樣才能方便硬件原理圖的設計與繪制工作。對于出現(xiàn)在仿真過程中故障盡快分析并及時修改電路。軟件的設計就是需要明確的實現(xiàn)功能，并畫出相對應的程序流程圖，進行程序代碼的分析。每設計出一個模塊的子程序函數(shù)，都需要執(zhí)行其對應的功能，通過再次編寫模塊化相關代碼，然后才能對主程序進行設計。每一個對應的模塊化程序及主程序的調試包含在里面，畫出相對應的程序流程圖，進行程序代碼的分析。最后與相應的電路共同調試出最終想要的結果。關于這個設計，任務如下：以課題為中心，收集相關專業(yè)資料。本次設計使用STC89C51芯片進行實時距離數(shù)據(jù)信息的計算與顯示。具有數(shù)碼管準確顯示距離，小于一定距離可以使蜂鳴器發(fā)出報警等功能?？梢杂冒存I調整安全報警距離的設定。軟件功能通過C語言實現(xiàn)。對元器件進行焊接，對最終的成品進行調試。3硬件設計3.1核心器件介紹 （1）STC89C51單片機STC89C51芯片的cpu位數(shù)為8位，由控制和運算兩個單元組成，其時鐘頻率最高可達80MHz。封裝方面，電源端和接地端分別位于芯片的兩個對角上，在防止不經(jīng)意間短路對芯片造成傷害的同時也能更加合理的分配硬件資源，讓工作更協(xié)調，信號流向更合理。逆序排列的引腳，能直接焊接在同管腳的焊板上。另外，將單片機從底座上拔出時要注意好力度，以免對單片機的引腳造成損害。本設計綜合了工作環(huán)境的具體頻率、所需程序的容量以及價格因素，選取了STC89C51型號的單片機，使得資源能得到合理的分配與運用。圖3.1.1單片機引腳及總線圖單片機接口的驅動為四種，對于外接設備至關重要。第一種為準雙向口，此狀態(tài)不需再進行外接處理，當接口為高時，其處理能力很弱；當輸出低電平，負載很強，能處理接收較大的電流。第二種為強推挽輸出，這種結構經(jīng)過反向器，需要提供上拉，也可用于強電流模式。第三種為輸入高阻，沒有吸收電流的能力。第四種為開漏輸出，可以讀寫外部數(shù)據(jù)，但是需要加上拉電阻。本芯片正常工作電壓比較低，工作頻率范圍一般在頻帶寬泛。內(nèi)部提供多個定時器和外部中斷接口，支持上升沿或者下降沿的中斷，低成本，內(nèi)部元件之間規(guī)范的定位，是芯片的一大特點。該單片機可采C語言對其編程，C程序具有良好的移植性得到了廣大用戶的青睞，工作電壓低，使得電子產(chǎn)品更小，更輕，用電量更低，這也是選擇該芯片的原因。(2)HC-SR04超聲波模塊電氣參數(shù)如表所示：圖3.1.2電氣參數(shù)表圖中的時序圖可以明顯的看出，當出現(xiàn)10us的脈沖觸發(fā)信號時，控制器模塊立即生成了8個40kHz的脈沖，控制器模塊能夠自檢回波，當回波信號出現(xiàn)時會同時產(chǎn)生回響信號，此信號的脈沖寬度和檢測的距離成正比，通過下面這個公式就可以得出距離距離=高電平時間?聲速（340m/s）/2。這個時候回波引腳(echo)端的電平也將從0變?yōu)?;(此時我們應該開始啟動定時器進行計時),當模塊的超聲波回路被模塊所接受時,回波引腳端的輸出電平將從1變?yōu)?;(此時我們應該暫時停止定時器進行計數(shù)),定時器標記的這一時間即為超聲波從發(fā)射至返回的過程總時間。根據(jù)聲音在進入空氣環(huán)境中的轉移和頻率即可以準確地計算出測量者所需要檢測距離。圖3.1.3超聲波時序圖注意：不能帶電操作，當不小心帶電時必須先連接地端，否則可能會不能正常工作；測算距離時，被測物的面積不可以小于0.5m2（3）1602LCD顯示屏1.顯示容量:16×2個字符2.芯片工作電壓:4.5—5.5V3.工作電流:2.0mA(5.0V)4.模塊最佳工作電壓:5.0V5.字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm6.引腳功能說明：1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表所示:圖3.2.1引腳接口說明表圖3.2.2引腳功能表3.2系統(tǒng)框架和原理圖介紹超聲波倒車雷達的硬件系統(tǒng)結構，有以下幾個部分，超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、單片機控制模塊、按鍵模塊、驅動模塊、LCD顯示報警模塊共同組成。采用微控單片機技術實現(xiàn)了對超聲波及其他超聲波信號轉換控制模塊的遠程控制。具體功能參數(shù)設置如圖見下圖所示。圖3.2.1系統(tǒng)總體框圖介紹倒車雷達的組成部分，接下來對它的運行方式進行分析說明：首先，當啟動時系統(tǒng)會先進行初始化，然后超聲波模塊就會開始向被測方向發(fā)射超聲波，當這個超聲波接觸到障礙物時，會進行反射，如果超聲波模塊接收到了這個反射的信號，那么它的計時器模塊就會定制計時，然后將數(shù)據(jù)送到單片機模塊進行計算，最后結果會直接顯示在LCD屏上。圖3.2.2流程總體框圖圖3.2.3電路原理圖該圖是整個電路的原理圖，核心為STC89C51單片機，顯示模塊采用LCE液晶顯示，用HC-SR04超聲波模塊進行測距。3.3系統(tǒng)各模塊介紹(1)發(fā)射與接收模塊通過把超聲波發(fā)射器發(fā)射和接收時所用的時間記錄下來，把超聲波從發(fā)射到接觸障礙物時產(chǎn)生反射波返回的時間用計時器記錄。通過公式S=1/2VT，可以知道具體障礙物的距離。圖3.3.1超聲波模塊在每一次電機啟動的時候，都要啟動一個發(fā)射定時控制電路中的信號T0，它屬于發(fā)射信號器，我們可以通過這個定時器來對超聲波具體花費的時間進行記憶，從而可以知道整個花費的時間，當有反射波被接收時，一個負跳變會自動產(chǎn)生，它位于接收電路的輸出端，與此同時，一個外部產(chǎn)生的請求響應信號，也會在各各終端出現(xiàn)，然后單片機會進行判斷，終止掉這樣一個請求，從這個流程中，可以計算出時間差。在啟動電路后，該模塊主要負責超聲波從發(fā)射到返回所用時間的記錄功能。(2)報警電路模塊報警電路模塊組成部分有一個運算放大器、一個二極管和一個蜂鳴器組成，電阻R24為一個1k電阻。圖3.3.2報警模塊當LCD屏上現(xiàn)實的距離，小于系統(tǒng)內(nèi)設的最小距離，蜂鳴器立即運行，開始報警提醒。(3)系統(tǒng)復位電路模塊上電自動電機復位工作方法:在一個電機通電瞬間,由于經(jīng)過R?C電路的自動充電時,RST兩個端子就會自動出現(xiàn)一個正常的脈沖,從而直接導致整個單片機的自動復位。圖3.3.3復位模塊按下該按鍵后，屏幕上顯示的距離會重新清零，進行再次測距。（4）按鍵設置電路先在這個I/O口上快速查找一個延遲按鍵后每當發(fā)現(xiàn)有一個高于低電平的特殊情況抖動出現(xiàn)時立即進行延遲10-200毫秒以便于及時避開高頻抖動(其中一個經(jīng)典數(shù)的值可以設定為20毫秒),延時操作結束后就需要再重新開始閱讀一次這個I/O口的經(jīng)典值,這一次的經(jīng)典設定值如果數(shù)據(jù)顯示錯誤為1,說明這個低電平的抖動持續(xù)時間沒有完全達到10-200毫秒,視為沒有受到抖動干擾的高頻信號。當按鍵數(shù)據(jù)處理讀出來的按鍵值大約應該是0時則這就代表所有的操作按鍵都被數(shù)據(jù)按下,調用了所有相應的按鍵數(shù)據(jù)處理操作過程。圖3.3.4按鍵模塊按鍵S0是設置鍵，按下后可以對測量最大值和最小值進行調整，S1是增加S2減是減小，設置完成后按下按鍵S3,即確認設定的距離，同時S3在單獨按下時還具有清零功能。4軟件設計4.1軟件設計思路軟件設計部分只要應用于顯示模塊與報警模塊的功能，顯示模塊是通過軟件的編程將超聲波模塊存儲的時間信息進行計算，通過公式d=1/2ct可以得出與障礙物的距離，然后將其顯示在LCD屏上，可以直接顯示出具體距離，報警模塊則是先為倒車雷達設定一個設定值，當此次檢測出的距離小于設定值，就立即對報警模塊進行驅動，如果本次測量距離大于設定值，則報警模塊不需要工作。4.2主程序化模塊圖4.1主流程圖4.3采集顯示模塊顯示式測量數(shù)據(jù)處理子程序的主要組成作用之一就是將使用超聲波測量模塊進行測量后的所得到的測量結果通過一個單片式微機處理并然后所需要顯示的測量距離進行實時顯示。圖4.2顯示數(shù)據(jù)子流程圖4.4報警模塊報警模塊的功能就是在傳感器接收的距離小于內(nèi)部子程序設定的報警距離時，可以讓蜂鳴器發(fā)出警報聲來實現(xiàn)目的。將測量得到的距離值定義為Y，當Y小于預設值時，進行返回，所以蜂鳴器不會工作，當Y大于預設值時，就會使蜂鳴器發(fā)出報警。圖4.4報警子流程圖4.5按鍵模塊按鍵模塊的功能是用來調整設定的報警距離，通過按下設置鍵，即可對距離進行設定，使用按鍵對大小進行調整，調整完畢后，需要按下確認鍵確認距離。圖4.5按鍵子流程圖5系統(tǒng)調試5.1仿真電路圖介紹完了硬件以及軟件的設計，在最后制作實物之前，可用仿真軟件進行系統(tǒng)調試驗證，從而確保各模塊能正常工作，達到要求。本次軟件電路圖仿真采用了 proteus7.8軟件，該電路可仿真實際情況下，各模塊功能。圖5.1電路仿真圖5.2仿真過程1.與障礙物距離小于50cm時 本仿真程序設定報警距離為50cm，當檢測距離為圖中的49cm時，小于報警距離，所以圖中顯示為紅色，說明該電路功能正常。圖5.2.1小于50cm距離時2.與障礙物距離大于50cm時此時圖中顯示的距離為51cm，大于了設定的報警距離,所以蜂鳴器就不會繼續(xù)工作,圖中顯示為黑色,說明該電路功能正常。圖5.2.2高于50cm距離時5.3實物演示軟件的仿真結果全都正常，所以就可以進行電路板制作及焊接，pcb板可由自己繪制完制作，焊接則通過自己手動操作。最終成品如下圖所示。倒車雷達的設計，所以最主要的功能就是檢測到障礙時通過蜂鳴器報警從而提醒駕駛員后方有障礙，最后通過程序設定報警距離為50cm，連接電源后即可正常工作。本次實物驗證采用檢測范圍為0.5m-3m，如圖所示：圖5.3.1焊接實物圖圖5.3.3設定檢測范圍與障礙物距離大于50cm時此時圖中顯示距離為54cm，所以未達到設定的報警距離，蜂鳴器此時不工作不會發(fā)出警報。圖5.3.3距離大于50cm時與障礙物距離小于50cm時此時圖中顯示距離為49cm，低于設定的50cm，所以此時蜂鳴器正常工作，發(fā)出警報提示已經(jīng)到達了安全距離。圖5.3.4距離小于50cm時結語本次到畢業(yè)設計到此就全部完成了，總共用時近1個月，從最初的選題到最后的實物成品，當最后完成的時候，內(nèi)心是十分喜悅的，整個過程中我學習到了很多不一樣的知識，當設計的途中遇到了瓶頸時，可以通過自己查找資料，或者請教老師來解決，一個又一個的障礙被清楚，最后才會取得成功，要付出努力才會得到收獲，我不僅了解了單片機的原理圖和引腳參數(shù)，也學會了超聲波的很多知識，超聲波在生活中廣泛應用是因為其特性，對于人們的生活有很大的幫助，而及兩者于一體的倒車雷達，在汽車的使用中是非常重要的一環(huán)，能夠自己完成這樣一個設計，我對自己的能力有了進一步的信心。參考文獻[1]梁小廷.單片機技術的發(fā)展及應用研究[J].民營科技,2018(06):9.[2]劉玉叢.單片機技術應用課程實踐化教學改革的探索[J].電子世界,2018(03):97.[3]何立民，《MCS—51單片機應用系統(tǒng)設計》，北京:北京航空航天大學出版社2000[4]張靖武，周靈彬．單片機原理、應用與PROTEUS仿真，2008．8[5]張憲，王春嫻.《電子元器件的選擇與測試問答》[J]化工業(yè)出版社2005.[6]蘇琳.基于HC-SR04的超聲波測距器的設計[J].機械與電子,2012.[7]劉楚紅,董鎮(zhèn),錢宇捷.基于Arduino的倒車雷達系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術,2014.[8]胡漢才．單片機原理及系統(tǒng)設計[M].北京:清華大學出版社，2012.[9]康華光。電子技術基礎數(shù)字部分[M].第五版，北京：高等教育出版社，2006.1[10]樓然苗，李光飛。單片機課程設計指導[M]