毕业设计课题超声波倒车雷达设计
学生姓名学号
专业电子信息工程班级电子院（系）机械与电子信息工程指导教师职称
二○年月日
毕业设计真实性承诺及指导教师声明
学生毕业设计真实性承诺
本人郑重声明：所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担相应的法律责任和一切后果。
学生（签名）：日期：
指导教师关于学生毕业设计真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生毕业设计所涉及的内容进行严格审核，确定其成果均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。
指导教师（签名）：日期：
注：此声明由指导教师和学生本人亲笔签名。
摘要
倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了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，提高了安全性。一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。倒车雷达的提示方式可分为液晶、语言和声音三种；接收方式有无线传输和有线传输等。本方案采用语音提示的方式，本文介绍了以SPCE061A单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统。利用SPCE061A 单片机所具备的单芯片语音功能，外接三个超声波测距模组，组成一个示例的倒车雷达系统，语音提示报警（0.35m~1.5m）范围内的障碍物。
关键词：倒车雷达超声波单片机SPCE061A
Abstract
Car parking sensor is for the current roads, streets, parking lots, garages and so more and more crowded, plus there is the visual blind spot, unable to see the rear obstacle, the driver can easily scratch the car when reversing, or even the circumstances of the accident aimed at reversing the emergence of a protection vehicle collision avoidance system. The system is able to lower the speed of vehicles reversing the process, identify the obstacles out of the bus back, and be able to measure the distance between the vehicle and the obstacle and come out through the voice broadcast to remind drivers to brake. This design from the perspective of experimental research and analysis. An non-contact ultrasonic distance testing system based on surplus SPCE061A microprocessor is presented, and the software and hardware are introduced. The time counting and both the transmiting and receiving of the ultrasonic wave are controlled by the microprocessor. The measured distance can be calculated and displayed via the echo time by the assembler.The features of the simple hardware, stable operation and distinct programme flow are incarnated in the proposed system and the results can also be pronounced in real-time. System design using the modular design, simplifying the debugging effort, well done eventually reversing radar, ultrasonic distance measurement system hardware design, software design and system debugging.
Keyword:reverse radar ultrasonic SPCE061A
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
引言 (5)
第一章实现功能 (6)
第二章核心器件简介 (7)
2.1 SPCE061芯片特性 (7)
2.1.2 芯片特性 (8)
2.2 SPCE061A精简开发板 (8)
2.3 超声波测距模组 (9)
2.4 转接板 (13)
第三章系统总体方案设计 (15)
3.1 超声波的定义 (15)
3.2超声波的物理特性 (15)
3.2.1超声波的衰减 (15)
3.2.2 超声波的波形 (16)
3.2.3 超声波的传播速度 (17)
3.3 超声波传感器 (17)
3.4 超声波测距原理 (18)
第四章系统硬件设计 (20)
4.1 SPCE061A (20)
4.1.1SPCE061A (20)
4.1.2电源模块 (20)
4.1.3放音模块 (21)
4.2 超声波测距模组电路原理 (21)
4.2.1超声波谐振频率发生电路，调理电路 (21)
4.2.2 超声波回波接受处理电路 (22)
4.2.3 超声波测距模组电源接口 (22)
4.2.4 超声波测距模式选择跳线 (23)
4.2.5 超声波测距模组接口 (23)
4.3 转接板电路 (24)
4.4 显示电路 (25)
第五章系统软件设计 (26)
5.1 超声波测距原理 (26)
5.2 软件结构 (27)
5.3 各模块程序说明 (28)
5.3.1超声波测距程序 (28)
主程序流程图以及相关的程序流程图如图 5.2所示 (28)
图5.2 主程序流程图 (28)
16Hz时基中断处理程序 (30)
5.3.2 语音播放程序 (31)
5.3.3 显示刷新程序 (32)
5.3.4 主程序 (33)
第六章连接与操作说明 (35)
附录 (38)
参考文献 (45)
致谢 (46)
引言
倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了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，提高了安全性。
一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。
倒车雷达的提示方式可分为液晶、语言和声音三种；接收方式有无线传输和有线传输等。本方案采用语音提示的方式，利用SPCE061A 单片机所具备的单芯片语音功能，外接三个超声波测距模组，组成一个示例的倒车雷达系统，语音提示报警（0.35m~1.5m）范围内的障碍物。
第一章实现功能
利用SPCE061A单片机、三个超声波测距模组实现超声波倒车雷达，具有下述功能：
1.可以语音提示模组探测范围内（0.35m~1.5m）的障碍物；
2.语音提示可指明哪一个方向（或区域）有障碍物在探测范围内；
3.利用三个LED发光二极管表示三个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。
本方案要求所有的语音资源、程序代码都存放在一颗SPCE061A片内Flash当中；当语音播报时，如检测到左后方有障碍物，则用语音播放：“左后方”，如右后方有障碍物，则语音播方“右后方”；当检查到中间的传感器探测范围内有障碍特时，语音播放：“后方”。而连续播放提示的间隔，要大于或等于3秒，以免过于频繁的播报语音。
第二章核心器件简介
本系统采用SPCE061A单片机作为主控制器，传感器模块采用“超声波测距模组”。另外，为了使这三个传感器模块能够组合在一起，并且可靠的工作，还需要一个转接板，可以利用4052模拟开关器件制作；需要外接三个发光二极管。下面分别介绍这些模块的特性。
2.1 SPCE061芯片特性
2.1.1SPCE061简介
SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，具有易学易用、效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放和语音识别的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放，这些都为软件开发提供了方便的条件：
SPCE061A片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（unSP IDE），用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口实现。
下图为SPCE061A单片机的内部结构框图
图2.1 SPCE061内部结构图
2.1.2 芯片特性
.. 16位μ’nSP微处理器；
.. 工作电压：内核工作电压VDD为3.0~3.6V(CPU)，IO口工作电压VDDH为VDD~5.5V(I/O)；
.. CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz；
.. 内置2K字SRAM；
.. 内置32K闪存ROM；
.. 可编程音频处理；
.. 晶体振荡器；
.. 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于2μA@3.6V；
.. 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；
.. 2个10位DAC(数-模转换)输出通道；
.. 32位通用可编程输入/输出端口；
.. 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
.. 具备触键唤醒的功能；
.. 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；
.. 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
.. 32768Hz实时时钟；
.. 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；
.. 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；
.. 具备串行设备接口；
.. 低电压复位(LVR)功和低电压监测(LVD)功能；
.. 内置在线仿真(ICE，In- Circuit Emulator)接口。
2.2 SPCE061A精简开发板
SPCE061A精简开发板（简称61板），是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发－仿真－实验板，大小相当于一张扑克牌，是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。61板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部
分）、复位电路等，采用电池供电，方便学生随身携带！！！使学生在掌握软件的同时，熟悉单片机硬件的设计制作，锻炼学生的动手能力，也为单片机学习者和开发者创造了一个良好的学习条件和开发新产品的机会！61板上有调试器接口（Probe接口）以及下载线（EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配合unSP IDE，可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。61板上的主要功能模块如下：
.. SPCE061A单片机最小系统外围电路模块；
.. 电源输入模块；
.. 音频电路（包含MIC输入、DAC音频功放输出）模块；
.. 按键模块；
.. I/O端口接口模块；
.. 调试、下载接口模块；
下图为61板的实物图
图2.2 61板实物图
2.3 超声波测距模组
超声波测距模组是为方便学生进行单片机接口方面的学习专门设计的模块，超声波测距模组可以方便地和61板连接，可应用在小距离测距、机器人检测、障碍物检测等方面，可用于验证方车辆倒车雷达以及家居安防系统等应用方案验证。
下图 2.3为超声波测距模组的结构框图：
图2.３超声波测距模组结构图
主要功能:
三种测距模式选择跳线J1（短距、中距吧vbbbbbbbbb吧、可调距）：
1. 短距：10cm~80cm左右（根据被测物表面材料决定）；
2. 中距：80cm~400cm左右（根据被测物表面材料决定）；
3. 可调：范围由可调节参数确定；
使用方法：
一般应用时，只需要用10PIN排线把J8与SPCE061A的IOB低八位接口接起来，同时设置好J7、J1、J2跳线就完成硬件的连接了。不同测距模式的选择只需改变测距模式跳线J1的连接方法即可。提供给模组的电源必须在4.5V以上，而且尽量保持电源电压的稳定。模组工作的性能与被测物表面材料有很大关系，如毛料、布料对超声波的反射率很小，会严重影响测量结果。
电源输入:
模组提供了两种电源输入方式，一为用61板通过10PIN排线为模组供电（61板上J5选择5V要求最好不要低于4.5V），此时要把J9跳到5V的一端；另一为直接为模组供电，通过模组上的电源输入口J7引入，此时需要把J9跳线跳到IN的一端。外接电源仅是为了给模组提高超声波发射功率、提高后级运放性能用，最高不要超过12V。
模组外接电源接口（J7）以及供电方式选择跳线（J9）如图 2.4所示：
图2.４模组外接电源接口及供电方式选择跳线
测距模式选择:
声波测距时，超存在余波干扰问题，所以针对不同测距范围会有不同的处理方法。模组提供了测距模式选择跳线（J1），可以选择短距测量模式、中距测量模式，或距离可调模式。而针对前两种测量模式，提供了不同参数的范例程序，跳线选择不同的模式时，要选用相对应的程序进行测量；跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIG时为中距测量例程，选择SET时为距离可调模式；凌阳科技大学计划网站上提供了短距测量模式和中距测量模式的完整源程序。
如果用户对超声波测量原理有较深的了解，可以选用距离可调（SET）模式。模组测距模式（测量距离范围）选择跳线J1如图 2.5所示：
图2.５模组测距模式选择跳线
使用方式：
使用时，用户需把前面的电源输入跳线J7、模式选择跳线J1设置好后，还要把跳线J2短接起来，然后利用排线把J8与SPCE061A的IOB口低八位端口相接，即可使用了。使用时J2跳线和J8跳线的连接方法如下图 2.6所示：
图2.6 J2跳线和J8接口的位置示意图
2.4 转接板
因为使用多组超声波模组，本方案需要使用一块CD4052模拟开关制作的转接板。本方案设计，会涉及到多路传感器选通控制，所以为了可靠地实现硬件的连接，需要制作一个利用模拟开关设计的转接板。超声波测距模组在使用时，只需要两个端口就可完成测距，一个控制超声波的发射，一个是检测超声波信号的接收信号；而在超声波测距模组中，这两个信号都为数字信号，对模拟开关的要求并不严格，所以选用CD4052作为模拟开关器件。CD4052相当于一个双刀四掷开关，开关接通哪一通道，由输入的2位地址码A0、A1来决定。其真值表见下表。“/E”是禁止端，当“/E”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS 电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。
CD4052的真值表
图2.7 CD4052的内部结构图
图2.8 CD4052的引脚图
第三章系统总体方案设计
3.1 超声波的定义
波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉机械波频率在20Hz一20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波。在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。
3.2超声波的物理特性
(1)超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同，通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s；
(2)超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；
(3)能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的)，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；
(4)功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。
3.2.1超声波的衰减
从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面:
(l)由声速扩展引起的衰减
在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。
(2)由散射引起的衰减
由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。
(3)由介质的吸收引起的衰减
超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。
3.2.2 超声波的波形
由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，这就可产生不同类型的声波，超声波的波形主要有以下几种。
(l)纵波
当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时，此种超声波为纵波波型，以L表示。任何介质，当其体积发生交替变化时均产生纵波。由于纵波的产生和接收都较容易，所以纵波在超声波检测中得到了广泛应用。
(2)横波
当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时，此种超声波为横波波型，以T表示。因为液体和气体中缺乏横向运动的弹性力，所以横波不能存在，只有纵波才能存在，但在固体中纵波和横波都能存在。
(3)表面波
瑞利于1887年首先研究和证实了表面波的存在，因此称为瑞利波，用字母R 表示。表面波是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性的波。其振动质点的轨迹为一椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向，随着深度增加很快衰减，离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅很微弱。表面波的传播速度，只与介质的弹性性质有关，与频率无关。
(4)板波
板波亦称拉姆波，板波只产生在大约一个波长的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度。薄板两表面的质点振动是纵波和横波成分之和，运动轨迹为椭圆形，长轴于短轴的比例取决于材料的性质。板波可
以分为对称型和非对称型两种。
3.2.3 超声波的传播速度
声波的传输需要一种媒质，声波在媒质中的传播速度，称为声速。由声波产生的物理过程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形式和能量的传递，并不把在各自平衡位置附近振动的媒质点传走。某种媒质中的声速主要取决于该媒质的密度和温度。由于空气没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中声波的传播形式只能是纵波。也就是说，在声扰动下，气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动，形成稠密和稀疏依次交替的传递过程，而且质点运动的方向与声波传播的方向一致。
声波在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说超声波的传播速度与可听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声波具有更好的定向性，并且可以穿透不透明物质。
在空气中超声波传播速度主要与温度有关，在空气中的传播速度c为:
1 式中，T为环境温度。
C=331.4*T/273
3.3 超声波传感器
超声传感器，也即超声换能器，是超声波测距系统中的重要组长部分。顾名思义，换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。通常所说的换能器一般都是指的电声换能器。用来发射声波的换能器叫发射换能器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接收声波的换能器叫接收器。换能器处在接收状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。按照实现机电转换的物理效应的不同，可将换能器分成:电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电磁致伸缩式等。
目前使用较多的是电气类中的压电式超声换能器。
在超声测距中，压电换能器发射超声波要求振子振动的振幅较大，所以采用弯曲振动模式较为理想。为了与空气的声阻抗相匹配，将压电陶瓷与金属粘合在一起。两个压电陶瓷圆片中间粘接金属薄片构成三迭片压电振子，金属片和压电
陶瓷片双层结构组成双迭片弯曲振动换能器。双迭片弯曲振动换能器更易于密封，而且金属片本身就可以作为声辐射面，不需要另外的声窗口。其中，压电陶瓷作为激励部件，当加上电压时，压电陶瓷片产生伸张运动，可使复合圆板产生弯曲振动，得到较大的振幅。一旦层与层之间出现任何滑动，将会显著降低弯曲振子的性能，因此胶合层要非常薄、坚固和稳定。金属与陶瓷之间的胶合，用低温环氧树脂较为适宜，在环氧树脂固化的过程中要加以适当的压力。金属薄片还可以充当保护膜，起到保护压电陶瓷和电极，防止磨损和碰坏的作用。金属片和压电陶瓷片构成的弯曲振动换能器具有结构简单、尺寸小、重量轻，易于与水和空气匹配等很多优点。但是目前对圆形压电振子弯曲振动的研究较少，例如三迭片压电振子，即两个压电陶瓷圆片中间粘接金属薄片，常用作空气超声换能器和水声换能器，如声压梯度水听器、声发射传感器、超声测距换能器等。为了能够得到较高的有效机电耦合系数，使用中金属片的直径大于压电陶瓷片的直径，这样就构成了带有环衬的unimorph。超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在60-300kHz之间;中量程探测距离约为2-10m，工作频率在40-60kHz之间；大量程探测距离约为20-50m，工作频率处在16-30kHZ之间。
3.4 超声波测距原理
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
(1)相位检测法，将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器前方目标反射回来的信号，而相关函数峰值出现的时刻就是射程时间。由此可见，相关估计法(也称为匹配滤波)既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如超声波信号经目标反射后所产生的回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么用互相关函数法的时延估计精度将高于与其它时延估计法。这种算法虽然精度高，但算法较复杂，单片机运行起来速度慢，测距实时性不好。
(2)声波幅值检测法，这种方法是根据超声波在空气中传播不断衰减的特性，检测