1、摘要:倒車后視不良一直是困擾駕駛員，特別是新手的難題。倒車雷達能以聲音或者更為直觀的形式告知駕駛員周圍障礙物的情況，幫助駕駛員掃除視野死角和消除視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。本文詳細介紹了一種基于at89c51單片機的超聲波脈沖測距的倒車防撞報警器的設計。該設計以超聲波在空氣中傳播速度為確定條件 ,利用超聲波的反射，測量距離。論文概述了超聲測距的基本原理及超聲傳感器的特性， 并在超聲測距原理的基礎上,提出了系統的總體構成，以蜂鳴器報警作為警告提醒，具有較強的實用性。關鍵詞：防撞超聲波傳感器距離方位控制系統reversing car collision avoidance alarm des

2、ign and implementationabstract: the back-draft back sight is not good always puzzles the pilot, specially novices difficult problem.the back-draft radar can or a more direct-viewing form informs around the pilot by the sound the obstacle situation, helps the pilot to clean the field of vision dead a

3、ngle and the elimination line of sight fuzzy flaw, enhances driving the security.this article introduced one kind in detail based on at89c51 monolithic integrated circuit ultrasonic wave pulse range finder back-draft proximity warner design. this design take the ultrasonic wave in the air the propag

4、ation velocity as the determination condition, the use ultrasonic wave reflection, the survey distance.the paper has outlined the supersonic range finder basic principle and the supersonic sensor characteristic, and in the supersonic range finder principle foundation, proposed the system overall con

5、stitution, reports to the police by the buzzer took the warning reminder, has the strong usability. key words: anti-collision ultrasonic sensor distance position control system 目錄引言 . 31 汽車防撞技術概述 . 31.1 汽車倒車防撞報警器設計研究的目的及概況. 31.2 倒車雷達的發展. 41.2.1 第 1 代倒車雷達 . 41.2.2 第 2 代倒車雷達 . 41.2.3 第 3 代倒車雷達 . 51.2.

6、4 第 4 代倒車雷達 . 51.2.5 第 5 代倒車雷達 . 52系統方案選擇 . 52.1測量方案的對比. 52.2 超聲波測距的工作原理. 62.3 超聲波測距的工作方式. 63 系統工作原理 . 63.1 硬件設計 . 73.1.1 超聲波發送模塊設計. 73.1.2 超聲波接收模塊設計. 83.2 語音電路設計. 93.3 軟件設計 . 94 系統的調試與優化 . 124.1 發射器探頭對接收器探頭的影響. 12 4.2 溫度的補償 . 12 結束語 . 13致謝 . 錯誤 !未定義書簽。參考文獻 . 133 引言當今,汽車已經成為人們生活中不可缺少的一部分,它給人們帶來方便快捷的

7、同時,也出現了許多問題。如越來越多的汽車使道路上有效的使用空間越來越小,新手也越來越多 ,由此引發的剮蹭事件也越來越多,因剮蹭引起的糾紛也在不斷地增加。原來不是問題的倒車也逐漸變成了問題。高速行駛的汽車為人類帶來突飛猛進的現代文明 ,但大量交通事故又威脅著人們的生命財產安全,據初步調查統計,15%的汽車交通事故是由汽車倒車后視 不良造成的。因此 ,增強汽車的后視能力,尤其是增強大型、 重型車輛的后視能力 ,對于提高行車安全 ,減輕司機的勞動強度和心理壓力 ,是十分重要的。盡管每輛車都有后視鏡 ,但不可避免地都存在一個后視盲區,倒車雷達則可以一定程度上幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷,提

8、高駕駛的安全性 ,減少剮蹭事件。本系統就是利用超聲波傳感器探測本車與障礙物的距離,如果不在安全距離范圍內 ,系統將自動報警 ,提醒駕員注意安全 ,從而避開障礙物。 近年來隨著微電子技術發展而產生的小型價廉的微處理器(單片機 )的出現 ,使超聲波測距傳感器的功能得到了提升。有了微處理器不僅使測距的精度大為提高,而且為超聲波測距技術的應用開辟更大的空間。利用超聲波制作汽車防撞雷達可以幫助駕駛員及時了解車周圍阻礙情況,防止汽車在轉彎、倒車等情況下撞傷、劃傷。1 汽車防撞技術概述1.1 汽車倒車防撞報警器設計研究的目的及概況隨著社會經濟的發展交通運輸業日益興旺，汽車的數量在大副攀升。 交通擁擠狀況也日

9、趨嚴重，撞車事件屢屢發生， 造成了不可避免的人身傷亡和經濟損失，針對這種情況， 設計一種響應快， 可靠性高且較為經濟的汽車防撞預警系統勢在必行，超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，應用于汽車停車的前后左右防撞的近距離， 低速狀況， 以及在汽車倒車防撞報警系統中，超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當車輛后退時， 超聲波距離傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置， 并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛人員，起到安全的作用。汽車倒車防撞報警器是國家重點開發的重大科研項目之一。以往的汽車倒車測距一

10、般有四種： 1 嘀嘀聲加閃光， 2 音樂聲加閃光， 3 語音聲加閃光， 4 倒車到危險距離時發出警報聲的超聲波倒車報警器，本設計將以上功能結合起來加以改進發展，使其在整個倒車過程中自動測量車尾到最近障礙物的距離，并用數字顯示出來，在倒車到極限距離時會發出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車， 如果和制動系統聯系在一起也可以形成自動剎車。本設計可望成為駕駛員特別是貨車以及公共汽車駕駛員的好幫手，可有效的減少和避免那些視野不良的大型汽車的如冷藏車、集裝箱車、垃圾車、食品車、載貨車、公共汽車等倒車交通事故，另外還特別適用于夜間輔助倒車、4 倒車入庫以及進入停車場停車到位，本設計成本低廉， 性能優良， 市

11、場前景極為廣闊，對提高我國汽車工業實際水平，具有較大的時間意義。倒車雷達目前已經成為許多車主必不可少的汽車安全裝置之一，但倒車雷達并非萬無一失，“盲區” 、 “誤報”現象并不少見。何謂汽車倒車雷達的盲區？大部分倒車雷達的“管轄”范圍其實非常有限。“太高、太偏、太細”的東西最容易被倒車雷達系統忽視。 由于探頭安裝位置的關系， 車后上方的障礙物一般倒車雷達是無法探測到的； 此外，當車后方的障礙物過低或角度超過探頭偵測的范圍時，譬如臺階、石頭等，倒車雷達也會“瞎眼” 。對一些較細的東西，如鐵絲等，倒車雷達同樣無能為力。1.2 倒車雷達的發展隨著我國汽車產業的高速發展，尤其是近兩三年我國開始進入私家車

12、時代，汽車電子產業成了新的增長點， 汽車電子產品的高利潤和市場廣闊性倍受商家關注，音響和防盜器就是明證，近兩年來，倒車防撞報警器成了商家的電子新愛，眾多生產防盜器的廠家紛紛涉足倒車防撞報警器，可以這么說，幾乎生產防盜器的廠家都在生產倒車防撞報警器。市場上經銷的倒車防撞報警器品牌多達幾十種，在全國零售市場上銷售的主要有固地、鐵將軍、伊萊、豪迪、奇貞、銘品、全安、佐敦、永泰和、俊邦視寶等品牌，基本上國產品牌占90%，而進口產品在終端市場上零售的較少。 處在我國汽車用品大行業環境的繁榮背景下倒車防撞報警器已漸漸形成一個較大的行業，而且已呈現出一派激烈競爭的態勢。經過幾年的發展 ,倒車雷達系統已經過了

13、數代的技術改良,不管從結構外觀上 ,還是從性能價格上 ,這幾代產品都各有特點 ,目前使用較多的是數碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車雷達這3 種。1.2.1第 1 代倒車雷達“倒車請注意”!想必不少人還記得這種聲音,它只能算作最早的有關于倒車的一個產品 ,不能稱為雷達 ,現在只有小部分商用車還在使用。只要駕駛員掛上倒檔 ,它就會響起 ,提醒周圍的人注意。 從某種意義上說 ,它對駕駛員并沒有直接的幫助, 基本屬于淘汰產品。最初的倒車雷達是蜂鳴器,它標志著倒車雷達系統的真正開始。倒車時 ,如果距車 1.51.8 m 處有障礙物 ,蜂鳴器就會開始工作 ,蜂鳴聲越急 ,表示車距障礙物越近。該裝置既沒有語音提

14、示,也沒有距離顯示 ,雖然駕駛員知道車后有障礙物 ,但不能確定障礙物距離車究竟有多遠。1.2.2第 2 代倒車雷達第 2 代產品采用數碼波段顯示 ,可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果車后是物 ,在 1.8 m 開始顯示 ;如果是人 ,在 0.9 m 左右的距離開始顯示。這一代產品有 2 種顯示方式 ,數碼顯示產品直接顯示距離數字,而波段顯示產品由3 種顏色來區別:綠色代表安全距離 ,表示障礙物離車體距離有0.8 m以上;黃色代表警告距離 ,表示離障礙物的距離只有0.60.8 m;紅色代表危險距離 ,表示離障礙物只有不到0.6 m 的距離 ,必須停止倒車。第2 代產品把數碼和波段組合在一起,比

15、較實用 ,但5 安裝在車內不太美觀。1.2.3第 3 代倒車雷達第 3 代產品是液晶熒屏顯示 ,這一代產品較以前有一個質的飛躍,特別是熒屏顯示開始出現動態顯示系統。不用掛倒檔,只要發動汽車 ,顯示器上就會出現汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離。其外表美觀,可以直接粘貼在儀表盤上,安裝很方便,給人以舒適的感覺,顯示的距離也更準確些。不過液晶顯示器外觀雖精巧,但靈敏度較高 ,抗干擾能力不強 ,所以誤報也較多。1.2.4第 4 代倒車雷達第 4 代產品是魔幻鏡倒車雷達,它結合了前幾代產品的優點,采用了最新仿生超聲雷達技術 ,配以高速微機控制 ,可全天候準確地測知2 m以內的障礙物 ,并以不同等級的聲音

16、和直觀的顯示提醒駕駛員,如圖 2 所示。魔幻鏡倒車雷達把后視鏡、倒車雷達、免提電話、溫度顯示和車內空氣污染顯示等多項功能整合在一起,并設計了語音功能 ,其外形就是一塊倒車鏡,所以可以不占用車內空間,直接安裝在車內后視鏡的位置。而且顏色款式多樣,可以按照個人需求和車內裝飾選配,不過價格稍高。1.2.5第 5 代倒車雷達第 5 代產品是整合影音系統 ,它是專為高檔轎車生產的,在上一代產品的基礎上新增了很多功能 ,如圖 3 所示,它整合了高檔轎車的影音系統,可以在顯示器上觀看 dvd 影像。當然其價格也相當的不菲。2系統方案選擇汽車的倒車防撞報警系統是以測距為基礎的。在各種環境條件下,準確測量汽車與

17、障礙物的距離是系統設計的關鍵。目前用于汽車工業的測距方法主要有超聲波法、激光法和微波雷達法。2.1測量方案的對比激光測量主要有脈沖和掃描兩種工作方式,激光測量系統具有反應快、有效測量距離大、分辨率高、誤差小等優點,近年來在汽車防撞領域越來越受到重視。由于激光鏡頭易受灰塵、雨雪、風沙的污蝕而影響其工作性能, 所以激光法不適宜在惡劣氣候條件下工作。微波雷達因為其工作頻率高、波長短,可有效地縮小波束角度、減小天線尺寸,尤其適合在惡劣氣候條件下工作。但是微波雷達測距時易受到雷達之間以及6 與其他通信系統之間的電磁干擾,抗干擾能力弱。超聲波法與其他兩種方式相比具有顯著的優點,超聲波測速測距的基本原理是利

18、用其反射特性。超聲波發生器發射40 khz 超聲波遇到障礙物后產生反射波,超聲波接收器接收到反射波信號,并將其轉換成電信號 ,測量發射波與回波之間的時間間隔 t,并根據公式 r=(tv)/2 計算距離 (v 為超聲波傳播速度 )。超聲波的特點是對雨、霧、雪的穿透能力強,可以在惡劣氣候條件下工作,系統制作簡便 ,成本低。2.2 超聲波測距的工作原理人能聽到的聲音頻率為 :20hz20khz,即為可聽聲波 ,超出此頻率范圍的聲音 ,即 20hz 以下的聲音稱為低頻聲波,20khz 以上的聲音稱為超聲波。 超聲波是一種只有少數生物 (如蝙蝠、海豚 )才能感覺的機械波 ,其頻率在 20khz 以上,波

19、長短 ,繞射小、能定向傳播。超聲波為直線傳播方式,頻率越高 ,繞射能力越弱 ,但反射能力越強。為此 ,利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。超聲波測距的原理就是利用超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播 ,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v(隨溫度的變化而變化 )，根據計時器記錄的時間 t,就可以計算出發射點距障礙物的距離(s),即:s=v*t/2。2.3 超聲波測距的工作方式利用超聲波測距的工作 ,就可以根據測量發射波與反射波之間的時間間隔,從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法:

20、(1)相位檢測法 ,相位檢測法雖然精度高 ,但檢測范圍有限 ; (2)聲波幅值檢測法 ,聲波幅值檢測法易受反射波的影響; (3)渡越時間檢測法 ,渡越時間檢測法的工作方式簡單,直觀,在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現。其原理為:檢測從發射傳感器發射超聲波,經氣體介質傳播到接收傳感器的時間 ,這個時間就是渡越時間。本設計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超聲波傳感器 ,是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性(縱波),通過接收自身發射的超聲波反射信號,根據超聲波發出及回波接收的時間差和傳播速度,計算傳播距離 ,從而得到障礙物到車輛的距離。3 系統工作原理倒車防撞報警器

21、只需要在汽車倒車時工作, 為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時汽車的行駛速度較慢, 和聲速相比可以認為汽車是靜止的, 因此在系統中可以忽略多普勒效應的影響。在許多測距方法中, 脈沖測距法只需要測量超聲波在測量點與目標間的往返時間, 實現簡單 , 因此本系統采用了這種方法。如圖 1 所示, 駕駛員將手柄轉到倒車檔后, 系統自動啟動 , 超聲波發送模塊向7 后發射 40khz的超聲波信號 , 經障礙物反射 , 由超聲波接收模塊收集 , 進行放大和比較, 單片機 at89c51將此信號送入顯示模塊 , 同時觸發語音電路 , 發出同步語音提示, 當與障礙物距離小于2m 、1.5m、1m 、0.5m

22、時, 發出不同的報警聲 , 提醒駕駛員停車。圖 1 系統工作原理框圖3.1 硬件設計3.1.1 超聲波發送模塊設計超聲波發送器包括超聲波產生電路和超聲波發射控制電路兩個部分,采取收發分離方式有兩個好處:一是收發信號不會混疊 ,接收探頭所接收到的純為反射信號;二是將接收探頭放置在合適位置,可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾 ,提高系統的可靠性。根據設計要求并綜合各方面因素,選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測距傳感器tct40-16t/r(t 表示發射傳感器,r 表示接收傳感器 ),最大探測距離為6m,發射擴散角為 60度。超聲波探頭（又稱“超聲波換能器”）可采用軟件發生法和

23、硬件發生法產生超聲波。前者利用軟件產生 40khz 的超聲波信號 , 通過輸出引腳輸入至驅動器, 經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件, 靈活性好 , 但需要設計一個驅動電流在 100ma以上的驅動電路。第二種方法是利用超聲波專用發生電路或通用發生電路產生超聲波信號, 并直接驅動換能器產生超聲波。這種方法的優點是無須驅動電路 , 但缺乏靈活性。本設計采用第一種方法產生超聲波, 電路設計如圖 2 所示。8 圖 2 超聲波發送模塊電路40khz 的超聲波是利用ne555 時基電路振蕩產生的。其振蕩頻率計算式為f=1.43/(r 9+2r 10) c 5) 。將 r 10設

24、計為可調電阻的目的是為了調節信號頻率, 使之與換能器的40khz固有頻率一致。為保證ne555時基具有足夠的驅動能力, 宜采用 +12v電源。 cnt為超聲波發射控制信號 , 由單片機進行控制。3.1.2 超聲波接收模塊設計超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發射探頭對應的型號, 關鍵是頻率要一致, 本設計采用tct40-16r, 否則將因無法產生共振而影響接收效果, 甚至無法接收。 由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱, 因此必須經放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收 , 必須進行波形變換。 按照上面所討論的原理 , 單片機需要的只是

25、第一個回波的時刻。接收電路的設計可采用專用接收電路, 也可采用通用電路來實現, 如圖 3 所示。圖 3 超聲波接收模塊電路超聲波在空氣中傳播時 , 其能量的衰減與距離成正比, 即距離越近信號越強 ,距離越遠信號越弱 , 通常在 1mv 1v之間。 當然, 不同接收探頭的輸出信號強度存在差異。由于輸入信號的范圍較大, 對放大電路的增益提出了兩個要求：一是放大增益要大 , 以適應小信號時的需要 ; 二是放大增益要能變化 , 以適應信號變化范圍大的需要。另外, 由于輸入信號為正弦波 , 因此必須將放大電路設計成交流放大電路。為減少負電源的使用 , 放大電路采用單電源供電, 信號放大和變換采用了一片

26、lm324通用運算放大器 , 前三級為放大器設計 , 后一級為比較器設計。 lm324既可以雙電源工作 , 也可以單電源工作 , 因此能滿足使用要求。 為滿足交流信號的需要, 每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移, 即圖 3 中的 c7 、c21 、c22和c24,容量均為 10f,實現單電源條件下交流信號的放大。對于交流信號而言 , 電容為短路 , 因此前三級放大電路的增益均為10。距離較近時 , 兩級放大的增益已能夠輸出足夠強度的信號了, 第三級有可能出現信號飽和, 但距離較遠時 , 必須采用三級放大。合理調節電位器r27,選擇比較基準電壓 , 可使測量更加準確和穩9 定。3.2 語音

27、電路設計圖 4 語音電路語音報警是指當倒車雷達探測到的距離小于所設定的安全值時, 發出聲音提醒駕駛員, 語音電路設計如圖 4 所示。m3720是單聲一閃燈報警音效集成電路, 芯片內存儲一種報警音效 , 可直接驅動蜂鳴器發聲或經外接功放三極管推動揚聲器放音,同時還能驅動一只led閃爍。該芯片各引腳功能為： 5 腳 vdd;1腳 vss分別為電源輸入端與負端 ,vdd電壓 33.5v;8 腳 x和 1腳 y分別為芯片外接振蕩電阻器;6腳 tg為觸發控制端 , 低電平觸發有效 ;3 腳 bz和 2 腳 bb分別為報警音效輸出端 ,可直接外接壓電陶瓷蜂鳴器, 如果驅動揚聲器則由3 腳 bz端引出 ;4

28、 腳 l 為閃燈輸出端 , 可直接驅動 led發光。3.3 軟件設計汽車倒車防撞系統根據超聲測距原理用at89c51 單片機開發設計。 at89c51單片機及其開發應用系統具有語言簡潔、可移植性好、 表達能力強、 可進行結構化設計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質量高、使用方便等諸多優點。整個軟件采用模塊化設計,由主程序、預置子程序、發射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。根據系統的要求,系統軟件應具有以下功能: (1)控制超聲波發射、接收傳感器的工作狀態。傳感器探測距離時發射傳感器還要依次輪流工作 ,這些功能需靠軟件程序來實現。(2)根據當前的溫度得到超聲波的速度然后計算出倒車避撞的

29、安全距離和報警距離。安全距離就是設計時設的2米,根據超聲波測距儀測定距離與設定的值比較。如果測量的距離小于2 米大于或等于 1.5 米時，發出 bi，bi，bi 的聲音 ;小于 1.5大于或等于 1.0 米時，發出 bibibi ，bibibi ，bibibi 的聲音 ;小于 1.0 米大于 0.5米時發出連續的 bi 的聲音 ;小于等于 0.5 米時，發出語音“危險”提示。(3)測出超聲波信號的往返時間,來計算出最近的障礙物與車的距離。超聲波從發射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時間,需要通過軟件定時器來記錄。根據這個時間才能計算出障礙物的距離。軟件設計的主要思路是將預置、發射、接收、顯示、聲

30、音報警等功能編成獨立的模塊 ,在主程序中采用鍵控循環的方式,當按下控制鍵后 ,在一定周期內 ,依次執行各個模塊 ,調用預置子程序、發射子程序、查詢接收子程序、定時子程序,并10 把測量的結果進行分析處理,根據處理結果決定顯示程序的內容以及是否調用聲音報警程序。當測得距離小于預置距離時,聲音報警程序被調用。主程序首先是對系統環境初始化 ,設置定時器 t0 工作模式為 16 位定時計數器模式。置位總中斷允許位 ea 并給顯示端口 p0 和 p2 清 0。然后調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖 ,為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發,需要延時約 0.1 ms(這也就是超聲波測距

31、儀會有一個最小可測距離的原因)后,才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。 由于采用的是 12 mhz 的晶振 ,計數器每計一個數就是 1 s,當主程序檢測到接收成功的標志位后,將計數器 to 中的數 (即超聲波來回所用的時間 )按式 (3)計算 ,即可得被測物體與測距儀之間的距離,假設當前溫度是 20, 則聲速為 344 m/s,則有:d=(cxt)/2=172to/10000cm(3)其中,to 為計數器t0 的計算值。測出距離后結果將以十進制bcd 碼方式送往 led 顯示約 0.5s,然后再發超聲波脈沖重復測量過程。11 定時中斷服務子程序外部中斷服務子程序12 4 系統的調試與優化超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單,安裝時探頭時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm,其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來 ,則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同,可適當調整與接收換能器并接的濾波電容c 的大小,以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。系統調試完后對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析,不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。4.1 發射器探頭對接收器探頭的影響超聲波從發射到接收的時間間隔是由控制器內部的定時器來完