汽车倒车雷达系统设计Word文档格式.docx
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2.1.4测量盲区6
2.2超声波传感器6
2.2.1超声波传感器原理及结构6
2.2.2超声波传感器的应用7
3硬件设计8
3.1超声波发射电路8
3.1.1超声波接收电路9
3.1.2超声波报警电路10
3.2超声波显示及控制部分电路10
3.2.1对AT89C51的描述及其功能特性10
3.2.2AT89C51单片机的原理及工作特点11
3.2.3单片机实现测距原理12
3.2.4稳压电源电路12
3.2.5显示电路原理13
3.2.6温度测量电路14
4软件设计16
4.1软件设计的要求17
4.2超声波测距的算法设计17
4.3主程序18
4.4超声波发送及接收中断程序19
4.5显示子程序和报警子程序20
4.6报警刷新程序21
总结23
致谢24
参考文献25
附录1：
系统总电路26
附录2：
部分程序27
1绪论
随着现代社会的飞速发展，汽车这一交通工具正在为越来越多的人所使用，但是随之而来的问题也显而易见，那就是随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。
对于公路交通事故的分析表明，八成以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的，超过六成的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。
奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明：
若驾驶员能够提早一秒意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。
因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。
显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。
1.1倒车雷达的产生背景
倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，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，解除了驾驶员泊车和起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，提高了安全性。
超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。
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。
技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。
由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。
1.2设计的意义及要求
随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，很不方便。
虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的都存在一个后视盲区。
倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，解除了驾驶员倒车时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了使用死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
倒车雷达的广泛使用是迫在眉睫的，是当今汽车必不可少的设备。
1.3倒车雷达的发展史
通常，倒车雷达由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。
倒车雷达一般采用超声波测距原理，在控制器的控制下，由传感器发射超声波信号，当遇到障碍物时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理、判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出其他警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。
在几年的时间里，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达经过了大致六代的发展。
第一代：
倒车时通过喇叭提醒。
“倒车请注意”！
想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。
只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。
从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。
价格便宜，基本属于淘汰产品。
第二代：
采用蜂鸣器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1.8米-1.5米处有障碍物，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。
第三代：
数码波段显示具体距离或者距离范围。
这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。
如果是物体，在1.8米开始显示；
如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。
这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：
绿色代表安全距离，；
黄色代表警告距离，；
红色代表危险距离，必须停止倒车。
第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观。
第四代：
液晶荧屏动态显示。
这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕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，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。
第五代：
魔幻镜倒车雷达。
结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。
魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设
计了语音功能。
因为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。
第六代：
整合影音系统。
它在第五代产品的基础上新增了很多功能，属于第六代产品，是专门为高档轿车生产的。
从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；
从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。
目前市场上倒车雷达品牌多达二十几种，价格从上百元到一两千元不等，选购倒车雷达可以从如下方面考虑：
功能、性能、外观、质量、安装、价格等。
1.4论文的结构组成
该论文主要包括倒车雷达系统设计产生的背景、总体方案、硬件设计和软件设计四个大部分。
第一部分对倒车雷达的产生背景，设计的意义和其发展史做了简单叙述。
第二部分主要介绍了超声波测距的原理和超声波传感器。
第三部分也是该设计的核心部分，对硬件系统中的每一部分都做了较为详细的介绍。
第四部分则为软件设计环节，主要说明了产品内部的一些应用程序。
2倒车雷达的总体设计方案
图2-1倒车雷达总图
如上图2-1所示为超声波为超声波倒车雷达的总体设计方案，当超声波接收电路接收到距离信号时，又经过运算放大器转化为直流电压信号与设定的基准电压进行比较，当信号电压大于基准电压时，比较器输出正脉冲，传给单片机，将距离数字显示在LED数码显示管上，电压信号再转化为声音信号通过超声波发射电路以声音的形式发射，提醒驾驶员。
2.1超声波测距
2.1.1超声波测距原理
通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。
这与雷达测距原理相似。
超声波发射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立即停止计时。
（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）。
图2-2即为超声波测距的具体流程图。
图2-2超声波测距流程图
2.1.2测量与控制方法
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。
由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择就以自动选择功能来实现.
2.1.3理论计算
图2-3测距的原理
如图2-3所示为反射时间，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式：
其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间
可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。
这样可以求出距离：
555时基电路振荡产生40Hz的超声波信号。
其振荡频率计算公式如下：
2.1.4测量盲区
在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。
此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。
不同的检测仪阻塞程度不一样。
根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物,这时需要注意的。
由于发射声脉冲自身有一定的宽带，加上放大器有阻塞问题,在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离,称为盲区，具体分析如下：
当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。
因此，在一段较长的时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定的幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平VM；
另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平，当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。
在超声波检测中，接收信号幅值需达到规定的阀值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阀值才能使接收信号放大器有输入信号。
2.2超声波传感器
2.2.1超声波传感器原理及结构
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。
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
超声波传感器包括三个部分：
超声换能器、处理单元和输出级。
首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接受状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。
如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。
把超声波传感器安装在合适的位置，对准被测物变化方向发射超声波，就可测量物体表面与传感器的距离。
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
2.2.2超声波传感器的应用
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。
3硬件设计
超声波倒车雷达系统设计有超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、温度补偿电路、声报警电路、单片机硬件接口电路及显示报警电路组成，该系统的核心部分为性能较好的AT89C51单片机。
3.1超声波发射电路
本设计是利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。
这种方法的优点是无需驱动电路，但缺点是灵活性低。
40KHz的超声波是利用LC震荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下：
电路图如图3-1所示。
发射电路主要由SN74LS00的两个与非门A、B与电阻、电容组成的多谐振荡器，调节RC选频网络的电位器RP1可调节谐振频率。
单片机的P2.4端口控制多谐振荡器的起振，当P2.4输出高电平时，电路振荡，发射由震荡电路产生的40kHz超声波，同时单片机的定时器/计数器开始计时；
当P2.4输出低电平时，电路停止发射超声波信号。
图3-1超声波发射电路
3.1.1超声波接收电路
图3-2所示为超声波的接收电路。
电路由LM324的三个运算放大器A、B、C组成信号放大电路。
电感L1和电容C9组成选频电路，滤除40kHz以外的干扰信号。
二极管VD2和电容C12组成信号半波整流滤波电路，将接收到40kHz反射波交流信号转化为近似的直流电压信号。
运算放大器D为电压比较器，40kHz反射波交流信号转化的近似直流电压信号与设定的基准电压比较，当信号电压大于基准电压时，比较器输出正脉冲，三
极管VT1导通，单片机并行口P1.0接收负脉冲信号，同时定时器、计数器产生定时中断，记录发射信号与接收信号的时间间隔，并转换为距离。
图3-2超声波检测接收电路图
3.1.2超声波报警电路
图3-3所示为超声波报警电路，封装为SN74LS00的两个与非门C、D组成的多谐振荡器，输出谐振频率约为800Hz的信号，经集成功率放大器LM386放大后，驱动扬声器发出嘟声作为报警。
P2.5控制多谐振荡器振荡，高电平时起振，低电平时停振。
单片机根据距离远近控制P2.5输出方波的频率，即控制嘟声的间隙时间，发出不同的报警音。
距离越近，报警音越急。
图3-3超声波声光报警电路
3.2超声波显示及控制部分电路
3.2.1对AT89C51的描述及其功能特性
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复
擦写的程序存储器（PENROM）。
和128字节的存取数据存储器（RAM），这种
器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。
片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。
AT89C51提供以下的功能标准：
4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。
另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。
闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。
3.2.2AT89C51单片机的原理及工作特点
5l系列单片机中典型芯片（AT89C51）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器T0和T1，4个8b的I/O端I：
IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
该系列单片机引脚与封装如图3-4所示。
图3-4AT89C51单片机结构及引脚图
5l系列单片机提供以下功能：
4kB存储器；
256BRAM；
32条I/O线；
2个16b定时／计数器；
5个2级中断源；
1个全双向的串行口以及时钟电路。
空闲方式：
CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式：
保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。
充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
3.2.3单片机实现测距原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S＝Ct/2，式中的C为超声波波速。
限制该系统的最大可测距离存在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。
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。
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。
由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。
3.2.4稳压电源电路
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50Hz的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。
其电路图如图3-5所示。
其中，变压器将交流电源（220V/50Hz）变换位符合整流电路所需要的交流电压；
整流电路是具有但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。
20V交流电通过电源变压器变换成交流低压电源，再经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容的整理和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压。
此直流电压经过LM7805的稳压和电容滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直接输出电压。
如3-7所示的电路为输出电压为+5V、输出的电流1.5A的稳压电源。
它由电源变压器，桥式整流电路D1~D4，滤波电容C7、C8，防止自激电容C15、C16和一只固定式三端稳压器（7805）组成。
图3-5电源电路
3.2.5显示电路原理
超声波测距仪显示模块电路如图3-6所示。
通过单片机的25、26、27、28四个管脚的信号控制四个三极管的B极，利用三极管的开关特性，实现数码管的点亮，从而实现动态显示。
采用LED动态显示，数据经过PIC芯片的计算后传到LED上，显示精度是厘米。
单片机AT89C51采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减少测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检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3位共阳LED数码管用于显示车尾障碍物的距离，由单片机P0.0—P0.7接LED的a~dp八个笔段，通过软件以动态扫描方式显示。
段码用74LS244驱动。
图3-6单片机及显示系统电路图
3.2.6温度测量电路
由于超声波的传播速度V受到空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最为突出，温度每升高1℃，速度增加约0.6m/s。
因此在测量精度要求很高的场合，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正，以提高测量精度，减小误差。
目前，大多数温度测控系统在检测温度时，都采用温度传感器将温度转化为电量，经信号放大电路放大到适当的范围，再由A/D转换器转换成数字量来完成。
这种电路结构复杂，调试繁杂，精度易受元器件参数的影响。
为此，利用一线性数字温度计即集成温度传感器DS18B20和单片机，构成一个高精度的数字温度检测系统。
DS18B20数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直接读出被测温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现9～12位的A/D转换。
因而，使用DS18B20可使系统结构更简单，同时可靠性更高。
温度测量范围从-55～+125℃，在-10～+85℃检测误差不超过0.5℃，而在整个温度测量范围内具有±
2℃的测量精度。
本设计温度测量选用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器，独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电电源范围为3.0V
至5.5V无需备用电源。
它通过输出9位（二进制）数字来直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS18B20的数据总线直接输入CPU,无需A/D转换，而且读写指令，温度转换指令都是通过数据总线传入DS18B20。
DS18B20数字温度传感器除了具有相当的测量范围和精度外，还具有温度测量精度和不受外界干扰等的优点。
其电路连接如图3-7温度测量电路所示。
图3-7温度测量电路
4软件设计
超声波倒车雷达系统的软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、INT0超声波接收中断程序、显示子程序、报警程序及报警刷新程序六个主要模块组成。
软件设计的总体结构框图
如图4-1
图4-1系统模块框图
（1）系统初始化模块：
即系统刚上电的时候对系统的各个引脚的电平分配和对各寄存器的初值赋值。
（2）数码管显示模块：
通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在数码管上。
（3）发射接收控制模块：
发射控制模块是软件控制超声波发射电路发射超声脉冲启动定时器工作，同时启动接收电路工作，当接收电路有信号输入时，对输入信号进行处理。
（4）运算结果处理模块：
运算结果处理模块将多次所测得时间进行处理，进行软件取
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