基于单片机的超声波倒车雷达的设计学士学位论文.docx
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基于单片机的超声波倒车雷达的设计学士学位论文
2013届学士学位论文
超声波倒车雷达的设计
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
超声波倒车雷达的设计
摘要论文介绍了一种超声波倒车雷达即一套能够实时告知驾驶员车后障碍物情况的辅助倒车装置。
论文叙述了选题的背景、意义以及超声波倒车雷达的发展概况；提出了单片机控制的超声波倒车测距系统的设计方案。
论文介绍了多种测距方式、显示方式并分析了各种方式的优缺点。
从系统的性能需求、实用要求出发，对系统组成、检测原理和方法作出选择并对软硬件进行了设计。
文章概述了超声波测距的基本原理以及影响因素；并详细叙述了系统的硬件设计过程，给出了软件流程图及软件各个功能部分的设计。
使读者对该倒车雷达有较深入的认识，具有一定的意义。
关键词倒车雷达；超声波；测距；AT89S52
TheDesignofTheUltrasonicVehicleReveringRadar
SchoolofPhysicsandElectronicInformation,HuaiBeiNormalUniversity,AnhuiHuaibei,235000
AbstractThispaperintroducesakindofUltrasonicVehicleReveringRadar.Itisasetofassistantinstallationappliedonautoback-upthatcaninformsdriveroftheobstaclesafterhiscar.
ThispaperreateofthebackgroundandmeaningofthesubjectandthedevelopmentofTheUltrasonicVehicleReveringRadar.ThisarticlepointoutthedesignschemethatisaultrasonicdistancemeasurementsystemcontrolledbyMCU.Thispapernotonlyintroducesmanykindsofdistance-measurementmodeanddisplaymodebutalsoanalyzestheadvantagesandshortagesofeachmethod。
inviewofsystematicconditions,efficiencyandarealisticsetofrequirementsofit,itpresentsthedesignnotonlyaboutthesystematiccomponents,inspectingmethodsandways,butaboutthesoftwareandhardware.thethesissummarizesthefundamentalsandaffectingfactorsabouttheultrasonicmeasuringdistancesystem,specifyingthedesigningprocessofhardwareandpresentingsoftwareflowchartandthedesigningofvariouspartsofdifferentkindsoffunction.thethesiscontributesalothelpingtothereadergainadeeperunderstandingofthiskindofbacking-busradar.
KeywordsReversingRadar;Ultrasonic;Distancemeasurement;AT89S52
目次
4硬件电路设计
附录A程序22
1绪论
1.1选题意义
随着社会的发展，汽车已经走进了千家万户。
作为一种日渐普遍的交通工具，怎样使它用起来更方便、安全已经成为人们考虑的主要问题。
倒车时为了确保安全，驾驶员不得不为看清车后的情况而前瞻后顾。
而这样做又不仅非常吃力麻烦，也不能完全消除倒车给人生安全带来的隐患。
鉴于目前汽车的倒车不便，出于对人生安全的考虑，人们希望能使自己的汽车有“后视”的功能，于是各种辅助倒车的装置便应运而生。
一时间，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达也成为近些年来的研究热点。
目前用于辅助司机倒车的装置主要有：
语音告警装置、后视系统以及倒车雷达等[1]。
各种辅助倒车装置可以说是千差万别，各有千秋，而其中又以后视系统最为先进，它可以帮助司机直观的看到车后的障碍物，消除视觉盲区。
然而其昂贵的视频捕捉装置和视频播放装置阻碍了它的推广。
目前大范围使用的是超声波倒车雷达。
它是一种汽车到车安全辅助装置，它以超声波的方式探测车后的障碍物情况并以声音或者更为直观的显示告知驾驶员汽车周围的障碍物情况，帮助驾驶员扫除视野死角，提高驾驶的安全性。
超声波倒车雷达以其廉价而实用从而得到了广泛的使用。
1.2倒车雷达的发展
就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。
国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。
因为它实用性强，技术成熟，所以发展很快，从第一代经过短短几年时间便发展到第六代。
技术上从纯电路模式到使用高速处理器，从单纯鸣蜂器报警到显示器显示，语音报警。
性能上，向灵敏度更高、稳定性更强、可视化，直观化发展。
设备向小型化、人性化、智能化等方向发展。
（1）第一代倒车雷达
“倒车请注意”!
想必不少人还记得这种声音，它只能算作最早辅助倒车的一个产品,不能称为倒车雷达,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。
这种提醒式的倒车雷达，只能使车后的人注意到而远离车，对于车后没有生命的障碍物却毫无作用，所以它仍不能使驾驶员知晓车后的情况，基本上以被淘汰。
（2）第二代倒车雷达
第二代倒车雷达采用蜂鸣器发出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，如果车后一定距离内处有障碍物，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。
（3）第三代倒车雷达
第三代产品采用数码波段显示,可以及时显示车后的障碍物离车体的距离。
第2代产品把数码和波段组合在一起，使得其实用性增强，但安装在车内对车的美观造成影响。
（4）第四代倒车雷达
第四代产品是液晶屏显示，这一代产品较以前有一个质的飞跃，特别是液晶屏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。
其外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便，给人以舒适的感觉，显示的距离也更准确些。
不过液晶显示器外观虽精巧，但却存在着灵敏度较高，抗干扰能力不强，误报也较多的缺点。
（5）第五代倒车雷达
第四代产品是魔幻镜倒车雷达，沿袭了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速微机控制，可全天候准确地测知2M以内的障碍物，并以不同等级的声音和直观的显示提醒驾驶员。
魔幻镜倒车雷达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，不过价格稍高。
（6）第六代倒车雷达
第六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DVD影像。
当然其价格也相当的不菲。
倒车雷达的发展实际上已经融入了整车的设计，随着技术的成熟，价格的降低，倒车雷达将会逐渐普及成为标准配置。
虽然，如今已有多代的倒车雷达问世，但由于价格的限制，目前广泛用于中低档车使用的倒车辅助装置集中在第二代以后到第四代以前。
设计者在这几代倒车雷达的基础上，把他们两种或三种相结合，使得设计出的产品廉价而同样具有完善的倒车辅助功能。
2方案选择与确定
2.1告警提示方式和测距方式选择
2.1.1告警提示方式选择
倒车雷达的作用就是作为倒车辅助装置提示驾驶员车后的障碍物情况，所以，好的告警提示方式至关重要。
目前主要有蜂鸣器提示、数码波段显示、液晶荧屏显示，魔幻镜显示，音响提示等单个或多种方式相结合的提示方式，下面对这几种提示方式依次进行分析和比较。
（1）蜂鸣器提示
车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流变化不同给蜂鸣器不同信号，轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。
此方式没有语音提示，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，对司机帮助不大。
（2）数码波段显示
数码和波段组合在一起，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由3种颜色来区别：
绿色代表安全距离，一般表示障碍物与车体的距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，一般表示与障碍物的距离只有0.6－0.8m；红色代表危险距离，一般表示与障碍物之间只有不到0.6m的距离。
这种方式比较实用，一目了然，但没有声响，警示效果不好。
（3）液晶屏显示
动态显示，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。
（4）魔幻镜显示，音响提示
其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置，颜色款式多样。
语音提示比较方便，避免驾驶员过度关注显示器，分散注意力。
但需要专业集成芯片，技术上较为复杂。
此方案造价较高，比较适合高档汽车，可以按照个人需求和车内装饰选配。
（5）声音＋数码距离显示＋指示灯
数码管显示距离，声音、指示灯提示，比较实用，直观，方便。
通过对预警提示方式的分析，综合其特点，采用声音、LED数码管和二极管指示灯相结合的提示方式。
（6）声音＋液晶距离显示＋指示灯
液晶显示距离，声音、指示灯提示，比较美观，实用，直观，方便。
通过对预警提示方式的分析，综合其特点，采用声音、1602液晶和二极管指示灯相结合的提示方式。
2.1.1测距方式选择
测距方式对系统测量精度及稳定性都有较大影响。
因此选择一种合适的测距方式对系统的性能至关重要。
目前汽车倒车探测器使用的距离测量方式多种多样，主要有激光测距、红外线测距、CCD摄象机和超声波测距这几种，它们各有优缺点，下面对它们各自的特点进行详细分析和比较。
（1）红外线测距
红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，波长为0.75～1000μm。
有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。
同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。
车载传感器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。
但其由于波长及大小很难准确分辩，因此红外传感器角度分辨率高，而距离分辨率低。
由于红外线人类肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。
但是,它比较容易受到光源和热源影响。
（2）毫米波方式
毫米波是微波的一个波段，频率在30－300G，相应波长为1－10mm。
毫米波电子系统具有如下特性：
小天线孔径具有较高的天线增益；高跟踪精度和制导精度；不易受电子干扰；不受被测物体表面形状、颜色等的影响；对大气紊流、气涡等具有适应性，并且毫米波雷达的天线也不会因为灰尘等污染而产生较大的误差；低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小；多目标鉴别性能好；雷达分辨率高；大气衰减“谐振点”可作保密传输。
但其价格昂贵，结构复杂。
（3）激光测距
激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。
目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。
在汽车测距系统中，非成像式激光雷达更具有实用价值。
同成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。
但由于激光雷达测距仪器工作环境是处于高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素。
目前，在汽车上，上述各种激光雷达测距仪均有应用，但成像式激光雷达还在进一步研究之中。
（4）CCD摄像机
CCD（ChargeCoupledDevice）摄像机即电荷耦合器摄像机，它是一种用来模拟人眼的光电探测器。
它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。
利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。
只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。
双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。
但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。
随着计算机软硬件性能的提高，最终将得到广泛应用。
（5）超声波测距
超声波是频率大于20kHz的声波，具有方向性强、能量衰减缓慢、在介质中转播距离远等特点，用于测距计算方法简单，常用于非接触式距离测量，其传感器种类较多,由于超声波指向性强，在传输过程中能量损耗缓慢，反射能力强，经常被用于距离的测量。
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。
由于超声波测距的探测距离较短，主要用于倒车雷达等近距离测距。
超声波测距仪原理简单，有试验表明：
使用40kHz的超声波，发射脉冲群含有8个～16个脉冲，具有较好的传播性能[2]；谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰设计；超声波测距系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。
但其在高速行驶的汽车上的应用有一定局限性，这是因为超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样；另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏度下降。
故超声波测距常用于在短距离测距，最佳距离为4-5m，一般应用在汽车倒车防撞系统上。
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[3]。
通过对以上几种测距方式的分析比较，可以看出超声波测距方式在短距和低速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。
因此本设计采用超声波测距方式。
2.2系统总体方案确定
根据以上的分析比较，本论文欲设计一种基于单片机、利用超声波测距的倒车雷达。
本次设计方案采用超声波测距方式，DS1820芯片测温，AT89S52单片机做处理器，1974年，自美国仙童（Fairchild）公司研制出世界上第一台单片微型计算机[4]后，单片机有了成熟的发展，因此选用它作为主控芯片处理数据并计算声速及距离，用1602液晶显示距离，用蜂鸣器、示意指示灯报警。
倒车时倒档启动探测器系统，单片机AT89S52作为主控器，控制DS1820芯片并处理所测得的温度数据。
由软件产生脉冲并由超声波换能器CSB40T组成的发射电路发射超声波，同时启动内部定时器T1开始计时。
当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，经滤波电容，放大器，电压比较器传给单片机的INT0口。
如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断，关闭定时器。
再把定时器中的数据经过换算结合由所测温度值换算出的声速值就可以得出车体与障碍物之间的距离。
根据计算的车体与障碍物之间的距离值及其与设定距离值的比较结果给显示电路及提醒电路不同提醒信号，产生不同的声
光效果，引起驾驶人员注意，以便采取相应行动。
系统总框图如图1所示。
图1系统总框图
2.3系统方案存在的问题
根据以上方案设计的超声波倒车雷达具有诸多好处，但仍有其缺点，在设计时需要注意。
超声波倒车雷达运用超声波测距原理结合单片机或IC的智能技术作为一种具有结构简单、智能判断不受可见光限制等特点的汽车倒车安全辅助装置应用到了轿车当中，但现有的倒车雷达还仍然存在如下一些问题[5]：
（1）最大有效探测距离偏小的问题，等到报警后再减速就很紧张，感到
预警时间不充足；
⑵显示滞后性，多数倒车雷达的显示速度因考虑到抗干扰等因素，显示更新的速度约为0.2－04s，算上从倒车雷达发现目标到发出警报将需要1-2s这时车已经行使了一段距离，这显然存在反应迟钝；
⑷主流产品仅仅是独立的控制单元，无法与汽车数字化信息平台接轨。
目前我国的整车制造厂和汽车电子电器厂几乎没有涉及到汽车电器网络化设计的领域，选择一个合理的总线实现汽车电器的网络化非常必要[6]。
超声波倒车雷达的以上缺点基本不会对一般的倒车需求带来影响，而且其成本较低，有推广的可能性。
3超声波倒车雷达的工作原理
3.1超声波的基本性质
声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。
根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20kHz的声波称为超声波。
波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质[7]：
（1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。
在传播中，超声波的速度与声波相同；
（2）超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；
（3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。
要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍（如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的），超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；
（4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。
声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。
超声频率高，故可以给出大的功率。
3.2超声波传感器
超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。
这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。
目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般为40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太高在传播过程中衰减较大。
按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的换能器最为常用[8]。
在原理上利用压电陶瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。
本设计所用的是超声波换能器CSB40T。
3.3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[9]。
相位检测法虽然精度高,但检测范围有限,不适合用于测量障碍物与汽车之间的距离；声波幅值检测法则易受反射波的影响。
而往返时间检测发能没有上述缺点，所以本文硬件设计采用超声波往返时间检测法,其测量原理图如图2所示。
图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,
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