汽车倒车超声波报警器的设计与实现毕业设计论文.docx
《汽车倒车超声波报警器的设计与实现毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车倒车超声波报警器的设计与实现毕业设计论文.docx（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
汽车倒车超声波报警器的设计与实现毕业设计论文
本科毕业论文（设计）
题目汽车倒车超声波报警器的设计与实现
●
●
汽车倒车超声波报警器设计与实现
摘要汽车倒车一直都是困扰驾驭员，尤其是菜鸟。
倒车超声波能用声音或更为直观的方式奉告驾驭员周围障碍物的状况，协助驾驭员看清视野死角和消除视野含糊的缺点，提高驾驶安全性。
这篇文章着重介绍了一种根据AT89C51单片机的超声波脉冲测距的倒车防撞报警器的设想。
该设想用超声波在空气中传播速度为判断条件,使用超声波的反射，测出间隔。
论文阐明了超声测距的基本原理及超声传感器的特性，并在超声测距原理的基础上,指出了体系的整体构成，以蜂鸣器报警作为特别提示，具有很强的实用性。
关键词超声波；防撞；传感器；报警器；控制系统
关键词：
倒车雷达超声波单片机SPCE061A
ABSTRACTTheback-draftbacksightisnotgoodalwayspuzzlesthepilot,speciallynovice'sdifficultproblem.Theback-draftradarcanoramoredirect-viewingforminformsaroundthepilotbythesoundtheobstaclesituation,helpsthepilottocleanthefieldofvisiondeadangleandtheeliminationlineofsightfuzzyflaw,enhancesdrivingthesecurity.ThisarticleintroducedonekindindetailbasedonAT89C51monolithicintegratedcircuitultrasonicwavepulserangefinderback-draftproximitywamerdesign.Thisdesigntaketheultrasonicwaveintheairthepropagationvelocityasthedeterminationcondition,theuseultrasonicwavereflection,thesurveydistance.Thepaperhasoutlinedthesupersonicrangefinderbasicprincipleandthesupersonicsensorcharacteristic,andinthesupersonicrangefinderprinciplefoundation,proposedthesystemoverallconstitution,reportstothepolicebythebuzzertookthewarningreminder,hasthestrongusability.
KEYWORDSUltrasonic;anti-collision;sensor;alarm;controlsystem
1前言
1.2倒车报警器的发展2
2系统方案的设计3
2.1本设计的目的4
2.2测量计划的比照5
2.3整体设计方案6
2.4工作原理和工作方式6
3核心器件简介7
3.3超声波测距模组10
3.4转接板………………………………………………………………………………13
4系统硬件设计16
4.1.2电源模块………………………………………………………………………16
4.1.3放音模块………………………………………………………………………17
4.2.1超声波谐振频率发生电路调理…………………………………17
4.2.2超声波回波接受处理电路……………………………………………18
4.2.3超声波测距模组电源接口……………………………………………18
4.2.4超声波测距模式选择跳线……………………………………………19
4.2.5超声波测距模组接口…………………………………………………19
4.4显示电路……………………………………………………………………………20
5系统软件设计21
5.2软件设计…………………………………………………………………………21
6.1发射器探头对接收器探头的影响…………………………………………24
6.2回波检测对时间测量的影响…………………………………………………24
6.3超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响…………………25
6.4针对误差产生原因的系统改进方案…………………………………………25
7连接与操作说明……………………………………………………………………………27
结论…………………………………………………………………………………………30
参考文献30
谢辞31
1、前言
1.1国内外发展的概况以及存在的问题
随着社会经济的发展，交通运输越来越重要，汽车的数量在大副提升。
交通拥挤状况也越来越严重，撞车事件时有发生，造成了很多人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种反应快，可靠性高，而且比较经济的汽车防撞预警系统势在必行。
通常汽车倒车防撞测距报警器有四种：
1嘀嘀声加闪光，2音乐声加闪光，3语音声加闪光，4倒车到危险距离时发出警报声的超声波倒车报警器，由于很多研究使用的是特殊难购的专用元件，使其难以推广，此设计采用国内生产的通用元件，成本较低，此设计使汽车在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，从而提醒驾驶员注意刹车，如果和制动系统连在一起也可以达到自动刹车目的。
（1）预警的时间不足
最大有效探测距离的问题，大多数倒车雷达的最大有效探测距离：
1，墙面小于2.5m2，行人0.6-1.2m。
实验分析一些驾驶员的习惯初始倒车速度3-12km/月，即0.83-3.3m/s，现按照平均1.5m/s计算，倒车雷达发现目标只有1.67s，对行人只有0.4-0.8s，如此以来，再等报警器报警后汽车减速就很紧张，就会感到预警时间不足。
（2）反映速度迟钝
多数倒车报警装置的显示速度因为考虑到抗干扰等因素，显示更新的速度是0.2-0.4s，即在0.2-0.4s显示一次距离，由以上的推断，从倒车报警发现目标到发出警报假如需要3s秒，这时车已经行使了0.45s，这明显感到反应迟钝。
（3）探测盲区问题
一般倒车雷达的超声波传感器为2-3个，单个传感器的水平探测角度约60-70°，这样会造成2-3个盲区。
如图1-1，而增加传感器的个数不但增加成本，而且提高报警器的故障率。
另外，由于等同与水平探测角度的垂直探测角度显得过大，通常对粗糙地面发生误报，假如改为探测角度为30°的传感器就不会误报，但是不能有效的探测约30cm高的路堤，易倒车时碰到后保险杠的问题。
图1-1传感器盲区图解
1.2倒车报警器的发展
伴随我国汽车产业的高速发展，特别近几我国开始进入私家车时代，汽车电子产业成了新的增长级，汽车电子产品的高利润和市场广阔很受商家们的关注，音响和防盗器就是例子，近两年来，众多生产防盗器的厂家都在研究倒车防撞报警器，可以这样说，几乎生产防盗器的厂家都在生产倒车防撞报警器。
市场上经销的倒车防撞报警器品牌达到几十种，在全国零售市场上销售的主要有固地、铁将军、伊莱、豪迪、奇贞、铭品、全安、佐敦、永泰和……，基本上国产品牌占了90%，而进口产品偏少。
在我国汽车用品行业环境的繁荣背景下，倒车防撞报警器也慢慢形成一个较大的行业，而且已形成激烈竞争的态势。
经过几年的发展,倒车报警系统已经过了数代的技术改良,不管从结构外观还是从性能价格上,这几代产品都各有特点,目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车报警器这几种。
第1代倒车报警器。
“倒车请注意”!
想必不少人还记得这种声音,这个只能算最早的有关于倒车的一个产品,不能称为报警器,现在只有小部分商用车还在使用。
只要驾驶员挂上倒档,它就会响起,提醒周围的人注意。
从某种意义上说对驾驶员并没有直接的帮助,算是淘汰产品了。
最初的倒车雷达是蜂鸣器,它标志着倒车报警系统的真正开始。
倒车时,如果距车1.5～1.8m处有障碍物,蜂鸣器就会开始工作,蜂鸣声越急,表示车距障碍物越近。
该装置既没有语音提示,也没有距离显示,虽然驾驶员知道车后有障碍物,但不能确定障碍物距离车究竟有多远。
第2代倒车报警器。
第2代采用数码波段显示,可以显示车后障碍物到车体的距离。
如果车后有障碍物,在1.8m开始显示;如果是人,在0.9m左右的距离会显示。
这一代产品有2种显示方式,数码显示产品直接显示距离数字,而波段显示产品是3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0.8m以上；黄色代表警告距离。
表示离障碍物的距离仅有0.6～0.8m；红色代表危险距,表示离障碍物不到0.6m的距离,必须停止倒车。
第2代产品把数码和波段组合在一起比较实用，但装在车内不美观。
第3代倒车报警器。
第3代是液晶荧屏显示,这一代产品相对于以前有一个质的飞跃,特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。
不用挂倒档,一发动汽车,显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。
它的外表美观,可以直接粘贴在仪表盘上,安装也很方便,给人舒适的感觉，显示的距离也更准确些。
不过液晶显示器外观精巧,可是灵敏度较高,抗干扰能力不强,所以容易误报。
第4代倒车报警器。
第4代产品是魔幻镜倒车报警装置,它结合了前几代的优点,采用了最新仿生超声报警技术,配以高速微机控制,可随时准确地测知2m以内的障碍物,并以不同等级的声音和直观的显示转告给驾驶员。
魔幻镜倒车报警系统把免提电话，倒车雷达，后视镜，车内空气污染显示，温度显示这些多项功能整合在一起，另外还有语音方面的功能，它外形基本和倒车镜一样，所以基本不需车内空间,可直接安装在车内后视镜的位置，按照个人需求和车内装饰选配,只是价格稍高。
第5代倒车报警器。
第5代产品是整合影音系统,它是专为高档轿车生产的,在上一代产品的基础上新增了很多功能,它整合了高档轿车的影音系统,可以在显示器上观看真实影像。
当然其价格就非常高了。
1.3研究意义
超声波测距法是一种最常见的测距方法，适用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：
折射，反射，干涉，衍射，散射。
超声波测距就是利用其它的反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶员，起到安全的作用。
2、系统方案设计
2.1本设计的目的
本设计越来越被驾驶员们所喜爱，可直白的避免或者排除那些视野不良的大型汽车，像集装箱车，冷藏用车，食品用车，载客车，和公共汽车……一连串倒车事件，此外比较适合夜间倒车，和进入停车位，甚至还能防止盗贼偷车，此设计成本低廉，性能优良，市场前景非常广阔，对提高我国汽车工业实际水平，有较大的时间意义。
2.2 测量计划的比照
激光测量主要有扫描和脉冲两种工作方式，激光测量系统具有反应快，有效测量距离大、误差小、分辨率高等优点,近几年在汽车防撞领域越来越受到重视。
由于激光镜头易受风沙、雨雪、灰尘的玷污而影响其工作性能,所以激光法不适合在恶劣气候条件下工作。
微波雷达由于它工作波长短,频率高，可有效地缩小波束角度，减少天线尺寸,特别适合在恶劣气候条件下工作。
但是微波雷达测距时，还是会受到雷达之间以及与其他通信系统之间的电磁干扰,抗干扰能力较弱。
超声波法与其他两种方式相比具有明显优点,超声波测速测距的基本原理是利用它反射的特性。
超声波发生器发射40kHz超声波遇到障碍物后发出反射波,超声波接收器接收到反射波信号后,会并将其转换成电信号,测量发射波与回波之间的时间间隔ΔT,并根据公式R=（ΔT·v）/2计算距离（v为超声波传播速度）。
超声波的特点是对雨、雾、雪的穿透能力强,可以在恶劣气候条件下工作,系统制作简便、成本低。
2.3整体设计方案
本系统是以SPCE061A为核心，三个超声波测距模组逐一排布，组成线阵的传感器阵列。
此外，接有转接板，发光二极管显示模块。
系统组成如下图所示：
图4.1系统硬件结构图
SPCE061A单片机作为主控芯片，通过I/O端口来控制CD4052，以选择不同的传感器通道。
本方案采用IOB0和IOB1控制CD4052的A1、A0，而IOB2作为检测超声波模组返回的信号，IOB3是控制超声波模组发射超声波信号的使能控制端口。
这样通过CD4052的通道切换，就能利用较少的端口来完成多个模组的切换使用。
此外，超声波测距模组使用的是脉冲测量法，也就是测量发射超声波的时刻与接收到反射回波信号的时刻之间的时差，运用超声波在空气中传播速度已知的条件，计算出被测目标与传感器之间距离。
为了保证测量的可靠，检测回波信号时，运用SPCE061A的外部中断对回波的上升沿进行检测，且利用定时器B进行计时。
在显示控制方面，系统分别利用IOA10、IOA8、IOA9三个端口控制三个发光二极管。
2.4工作原理和工作方式
人可以听到的声音频率为:
20Hz~20kHz,即为可听声波,超出此频率范围的声音,20Hz以下的声音称为低频声波,一般大于20kHz声音是超声波。
对于超声波，只有很少生物（蝙蝠、海豚）才能感觉到的机械波,其频率在20kHz以上,绕射小，波长短,可定向传播。
超声波都是沿直线传播的,频率越低,绕射能力就越强,于是反射能力也就越弱。
所以,根据这一特点能做成超声波的传感装置。
超声波的测距基本是运用超声波的发射装置往一个方向发出超声波,从发射起开始计算时间,超声波一般在气体里传播,途中碰到阻碍物就会马上返回来,超声波的接收装置接收到反射波就会马上停止计算时间。
超声波一般在气体里传播的速度是v（随温度的变化而变化），由计时器所得到时间t,就能得到发射位置到妨碍物总距离（s）,即:
s=v*t/2。
运用超声波去测量,就能由测量的反射波和发射波时间的间隔,来完成测距目的。
三种测量距离的方法:
（1）相同位置检测法——同一位置检测方法精度高,可是检测的范围毕竟有限，
（2）超声波振幅值的检测方法——超声波振幅值的检测法容易被反射波所干扰，
（3）渡越时间的检测方法——渡越时间的检测方法不光工作方式比较直观、简单，在软件方面设计以及硬件方面设计都很容易实现。
其原理:
检测装置从发射传感器到发出超声波,经过气体到达接收的传感器时间,这个时间也就是渡越的时间。
此设计超声波的测距也就是运用渡越时间的检测方法。
在运动的车辆里运用超声波的传感器,是运用超声波在气体里定固体反射的特性（包括纵波）传播，接收本身发出超声波的反射这一信号,基于超声波发射和返回波所接收时间差、传播速度,来算出传播总距离,来得到障碍物到车辆的距离。
3、核心器件简介
本系统用SPCE061A单片机为主控制器，传感器模块采用凌阳大学计划的“超声波测距模组”。
此外，为了使这三个传感器模块可以组合在一起，且可靠的工作，还需要一个转接板，可以运用4052模拟开关器件制作，需要外接三个发光二极管。
下面分别介绍这些模块特性。
3.1SPCE061芯片的特征
3.1.1SPCE061简介
SPCE061A是凌阳科技研发生产性价比非常高的一款十六位单片机，具有易学效率较高、易使用的一套指令系统和集成开发环境。
在这个环境里，支持标准C语言，可以实现凌阳汇编语言与C语言的互相调用，并且，提供了语音识别和语音录放的库函数，只要了解库函数使用，就会非常容易完成语音录放，这些都为软件开发提供了很方便条件：
SPCE061A片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使对该芯片的仿真、编程都变得很方便，而ICE接口不占用芯片的硬件资源，根据凌阳科技提供的集成开发环境（unSPIDE），用户可以利用它对芯片进行真实仿真，而程序的下载（烧写）是通过该接口实现的。
下图为SPCE061A单片机的内部结构框图
图3.1SPCE061内部结构图
3.1.2芯片特性
..16位μ‘nSP微型的处理器；
..工作的电压：
IO口工作的电压VDDH是VDD~5.5V（I/O），内核工作的电压VDD是3.0~3.6V（CPU）
..CPU时钟：
0.31MHz—49.153MHz；
..内置2K字Sram；
..内置32K闪存ROM；
..晶体的振荡器；
..可编制的音频；
..系统在备用时（时钟是停止的状态），耗电低于2μa@3.6V；
..2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
..32位通用的可编程的输入或输出端口；
..2个10位DAC（数-模的转换）和输出的通道；
..14项中断源都来自于定时器A/B，时基，2个外时钟源的输入键的唤醒；
..它们拥有触键唤醒所有功能；
..使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
..锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
..32768Hz实时时钟；
..7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；
..声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；
..具备串行设备接口；
..低电压复位（LVR）功和低电压监测（LVD）功能；
..内置在线仿真（ICE，In-CircuitEmulator）接口。
3.2SPCE061A精简开发板
SPCE061A精简开发板，是由凌阳16位单片机SPCE061A作为核心的精简开发－仿真－实验板，大小和一张扑克牌差不多，是“凌阳科技大学的计划”帮助电子琴爱好者和大学生进行电子方面的实习，毕业设计，课程设计，电子竞赛，电子制作设计的，也可用于单片机项目的初期开发使用。
61板除了拥有单片机的最小系统的电路外，还包含音频电路，电源电路复位电路。
运用电池的供电，很利于学生的随身携带，让学生在使用软件同时，熟悉单片机硬件方面的设计和制作，来提高学生动手方面的能力，也为这方面的开发者和学习者制造了很好学习条件以及开发产品机会。
61板上有调试器接口（Probe接口）以及下载线（EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的简易下载线，在线调试器，配合unSPIDE，可在板上快速的完成在线仿真的调试，程序下载。
61板上主要作用模块大体如下：
..SPCE061A单片机的系统外围的电路模块；
..按键的模块
..音频电路（包含MIC输入、DAC音频功放输出）模块；
电源输出的模块；
..I/O端口接口模块；
..调试、下载接口模块；
下图为61板的实物图
__________________________________________________________
图3.261板实物图
3.3超声波测距模组
超声波测距模组是为方便学生进行单片机接口方面的学习专门设计的模块，超声波测距模组可以方便地和61板连接，可应用在小距离测距、机器人检测、障碍物检测等方面，可用于验证方车辆倒车雷达以及家居安防系统等应用方案验证。
下图3.3为超声波测距模组的结
构框图：
（J7）以及供电方式选择跳线（J9）如图3.4所示：
模组外接
电源接口
图3.6J2跳线和J8接口的位置示意图
3.4转接板
CD4052的真值表
INPUTS
CHANNEL
ON
A1
A0
L
L
L
L
H
L
L
H
H
X
L
H
L
H
X
Y0A-ZA:
Y0B-ZB
Y1A-ZA:
Y1B-ZB
Y2A-ZA:
Y2B-ZB
Y3A-ZA:
Y3B-ZB
none
图4.2电源模块
因为本系统需要的端口高电平为5V，所以图5.2当中的J5跳线需要跳到1和2上。
4.1.3放音模块
语音提示。
放音应用的是SPCE061A内部的DAC，电路如图5.3所示。
图中的SPY0030是凌阳公司的产品。
与LM386相比SPY0030还是比较有优势的，如LM386工作电压需在4V以上，而SPY0030仅需2.4V（两颗电池）即可工作；LM386输出功率100mW以下，SPY0030约700mW。
其他特性请参考SPY0030的数据手册。
图4.3放音模块电路图
4.2超声波测距模组电路原理
4.2.1超声波谐振频率发生电路，调理电路
NE555和电容电阻组成的电路产生40KHz的方波，从而使超声波传感器产生谐振，而后面的CD4049对40KHz频率信号进行调理。
PLUS_EN1是超声波信号发射的使可以控制端口，当该端口接低电平时，模组就不可以发射超声波信号，即40KHz的方波。
图4.4超声波谐振频率发生电路、调理电路
4.2.2超声波回波接受处理电路
超声波接收处理部分电路前级应用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大，后级采用LM311比较器对接收信号来进行调整。
比较电压为LM311的3管脚处，可用J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式，在放大器与比较器之间用PNP三极管（8550）作为通路选择。
本方案需要将此通路选择跳线短接上，就是把J2短接，固定使三极管导通即可。
图4.5超声波回波接受处理电路
4.2.3超声波测距模组电源接口
J7是超声波测距模组的外部电源接口，最高电压不超过12V，J9为电源选择跳线，VCC_5是由61板通过10PIN排线引入模组的电源。
VCC即为模组的放大器，调理电路供电电源。
当用户使用61板为其供电时，必须把VCC与VCC_5V短接（本方案的用法），在使用外部电源时
又要把VCC与VCC_IN短接。
图4.6外部单独电源输入接口及选择跳线
4.2.4超声波测距模式选择跳线
模组提供了测距模式选择跳线J1，可以选择中距测量模式，短距测量模式，或距离可调模式。
跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIG时为中距测量模式；选择SET时为距离可调模式。
本方案采用可调方式，即选择SET的模式，并将调节模组上的电位器，将比较电压调至3.5~3.2V（保证模组测距能在0.35~1.5M的范围都能正常工作即可）。
图4.7测距模式选择跳线
4.2.5超声波测距模组接口
本方案采用的三个超声波测距模组都是使用J8接口，每个模组接出两个控制检测端口，就会通过CD4052模拟开关进行选通，因此在实际使用当中，是分时地对每一个模组进行操作。
超声波测距模组的J8接口如所图4.8示；图中的VCC_5在本方案当中由61板供电，即5V。
图4.8超声波测距模组接口
4.3转接板电路
前面已简单介绍了转接板的作用，这里介绍一下它的原理图，如图4.9所示。
图中J1直接与61板的J6相接，也就是和61板的IOB口低八位接口相接，可知道图中的VDD为61板供电、即5V，而A0和A1分别接SPCE061A的IOB0和IOB1，用控制CD4052的两个地址位，来控制通道的选通。
IOB2接PLUS_B，作为回波信号的检测输入，可是经
升级会员 