完整版倒车雷达设计电子工程系毕业设计.docx
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完整版倒车雷达设计电子工程系毕业设计
摘要
采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险扛上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由LED显示器和蜂鸣器声发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。
整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易，更安全。
本文在查阅、分析国内外倒车雷达系统相关技术的基础上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车雷达预警系统的研制进行了深入探讨和研究。
该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了倒车雷达预警系统的系统构架和设计方案；在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的可视倒车雷达预警系统的测距实现原理，分析了以AT89S52单片机为主控单元的系统硬件设计，并通过系统仿真研究，验证了系统的可靠性和可行性。
目录
1绪论1
1.1倒车雷达防撞的意义1
1.2倒车雷达的发展过程2
1.3本文主要内容3
2系统构建与方案设计4
2.1系统设计要求4
2.2系统构建4
2.3系统方案设计5
2.3.1测距系统方案设计5
2.3.2控制系统方案设计6
2.3.3显示报警系统方案设计7
2.3.4系统探测范围及传感器布点的确定8
2.4本章小结9
3系统硬件设计9
3.1系统硬件设计思想9
3.2测距系统设计10
3.2.1超声波发射模块电路设计11
3.2.2超声波接收模块电路设计12
3.2.3测温电路设计13
3.3控制系统设计14
3.3.1AT89S52单片机最小系统设计14
3.3.3换向选通电路设计15
2.3.4电源模块电路设计16
3.3显示报警模块电路设计17
3.3.1显示模块电路设计17
3.3.2报警模块电路设计18
3.4.1本章小结19
4系统软件设计19
4.1主程序设计19
4.2超声波测距子程序及其流程图20
4.3超声波测距流程图22
4总结与展望24
5致谢25
6参考文献26
7附录27
1绪论
自2002年以来，家用轿车成为继购房之后的又一大消费热点。
据新华社报道，2003年4月份中国轿车产量高达16.69万辆，同比增长83％；中国国家汽车行业“十五”规划研究组预测，2005年和2010年，全国轿车总有量将分别达到843—869万辆和1423—1542万辆，轿车需求量为110—121万辆和193—220万辆；国际汽车制造商协会也在最近预测，中国今年将成为第三大汽车市场，同时也证明中国将成为全球汽车配套服务产业的第四大市场，汽车用品及服务行业正赶上历史上从未有过的空前繁荣期。
另据有关专业机构统计，目前有车一族用于每辆新购汽车的平均装潢费用4500元。
现在是汽车越来越多，车位越来越多，泊位越来越小，新司机越来越多，女司机越来越多，刮蹭等倒车事故越来越多，因倒车事故引发的纠纷越来越多。
以上的事实及数字读起来索然无味，但却实实在在地告诉我们一种消费的趋势正在形成，一片近乎空白的市场已凸现眼前。
现在汽车出厂大多都不配备倒车雷达，有安装倒车雷达的车也是和倒车雷达厂家合作生产，基于此，计划自主设计开发一种主要用于售后市场的、结构简单、制作方便、成本低廉的倒车雷达。
1.1倒车雷达防撞的意义
“往后倒一点，再往后，打方向盘，打多了，回一点再倒，好，停。
”相信一般的车主在停车场泊位时，都会遇到车辆保管员的“热情招呼”。
车技纯熟的倒也与人工提示配合默契；车技一般、方向感较差的，就经常使负责指挥的那位人士高度紧张，脾气急躁的还少不了挤兑车主几句。
可是，并不是所有车主都有幸得到人工倒车指引，比如，有时回家晚了，一个人慢慢倒车，不小心还真容易磕磕碰碰，更有甚者，倒车时没注意到车后有个小孩老人什么的，后果就会比较严重。
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”因此应运而生，而且，越来越先进的产品电投放到市场中，广为人知。
倒车雷达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起动车辆对前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
1.2倒车雷达的发展过程
倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统。
它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。
它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、倒车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。
整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。
第一代：
倒车时通过喇叭提醒。
“倒车请注意”想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。
只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。
从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。
价格便宜，基本属于淘汰产品。
第二代：
采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。
这是倒车雷达系统的真正开始。
倒车时，如果车后1.8米—1.5米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。
蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。
但没有语音提示，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。
第三代：
数码波段显示具体距离或者距离范围。
这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。
如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。
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，黄色代表警告距离，红色代表危险距离必须停止倒车。
第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观。
第四代：
液晶荧屏动态显示。
这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕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障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，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。
第五代：
魔幻镜倒车雷达。
结合了前几代产品的优点，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米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。
魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。
因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。
而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。
第六代：
整合影音系统。
它在第五代产品的基础上新增了很多功能，属于第六代产品，是专门为高档轿车生产的。
从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还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。
目前市场上倒车雷达品牌多达二十几种，价格从上百元到一两千元不等，选购倒车雷达可以从如下方面考虑：
功能、性能、外观、质量、安装、价格等。
1.3本文主要内容
本文的主要研究内容是汽车倒车雷达预警硬件系统的设计和实现，以及在此基础上进行系统的计算机仿真，以验证系统的可靠性和有效性。
论文共分5章，各章主要内容如下：
第l章绪论。
包括倒车雷达的意义和发展过程。
第2章系统总体方案设计。
首先介绍课题的设计要求，详细介绍系统测距模块、控制模块和显示报警模块的方案设计，然后提出本系统的方案设计并分析影响超声波传感器工作的多种因素。
第3章系统硬件设计。
详细讨论了系统测距模块、控制模块、显示报警模块的硬件电路设计，具体讨论测距模块中的超声波发射电路设计和超声波接收电路设计。
第4章总结和展望。
对全文进行总结，指出不足之处，对倒车雷达预警系统的发展前景进行展望。
2系统构建与方案设计
2.1系统设计要求
汽车倒车雷达预警系统由三个部分组成，分别为测距部分、控制系统部分和显示报警部分。
本系统的主要功能是：
当车挂入倒档后，蜂鸣器发出间隔频率为1HZ的BiBi声；在汽车距障碍物距离小于0.60米时，报警指示灯亮，同时在显示屏上显示最小车距以提醒驾驶者。
2.2系统构建
按照系统设计要求，重点介绍硬件部分，硬件系统设计采用模块化思想。
系统硬件结构分为三个主要模块：
测距系统模块、控制系统模块和显示报警系统模块。
并对该系统建立数学模型，对其进行了倒车仿真试验研究，以提供较为可靠的方法给驾驶者完成倒车任务。
整个系统根据“回波测距”的原理设计的，其结构框图如图2-1所示。
图2-1汽车倒车雷达预警系统结构原理图
各模块所完成的具体功能如下：
（1）测距系统模块：
针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。
（2）控制系统模块：
本系统以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。
（3）显示报警系统模块：
显示最小距离及报警以提醒驾驶员。
除此之外，系统探测范围及传感器的布点对倒车也有很大的影响，如果系统探测范围及传感器的布点设置不当，那么就容易出现盲区，对汽车周围的障碍物探测不出，容易出现倒车事故。
而且在有的环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况。
2.3系统方案设计
2.3.1测距系统方案设计
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。
其原理为：
在超声波发射器两端输入40KHZ脉冲串，脉冲信号经过超声波内部振子，振荡产生机械波，并通过空气介质传播到被测面，由被测面反射到超声波接收器接收，在超声波接收器两端，信号是毫伏级的正弦波信号，超声波经气体介质的传播到接收器的时间，即为往返时间。
往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。
图2-3是超声波测距的原理图。
2.3.2控制系统方案设计
在控制系统的方案选择上，由于整个系统的设计涉及到数据处理，控制实时性等问题，选用基于微控制器的系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩小整个系统的体积。
本系统是精密实时采集传输系统，需要微控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据。
所以微控制器选用Atmel公司的AT89S52单片机的控制系统。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在线可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥
有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位IO口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.3.3显示报警系统方案设计
显示器应用极为广泛，是一种输出设备，综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源，本设计使用三个DPY_7-SEG_DP共阴二极管显示器，由于倒车时距离障碍物的距离本来就比较近，大概在3米以内，所以一个三位的LED显示器就可以达到要求。
报警装置采用的是有源蜂呜器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员。
2.3.4系统探测范围及传感器布点的确定
超声波传感器发射超声波有一定的角度范围，下图为常用超声波传感器的探测角度：
影响超声波探测的因素以上阴影区只是超声波传感器发射超声波的覆盖区，而覆盖区内的障碍物是否能被探测到，则与以下因素有关：
1．从物理学的反射原理可知：
超声波的反射规律为反射角等于入射角，因此，反射波是否能被超声波传感器捕捉，与反射面的角度有关。
2．反射面的大小不同，也会影响反射波的强度。
3．另外，障碍物会吸收掉一部分超声波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，则与障碍物的材质和表面处理相关。
疏松、多孔的表面较易吸收音波而导致反射效率较低，不易被侦测。
4．超声波在空气中传输时也会衰减，所以同一个反射面，同样的角度，距离越远，发射和反射的超声波衰减越大，越不易被测到。
5．以上几点简单的说就是：
角度、大小、表面材质和距离这些因素综合起来，决定障碍物是否会被探测到。
2.4本章小结
本章首先根据系统的设计要求，介绍了系统构建，然后详细阐述了系统的方案设计，对系统的三个模块：
测距系统、控制系统和显示报警系统分别方案设计，确定了本系统以AT89S52单片机系统为核心，以UCM-T40KI、UCM-R40KI为超声波发射、接收器的汽车倒车雷达预警系统的方案设计并分析影响超声波传感器工作的多种因素。
3系统硬件设计
本章讲述倒车雷达系统的各个模块的设计和主要元器件的介绍。
包括测距系统设计（超声波发送接收系统）、单片机控制系统设计和显示报警系统设计。
其中，测距系统由超声波发射模块和超声波接收模块构成；控制系统设计主要对AT89S52单片机系统进行设计；显示报警系统设计差要对数据通讯、数据转换、蜂鸣器和静态显示电路进行设计。
以下就各模块的电路图、功能及设计思路作详细说明。
3.1系统硬件设计思想
其硬件结构图如图3-1所示。
图3-1系统硬件结构图
40kHz的超声波发送脉冲信号由微处理器的P1.0口送出，发出一系列的脉冲群，信号经过放大，再经过驱动电路，驱动超声波发射头，使发射换能器接收高电压。
其内部的压电晶片开始震动，经过换能器发出40kHz的脉冲超声波。
当超声波遇到障碍物发生反射，反射波（回波）返回到超声波传感器上。
反射回的正弦波信号经过放大、滤波、整形后输入单片机的INT0端，产生中断。
计数器停止计数，测出从超声波发射脉冲群时刻到接收回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。
3.2测距系统设计
测距系统模块由超声波发射与回波接收电路组成，其主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压辐值，有效地进行电\声转换，增大超声波的发射距离。
并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号，供单片机进行处理。
超声波的传播速度一般来说只跟介质有关，相同的介质在不同的条件下传播速度会有一些不同，比如温度不同它的传播速度也不相同，由于本设计中距离障碍物的距离很近，所以必须考虑到温度对超声波传播速度的影响。
3.2.1超声波发射模块电路设计
发射电路的实现目的是为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。
要求荡电路振荡频率可调，同时具有一定的驱动能力可以驱动超声波传感器发出超声波。
振荡电路的目的是为超声波传感器提供40KHz脉冲。
用555定时器组成的多谐振荡器如图所示。
图3-2震荡电路
在控制信号P1.0为高电平时，此振荡电路启振，调节到R、R、C可得到40kHz左右的振荡频率。
声波在空气中的传播速度受空气介质影响，距离越远，衰减越大。
为能够接收远距离的回波，所以要增加驱动电路来增大功率。
驱动电路的实现目的是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。
3.2.2超声波接收模块电路设计
因为超声波测距只用于近距离，当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号相对也比较微弱。
因此接收端应先设置一个放大电路，然后通过检波电路对其输出信号进行解调，最后把检波输出的信号送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入单片机的INT0中断口，产生中断，停止计时，在进行数据处理运算。
为了提高抗干扰性，滤波电路要针对40kHz信号进行高带通滤波，并对该频率信号进行放大增益。
如图：
图3-6运放构成接收电路图
电路由集成运放A1、A2构成二级放大电路，R、C为无源滤波网络，二极管、R9为检波网络。
3.2.3测温电路设计
超声波的传播速度一般来说只跟介质有关，相同的介质在不同的条件下传播速度会有一些不同，比如温度不同它的传播速度也不相同，由于本设计中距离障碍物的距离很近，所以必须考虑到温度对超声波传播速度的影响。
研究表明，声音的传播速度与温度是成正比的，温度越高,空气中分子密度越小,而空气作为声音传播介质,那么声音传播速度会有所增强。
反之温度越低,空气中分子密度越大,而空气作为声音传播介质,那么声音传播速度会有所减小。
声波与速度的关系，如表3-1所示。
表3-1声波与速度的关系
温度℃
速度ms
温度℃
速度ms
温度℃
速度ms
0
331.4
17
341.8
34
352
1
332.1
18
342.4
35
352.6
2
332.6
19
343
36
353.2
3
332.8
20
343.6
37
353.8
4
334
21
344.2
38
354.4
5
334.6
22
344.8
39
355
6
335.2
23
345.4
40
355.6
7
335.8
24
346
41
356.2
8
336.4
25
346.6
42
356.8
9
337
26
347.2
43
357.4
10
337.6
27
347.8
44
358
11
338.2
28
348.4
45
358.6
12
338.8
29
349
46
359.2
13
339.4
30
349.6
47
359.8
14
340
31
350.2
48
360.4
15
340.6
32
350.8
49
361
16
341.2
33
351.4
50
361.6
3.3控制系统设计
控制系统是整个系统的核心，一切命令的发出、接受、处理、数据运算都是在这部分中完成的。
3.3.1AT89S52单片机最小系统设计
AT89S52单片机最小系统由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。
一般包括晶振电路和复位电路。
晶振电路：
每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
复位电路目的：
在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环。
图3-11单片机最小系统电路图
AT89S52单片机在高温环境中稳定性好。
AT89S52单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。
它的作用使形成用于产生超声波的40KHZ信号、形成必要的时序、控制LCD字符的显示、控制继电器通断以及对采集到的数据进行运算。
AT89S52单片机各个引脚分布如图所示，P10为控制超声波发射；INT0为接收超声波回波信号；X1和X2为单片机自身的12MHZ晶振；RESET是复位信号；P21接温度传感器DS18B20，测量温度，实时计算出距离；P00一P07引脚对应LED显示器，控制LED显示器的写入字符；TXD、RXD引脚控制写入下载程序；P20引脚输出报警信号；当距离达到限定值就启动蜂鸣器，开始呜叫报警，以提醒驾驶员注意倒车情况。
3.3.2换向选通电路设计
收发控制电路示意图如下图所示，控制电路选用CD4052多路选择开关，AB为4种组合，一种组合对应一路探头工作。
4个探头轮流工作，4个探头检测完成构成1个检测周期，系统再根据最短的障碍物距离进行报距提醒驾驶员。
图3-13收发控制电路示意图
系统的工作流程为：
单片机接通电源后，探头驱动引脚向超声波探头发送驱动信号，以驱动超声波探头发送超声波信号，驱动信号发送完毕后单片机等待信号返回；探头接收到超声波信号后，进行信号放大滤波处理，将信号送入单片机，记录信号发送和接收的时间差，根据此时间差计算障碍物距离，控制报警信号输出。
超声波探头驱动采用分时顺序的驱动方式，即依次对4个探头轮流进行驱动，一个探头的工作周期内要包括发送和接收两种操作。
4个探头检测完成构成一个检测周期。
若前一探头在本工作周期内没有接收到返回的超声波信号，则单片机也转入控制下一个探头的工作。
3.3.3电源模块电路设计
电源电路目的：
给控制电路及其它电路提供电源。
电源设计是电路设计很重要关节。
它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。
用分立元器件组装的直流稳压电源存在体积大，组装、调试、维修麻烦的缺点。
现在随着功率集成技术的不断发展，人们已经可以把直流稳压电源电路中的电源调整管、比较放大电路、基准电压电路、取样电路、过压过流保护电路等集成在一片芯片上制成集成稳压器。
集成稳压器由于使用方便、体积小、成本低、性能优良、一致性好等优点而在各种电子设备中得到了非常广泛的应用。
常用的集成稳压器件包括三端式固定稳压集成电路器件78XX和79XX系列和输出可调的集成稳压电源电路LM319和LM317等。
用7879系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压器型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
遵照要求需要一个+5V电压，1个+9V左右可调电压。
7805典型应用电路图:
图3-14由7805组成的+5V电压示意图
3.3显示报警模块电路设计
3.3.1显示模块电路设计
显示电路的目的将测距的结果进行实时显示。
显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。
最常见的显示器可以使LED数码管，设计简单，易于安装，成本只要几元。
本设计使用三个DPY_7-SEG_DP共阴二极管显示器，由于倒车时距离障碍物的距离本来就比较近，大概在3米以内，所以一个四位的LED显示器就可以达到要求。
而且和单片机的接口设计也较简单方便。
单片机将需要显示数据送往相关的显示接口即可完成显示工作，简单方便。
图3-16显示模块电路电路图
3.3.2报警模块电路设计
本系统在输出电路上加上蜂鸣器作为声音报警，当距离小于O．35米时
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