基于单片机的超声波倒车雷达

二、 方案选择及元器件介绍

（一） 主控核心选择

方案一：选择学生群体使用最多的C51单片机作为本系统的主控核心，由于在大学期间对于C51单片机具有较为系统的学习，其内功的结构原理、模块组成以及程序编写，以及掌握了一套较为熟悉的流程，因此能够为本设计的顺利完成奠定夯实的基础。另外C51单片机内部已经集成了一个容量为4K的加密型FLASH和一个大小为128字节的RAM，足以够本系统的使用，再者C51单片机内部的两个8位定时器在经过简单的寄存器配置后，能够灵活的在本系统中提供精准的定时，为一些需要精准时基的地方提供帮助。根据C51单片机的资料显示，其P3.2和P3.3两个管脚带有中断功能，如果按键接在这两个管脚上，经过中断服务程序，能够方便的配置程序代码的运行。虽然目前市面上C51单片机的生产厂家众多，目前使用最多的是美国ATMEL公司生产的AT89C51和中国宏晶公司生产的STC89C51单片机，这两款单片机目前已经占据了C51单片机市场的主要份额，虽然生产厂家不同，然而这些C51单片机都可以相互替代，在使用上几乎没有任何区别，这也是使用C51单片机作为系统核心的另一个优点。

方案二：选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作为内核，这种性能优良的内核结构使得其对数据处理的能力显得非常完善和高速，在一些需要处理大量数据的场合，如高像素液晶屏、MP3等应用将显得非常有优势。其优势已经无以言表了，然而在学生试验中，其缺点也是不可忽略的，STM32的性能之所以这么强大，要靠用户对其繁多寄存器的熟练配置，然而对于普通学生来说，这将变得捉襟见肘，如果没有相关STM32开发经历的学生，在面对这些寄存器时将无从下手。

综上所述两种常用单片机的优缺点，考虑到自身的学习经历以及知识掌握度，对于51单片机非常熟悉，虽然上文说到其内部没有集成AD转换或者硬件IIC等模块，但是在片外扩展这些模块也非常容易，网上相关的程序和资料相当的多，并不会给设计过程带来极大的阻碍。考虑到成本方面，上述所说的几种单片机就成本来说只有51单片机的价格最低，并且非常容易买到，这给设计的成功性带来了极大的保障，因此本系统选用51单片机作为主控核心。 （二） AT89C51单片机介绍

所谓的C51单片机或者S51单片机都是采用经典的51内核作为核心的微控制器，经过各个厂家对51内核的扩展，产生了各种C51单片机，比较着名的有美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机和中国台湾宏晶公司推出的STC89C51单片机，本系统采用了AT89C51单片机来作为主控核心，这款C51单片机在内部结构上，非常简洁，在采用51内核的同时，外部扩展了两个8位定时器、一个功能强大的UART模块，同时在P3.2和

P3.3两个管脚加入了中断功能，是的这两个管脚比其他普通管脚具有更高的性能，使用起来更加方便；通过数据总线和地址总线的连接，将内核和外部的几个模块进行关联，从而构建了这款C51单片机，下图2-1为AT89C51单片机的内部结构图。

图2-1C51单片机内部结构图

C51单片机是一种FLASH型芯片，即它内部的代码存储器件是FLASH，C51的资料表明其内部的FLASH储存容量为4K字节，这对于大多数的小型系统已经足够使用，当然在一些大型系统中，4K的存储量已经捉襟见肘，必须在外部扩展大容量的代码存储芯片。AT89C51单片机内部的FLASH具有很高的保密性，也就是烧入进去的代码很难够被破解出来，由于器相对于过去的51产品，加入了熔断丝技术，使得代码一旦被烧录进FLASH，熔丝将立即断开，是的破解变得不可能。另外C51单片机内部集成了一块具有128字节的RAM，主要负责存储一些高频率使用的数据，128字节对于大多数应用已经足够。C51单片机在运行速度方面，具有很宽的性能，这主要表现在其处理速度能够完全由其外部的晶振频率决定，在0-24M内，其时钟信号频率可以自由选择，当然高速的时钟信号将带来更高的功耗，因此不同的系统一定要选择合适时钟频率，不能一味的追求高速度性。本系统的AT8C51单片机选用了40管脚封装的芯片，其管脚定义如下图所示，其中P0至P3的32个管脚是功能各异的GPIO管脚，每个管脚都具有输入输出功能，每组管脚在驱动方面具有差异，其中P1至P3的24个管脚内部都集成了上拉电阻，因此输出电流的能力很高，但是灌电流能力很弱；而P0的8个管脚内部没有集成上拉电阻，所以几乎没有任何输出电流能力，而灌电流能力很强，这为不同的应用创造了可能；其中P3.0和P3.1是两个复用管脚，通过寄存器的配置，它们分别是UART模块的RXD和TXD管脚；而P3.2和P3.3两个管脚具有中断功能，在外部触发信号对该管脚的作用下，系统能够立即进入管脚中断事件 （三） HC-SR04超声波传感器

HC-SR04传感器是一种高度集成的超声波发送与接收模块，通过该模块能够实现高精度的距离测量功能，目前好多单片机系统都采用了HC-SR04模块做距离采集，比如智能小车控制系统、基于超声波的近视预防等系统中。HC-SR04是一种高度集成的单片机外围电路，它集超声波产生、超声波发送以及超声波接受等于一体，下图为改模块的实物图，两个桶状的模块即是发送端和接收端，模块上面用了白色丝印字母T和R来表示。HC-SR04共有四个引脚，分别为VCC、Trig、Echo以及GND，VCC和GND很好理解，为该模块的供电管脚，而Trig为发送使能端，即单片机只要产生一个发送脉冲传送给Trig端，HC-SR04模块立即通过T发送端向外发射38KHz的超声波，当超声波在传送过程中遇到障碍物体时（如墙壁或者挡板）会被反射，从而反射的部分超声波信号会被接收端R接收到，此时模块的Echo管脚会立即产生一个脉冲信号，从而表示超声波已经返回，

这就是HC-SR04超声波模块的工作过程，在组成测距系统时，单片机可以对给Trig管脚发送脉冲信号和Echo管脚发出脉冲信号的时间差进行测量，从而实现距离的测量，下图2-2为HC-SR04超声波传感器实物图。

图2-2HC-SR04传感器

（四） LCD1602液晶显示器介绍

本系统的显示模块采用的是一种工业级的字符显示型的液晶显示器，它的屏幕大小能够同时显示32个英文字母、数字或者符号，正因为如此所以通常称它为LCD1602液晶显示器。LCD1602液晶显示器屏幕上由两行共32个液晶点阵组成，每个点内部又由5×7或者5×11的小液晶点阵组成，这种由若干小点阵组成的液晶能够显示一个字母、数字或者符号。另外需要注意的是，LCD1602的每个液晶之间有一定的间隔，这种间隔的存在使得LCD1602液晶显示器不能显示汉字或者图片，所以LCD1602液晶显示器的驱动相对其他较为复杂的液晶显示器较为简单，也正是由于这种简单性使得LCD1602很受欢迎。除了LCD1602内部已经定义好的数字、字母或者符号外，用户也可以通过程序对LCD1602内的CGRAM进行编写，来生成自定义的字符,下图2-3为LCD1602液晶显示器。

图2-3LCD1602液晶显示器

LCD1602液晶显示器模块的内部控制芯片是一种型号为HD44780的液晶驱动芯片，另外当前市面上许多流行的液晶都是通过这种型号的液晶驱动芯片来控制的，所以这些液晶显示器的驱动代码大多具有相似的语句，这种相同的控制原理有时能够给用户带来很大的便利性。

三、 硬件系统设计

（一） 方案设计

下图3-1为倒车雷达的总体硬件框图设计，共分为四大模块，即51单片机最小系统、超声波模块、显示模块以及报警模块。51单片机最小系统有AT89C51单片机、晶振电路以及复位电路组成，主要负责整个系统的信号处理、超声波模块的驱动、液晶屏的驱动以及报警模块的驱动，是这个系统的控制核心；超声波模块主要用于向车后的障碍物发送超声波信号，并将被反射回来的超声波进行接收，该模块是实现倒车雷达功能的核心元件；LCD1602是本系统的显示模块，用于显示车辆尾部距离后方障碍物的距离以及系统的其他参数；蜂鸣器报警模块用于发出报警信号，当车辆尾部距离后方障碍物的距离小于安全距离后，报警模块立即发出“滴、滴、滴”报警信号，并且“滴、滴、滴”的频率会随着距离减小而变大，以此来警示驾驶员小心倒车。

图3-1整体系统框图

（二） AT89C51单片机最小系统构建

对于C51单片机最小系统的构建，主要表现在两个方面：一是晶振电路的设计，二是复位电路的构建；将这两个电路和51单片机进行组合后，51最小系统就完成了，下面将介绍两个电路模块的作用和构建方法。 1. 晶振电路设计

晶振电路主要由三个元器件组成：一个晶振和两个小容量电容。晶振的主要作用可以用一个非常形象的比喻来说明，其功能就好比心脏对于人体的作用，心脏每搏动一次，就能够将新鲜的血液送至全身。而晶振也是这样，在周期时间内，晶振输出脉冲信号给单片机，以此来让单片机能够按照时钟信号的指示来完成动作。而小电容的作用主要是为了能够和晶振配合产生谐振作用，只有产生谐振，晶振才能在其正常的频率下工作，下图3-2为晶振电路的拓扑结构。

图3-2晶振电路设计

2. 复位电路设计

给单片机设计复位电路的作用主要是考虑到当系统程序跑飞或者死机时，能够通过人工按键来给系统复位，或者称之为重启，就好比当我们使用的电脑死机时，按下重启按键对电脑重启一样。C51单片机的复位采用高电平复位，复位方法是在两个机器周期内，将RST管脚保持高电平，这样系统将被立即重启。因此对于复位电路的设计就可以设计为下图中的结构，当按键未被按下时，由于电容对直流电压的阻断能力，因此电阻两端的电压为0，因此RST管脚为低电平；而当按键被按下时，由于电容两端被短路，因此电阻两端的电压为VCC，RST管脚为高电平，系统将被重启。