超声波测距汽车倒车防撞雷达设计.doc

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1、目 录 ? 摘要 1 ? 关键词 1 1，引言 3 11 倒车雷达研究的背景及意义 3 12 国内外倒车雷达的发展现状 3 2，超声波测距 4 2.1 超声波测距的基本原理 4 2.1.1 认识超声波 5 2.1.2 利用超声波测距 5 2.2 超声波倒车雷达系统工作原理 5 2.2.1 系统工作原理框图 6 3，超声波倒车雷达的芯片选择 6 3.1 单片机控制芯片 6 3.2 超声波发送和接收芯片 6 3.3 声光报警电路芯片 6 3.4 测温电路芯片 6 4，超声波倒车雷达硬件设计 7 4.1 超声波倒车雷达的工作原理 7 4.2 超声波发射电路 8 4.3 超声波接收电路 9 4.4 声

2、光报警电路 10 4.5 测温电路 10 4.6 显示电路 10 4.7 电源电路 10 5，软件设计 11 5.1 系统程序的设计 11 5.2.1 超声波倒车雷达的算法设计 12 5.2.2 主程序 13 5.2.3 超声波发生子程序 18 5.2.4 超声波接收中断程序 18 5.2.5 显示子程序 19 6，结束语 19 7，致谢 8，参考文献 题目：基于超声波测距汽车倒车防撞雷达 随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。这些事故常常给驾驶员带来许多的麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。 倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达

3、”，也叫“泊车辅助装置”，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启动车俩时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷。本文介绍了以AT89C2051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，该倒车雷达根据超声波测距原理研制，采用温度补偿技术、开机自检技术和优化的软硬件技术，将测得的结果送至数码管显示，同时进行三级声光报警。驾驶员只需坐在驾驶室就能做到心里有数，极大的提高了泊车和倒车时的安全和效率。 关键词：倒车雷达、超声波、单片机AT89C2O51 Title:Desi

4、gn car reversing aid systems based on ultrasonic detections Abstract With the rapid development of economy of you country,more and more people hace owed their cars, at the same time, more and more accidents occur because of paring and reversing.the car reserving aid system which can help drivers par

5、king is invented. The car reserving aid systm is also called parking auxiliary unit ,it is the automobile safe parking auxiliary unit,which can use sound or a more direct demonstration to show the driver the obstacle situation around.Thus relieve the difficulty of looking ahead and back when parking

6、 or starting vehicles,and help the drive to eliminate the dead angle of the field of vision and the flaw of sight.This paper introduces a low cost,high-accuracy,micro-miniaturzation,digital display and acousto-optics alarm intelligent parking radar that based on MCU AT89C2051.The back-draft radar de

7、velops on the basis of uitrasonic ranging principle.It uses the temperature compensation technology,the opening machine self-checking technology and the optimized software technology,the result obtained will be delivered to the digital tube and showed.At the same time,the three levels of acusto-opti

8、cs alarm will work, The driver only has to sit in the cab and can know fairly well. Thus the driving security and efficiency enhance enormously. Keywords： 1 引言 1.1 倒车雷达研究的背景及意义 随着我国经济的飞速发展，交通运输车辆的不断增多，由此产生的交通问题越来越成为人们关注的问题。其中倒车事故由于发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。倒车事故发生的原因是多方面的，倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差，视线模糊等原因造成倒车

9、时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以及女性更为突出。而倒车事故给车主带来的许多麻烦，例如撞上别人的车、消防水笼头，如果伤及儿童更是不堪设想，有鉴于此，汽车高科技产品家族中，专为汽车倒车泊位设置的“倒车雷达”应运而生，倒车雷达的加装可以解决驾驶人员后顾之忧，大大降低了倒车事故的发生。 倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，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启动车俩时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷。提高驾驶的安全性。倒车雷达的原理与普通雷达一样，是根据蝙蝠在黑夜里

10、高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。通过感应装置发生超声波，然后通过反射回来的超声波判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。 1.2 国内外倒车雷达的发展现状 通常的倒车雷达主要由感应器（探头）、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接受到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。感应器装在后保险杠上，以角45度辐射，检测目标，能探索到那些低于保险杠而驾驶员从后窗又难以看见的障碍物并报警，如花坛、蹲在车后玩耍的儿童等；显示设备装在仪表板上，提醒驾驶

11、员汽车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示驾驶员停车。根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式。粘贴式感应器后有1层胶，可直接粘在后保险杠上；钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去；悬挂式感应器主要用于载货车。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可分为数字式、颜色式和蜂鸣式。数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接有数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。倒车防撞雷达发展到现在已经历经5代。 第一代的倒车雷达系统是轰鸣器。倒车时，如果车后1.5米-1.8米处有障碍物，轰鸣器就会开始工作，轰鸣越急，表

12、示车辆离障碍物越近。没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 第二代倒车雷达可以显示车后障碍物离车的距离。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有0.8米以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6米-0.8米；红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到0.6米的距离，必须停止倒车。 第三代用液晶荧屏显示，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围的障碍物的距离。该雷达动态显示，色彩清晰漂亮，外

13、表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。 第四代魔幻镜倒车雷达，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米内的障碍物，并一不用等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。其外型就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。 第五代倒车雷达是专门为高档轿车生产的，它的整合了高档轿车具备的影音 系统，可以在显示器上观看DVD影像。因为是新品，售

14、价也较高。 倒车雷达的发展实际上已经融入了整车的设计，随着技术的成熟，价格的降低，倒车雷达将会逐渐普及成为标准配置。 2，超声波测距 2.1 超声波测距的基本原理 1、超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工

15、作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 3、超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2

16、 2.1.1认识超声波 超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方 式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25MHz之间，常用为33.5MHz（每秒振动1次为1Hz，1MHz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。 2.1.2 利用超声波测距 超声波测距是单片机控制超

17、声波传感器发射出超声波束，遇到障碍后返回，然后接收它的回波，利用发、收过程中产生的时间差，就可以计算出前方物体离超声波传感器的实际距离。设计为了能测量汽车不同位置障碍物距离，设计成多传感器测距。经分析可知：频率为400KHZ左右的超声波在空气中传播的效率最佳，因此，为了方便处理，发射的超声波被调制成40KHZ左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号，如图1所示。 2.2 超声波倒车雷达系统工作原理 倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波

18、在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。 2.2.1 系统工作原理框图 如图A所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C2051将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、0.5m、0.25m时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。 3，超声波倒车雷达的芯片选择 3.1 单片机控制芯片 AT89C2051简介：AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash

19、程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口

20、和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。 主要功能特性： 兼容MCS51指令系统 2k可反复擦写(1000次）Flash ROM 5个双向I/O口 6个中断源 两个16位可编程定时/计数器 2.7-6.V的宽工作电压范围 时钟频率0-24MHz 128x8bit内部RAM 两个外部中断源 两个串行中断 可直接驱动LED 两级加密位 低功耗睡眠功能 内置一个模拟比较放大器 可编程UARL通道 软件设置睡眠和唤醒功能 3.2 超声波接收芯片 3.3 声光报警电路芯片 3.4 测温电路芯片 4，超声波倒

21、车雷达硬件设计 4.1 超声波倒车雷达的工作原理 倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。 如图A所示，驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C2051将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、0.5m、0.25m时，

22、发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。 4.2 超声波发射电路 超声波发射电路 超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）选用CSB40T，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在100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用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须驱动电路，但缺乏灵活性。 本设计采用第一种方法产生超声波，电路设计如图

23、B所示。40kHz的超声波是利用555时基电路振荡产生的。其振荡频率计算式为f=1.43/(R 9+2R 10)C 5)。将R 10设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40kHz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源。CNT为超声波发射控制信号，由单片机进行控制。 4.3 超声波接收电路 超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用CSB40R，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正

24、弦波信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。按照上面所讨论的原理，单片机需要的只是第一个回波的时刻。接收电路的设计可采用专用接收电路，也可采用通用电路来实现，如图C所示。 超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在1mV1V之间。当然，不同接收探头的输出信号强度存在差异。由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：一是放大增益要大，以适应小信号时的需要；二是放大增益要能变化，以适应信号变化范围大的需要。另外，由于输入信号为正弦波，因此必须将放大电路设计成交流放大电路。为减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用

25、了一片LM324通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。LM324既可以双电源工作，也可以单电源工作，因此能满足使用要求。为满足交流信号的需要，每一级的放大器均采用阻容电路进行电平偏移，即图3中的C7、C21、C22和C24，容量均为10F，实现单电源条件下交流信号的放大。对于交流信号而言，电容为短路，因此前三级放大电路的增益均为10。距离较近时，两级放大的增益已能够输出足够强度的信号了，第三级有可能出现信号饱和，但距离较远时，必须采用三级放大。合理调节电位器R27，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。 4.4 声光报警电路 声光电路设计 声光报警是指当倒车雷达探测到的距

26、离小于所设定的安全值时，发出声音提醒驾驶员，声光电路设计如图D所示。M3720是单声一闪灯报警音效集成电路，芯片内存储一种报警音效，可直接驱动蜂鸣器发声或经外接功放三极管推动扬声器放音，同时还能驱动一只LED闪烁。该芯片各引脚功能为：5脚VDD；1脚VSS分别为电源输入端与负端，VDD电压33.5V；8脚X和1脚Y分别为芯片外接振荡电阻器；6脚TG为触发控制端，低电平触发有效；3脚BZ和2脚BB分别为报警音效输出端，可直接外接压电陶瓷蜂鸣器，如果驱动扬声器则由3脚BZ端引出；4脚L为闪灯输出端，可直接驱动LED发光。 4.5显示电路 基于MAX7219的6位共阴极数码管显示 目前市面上已有的L

27、ED显示驱动芯片种类繁多，从性价比以及功能实用性的角度考虑。本次设计取用MAX7219。其峰值电流可达40MA，最高串行扫描频率为10MHz，典型为1.3KHz。仅使用3条线串行接口传送数据。多片级联时可控制更多的LED。本设计的显示电路原理图如下图所示： 5，软件设计 AT89C2051单片机及其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当手柄转入倒车档，主程序开始调用测量子程序、显示子程序和语音提示 5.1 系统程序的设计 工作时，微处理器AT89C2051先把P1.0

28、置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器响应。如图3 5.2.1 超声波倒车雷达的算法设计 计算超声波传播时间 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源 参 考 文 献 1 康华光，陈大钦，电子技术基础，第4版，北京：高等教育出版社，1999.6 2 汪吉鹏，马云峰，于乃功，穆效江，微机原理与接口技术，北京：高等教育出版社，2001 3 藤志军，基于超声波策距雷达设计资料，今日电子网站