汽車倒車防撞系統(tǒng)

摘要隨著中國城市化的加速推進(jìn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開展,交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，我國汽車的數(shù)量逐年攀升，這一數(shù)字還會(huì)在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)持續(xù)高水平的增長。在享受汽車給我們帶來便利的同時(shí)，由于倒車而產(chǎn)生的問題也日益突出。因?yàn)轳{駛員在駕車時(shí)的視野范圍是很有限的，通過車內(nèi)和外側(cè)的反光鏡可以大幅度提高駕駛員的視野范圍，但位于車正前方的障礙物以及高度缺乏以通過反光鏡看到的或者距離車身過近的障礙物都可能處于駕駛員的視野死角或者視野模糊區(qū)中。這樣，小那么對(duì)駕駛員的泊車、倒車造成不便，大那么也會(huì)帶來一些危險(xiǎn)。隨著科技的開展，這類的問題得到了解決，人類創(chuàng)造了智能交通系統(tǒng)，其中汽車智能倒車防撞技術(shù)關(guān)鍵在于智能實(shí)時(shí)的測出汽車與障礙物的距離。當(dāng)汽車與障礙物之間的距離小于設(shè)定的平安距離時(shí)，防撞系統(tǒng)就自動(dòng)報(bào)警并采取制動(dòng)措施。為提高汽車運(yùn)行的平安性和降低碰撞發(fā)生的可能。本文介紹了以AT89C51單片機(jī)為核心的倒車防撞系統(tǒng)增加汽車倒車時(shí)的平安性的倒車防撞系統(tǒng)，利用超聲波進(jìn)行無接觸的測距，系統(tǒng)主要包括超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，數(shù)碼顯示電路、溫度測量電路以及報(bào)警電路。以超聲波傳感器為重點(diǎn)進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收，通過計(jì)算得出距離并通過LED顯示，在低于一定距離時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，駕駛員做出判斷。關(guān)鍵字：倒車防撞，智能控制技術(shù)，超聲波1研制背景及意義1.1倒車?yán)走_(dá)的開展過程關(guān)于超聲波的研究起始于1876年，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波，這些年來，隨著超聲波技術(shù)的不斷深入，再加上其具有高精度，無損，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及，多年來已在一些領(lǐng)域的要應(yīng)用，而用于汽車防撞卻是近年的事情。這主要原因是傳統(tǒng)的超聲波傳感器不能到達(dá)汽車行業(yè)的特殊要求。

我國倒車?yán)走_(dá)從2000年開始起步，從最初只是奔馳、寶馬等高檔車的專利，開展到現(xiàn)在成為許多轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置。經(jīng)過多年的開展，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)歷了六代技術(shù)改進(jìn)，不管從結(jié)構(gòu)外觀上還是性能價(jià)格上，這六代產(chǎn)品都各有特點(diǎn)。

第一代：倒車時(shí)通過喇叭提醒路人。這對(duì)司機(jī)沒有幫助，所以并不算是真正的倒車?yán)走_(dá)。第二代：采用蜂鳴器產(chǎn)生不同聲音來提示駕駛員。在倒車時(shí)車后一定距離內(nèi)有障礙物，蜂鳴器就會(huì)開始工作發(fā)出“嘀、嘀、嘀”的響聲，這是倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開始。但因?yàn)闆]有具體數(shù)據(jù)，司機(jī)不能確定障礙物離車體有多遠(yuǎn)，所以對(duì)駕駛員幫助不大。

第三代：數(shù)碼波段顯示的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。可以顯示車后障礙物離車體的距離，這一代倒車?yán)走_(dá)已經(jīng)比擬先進(jìn)了，缺點(diǎn)是精確度不高、安裝不美觀。

第四代：液晶熒屏動(dòng)態(tài)顯示。這一代的倒車?yán)走_(dá)有一個(gè)質(zhì)的飛躍，可以看清車體與障礙物之間的實(shí)際距離和其圖像效果。此類倒車?yán)走_(dá)外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。但這一代的產(chǎn)品靈敏度不太高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。

第五代：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米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級(jí)的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。這一代倒車?yán)走_(dá)的功能較多，但本錢也比擬高。

第六代：整合影音系統(tǒng)。這一代倒車?yán)走_(dá)是專門為高檔轎車生產(chǎn)的。其外觀上比第五代倒車?yán)走_(dá)更為精致典雅；它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還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，但相應(yīng)的本錢也更高。

1.2研究的背景及意義隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速開展，交通運(yùn)輸車輛及私家用車的不斷增加，不可防止的交通問題瞬時(shí)成為人們關(guān)注的問題。由于存在視覺盲區(qū)，無法看清車后狀況，司機(jī)在倒車時(shí)很容易發(fā)生事故。倒車事故發(fā)生的高頻率，已引起了社會(huì)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，造成倒車時(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許多麻煩，不僅經(jīng)濟(jì)上，更有人身傷害。為了減少帶來的損失，需要有一種專門幫助司機(jī)平安倒車的裝置。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)小車防撞系統(tǒng)也就變得很有必要，所以倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。目前測量距離一般都采用波在介質(zhì)中的傳播速度和時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測量。常用的技術(shù)主要有激光測、微波雷達(dá)測距和超聲波測距三種。超聲波具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常用于距離的測量。超聲波測距主要用于建筑工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場和移動(dòng)機(jī)器人研制上，可在潮濕，多塵等環(huán)境下工作。相對(duì)于其他技術(shù)而言，超聲波定位技術(shù)本錢低、工作穩(wěn)定、精度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于距離測量定位。AT89S51為小車防撞控制系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、可靠的解決方法，充分利用它的片內(nèi)資源，實(shí)現(xiàn)了超聲波測距和報(bào)警。2設(shè)計(jì)方案2.1

硬件局部

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、溫度補(bǔ)償電路，報(bào)警電路，超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路五局部。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，位碼用PNP9012三極管驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)框架圖如圖2.2技術(shù)要求、設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)在汽車倒車過程中必須能夠適時(shí)、準(zhǔn)確的感應(yīng)周圍存在事物，保證在汽車倒車過程中有著較高的平安系數(shù)。當(dāng)汽車在倒車時(shí)要求能夠測量出汽車與障礙物之間的距離，以提醒駕駛員下步該如何做。3超聲波測距3.1常用技術(shù)方案分析與比擬在現(xiàn)代測距系統(tǒng)當(dāng)中，主要有以下測距方法：

〔1〕毫米雷達(dá)測距

毫米雷達(dá)測距能夠探測多目標(biāo)，多目標(biāo)分辨力好，探測精度高，受天氣影響小，但存在電磁干擾問題，必須防止因雷達(dá)裝置相互間以及其他通信設(shè)施的電磁波干擾而發(fā)生誤動(dòng)作，其多用于高速公路上的防追尾碰撞。毫米波是指波長在1-10mm的電磁波，其帶寬大，分辨率高，天線部件尺寸小，能適應(yīng)惡劣環(huán)境。車用毫米波雷達(dá)，通常采用結(jié)構(gòu)簡單本錢較低，適合近距離探測的FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)雷達(dá)體制。雷達(dá)天線向外發(fā)出一系列連續(xù)調(diào)頻毫米波，頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化，一般是連續(xù)的三角波，發(fā)射與接收信號(hào)如下圖。圖中實(shí)線是發(fā)射信號(hào)，虛線是相對(duì)靜止和相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的反射信號(hào)。反射與發(fā)射信號(hào)波形相同，只是差一個(gè)延時(shí)時(shí)間tt=2s／c式中s為目標(biāo)距離，c為光速發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在某一時(shí)刻的頻差即為混頻輸出的中頻頻率fb。相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體反射信號(hào)由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移的原因。在三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率分別為fb+、fb-。以下公式成立：S=V=從而得到目標(biāo)車輛的距離S與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度V。毫米波雷達(dá)發(fā)射及回波波形〔2〕激光測距

脈沖激光測距系統(tǒng)的原理與微波脈沖雷達(dá)測距原理相似，在測距點(diǎn)向被測目標(biāo)發(fā)射一束短而強(qiáng)的激光脈沖，光脈沖發(fā)射到目標(biāo)后一小局部激光反射到測距點(diǎn)被光功能接收器接收。設(shè)目標(biāo)距離為R，激光脈沖往返經(jīng)過的時(shí)間為t，光在空氣中傳播的速度為c，那么測距公式如下：R=ct/2實(shí)際脈沖激光測距機(jī)是利用時(shí)鐘晶體振蕩器和脈沖技術(shù)起來測定時(shí)間間隔t的。時(shí)鐘即晶體振蕩器用于產(chǎn)生固定頻率的電脈沖振蕩〔T=1/f〕，脈沖計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)晶振產(chǎn)生的電脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如在測距機(jī)和目標(biāo)之間光往返的時(shí)間t內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)為N，能帶測距離R=CNT/2=CN/2f,相對(duì)測距精度為△R=C/2f，如圖：t=N△T計(jì)時(shí)波形圖t=N△T脈沖激光測距系統(tǒng)由三局部組成：激光發(fā)射局部，激光接收局部和信號(hào)處理局部。首先由半導(dǎo)體激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，該激光脈沖經(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后射向目標(biāo)〔本實(shí)驗(yàn)中激光通過一段光纖傳播〕，同時(shí)在主波取樣透取出主波的一小局部作為參考脈沖送入接收系統(tǒng)，經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電脈沖后，再經(jīng)放大器放大后開啟門電路，這時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。經(jīng)過一段時(shí)間后，被目標(biāo)發(fā)射回來的回波脈沖信號(hào)〔本實(shí)驗(yàn)中是經(jīng)過光纖傳播后的信號(hào)〕通過接收光學(xué)系統(tǒng)的會(huì)聚之后，射到探測器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和放大后變成電信號(hào)進(jìn)入門電路，使門電路關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣，從開門到關(guān)門計(jì)數(shù)器進(jìn)入N個(gè)脈沖，那么可測得這段光纖的長度R=Nc/2f。原理框圖如下：由于激光測距受惡劣的天氣，汽車的劇烈震動(dòng)，反射鏡外表摩損，污染等因素的影響，使反射的激光束在一定功率上探測距離比可能探測的最大距離減少1/2到1/3損失很大，影響探測精度，所以它一般都應(yīng)用于防追尾碰撞當(dāng)中。

〔3〕紅外測距

紅外測距的工作過程簡單來講就是瞄準(zhǔn)目標(biāo)，然后接通電源，啟動(dòng)發(fā)射電路，通過發(fā)射系統(tǒng)，像目標(biāo)發(fā)射紅外信號(hào)，同時(shí)，采樣器采樣發(fā)射信號(hào)，作為計(jì)數(shù)器開門的脈沖信號(hào)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘振蕩器像計(jì)數(shù)器有效的輸入計(jì)數(shù)脈沖，由目標(biāo)反射回來的紅外線回波作用在光電探測器上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，經(jīng)過放大器放大，進(jìn)入計(jì)數(shù)器，作為計(jì)數(shù)器的關(guān)門信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器從開門到關(guān)門期間，所進(jìn)入的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算得到目標(biāo)距離，測距公式為：L=Ct/2式中：L——待測距離；

C——光速；

t——光脈沖在待測距離上往返傳輸所需要的時(shí)間。

只要求出光脈沖在待測距離往返傳輸所需要的時(shí)間就可以通過上式求出目標(biāo)距離。紅外脈沖的原理與結(jié)構(gòu)比擬簡單、測距遠(yuǎn)、功耗小。本設(shè)計(jì)主要由五局部組成：紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、放大電路、單片機(jī)電路、譯碼顯示電路。其工作過程圖：紅外測距系統(tǒng)工作過程紅外測距主要應(yīng)用于夜間行車或在軍事上使用。

3.2超聲波的介紹

當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音，科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20000HZ。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000HZ或小于20HZ時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000HZ的聲波稱為“超聲波”。

超聲波通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其特點(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方向性。

超聲波具有以下的特點(diǎn)：

超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。

(2〕超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。

(3)超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干預(yù)、疊加和共振現(xiàn)象。

(4〕超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象3.3

超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的鼓勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭〔縱波〕、斜探頭〔橫波〕、外表波探頭〔外表波〕、蘭姆波探頭〔蘭姆波〕、雙探頭〔一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收〕等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。

超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭〔縱波〕、斜探頭〔橫波〕、外表波探頭〔外表波〕、蘭姆波探頭〔蘭姆波〕、雙探頭〔一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收〕等。

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器由發(fā)送傳感器

(

或稱波發(fā)送器

)

、接收傳感器

(

或稱波接收器

)

、控制部，超聲波傳感器分與電源局部組成。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

工作頻率：工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

工作溫度：由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比擬高，特別是診斷用超聲波探頭使用超聲波傳感器功率較小，所以工作溫度比擬低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比擬高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.4

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。這就是所謂的時(shí)間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×T式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。3.5超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差：當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)超聲波速度C=344m/s(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μs。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在到達(dá)微秒級(jí)，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差：超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高那么超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中：r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40，R—?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T—絕對(duì)溫度，273K+T℃。近似公式為：C=C0+0.607×T℃式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s；T為實(shí)際溫度(℃)。對(duì)于超聲波測距精度要求到達(dá)1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。4顯示電路與報(bào)警電路4.1顯示電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，最常用的顯示器有：發(fā)光二極管，簡稱LED(Light

Emitting

Diode)；液晶顯示器，簡稱

LCD；熒光管顯示器，簡稱VFD(Vacuum

Fluorscents

Display)。其中LED是一種極低功耗顯示器，廣泛應(yīng)用于測量產(chǎn)品中，由于本課題不需要復(fù)雜的顯示信息，所以選擇的是LED顯示模塊，，可以節(jié)約硬件資源，降低本錢。顯示電路如下列圖顯示電路4.2報(bào)警電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購置市售的壓電式蜂鳴器，然后通過89C51的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖中，P27接晶體管基極輸入端。當(dāng)P27輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當(dāng)P27輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。報(bào)警電路如下列圖：報(bào)警電路5控制