汽车倒车自动防撞装置设计开发研究报告newWord文档下载推荐.docx

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最后简单介绍该大学生创新项目的研究情况，以及有关建议。

第1章绪论

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的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。

在2008年汽车事故的发生比例中，倒车引起的事故占21%，倒车成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。

公路、街道、停车场、车库的拥挤不堪，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，针对这一情况，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。

倒车防撞装置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。

针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行，超声波测距法是常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警装置中，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。

超声波测距即是利用其反射特性，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人员，起到安全的作用。

1.1超声波检测技术发展综述

超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。

1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。

此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。

由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。

20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。

材料科学的发展，使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜（PVDF）等。

产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。

产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。

如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波（20kHz以上的机械波），借助空气媒质传播由被待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位置的方法。

由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，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。

它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。

超声波方法在某些方面具有突出的优点：

（1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体）；

（2）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；

（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。

特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法高。

1.2倒车雷达的发展

20年前出现的倒车雷达，严格而言，不属于雷达（无线电波）的产品。

以最早出现的类似装置来讲，它是利用红外线的发射与接收的原理而做出的“倒车雷达”。

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受器，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。

最近在欧美又出现了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，算是一种好产品，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，当车一旦停止再启动后，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。

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[1]。

据海外媒体报道，戴姆勒——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工处理，形成一虚拟景象。

之后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，目前定为3745欧元，其过高的成本限制了它应用的普遍性。

迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。

短距离探测，激光测距对外界自然环境敏感，微波雷达容易受电磁环境干扰，CCD摄像系统价格较高。

从目前来看，毫米波雷达测距方式和激光雷达测距方式是汽车避撞应用最广泛的测距方式，超声波测距是倒车雷达所采用的方式。

可以预见今后车用测距系统并不会是单一的某一方式，而将是一综合系统，即集某两种或两种以上装置于一体，互相取长补短，进一步提高系统的精度和可靠性。

如日本三菱汽车公司即采用了扫描式激光雷达与视频成像系统相结合的方式。

随着技术的发展，现代汽车的测距技术必将越来越完善，未来的智能汽车也一定不再是人类的一个幻想。

超声测距传感器也可以全天候工作，而且价格低廉、便于安装使用，也是一种较为理想测距传感器。

超声传感器的作用距离问题较低，成了当前开发超声测距系统的瓶颈制约，但是这一特性刚好适用于对作用距离要求不高的倒车雷达系统。

本项目研究汽车倒车防撞报警装置，旨在降低倒车防撞装置的成本，促进自主产权及国产化，因此具有重要的意义。

第2章超声波测距

2.1超声波传感器介绍

超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用[2]。

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。

目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。

电声型主要有：

1压电传感器；

2磁致伸缩传感器；

3静电传感器。

流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。

探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。

压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。

属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。

其具有下列的特性：

把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；

相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。

所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。

因此，用这种材料可以制成超声传感器。

传感器的主要组成部分是压电晶片。

当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。

当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。

前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。

超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。

这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。

在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。

也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。

如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

图2.1压电式超声波传感器结构图

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。

发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。

这样，超声传感器才有较高的灵敏度。

当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。

利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。

金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

2.2超声波测距的原理及实现

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。

由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。

超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。

常温下超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（S），即：

S=C*t/2=C*t0（2-1）

其中，t0就是所谓的渡越时间。

可以看出主要部分有：

（1）供应电能的脉冲发生器（发射电路）；

（2）使接收和发射隔离的开关部分；

（3）转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；

（4）接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；

（5）接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；

（6）记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；

频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。

故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。

目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。

由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。

距离测量系统常用的频率范围为25KHz～300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。

发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；

接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；

收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；

记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。

第3章基于单片机的测距系统

3.1超声波发射与接收电路设计

该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示与报警电路组成。

该系统的核心部分采用性能较好的AT89S51单片机。

测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHZ的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHZ的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHZ的脉冲超声波，且持续发射200μs。

右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，原理和前方测距相同。

图3.1基于AT89S51单片机的超声波测距系统发射接收电路

由AT89S51单片机编程，执行程序后P1.0口产生40KHZ的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。

接收头采用和发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至IC2。

IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。

调解R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mv，输出端8脚由高电平越变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INTO或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

发射电路电路图如图3.1所示：

图3.1发射电路电路图

此电路由一个9V的电源，R1=3.6K欧，R2=360欧，三极管T一个，激励换能器T40-16一个。

其流程图如图3.2所示：

图3.2流程图

发射电路原理：

当单片机AT89S51，通过P1.0这个I/O口，发送一系列的脉冲，经过三极管T进行放大，从而使T40-16这个激励换能器发射出超声波。

接收电路如3.3所示：

图3.3接收电路图

其原理框图如下：

图3.4原理框图

此系统为了全方位测距，故有左、右、中三个测距电路，其电路都相同。

3.2显示与报警单元方案设计

显示与报警单元是经过超声波发射接收电路及单片机AT89S51处理后把信号转化为人为可以知觉的数字显示和报警响应，以进一步避免事故发生。

显示报警电路由显示和报警两部分电路组成，主要实现在出现紧急情况下的显示报警功能，以此提醒驾驶员。

3.2.1系统显示电路设计

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。

最简单的显示器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。

综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的LED驱动输出设备。

由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管表示距离的cm数值。

在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式：

静态显示驱动和动态显示驱动。

所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。

单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。

因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。

当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。

而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。

考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示[4]。

本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。

8155的PA口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动；

PC口作为LED的位选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8段全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反相驱动器74LS06以提高驱动能力。

图3.5系统显示电路

3.2.2系统报警电路设计

系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。

R25的阻值为1K，R26的阻值为10K。

对于二级运算放大，都采用F007芯片.两级放大电路均是负反馈接法，即反相比例运算电路.而反相比例运算电路中，输入信号从反相输入端输入，同相输入端接地.根据“虚短”和“虚断”的特点，即u_=u+，i_=i+=0.可得u+=0.而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0

。

所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，即Uid=u_=u+

0.即u_=u+，而u0具有一定值。

由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。

而“虚断”是由于理想集成运放的输入电阻Rid

，故可以认为输入端不取电流，即i_=i+

0.这样，输入端相当于断路，而又不是断开，称为“虚断”。

而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况称为“虚地”。

所以

iI=

，iF=

=

，因为i_=0，iI=if，则可得u0=-

uI.故可将信号进行放大。

图3.6系统报警电路

当单片机AT89C51通过P1.0，P1.1，P1.2三个I/O口，发射出超声波的信号，即输出一个高电平给这三个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。

则信号经过三极管T1，T2，T3进行放大。

使电流达到T40-16的工作电流，从而发射出超声波。

当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给LM567的输入端，当LM567的输入端电流大于25mA时，其8号输出引脚会产生一个信号，使得单片机AT89C51产生一个中断。

这样，计数器便停止计数。

单片机把计得的时间差进行运算，根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。

如果距离小于0.5m，则单片机AT89C51便给P1.5口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。

3.3单片机复位电路

在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。

为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。

只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。

单片机复位电路通常采用以下几种方式：

a、上电自动复位

在通电瞬间，由于R·

C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

图3.7上电复位电路

b、按键电平复位

通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。

c、系统复位

在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。

这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。

考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。

3.4时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。

X1是接外部晶体管的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。

图3.8晶振电路

电路中的C1和C2一般取30PF左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.2～12MHz，而电路中采用6MHz，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。

3.5稳压电源

大部分的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。

并且，我们目前绝大部分电子电路与电子设备都是使用线性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电子电路及芯片工作的。

固定式三端稳压电源（7805）是由输出脚Vo，输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V，它属于CW78xx系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性也比较好[5]。

由于固定式三端稳压电源（7805）的输出电流有1.5A，而本次设计电路电流在1A到2A之间，考虑到电路的一般余量在2倍到3倍左右。

故本次设计电源电路需要采用扩流电路，如图3-9。

图3-8

采用外接PNP型大功率管的方法，这是一种最基本的扩展电流电路，扩展的输出电流取决于外接功率管的电流负载量，电路中的R1是VT的偏置电阻，为VT1提压导通时的基极偏压，VT与集成稳压器内电路中的NPN型调整管组成复合管，设Ir为流过电阻R1中的电流，Ic为流过外接调整管的集电极电流，Td为7805的静态工作电流，这时7805的输出电流为Ioxx，可表示为

式中

为VT的电流放大系数，稳压扩展后的输出电流Io可表示为

因为7805的的最大输出电流为1.5A，当Io取1.5A时，则稳压器的扩展后的输出电流为3A，加一只二极管VD与R1