世界汽车工业经过近122年的发展，现代汽车已经超级成熟和普遍。汽车已经渗透到国防建设、国民经济和人类生活的各个领域，成为人类生存不可或缺的最重要的交通工具。虽然每辆汽车都有后视镜，但难免存在后视盲区。倒车雷达可以在一定程度上帮助驾驶员消除盲区、视野模糊的弊端，提高驾驶安全性，减少刮擦。本次设计的倒车雷达预警系统主要针对汽车倒车时无法目测车尾与障碍物距离的人群进行设计研发。该系统结合超声波测距技术、传感器技术等技术，可以在汽车倒车时检测障碍物与汽车之间的距离，并将距离显示在液晶屏上。
据初步调查统计，汽车交通事故中75%都是由于倒车时“后方视野”不佳引起的。因此，很多非专业汽车司机都希望能有一台汽车倒车报警器，在倒车时连续测量汽车尾部与后方障碍物的距离，随时显示距离，并在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安全性。增强汽车后方视野，特别是大型、重型车辆的后方视野，对于提高行车安全性，减轻驾驶员的劳动强度和心理压力，具有十分重要的意义。
目前，国内外都在研究如何利用先进的技术——汽车防撞技术，辅助汽车驾驶员对影响高速公路交通安全的人、车、路况等进行实时监控，在危急情况下主动干预驾驶操作，协助驾驶员应急处理，防止汽车碰撞事故的发生。随着汽车驾驶辅助系统可用性要求的不断提高，单片机价格的不断下降，以及汽车电子系统网络化的发展，新型倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感器系统。本文介绍一种基于AT89C51单片机的超声波倒车雷达监控报警系统[1]。
选题目的及意义
2.1 选题目的
随着汽车数量的急剧增加，停车难已是不争的事实，狭窄的停车场常常让车主不知所措，一不小心就会闯祸，让人心烦。“倒车一点，再倒车，打方向盘，打多了，倒车一点，再倒车，好，停。”相信大部分车主在停车场停车时都会遇到车辆管理员的“热情问候”。驾驶技术熟练的，可以很好的配合人工提示；驾驶技术一般，方向感差的，往往会让指挥的人高度紧张，脾气急躁的，忍不住要挤车主几句。倒车雷达报警系统是汽车停车或倒车时的安全辅助设备，它能以声音或更直观的显示告知驾驶员周围的障碍物，免除驾驶员在停车、倒车、启动车辆时东张西望带来的困扰，帮助驾驶员消除盲区、视线模糊的缺陷，从而提高行车安全。
2.2 选题意义
可以说，倒车雷达在人们的生活中发挥了重要作用。倒车雷达是汽车停车或倒车时的安全辅助设备，它可以通过声音或更直观的显示告知驾驶员周围的障碍物，免除驾驶员在停车、倒车和启动车辆时东张西望带来的困扰，帮助驾驶员消除盲区和视线模糊的缺陷，从而提高驾驶安全性。倒车雷达的发明迫在眉睫，是不可缺少的设备。现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距的原理。倒车时，驾驶员将汽车挡位挂R挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，安装在汽车后保险杠上的探头发出超声波[2]，遇到障碍物时产生回波信号，传感器接收到回波信号后，控制器对数据进行处理，计算出车身与障碍物的距离，确定障碍物的位置，然后显示器显示距离，并发出警示信号，使驾驶员在倒车时不会撞到障碍物。 整个过程中，驾驶员不用回头就能知道车后的情况，使停车、倒车更加轻松、安全。
3 总体设计
按模块划分可分为数据采集、按键控制、数码管显示、发光二极管和蜂鸣器报警四个子模块。按电路结构划分可分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。本设计的核心是单片机控制模块[3]，所以本设计是单片机应用系统的一个应用。系统采用AT89C51单片机作为核心控制单元。当测量距离小于设定距离时，主控芯片将测量距离与设定值进行比较，然后控制蜂鸣器[4]报警。系统总体设计框图如图3-1所示：
4.单元电路设计
4.1 晶振电路设计
AT89C51虽然内部有振荡电路，但要产生时钟还需要外部附加电路。AT89C51单片机的时钟产生方式有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。晶振[5]给单片机提供工作信号脉冲，这个脉冲就是单片机的工作速度，比如12M晶振单片机的工作速度就是每秒12M。当然单片机的工作频率有个范围，不能太大，一般不能超过24M，否则就不稳定。
本设计采用的是内部时钟方式：如图2所示：晶振和单片机引脚XTAL0、XTAL1内部的振荡电路产生自激振荡。振荡电路会产生谐波（即不希望存在的其它频率的波）。这种波对电路影响不大，但会降低电路时钟振荡器的稳定性。ATMEL为了电路稳定性只建议在晶振的两个引脚处接两个10pf-50pf的陶瓷电容到地，以减少谐波对电路稳定性的影响。因此晶振使用的电容在10pf~50pf之间即可。这里没有计算公式。
因为一个机器周期包含6个状态周期，每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期。若外接石英晶振的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，所以一个机器周期为1us。图4-1为时钟电路。
4.2 复位电路设计
电路图中电容的大小为1uf，电阻的大小为100。所以根据公式可以算出电容充电到0.7倍电源电压（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍就是3.5V）需要的时间为100*1UF=0.0001S。也就是说电脑启动后的0.0001S内，电容两端的电压从0~3.5V上升，此时100电阻两端的电压从5~1.5V下降（串联电路各点电压之和就是总电压）。所以0.0001S内，RST脚接收到的电压为5V~1.5V。 在正常工作于5V的51单片机中，小于1.5V的电压信号为低电平信号，大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.0001S内，单片机系统自动复位（RST引脚收到高电平信号大概需要0.0001S）。
复位方式有两种：上电自动复位和手动复位。单片机时钟电路工作后，RESET端连续给出2个机器周期的高电平即可完成复位操作。例如晶振频率为12MHz时，复位信号持续时间应不小于2us。本设计采用自动复位电路，复位电路如图4-2所示。
4.4 LCD1602显示电路
本电路的显示首先考虑两种方案，一种是数码管显示，一种是液晶屏显示，液晶屏显示虽然比较清晰，但是接到P0口上需要驱动。
驱动方式一：通过芯片74HC573驱动
驱动方法2：利用PNP三极管放大驱动
驱动方式三：P0口接上拉电阻驱动
综合考虑以上三种方式，P0口接上拉电阻更经济，而且布线更简单，可以降低电路复杂度。因此最终选择了驱动方式三。如图4-4所示：
4.5 报警电路设计
当测量距离小于报警值时，电路将触发报警系统[6]，使蜂鸣器长鸣，LED灯亮起，如图4-5所示：
4.6 超声波测距模块
超声波模块[7]采用现有的HC-SR04超声波模块，可提供2cm-400cm的非接触式距离感应功能，测距精度最高可达3mm。模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。基本工作原理：使用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送如图4-6所示的8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回；如果有信号返回，则通过IO口ECHO输出高电平，高电平持续时间为超声波发出到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。实物如图4-7所示。其中，VCC提供5V电源、GND为地线、TRIG触发控制信号输入、ECHO回波信号输出等四个支路。
超声波检测模块HC-SR04的使用方法如下：触发IO口，给Trig口至少10us的高电平，开始测量；模块自动发送8个40Khz的方波，随时检测是否有信号返回，如果有信号返回则通过Echo输出高电平，高电平持续时间为超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*340）/2，单位为米。程序中的测试功能主要由两个函数完成。
实现中采用定时器0进行定时测量，分频为8，TCNTT0预置值为0XCE，当定时器0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：ms）：
T = (定时器 0 溢出次数 * (0XFF – 0XCE)) / 1000
定时器0的初值的计算根据分频的不同而不同。
模块自动发送8个40khz方波如图4-6所示
测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2，实物如图4-7所示。
4.7超声波传感器原理
市场上常见的超声波传感器多为开放式，其内部结构如图4-8所示，在底座上柔性固定有复合振子，复合振子[8]是由谐振器、金属板、压电陶瓷板组成的双压电片状振子，谐振器呈喇叭状，其目的是将振动产生的超声波有效辐射出去，并将超声波有效聚焦在振子的中心位置。
当对压电陶瓷施加电压时，随着电压和频率的变化，会发生机械变形。另一方面，当压电陶瓷振动时，会产生电荷。利用此原理，当对由两个压电陶瓷或压电陶瓷和金属片组成的振动器（称为双压电晶片元件）施加电信号时，由于弯曲振动会发射超声波。相反，当对双压电晶片元件施加超声波振动时，会产生电信号。基于上述效应，压电陶瓷可用作超声波传感器。
4.8 测距分析
超声波发射器向某一方向发射超声波，发射的同时开始计时。超声波在空气中传播，途中遇到障碍物立即返回，超声波接收器收到反射波后立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，可以计算出发射点到障碍物的距离（s），即：s=340t/2
最常用的超声波测距方法是回波检测法[9]。超声波发射机向一定的方向发射超声波，发射的同时计数器开始计时，当超声波碰到障碍物时，立即反射回来，超声波接收器接收到反射的超声波后，立即停止计时，并计算距离。假设超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器计算出的时间t，便可算出发射点到障碍物表面的距离s，即s=340t/2。
由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。使用时，若传播介质的温度变化不大，可以近似认为超声波在传播过程中速度基本不变。如果对测距精度要求很高，则要通过温度补偿对测量结果进行数值修正。声速确定后，通过测量超声波的往返时间，就可求得距离。这就是超声波测距的基本原理。
设计结果验证
5.1 示意图
实验原理图如图5-1所示
5.2 Protues仿真结果
程序仿真结果如图5-2所示
6 结论与总结
本次培训内容是倒车雷达报警系统。本系统采用AT89C51单片机作为核心控制单元，控制超声波[10]发射模块发射一连串超声波，遇到障碍物时反弹回来，被超声波接收模块接收，然后计算时间周期（声音在空气中传播速度为340m/s），计算出距离，然后显示在LCD1602显示电路上。程序对距离值进行判断，设定安全距离，通过按键调节当前位置与后方距离来模拟汽车与后方障碍物的距离。如果当前距离小于安全距离，报警电路就会控制蜂鸣器发出报警声，从而实现倒车时汽车与后方距离小于当前设定的安全距离时发出报警的功能。
