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超声波雷达倒车系统设计论文

本科毕业论文（设计）

（物理与电子工程学院）院）

超声波雷达倒车系统设计

摘要：

倒车雷达是针对日益拥挤的道路交通状况，以及在停车场、车库、街道等比较狭窄区域，避免车与车、车与人以及车与墙壁等障碍物发生碰撞、摩擦而出现的一种着眼于倒车防护的汽车防撞系统。

本文根据超声波雷达测距原理，研制一款基于超声波脉冲测距的倒车雷达系统。

使它能在汽车缓慢倒车行驶时，识别出汽车尾部的障碍物，并能够测量障碍物与车体之间距离，在汽车发生碰撞事故前，对驾驶员发出声音提示和数码管显示数字提示。

完成系统的控制和信号的处理的使美国ATMEL公司的8位单片机AT89C51。

并且，还采用了CX20106A红外线检波接收专用芯片。

在系统的软件设计过程中，采用了模块化设计思想，对程序的维护和升级变得简单易行。

本课题完成了基于超声波脉冲测距的倒车雷达的硬件设计、软件设计以及系统调试。

关键词：

超声波，测距，倒车雷达，AT89C51，检波接收，CX20106A

Designofultrasonicwaveback-draftradarsystem

Abstract:

Theback-draftradarisaimsatdaybydaythecrowdedroadtrafficcondition,aswellasintheparkinglot,thegarage,thestreetandsoonthequitenarrowregion,avoidsautomobileandautomobileandpersonaswellasvehicleandwallhasthecollision,onekindwhichthefrictionappearsfocusestotheback-draftprotectionautomobilecollisionavoidancesystem.

Thisarticleaccordingtotheultrasonicwaveradarrangingprinciple,developssectionbasedontheultrasonicwavepulserangefinderback-draftradarsystem.Enablesitwhentheautomobileslowback-drafttravel,distinguishestheautomobilerearparttheobstacle,andcansurveybetweentheobstacleandthechassisisawayfrom,hasinfrontofthecollisionaccidentintheautomobile,sendsoutthevoicepromptandthedigitaltubedemonstrationnumeralprompttothepilot.

CompletesthesystemthecontrolandthesignalprocessingisAmericanATMELCorporationdishpositionmonolithicintegratedcircuitAT89C51.And,butalsohasusedtheHua-bangcompanyISDpronunciationchip,therealizationvoiceprompt.

Inthesystemsoftwaredesignprocess,hasusedthemodulardesignthought,changessimplytotheproceduremaintenanceandthepromotion,iseasytorealize.Thistopichascompletedbasedontheultrasonicwavepulserangefinderback-draftradarhardwaredesign,thesoftwaredesignaswellasthesystemdebugging.

Key-word:

Ultrasonic,Ranging,Back-draftradar,AT89C51,Voiceprompt,CX20106A.

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第一章绪论

1.1课题背景

随着经济的发展与汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。

同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车的产量和保有量都在急剧增加。

但公路发展、交通管理确相对落后，导致了交通事故与日俱增，城市里尤其突出。

智能管理系统ITS（IntelligentTransportationSystem）是目前世界上交通运输科学技术的前沿技术，它在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通柱塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各国政府的广泛关注。

中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。

从传统上说，汽车的安全可以分为两个主要研究方向：

一是主动式安全技术，即防止事故的发生，该种方式是目前汽车安全研究的最终目的；二是被动式安全技术，即事故发生后的乘员保护。

目前汽车安全领域被动安全研究较多，主要从安全气囊、ABS（防抱死系统）和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的安全。

从经济性和安全性两方面来说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护，有很大的局限性，因而车辆的主动安全研究尤为重要，引出了本文研究的基于超声波测距的汽车防撞系统。

汽车防撞系统是一种可向司机预先发出视听告警信号的探测装置。

它安装在汽车上，能探测企图接近汽车身的行人、车辆或周围障碍物。

能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。

为了和军用等其它类型雷达相区别，一般将车用防撞系统称之为汽车雷达，汽车雷达经过数十年的研究，在应用上朝着两个主要的方向发展：

第一个方向是安全距离测量/自动智能巡航控制系统AICC。

这种用于汽车的智能驾驶控制系统的主要作用是使汽车在行驶过程中自动保持与前方车辆之间的安全距离。

在前方无车辆时，系统以驾驶者设置速度行驶：

快接近前方车辆时，系统根据雷达传感器测得的本车与前方车辆距离、相对速度以及加速度来控制本车的最高速度，从而与同一车道上前方离得很近的车辆保持安全距离；同时雷达自动跟踪这辆车，当该车转向或超过本车设置的车速时，系统就会自动放弃跟踪，进入恒速行驶状态，整个过程无需驾驶者任何操作动作，这种系统的角度和距离分辨率要求高。

不过由于可靠性问题，AICC目前还只是一种辅助系统，它可以提高驾车舒适度，但不能替代驾驶者的工作，因此一般只适用于高级轿车。

1.2课题研究的主要内容

本课题主要研究超声波雷达在汽车倒车系统中的应用。

超声波雷达的实质就是利用超声波测距的原理而对汽车进行防护。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波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。

利用超声波检测往往比较迅速、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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

第二章系统相关理论

2.1超声波的性质

超声波是指频率高于20KHz的机械波，指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远。

由于超声波的频率超过了人耳的听觉范围，因而人耳感觉不到声音。

超声波具有声波所有的物理性质，但其频率高，波长短。

产生超声波的方法有多种，现代超声波的产生主要是利用某些晶体（如石英，酒石酸钾钠、锆钛酸铅等）的特殊物理性质----压电效应产生超声波。

超声波的声束由于超声波的波长较短，接近红外线的波长，因此和光线一样，具有较强的方向性，形成超声束。

在超声技术中，超声波由探头发出并进入人体后，在距离探头较近的一段区域内，形成一条宽度近似探头直径的超声束，此区称为近场。

在近场的远侧超声束逐渐增宽，此区称为远场。

超声波的反射、折射和散射当超声波在传播过程中遇到两种不同介质时，在介质分界面将产生反射。

超声波在介面反射后,剩余能量的超声波将进入第二介质，称为透射。

如果两种介质中的声速相同，透射声束的方向将等于入射声束的方向。

但如果两种介质中的声速不同，透射声束将发生方向的转折，称为折射。

剩余能量将以某一中心向空间各个方向传播，称散射。

散射进返回探头的回声信号强度明显减弱。

超声波的吸收和衰减超声波在体内传播的过程中，强度将随着所传深度的增加而进行性减弱，称衰减。

超声波在体内衰减是由于超声波的反射、散射和超声波吸收而引起的。

2.2超声波传感器工作原理

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，必须产生超生波和接收超声波。

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。

2.3系统测距原理

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离

   测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

   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：

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。

本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

   根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C51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完成，超声波测距器的系统框图如下图所示：

               超声波测距器系统设计框图 

2.4超声波测距方法的设计方案论证

方案一：

标准样距测速法

方法简介

所谓标准样距测速法，就是在当时的环境下去测量一标准样距，从而得到在该测量环境下超声波的实际传播速度，以达到校正速度的目的。

可行性分析

设样距为d，测量样距用时t1，被测量距离用时t2，则该环境下的超声波传播速度为C=d/t1，被测量距离为：

L=C×t2=（d÷t1）×t2

以16cm样距设计，设超声波的传播速度为V0=340m/s，16cm用时为T0=470.58us。

设MCU的晶振为4MHz，其时间分辨能力为1us。

MCU测量出这16cm用时为471us。

则得出在该环境下的超声波传播速度为

C=16cm÷471us=339.7m/s

速度误差为：

ΔV=-0.3m/s

在实际操作中，16cm的样距很难摆放准确，操作和携带都有不便。

设16cm样距在摆放时为15.9cm，测量样距用时为：

t1=15.9cm÷340m/s=467.64us

MCU得出测量样距用时为t1=468us。

在计算速度时，MCU得出在该环境下的超声波传播速度

C=16cm/468us=341.88m/s

此时的速度误差为：

ΔV=＋1.88m/s

同理，当样距为16.1cm时，MCU得出在该环境下的超声波传播速度为：

C=337.55m/s

其速度误差为：

ΔV=－2.45m/s

由此可见16cm样距的摆放准确对测量得出的超声波传播速度有很大的影响。

就被测量距离为5m，我们来看一下它的误差有多大。

（设此时的超声波传播速度为V0=340m/s）5m标准用时为

T0=5m÷340s=14705.88us

MCU得出的用时为：

T0=14706us

1当样距为15.9cm时，即ΔV=＋1.88m/s时，C=341.88m/s。

测量得出的距离误差

△d=＋1.88m/s×14706us=＋2.76cm

2当样距为16.1cm时，即ΔV=－2.45m/s时，C=337.55m/s。

测量得出的距离误差

△d=－2.45m/s×14706us=－3.60cm

方案二：

温度补偿法

方法简介

我们知道，超声波的传播速度受环境的影响，特别是环境温度对超声波传播速度的影响最大。

如在0摄氏度时其传播速度为331.45m/s，在20摄氏度时其传播速度为343.369m/s，在30摄氏度时其传播速度为349.176m/s。

由于超声波传播速度与环境温度有以下关系：

×

式中T为摄氏温度，C为在该温度下的超声波传播速度（单位为m/s）。

当温度知道的情况下，通过该式就可以知道该温度下超声波的传播速度了。

用温度去校正超声波的传播速度，这就是温度补偿法。

温度传感器的选择

在传统的中，低温测温领域中采用的方法有热敏电阻，半导体温度传感器等。

这些方法都有一定的缺陷，如线性差，电路复杂，实现数字化需要A/D转换等。

这导致了在工程应用中的一系列问题，如造价高，互换性差，调试不方便等。

在本设计中，采用了一种高性能，低价格，数字化的温度传感器DS18B20来采集温度，该数字温度传感器为独特的1-Wire总线接口，仅占用MCU一只引脚，具有操作简单，温度测量快，精度高（提供9—12位温度读数），测量温度范围为－55到125摄氏度，在－10到85摄氏度范围内精度为±0.5摄氏度等优点。

图1.1电路接口

图1.2基本时序一

图1.3基本时序二

可行性分析

根据式子

×

在MCU中建一温度速度表（温度速度表精确到小数点后1位），由温度传感器输出的温度去查表，便找到了在该温度下的超声波传播速度C，再由L=C×t便可以得出被测量距离。

设环境温度为T0=25摄氏度，此时超声波传播速度为

C0=346.285m/s

测量5m的距离用时

t0=14438.97us（取t0=14439us）

1设数字温度传感器给出的温度为T=24.5摄氏度,得出超声波传播速度为：

C=345.9m/s

速度误差为：

ΔV=－0.3m/s

测量5m产生的距离误差为：

Δd=ΔV×t0=－4.3mm

2设数字温度传感器给出的温度为T=25.5摄氏度，得出超声波传播速度为：

C=346.5m/s

速度误差为：

ΔV=＋0.3m/s

测量5m产生的距离误差为：

Δd=ΔV×t0=＋4.3mm

综上所述：

采用方案一标准样距测量法操作不便，测量误差大，可行性差，不满足设计要求。

采用方案二温度补偿法测量出的距离精度高，使用方便。

由此选择方案二实为测距的理想方案。

第三章系统硬件设计

3.1AT89C51芯片介绍

 AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

    AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

主要功能特性：

  ·兼容MCS—51指令系统

·4k可反复擦写（>1000次）FlashROM

  ·32个双向I/O口

·可编程UARL通道

  ·两个16位可编程定时/计数器

·全静态操作0-24MHz

  ·1个串行中断

·128x8bit内部RAM

  ·两个外部中断源

·共6个中断源

  ·可直接驱动LED

·3级加密位

  ·低功耗空闲和掉电模式

·软件设置睡眠和唤醒功能

3.2系统组成

硬件部分

   主要由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组成。

采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。

单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。

计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

软件部分 

   主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。

3.3发射电路

超声波发射电路原理图如图3.1所示。

图3.1超声波发射电路原理图

发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机用P1.0端口输出的40kHz方波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送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波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、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部结构如图3.2所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

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，并带动共振板振动发生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两级间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。

超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

图3.2超声波换能器内部结构图

3.4接收电路

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图3.3）。

实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改电容C7的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

图3.3超声波接收电路

3.5LED数字显示部分

单片机采用AT89C51或其兼容系列。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的4位共阳LED动态显示数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动。

单片机系统及显示电路如下图所示 

               图3.4单片机及显示电路原理图 

3.6DS18B20数字式温度传感器

特点  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，电压范围为3.0V至5.5V  无需备用电源  测量温度范围为-55°C至+125℃。

华氏相当于是-67°F到257华氏度  -10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C

  温度传感器可编程的分辨率为9~12位  温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒  用户可定义的非易失性温度报警设置  应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统

描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。

信息被发送到/从DS18B20  通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。

为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。

    因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。

这使得温度传感器放置在许多不同的地方。

它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。

8引脚封装TO-92封装用途描述

51接地接地

42数字信号输入输出，一线输出：

源极开路

  33电源  可选电源管脚。

见"寄生功率"一节细节方面。

电源必须接地，为行动中，寄生虫功率模式。

概况框图显示的主要组成部分DS18B20的。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

该装置信号线高的时候，内部电容器    储存能量通由1线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。

DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。

DS18B20采用一线通信接口。

因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。

主要首先提供以下功能命令之一：

1）读ROM，2）ROM匹配，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警检查。

这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。

若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。

一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。

测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。

温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM的数据。

如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。

在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。

写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。

通过缓存器读寄存器。

所有的数据都读，写都是从最低位开始。

DS18B20有2个主要的数据部件：

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

3.7电源系统