基于单片机的汽车倒车防撞报警器.docx

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基于单片机的汽车倒车防撞报警器

摘要

针对我国交通安全的需要，以及国内外汽车电子技术的应用现状和发展趋势，综合汽车工程学、汽车电子技术、通讯技术和控制技术等多学科理论，从必要性、可行性、实用性和经济性等角度出发，提出开发研制汽车防撞报警系统。

目的在于当行车处于危险状态时，发出报警，提醒驾驶员或自动采用相应措施，从而减少或避免高速公路碰撞事故的发生。

超声波的测距由于在使用的时候不受光照度、电磁场与色彩等因素影响，再加上超声波传感器的结构简单，成本低廉，并且以声速传播，便于检测与计算，在机器人的避障、汽车倒车、测量等许多方面都已有了非常广泛的应用。

本文是基于STC89C51单片机为核心的车载防撞报警器的设计，分析了汽车倒车防撞系统的基本的设计原理。

主要是利用了超声波的特点与优势，还将超声波的测距系统与STC89C51单片机结合于一体。

该系统采用软、硬件结合的方式，硬件部分主要是由单片机硬件接口电路与超声波发射电路、超声波接收电路与数码管显示电路、电源电路与报警电路组成的，软件部分主要是由主程序和超声波发射接收中断程序、距离计算子程序和显示报警子程序等部分组成的具有模块化与多用化的特点。

驾驶者只需要坐在汽车驾驶室就可以做到心里有数，极大地提高泊车和倒车的时候安全性与效率。

关键词：

单片机；汽车倒车；防撞报警；超声波；

Abstract

Fortheneedoftrafficsafetyinourcountry,aswellasapplicationsituationanddevelopmenttrendofautomotiveelectronictechnologyathomeandabroad,integratedautomotiveengineering,electronictechnology,communicationtechnologyandcontroltechnologyandothermulti-disciplinarytheory,fromtheaspectsofnecessity,feasibility,practicabilityandeconomy,putsforwardtheautomotiveanti-collisionalarmsystemisdeveloped.Aimedatwhendrivinginadangerousstate,sendoutalarm,remindthedriverorautomaticadoptcorrespondingmeasures,soastoreduceoravoidcollisionaccidentsonthehighway.Ultrasonicrangingbecauseatthetimeofuseisnotaffectedbyfactorssuchaslight,electromagneticfieldandcolour,plusultrasonicsensorhassimplestructure,lowcost,andwiththespeedofsoundpropagation,facilitatetestingandcalculation,therobot'sobstacleavoidance,vehiclereversing,measurementsarehasveryextensiveapplicationinmanyways.ThisarticleisbasedonSTC89C51microcontrollerasthecoreofthedesignoftheautomotiveanti-collisionalarm,autoreverseanti-collisionsystemareanalyzedthebasicdesignprinciple.Mainlyusingtheultrasoniccharacteristicsandadvantages,willalsobeultrasonicdistancemeasuringsystemcombinedwithSTC89C51microcontroller.Thesystemadoptsthecombinationofsoftwareandhardware,thehardwarepartmainlybysinglechipmicrocomputerhardwareinterfacecircuitandtheultrasonictransmittingcircuit,ultrasonicreceiving

circuitanddigitaltubedisplaycircuit,powercircuitandalarmcircuit,softwarepartmainlybythemainprogramandreceivinginterruptprogram,ultrasoniclaunchdistancecalculationsubroutineanddisplayalarmsubroutinepartshasthecharacteristicsofmodularandmulti-purpose.Driverjustsittinginthecarcabincanknow,greatlyimprovetheparkingandreversingsafetyandefficiency.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;Reverse;Anti-collisionalarm;ultrasonic

绪论

1.1选题目的意义

现代社会的汽车工业飞速发展，拥有私家轿车的人越来越多，带来的交通问题也日益严重。

其中安全倒车是驾车技术水平不高或没有安全意识的开车人士最为担心的交通问题之一，如果稍不留神不仅会给自己或别人带来财产损失，还会造成激烈的争吵与纠纷，甚至也威胁到了驾驶员的生命安全。

面对这样的情况与问题，倒车防撞报警器就被人们设计出来，依据声源或以直观的显示提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了驾驶员倒车和启动轿车时前后左右探视所引起的问题，并帮助驾驶员扫除了视觉死角和视野模糊的不足，提高了倒车安全性。

1.2国内外研究现状

在过去年间，人们对汽车电子技术应用到汽车上的研究只是在被动安全性方面。

如：

安装防撞保险杠，安装安全气囊系统等等。

安装防撞保险杠或许可以减轻碰撞对汽车的损害，但是却难抵消被撞物的伤害，这样给人们财产安全带来威胁。

安装汽车安全气囊还不一定有效全面地保护乘务员的安全。

因此，对于汽车的主动安全性方面的社会需求越来越多，如果能在每场汽车事故的预防上能取得效果，那么在汽车安全领域又得到新发展、新突破。

经过多年的发展，倒车雷达系统历经了六代技术改进，无论从结构外观设计上还是性价比上，这六代产品都具有各自的特点。

第一代：

倒车时通过人工智能声呐提醒。

现在这样的倒车雷达只有小部分卡车与泥头车使用。

司机只要挂倒车档，人工智能声呐就会响起，告知周围的人注意。

某种意义上说，这样对司机毫无直接的帮助，这不是真正的倒车雷达系统，单纯地告知路人小心。

该类产品价格低廉，但基本是淘汰的产品。

第二代：

使用蜂鸣器产生多种声音来告知驾驶员。

在倒车时，蜂鸣器会发出“嘀、嘀、嘀”的响声，这便是倒车雷达真正的开始。

如果倒车时车后一定距离内存在障碍物，蜂鸣器马上工作，蜂鸣声音越急，代表车辆离障碍物越近。

因为蜂鸣器没有语音提示与距离显示，即使司机知道存在障碍物，也不能确定障碍物到底离车体有多远，所以对驾驶员帮助作用不大。

第三代：

数码波段显示倒车系统。

这代产品相对于前系带比较，有显示车后障碍物离车辆距离的能力。

显示车后障碍物与车辆两者距离方式有两种：

一是数字显示方式；这种方式通过使用LED显示车辆与障碍物两者距离；二是用颜色来区别：

绿色表示安全距离，黄色表示警告距离，红色表示危险距离。

第三代的倒车雷达系统就比较先进了，但缺点为精确度较低、安装设计单一。

第四代：

液晶荧的屏动态显示。

这代倒车雷达系统有质的飞跃，可以看清车体与障碍物两者实际距离与其图像。

这类倒车雷达不需挂倒车档，一发动汽车，显示器会显现汽车图案与车体附近障碍物的距离，颜色清晰，外表美观，能直接地粘贴在仪表盘上，安装也很便利。

但这一代倒车雷达灵敏度较低，抗干扰能力较弱，产生误报也频繁。

第五代：

魔幻镜倒车雷达系统。

综合前四代产品优点，使用最新的仿生超声雷达技术，加之以高速电脑控制，能全天候准确地探测2米以内附近的障碍物，以不同等级声音告知和直观显示给驾驶员。

这一代的倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车辆内污染程度显示等多项功能结合一起，并提供语音功能。

因为这代倒车雷达系统功能较多，所需价钱也昂贵。

第六代：

整合影音倒车雷达系统。

这类倒车雷达系统专门为高档车生产的。

首先从它的外观来说，比第五代倒车雷达更精致与典雅；从功能上来看，它不但具备第五代产品的功能，还结合了高档轿车所需具备的影音系统，能在显示器上观看DVD影像，可相应的成本很高。

目前，国内市场上的倒车雷达产品主要由国外公司占据着。

国内一些公司虽然也推出了相应的倒车雷达产品，但在质量上、市场份额上都无法与国外厂商相比拟。

一些核心元器件，国内相同产品达不到国外水平或者无法生产。

在倒车雷达系统等辅助倒车领域，美、德、日等许多发达国家技术位列签名。

因为他们已对汽车信息化技术研究领域上起步较早于其他国家，还对半导体、微电子领域也有很大的技术优势。

所以这些国家智能化车载电子设备发展水平已经有相当高的程度，许多尖端技术的车载电子设备都已相当普及。

伴随汽车工业的飞速发展，倒车领域中，国外都已有停车入位导航系统。

梅赛德斯车厂都已采用雷达探测技术设备帮助驾驶员又快又安全泊车。

导航雷达探测器设备可以探测经过路线停车空位，同时向驾驶员发出信号告知。

这个时候，驾驶员能通过探测器设备显示的位置寻找到停车空位。

在这个停车过程中，驾驶者挂上倒档后，导航系统自始至终感知汽车的位置与角度。

如果驾驶员不倒车了，导航系统还可以自动算出另一最好泊车路线与角度。

在日本这个国家，丰田汽车公司研制出的导航系统都已能实现准确地全自动泊车。

每当导航系统锁定一个合适泊车位置之后，如果驾驶员挂上倒档，仪表盘上就会开始显示由安装在汽车背部的摄像头传送过来的车后图像。

与此同时，驾驶员只需面对导航系统选择的提供车辆的泊车位置确认。

然后，就松开方向盘与脚刹，保持合适的速度。

从这里开始，停车过程由配备了的超声波雷达系统与摄像头的停车导航雷达系统全权负责了。

如果驾驶员想要停止这个程序，驾驶员只要踩下刹车就行了。

并且这款技术涉笔在社会中都已开始在高档轿车上配备使用。

1.3

本文主要任务

本文主要论述了超声波的测距工作原理与方法。

从小的应用方面来说，本课题的研究直接解决了司机倒车时的困扰，更能有效地降低倒车过程中发生的大小事故。

但从更广泛的应用来讲，超声波测距系统的研究在许多工业、交通运输业、军事等等方面有着更为广泛显著的应用；并且详细介绍了超声波传感器的工作特性和系统发射和接收等多种电路同时还有单片机的硬件设计与软件设计及其实现，突出以单片机为核心所设计的防撞报警器对于在汽车安全领域的突破与拓展有一定的作用。

系统总体方案设计

1.4系统方案的比较

1.4.1方案一

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。

非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。

它的工作原理是：

从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内的光电二极管，利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。

利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。

成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。

扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。

非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。

由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。

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。

这些决定了其光源只能采用半导体激光器。

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。

1.4.2方案二 

雷达的名称来自"无线电探测和测距"（Radio Detection And anging），顾名思义，它向目标发射一定的无线电波，通过其反射回来的电波信号检测目标，并利用收发信号的时延测量目标的距离。

雷达诞生于上世纪三十年代的第二次世界大战期间，当时由于军事上的迫切要求，雷达获得了广泛的应用和发展。

之后，随着科技的发展，雷达技术日臻完善，现代雷达不仅能完成对目标的探测和测距，还能完成测角、测速、跟踪和成像等功能。

虽然雷达技术主要用于军事方面，但其在民用领域也发挥着越来越大的作用。

雷达在民用服务的主要应用包括有气象雷达，探地雷达和应用于机场、港口、和公路的交通管制雷达从上世纪七十年代起，人们开始将雷达技术用于汽车自动防撞器中，称之为"汽车防撞预警雷达"（Automotive Collision Avoidance and Warning Radar）,简称"汽车防撞雷达（Automotive Anti-collision Radar）。

由于雷达能在雨、雪、雾等恶劣天气环境下工作,作用距离较远，比上述几种技术具有优越性。

1.4.3方案三 

CCD（Charge Coupled Device）摄像机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。

为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。

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。

1.4.4方案四

红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。

根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。

因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。

它主要应用于夜间行车或在军事上使用。

1.4.5方案五

汽车防撞系统的基本超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射电到障碍物的实际距离，可见这与雷达测距原理相似。

超声波遥控是近距离遥控中的一种实际方法，人耳能够听到的声音频率大约为20Hz-20kHz，低于20Hz和高于20kHz的声音，人耳一般都听不到，人把高于20kHz的声波称为超声波。

它是一种机械振动波，可以在气体 、液体和固体中传播，在空气中的传播速度为340m/s，与光波、电磁波相比是非常缓慢的。

超声波具有方向性，即传播的能量比较集中，这一点与可听见的声波不同。

另外，超声波在传播途中若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。

超声波发生器不断发射出40kHz超声波，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。

超声波接收器则在接受到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲，再利用双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。

方脉冲的宽度即为两个短脉冲之间的时间间隔。

测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。

根据测量出输出脉冲的宽度。

即测得发射超声波的时间间隔，从而就可求出汽车与障碍物之间的距离S：

S=1/2（Ct）                                                 （2-1）

式中C——超声波音速 

由于超声波也是声波，故C即为音速。

音速为C=√γP/ρ0

式中 γ——气体的绝缘体积系数（空气为1.4）      

P——气体的气压（海平面为1.013*108Pa）      

ρ0——气体的密度（空气为1.29kg/m3）    

对于1ml空气，质量为m，体积为V，密度ρ。

则 

       C=√γP/ρ0=√γPV/m                     （2-2）

对于理想气体，有 

 PV=RT                                                        （2-3）

式中 R——摩尔气体常数      

T——绝对温度 

因此C=√γPV/m

由于γ、R、m均为已知常数，故声速C仅与温度T有关，若温度不变，则声音在空气中的速率与气压无关。

在0℃的空气中，C0=331.45m/s。

对于任意温度下，有Ci/C0=√ Ti/ √273 ,即Ci=331.45√Ti√/273 

在某一地区使用，因温度变化不大，可以认为声速是基本恒定不变的。

 确定了声速，只要测得超声波信号往返的时间，即可求得距离。

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距仪的机理。

超声波距离传感器是利用“回声”现象制成汽车所用的倒车声纳系统，倒车时想车辆后方发射超声波，测定超声波遇到障碍物后返回的时间，再把这一时间臵换成距离再加以显示。

超声波比人耳能听到的声波频率要高，具有方向性，并且只能检测车辆后方的障碍物。

它的功能是判定和显示车辆后方有无障碍物，障碍物到汽车的距离以及障碍物的位臵。

当车后无障碍物时，随着距离的增加，超声波逐渐衰减，也就是说根据向车后发射的超声波是否返回，可以判断检测范围内有无障碍物。

向车后发射的超声波遇到障碍物返回时，测定所需的时间，根据时间与距离成正比的关系，就可以判断车到障碍物的距离。

综上所述：

采用方案五，即超声波测距方法电路比较简单，软件设计也比较简单，所以本文采用方案五进行设计。

1.5超声波测距方法

目前，市场上利用超声波测距原理制成的测距系统种类繁多，但是超声波的测距方案总下来有下面几种：

（1）相位的检测法

相位的检测法可分2种：

方法一是用发射不同频率超声波来显现的。

先开始发射波长为

的超声波。

检测出回波相位为

。

假设所用的波周期数

则能求的目标物体的距离为：

（4-1）

同样道理可以算出第二束波形测距的计算公式为：

（4-2）

其中：

为第二束波的相位角，

是波长，

是周期数。

又由于

和

都为正数,与此同时再一次进行时间补偿算法，可准确求目标距离值。

但是因为超声波探头是有固定频率，假设改变频率，系统衰减会大，需要两套信号的检测电路，实施难度加大，不适宜采用。

方法二是使用单一超声波的探头来进行相位的检测法检测，这种方法是待测距离在一个周期内使用，若过选用40kHz超声波为传播介质，一个周期对应检测距离为

，因此，这种方法的准确度很高。

相位检测法检测精度高，但是检测距离有限，达不到本课题设计的要求，所以此方法不予采用。

（2）幅值的检测法

幅值德检测法是开始发射固定频率的超声波，接着使用反射或对射法的检测接收得到的超声波脉冲的强度，从超声波回波衰减理论，认真对回波脉冲强度的进行分析，从而求得目标距离。

假设s为被测物体到测距仪之间的间隔，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1表现，则有关系式（4-3） 

s=vt／2 （4-3）

在精度请求较高的情形下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式（4-4）对超声波传播速度加以修改，以减小误差。

v=331．4+0．607T （4-4）

式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。

由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含量不同，衰减系数也不一样，声波幅值检测法的检测精度和稳定性受到很大的限制，所以此种方法不适合本课题的应用。

（3）渡越时间法

渡越时间意思是开始从传感器发射出超声波开始计时，经气体的介质传播，达到传感器接收到回波时计时的停止。

因为在一定的环境下，温度不会变化，或变化较缓慢，可近似认为常数，这时声速是保持不变的。

所以能通过检测渡越的时间，结合现场声速，从而求得传感器和目标之间的距离。

超声波在空气中的传播速度为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=340t/2

渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。

但是由于气体介质对超声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减，超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。

另一方便面超声波的最大检测距离与传感器的发射功率和电路的放大倍数有关，发射功率越大，电路的放大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。

因此可以通过提高放大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。

此外超声波在空气中的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿，而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现。

综上，本设计的测距方法采用渡越时间法。

1.6超声波测距原理与超声波传感器

1.6.1超声波测距原理

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。

超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。

超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。

超声波遥控近距离遥控中的一种的实际方法，人们可以听到的声音的频率估算为20Hz~20kHz，低于20Hz和高于20kHz的声音，人耳一般都听不到，人把高于20kHz声波叫做超声波。

它属于一种机械振动波，能够在气体与液体、固体中传播，它在空气中的传播的速度是340m/s，与光波及电磁波相比较是极度缓慢的。

超声波拥有方向性，即传播能量相对于其他波而言很集中，这一点和可听见声波相异。

另外，超声波在传播途中若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。

超声波测距从原理上可有共振式与脉冲反射式两种。

因为应用要求十分限定，这里用脉冲反射式，即是利用超声的反