基于单片机的汽车倒车雷达系统设计 成都工业学院2013届毕业设计（论文）
本设计介绍的超声测距系统共有2只超声波换能器( 俗称探头) , 假设分别布置在汽车的后左、后右2个位置上。能检测倒车方向障碍物距离显示范围为0.07～10.00m, 当距离小于2米时发出一定的声响, 起到提示和警戒的作用。本系统采用AT89C51单片机对两路超声波信号进行循环采集，已达到上述效果。
2.4 超声波传感器的介绍 2.4.1 超声波传感器介绍
超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，目前常用的超声传感器有电声型与流体动力型两大类。电声型主要有：压电传感器、 磁致伸缩传感器、静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
压电传感器是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分，其内部结构（如图2-3）由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成。其中，压电晶片是传感器的核心等组成。，当在压电晶片上加有大小和方向不断变化的交流电压（或者脉冲）时，根据压电效应，就会使压电晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。同理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；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。
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图2-3压电式超声波传感器结构图
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。，用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
2.4.2 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，这里以TR系列的超声波传感器的特性为例加以说明 （1）频率特性
声压能级灵敏度T/R40 -16A T/R40 -16A T/R -18AT/R40 -18AT/R40 -24AT/R40 -24A4043
374043
a) b)
图2-4超声波传感器的频率特性图
(a) 超声波传感器的声压能级 (b) 超声波传感器的灵敏度 图2-4是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。如图（a）所示40KHz处为超声波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，
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声压能级迅速衰减。其频率特性（b）所示, 可见40KHz处其灵敏度最高。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的电压（或者脉冲）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（波长λ = 0.85cm）处最尖锐，输出电信号的振幅最大，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，并且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且有较宽的带宽，同时灵敏度也随之降低，并且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的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。 (2)指向特性
实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡器，辐射出一个半球而波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器的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。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度到80度，本设计要求传感器的指向角为75度。图2-5是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。
300dec306060-10-20-30-100dB-30-20-10
图2-5超声波传感器指向特性
超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，探头（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
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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100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专业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需驱动电路，但缺点是灵活性低。本设计采用第二种方法产生40KHZ的超声波发射信号。
第三章 系统硬件设计
3.1 系统设计的要求
此系统设计必须满足以下要求： 1）基于单片机的汽车倒车雷达系统 2）具有为单片机提供工作的电源及指示 3）显示障碍物离汽车的距离（10米内）
4）距离小于指定值时（小于2米），系统发出声音预警信号
3.2 系统整体设计方案
本设计的应用背景是基于型号为AT89C51的单片机发出40KHz的超声波信号，超声波信号经放大后通过超声波发射器的探头发射，当遇到障碍物时则反射信号，超声波接收器探头将接收到的反射回来信号经放大器放大和滤波，送入单片机并启动机中断程序，测得时间差，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。若测得距离小于事先设定的数值，则发出声音预警。其系统原理图如图3-1所示：
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图3-1系统原理图
3.3 单片机系统介绍 3.3.1 AT89C51单片机介绍
（1）AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51主要由微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、并行I/O口、串口、定时计数器、中断系统、特殊功能寄存器（SFR）组成。其结构图如3-2所示：
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