基于测距原理的汽车倒车报警系统设计Word文档格式.docx
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缺点：
成本比较高，信号处理难度高，不适合处理短距离测距。
方案2：
摄像系统测距。
能比较直观观察到车辆后面的实际情况。
视频信号处理复杂，涉及到数字图像处理等，成本较高。
方案3：
超声波测距。
原理简单，成本低，制作方便，适合在一般短距离的测距，其最佳距离为4~5米。
有一定局限性（这时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；
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）。
通过对应用场合、成本和技术原因的研究，认为采用方案3最为实际有效。
1.3.2方案的实现
本系统采用以STC12C5A60AD为核心，利用超声波测距原理，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测试仪。
超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。
工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到障碍物反射返回的时间，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离。
作为一种非接触式的检测方式，和红外、激光、无线电测距相比，由于超声波具有穿透性较强、空气传播衰减小、反射能力强的特点，所以超声波测距具有在近距离范围内不受光线和雨雪雾的影响、结构简单、制作方便、成本低等优点。
高速的单片机微秒级的机器周期，可实现较精确的时间测量。
超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。
限制的最大可测距离存有四个因素：
超声波的幅度、反射面的质地、反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
预计本系统可以较准确的完成对汽车尾部5m以内障碍物和突然闯入危险区域内的行人的自动探测功能，并在车尾距离障碍物1m时发出报警声音，提示司机采取措施，极大的提高汽车倒车时的安全性。
1.4设计的功能概述
驾驶员能随时看到车后的障碍物距离汽车车尾的距离，当障碍物靠近车后部1.0m的时候开始有报警信号，有LED显示功能。
本设计可以应用于汽车倒车位置监控。
要求测量范围在0.4m-5.00m，测量精度为1cm，测量时于被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
预计本系统可以较准确的完成对汽车尾部5m以内障碍物的自动探测功能，并在距离为1m时声音提示司机采取措施，极大的提高汽车倒车时的安全性。
设计的难点是：
1、超声波信号的接收、发射的设计
2、显示电路的设计
3、流程图及程序的设计
第二章超声波测距的原理
2.1超声波的介绍
2.1.1什么是超声波？
声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。
所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。
譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒介向四面八方传播，这便是声波。
超声波是指频率高于20KHz的机械波。
为了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，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
2.1.2超声波的特性及特点
超声波具有如下特性：
1、超声波可在气体、液体、固体、固溶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。
超声波具有如下特点：
1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。
2、超声波能在各种不同介质中传播，且可传播足够远的距离。
3、超声与传声媒介的相互作用适中，易于携带有关传声媒介状态的信息（诊断或对传声介质产生效应）。
超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；
超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒介的相互作用，去影响、改变以致破坏后者的状态、性质及结构（用作治疗）。
超声波以直线方式传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。
另外，超声波在空气中的传播速度较慢，为340m/s，这就使得超声波使用变得非常简单。
2.1.3超声波的应用
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。
在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人视觉系统设计的精确与否。
超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用作测距传感器，实现定位以及环境建模。
超声波测距作为辅助视觉系统与其他视觉系统（如CCD图像传感器）配合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。
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——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，它利用车载前视雷达感应探测前方景物，由车载控制器处理这一感知信息而形成虚拟景象，由此来判断当前路况是否需要启动自动刹车装置。
无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
2.2超声波测距器的原理
2.2.1超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括电压型、磁致伸缩型和电动型等；
机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；
而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2.2.2压电式超声波发生器的原理
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。
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，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波传感器结构如图2-1所示：
图2-1超声波传感器结构
2.2.3超声波测距的原理
声波在其传播介质中被定义为纵波。
当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。
假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。
这就是本系统的测量原理。
超声波测距的原理一般采用时差法。
超声波发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。
一般情况下，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=Ct/2
其中：
S为测量点与被测物体之间的距离
C为声波在介质（此处为空气）中的传播速度
T为超声波发射到返回的时间间隔。
理论计算原理图如图2-2所示：
图2-2理论计算原理图
由于超声波也是一种声波，其声速C与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米/秒。
下表列出了几种温度下的声速：
表2-1声速与温度的关系表
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速C是基本不变的，计算时取C=340m/s。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较为简单，并且在测量精度方面也能达到要求。
超声波发生器可以分为两类：
本设计属于近距离测量，故采用压电式超声波换能器来实现。
限制该系统最大可测距离主要存在4个因素：
超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。
第三章系统的硬件设计
硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。
本设计采用STC12C5A60AD单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成，超声波测距器的系统框图如图3-1所示：
图3-1超声波测距器系统的框图
3.1芯片STC12C5A60AD介绍
3.1.1STC12C5A60AD概述
STC12C5A60AD采用宏晶公司最新第六代加密技术，超强抗干扰，超强抗静电，整机可轻松过2万伏静电测试。
速度快，1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI。
输入/输出口多，最多有40个I/O，复位脚如当I/O口使用，可省去外部复位电路
图3-2STC12C5A60AD引脚图
3.1.2STC12C5A60AD特性
●高速：
1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍
●宽电压：
5.5～3.3V，2.2～3.6V（STC12LE5A60S2系列）
●增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<
12MHz时，无需此功能）
●增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP
●低功耗设计：
空闲模式，（可由任意一个中断唤醒）
掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒
●工作频率：
0～35MHz，相当于普通8051：
0～420MHz
●时钟：
外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置
●8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
●1280字节片内RAM数据存储器
●芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上
●ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器
●8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用
●2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）
●4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器
●可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟
●硬件看门狗（WDT）
●高速SPI串行通信端口
●全双工异步串行口（UART）,兼容普通8051的串口
●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令
●通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA
3.1.3STC12C5A60AD特点：
1.增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU
2.工作电压：
3.4V-5.5V
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz
4.用户应用程序空间512K字节
5.片上集成256字节RAM
6.15个通用I/O口，复位后为：
准双向口/弱上拉
可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏
7.EEPROM功能
8.共2个16位定时器/计数器
9.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列）
10.ADC,8路8位精度
11.通用异步串行口（UART）
12.SPI同步通信口，主模式/从模式
13.看门狗
14.内部集成R/C振荡器，精度要求不高时可省外部晶体
3.2传感器的选取
3.2.1传感器的定义及作用
以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；
而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
广义来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。
”传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件，而传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器、传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测信号输入的第一道关口。
3.2.2传感器的作用
1、信息的收集；
2、信息数据的交换；
3、控制信息的采集。
3.2.3传感器的特性
1、灵敏度高、可靠性强、稳定性好；
2、防尘耐湿、耐高低温、耐冲击、耐振动等严酷环境条件；
3、收发兼用，使用方便。
3.2.4传感器的选用
超声波传感器千差万别，即使对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。
本设计综合考虑了测量条件、传感器的性能和传感器的使用条件三个方面，选用URM37V3.2超声波传感器。
3.2.5URM37V3.2超声波传感器
一、性能描述：
1．工作电源：
+5V
2．工作电流：
<
20mA
3．工作温度范围：
-10℃～＋70℃
4．超声波距离测量：
最大测量距离―500cm
最小测量距离―4cm
分辨率－1cm
误差－1%
5．由于使用了更好的超声波处理方法，使测量距离更远更稳定。
6．模块使用RS232串口通讯可靠性更高，同时可以通过电脑串口采集数据，编写通讯程序常的便捷。
7．模块可以通过脉宽输出的方式将测量数据输出，这样使模块使用更简单。
8．模块可以预先设定一个比较值，在测量距离小于这个值后管脚输出一个低电平，这样模块能够方便的作为一个超声波接近开关使用。
9．模块内带温度补偿电路提高测量的精度。
10.模块内带253字节内部EEPROM，可以用于系统记录一些调电不丢失的系统参数。
11.模块内带一个温度测量部件，可以通过通讯口读出分辨率0.1摄氏度的环境温度数据。
12.模块尺寸22mm×
51mm
13.模块重量：
约30g
二、引脚定义：
1：
＋VCC电源+5V输入
2：
GND电源地
3：
nRST模块复位，低电平复位
4：
PWM测量到的距离数据以PWM脉宽方式输出0－25000US，每50US代表1厘米
5：
MOTO舵机控制信号输出
6：
COMP/TRIG
COMP：
比较模式开关量输出，测量距离小于设置比较距离时输出低电平
TRIG：
PWM模式触发脉冲输入
7：
NC空脚
8：
RXD异步通讯模块接收数据管脚，RS232电平或者TTL电平
9：
TXD异步通讯模块发送数据管脚，RS232电平或者TTL电平
三、功能描述：
模块最基本的一个接口是RXD脚和TXD脚组成的RS232电平或者TTL电平串口，通过串口可以对模块进行全面的控制。
RS232电平可以直接和电脑的串口进行连接，这样可以方便的通过串口调试软件轻易的对模块进行操作。
如果需要用单片机TTL电平的异步口控制模块，只需要设置一下串口选择跳线，模块就可以在RS232输出与TTL输出之间切换了（如下图跳线短路帽设置位置）。
RS232模式
TTL模式
四、模块的连接
URM37V3.2超声波测距模块与单片机串口的连接。
3.3系统的电路设计
本系统采用STC12C5A60AD单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器和计数器来完成。
STC12C5A60A通过外部引脚输出一个脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。
在发射的同时，输出一个高电平启动，进行充电。
发射结束时高电平翻转为低电平，并开始对分压器放电并输出到比较器的负端。
超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。
发射时输出的高电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。
超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再从LED上显示。
我们还可以设置若干个键，来控制电路的工作状态。
限制的最大可测距离存在四个因素：
超声波的幅度、反射面的质地、反射面和入射声波之间的夹角以及接受换能器的灵敏度。
图3-3理想状态下超声波测距原理
3.4电源电路的设计
在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的主要任务是将电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要，直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。
整流电路是具有单方向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单方向脉动的直流电压；
滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部分，保留直流成分，尽可能供给负载平滑的直流电压；
稳压电路是一种自动调节电路，在交流电源电压波动或负载变化时，通过此电路使直流输出电压稳定。
电源电路如图3-4所示:
图3-4电源电路图
3.5测距显示电路的设计
用单片机驱动LED数码管分为静态显示和动态显示。
静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。
静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。
静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔划段字型代码。
这样单片机只要把显示的字型代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字型。
要显示新的数据时，单片机再发送新的数据。
另一种方法是动态扫描显示。
由于单片机本身具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。
而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑限制。
动态扫描的优点是：
1、能显著降低LED的功耗
2、能大大减少LED的外部引线，给印制板的设计和安装带来方便
3、能采用BCD码多路输出方式，不仅使译码、驱动电路大为简化，还可以与PC相连。
采用动态扫描软件译码的方式大大简化硬件电路结构，降低系统成本。
它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。
在轮流点亮扫描过程中，每个显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。
本设计的显示电路图如图3-5所示：
图3-5测距显示电路
3.6超声波发射电路的设计
发射电路主要由反向器74Ls04（74HC04）和超声波发射换能器T（发射端）构成，单片机端口输出的40kHz方渡信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。
用这种推挽形式将方渡信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R10、R1l，一方面可以提高反向器74LS04（74HC04）输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
超声波在空气中传播时受到
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