倒车雷达系统.docx
《倒车雷达系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《倒车雷达系统.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
倒车雷达系统
倒车雷达系统
指导老师：
堵会晓
组长：
组员：
目录
1、绪论.....................................................4
1.1本课题的研究背景和研究内容......................................4
1.2设计的意义和要求................................................4
1.3目前国内倒车雷达的发展现状.......................................5
二、总体设计方案.............................................7
2.1超声波测距.......................................................7
2.2超声波传感器.....................................................12
三、硬件设计.................................................17
3.1超声波发射电路....................................................17
3.2超声波检测接收电路.................................................18
3.3超声波显示及控制部分电路...........................................21
3.4报警电路...........................................................28
3.5温度补偿电路.......................................................29
四、系统的调试................................................31
结束语........................................................32
致谢..........................................................33
附：
倒车雷达系统电路总图......................................34
基于AT89C51汽车倒车类的的设计
摘要：
近年来，我国的汽车数量正逐年增加。
在公路，街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。
因此。
增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。
为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。
工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。
最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。
目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为1m～5m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。
本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于AT89C51单片机的超声波测距器。
该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。
超声波接收电路使用SONY公司的CX20106A红外检测专用芯片，该芯片常用于38kHz的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，距器使用数码管显示目标物的距离。
第一章绪论
1.1本课题的研究背景和研究内容
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。
超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达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。
1.2设计的意义和要求
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，烦事又烦人。
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，解除了驾驶员泊车、倒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。
倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。
1.3目前国内倒车雷达的发展现状
经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。
经过这几年的发展，倒车雷达系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点，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，现在只有少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，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，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1.8m～1.5m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1.8m开始显示；如果是人，在0.9m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3种颜色来区别：
绿色代表安全距离，表示障碍物距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有0.6m~0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到0.6m，必须停止倒车。
第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。
第四代：
液晶屏动态显示。
这一代有一个质的飞跃，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，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LCD显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，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2m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，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。
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：
专为高档轿车生产。
第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：
外观上看，比第五代产品更为精致典雅；功能上看，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。
起初，倒车雷达只是宝马、奔驰等高档车型的专利，但是近几年，一些新出厂的中低档车型在配置中也增加了倒车雷达。
如上海通用别克凯越系列除三厢1.6LXMT之外，其余车型都加装了倒车雷达（包括凯越1.8LSAT、凯越1.8LEAT、凯越1.6LEAT、凯越1.6LEMT，以及凯越HRV手动、自动两款车型）。
一汽－大众2006年6月以后生产的捷达GIF豪华型轿车均配置了后倒车雷达。
此外，还有许多厂家在新推车的中低档车型中安装了倒车雷达，如：
北京现代的伊兰特、索纳塔、途胜；上海通用的别克君威、君越；东南汽车的三菱戈蓝、三菱蓝瑟；上海大众的帕萨特增值版POLO劲情；广州本田的雅阁、奥德赛、两厢飞度；神龙汽车的东风雪铁龙C6、C5、毕加索、爱丽舍、赛纳；江淮汽车的瑞风、祥和；奇瑞汽车的A51.6；千里马汽车的RIO千里马；长安福特汽车的蒙迪欧、两厢福克斯等等。
第二章总体设计方案
图2-1倒车雷达系统总框图
该设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。
因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在2.5米左右。
单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行声光报警[1]。
其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。
在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率有调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。
在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带较宽。
将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率40KHz，使其工作在谐振频率，达到最优的特性。
发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。
但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。
通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。
发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。
接收部分就是有两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。
最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（AT89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
2.1超声波测距
2.1.1超声波测距原理，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t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在不同温度下的声速也不相同。
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。
图2-2即为超声波测距的具体流程图。
图2-2系统总体设计流程图
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，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、C为空气中声速、T为回波时间，
图2-3测距的原理
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影响精度的因素分析
（1）发射接收时间对测量精度的影响分析
采用TR40压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率40KHz，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。
对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。
设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为：
（2-1）
由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。
经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。
（2）当地声速对测量精度的影响分析
当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。
超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：
（2-2）
由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。
工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下：
（2-3）
式中C0=331.4m/s；T为绝对温度，单位K。
此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。
实际情况下，温度每上升或者下降1¡æ,声速将增加或者减少0.607m/s，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。
因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。
对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。
此外，当要求测距误差小于1mm时，假定超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。
则测距误差s¡÷t<0.000002907s，即2.907ms。
根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。
使用的12MHz晶体作时钟基准的AT89C51单片机定时器能方便的计数到1¦Ìs的精度，因此系统采用AT89C51的定一时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。
由此可见，测量精度与温度有着直接的关系，本文采用DS18B20温度传感器，对外界温度进行测量，并在软件中实现温度补偿。
2.1.5提高精度的方案及系统设计
（1）温度校正的方法提高测距精度
由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式（2-3）求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。
而问题的关键在于获得温度数据的方法。
采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。
为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用DALASS公司生产的DS18B20集成温度传感器。
DS18B20采用了DALASS公司的1-WIRE总线专利技术，能够仅在占用控制器一个I/O口的情况下工作（芯片可由数据线供电），极大的方便了使用者的调试使用，而且其在－10¡æ～＋85¡æ的工作环境下可以保持¡À0.5%的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。
通过DS18B20芯片获得的数据信号经由1-WIRE总线传至MCU，由软件进行声速换算。
为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的STC12C5410单片机实现超声波测距的各项功能。
STC12C5410采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持48MHz的前提下能够实现1个时钟机械周期的运行速度。
由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。
（2）标杆校正的方法提高测距精度
在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。
标杆校正的示意图如图2-4所示。
图2-4标杆校正的示意图
超声波测距装置首先测量距离已知为h的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离h根据公式（2-3）求出当地声速。
通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。
因此，只用为测距设备设定¡°标定¡±和¡°测量¡±两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。
2.1.6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
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[4]。
2.2.1超声波传感器原理及结构
超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
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。
利用超声波检测往北比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。
超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。
电声型主要有：
1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。
流体动力性中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨¡±或“笛”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头有压电晶片、契块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器，是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。
其具有下列的特性：
把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。
因此，用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片。
当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。
前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器内部结构如图2-5所示，它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，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，并带动共振板的振动，便产生超声波。
反之，如果两级间为外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。
发射超声波时，加在
其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样，超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
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。
图2-5超声波传感器结构
2.2.2超声波传感器的特性
超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器SZW-S40-12M发射型超声波传感器的特性为例加以说明。
（1）频率特性
图2-6超声波传感器的声压能级和灵敏度
图2-6是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。
其中，40KHz处为超声波发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。
而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。
其频率特性如图2-7所示。
因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。
图2-7超声发射传感器频率特性
另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。
曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在40
升级会员 