自制汽车倒车防撞定位系统.docx
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自制汽车倒车防撞定位系统
自制汽车倒车防撞定位系统
电子与信息工程系电子信息工程专业
118702005023杨庆峰指导老师何华
【摘要】本文介绍的系统采用单片机AT89S52作为核心控制芯片，控制发射与接收超声波，利用单片机的定时器测量出超声波经过路径所用的时间，从而用单片机程序计算出障碍物与汽车之间的距离，来判断后方有无障得物，进而以LED直观地显示告知驾驶员周围障碍物的距离，便于驾驶者更好地做出判断及反应，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视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
【关键词】汽车防撞；单片机；超声波
1引言
随着我国汽车产业的发展和人们生活水平的不断提高，越来越多的家庭拥有自己的汽车。
在享受汽车给我们带来的便利同时，一方面汽车的数量逐年增加，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越来越少;另一方面，新司机及非专职司机越来越多，由于倒车而产生的问题也日益突出，倒车引起的纠纷也越来越多。
倒车时，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。
在2002年汽车事故的发生比例中，倒车引起的事故占21%,到2006年，倒车引起的事故占28%，到2008年甚至到达了30％，倒车已成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事。
汽车倒车时，由于驾驶员看不清车后部的人或物件，往往会引发事故，由于存在视觉盲区，无法看清车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故。
当倒车进入停车场指定泊位时，如果撞到石块或桩基，常常会将车后的消音器、后车灯或后箱撞坏。
倒车是一个复杂的工程，它依赖于驾驶者的驾驶经验、驾驶技巧及反应灵敏程度、任一环节出问题都导致驾驶员无法快速准确地完成倒车任务。
改善倒车遇到的窘境被越来越多的人所关注，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，解决汽车倒车中存在的困难。
解决汽车的倒车难问题目前有两种思路，一是寄希望于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟，目前这项技术仍处于研制开发阶段，短期内尚未能推广应用；第二，据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可减少倒车事故的30%。
所以采用简单的汽车倒车预警系统，亦能很大程度地解决倒车难题，但是传统的汽车倒车预警系统的功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断车后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务。
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。
即“倒车雷达”。
倒车雷达（CarReversingAidSystem）[1]，全称“倒车防撞雷达”又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，要针对汽车倒车时无法目测到车尾的物体和距离车身的距离而设计开发的。
倒车雷达发展大概经历三个阶段，开始的倒车防撞仪可以测试车后一定距离范围的障碍物从而发出警报，后来发展到根据距离分段报警，前两个阶段的倒车雷达一般采用专用集成电路，功能较简单。
随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高。
以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。
要求倒车雷达连续测距并显示障碍物距离，并采用不同间歇鸣叫频率的声音报警提示距离，以尽量不占用驾驶员的视觉让驾驶员全神贯注地注视场景。
本设计根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障得物相撞的原理设计，利用指向性强，能量消耗缓慢，遇到障碍物后反射效率高的超声波，采用单片机AT89S52作为核心控制芯片，控制发射与接收超声波，单片机的定时器测量出超声波所经过路径所用的时间，从而用单片机程序计算出障碍物与汽车的距离，来判断后方有无障得物，进而以LED直观地显示告知驾驶员周围障碍物的情况，便于驾驶者更好地做出判断及反应，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视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
2系统的设计原理
2.1测距的原理
距离公式[2]：
距离（S）=时间（T）×速度（v）。
在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。
其原理图如图2-1
图2-1超声波测距原理图
根据图2-1,可以求得：
距离（S）=
。
（2-1）
2．2超声波测距的原理[3][4][5]
超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。
一般而言是指声音频率超过了20KHz以上时称之为超声波。
与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播,在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速c与温度有关，电磁波的传播速度为3×108m/s，而超声波在空气中的传播速度约为v=344m/s（常温20℃时），其速度相对电磁波是非常慢的。
[6]超声波在相同的传播媒体里（如大气条件下）传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的:
（2-2）
（2-2）
式中，
为振幅，
为常数，ω为圆周率，t为时间，
为传播距离，
为波数，
为波长，
为衰减系数。
衰减系数与声波所在介质及频率的关系为：
（2-3）
式中，
为介质常数，
为振动频率。
在空气里，
=
当超声波频率
=40kHz（即为超声波）代入式（2.3），可得
=3.2×10-4/cm,即1/a=31m；若f=30kHz，则1/
=56m。
它的物理意义是：
在（1/
）长度上，平面声波的振幅衰减为原来的1/e，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播也越短。
超声波在实际介质中传播时，因空气分子运动摩擦等原因，其能量将随距离的增大而逐渐减小，称为衰减。
引起衰减的原因大致有三个:
（1）由声束扩展引起的衰减。
（2）由散射引起的衰减。
（3）由介质的吸收引起的衰减。
当超声波沿着传播方向传播10m时，
=10m
就是说超声波传播出去10m后，振幅衰减了约1/4。
声强约衰减了1/2。
我们把单位时间内通过垂直于波的传播方向上单位面积的能量称为能流密度，能流密度的时间平均什，称为波的强度，即为声强（用
表示）。
当超声波束波垂直射入到两种介质的界面，即从介质Ⅰ垂直入射到声特性阻搞不同介质Ⅱ时，入射波的能量
的一部分进入介质Ⅱ，透射波能量为
。
另一部分反射仍在Ⅰ中传播，其能量为
。
根据能量守恒得：
（2-4）
声强反射系数：
（2-5）
声强透射系数：
（2-6）
（2-7）
为介质密度，c为声波在介质中的速度。
=1.29
㎏m-3×344
=443.76
由定性分析得：
假如反射面为墙面，即混泥土，则声强反射系数:
r=0.998,说明反射波与入射波的强度之比大于99.8%
声强透射系数：
t=0.00179
说明透射波与入射波的强度之比小于0.2%。
定性分析得:
声波被混泥土墙面反射，反射声强大于入射波声强的99.8%,透射波声强小于入射波声强的0.2%，即透射的波的能量很小，不足考虑。
由上述定性分析，超声波被混泥土等墙面反射，只需考虑反射波，不考虑透射波。
超声波方向性强，扩散少，多次被反射，但多次反射的反射波不易被超声波接收器接收，可以不予考虑。
折射波不会被接收，也不予考虑。
超声波测距仪理论分析结论:
超声波在传播过程中存在能量损耗，波束多种路径传播，存在着多种干扰信号，但接收器一般只能接收到被被测面垂直反射的信号，因为这个信号最强，因此，也就滤掉了其它回波等干扰信号。
使正确地接收正确信号成为可能。
因此利用超声波传感器及设计的硬件电路，可以及时辨识有用的超声波回波信号，时间由单片机定时器T0得到，时间与速度相乘，得距离。
由于超声传播不易受干扰，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，同时超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，因此超声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力，本文利用单片机设计了软件及硬件组成的超声波非接触式测距系统．用超声波测距来做为倒车雷达，具有原理简单，易于控制，且具有非接触测量、价格低廉等优点。
超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。
由于共振法的应用要求复杂。
本设计采用脉冲反射式。
超声波测距原理是通过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。
利用超声波测时间方法有相位检测法[7]、声波幅值检测法和渡越时间检测法[8]等。
相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。
本倒车防撞雷达采用渡越时间检测法。
超声波在空气中的传播速度为c，而根据单片机的定时器时器T0记录的测出发射和接收回波的时间差t。
最后根据测距的原理，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：
。
这就是所谓的时间差测距法。
考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率
=40kHz的超声波。
3系统结构及硬件设计
3．1系统结构及设计思路
3．1．1系统结构
倒车定位系统的主要框图：
如图3-1所示
图3-1倒车定位系统的主要框图
3．1．2设计思路
用按钮控制单片机，令单片机知道开始进行汽车倒车的定位，此时单片机对多谐振荡器模块发出信号，并同时用定时器T0进行计时，促使多谐振荡电路产生了40KHz的矩形波信号，由于40KHz信号的周期为25us,多谐振荡电路发出连续的8个脉冲，持续时间约为200us,脉冲发射时间间隔为30ms,为了提高测量距离，必须利用功率放大电路为超声波传感器提供足够的能量，所以经过放大来驱动超声波发射传感器发射40KHz的超声波。
当超声波从一种介质射入另一种介质时，其发生的反射远远超过透射的强度，使得被反射的超声波经过原来的路程，回来原点面被超声波接收传感器接收，回于收到的超声波一般强度都在1mv~1v之间，这时就要通过放大电路来对超声波接收传感器所接收到的信号进行放大，由于汽车倒车防撞系统工作于相对复杂的环境中，各种来自环境中的信号在被超声波接收传感器接收时，虽然信号强度很弱，但经过多倍数的放大后可能会对系统对信号的产生错误的判断，因此在系统中进行了40KHz频率的检测，用以判断接收到的信号是40KHz的超声波信号。
最后通过比较整型，来向单片机发出中断请求。
当单片机接收到中断请求时，就停止了定时器T0的计时，并且对数据进行整理计算，最后显示出障碍物的距离。
由于车后障碍物（或人）的反射面积或大或小，为提高检测的可靠性、不留盲区，同时测量汽车尾部与障碍物之间的最小距离，必须在汽车尾部安装多个超声波传感器，因此在车辆后尾架或底盘上安装左、中、右3套超声波传感器，如图（3）所示。
图3-2垂直探测角度与水平探测角度
测量时巡回检测各个探头与障碍物之间的距离，以各距离的最小值作为最终测量距离。
由于对多个回路的测量采用分时测量的方法，可以通过多路选择开关共享部分硬件资源。
这样不但可以降低硬件成本，还可以提高各回路测量结果之间的可比性。
倒车时，启动倒车定位雷达，系统测算出，超声波接收传感器与障碍物的距离在100-160cm以内，LED警示红灯间歇式闪烁。
当距离为50-100cm以内，则LED警示红灯以更高的频率闪烁，为50cm以内则LED警示红灯长亮。
如果所测得的距离为大于160cm时，则LED警示红灯熄灭，同时绿灯长亮。
在这些所有的过程中LED数码管都将所测得的距离进行显示。
这样驾驶员可以通过警示灯及所显示的距离来对障碍物进行判断，同时结合自己的经验，使倒车更加容易，更加安全。
本系统可识别的最远的障碍物距离为:
S=216×12/
osc×344/2=65536×344×10-6/2m=11.272m
3．2硬件设计主要芯片的介绍及元件参数设计
本部分主要介绍40KHz多谐振荡器的电路设计，LM567，LM311，超声波发射接收传感器。
3．2．1多谐振荡器的电路设计［９］
多谐振荡器采用的NE555芯片来设计
555定时器是一种中规模集成电路，是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需在外部配上适当的电阻和电容，便可方便构成脉冲产生和整形电路。
NE555内部功能图及DIP封装管脚图 如图3-3所示
图3-3（a）NE555内部功能框图［９］
（b）DIP封装管脚图［９］
参数功能特性：
供应电压4.5-18V
供应电流3-6mA
输出电流225mA（max）
上升/下降时间100ns
用NE555定时器构成的多谐振荡器的工作原理：
图3-4用555构成的占空比可调多谐振荡器
NE555多谐振荡电路的工作波形如图3-5所示
图3-5NE555多谐振荡电路工作波形［９］
占空比q=tw1/T=（R1+R2）/（R1+2R2）=50%（3-1）
tw1=0.7•R2•C2,tw2=0.7•R1•C2（3-2）
使用单片机过P1.0发出高电平，促使555构成的多谐振荡器发出频率为40KHz的矩形脉冲，同时又通过P1.0发出低电平，使得多谐振荡器停止发射脉冲。
根据计算可以得知t1=t2=12.5us,则R1=R2=18K，C2=0.01uf。
3.2.2通用音调译码器LM567[11]
LM567一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封，为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I和Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。
内部原理如图3-6所示：
图3-6LM567内部原理图[11]
用外接元件独立设定中心检波频率带宽和输出延迟。
其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率
0
0≈1/1.1RC（3-3）
其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：
电容值越大，环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端，要求输入信号大于等于25mV。
⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
在输入小信号情况下（约几十mV），其输出为正弦鉴相特性，而在输入大信号情况下（几百mV以上），其输出转变为线性（三角）鉴相特性。
LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：
当LM567的③脚输入幅度大于等于25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，否则没有输出，这样设计可大大提高抗干扰能力。
②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。
由f0公式可以得出要求中心频率为40KHz时，且C=0.01uF,则R=2.272K。
3.2.3高灵活性的电压比较器LM311[12]
图3-7LM311管脚图[12]图3-8LM311内部原理图[12]
其2，3，7脚为一个放大器单元。
2脚为同向输入端，3脚为反向输入端，7脚为输出。
工作原理是：
给8脚和4脚分别置电源的两端，2脚和3脚分别输入采集的需要比较的两个模拟电压，当同向电压大于反向电压的话，侧7脚输出逻辑的“1”；反之，若反向大于正向，输出逻辑“0”。
输出的逻辑“1”“0”的大小伏值由置与8和4脚的电源电压来决定。
比如：
置8为+5V，4为0，则比较后输出的逻辑电平伏值就是5V和0V。
也可以置其双电源，双电源就好比+5V和-5V，其优点就是可以用于比较在0V上下的电压。
现在好多种类的传感器输出就是0V上下的正弦波。
3.2.4超声波发射接收传感器
超声波发生器可以根据超声波传感器结构分为两大类：
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。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。
因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
在超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲串。
超声波传感器内部结构如图3-9所示。
它有两个压电晶片和一个共振板。
发射超声波时，压电传感器中的压电晶片受发射的40KHz电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，产生超声波。
接收超声波时，两电极间未外加电压，共振波接收到超声波，将压迫压电晶片作振动将机械能转换为电信号，但在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。
图3-9超声波发生器内部结构
超声波在空气中，频率越高，功率越大，精度越高，但在空气中衰减越快；相反，频率越低，功率越小，空气中衰减越慢，但误差大。
综合考虑75kHz、40kHz、25kHz等几个常用超声波频率的特点，取4OkHz可以较好地解决这个矛盾。
为了便于超声波的发送和接收，本方案采用共振频率为40kHz的超声波探头，其发射探头选用UCMT40,其对应的接收探头选用UCMR40。
其有效工作频率为（40士1）KHz。
其内部参数如图3-10所示。
图3-10UCMT/R40传感器的内部参数
3.3系统硬件设计
3.3.1单片机控制、显示及示警电路
如图3-11所示：
图3-11单片机控制、显示及示警电路
由单片机管脚P1.0接到多谐振荡器，通过高电平信号控制多谐振荡器产生40KHz、占空比为50%的方波信号，单片机复位管脚9接到复位电路，18、19管脚接单片机主时钟发生电路，其主时钟频率为12MHz，P1.1做为倒车发出指令，当P1.1的收到了低电平时，则说明车进行倒车，此时单片机通过P1.0发出一个高电平信号，控制多谐振荡器发射脉冲，同时使定时器T1进行定时，定时超声波发射到其被反射接受所用的时间，使用定时器T0进行定时，控制发出脉冲个数，当计时时间达到200us，促使中断控制P1.0发出一个低电平信号，促使多谐振荡器停止发射脉冲，同时重新赋初值给定时器，用于控制发射脉冲时间间隔。
且时间间隔为30ms。
重复发射及停止发射信号。
即促使超声波发射超声波，及停止发射超声波。
INT0管脚接外超声波接收电路，但其接收到下降沿的一个中断信号时，单片机认为接收到障碍物反射回来的信号。
此时，外部单片机停止定时器T1定时，同时计算出信号的来回时间，由第二部分的测距原理可以得知，距离S=Ct/2。
并将所得出的距离通过LED显示器显示。
同时单片机判断超声波接收传感器与障碍物的距离，当距离在160-100cm以内，由P1.2发出一定频率的矩形波使得LED警示红灯间歇式闪烁。
当距离为100-50cm以内，则P1.2发出更高频率的矩形波，使LED警示红灯以更高的频率闪烁，为50cm以内则P1.2置位为高电平LED警示红灯长亮。
如果所测得的距离为>160cm时，则复位P1.2为低电平，置位P1.3，使得LED警示红灯熄灭，同时绿灯长亮。
单片机P0.0~P0.7接七段显示器的八个管脚，进行控制数字显示，单片机P2.0~P2.3进行四个显示器的显示，进行动态显示。
同时显示超声波传感器的位置，如：
左边：
L，右边：
R,，中间：
A，前面：
F。
3.3.2超声波发射传感器驱动电路
超声波发射传感器驱动电路如图3-12所示：
图3-12超声波发射传感器驱动电路
超声波发射传感器驱动电路由多谐振荡电路、放大电路及超声波发射传感器组成，用555定时器组成多谐振荡电路，用9013三极管作为一个晶体管放大器，刚开始初始化定时器555的4管脚接到单片机P1.0管脚，为低电平，此时定时器555不工作，当定时器555的管脚4得到高电平时，定时器555开始工作，则多谐振荡电路在u0处发出40KHz，占空比为50%的信号，且经过9013晶体管放大器放大，9013的电源由一个24V的电源单独提供，提高放大倍数，用于驱动超声波发射传感器，由换能器的逆压电效应形成40KHz超声波，以增加超声波发射的能量和测量的精度。
传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态。
理论上信号的幅度呈指数上升的，Q个周期后达到满幅度的95％，1.5Q个周期后达到99％。
为提高传感器的灵敏度，Q值一般不能太低。
为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于Q个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。
考虑到测量“盲区”。
这里选择脉宽为200us,包含8个调制的40KHz的方波信号。
3.3.3超声波接收电路
超声波接收电路如图3-13所示。
超声波接收电路由超声波接收传感器、放大电路、选频电路、整形电路组成。
超声波接收传感器接收到反射回来的超声波时，由于接收到的超声波信号强度较弱，接收换能器UCM-R40的输出信号只有几毫伏，因此接收到的回波信号首先经过放大器OP07进行放大，放大倍数为1000倍。
选频电路由音频译码器LM567实现，当检测到的信号中有接近LM567设定的中心频率（在此处为超声波工作的频率40KHz），且达到一定幅值的回波时，即大于或等于25mV时，LM567的输出引脚8有高电平变为低电平，即确定已检测到反射波。
最后经电压比较器LM311整形,形成中断信号。
图3-12超声波接收电路
3.3.4设计电路中的性能改善[13]
由于超声波是声波，它的传播速度受到温度、湿度、压强等影响，其中温度的影响尤为严重。
因此在测量精度要求高的场合，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。
可用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器作为温度测量传感器，DS1820是单线串行数字温度计，可直接与单片机连接并且接线形式简单，测量范围为-55～125℃，一1O～85℃时测量精度为O.5℃。
传感器所测量的温度值用9位二进制数直接表示，输出的是用9位二进制编码表示的温度值，根据实际温度的值，利用式（3-1）可计算补偿声速。
（3-1）
这些值通过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，无需外部电源。
DS18B20数字温度传感器与AD590、LM35等温度传感器相比：
具有相当的测温范围和精度，温度测量精确、不受外界干扰等优点。
4软件的设计
4.1软件的设计流程图
图4-1本系统程序流程图
图4-2距离判断及警示软件流程图
4.2软件的设计流程
当汽车倒车时，驾驶者通过按钮告知本系统，进入倒车状态。
此时，单片机控制系统通过P1.0口，促使多谐振荡器输出40KHz的矩形信号，同时设定定时器T0工作方式为1，进行定时。
且为了避免系统误操作，即将刚发出去的信号接收，设定单片机在信号未发送完全的时候对接收到信号进行屏蔽，这就造成系统对近距离的定位盲区。
此系统的盲区为6.88cm。
发送完毕后，开启允许外部中断，等待接收超声波反射信号。
且每隔60ms后，判断是否有接收到信号，若没有时则再进行重复发射。
当接收到外部中断INT1时，控制系统停止计时，并将定时值保存，同时进行双字节数的想乘，乘数为344m/s，被乘数为16位定时值。
求出单程距离，距离为四字节数，储存。
将四字节数转换成8位BCD码[14]，用于显示和比较。
由于距离的精确度为cm，则取BCD高四位数进行显示，单位为cm。
同时对距离判断，我们将距离分为四个危险等级：
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