汽车倒车防撞系统设计Word文件下载.docx

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众所周知，关于超声波的研究起始于1876年，这是人类首次有效产生的高频声波，这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，多年来已在一些领域的要应用，而用于汽车防装却是近年的事情。

这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段，也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波，借助空气媒质传播由被呆捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法。

由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定位发射，方向性好，轻度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。

超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。

1.1课题研究背景

随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。

在享受汽车给我们带来的便利同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。

一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越来越少；

。

另一方面，新司机及非专职司机越来越多，因倒车引起的纠纷越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。

据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30％，路面相关事故的50％，迎面撞车事故的60％。

改善倒车遇到的窘境被越来越多的人所关注，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可将车快速准确地停放到指定的位置，因此发明了汽车倒车防撞预警系统。

本课题相对而言研究的比较浅，就是利用超声波声波特性实现非接触式距离测量，进行距离预警。

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。

近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。

随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。

超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。

正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。

1.2课题研究意义

由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。

因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。

可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。

因此，超声波在空气中测距或在特殊环境下都有较广泛的应用。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。

因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。

同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车防撞系统的研制方面也得到了广泛的应用。

1.3国内外汽车倒车雷达预警系统的现状[1]

超声波倒车防装系统是倒车雷达的一种，倒车雷达在车挂倒挡时开始工作，由探头、主机和显示器三部分构成，探头可以根据需要安装不同的数量，目前比较常见的是4探头（安装于后保险杠上）和6探头（2前4后）的；

除一般的放置位置外，显示器也可以替代原来的后视镜并兼顾这两种功能，它可以显示多种信息。

例如障碍物相对于车的距离、角度和车内外温度等（视雷达档次而定）。

倒车雷达的提示方法也可以分为数码显示、声音提示和语音提示等，有些雷达还特别为喜欢安静的驾驶员设置了静音开关。

倒车雷达的接收方式呵以分为有线式和无线式两种，无线接收方式显然更省事，不必因“走线”而拆装车内的原有装饰，也不受车型、车长等因素的影响。

（1）国外汽车倒车雷达预警系统发展状况

国外汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，不属于雷达（无线电波）的产品，最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。

但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪或泥尘覆盖，系统就会失效。

最近在欧美出现的一种电磁感应倒车雷达。

在一线路套上一环型的感应圈（此线圈贴在后保险杠的内侧，车外表完全看不出有此装置），以感应车后物体的有无。

此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装困难（必须卸下保险杠贴在内侧），而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。

换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停下再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。

德国大众公司已经将超声波测距技术应用在倒车雷达上，并且具有前视和后视功能，采用自举升压的方式驱动8路超声波传感器，目前国内引进车型对这一技术尚不能国产化，仍需要引进德国原厂成品安装。

因此，实用性也相当有限。

日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。

据海外媒体报道，戴姆勒一克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车（尤指卡车）使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由一控制器加上处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判断所发生状况是否需要利用刹车。

未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，其过高的成本限制了它应用的普遍性。

在底特律国际车展上，通用公司的Precept概念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。

该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。

摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有消火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓

（2）国内汽车倒车雷达预警系统的现状

随着我国汽车产业的高速发展，近两三年我国开始进入私家车时代，交通事故发生的频率也在增加，为提高汽车运行的安全性，倒车雷达预警系统不仅深受驾驶员的青睐，也逐渐成为汽车电子产业中新的增长点。

尤其是近两年来，倒车雷达成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达，处在我国汽车电子行业环境的繁荣背景下倒车雷达已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派激烈竞争的态势。

倒车雷达系统经历了三个阶段，六代的技术改良，从早期的倒车防撞仪，只能测试车后有限范围的障碍物，并发出警报，发展到根据距离远近程度分段报警，前两个阶段的倒车雷达一般采用专用集成电路，功能较简单。

随着人们对汽车驾驶辅助系统求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。

要求倒车雷达连续测距并显示障碍物距离，并采用不同间歇呜叫频率的声音报警提示距离，让驾驶员全神贯注地注视场景。

汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的倒车雷达具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上。

如最为先进的倒车雷达系统为“智能可视倒车雷达系统”，它在车尾部撞上针孔摄像头，倒车时可以在DVD显示屏上显示车后的广角真实图像。

在近日上市的由东风汽车有限公司乘用车公司推出的全新一代“蓝鸟智尊”，最引人注目的是它配备了倒车影像显示和NAVI卫星导航系统，这两项配置在同级别的轿车上可谓绝无仅有，有效提升了蓝鸟的档次，直接将高级别汽车的智能化从“概念”引入了“应用”。

在驾驶者挂入倒挡时，中控台上的液晶显示屏会自动切换画面，将车尾摄像头拍下的环境状况展示在驾驶者眼前，最大程度地方便泊车，这项功能在夜间尤其具有价值。

而它的NAVI卫星导航系统，使同产成为继丰田之后又一个将GPS导航定位系统引入国内的厂家。

目前市场上的倒车雷达品牌可谓是种类繁多，有铁将军、北华三松、固地、

博视、奇真、台湾俊邦、豪迪等几十种品牌，价格也是几百、上千元不等，有

些厂家还根据车型的不同，设计专用的倒车雷达。

2超声波测距的原理

2.1关于超声波

2.1.1超声波的介绍

我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

人类耳朵能听到的声波频率为20～20000HZ。

当声波的振动频率大于20000HZ或小于20HZ时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000HZ的声波称为“超声波”。

2.1.2超声波的特点

超声波通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其特点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的方向性。

超声波具有以下的特点：

（1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

（2）超声波可传递很强的能量。

（3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

（4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象

2.1.2超声波的应用

超声波广泛地应用在多种技术中。

超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。

（1）工程学方面的应用：

水下定位与通讯、地下资源勘查等。

（2）生物学方面的应用：

剪切大分子、生物工程及处理种子等。

（3）诊断学方面的应用：

A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。

（4）治疗学方面的应用：

理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。

2.2超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面[2]。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

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，使用前必须预先了解它的性能。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

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。

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。

超声波传感器的主要性能指标包括：

工作频率

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

工作温度

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

灵敏度

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；

反之，灵敏度低。

超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部，超声波传感器分与电源部分组成。

发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；

而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。

而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。

控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

超声波传感器电源（或称信号源）可用DC12V±

10%或24V±

10%。

2.3超声波测距原理

在超声波探测电路中,发射端输出一系列脉冲方波,其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔,被测物距越远,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。

相位检测法虽然精度高,但检测范围有限不可运用到汽车倒车中,其障碍物与汽车的距离；

声波幅值检测法易受反射波的影响。

本硬件设计采用超声波往返时间检测法[3],其测量原理图如下图2-2所示。

图2-2超声波测距原理图

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。

超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法,其中常用脉冲回波法测距。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法,其原理是超声传感器发射超声波,超声波在空气中传播至障碍物,经反射后由超声传感器接收反射脉冲,测量出超声脉冲从发射到接收的时间,再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即：

L=c·

t/2（2-1）

式（2-1）中,L为超声传感器与被测障碍物之间的距离,c为超声波在介质（空气）中的传输速率,t为超声波从发射到接收的时间。

超声波在空气中的传播速度为:

其中T为绝对温度数值,

在测量精度不是很高的情况下,一般可以认为c为常数340m/s。

由于温度影响超声波在空气中的传播速度；

超声波反射回波又很难精确捕捉,致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。

3系统的组成

3.1硬件部分

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、温度补偿电路，报警电路，超声波发射电路和超声波检测接收电路五部分。

单片机采用AT89C51或其兼容系列。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，位码用PNP9012三极管驱动[4]，系统框架图如图3-1所示。

3-1系统框架图

3.1.1单片机的选择

作为整个系统的核心，单片机选用Atmel公司的AT89C51单片机，AT89C51是一个低电压、高性能CMOS8位微处理器，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM）和128B的随机存取数据存储器（RAM），与标准MCS-51指令系统和管脚兼容，片内置通用8位CPU和Flash存储单元，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

主要特性有：

与MCS-51兼容，4K字节可编程FLASH存储器。

寿命：

1000写/擦循环，数据保留时间：

10年，全静态工作：

0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×

8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路[5]。

AT89C51引脚图[6]如图3-2所示。

AT89C51单片机有如下特点：

（1）面向控制的八位CPU

（2）一个片内振荡器和时钟产生电路，震荡频率为0-24MHz

（3）片内4KBFlashROM程序寄存器

（4）128B的片内数据存储器

（5）可寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路

（6）三级程序存储器锁定

（7）32可编程I/O线

（8）两个16位定时器/计数器

（9）5个中断源，2个中断优先级

（10）一个全双工的异步串行口

（11）21个特殊功能寄存器

（12）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电保护方式

图3-2AT89C51引脚图

3.1.2温度传感器的选择

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

在本课题中温度传感器可以从热电阻温度传感器或者数字型传感器DS18B20中选择。

热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点[8]：

（1）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

（2）测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为-55℃~+125℃；

在-10~+85°

C范围内，精度为±

0.5°

C。

（3）在使用中不需要任何外围元件。

（4）持多点组网功能