汽车倒车防撞报警器的设计.docx
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汽车倒车防撞报警器的设计
摘要
分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题，较详细的介绍超声波测距系统以及根据该系统设计的原理、方法和步骤，研制的汽车倒车防撞报警器。
这种报警器在汽车倒车过程中达到极限位置的时候，能自动检测车尾障碍物的距离并发出声光报警，提醒司机刹车。
本设计利用超声波传感器进行信号的发射和接收，包括发射、接收以及报警电路三个部分。
超声传感器的主要元件是采用压电元件锆钛化铅（一般称为RZT），具有很强的方向性。
报警电路部分是利用声光报警器，将信号传递之后，可实现语音报警。
本设计采用国内生产厂家的通用元件，成本低，性能可靠，有利于推广。
关键字：
超声波；汽车倒车；防撞；报警器；传感器
1.系统方案设计
1.1概述
随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量也在大幅攀升。
交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行。
汽车倒车防撞测距报警器一般有四种：
1嘀嘀声加闪光，2音乐声加闪光，3语音声加闪光，4倒车到危险距离时发出警报声的超声波倒车报警器，由于很多研究都采用的是特殊难购的专用元件，使其难以推广，本设计采用国内生产的通用元件，成本较低廉，本设计使其在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车，如果和制动系统联系在一起也可以形成自动刹车。
（1）预警时间不足
最大有效探测距离的问题，大多数倒车雷达的最大有效探测距离：
墙面小于2.5m,行人0.6-1.2m。
实验知道一些驾驶员的习惯初始倒车速度3-12km/月，即0.83-3.3m/s,。
现以平均1.5m/s计算，倒车雷达发现目标仅有1.67s，对行人只有0.4-0.8s。
如此以来，等报警器报警后汽车再减速就很紧张，明显感到预警时间不足。
（2）反映速度迟钝
多数成品倒车雷达的显示速度因为考虑到抗干扰等因素，显示更新的速度约0.2-0.4s，即在0.2-0.4s显示一次距离，根据以上的推断，从倒车雷达发现目标到发出警报如果需要3s秒，这时车已经行使了0.45s，这显然感到反应迟钝。
（3）探测盲区问题
多数倒车雷达的超声波传感器为2-3个，单个传感器的水平探测角度约60-70°，这样势必造成2-3个盲区，如图1，而增加传感器的个数不但增加成本，而且提高报警器的故障率。
另外，由于等同与水平探测角度的垂直探测角度显得过大，往往对粗糙地面发生误报，如果改为探测角度为30
°的传感器不会误报，但是不能有效的探测约30cm高的路堤，造成倒车时碰到后保险杠的问题。
图1三只传感器图2两只传感器
1.2本设计的目的
本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车，本设计成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义。
1.3研究意义
超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性——折射，反射，干涉，衍射，散射。
超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。
2.工作原理
2.1方案比较
在现代测距系统当中，还有以下测距方法：
1）毫米雷达测距
毫米雷达测距能够探测多目标，多目标分辨力好，探测精度高，受天气影响小，但存在电磁干扰问题，必须防止因雷达装置相互间以及其他通信设施的电磁波干扰而发生误动作。
其多用于高速公路上的防追尾碰撞。
2）摄相系统测距
目标摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高，但目前价格较高，同时受到软件和硬件制约，成像速度角慢。
3）激光测距
由于激光测距受恶劣的天气，汽车的激烈震动，反射镜表面摩损，污染等因素的影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少1/2到1/3损失很大，影响探测精度，所以它一般都应用于防追尾碰撞当中。
4）红外测距
它主要应用于夜间行车或在军事上使用。
5）超声波测距
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。
超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超声波遥控是近距离遥控中的一种实际方法，人耳能够听到的声音频率大约为20Hz-20kHz，低于20Hz和高于20kHz的声音，人耳一般都听不到，人把高于20kHz的声波称为超声波。
它是一种机械振动波，可以在气体、液体和固体中传播，在空气中的传播速度为340m/s，与光波、电磁波相比是非常缓慢的。
超声波具有方向性，即传播的能量比较集中，这一点与可听见的声波不同。
另外，超声波在传播途中若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。
超声波测距的基本原理同声纳回声定位法的原理是基本相同的，超声波发生器不断发射出40kHz超声波，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。
超声波接收器则在接受到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲，再利用双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。
方脉冲的宽度即为两个短脉冲之间的时间间隔。
测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。
根据测量出输出脉冲的宽度。
即测得发射超声波的时间间隔，从而就可求出汽车与障碍物之间的距离
S：
S=1/2（Ct）2-1
式中C——超声波音速
由于超声波也是声波，故C即为音速。
音速为C=
式中γ——气体的绝缘体积系数（空气为1.4）
P——气体的气压（海平面为1.013*108Pa）
Ρ0——气体的密度（空气为1.29kg/m3）
对于1ml空气，质量为m，体积为V，密度ρ。
则
C=
=
2-2
对于理想气体，有
PV=RT2-3
式中R——摩尔气体常数
T——绝对温度
因此C=
由于γ、R、m均为已知常数，故声速C仅与温度T有关，若温度不变，则声音在空气中的速率与气压无关。
在0℃的空气中，C0=331.45m/s。
对于任意温度下，有Ci/C0=
/
即Ci=331.45
/
在某一地区使用，因温度变化不大，可以认为声速是基本恒定不变的。
确定了声速，只要测得超声波信号往返的时间，即可求得距离。
2.2方案的拟定条件
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，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。
其实超声波的特性与普通声音大致上没有分别，但为何我们要用超声波作测量手段？
道理其实很简单，因为在测量过程中，我们会不断地发出强力的声音讯号，试想想，若这些讯号我们是听得到的话，就如汽车按喇叭、火车拉笛的声音，不断的在身旁发生，不震耳欲聋才怪。
所以只有选取人们听不见，但又能音量强力的“超声波”，这样周围的群众才可装聋扮哑了。
超声波测量技术其原理很简单，就是利用回声的反射原理，就如在一山谷叫一声“你好吗”，不一会听见好像有人学你的说话一样“你...好...吗...”。
人们正由此点，开发出超声波测量技术。
像自然界中，以蝙蝠都可算为代表了，在蝙蝠洞里既要觅食，又要用声波测距，而要在洞内用超声波测距是一件很困难的事情，很先进的科技产品也做不到。
在空中，当声音鼓动空气而向前传递讯息时，遇到大小不同、软硬不一的物体时，其会产生相应强弱的反射声音，而我们以高峰值接收此反弹回来的声音，计算其反弹的时间差距，从而可了解前面物体与你的距离，由其反弹的强弱，得知物体的大小，此为超声波在空中测量的应用原理，一如在机场使用的雷达。
超声波距离传感器采用压电元件锆钛化铅，一般称为RZT，这种传感器的特点在于具有方向性，传感器用蜂鸣器的纸盒为椭圆形，目的是使传感器的水平特性宽，而且垂直方向受到限制。
超声波距离传感器是利用“回声”现象制成汽车所用的倒车声纳系统，倒车时想车辆后方发射超声波，测定超声波遇到障碍物后返回的时间，再把这一时间置换成距离再加以显示。
超声波比人耳能听到的声波频率要高，具有方向性，并且只能检测车辆后方的障碍物。
它的功能是判定和显示车辆后方有无障碍物，障碍物到汽车的距离以及障碍物的位置。
当车后无障碍物时，随着距离的增加，超声波逐渐衰减，也就是说根据向车后发射的超声波是否返回，可以判断检测范围内有无障碍物。
向车后发射的超声波遇到障碍物返回时，测定所需的时间，根据时间与距离成正比的关系，就可以判断车到障碍物的距离。
此外，车辆后方划分为左中右三个区域，就可以判断出障碍物在何处，四个超声波发生器置于后减震器中，微机组件置于货舱内，驾驶人员回头时即可看到障碍物的显示。
超声波距离传感器和微机组件之间采用屏蔽线相连，因此消除了外部及外部传入的干扰.
2.3模型的建立
超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低，但其作为高速行驶车辆上的测距传感仪不可取，只要有两方面的原因：
一是超声波的速度C受外界环境变化影响较大。
在不同的温度下，声速是不同的，在-30℃-30℃变化为313-349m/s，而且声速C还随雨、雾、雪等天气的变化而变化，不能精确测距。
二是由于超声波能量是与距离的平方成正比而衰减的，故距离越远，反射回的超声波越少，灵敏度下降很快，从而使得超声波测距方式只适用于较短距离。
图3超声波测距系统
目前国内外一般的超声波测距仪理想测量距离为4米-5米左右，因此一般只用汽车倒车防撞系统上。
发射电路在发射受低频调制的超声波的同时，使双稳电路置位，此时计数器的闸门E被打开，时钟信号开始进入计数器，而当接收电路接收到发射波时双稳态电路复位，计数器闸门E被关闭，时钟信号被切断，数据被锁存，然后经译码驱动器在显示器上显示被锁存的数据，假设声速为343m/s,则时钟振荡器的频率为34.3kHz时，即可认为显示器上的读数是目标的距离，而事实上，时钟振荡器的频率只需要17.15KHz，因为我们要考虑到声波来回的双倍时间。
2.4方案的拟定
2.4.1测距报警器的电路原理框图
本设计由发射部分、接收部分、及报警部分组成（见图2）。
a.发射部分由低频调制器、双稳回路、40kHz振荡器、功率发送器及发射探头等组成。
40kHz振荡器受双稳态贿赂控制断续送出经低频调制器的信号，经功率放大器放大，由超声探头向车后发射。
b.接收部分由接收探头、放大电路、整形回路、双稳回路组成。
接收探头接收到反射信号由放大器放大后，再送入施密特触发器进行整形，然后输入报警部分。
c.报警部分由近距检测、平滑电路、触发器及声光报警器电路组成。
因探测到的反射波信号是一组脉冲信号，将其平滑后送入触发器，一旦超过触发阀值报警电路就接通，发出声光报警。
扩展部分（虚线部分）当电源电压偏低时，同样使报警电路导通发出声光报警。
另外在接通电源的同时接通语言报警电路，不断放出：
倒车，请注意“的语言报警声。
数字显示部分（虚线部分）由时钟振荡器、计数器、译码器及显示器组成。
时钟振荡器一接通电源即开始振荡，但只有计数器的闸门打开时，它才能进入计数器被计数，一旦接收到反射波信号，即关闭闸门，数据被锁存，经译码后通过显示器显示出来。
图4汽车倒车防撞测距报警器原理
2.4.2工作原理
接通电源,40kHz振荡器受双稳回路控制，置位时开始振荡，同时受低频调制器调制，双稳电路即复位，40kHz振荡器停振，其间产生的经调制的超声波信号经功率放大器放大后，通过发射探头向空中辐射，遇到障碍物即反射回来（按照反射角=入射角原则）。
接收探头接收到反射信号后即将此信号放大，然后送入施密特触发器进行整形，使其成标准的触发脉冲信号再送入另一双稳电路，此双稳电路在发射信号的同时被置位.（同时打开了计数器的闸门，使时钟振荡器信号得以进入计数器，当接收到反射波信号后，此双稳电路复位，计数器闸门关闭，时钟脉冲被禁止输入，锁存器将进入计数器的脉冲个数锁存，并经译码通过LED显示器显示出来.）此时即完成了一次测距过程，此过程能自动重复进行，重复频率受低频调制器频率控制，约几KHz。
另外，为了使仪器具有近距报警功能，特增设了近距RC平滑电路及触发器，由RC电路将反射波脉冲进行平滑，送入一触发器，一旦达到触发电平阀值，即使报警电路导通，发出声光报警。
至此，本设计的各功能均是为驾驶员了解车后情况设置的，为了使车后的行人也同时知道汽车在倒车，及时躲避.
2.5基本概念理论基础，设计计算的主要方法和内容
2.5.1波动学
a.简谐振动
定义：
如果一个质点眼固定直线通过平衡位置往复运动，其对平衡的位移
x随时间t的变化可以表示为正弦或余弦函数
x=Acos（wt+a）2-4
全振动----周而复始的一次循环
t---做一次全振动的时间间隔
因为x=Acos（ωt+a）=Acos[ω（t+T）+a]=Acos（ωt+a+2π）
所以ω称为振动的角频率或圆频率
f=1/T=2π/ω2-5
A——最大位移a——初相位
b.两个不同频率平行的简谐振动的合成（振动方向相同）
X1=Acos（ω1t+a）X2=Acos（ω2t+a）2-6
那么合成振动为:
X=Acos（ω1t+a）+Acos（ω2t+a）
=2Acos[（ω2-ω1）t/2]×cos[（ω2+ω1）t/2]2-7
由上式可知：
当ω1与ω2非常接近时，这时公式的第一项表示一个变化缓慢的简谐振动，两者的合成表示一个高频振动受一个低频振动的调制，称为拍。
2.5.2声波
物体的振动通过空气的振动进入人耳
声音的范围：
300—3.4kHz宽带为4kHz
声速：
u=342m/s（受温度影响T=273+t）
公式：
u=（rRT/M）1/2
M——气体摩尔质量R——摩尔气体常数
r——气体摩尔热容比T——273+t
2.5.3超声波传感器
原理：
发射——发射器中压电陶瓷和谐振片组成的振子，当交变电信号从引线加到发射器中，振子弯曲振动，驱动锥形口发出超声波。
2.5.4液体和气体中的纵波速度
u=（β/p）1/22-8
β——流体容量变弹性
p——流体或气体的密度
β的意义：
在压强P，体积为V→压强P+ΔP，V+ΔV，
那么dP=βdV/V。
稀薄大气中的声速：
绝热过程：
振动非常快，热量来不及传开
u=（rp/p）1/22-9
2.6元件选择清单
型号
名称
数量
备注
MA40EIS
超声波发射器
1
MA40EIR
超声波接收器
1
CX20106
红外线接收模块
1
单列，八脚
CD40106
六施密特触发器
1
CD4013
双D触发器
1
NE555
定时器
2
LED
发光二极管
1
CA3410
运算放大器
1
扬声器
1
2N4181
二极管
2
电阻
4.7Ω，240Ω，620Ω，300Ω，100Ω，47KΩ，22KΩ，10KΩ（3），180KΩ，200KΩ，30KΩ，8.2KΩ
电位器
22KΩ，10KΩ
电容
0.1μF（3），1000pF，0.01μF（4），330pF，250pF，
电解电容
1μF
（1）,47μF,100μF,2.3μF
表1元件清单
具体器件参数见附录。
2.7实验安装
在实验初期，把电路元件安装在数字实验箱上进行模拟实验，40kHz超声波发射电路是实验最主要的一部分，只有调制出这个40kHz超声波才可以做后续实验，超声波的发射电路见图5：
图540Hz超声波发射电路
在实验的过程中，电阻R5的大小影响输出波形的范围：
当R5为47KΩ时，频率从10.868kHz-26.050kHz;改变到8.2KΩ时，调节范围增大到21.243kHz-70.183kHz，改变滑动触头则可调到40KHz，波形见图6：
图6发射信号波形（f=40.124kHz）
实验箱上模拟在示波器上显示出如上信号的方波，然后将后续接受电路安装上，进行下一步实验，低频调制信号见图7：
图7低频调制信号波形（f=4.96kHz）
由CD40106的4引脚出来的信号见图8：
图8CD40106的4引脚出来信号波形（f=4.5kHz）
CD4013的一脚出来信号见图9：
图9CD4013的一脚出来信号波形（f=4.65kHz）
报警部分的电路图如图10：
图10声光报警器的电路
3.系统调试
3．1系统安装与调试
实验焊接完毕后就应该根据设计线路图进行调试，以便检测其实际的性能。
调试过程是利用符合指标要求的各种电子测量仪器，对安装好的电路或电子装置进行调整和测量，以保证电路或装置正常工作。
因此调试必须按一定的方法和步骤进行。
不通电检查电路安装。
认真检查接线是否正确，如多线，少线或错线，尤其是电源线不能接错或接反。
查线方法：
按照设计电路接线图检查安装电路，在安装好的电路中按电路图一一对照检查连线，在检查中要对已经检查过的连线做标记，使用万用表对检查连线很有帮助。
直观检查电源，地线，信号线，元器件接线端之间有无短路，联线处有无接触不良，有极性元器件引线短有无接错，反接等，集成块是否插对。
通电观察。
把经过准确测量的电源电压加入电路，但暂不接入信号源信号。
电源接通后，首先观察有无异常现象，包括有无冒烟，异常气味。
触摸元件是否发烫，电源是否短路等。
如果出现异常，应立即切断电源，排除故障后，才可重新通电。
调试过程中，不但要认真观察和测量，还要认真记录。
包括记录观察的现象，测量的数据，波形及相位关系。
必要时在记录中应附加说明，尤其是那些和设计不符的现象更是记录的重点。
依据记录的数据才能把实际观察到的现象和理论预见的结果加以定量比较，从中发现问题，加以改进，最终完善设计方案。
通过收集第一手资料，可以帮助自己积累实际经验，切不可低估记录的重要作用。
3.2实验结果：
数据记录分析处理
连续测量十次数据分别是：
L1=2.1m，L2=1.9m，L3=2.0m，L4=1.8m，L5=1.9m，L6=2.1m，L7=2.3m，L8=2.1m，L9=2.3m，L10=2.2m。
求其平均数数为：
=2.07m
ΔL1=0.03m，ΔL2=-0.17m，ΔL3=-0.07m，ΔL4=-0.27m，ΔL5=-0.17m，ΔL6=0.03m，ΔL7=0.23m，ΔL8=0.03m，ΔL9=0.23m，ΔL10=0.17m。
方差：
S2（L）=
2=0.03
均方差S2（
）=S2（L）/10=0.003
4.课程设计体会与总结
在分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题后，详细的介绍了超声波测距系统以及根据该系统设计的原理、方法和步骤，研制的汽车倒车防撞报警器。
本文设计的汽车倒车防撞报警器吸取了国内外各种报警器结构简单、性能优良、造价低廉等部分特点，并结合汽车电子工业发展方向而设计的，它具有以下功能：
a.倒车时能自动测出车尾与最近障碍物间的距离。
b.倒车至极限安全距离2米时，发出报警声提醒驾驶员注意刹车。
c.在倒车过程中，实现实时报警。
但由于实验时间短暂和某些芯片的原因，实验结果不是很理想，报警距离有所增加，在2米左右的时候就开始报警，而且距离越进则声音越急促，响声不连续，实时报警未能实现。
方案的补充、扩展
a.如果将报警器加以改进发展，使其可以在倒车时能重复发出“倒车，请注意”的语言警告声提醒行人注意。
b.在声光报警之后再加上一个报警电路，随时监测蓄电池电压，当电压低于11.2V时，发出声光警告声提醒驾驶员注意充电，以保证仪器及汽车能正常工作。
c.加入数据采集系统，可以实现倒车过程中，驾驶员不回头便可看到车后情况。
附录
集成电路芯片及电路元件的介绍
1．cx20106
1.1元件参数
单列8脚封装,电源电压=17V,输入电压=5Vp-p,低电平输出电压=0.2V,电源增益=79dB,静态工作电流=1.8mA,功耗=0.6W,工作温度=-20～75℃,贮存温=-55——150℃
1.2CX20106A其引脚功能如下：
1）信号输入端
2）调整预放大器增益及频率特性
3）连接检波电容
4）接地
5）调整中心频率
6）连接噪声滤波电容器
7）信号输出
8）电源电压
外形如图10：
图10CX20106A管脚
单列直插8脚或圆筒8脚封装，电源电压±2-±18V，开环电压100dB，输入偏置电流5pA，转换速率9V，输出电压13V。
2.超声波传感器
2.1MA40EIS/EIR超声波发射/接收传感器
超声波是一种弹性介质种的机械振荡，它两种形式；横向振荡波和纵向振荡波。
超声波可以在气体，液体，固体物质中传播，但是其传播速度不同。
它也有折射，反射现象，且在传播过程中椰油衰减，在气体中传播时衰减快，传播距离近；在液体固体中传播衰减慢，传播距离远。
常见在空气中的传播频率为几十千赫兹，而在液体和固体中传播频率相对较高。
由于超声波具有功率大，穿透力强，传播定向性好等优点，因此可以应用于很对领域，可实现加热，清洗，雾化，测距，遥控许多功能，利用超声波的的特点，可以做成各种超声波传感器.
2.2外形电路符号以及内部结构
外形
符号
内部结构
图9超声波传感器外形、符号、内部结构
（1、2为双压电晶片振子，3、4为两极，5为圆锥共振板）
2.3电气参数
参数名称
参数值
工作中心频率
40KHz±1KHz
声压电平（距离30CM,输入电压10V）
在中心频率时大于106dB
带宽（MA40EIS）
在100dB时大于1.5KHz
带宽（MA40EIR）
在-80dB时大于2.0KHz
灵敏度（MA40EIS）
大于100dB
灵敏度（MA40EIR）
-74dB
电容（pF）
（2200±20）%（在1KHz时）
发送器最大输入20V
接收器接收角度约为60°
温度特性
-30~+80范围内灵敏度变化在-10dB以内
表2电气参数和特性
2.4工作原理及应用
当施加与超声波传感器两极上40KHz的振荡脉冲时，发射器的工作腔内发生振荡效应,产生40KHz的超声波振荡机械波向空中辐射，接收传感器回收到40KHz的超声波振荡波时，接收器中的谐振腔和外部40KHz的超声波发生共振，将超声波转换成电信号去控制电子电路工作，从而达到遥控目的。
由于超声波换能器收发信号均是40KHz频率，所以只有40KHz的超声波产生即可被接收器接收。
此类遥控接收器基本工作应用电路类型分为三种：
a直射型，应用于遥测以及报警电路
b分离反射型，主要应用于测距，料位测量电路
c反射型，应用于材料的探伤，测厚电路
3.CD4013
3.1基本工作方式
CD4013是CMOS双D触发器，其管脚排列如图，内部有两个完全相同的D触发器FF1和FF2。
D为输入端，CP为时钟脉冲输入端，Q和Q为互补的输出端，S
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