超聲波測距汽車倒車防撞雷達(dá)設(shè)計(jì)

1、目 錄 ? 摘要 1 ? 關(guān)鍵詞 1 1，引言 3 11 倒車?yán)走_(dá)研究的背景及意義 3 12 國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀 3 2，超聲波測距 4 2.1 超聲波測距的基本原理 4 2.1.1 認(rèn)識超聲波 5 2.1.2 利用超聲波測距 5 2.2 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作原理 5 2.2.1 系統(tǒng)工作原理框圖 6 3，超聲波倒車?yán)走_(dá)的芯片選擇 6 3.1 單片機(jī)控制芯片 6 3.2 超聲波發(fā)送和接收芯片 6 3.3 聲光報(bào)警電路芯片 6 3.4 測溫電路芯片 6 4，超聲波倒車?yán)走_(dá)硬件設(shè)計(jì) 7 4.1 超聲波倒車?yán)走_(dá)的工作原理 7 4.2 超聲波發(fā)射電路 8 4.3 超聲波接收電路 9 4.4 聲

2、光報(bào)警電路 10 4.5 測溫電路 10 4.6 顯示電路 10 4.7 電源電路 10 5，軟件設(shè)計(jì) 11 5.1 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) 11 5.2.1 超聲波倒車?yán)走_(dá)的算法設(shè)計(jì) 12 5.2.2 主程序 13 5.2.3 超聲波發(fā)生子程序 18 5.2.4 超聲波接收中斷程序 18 5.2.5 顯示子程序 19 6，結(jié)束語 19 7，致謝 8，參考文獻(xiàn) 題目：基于超聲波測距汽車倒車防撞雷達(dá) 隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，越來越多的人擁有了自己的汽車，同時(shí)由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來越多。這些事故常常給駕駛員帶來許多的麻煩，因此，有助于駕駛員泊車和倒車的倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。 倒車?yán)走_(dá)全稱叫“倒車防撞雷達(dá)

3、”，也叫“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和啟動車倆時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除視野的死角和視線模糊的缺陷。本文介紹了以at89c2051單片機(jī)為核心的一種低成本、高精度、微型化，并有數(shù)字顯示和聲光報(bào)警功能的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，該倒車?yán)走_(dá)根據(jù)超聲波測距原理研制，采用溫度補(bǔ)償技術(shù)、開機(jī)自檢技術(shù)和優(yōu)化的軟硬件技術(shù)，將測得的結(jié)果送至數(shù)碼管顯示，同時(shí)進(jìn)行三級聲光報(bào)警。駕駛員只需坐在駕駛室就能做到心里有數(shù)，極大的提高了泊車和倒車時(shí)的安全和效率。 關(guān)鍵詞：倒車?yán)走_(dá)、超聲波、單片機(jī)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 倒車?yán)走_(dá)研究的背景及意義 隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通運(yùn)輸車輛的不斷增多，由此產(chǎn)生的交通問題越來越成為人們關(guān)注的問題。其中倒車事故由于發(fā)生的頻率極高，已引起了社會和交通部門的高度重視。倒車事故發(fā)生的原因是多方面的，倒車鏡有死角，駕車者目測距離有誤差，視線模糊等原因造成倒車

9、時(shí)的事故率遠(yuǎn)大于汽車前進(jìn)時(shí)的事故率，尤其是非職業(yè)駕駛員以及女性更為突出。而倒車事故給車主帶來的許多麻煩，例如撞上別人的車、消防水籠頭，如果傷及兒童更是不堪設(shè)想，有鑒于此，汽車高科技產(chǎn)品家族中，專為汽車倒車泊位設(shè)置的“倒車?yán)走_(dá)”應(yīng)運(yùn)而生，倒車?yán)走_(dá)的加裝可以解決駕駛?cè)藛T后顧之憂，大大降低了倒車事故的發(fā)生。 倒車?yán)走_(dá)全稱叫“倒車防撞雷達(dá)”，也叫“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和啟動車倆時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除視野的死角和視線模糊的缺陷。提高駕駛的安全性。倒車?yán)走_(dá)的原理與普通雷達(dá)一樣，是根據(jù)蝙蝠在黑夜里

10、高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開發(fā)的。通過感應(yīng)裝置發(fā)生超聲波，然后通過反射回來的超聲波判斷前方是否有障礙物，以及障礙物的距離、大小、方向、形狀等。只不過由于倒車?yán)走_(dá)體積大小及實(shí)用性的限制，目前其主要功能僅為判斷障礙物與車的距離，并做出提示。 1.2 國內(nèi)外倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀 通常的倒車?yán)走_(dá)主要由感應(yīng)器（探頭）、主機(jī)、顯示設(shè)備等三部分組成。感應(yīng)器發(fā)出和接受超聲波信號，并將接受到的信號傳輸?shù)街鳈C(jī)，再通過顯示設(shè)備顯示出來。感應(yīng)器裝在后保險(xiǎn)杠上，以角45度輻射，檢測目標(biāo)，能探索到那些低于保險(xiǎn)杠而駕駛員從后窗又難以看見的障礙物并報(bào)警，如花壇、蹲在車后玩耍的兒童等；顯示設(shè)備裝在儀表板上，提醒駕駛

11、員汽車距后面物體還有多少距離，到危險(xiǎn)距離時(shí)，蜂鳴器就開始鳴叫，提示駕駛員停車。根據(jù)感應(yīng)器種類不同，倒車?yán)走_(dá)可分為粘貼式、鉆孔式和懸掛式。粘貼式感應(yīng)器后有1層膠，可直接粘在后保險(xiǎn)杠上；鉆孔式感應(yīng)器是在保險(xiǎn)杠上鉆一個(gè)洞，然后把感應(yīng)器嵌進(jìn)去；懸掛式感應(yīng)器主要用于載貨車。根據(jù)顯示設(shè)備種類不同，倒車?yán)走_(dá)又可分為數(shù)字式、顏色式和蜂鳴式。數(shù)字式顯示設(shè)備是一只如傳呼機(jī)大小的盒子，安裝在駕駛臺上，直接有數(shù)字表示汽車與后面物體的距離，并可精確到1厘米，讓駕駛員一目了然。倒車防撞雷達(dá)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)歷經(jīng)5代。 第一代的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是轟鳴器。倒車時(shí)，如果車后1.5米-1.8米處有障礙物，轟鳴器就會開始工作，轟鳴越急，表

12、示車輛離障礙物越近。沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn)，對駕駛員幫助不大。 第二代倒車?yán)走_(dá)可以顯示車后障礙物離車的距離。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由三種顏色來區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物離車體距離有0.8米以上；黃色代表警告距離，表示離障礙物的距離只有0.6米-0.8米；紅色代表危險(xiǎn)距離，表示離障礙物只有不到0.6米的距離，必須停止倒車。 第三代用液晶熒屏顯示，特別是熒屏顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍的障礙物的距離。該雷達(dá)動態(tài)顯示，色彩清晰漂亮，外

13、表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。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(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。 第四代魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測知2米內(nèi)的障礙物，并一不用等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)把后視鏡倒車?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多功能整合在一起，并設(shè)計(jì)了語音功能，是目前市面上最先進(jìn)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。其外型就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內(nèi)空間，直接安裝在車內(nèi)倒視鏡的位置。 第五代倒車?yán)走_(dá)是專門為高檔轎車生產(chǎn)的，它的整合了高檔轎車具備的影音 系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看dvd影像。因?yàn)槭切缕?，?/p>

14、價(jià)也較高。 倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展實(shí)際上已經(jīng)融入了整車的設(shè)計(jì)，隨著技術(shù)的成熟，價(jià)格的降低，倒車?yán)走_(dá)將會逐漸普及成為標(biāo)準(zhǔn)配置。 2，超聲波測距 2.1 超聲波測距的基本原理 1、超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 2、壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工

15、作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 3、超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2

16、 2.1.1認(rèn)識超聲波 超聲波是指振動頻率大于20khz以上的,其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動，通常以縱波的方 式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 25mhz之間，常用為33.5mhz（每秒振動1次為1hz，1mhz=106hz,即每秒振動100萬次，可聞波的頻率在1620，000hz 之間）。 2.1.2 利用超聲波測距 超聲波測距是單片機(jī)控制超

17、聲波傳感器發(fā)射出超聲波束，遇到障礙后返回，然后接收它的回波，利用發(fā)、收過程中產(chǎn)生的時(shí)間差，就可以計(jì)算出前方物體離超聲波傳感器的實(shí)際距離。設(shè)計(jì)為了能測量汽車不同位置障礙物距離，設(shè)計(jì)成多傳感器測距。經(jīng)分析可知：頻率為400khz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，因此，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40khz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號，如圖1所示。 2.2 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作原理 倒車?yán)走_(dá)只需要在汽車倒車時(shí)工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時(shí)汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認(rèn)為汽車是靜止的，因此在系統(tǒng)中可以忽略多普勒效應(yīng)的影響。在許多測距方法中，脈沖測距法只需要測量超聲波

18、在測量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間，實(shí)現(xiàn)簡單，因此本系統(tǒng)采用了這種方法。 2.2.1 系統(tǒng)工作原理框圖 如圖a所示，駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后，系統(tǒng)自動啟動，超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射40khz的超聲波信號，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進(jìn)行放大和比較，單片機(jī)at89c2051將此信號送入顯示模塊，同時(shí)觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當(dāng)與障礙物距離小于1m、0.5m、0.25m時(shí)，發(fā)出不同的報(bào)警聲，提醒駕駛員停車。 3，超聲波倒車?yán)走_(dá)的芯片選擇 3.1 單片機(jī)控制芯片 at89c2051簡介：at89c2051是一個(gè)低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀flash

19、程序存儲器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強(qiáng)大at89c2051單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合。 at89c2051是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，但它只有20個(gè)引腳，15個(gè)雙向輸入/輸出（i/o）端口，其中p1是一個(gè)完整的8位雙向i/o口，兩個(gè)外中斷口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,兩個(gè)全雙向串行通信口，一個(gè)模擬比較放大器。同時(shí)at89c2051的時(shí)鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有ram、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口

20、和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)ram將被凍結(jié)，時(shí)鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運(yùn)行。 主要功能特性： 兼容mcs51指令系統(tǒng) 2k可反復(fù)擦寫(1000次）flash rom 5個(gè)雙向i/o口 6個(gè)中斷源 兩個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2.7-6.v的寬工作電壓范圍 時(shí)鐘頻率0-24mhz 128x8bit內(nèi)部ram 兩個(gè)外部中斷源 兩個(gè)串行中斷 可直接驅(qū)動led 兩級加密位 低功耗睡眠功能 內(nèi)置一個(gè)模擬比較放大器 可編程uarl通道 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 3.2 超聲波接收芯片 3.3 聲光報(bào)警電路芯片 3.4 測溫電路芯片 4，超聲波倒

21、車?yán)走_(dá)硬件設(shè)計(jì) 4.1 超聲波倒車?yán)走_(dá)的工作原理 倒車?yán)走_(dá)只需要在汽車倒車時(shí)工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時(shí)汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認(rèn)為汽車是靜止的，因此在系統(tǒng)中可以忽略多普勒效應(yīng)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(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間，實(shí)現(xiàn)簡單，因此本系統(tǒng)采用了這種方法。 如圖a所示，駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后，系統(tǒng)自動啟動，超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射40khz的超聲波信號，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進(jìn)行放大和比較，單片機(jī)at89c2051將此信號送入顯示模塊，同時(shí)觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當(dāng)與障礙物距離小于1m、0.5m、0.25m時(shí)，

22、發(fā)出不同的報(bào)警聲，提醒駕駛員停車。 4.2 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭（又稱“超聲波換能器”）選用csb40t，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40khz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動電流在100ma以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無須驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。 本設(shè)計(jì)采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，電路設(shè)計(jì)如圖

23、b所示。40khz的超聲波是利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計(jì)算式為f=1.43/(r 9+2r 10)c 5)。將r 10設(shè)計(jì)為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40khz固有頻率一致。為保證555時(shí)基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用+12v電源。cnt為超聲波發(fā)射控制信號，由單片機(jī)進(jìn)行控制。 4.3 超聲波接收電路 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(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計(jì)采用csb40r，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正

24、弦波信號不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。按照上面所討論的原理，單片機(jī)需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。接收電路的設(shè)計(jì)可采用專用接收電路，也可采用通用電路來實(shí)現(xiàn)，如圖c所示。 超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減與距離成正比，即距離越近信號越強(qiáng)，距離越遠(yuǎn)信號越弱，通常在1mv1v之間。當(dāng)然，不同接收探頭的輸出信號強(qiáng)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(gè)要求：一是放大增益要大，以適應(yīng)小信號時(shí)的需要；二是放大增益要能變化，以適應(yīng)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(shè)計(jì)成交流放大電路。為減少負(fù)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

25、了一片lm324通用運(yùn)算放大器，前三級為放大器設(shè)計(jì)，后一級為比較器設(shè)計(jì)。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(jìn)行電平偏移，即圖3中的c7、c21、c22和c24，容量均為10f，實(shí)現(xiàn)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(shí)，兩級放大的增益已能夠輸出足夠強(qiáng)度的信號了，第三級有可能出現(xiàn)信號飽和，但距離較遠(yuǎn)時(shí)，必須采用三級放大。合理調(diào)節(jié)電位器r27，選擇比較基準(zhǔn)電壓，可使測量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。 4.4 聲光報(bào)警電路 聲光電路設(shè)計(jì) 聲光報(bào)警是指當(dāng)?shù)管嚴(yán)走_(dá)探測到的距離小于所設(shè)定的安全值時(shí)，發(fā)出聲音提醒駕駛員，聲光電路設(shè)計(jì)如圖d所示。m3720是單聲一閃燈報(bào)警音效集成電路，芯片內(nèi)存儲一種報(bào)警音效，可直接驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲或經(jīng)外接功放三極管推動揚(yáng)聲器放音，同時(shí)還能驅(qū)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(fù)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(fā)控制端，低電平觸發(fā)有效；3腳bz和2腳bb分別為報(bào)警