汽车倒车雷达系统设计
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内容摘要：汽车倒车雷达作为泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或更为直观
的图形显示告知驾驶员周围障碍物的情况，在一定程度上减少了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时因前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的障碍，提高了驾驶的安全性。本设计依托ATMEL公司的AT89C51单片机和超声波传感器，构架出汽车倒车雷达的感测系统；利用LED发光二极管表示传感器探测范围内是否有障碍物。当在探测范围内有障碍物时，发光管以一定频率闪烁，闪烁的频率和到障碍物距离成反比，距离越近频率越高；同时利用蜂鸣器提示报警，用声调的高低警示驾驶者与障碍物距离。
关键词：倒车雷达 超声波 测距 报警 单片机
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Design of warning system for Radar in Back Car
Abstract:Reversing Radar is the safety and assistant devices when parking or
reversing a vehicle, it can tell drivers circs about the around barrier with voice or a more intuitive display, release the surrounded visit puzzle from drivers when parking, reversing and start vehicles, and to help drivers clean off dead ends and the limitation of blur vision, improve the security of driving. The Design use Single Chip AT89C51 of ATMEL and Ultrasonic Sensor measure distance to achieve Ultrasonic Reversing Radar; Using LED Sensor to detect whether there are barriers, when detecting barriers within the scope, the LED will blink with a confirm frequency, the blink frequency of LED is determined by the distance of barrier, the nearer distance and the higher frequencies.At the same time, The Voice Alarm warning, detecting the distance, and demonstrate the distance of barrier.
Keywords: Reversing Radar Ultrasonic Measure Warning Microprocessor
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目 录
前言 ............................................................................................................... 错误！未定义书签。 一、超声波介绍 ............................................................................................................................. 1
（一）超声波的由来 ............................................................................................................. 1 （二）超声波传感器的特性 ................................................................................................. 3 （三）超声波在各个行业的应用 ........................................................................................ 4 二、倒车雷达的原理与总体设计 ................................................................................................ 4
（一）超声波测距原理 ......................................................................................................... 4 （二）倒车雷达整体设计方案............................................................................................. 5 （三）单片机控制芯片的选择............................................................................................. 6 （四）超声波发送和接收元器件选择 ................................................................................ 7 三、硬件设计 ................................................................................................................................. 9
（一）超声波发射模块 ......................................................................................................... 9 （二）超声波接收模块 ...................................................................................................... 10 （三）声光报警模块设计 .................................................................................................. 10 （四）单片机最小系统 ...................................................................................................... 11 四、软件设计 .............................................................................................................................. 12
（一）软件设计模块化 ...................................................................... 错误！未定义书签。 （二）各个程序的流程图 .................................................................. 错误！未定义书签。 五、系统调试 .............................................................................................. 错误！未定义书签。
（一）最小系统的调试 ...................................................................... 错误！未定义书签。 （二）测距模块的调试 ...................................................................... 错误！未定义书签。
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（三）调试的结果 .............................................................................................................. 18 （四）误差分析................................................................................................................... 18 六、结束语 .................................................................................................................................. 19 七、致谢 ...................................................................................................................................... 19 参考文献 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。
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汽车倒车雷达系统设计
前言
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。虽然每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区。因此迫切需要一个装置或系统来辅助倒车过程，提高驾驶员倒车时候的准确性与安全性。而这个装置，就是现在已经被汽车行业广泛运用的汽车倒车雷达。
倒车雷达（Car Reversing Aid Systems）的全称是“倒车防撞雷达”，也称“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的图形显示告知驾驶员周围障碍物的情况，在一定程度上缓解驾驶员泊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，提高了倒车的安全性。
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测距技术、传感器技术等相结合，可检测在汽车倒车时，障碍物与汽车的距离。若检测到距离在应报警范围内，则通过LED发光二极管闪烁频率的高低来表示两者之间的距离，车辆离障碍物越近，LED闪烁的频率越高，并可根据LED闪烁频率的高低，配合使用声音为驾驶员示警，闪烁频率越高，则蜂鸣器发出的声调越高，反之则越低或者不发出声音报警。
汽车倒车雷达虽然现在已经被广泛运用到汽车行业，但并不妨碍本课题研究的存在性和科学性，其一是目前的倒车雷达技术并不是尽善尽美的，它也有它的不足之处；其二是实现倒车雷达的方式多种多样，只有反复研究，才能设计出更简单更符合实际需要的倒车雷达系统。
一、超声波简介
（一）超声波的由来
超声波是指频率高于20KHz的机械波。它有两种形式：横向振荡及纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度各有差异。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中会发生衰减。在空气中传播的超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较慢，传播较远。为了以超声波作为检测手段，必须设法产生超生波和接收超声波。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
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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。
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，将电能转换成超声波发射出去；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。超声波发生器内部结构图如图1所示。
图1 超声波发生器内部结构图
如果两电极未外加电压，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。超声波接收器内部结构图如图2所示。
图2 超声波接收器内部结构图
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（二）超声波传感器的特性
超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性两大类，这里主要介绍压电式超声波传感器的特性。
图3 超声波发射传感器的升压能级和灵敏度示意图
超声波发射传感器的升压能级和灵敏度示意图如图3所示。其中，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。
另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并目在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽的带宽，同时灵敏度也随之降低。并目最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能获得较高的接收灵敏度。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率为f = 40kHz ,波长λ = 0. 85cm。
实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表而上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球而波(子波)，这些子波没有一指向性。但离开超声传感器空间某一点的声压是这些子波迭加的结果(衍射)，却有指向性。图4是电路中选用的超声波发射传感器的指向特性图和硬件结构。
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四川师范大学成都学院专科毕业设计 图4 超声波发射传感器的指向特性图和硬件结构
（三）超声波在各个行业的应用
超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40到80度，本设计发射传感器指向角为60度。超声波在许多领域内比可听声的用途更加广泛，原因有以下几个:
1.具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。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。
2.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。
3.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。
4.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。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。
二、倒车雷达的原理与总体设计
（一）超声波测距原理
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight），也可以称为回波探测法。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在介质中传播，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。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，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)。
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如图5为超声波测距原理图。公式如公式1所示： s=340t/2（公式1）
图5 超声波测距原理图
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。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度对其的影响。表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是倒车雷达的机理。
表1 声速c与温度的关系
温度(℃) 声速(米/秒)
-30 313 -20 319 -10 325 0 333 10 338 20 344 30 349 100 386 （二）倒车雷达整体设计方案
倒车雷达系统的应用依托于AT89C51控制芯片和超声波接发装置来实现超声信号检测和反馈的。因此初步计划是应用于小范围的测距，限定在2.5米左右量程。简单的说就是：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LED显示电路进行显示，并进行声光报警。其整体框架构建如图6所示。
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图6 倒车雷达整体框架图
发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈(有时装在探头内)，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表而缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。
发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机(AT89C51)能够识别的中断信号作为回波到达的标志。 （三）单片机控制芯片的选择
在本设计中主要利用P0口来驱动ZLG7289芯片，用P1口的P1.0来控制超声波发送间隔，其中P0要求上拉电阻为10K，才可以输出到ZLG7289芯片。利用P3.3，P3.2来作为按键输入和响应超声波接收中断。利用P3.2口的外部中断0引入中断，中断后
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送入单片机处理时间和计算工作。本系统中所用到的主要芯片有单片机AT89C51、ZLG7289、LF353、LM567、TLP521。以下就部分芯片的功能与结构做简单介绍。
1.AT89C51芯片简介
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(ROM)和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51的主要性能参数：
★ 与MCS-51产品指令系统完全兼容 ★ 4K字节可重檫写Flash闪速存储器 ★ 1000次檫写周期 ★ 全静态操作：0Hz--24MHz ★ 三级加密程序存储器 ★ 128x8字节内部RAM ★ 32个可编程I/O口线 ★ 2个16位定时/计数器 ★ 6个中断源 2.ZLG7289芯片简介
ZLG7289A是一片具有串行接口的可同时驱动8 位共阴式数码管或64 只独立LED的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64 键的矩阵键盘即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。芯片内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码，也可以同时运行这2种译码方式。此外还具有多种控制指令，如：消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等。
ZLG7289芯片的特点：
★ 串行接口无需外围元件可直接驱动LED ★ 各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性 ★ 循环左移/ 循环右移指令 ★ 具有段寻址指令方便控制独立LED ★ 64 键键盘控制器内含去抖动电路 （四）超声波发送和接收元器件选择
在元器件的选择上遵守一定的原则,必须适合设计的要求。本节主要讲述选择元器
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件的理由，以及元器件性能的对比。
1．超声波发射模块元器件选择
本模块选用硬件驱动超声波发送器，通过LC震荡电路(其中L=6.8mH，C=2200pF)产生40KHz（计算值为41.17KHz）的共振信号驱动超声波发射探头发射超声波信号。通过单片机引脚控制TLP521光电耦合开关控制超声波的发射。由于用光电耦合开关反应速度快，有隔离效果，所以本模块中用TLP521光电耦合开关。TP521模块如如图7所示。
R2VCC1KQ121CON2R15K8550OPTOISO1U1J1 图7 TLP521模块
2．超声波接收模块器件选择
在超声波接收器件的选择上，选择了LM567的通用音调译码器。输入信号在通带内控制饱和晶体管的对地开关，其电路由I与Q检波器构成，其中电压控制振荡器确定译码器的中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。LM567主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。
其性能指标有如下特点： ★ 外接电阻为20：1的频率范围
★ 逻辑兼容输出具有吸收100mA电流能力 ★ 拥有宽信号输出与噪声的高抑制的能力 ★ 对假信号抗干扰的能力 ★ 高稳定的中心频率
★ 中心频率调节从0.01Hz到500kHz ★ 电源电压5V--15V，推荐使用8V
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三、系统硬件设计
倒车雷达系统主要有主控制部分和探头两部分组成。主控制电路包括发射电路、接收电路、计数显示电路和声光报警电路四部分组成。单片机采用AT89C51芯片，使用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，从而减小测量误差。单片机用P1.0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。显示电路采用简单实用的3位共阴LED数码管，段码用ZLG7289芯片来驱动。而声光报警电路则直接由两个发光二极管和一个外置喇叭组成。 （一）超声波发射模块
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，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流在100mA以上的驱动电路。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，实现简单，但缺乏灵活性。本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。40KHz的超声波是利用LC震荡电路振荡产生的。超声波发射模块电路如图8所示。
其振荡频率计算式如公式2所示，其中L=6.8mH，C=2200pF，计算结果约等于40KHz：
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U1R2OPTOISO11KQ121CON2R15K8550+9V12LC (公式2)
VCCQ29013J1R310K+C1100uFR45.1KL16.8mHC22200PMK1Q49013SENDD11N4148Q39013 图8 超声波发射模块电路
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（二）超声波接收模块
超声波接收模块包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用发生端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。由于是倒车雷达系统所测距离在两米左右所以采用两级放大，用LF353实现。第一级放大100倍，第二级放大50倍，总计放大5000倍，这样不仅放大的增益足够大，可以适合小信号的需求，而且信号增益也能够变化，适应信号变化范围大的需求。放大后的交流信号经LM567锁相环锁定后向CPU发中断申请。在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并通过计算算出雷达与障碍物的距离。
接收探头将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两极放大后加至LM567。LM567是带有锁相环的音频译码集成块，LM567内部的压控振荡器的中心频率
f01，接收电路如图9所示。电容C7决定其锁定带宽。调节R10在发射的载频1.1RC上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。
VCCR6100K+9V8R8100K+9VC52.2u120.130.1LM3534+8+R910KJ3Q5123vccLM56787658765R1010K0.0112CON2C7MK2R51KU2A213LM3534C3R71KU2B675C4C6RECIEVE0.1VCC4-9V-9V 图9 超声波接收模块电路图
选频放大电路的作用是仅允许一定频率的信号通过并放大，而其他频率的信号将被阻断或衰减。只要把选频放大电路工作的中心频率设定为40 KHz，就可以把其他频率的干扰信号清除或衰减，同时把40 KHz的回波信号进行放大。 （三）声光报警模块设计
在此设计中，声光报警模块虽然结构简单，但是却占有十分重要的比重。若在超声波接收装置能正常接收到超声波时，绿色发光二极管点亮，表示距离安全；若无法接收
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到超声波信号时，则中央控制芯片给与红色发光二极管一个低电平的电信号，使其点亮。其闪烁频率受距离控制，车辆与障碍物之间的距离越近，则闪烁越快。与此同时，外置喇叭也发出预设的BEEP警报声用以提示用户。如图10为光电报警电路简易原理图，图11为声音报警电路简易电路图。
图10 光电报警电路简易原理图
图11 声音报警电路简易电路图
（四）单片机最小系统
本设计主要运用带有ZLG7289的周立功最小系统来控制超声波的发送、接收，以及声光报警系统和距离提示。本最小系统中包括了声光报警和键盘控制等功能。如图12所示为单片机最小系统原理图。
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四川师范大学成都学院专科毕业设计 J2CON8J4CON1VCCU187654321J6CON81CON1P1.012345678/KEY13INT0121514VCCY212MC522P31191891716C6vcc10uF10KR5100KR6100KR7100KR8100KR16100KR17100KR18100KR19100KR4P10P11P12P13P14P15P16P17INT1/P33INT0/P32T1/P35T0/P34EA/VPX1X2RESETRD/P37WR/P36RXD/P30TXD/P31ALE/PPSEN1011302989C51P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728VCC10910112345678J17610109761010976GREENREDbeepggndfggndfggndfababegdndegdndegdndC2100nFVCC123456789/KEY1011121314J9RTCCVCCNCGNDNC/CSCLKDIO/KEYSGSFSESDSCZLG7289/RSTRC 四、系统软件设计 （一）软件设计模块化 本系统的设计要求是利用超声波测距原理设计一个车用的倒车雷达。要求通过设计能够测出并显示车与障碍物之间的距离，并能在距离小于一定的值的时候根据设定的值进行声光报警。若整个系统按照功能分类，可以分为：超声波控制模块、LED显示模块、声光报警模块、键盘控制模块、键盘扫描模块和中央控制运算模块这六大部分。在下面部分将简单介绍各个功能模块的作用。如图13所示为系统模块框图。 12 四川师范大学成都学院专科毕业设计 系统各功能模块 系统初试化模块 数码管显示模块 按键扫描模 块 发射接收控制模 块 运算结果处理模 块 声光报警模 块 图13 系统模块框图 系统初始化模块：即系统刚上电的时候对系统的各个引脚的电平分配和对各寄存器的初值赋值。 数码管显示模块：通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在数码管上。 按键扫描模块：此模块用来通过键盘控制倒车雷达的工作。 发射接收控制模块：发射控制模块是软件控制超声波发射电路发射。超声脉冲启动定时器工作，同时启动接收电路工作，当接收电路有信号输入时，对输入信号进行处理。 运算结果处理模块：运算结果处理模块将多次所测的时间进行处理，进行软件取大值工作，根据公式计算出距离，然后再对计算得出的结果进行修正处理，数据处理后送至数码管显示模块。 声光报警模块：当所测距离小于一定值时，通过声光报警来提醒使用者。 （二）各个程序的流程图 本节讲述的是各个程序流程图的设计，包括：主程序流程图、测距程序流程图、中断程序流程图。 1．主程序流程图 主程序流程图如图14所示，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。要检测返回信号必须在启动发射信号后1.4ms才可以检测，这样就可以抑制输出的干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。然后再根据现场的情况进行声光报警。 13 四川师范大学成都学院专科毕业设计 开始 系统初始化 N 有按键？ Y 发送超声波 N 接收到？ Y 大于设定值不进行声光报警 小于设定值进行声光报警 图14 主程序流程图 2．测距程序流程图 主程序调用测量子程序，显示子程序完成一个测量周期。测量子程序如图15所示。 开始 计时单元清零 开启发射 延时200um 关闭发射 延时1200um 开启定时器与中断 结束 图15 测量子程序流程图 14 四川师范大学成都学院专科毕业设计 从图15测量子程序流程图中可以看出，在测量的距离超过一定限度后误差会变大，为此可以在大于一定距离后采用软件修正，补偿实际测的数据，当然这要在调试中收集大量的实际测试数据后在单片机中设置。当计算时为了提高计算精度可以用计算计数脉冲个数来提高计算精度，改进后的公式如公式3： LNv (公式3) 2f其中N表示为计数脉冲个数，v为超声波在空气中的速度，f为计数频率也即单片机的晶振频率。 3.中断程序流程图 中断程序流程图如图16所示，在中断程序中，当有中断产生也即接收到超声波信号就马上关闭中断与定时器，并进行距离计算与判断的工作。 中断入口 关闭定时器 关闭中断 关闭发射器 计算第一次距离 计算第二次距离 比较两次取值 取两次中的大值 中断返回 图16 中断程序流程图 15 四川师范大学成都学院专科毕业设计 时间计测：超声波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机内部的计数器T0来完成的。在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题是由于换能器之间的距离不大，有部分声波未经被测物就直接绕射到接收换能器上。从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，通过控制触发器不能触发，也就是超声波发射后不是马上的接收，而是要经过一段时间的等待再接收，使不会发中断申请，可有效躲避干扰，但也会形成所谓的“盲区”。本系统的盲区通过计算在24cm左右。 五、系统调试 （一）最小系统的调试 本倒车雷达系统有两块PCB板一块是单片机最小系统，另一块是超声波的发射和接收组成的测距模块板，调试分块进行。 由于本系统采用的是有ZLG7289的周立功最小系统，所以所调试的只有看ZLG7289是否正常工作以及所作PCB板电路是否工作正常即可。 （二）测距模块的调试 超声波测距模组包括超声波驱动电路和接收电路。本设计所采用的超声波传感器是压电式的，驱动频率为40KHz。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。还可将两探头之间的距离稍微分开点以防止发生自发自收的轻快产生。调试成功后，经过仿真可得到超声波发射端波形如图17所示。 图17 超声波发射端波形（所用量程为频率20us/DIV,电压1V/DIV） 16 四川师范大学成都学院专科毕业设计 超声波接收端波形如图18所示： 图18 超声波接收端波形（所用量程为频率20us/DIV,电压5V/DIV） 如图19为经LM567的第3引脚输入端的波形。 图19 LM567的3引脚输入端波形（所用量程为频率20us/DIV,电压5V/DIV） 倒车雷达系统工作时情况如图20所示： 图20 倒车雷达系统工作时情况 17 四川师范大学成都学院专科毕业设计 （三）调试的结果 由于本系统硬件本身存在着误差，所以在测量时用取平均值的方式进行。故在测量时，每次测量距离次数四次，然后取平均值。 表2距离测量数据表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 理论值(cm) 25 30 40 50 70 80 90 100 120 140 160 180 200 220 240 250 实际值(cm) 26 29 42 51 69 79 91 99 123 142 162 181 203 223 242 251 绝对误差(cm) 1 1 2 1 1 1 1 1 3 2 2 1 3 3 2 1 相对误差(%) 3.8 3.4 4.8 2.0 1.4 1.3 1.1 1.0 2.4 1.4 1.2 0.6 1.5 1.3 0.8 0.4 从表2中可以看出绝对误差最大值为3cm，相对误差小于5%。本倒车雷达系统所测最小距离为24cm，最大距离在250cm左右，满足设计要求。 （四）误差分析 引入测量误差的原因主要有： ★ 环境对测量的影响：包括空气温度变化引起的声速变化、空气成分变化、声波传播途中温度梯度导致测温不准确等，由于这些因素对结果产生的影响比较小。开关门可靠性是超声波测距仪可靠性的关键,即同步门控制。也就是说发射与脉冲计数须同步。 ★ 量化误差：即参考频率计数结果的误差,由于选择的单片机计时时钟频率为12MHz,所以有量化误差为0.01米，符合测距要求范围。所以超声波发送应考虑因素有: （1）量程范围;（2）目标距离和目标反射情况。超声波频率高对探测较小目标有利,有效反射目标应大于至少10 个波长以上，对于非垂直于发射波束的目标,大波束角的传感器通常可以获得更强的回波信号,而波束角越窄对于减小散射波的干扰越有利。 ★ 触发误差：由于被测信号经放大、整形，门控产生“开门脉冲”和“关门脉冲” 18 四川师范大学成都学院专科毕业设计 中,噪声信号、干扰信号的掺入,使触发的时间可能提前或滞后,给测量结构带来了随机误差，该误差与信号的触发波形有很大关系。 ★ 本系统采用LM567来确认接收信号，LM567在工作时对发射信号的接收需要有一定的延时，再在这段时间中锁相环锁定信号，由此产生的误差由数据处理模块中加入一个修正量来减小误差。 ★ 超声波波束对探测目标的入射角的影响；超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发；影响测量误差的因素很多，还有现场环境干扰、实际脉冲频率等。 六、结束语 我设计的倒车雷达系统是保障汽车倒车安全的辅助系统，通过超声波探头发出超声波，使用高速单片机测量车与障碍物之间的往返时间然后再计算车与障碍物之间的距离，并加入了软件补偿，提高了距离计算的精度，然后显示在LED数码管上。当在探测范围内有障碍物时，发光二极管以一定频率闪烁，闪烁的频率以距离定，距离越近频率越高，同时蜂鸣器提示报警， 距离越近蜂鸣器的报警时间间隔越短，当距离小于最小安全距离时，蜂鸣器不间断报警。 七、致谢 感谢陈老师半年多来对我的指导。本文从选题一直到撰写的每个阶段都是在陈老师悉心指导下完成的。我们曾共同探讨问题就各种出现的新情况提出自己的见解和积极的解决办法，他清晰敏捷的思路，严谨的工作态度和丰富的实际经验给我留下深刻的印象。在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于电子技术基础方面的知识，实验技能有了很大的提高。本次设计完成之际我对陈老师表示深深的敬意和诚挚的感谢。 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。 19 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容