汽车智能倒车系统.docx

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汽车智能倒车系统

摘要

随着越来越多的高科技产品逐渐融入了日常生活中，倒车雷达系统发生了巨大的变化。

仿生学、声学等前沿学科的技术的日趋成熟与实用化，赋予了倒车雷达系统新的研究方向与意义。

倒车雷达全称叫倒车防撞雷达，又称泊车辅助系统，或倒车电脑警示系统，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。

本文描述了一个由三个超声波测距模块构成的，提供语音报警功能和视频显示画面图像的智能倒车雷达系统。

该系统采用凌阳16位单片机SPCE061A为核心，分别控制三个超声波模块，每一个超声波测距模块都被设定面向不同方向，以探测不同方向的障碍物。

系统采用单片机控制时间计数和超声波的发射和接收，利用超声波回波的间隔时间，得出实测距离，并采用了LCD显示、LED报警显示以及USB的连接摄像头实现实时视频显示画面功能。

该系统具有结构简单、工作安全可靠、精度高、使用便捷等特点。

关键词：

SPCE061A单片机；超声波测距；语音提示；LCD显示

Abstract

Aswellasthehigh-technologyhigh-techproductsgraduallyintegratedintothedailylife,theParkingDistanceControlsystemhasundergonetremendouschanges.TheParkingDistanceControlsystemhasbeengiventhenewdirectionoftheresearchandsignificancebythedevelopmentsoftheBionics,Acoustic,etc.Thisarticledescribesaradarsystemofintelligentbackingwhichcontainsthreeultrasonicrangingmodulesandtheresultscanbepronouncedinreal-time.

Thefullnameofback-draftradarisreverseanti-collisionradar,orthereverseparkingauxiliarysystem,computerwarningsystem.Itisacarparkingsafetydevices,tovoiceormoreintuitivetoshowthatthedriver,shouldremoveobstaclesaroundthedriverwhenvisitsaroundtheparkingcausedproblemsandhelppilotremovedtheviewoftheblindandvision,improvethedrivingsafetydefects.Thethreeultrasonicrangingmodulesaresetingtothreedifferentdirectionstodetecttheroadblock.ThisthreemodulesarecontroledbythesystemwhichisbasedonsunplusSPCE061Amicroprocessor.Thetimecountingandboththetransmittingandreceivingoftheultrasonicwavearecontrolledbythemicroprocessor.Systemadoptssingle-chipmicrocomputercontroltimecountingandultrasonictransmissionandreception,ultrasonicechointervals,andthemeasureddistance,LCDdisplay,LEDdisplayandUSBconnectionalarmvideocamerarealizesreal-timedisplayscreen.Thesystemissimpleinstructure,reliableworking,highprecision,easytouse,etc.

Keywords：

SPCE061Amicroprocessor；ultrasonicranging；voiceprompts；

LCDdisplay

目录

摘要I

第1章绪论1

1.1课题背景目的和意义1

1.2国内外倒车雷达系统发展历史2

1.3倒车雷达系统的发展方向与展望3

1.4课题任务及要求4

1.5课题内容及安排5

第2章汽车智能倒车系统设计的总体方案论证6

2.1汽车智能倒车系统设计的硬件方案论证6

2.2汽车智能倒车系统软件方案论证8

第3章汽车智能倒车系统的硬件设计9

3.1SPCE061A精简开发板电路原理9

3.1.1SPCE061A最小系统9

3.1.2电源模块9

3.1.3放音模块10

3.2超声波测距模块电路的设计11

3.2.1超声波测距PWM信号硬件实施11

3.2.2超声波测距PWM信号软件实施12

3.2.3超声波谐振频率调理电路的设计12

3.2.4超声波回波信号处理电路的设计14

3.2.5超声波测距模式选择电路的设计14

3.2.6转接板的电路设计15

3.3显示电路的设计17

3.3.1二极管闪烁报警电路的设计17

3.3.2LCD显示报警电路的设计17

3.3.3USB设备及图像处理电路设18

3.4各模块接口分配22

第4章汽车智能倒车系统的软件设计23

4.1各模块程序的设计23

4.1.1主程序的设计23

4.1.2超声波测距程序的设计24

4.1.3语音播放程序的设计27

4.1.4二极管闪烁程序的设计28

4.1.5LCD初始化及驱动程序的设计29

第5章汽车智能倒车系统的整体调试31

总结33

参考文献34

致谢35

附录Ⅰ汽车智能倒车系统的硬件原理图36

附录Ⅱ程序清单37

附录Ⅲ外文翻译61

绪论

课题背景目的和意义

汽车智能倒车系统又称泊车辅助系统。

一般由超声波传感器、控制器、显示器等部分组成。

现在市场上的倒车系统大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，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警示信号，得到及时的警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。

随着汽车工业的发展，城市汽车数量迅速增加。

尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量更是逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。

汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个典型问题。

由于存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故。

为了减少因此带来的损失，需要有一种专门的辅助装置帮助司机安全倒车。

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。

语音告警装置用于播放提示语以提醒车后的行人注意避让正在倒车的汽车。

这种装置价格便宜，使用方便，其缺点是只能对车后的行人起告警作用，对于其他障碍物则不起作用，所以其应用范围有限。

后视系统是由视频捕捉装置和视频播放装置组成，通过后视系统司机可以直观地看到车后的障碍物，消除视觉盲区。

由于这类装置的价位较高，目前还没有普遍推广使用。

本文设计分析的基于SPCE061A单片机的智能汽车倒车雷达系统即是根据这一实际情况而应运而生的，具有非常高的性价比。

系统运用微计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等的交叉融合，进行优化设计，通过液晶显示障碍物与汽车的距离，并根据其距离远近实时发出报警等级。

但其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。

围绕汽车电器网络化实现倒车雷达数据传递信息共享，具有良好的发展前景。

倒车雷达系统走进人们的视野中，大约是在汽车的普及化之后的。

随着经济技术的不断进步，倒车雷达无论是在外型还是在功能上都发生了巨大的变化。

从记忆中的“倒车请注意”到现在可以在一块LCD屏幕上显示障碍物的各种信息，每一次的变革都让人耳目一新。

国内外倒车雷达系统发展历史

倒车雷达系统已经过了五代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这五代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。

第一代倒车喇叭提醒

“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。

第二代蜂鸣器提示

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。

这种倒车雷达没有语音提示，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

比第二代先进很多，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，表示障碍物离车体距离有0.8米以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6~0.8米；红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到0.6米的距离，你必须停止倒车。

第四代LCD显示

这一代产品有一个质的飞跃，特别是荧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。

LCD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。

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，是目前市面上最先进的倒车雷达系统[1][2]。

倒车雷达系统的发展方向与展望

倒车安全新思路：

1、增加光学辅助后视镜

这是一种在英国较为欢迎的后视镜。

其辅助后视镜安装到标准后视镜之上，并且可相对于标准后视镜进行角度调节，以扩大其后视范围。

辅助后视镜有主体部分和相对主体转动的壳体组成，壳体内有用于保持镜子的带凸肩的倾斜部分，壳体的下表面中心有轴套，自由端有一副相背安装支架，辅助后视镜主体在同边上有许多齿，其中心分叉式轴用于在其连接时插入壳体轴套，在壳体转动时，支架的齿与主体的齿相啮合，这样就固定了其相互的位置，同时镜子相对主体倾斜，主体可用胶固定到标准后视镜上。

此辅助后视镜的直径约40~50m，安装在标准后视镜之上，对整车的风阻没有影响。

然而，它仍有较大的盲区，且制造较为复杂，制作成本较高。

2、汽车列车的侧后视镜

这种可调式后视镜结构在转向或倒车时（特别对于列车）具有最佳的视野。

在共用的壳体内安装一副侧镜——一个动的和一个不动的，活动的侧镜相对于不动侧镜转动并可形成不同的线角，活动侧镜用电动机经杆件连接转动，两个侧镜与壳体一起，也可相对固定支架垂直轴转动。

而其盲区仍旧很大，且使整车宽度增大，不够美观。

3、智能技术

随着电子技术的发展，许多智能化技术被广泛应用到汽车上。

据粗略统计，单用于汽车安全的智能技术就有20多种，智能化的后视技术层出不穷。

如Gentex公司正在研究用一个数字辅助的后视镜系统来加强驾驶员的视觉。

这个系统并不仅仅反映能看到的景物，还用若干个传感器捕捉和显示不明显的视觉信息，传感器能改变物体间光线的反差，使在黑暗中不容易看见的物体显现出来，还能发现在前照灯照不清楚或阳光眩目的地方的危险障碍物。

a.智能测距、显示（倒车雷达）技术

采用雷达（激光、超声波）测距原理制成的各种系统或装置被广泛用于汽车上。

它能比较准确地测量出波源与障碍物之间的距离，并以数字形式显示于装在驾驶员可视范围的仪表上或发出警报或两者兼而有之。

b.红外夜视技术

利用红外线可改善汽车夜间行驶的视野情况。

戴姆勒-克莱斯勒公司利用具有与远光灯同样照度的两束激光红外线光束照射汽车前方的景物，然后由放置在汽车顶部的一架红外线摄像机拍摄下所有驾驶员不能看到的东西（行人、骑自行车的人等）。

拍摄的图像传输到驾驶座前方的风窗玻璃与仪表板之间的一个类似电视的荧屏上。

这样一来，驾驶员犹如戴上一副红外线望远镜，车前方的景物清晰可辨。

c.可视监控（倒车电子屏）技术

倒车电子屏系统是在行李箱盖或后保险杠上装设摄像机，并将拍摄到的画面传递到驾驶座前方的电子屏幕上，驾驶员只要看眼前的电子屏幕就能知道车后的情况。

这一技术目前已有应用，并解决了反向、夜视等问题。

在底特律国际车展上，通用公司的Precept概念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。

该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。

摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有消火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓。

经过多年的研究与生产实践，倒车雷达逐渐摆脱了以往功能单一，报警不准确的问题。

目前倒车雷达主要有两个方向发展。

一、与其他车内娱乐设备的集成；二、提高报警的准确性。

越来越多的倒车雷达已经不再仅限于提供倒车报警的单一功能，集成多种报警娱乐等功能的倒车雷达已经成为一种现实。

军用技术的民用化，使的倒车雷达预警范围，报警精度都有极大的提高。

仿生学、声学、电磁学等科学技术的进步，都将会倒车雷达推向一个新的阶段。

随着卫星定位技术的成熟，以车载卫星定位系统（GPS）作为倒车雷达，也离实用化越来越近[3][4]。

课题任务及要求

本次设计的汽车智能倒车系统设计是以SPCE061A单片机为控制器，搭配3个超声波测距模块及LCD、二极管、语音、视频监控4部分组成的报警模块所构成。

其测量结果应符合以下标准：

1.可以语音提示模块探测范围内（0.35m~1.5m）的障碍物；

2.语音提示可指明哪一个方向（或区域）有障碍物在探测范围内；

3.利用三个LED发光二极管表示三个传感器探测范围内是否有障碍物，当在探测范围内有障碍物时，发光二极管以一定频率闪烁，闪烁的频率以距离定，距离越近频率越高；

4.后视倒车视频显示。

课题内容及安排

本文对汽车智能倒车系统设计的设计进行了详细的介绍，共分五章。

第1章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排；第2章是针对此次课题的任务进行方案论证，尤其重要的对SPCE061A单片机其16位的处理能力及内嵌的语音对本设计的影响进行详细的阐述；第3章具体介绍了智能倒车雷达系统的硬件设计，包括超声波测距模块电路，转接板电路，显示电路的设计；第4章阐述了智能倒车雷达系统的软件设计，包括超声波测距子程序，数据处理子程序，显示子程序，语音子程序的设计。

第5章是针对硬件调试、软件调试和整机调试进行了具体的分析和说明。

汽车智能倒车系统设计的总体方案论证

本次设计的汽车智能倒车系统是以单片机为控制器，借助传感器以及辅助电路来完成设计内容和要求。

虽然超声波测距很早就开始研究应用，但如何实现测量的快速性和准确性至今仍是生产和科研的课题。

随着微电子技术的发展及普及，更多高性能的单片机应用使得超声波测距的快速性和准确性都有了极大的提高。

超声波测距的关键在于发射信号的脉冲时长，接收信号的数据处理，及消除其本身的余波干扰。

汽车智能倒车系统设计的硬件方案论证

方案一：

基于新型总线和IC的汽车智能倒车雷达系统

此系统应用XY－CNBUS，这是一种一点对多点的总线通讯系统。

采用专用控制芯片模块，设计研究中的倒车雷达系统主要由上位机和下位机两部分组成，通过总线完成上位机与下位机的通信。

具有自动登录功能，此功能可完成设备的自动登录、结点中断报警等双向可中断的先进的通讯功能。

总线隔离设备具有总线故障隔离性能，保证部分总线发生故障时，其它部分仍然正常通讯。

以该芯片为核心构成的总线通讯系统可广泛应用于智能家庭控制网络、工业现场控制、消防报警及联动网络、小区智能化控制网络、中央空调控制系统等[5][6][7]。

方案二：

基于凌阳单片机的汽车智能倒车雷达系统[8][9]

此设计系统采用凌阳16位单片机SPCE061A为核心，分别控制三个超声波模块，每一个超声波测距模块都被设定面向不同方向，以探测不同方向的障碍物。

本系统采用单片机控制时间计数和超声波的发射和接收，利用超声波回波的间隔时间，得出实测距离，并且采用了USB连接摄像头视频实时显示功能。

具有成本低、设计简单、工作安全可靠、精度高、设计先进等特点。

此设计使用凌阳16位单片机SPCE061A为超声波测距的控制器，其较高的数据处理能力和丰富的指令系统，从硬件和软件两部分来改善系统性能，使研制成的超声波倒车雷达系统具有很好的快速性和准确性，且具有较高的抗干扰能力，很符合要求。

而采用XY-CNBUS接口显然复杂而昂贵，功耗大、备电功能使用复杂更使其不能使用于现场设备的控制。

综上，采用方案二。

倒车雷达实现的功能就是探测可能存在的障碍物，通过数据处理将障碍物的位置信息显示出来。

要实现这一功能，就必须把障碍物相对测量系统的位置量转换成单片机所能识别的电量。

当超声波测距模块探测到障碍物的存在时，会接收到若干脉冲数目的反射信号，信号脉冲个数即反映了障碍物与测试系统的位置关系。

返回的信号经过SPCE061A进行相应的数据运算，便可将障碍物的位置信息通过语音、二极管、LCD及视频的方式显示出来，其硬件总体方案设计框图如图2.1所示。

图2.1汽车智能倒车系统的结构框图

1.传感器

传感器是超声波测距模块，它是整个倒车雷达系统的核心。

本设计方案拟使用3个相同的超声波测距模块，对后方，右后方，左后方三个不同的方向进行障碍物的探测。

2.转接板

由于使用3个超声波测距模块，而SPCE061A的I/O口数目不满足3个测距模块同时直接相接，故使用集成芯片CD4052实现软件对不同传感器的选通与屏蔽。

3.SPCE061A

凌阳16位单片机SPCE061A是本倒车雷达系统的控制器，也是数据处理的中心。

它直接控制超声波测距模块进行测距、处理模块返回值并控制实现对外的报警功能

4.语音报警

SPCE061A作为16位单片机，其具有较强的运算能力，可以通过其内置的DAC及自动增益控制（AGC）功能，实现对外的语音报警。

该部分电路已集成于SPCE061A精简开发板上。

5.LCD显示电路

使用LCM1602A液晶显示模块实现LCD显示。

由于LCM1062A仅能显示2行共32个字符，故实际显示为3个超声波测距模块中，测得距离最近的那个值。

6.发光二极管（LED）闪烁报警电路

三个发光二极管分别对应三个超声波测距模块。

当对应的超声波测距模块探测到障碍物存在时，障碍物距离测距模块越近，发光二极管闪烁的频率就会越高。

7.USB设备及图像处理电路

本设计中的设备是USB摄像头，USB主机由USB主机控制器、微处理器及驱动软件构成。

视频显示信号的采集一般选择USB摄像头来实现。

USB摄像头SPCA561A集成了镜头、CMOS传感器、USB图像处理器以及USB控制器。

汽车智能倒车系统软件方案论证

软件设计是汽车智能倒车系统设计中最关键的部分。

软件设计分为超声波测距程序、语音播报程序、中断程序、系统程序、LCD驱动程序、USB驱动程序、主程序七部分。

各个部分函数都可相互调用又相对独立可调，保证调试的便利与程序的可读性。

整个汽车智能倒车系统软件流程图如图2.2所示。

图2.2软件原理流程框图

汽车智能倒车系统的硬件设计

硬件设计是本设计的的一个重要部分。

本章将详细叙述汽车智能倒车系统各部分硬件设计内容、元器件选择及所设计的硬件电路实现的各项功能。

SPCE061A精简开发板电路原理

SPCE061A最小系统

SPCE061A最小系统包括SPCE061A芯片及其外围基本模块。

其外围基本模块有：

晶振输入模块（OSC）、锁相环电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等。

其电路原理图如图3.1所示[10]。

图3.1SPCE061A最小系统原理图

电源模块

SPCE061A的内核供电电压为3.3V。

而I/O端口可接3.3V也可接5V，考虑到超声波测距模块需要供电电压在4.5V以上时才能正常工作，所以使用车载电源提供的12V，运用LM7805转换为精简开发板上所能使用的5V电源。

电源模块

的电路原理图如图3.2所示。

图3.2电源模块的电路原理图

放音模块

由于本汽车智能倒车系统实现语音提示障碍物的不同方向，故放音模块便不可缺少。

在SPCE061A精简开发板上便集成了以下放音模块，放音利用的是SPCE061A内部的DAC。

图3.3中的SRY0030是凌阳公司的产品。

和LM386相比，SPY0030还是比较有优势的，比如LM386工作电压需在4V以上，而SPY0030仅需2.4V（两颗电池）即可工作；LM386输出功率100mW以下，SPY0030约700mW左右，较低的工作电压，又能有很好的输出效果，这使得本系统即使脱离固定电源，仅使用电池供电，也能完全正常工作。

图3.3放音模块的电路原理图

超声波测距模块电路的设计

超声波测距PWM信号硬件实施

为了符合探测障碍物所需要的测量精度的设计要求，超声波发射探头需要一个稳定的PWM信号，驱动发射脉冲信号。

此PWM信号可由集成芯片NE555搭配合适的外围电路构成[11][12]。

其电路如图3.4所示：

图3.4NE555构成的PWM信号提供电路

此硬件实施方案具有如下特点：

（1）NE555外围电路容易搭建，驱动电压与SPCE061A一致，无需另接电源；

（2）硬件电路输出稳定，不易受干扰。

上图显示的是由NE555构成的40KHzPWM驱动信号电路，该电路最大特点是与SPCE061A具有较好的兼容性及较高抗干扰性，符合整个设计对测量精度的要求。

超声波测距PWM信号软件实施

除了直接用硬件来提供超声波测距所需要的PWM信号以外，也可以用SPCE061A提供的PWM脉宽调制输出功能，用软件进行处理。

用软件进行处理的优势在于，发射超声波所需要的PWM信号和其反射信号的计算都是由同一个单片机完成，可以利用程序编写的灵活性，极大的削弱发射与接收之间的余波干扰，使测距更加精确。

它与硬件实现电路相比有以下几个优点：

1.PWM信号是用程序实现的，减少了整个设计的成本；

2.SPCE061A具有16位的处理能力，其输出的PWM信号无