倒車雷達系統設計摘要隨著社會經濟的快速發展以及電子技術的逐漸成熟，距離測量在我們的生產生活中各行業種隨處可見，超聲波測距技術相較于傳統的測距技術而言具有精度高、響應速度快等諸多優勢，廣泛應用在當前的工業生產之中，如汽車自動駕駛，盲道，伐木等。因此，超聲波測距的研究具有重要的現實意義。近年來，無線通訊的發展，使得人們的生活質量也隨之提升，遠距離遙感和測距技術的出現使人們可以從繁重的勞動中解脫出來，也極大的促進了科學技術和生產力的發展。本文選用STC89C52單片機，并結合超聲波測距，顯示單元和報警單元。運用無線傳輸技術，在單片機的基礎上設計出了一個簡單方便的倒車雷達系統。該系統主要有兩部分組成：從機負責超聲波測距和數據處理，然后將無線傳輸模塊發送到主機上。隨后主機在接收到信號之后將信息與設定的閾值信息進行比較，若測距距離小于設定極限值，則說明汽車在倒車時可能會碰上障礙物，此時會發出報警聲，并將處理結果在顯示模塊中予以顯示提醒駕駛員及時采取合理的制動措施進行制動，防止出現安全事故，本文所設計的倒車雷達系統按鍵模塊中由三個按鍵，通過按鍵可手動完成報警距離極限值的設定。本文研究和闡述了停車傳感器系統的設計方案，并對設計結果進行了仿真和調試，仿真結果表明，本文設計的倒車雷達可實現預期的功能，為同類設備的設計提供了一定的理論借鑒。關鍵詞：超聲波測距；STC89C52；無線傳輸；倒車雷達

AbstractWiththerapiddevelopmentofsocialeconomyandthegradualmaturityofelectronictechnology,distancemeasurementcanbeseeneverywhereinourproductionandlife.Ultrasonicrangingtechnologyhashigherprecisionandfasterresponsethantraditionalrangingtechnology.Manyadvantagesarewidelyusedincurrentindustrialproduction,suchasautodriving,blindroads,loggingandsoon.Therefore,theresearchofultrasonicranginghasimportantpracticalsignificance.Inrecentyears,thedevelopmentofwirelesscommunicationhasimprovedpeople'squalityoflife.Theemergenceofremotesensingandrangingtechnologyhasenabledpeopletobefreedfromheavylaborandgreatlypromotedthedevelopmentofscienceandtechnologyandproductivity..ThisarticleselectsSTC89C52single-chipmicrocomputer,andcombinesultrasonicranging,displayunitandalarmunit.Usingthewirelesstransmissiontechnology,asimpleandconvenientreversingradarsystemisdesignedonthebasisofsinglechipmicrocomputer.Thesystemconsistsoftwomaincomponents:theslaveisresponsibleforultrasonicranginganddataprocessing,andthensendsthewirelesstransmissionmoduletothehost.Then,afterreceivingthesignal,thehostcomparestheinformationwiththesetthresholdinformation.Ifthedistanceislessthanthesetlimit,thecarmayhitanobstaclewhenreversing,andanalarmwillbesounded.Theprocessingresultisdisplayedinthedisplaymoduletoremindthedrivertotakereasonablebrakingmeasurestobrakeintimetopreventasafetyaccident.Inthispaper,theparkingsensorsystembuttonmoduleisdesignedwiththreebuttons,andthealarmdistancelimitcanbemanuallycompletedbypressingthebutton.Thesettingofthevalue.Inthispaper,thedesignschemeoftheparkingsensorsystemisstudiedandexpounded,andthedesignresultsaresimulatedanddebugged.Thesimulationresultsshowthatthereversingradardesignedinthispapercanrealizetheexpectedfunctionandprovideatheoreticalreferenceforthedesignofsimilarequipment.Keywords:ultrasonicranging;STC89C52;wirelesstransmission;parkingsensor

目錄1.緒論 11.1選題目的和意義 11.2國內外現狀 11.3研究內容 22.倒車雷達總體設計方案 33.倒車雷達硬件設計 43.1硬件選型和介紹 43.2硬件系統總體設計 103.3單片機最小系統 103.4時鐘電路和復位電路 113.5液晶顯示模塊 113.6電源模塊 123.7按鍵模塊 123.8聲光報警模塊 133.9無線傳輸模塊 144.倒車雷達軟件設計 154.1主程序流程說明 154.2無線傳輸模塊設計 174.3超聲波測距程序設計 195.系統調試 206.總結與展望 20參考文獻 24附錄1原理圖 25附錄2部分程序代碼 26致謝 31倒車雷達系統設計1.緒論1.1選題目的和意義隨著汽車工業的快速發展，汽車數量逐年增加，導致越來越擁擠的道路，街道，停車場，車庫等。在享受汽車帶來的便利的同時，倒車停車引起的安全問題也越來越受到重視。由于駕駛員在車內駕駛，視野收到極大限制，通常通過車內外的倒車鏡來輔助觀察周圍環境，但車后方的障礙物高度不足以透過鏡子看到，太靠近高體也可能在駕駛員的視野中看不到。這樣，對駕駛員的停車和倒車來說是很不方便甚至是很危險的。停車傳感器安裝在汽車中，并可通過聲音警報，數據顯示和圖像顯示警告駕駛員車輛周圍的情況。協助駕駛員倒車或停車以使其在駕駛時更安全。因此，研究高性能汽車倒車雷達具有重要的現實意義。1.2國內外現狀近年來，倒車雷達產品的產量增長非常迅速。其中，以中國為代表的低端和中端產品的快速增長是推動這類產品在全球增長的主要因素。在中國，雷達設備的研究相較于西方一些發達國家而言起步較晚，但是隨著近年來眾多研究者研究的不斷深入，在該領域也取得了一定的研究成果。當前倒車雷達廣泛應用在家用汽車中，用來保證汽車在倒車過程中的安全性。自倒車雷達問世至今，經歷了七代技術革新：前兩代倒車雷達主要使用聲音來發出警報;第三代倒車雷達增加了數字頻段顯示功能;第四代倒車雷達引入了圖像LCD顯示功能;第五代是魔鏡倒車雷達;第六代是無線倒車雷達；第七代是MP3倒車雷達。綜合考慮，逆向雷達系統技術的未來發展趨勢是技術集成。用于倒車雷達產品的技術在車輛倒車或停止時才能發揮與其的成效，隨著技術的進一步發展，汽車中所用的雷達技術也愈漸成熟，當前倒車雷達的發展方向為可視化、智能化，從而使驅動器更安全。1.3研究內容本文設計了一種簡單實用的倒車雷達系統，它由單片機，超聲波發射和接收電路，顯示電路和報警電路組成。微控制器是整個系統的核心部件，協調電路各部分的工作。本文選用兩個單片機分別控制主機和從機，從機的主要功能為負責檢測超聲波，當超聲波模塊發出超聲波并被接收后將信息傳輸到單片機之中，單片機對數據進行處理和分析即可得到當前汽車與障礙物之間的距離，最后將數據傳輸到主機之中。主機和從機之間的數據交換是通過無線傳輸實現的。該系統主要有兩部分組成：從機負責超聲波測距和數據處理，然后將無線傳輸模塊發送到主機上。隨后主機在接收到信號之后將信息與設定的閾值信息進行比較，若測距距離小于設定極限值，則說明汽車在倒車時可能會碰上障礙物，此時會發出報警聲，并將處理結果在顯示模塊中予以顯示提醒駕駛員及時采取合理的制動措施進行制動，防止出現安全事故，本文所設計的倒車雷達系統按鍵模塊中由三個按鍵，通過按鍵可手動完成報警距離極限值的設定。當測量距離小于設定的閾值時蜂鳴器將發出警報，此時二極管將閃爍，提醒駕駛員已達到安全距離范圍，及時采取制動措施。完成該篇論文的撰寫，且實物實現以上功能，需要做的工作如下：查閱文獻資料，確定整體設計方案；硬件選型，經過對比確定合適的硬件型號；系統硬件的設計，繪制電路圖；系統軟件的設計，確定程序流程和程序編寫；實物的制作與軟硬件的調試；論文的撰寫和完善。

2.倒車雷達總體設計方案本文設計了一種簡單實用的倒車雷達系統，它由單片機，超聲波發射和接收電路，顯示電路和報警電路組成。微控制器是整個系統的核心部件，協調電路各部分的工作。本文選用兩個單片機分別控制主機和從機，從機負責超聲波測距和數據處理，然后將無線傳輸模塊發送到主機上。隨后主機在接收到信號之后將信息與設定的閾值信息進行比較，若測距距離小于設定極限值，則說明汽車在倒車時可能會碰上障礙物，此時會發出報警聲，并將處理結果在顯示模塊中予以顯示提醒駕駛員及時采取合理的制動措施進行制動，防止出現安全事故，本文所設計的倒車雷達系統按鍵模塊中由三個按鍵，通過按鍵可手動完成報警距離極限值的設定。當測量距離小于設定的閾值時蜂鳴器將發出警報，此時二極管將閃爍，提醒駕駛員已達到安全距離范圍，及時采取制動措施。倒車雷達系統結構框圖如圖2-1所示：STC89C52STC89C52主控制器nRF24L01發射模塊nRF24L01接收模塊STC89C52主控制器液晶顯示電源模塊電源模塊超聲波測距模塊聲光報警按鍵模塊圖2-1倒車雷達系統結構框圖

3.倒車雷達硬件設計3.1硬件選型和介紹3.1.1單片機：STC89C52本設計選用STC89C52單片機，該單片機功耗低、性能高、可編程的存儲器有8K。其8位CPU和在線可編程閃存使其為許多更為高效的解決方案。STC89C52微控制器的標準功能如下：8K字節Flash；256字節RAM；看門狗定時器；全雙工串行口；32位I/O口線；1個6向量2級中斷結構；2個數據指針；3個16位定時器/計數器；片內晶振；時鐘電路。此外，STC89C52單片機包含一個40千赫的RC振蕩器，工廠調諧8MHz的RC振蕩器，以校準的32kHz的RTC振蕩器，以及提供CPU時鐘的PLL。它存在待機，睡眠和關機三種不同的模式。這三種模式可以保證芯片較低的功率損耗。此外，STC89C52還具有三個12位模數轉換器，電壓的變換范圍是0至3.6V，具有三倍采樣性能和保持功能。MCU具備51個多功能的5V兼容I/O端口。一切I/O端口都可以通過16個外部來進行中斷。同時，MCU還具有11個不同功能定時器，其中4個是16位的普通定時器，2個16位6通道高級控制定時器，2個看門狗定時器，1個系統定時器和2個16位基本定時器。下面介紹其引腳的功能①電路的電源管腳VCC引腳主要用來提供電源；GND是為了防止短路的接地引腳。②復用管腳RST：在工作過程中起到對輸入進行重置的作用，其原理利用的是兩個機器周期內的高電平完成的。：當系統需要對外部程序器進行訪問或者是進行訪問數據存儲器時，的作用是將地址的低8位脈沖字節索存。因為通常情況下，的輸出時間是固定的，是時鐘振蕩頻率的1/6，利用這一特性可以用它來實現計時的功能。但是如果要進行外部數據存儲的訪問時，系統會自動越過脈沖。系統編程產生的閃存時，引腳還起到輸入輸入的作用。在可能的情況下，禁止ALE操作可以通過在SFR區域的0號位置安裝8EH來實現。因為在0號位置之后只有一個固定的指令才能實現ALE的激活。此外，引腳會稍微升高，不執行內部程序時，需要讓禁止位無效。PSEN：PSEN從外部選取的信號來提供給程序存儲器使用。單片機在外部獲取指令時，PSEN只能產生兩次有效的循環，換而言之有兩個脈沖輸出。這時候訪問外部數據存儲器，系統會自動越過兩個PSEN信號。EA/VP：訪問外部的程序內存只能夠通過CPU來進行。EA此時的狀態應該是處于接地狀態。特別的是，此時編程已經加密了的LB1，則在重置期間，EA狀態將在內部鎖定。③外界晶體引腳XTAL1（19腳）：銜接外部晶體的一端，用于內部時鐘工作電路的輸入端口；XTAL2（18腳）：銜接外部晶體一端，反向振蕩放大器的輸出端。3.1.2無線模塊：nRF24L01無線傳輸模塊使用nRF24L01芯片，這是挪威公司生產的單芯片RF收發器芯片。該芯片功耗較低，功率和工作電流小，還可以進行掉電模式和空閑模式的選擇，特別方便。nRF24L01性能如下：自動應答和再發射；在芯片上自動生成標頭和CRC代碼；SPI速率0~10Mb/s；GFSK調制，硬件集成OSI鏈路層；數據傳輸率1或2Mb/s；QFN20引腳4mm*4mm封裝；125個頻道與其他系列射頻器件兼容；供電電壓1.9~3.6v。

3.1.2.1引腳功能及描述的封裝及引腳排列、功能如下圖所示。圖3-1引腳排列和功能CE：使能發射或接收；引腳端，配置；：中斷標志位；：電源輸入；：電源地；：晶體振蕩器引腳；：為功率放大器供電；：天線接口；：參考電流輸入；3.1.2.2工作模式的工作模式具體如表3-1所示。表3-1工作模式在待機模式1下系統耗能較小，在該模式下系統所有配置字節將保留。在掉電模式下，系統的電流消耗最小，此時不起作用，但會將所有配置寄存器的值予以保存。3.1.2.3工作原理在進行數據發送時，首先自動將配置為發送模式，此時接收節點地址TX_ADDR以及有效數據將通過時鐘模塊寫入緩沖器之中，當端口CSN為持續的低電平信號時，TX_PLD將實現連續寫入，發送時寫入TX_ADDR。在接收數據信息時，在其配置模式下實現數據信息的接受，在接收信息時會經過一段時間延遲，在延時結束后將等待數據達到并最終接受傳輸的數據信息，當接受模式下檢測到有效地址后，系統自動將其進行儲存，此時中斷標志位為高電平。當IRQ端口輸出低電平信號時將輸出中斷，此時時序模塊會自動產生中斷，并將信號傳輸到微處理器進行處理，若此時無接通應當，則信號接收模塊將輸入傳輸狀態反應信號，當完成數據的最后一次成功接收之后，端口變為CE將輸出低電平信號，此時則進入空閑模式1。將保持待機直到所有數據均寫入寄存器之中。有25個配置寄存器。如下表所示。表3-2常用配置寄存器

3.2硬件系統總體設計系統負責超聲波測距和數據處理，然后將無線傳輸模塊發送到主機上。隨后主機在接收到信號之后將信息與設定的閾值信息進行比較，若測距距離小于設定極限值，則說明汽車在倒車時可能會碰上障礙物，此時會發出報警聲，并將處理結果在顯示模塊中予以顯示提醒駕駛員及時采取合理的制動措施進行制動，防止出現安全事故，本文所設計的倒車雷達系統按鍵模塊中由三個按鍵，通過按鍵可手動完成報警距離極限值的設定。當測量距離小于設定的閾值時蜂鳴器將發出警報，此時二極管將閃爍。用戶可通過按鍵模塊來對報警距離進行設置。3.3單片機最小系統簡而言之，單片機最小系統就是以最少的元器件組成能讓單片機工作起來的系統，接下來介紹51單片機最小系統必備的器件及其作用。首先電源這對于一個電子產品的話是必不可少，它提供能源給系統運作，在本設計中由于51單片機的工作電壓在4.5~5.5V之間都可以正常工作所以我們采用了USB電源線連接手機充電器插頭或者5V的移動電源給系統進行供電。其次晶振電路，單片機其內部含有一個方向放大器，其在該系統中構成內部振蕩器，其中為其輸入端，是輸出端，在振動器外部連接陶瓷振蕩器及補償電容、，并由、相互并聯，組成諧振電路。在在外接振蕩器時，電容、要選擇；外界陶瓷振蕩器時電容、要選擇范圍在之間。該系統的晶振頻率通常位于范圍之內。外接電容會對晶振頻率、穩定性以及起振時間造成一定的影響。因而要將振蕩器的外接電容置于單片機旁邊才能有效減少其對系統產生的影響，從而保證振蕩器的工作穩定性。

3.4時鐘電路和復位電路圖3-2時鐘電路圖3-3復位電路復位電路是在芯片工作狀態出現問題的時候，可以保證回到最原始的狀態的電路。首先，復位信號在單片機通電的時候就產生了;然后，該信號進行傳輸，復位電路開始啟動;最后，芯片被還原為最開始的工作狀態。當芯片正在運行和工作的過程中，假如在外界因素的干擾下出現出錯情況或者執行的程序出現故障的時候，人工按下復位按鈕，這個時候，單片機就會自己重新開始執行自原始的程序。在時鐘結束工作以后，2個周期的高電平信號就會從RESET端輸出，在這個時候復位成功。一般來說，復位模式有兩種，第一種是通電即可自動復位模式，第二種是可以通過一個按鍵來人工復位。人工按鍵復位電路是本此的設計使用的，所以在電路板上存在一個專門用來復位的按鍵。時鐘電路是通過22PF的陶瓷片電容以及晶體振蕩器所構成的，兩者結合完成啟動電路，為微控制器傳遞定時指令，控制器進行工作。按照生成方式的差異，又能夠分類成內部和外部這兩種。在芯片的外部，振蕩器以及微調電容連接在XTAL1和XTAL2之間，形成一個比較平穩的自激振蕩器，在引腳上輸出3V的正弦波。3.5液晶顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602與單片機P0口連接，同時外接上拉電阻，通過上下兩行來顯示蔬菜大棚溫度的設定閾值以及實測值，兩者可同時限制，單片機P2.3、P2.4、P2.5分別與液晶顯示模塊的復位、讀寫和使能端口相連，數據顯示參考主程序其他時序。LCD1602液晶顯示器中的每一個字符都是由5*7的點陣組成。該顯示方式具有控制簡單等優勢，同其他液晶控制原理相似。顯示模塊電路圖如圖3-4所示：圖3-4顯示模塊電路圖

3.6電源模塊由于該系統使用nRF24L01無線傳輸模塊來實現信號在系統之間的無線傳輸，由于不同設備的額定電壓不同，因此在電源模塊中需要設置穩壓器，本系統采用ASM1117-3.3V穩壓器，為無線傳輸模塊提供3.3V電源。電源接口電路如下圖所示。圖3-5電源模塊電路圖3.7按鍵模塊按鍵電路十分簡單明了，使用三個按鍵（一個是增加鍵，一個是減少鍵，最后一個是設置鍵）這三個鍵位分別與單片機芯片的PB13，PB14，PB15口相連接，從而控制數值的變化與調節。

圖3-6按鍵模塊電路3.8聲光報警模塊聲光報警電路由NPN型S8550三極管驅動。晶體管的發射極結被正偏置，集電極結被反向偏置，并且兩個以上的飽和度被打開。此時，發光二極管將會閃爍，同時蜂鳴器發出警報。當單片機的P2~3端口輸出高電平此時三極管截止，聲音和燈關閉，不發出警報。聲光報警模塊電路圖如下所示：圖3-7聲光報警電路

3.9無線傳輸模塊本系統中無線傳輸模塊采用nRF24L01，共設置有兩個無線傳輸模塊分別實現無線信號的收發。如圖3-8所示：圖3-8無線傳輸模塊電路圖

4.倒車雷達軟件設計4.1主程序流程說明在本文所設計的倒車雷達系統中最核心的模塊為單片機，該系統實現測距的原理時當超聲波模塊發出超聲波并被接收后將信息傳輸到單片機之中，單片機對數據進行處理和分析即可得到當前汽車與障礙物之間的距離，最后將數據傳輸到主機之中。主機和從機之間的數據交換是通過無線傳輸實現的。通過無線模塊發出和接收超聲波的時間即可計算出當前汽車與障礙物之間的距離。該系統主程序流程圖如下所示。初始化初始化測量出距離將距離數據寫入發射數組發射數據延時開始圖4-1發射部分流程圖

在無線接收模塊中首先需要完成nRF24L01的初始化，隨后進入大循環之中確定寄存器是否可實現中斷信號的接收，若寄存器接收到終端信號，則FIFO_buffer中完成二進制數據的讀取，隨后將讀取的信息內容在顯示模塊中予以顯示。顯示模塊程序流程圖如下所示。LCD1602液晶顯示LCD1602液晶顯示圖4-2接收部分流程圖

4.2無線傳輸模塊設計4.2.1無線發射模塊軟件設計在進行數據發送時，首先自動將配置為發送模式，此時接收節點地址TX_ADDR以及有效數據將通過時鐘模塊寫入緩沖器之中，當端口CSN為持續的低電平信號時，TX_PLD將實現連續寫入，發送時寫入TX_ADDR。發送模塊程序流程圖如下圖所示：圖4-3無線發射模塊軟件流程圖

4.2.2無線接收模塊軟件設計在接收數據信息時，在其配置模式下實現數據信息的接受，在接收信息時會經過一段時間延遲，在延時結束后將等待數據達到并最終接受傳輸的數據信息，當接受模式下檢測到有效地址后，系統自動將其進行儲存，此時中斷標志位為高電平。當IRQ端口輸出低電平信號時將輸出中斷，此時時序模塊會自動產生中斷，并將信號傳輸到微處理器進行處理，若此時無接通應當，則信號接收模塊將輸入傳輸狀態反應信號，當完成數據的最后一次成功接收之后，端口變為CE將輸出低電平信號，此時則進入空閑模式1。要產生導致IRQ引腳變為低電平的中斷，需要將狀態寄存器的中斷標志位RX-DR置為高電平。通知MCU以獲取數據。無線接收模塊流程圖如圖4-4所示：圖4-4無線接收模塊軟件流程圖

4.3超聲波測距程序設計使用函數功能編寫超聲波測距模塊程序，距離為返回值。首先給超聲波模塊接入電源和地，然后給脈沖觸發引腳輸入一個高電平方波，關閉定時器。輸入方波后，模塊會自動發射出聲波，回波引腳端的電平會由0變為1，當超聲波發揮接收模塊，引腳變為低電平，系統自動計算無線信號發送到接受的時間，并基于此來實現距離的計算。測距模塊流程圖如圖4-5所示：圖4-5超聲波測距模塊軟件流程圖

5.系統調試完成系統的硬件和軟件部分的工作后，生成和測試物理對象。具體步驟如下：步驟1：焊接硬件電路步驟2：液晶顯示程序被燒入接收端。步驟3：在單片機中寫入儀表計數程序，完成顯示模塊和按鍵模塊的功能測試。步驟4：分別將nRF24L01連接到STC89C52，寫入程序后對無線傳輸模塊的功能進行