倒车雷达系统设计

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1、倒车雷达 系统设计摘 要随着社会经济的快速发展以及电子技术的逐渐成熟，距离测量在我们的生产生活中各行业种随处可见，超声波测距技术相较于传统的测距技术而言具有精度高、响应速度快等诸多优势，广泛应用在当前的工业生产之中，如汽车自动驾驶，盲道，伐木等。因此，超声波测距的研究具有重要的现实意义。近年来，无线通讯的发展，使得人们的生活质量也随之提升，远距离遥感和测距技术的出现使人们可以从繁重的劳动中解脱出来，也极大的促进了科学技术和生产力的发展。本文选用STC89 C52单片机，并结合超声波测距，显示单元和报警单元。运用无线传输技术，在单片机的基础上设计出了一个简单方便的倒车雷达系统。该系统主要有两部分

2、组成：从机负责超声波测距和数据处理，然后将无线传输模块发送到主机上。随后主机在接收到信号之后将信息与设定的阈值信息进行比较，若测距距离小于设定极限值，则说明汽车在倒车时可能会碰上障碍物，此时会发出报警声，并将处理结果在显示模块中予以显示提醒驾驶员及时采取合理的制动措施进行制动，防止出现安全事故，本文所设计的倒车雷达系统按键模块中由三个按键，通过按键可手动完成报警距离极限值的设定。本文研究和阐述了停车传感器系统的设计方案，并对设计结果进行了仿真和调试，仿真结果表明，本文设计的倒车雷达可实现预期的功能，为同类设备的设计提供了一定的理论借鉴。关键词：超声波测距；STC89C52；无线传输；倒车雷达A

3、bstractWith the rapid development of social economy and the gradual maturity of electronic technology, distance measurement can be seen everywhere in our production and life. Ultrasonic ranging technology has higher precision and faster response than traditional ranging technology. Many advantages a

4、re widely used in current industrial production, such as auto driving, blind roads, logging and so on. Therefore, the research of ultrasonic ranging has important practical significance. In recent years, the development of wireless communication has improved peoples quality of life. The emergence of

5、 remote sensing and ranging technology has enabled people to be freed from heavy labor and greatly promoted the development of science and technology and productivity. .This article selects STC89 C52 single-chip microcomputer, and combines ultrasonic ranging, display unit and alarm unit. Using the w

6、ireless transmission technology, a simple and convenient reversing radar system is designed on the basis of single chip microcomputer. The system consists of two main components: the slave is responsible for ultrasonic ranging and data processing, and then sends the wireless transmission module to t

7、he host. Then, after receiving the signal, the host compares the information with the set threshold information. If the distance is less than the set limit, the car may hit an obstacle when reversing, and an alarm will be sounded. The processing result is displayed in the display module to remind th

8、e driver to take reasonable braking measures to brake in time to prevent a safety accident. In this paper, the parking sensor system button module is designed with three buttons, and the alarm distance limit can be manually completed by pressing the button. The setting of the value. In this paper, t

9、he design scheme of the parking sensor system is studied and expounded, and the design results are simulated and debugged. The simulation results show that the reversing radar designed in this paper can realize the expected function and provide a theoretical reference for the design of similar equip

10、ment.Key words: ultrasonic ranging; STC89C52; wireless transmission; parking sensor目录1. 绪论11.1 选题目的和意义11.2 国内外现状11.3 研究内容22. 倒车雷达总体设计方案33. 倒车雷达硬件设计43.1 硬件选型和介绍43.2 硬件系统总体设计103.3 单片机最小系统103.4 时钟电路和复位电路113.5 液晶显示模块113.6 电源模块123.7 按键模块123.8 声光报警模块133.9 无线传输模块144. 倒车雷达软件设计154.1 主程序流程说明154.2 无线传输模块设计174.

11、3 超声波测距程序设计195. 系统调试206. 总结与展望20参考文献24附录1原理图25附录2 部分程序代码26致谢31倒车雷达系统设计1. 绪论1.1 选题目的和意义随着汽车工业的快速发展，汽车数量逐年增加，导致越来越拥挤的道路，街道，停车场，车库等。在享受汽车带来的便利的同时，倒车停车引起的安全问题也越来越受到重视。由于驾驶员在车内驾驶，视野收到极大限制，通常通过车内外的倒车镜来辅助观察周围环境，但车后方的障碍物高度不足以透过镜子看到，太靠近高体也可能在驾驶员的视野中看不到。这样，对驾驶员的停车和倒车来说是很不方便甚至是很危险的。停车传感器安装在汽车中，并可通过声音警报，数据显示和图像

12、显示警告驾驶员车辆周围的情况。协助驾驶员倒车或停车以使其在驾驶时更安全。因此，研究高性能汽车倒车雷达具有重要的现实意义。1.2 国内外现状近年来，倒车雷达产品的产量增长非常迅速。其中，以中国为代表的低端和中端产品的快速增长是推动这类产品在全球增长的主要因素。在中国，雷达设备的研究相较于西方一些发达国家而言起步较晚，但是随着近年来众多研究者研究的不断深入，在该领域也取得了一定的研究成果。当前倒车雷达广泛应用在家用汽车中，用来保证汽车在倒车过程中的安全性。自倒车雷达问世至今，经历了七代技术革新：前两代倒车雷达主要使用声音来发出警报;第三代倒车雷达增加了数字频段显示功能;第四代倒车雷达引入了图像LC

13、D显示功能;第五代是魔镜倒车雷达;第六代是无线倒车雷达；第七代是MP3倒车雷达。综合考虑，逆向雷达系统技术的未来发展趋势是技术集成。用于倒车雷达产品的技术在车辆倒车或停止时才能发挥与其的成效，随着技术的进一步发展，汽车中所用的雷达技术也愈渐成熟，当前倒车雷达的发展方向为可视化、智能化，从而使驱动器更安全。1.3 研究内容本文设计了一种简单实用的倒车雷达系统，它由单片机，超声波发射和接收电路，显示电路和报警电路组成。微控制器是整个系统的核心部件，协调电路各部分的工作。本文选用两个单片机分别控制主机和从机，从机的主要功能为负责检测超声波，当超声波模块发出超声波并被接收后将信息传输到单片机之中，单片

14、机对数据进行处理和分析即可得到当前汽车与障碍物之间的距离，最后将数据传输到主机之中。主机和从机之间的数据交换是通过无线传输实现的。该系统主要有两部分组成：从机负责超声波测距和数据处理，然后将无线传输模块发送到主机上。随后主机在接收到信号之后将信息与设定的阈值信息进行比较，若测距距离小于设定极限值，则说明汽车在倒车时可能会碰上障碍物，此时会发出报警声，并将处理结果在显示模块中予以显示提醒驾驶员及时采取合理的制动措施进行制动，防止出现安全事故，本文所设计的倒车雷达系统按键模块中由三个按键，通过按键可手动完成报警距离极限值的设定。当测量距离小于设定的阈值时蜂鸣器将发出警报，此时二极管将闪烁，提醒驾驶

15、员已达到安全距离范围，及时采取制动措施。完成该篇论文的撰写，且实物实现以上功能，需要做的工作如下：1、 查阅文献资料，确定整体设计方案；2、 硬件选型，经过对比确定合适的硬件型号；3、 系统硬件的设计，绘制电路图；4、 系统软件的设计，确定程序流程和程序编写；5、 实物的制作与软硬件的调试；6、 论文的撰写和完善。2. 倒车雷达总体设计方案本文设计了一种简单实用的倒车雷达系统，它由单片机，超声波发射和接收电路，显示电路和报警电路组成。微控制器是整个系统的核心部件，协调电路各部分的工作。本文选用两个单片机分别控制主机和从机，从机负责超声波测距和数据处理，然后将无线传输模块发送到主机上。随后主机在

16、接收到信号之后将信息与设定的阈值信息进行比较，若测距距离小于设定极限值，则说明汽车在倒车时可能会碰上障碍物，此时会发出报警声，并将处理结果在显示模块中予以显示提醒驾驶员及时采取合理的制动措施进行制动，防止出现安全事故，本文所设计的倒车雷达系统按键模块中由三个按键，通过按键可手动完成报警距离极限值的设定。当测量距离小于设定的阈值时蜂鸣器将发出警报，此时二极管将闪烁，提醒驾驶员已达到安全距离范围，及时采取制动措施。倒车雷达系统结构框图如图2-1所示：STC89C52主控制器nRF24L01发射模块nRF24L01接收模块STC89C52主控制器液晶显示电源模块电源模块超声波测距模块声光报警按键模块

17、 图2-1 倒车雷达系统结构框图3. 倒车雷达硬件设计3.1 硬件选型和介绍3.1.1 单片机：STC89C52本设计选用STC89C52单片机，该单片机功耗低、性能高、可编程的存储器有8K。其8位CPU和在线可编程闪存使其为许多更为高效的解决方案。STC89C52微控制器的标准功能如下：8K字节Flash；256字节RAM；看门狗定时器；全双工串行口；32位I/O口线；1个6向量2级中断结构；2个数据指针；3个16位定时器/计数器；片内晶振；时钟电路。此外，STC89C52单片机包含一个40千赫的RC振荡器，工厂调谐8 MHz的RC振荡器，以校准的32 kHz的RTC振荡器，以及提供CPU时

18、钟的PLL。它存在待机，睡眠和关机三种不同的模式。这三种模式可以保证芯片较低的功率损耗。 此外，STC89C52还具有三个12位模数转换器，电压的变换范围是0至3.6V，具有三倍采样性能和保持功能。 MCU具备51个多功能的5V兼容I / O端口。 一切I / O端口都可以通过16个外部来进行中断。 同时，MCU还具有11个不同功能定时器，其中4个是16位的普通定时器，2个16位6通道高级控制定时器，2个看门狗定时器，1个系统定时器和2个16位基本定时器。下面介绍其引脚的功能电路的电源管脚VCC引脚主要用来提供电源；GND是为了防止短路的接地引脚。复用管脚RST：在工作过程中起到对输入进行重置

19、的作用，其原理利用的是两个机器周期内的高电平完成的。：当系统需要对外部程序器进行访问或者是进行访问数据存储器时，的作用是将地址的低8位脉冲字节索存。因为通常情况下，的输出时间是固定的，是时钟振荡频率的1/6，利用这一特性可以用它来实现计时的功能。但是如果要进行外部数据存储的访问时，系统会自动越过脉冲。系统编程产生的闪存时，引脚还起到输入输入的作用。在可能的情况下，禁止ALE操作可以通过在SFR区域的0号位置安装8EH来实现。因为在0号位置之后只有一个固定的指令才能实现ALE的激活。此外，引脚会稍微升高，不执行内部程序时，需要让禁止位无效。PSEN：PSEN从外部选取的信号来提供给程序存储器使用

20、。单片机在外部获取指令时，PSEN只能产生两次有效的循环，换而言之有两个脉冲输出。这时候访问外部数据存储器，系统会自动越过两个PSEN信号。EA/VP：访问外部的程序内存只能够通过CPU来进行。EA此时的状态应该是处于接地状态。特别的是，此时编程已经加密了的LB1，则在重置期间，EA状态将在内部锁定。外界晶体引脚XTAL1（19脚）：衔接外部晶体的一端，用于内部时钟工作电路的输入端口；XTAL2（18脚）：衔接外部晶体一端，反向振荡放大器的输出端。3.1.2无线模块：nRF24L01无线传输模块使用nRF24 L01芯片，这是挪威公司生产的单芯片RF收发器芯片。该芯片功耗较低，功率和工作电流小

21、，还可以进行掉电模式和空闲模式的选择，特别方便。nRF24L01性能如下：自动应答和再发射；在芯片上自动生成标头和CRC代码；SPI速率010Mb/s；GFSK调制，硬件集成OSI链路层；数据传输率1或2Mb/s；QFN20引脚4mm*4mm封装；125个频道与其他系列射频器件兼容；供电电压1.93.6v。3.1.2.1 引脚功能及描述 的封装及引脚排列、功能如下图所示。图3-1 引脚排列和功能CE：使能发射或接收； 引脚端，配置；：中断标志位；：电源输入； ：电源地；：晶体振荡器引脚； ：为功率放大器供电；：天线接口；：参考电流输入；3.1.2.2 工作模式的工作模式具体如表3-1所示。 表

22、3-1 工作模式 在待机模式1下系统耗能较小，在该模式下系统所有配置字节将保留。在掉电模式下，系统的电流消耗最小，此时不起作用，但会将所有配置寄存器的值予以保存。3.1.2.3工作原理在进行数据发送时，首先自动将 配置为发送模式，此时接收节点地址 TX_ ADDR以及有效数据将通过时钟模块写入缓冲器之中，当端口CSN为持续的低电平信号时，TX_PLD将实现连续写入，发送时写入TX_ADDR。在接收数据信息时，在其配置模式下实现数据信息的接受，在接收信息时会经过一段时间延迟，在延时结束后将等待数据达到并最终接受传输的数据信息，当接受模式下检测到有效地址后，系统自动将其进行储存，此时中断标志位为高

23、电平。当IRQ端口输出低电平信号时将输出中断，此时时序模块会自动产生中断，并将信号传输到微处理器进行处理，若此时无接通应当，则信号接收模块将输入传输状态反应信号，当完成数据的最后一次成功接收之后，端口变为CE将输出低电平信号，此时则进入空闲模式1。将保持待机直到所有数据均写入寄存器之中。有25个配置寄存器。如下表所示。表3-2 常用配置寄存器 3.2 硬件系统总体设计系统负责超声波测距和数据处理，然后将无线传输模块发送到主机上。随后主机在接收到信号之后将信息与设定的阈值信息进行比较，若测距距离小于设定极限值，则说明汽车在倒车时可能会碰上障碍物，此时会发出报警声，并将处理结果在显示模块中予以显示

24、提醒驾驶员及时采取合理的制动措施进行制动，防止出现安全事故，本文所设计的倒车雷达系统按键模块中由三个按键，通过按键可手动完成报警距离极限值的设定。当测量距离小于设定的阈值时蜂鸣器将发出警报，此时二极管将闪烁。用户可通过按键模块来对报警距离进行设置。3.3 单片机最小系统简而言之，单片机最小系统就是以最少的元器件组成能让单片机工作起来的系统，接下来介绍51单片机最小系统必备的器件及其作用。首先电源这对于一个电子产品的话是必不可少，它提供能源给系统运作，在本设计中由于51单片机的工作电压在4.55.5V之间都可以正常工作所以我们采用了USB电源线连接手机充电器插头或者5V的移动电源给系统进行供电。

25、其次晶振电路，单片机其内部含有一个方向放大器，其在该系统中构成内部振荡器，其中为其输入端，是输出端，在振动器外部连接陶瓷振荡器及补偿电容、，并由、相互并联，组成谐振电路。在在外接振荡器时，电容、要选择；外界陶瓷振荡器时电容、要选择范围在之间。该系统的晶振频率通常位于范围之内。外接电容会对晶振频率、稳定性以及起振时间造成一定的影响。因而要将振荡器的外接电容置于单片机旁边才能有效减少其对系统产生的影响，从而保证振荡器的工作稳定性。3.4 时钟电路和复位电路图3-2时钟电路 图3-3复位电路复位电路是在芯片工作状态出现问题的时候，可以保证回到最原始的状态的电路。首先，复位信号在单片机通电的时候就产生

26、了;然后，该信号进行传输，复位电路开始启动;最后，芯片被还原为最开始的工作状态。当芯片正在运行和工作的过程中，假如在外界因素的干扰下出现出错情况或者执行的程序出现故障的时候，人工按下复位按钮，这个时候，单片机就会自己重新开始执行自原始的程序。在时钟结束工作以后，2个周期的高电平信号就会从RESET端输出，在这个时候复位成功。一般来说，复位模式有两种，第一种是通电即可自动复位模式，第二种是可以通过一个按键来人工复位。人工按键复位电路是本此的设计使用的，所以在电路板上存在一个专门用来复位的按键。时钟电路是通过22PF的陶瓷片电容以及晶体振荡器所构成的，两者结合完成启动电路，为微控制器传递定时指令，

27、控制器进行工作。按照生成方式的差异，又能够分类成内部和外部这两种。在芯片的外部，振荡器以及微调电容连接在XTAL1和XTAL2之间，形成一个比较平稳的自激振荡器，在引脚上输出3V的正弦波。3.5 液晶显示模块采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602与单片机P0口连接，同时外接上拉电阻，通过上下两行来显示蔬菜大棚温度的设定阈值以及实测值，两者可同时限制，单片机P2.3、P2.4、P2.5分别与液晶显示模块的复位、读写和使能端口相连，数据显示参考主程序其他时序。LCD1602液晶显示器中的每一个字符都是由5*7的点阵组成。该显示方式具有控制简单等优势，同其他液晶控制原理相似。显示模块电路图如图

28、3-4所示：图3-4 显示模块电路图3.6 电源模块由于该系统使用nRF24L01无线传输模块来实现信号在系统之间的无线传输，由于不同设备的额定电压不同，因此在电源模块中需要设置稳压器，本系统采用ASM1117-3.3V稳压器，为无线传输模块提供3.3V电源。电源接口电路如下图所示。图3-5 电源模块电路图3.7 按键模块按键电路十分简单明了，使用三个按键（一个是增加键，一个是减少键，最后一个是设置键）这三个键位分别与单片机芯片的PB13，PB14，PB15口相连接，从而控制数值的变化与调节。图3-6 按键模块电路3.8 声光报警模块声光报警电路由NPN型S8550三极管驱动。晶体管的发射极结

29、被正偏置，集电极结被反向偏置，并且两个以上的饱和度被打开。此时，发光二极管将会闪烁，同时蜂鸣器发出警报。当单片机的P2 3端口输出高电平此时三极管截止，声音和灯关闭，不发出警报。声光报警模块电路图如下所示：图3-7 声光报警电路3.9 无线传输模块本系统中无线传输 模块采用nRF24L01，共设置有两个无线传输模块分别实现无线信号的收发。如图3-8所示：图3-8无线传输模块电路图4. 倒车雷达软件设计4.1 主程序流程说明在本文所设计的倒车雷达系统中最核心的模块为单片机，该系统实现测距的原理时当超声波模块发出超声波并被接收后将信息传输到单片机之中，单片机对数据进行处理和分析即可得到当前汽车与障

30、碍物之间的距离，最后将数据传输到主机之中。主机和从机之间的数据交换是通过无线传输实现的。通过无线模块发出和接收超声波的时间即可计算出当前汽车与障碍物之间的距离。该系统主程序流程图如下所示。初始化测量出距离將距离数据写入发射数组发射数据延时开始图4-1 发射部分流程图在无线接收模块中首先需要完成nRF24L01的初始化，随后进入大循环之中确定寄存器是否可实现中断信号的接收，若寄存器接收到终端信号，则FIFO_buffer中完成二进制数据的读取，随后将读取的信息内容在显示模块中予以显示。显示模块程序流程图如下所示。图4-2 接收部分流程图4.2 无线传输模块设计4.2.1 无线发射模块软件设计在进

31、行数据发送时，首先自动将 配置为发送模式，此时接收节点地址 TX_ ADDR以及有效数据将通过时钟模块写入缓冲器之中，当端口CSN为持续的低电平信号时，TX_PLD将实现连续写入，发送时写入TX_ADDR。发送模块程序流程图如下图所示：图4-3 无线发射模块软件流程图4.2.2 无线接收模块软件设计在接收数据信息时，在其配置模式下实现数据信息的接受，在接收信息时会经过一段时间延迟，在延时结束后将等待数据达到并最终接受传输的数据信息，当接受模式下检测到有效地址后，系统自动将其进行储存，此时中断标志位为高电平。当IRQ端口输出低电平信号时将输出中断，此时时序模块会自动产生中断，并将信号传输到微处理

32、器进行处理，若此时无接通应当，则信号接收模块将输入传输状态反应信号，当完成数据的最后一次成功接收之后，端口变为CE将输出低电平信号，此时则进入空闲模式1。要产生导致IRQ引脚变为低电平的中断，需要将状态寄存器的中断标志位RX-DR置为高电平。通知MCU以获取数据。无线接收模块流程图如图4-4所示：图4-4 无线接收模块软件流程图4.3 超声波测距程序设计使用函数功能编写超声波测距模块程序，距离为返回值。首先给超声波模块接入电源和地，然后给脉冲触发引脚输入一个高电平方波，关闭定时器。输入方波后，模块会自动发射出声波，回波引脚端的电平会由0变为1，当超声波发挥接收模块，引脚变为低电平，系统自动计算

33、无线信号发送到接受的时间，并基于此来实现距离的计算。测距模块流程图如图4-5所示：图4-5 超声波测距模块软件流程图5. 系统调试完成系统的硬件和软件部分的工作后，生成和测试物理对象。具体步骤如下：步骤1：焊接硬件电路步骤2：液晶显示程序被烧入接收端。步骤3：在单片机中写入仪表计数程序，完成显示模块和按键模块的功能测试。步骤4：分别将nRF24L01连接到STC89C52，写入程序后对无线传输模块的功能进行测量。步骤5：将不同模块进行连接，并将检测效果在显示模块中予以显示。实物测试情况欧式如下图： 首先，整个电路通电，从机和主机的电源模块可以正常工作。 然后对显示模块和按键模块进行测试，可以看

34、到液晶显示模块可正常显示数据。当按下距离设置按键时，可通过加减按键进行测距距离的增加和减少。参数设置为0.5m后，测试距离测量模块和声光报警模块，测试结果为当慢慢移动障碍物接近雷达至距离小于设置距离时，系统开始报警并继续发出蜂鸣声并且指示灯亮起，距离大于该距离时不报警。同时，在系统上测量一些数据如表5-1所示：表5-1 数据测试表 本文所设计的系统功耗非常低，与设计要求基本符合。除此之外测距精度也符合要求，因此本文所设计的倒车雷达系统可实现预期功能。6. 总结与展望如今汽车已经走进千家万户，汽车的安全性变得尤为重要，行车辅助功能的发展越来越受到关注。本文以单片机为控制器的核心，结合超声波测距，

35、语音报警，显示模块和相关控制电路。该无线传输技术用于研究和设计停车雷达系统的主要结构和软硬件。并对系统的设计进行了测试和实物制作，完成了测距、声光报警的功能，达到了较为理想的控制效果。在较近距离内，其误差可控制在百分之五左右，确保了系统的可行性。本文研究和阐述了停车传感器系统的设计方案，并对设计结果进行了仿真和调试，仿真结果表明，本文设计的倒车雷达可实现预期的功能，为同类设备的设计提供了一定的理论借鉴。参考文献1孟升卫，曹义，尹洪涛.基于FSK的超声波测距技术研究J.电子测量技术，2009（5）：150-1522安新艳.超声波测距系统J.电子世界,2014,（20）：41.3张猛，牛煜，王鹏，

36、庞瑞阳.一种基于51单片机的光感和声感的辅助冲便器装置J.电子制作,2018(11)：26-27.4李珍，何植桐.单片机原理与应用技术M.清华大学出版社，2003.5姬永.基于无线通信技术的语音提示器J.移动信息，2015(2)：5.6崔晓川，邹博维，孙明.倒车雷达探测范围测量方法及准确度分析J.中国测试，2016，42(05)：42-45.7刘芹.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计J.山东工业技术，2018（23）：115.8中国倒车雷达行业市场现状研究与未来前景趋势报告.网络电子文献.中国市场调研网，2014，419张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）M.北京：人民邮电出版社，201610松井邦彦，传感器实用电路设计与制作M.北京：科学出版社，200511郭强，周云仙等，液晶显示手册M.电子工业出版社，2003