基于单片机倒车雷达系统设计【开题报告+文献综述+毕业论文】

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本科毕业论文系列开题报告通信工程基于单片机的倒车雷达系统设计一、课题研究意义及现状当今，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，它给人们带来方便快捷的同时．也出现了许多问题。如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引发的剐蹭事件也越来超多，因剐蹭引起的纠纷也在不断地增加。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以一定程度上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．减少倒车车祸事件。当代倒车雷达主要有以下形式：(1)人声报警：指通过语音的方式将障碍物距离播报出来。特点是清晰准确，不影响视觉观察、缺点是有时延，会有一定的误差。尤其是在车与障碍物之间的距离变化较快时，语言来不及转换，无法播报准确的数据。(2)电子声报警：指通过形象的心跳声或者嘀嘀声等来标识距离，特点是不影响视觉观察，时延小，缺点是不准确。(3)数字显示：指在显示设备上动态显示与障碍物之间的距离数值。优点是直观准确。缺点是需要眼睛经常看，影响视觉观察。(4)图像显示：指具有摄像头的倒车雷达将车后的障碍物图像直接显示到视频设备上。优点是误差小，直观准确。缺点是需要眼睛经常看，影响视觉观察，而且在不同的天气和气候下会有一些影响。现在新型的倒车雷达还可以提供电视收看等功能。当前倒车雷达待于解决几个主要问题。（1）怎么很好的减少视野上所谓的“盲区”；（2）如何探测到过低的障碍物，提高准确度；（3）如何推广倒车雷达产品，是大众知道倒车雷达的意义；不过，经过长时间发展之下，倒车雷达系统技术已进展到相当成熟阶段，不论在整合到汽车内装结构外观上，或是性能、价格上，都有其特点与优势。二、课题研究的主要内容和预期目标利用雷达测距原理，用单片机作为控制器，设计制作一个汽车倒车雷达报警器。毕业设计的具体内容： （1）测距范围0-1.5米（2）能根据障碍物的距离发出三种不同的报警提示声。（3）能显示障碍物距离，误差≤5%。结合上述内容，要研究一种基于51单片机简单的倒车雷达系统设计，成本低，能实现一般功能。该设计技术要求：（1）能检测到汽车车尾0-1.5m的障碍物；（2）在系统的液晶显示器上能准确显示障碍物和汽车的距离；（3）在障碍物距离汽车1-1.5m时，蜂鸣器发出轻微报警；（4）在障碍物距离汽车0.5-1m时，蜂鸣器发出一般报警；（5）在障碍物距离汽车0-0.5m时，蜂鸣器发出刺耳报警。三、课题研究的方法及措施本课题重点研究超声波测距原理和单片机控制电路。超声波测距原理其实很简单：它发射超声波并接收反射回波，通过单片机计数器获得两者时间差t,利用公式S＝Ct/2计算距离，其中S为汽车与障碍物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度。构成超声波测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器以及一些辅助电路。超声波传感器用来产生超声波。在选择单片机过程中，我选择功能优异，可靠性好，成本低廉，具有较强的竞争力的MCS-51单片机。它在指令系统、硬件结构和片内资源上，我都有一定的基础。而且，51单片机可以很好的结合了软硬件设施，符合我的要求。系统设计原理示意图如下：四、课题研究进度计划 毕业设计期限：自2010年10月1至2011年5月30日。2010年10月1日至1010年10月30日:明确任务，查找资料，确定系统总体设计方案；2010年11月1日至2010年11月30日:写文献综述，外文翻译2010年11月30日至2010年12月3日：完成开题报告，准备开题答辩2010年12月4日至2010年12月30日：完成换能电路设计和仿真；2011年1月1日至2011年1月15日：完成PLC控制系统硬件和检测电路的设计；2011年1月15日至2011年1月30日：完成控制系统的软件设计，同时通过实验模拟测试；2011年1月30日至2011年2月25日：撰写毕业论文，完善与修改毕业论文；做好论文答辩的PPT资料，准备答辩，并提交所有电子文档材料。。五、参考文献[1]王俊峰,孟令启等.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006，8.[2]杨恢先，黄辉先等.单片机原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2009，1.[3]宋庆文，当代安全技术及其未来发展趋势[EB/OL],[2010-10-22].http://wenku.baidu.com/view/689a5abbfd0a79563c1e725f.html[4]周洁，透视汽车倒车雷达[EB/OL],[2010-10-25].http://wenku.baidu.com/view/4af1b5ea81c758f5f61f6720.html[5]李建法，超声波测距的电路设计与单片机编程[J].安阳师范学院学报，2003，5，47~48[6]刘海峰.汽车倒车雷达系统全接触[J].汽车电器,2007,(12):5~7[7]张毅刚等．MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006,1[8]姚来凤，冯益华，王丽，超声波及超声检测[J].山东轻工业学院学报，2007，6，21（2）：6773[9]腾志军,陈莉,张宇帅.一种语音同步提示的倒车雷达的设计[J].电子科技，2007，218（11）：77-99.[10]伊恩.ULTRASONICDISTANCEMETER[P].美国：5442592，Aug.15,1995[11]atasheetofAT89C2051[Z]．AtmelCorporation，USA，2005． 毕业论文文献综述通信工程倒车雷达的发展和展望摘要：随着社会经济的发展交通运输业的蓬勃发展，汽车的数量在不断的增多。交通拥挤状况也日益严重，特别是中国发达的大城市，撞车事件屡见不鲜，造成了不可避免的人员伤亡和经济负担。就针对这现况，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必可以减少交通事故，相对降低人员伤亡。超声波测距是常见的应用。本文就是介绍基于单片机的倒车雷达系统设计。关键字：倒车雷达；超声波1.倒车雷达设计的发展当今，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，它给人们带来方便快捷的同时．也出现了许多问题。如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引发的剐蹭事件也越来超多，因剐蹭引起的纠纷也在不断地增加。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以一定程度上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．减少倒车车祸事件。[3]从汽车产生至今汽车倒车雷达已经经历六代技术改良，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。最耳熟能详的第一代也是最早的产品“请注意倒车，请注意倒车” 。现在这个产品已经差不多被淘汰了，其用途就是提醒路人小心。在第一代倒车雷达简单语音提醒之后，第二代产品采用数码波段显示，可以显示车后障碍物离车体的距离。通常采用三种颜色来提示司机。绿色代表安全距离；黄色代表警告距离；红色表示危险距离；第二代产品把数码和波段组合在一起，比较使用，也比较低成本，但安装在车内在当时年代显的不美观。随着科技的发展，液晶屏应用在汽车上，只要汽车一启动，在液晶屏上显示汽车图案以及汽车周围障碍物的距离，虽然在造诣上有了进步，不过这种倒车雷达抗干扰性低，常常出现误报。这种情况下，魔幻镜倒车雷达出现了，他结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速微机控制，可全天侯准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音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。这种倒车雷达技术现在不能普及，因为价格稍高。不同的家庭，在选择汽车的时候，就会考虑各方面的因素。倒车雷达技术就是其中因素之一。[4]倒车雷达的质量直接关系到其能否起到应有的作用。比如产品的灵敏度、是否存在探测盲区、是否正常工作等。而倒车雷达的性能主要考虑探测范围、准确性、显示稳定性和捕捉目标速度。A.探测范围大多数倒车雷达产品在0.2~1.5m，些品牌的倒车雷达因其敏感度不够，探测距离仅为0．1~0．5米，会给司机的判断及采取措施带来一定的困难。B.准确性一是看显示的分频率，一般产品能分辨出10cm左右的物体，而好的产品能达到1cm；二是要看探测误差，即显示距离与实际距离之间的误差。C.显示稳定性是指在障碍物反射面不太好的情况下，能否始终捕捉到并稳定地显示出障碍物的距离。D.捕捉目标速度反映了倒车雷达对移动物体的捕捉能力。这对于避免类似儿童或骑车人从车后突然穿过，而驾驶员视线不及引起的碰撞事故尤为重要。2倒车雷达的原理倒车雷达由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。现在市面上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，将汽车的挡位推到R挡，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，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置，再由显示器显示距离并发出警示信号，从而使驾驶者倒车时不至于撞上障碍物。整个过程，驾驶者无须回头便可知车后的情况，使停车和倒车更容易、更安全。具体地说，倒车雷达的工作原理为：首先连接电源并打开，车辆进入倒挡时，探测器主机自动进入工作状态，同时显示器波段亮起。然后，用专用钻头在保险杠上开孔，并将探测器分别装入孔内。根据车主倒车和停车的习惯，四个探头探测器分别安装在汽车的尾部或者两侧安装两个。安装好探测器主机在适当的位置，将显示器夹在车内后视镜上，就开始正常工作。以上分析的属于倒车雷达实际上的工作原理，也是大家一看就能明白的。实际上，在纯理论的倒车雷达上说，也就涉及到超声波测距原理。[9]2.1超声波测距的工作原理和方式 人能听到的声音频率为：20Hz~20KHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20KHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在20KHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。超声波反射能力强，为此，利用超声波的这种性能就可以制成超声波传感器，实现倒车雷达功能。利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：（1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；（2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响；（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。[8]声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。即利用s=vt／2计算被测物体的距离。式中s为收发头与被测物体之间的距离，v为超声波在介质中的传播速度(v=331.4m/s)，t为超声波的往返时间间隔。[5]工作原理为：发射头发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被其表面反射返回，由接收头接收，其往返时间为t，由S算出被测物体的距离。T为环境温度，在测量精度要求高的场合必须考虑此影响，但在一般情况下，可舍去此法。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。3.倒车雷达的技术缺陷当您在驾驶汽车时，有时明明从反光镜及后视镜中没有看见有车跟在后面，可当您要变换车道或转弯时，突然发现有汽车从侧面钻出，这是为什么呢？有经验驾驶者便会知道，这是因为反光镜及后视镜都有一定视野范围，又称之为视野死角或者盲点（区）。因此，倒车雷达技术在设计时也容易出现所谓设计「盲点」问题。例如：雷达无法侦测过低障碍物位置（临界点约为30公分）；因为发射角度过小，虽然目前设计大都以两具雷达来共同执行侦测动作，可惜每具发射角度过小（约60°），不利倒车转弯动作；还有视觉死角问题，一旦在汽车处于两具雷达之间的三角形空白地带，若静止于这个区域内物体，将扫描上产生盲点困扰。话说回来，只要是雷达设备都有盲点，只是大小、位置不同而已。不过，经过长时间发展之下，倒车雷达系统技术已进展到相当成熟阶段，不论在整合到汽车内装结构外观上，或是性能、价格上，都有其特点与优势。基本上，汽车市场上使用较多技术，包括：数码显示技术、液晶屏幕显示影像及毫波雷达倒车等设备。 4.总结倒车雷达作为一个汽车的辅助电子设备，能够在驻车和倒车过程中为车辆提供安全的保护。但是，在使用过程中不能过分的依赖倒车雷达系统，而是要把驾驶员的主动判断性和电子设备的被动检测相结合来处理实际行车遇到的问题。同时，相关部门应及时发布倒车雷达的统一标准，来规范倒车雷达的市场发展。参考文献[1]王俊峰,孟令启等.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006，8.[2]杨恢先，黄辉先等.单片机原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2009，1.[3]宋庆文，当代安全技术及其未来发展趋势[EB/OL],[2010-10-22].http://wenku.baidu.com/view/689a5abbfd0a79563c1e725f.html[4]周洁，透视汽车倒车雷达[EB/OL],[2010-10-25].http://wenku.baidu.com/view/4af1b5ea81c758f5f61f6720.html[5]李建法，超声波测距的电路设计与单片机编程[J].安阳师范学院学报，2003，5，47~48[6]刘海峰.汽车倒车雷达系统全接触[J].汽车电器,2007,(12):5~7[7]张毅刚等．MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006,1[8]姚来凤，冯益华，王丽，超声波及超声检测[J].山东轻工业学院学报，2007，6，21（2）：6773[9]腾志军,陈莉,张宇帅.一种语音同步提示的倒车雷达的设计[J].电子科技，2007，218（11）：77-99.[10]伊恩.ULTRASONICDISTANCEMETER[P].美国：5442592，Aug.15,1995[11]atasheetofAT89C2051[Z]．AtmelCorporation，USA，2005．. 本科毕业设计（20届）基于单片机倒车雷达系统设计摘要倒车雷达是一种 将微型计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可检测汽车倒车，其障碍物与汽车的距离，并根据障碍物与车尾的距离远近实时发出报警的系统。本文介绍了基于单片机的倒车雷达系统设计，详细讨论了硬件电路和单片机程序的设计。该设计有低成本实现较高性能的特点。关键词：倒车雷达，超声波，单片机AbstractReversingradaristhesafetyandassistantdeviceswhenparkingorreversingavehicle,itcantelldriverscircsaboutthearoundbarrierwithvoiceoramoreintuitivedisplay,releasethesurroundedvisitpuzzlefromdriverswhenparking,reversingand startvehicles.ThispaperpresentsadesignofcarreversingradarsystembasedonAT89C52microcontroller,whichhadlow-cost,high-precision,LEDdisplay,voicealarmandultrasonicdistance.Thedesignofhardwareandsoftwarearegivenindetailinthepaper.KeyWords：Reversingradar,ultrasonic,MCU 目录 1引言随着我国汽车产业的高速发展，尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐渐增加，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。本文所设计的倒车雷达预警系统主要是针对汽车倒车时人无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。该系统将微型计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可检测汽车倒车，其障碍物与汽车的距离，并根据障碍物与车尾的距离远近实时发出报警。1.1课题研究的背景和意义当今，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，它给人们带来方便快捷的同时．也出现了许多问题。如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引发的剐蹭事件也越来超多，因剐蹭引起的纠纷也在不断地增加。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以一定程度上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．减少倒车车祸事件。1.2国内外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改变。经过五年的发展，倒车雷达系统已经过了六代的技术改良，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。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。此产品在倒车状态时，语音提示路人小心，但价格便宜。 第二代轰鸣器提示：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，轰鸣器就会开始工作。轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。此产品没有语音提示，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。价格在200~400元之间。第三代数码波段显示 ：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1.8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。 此点评：第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观，价格在400~1000元左右。第四代液晶荧屏显示：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。此产品实现动态显示，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，价格在800~1500元之间。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。由于其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配，不过价格稍高，在1000~2000元之间。第六代新品即将推出，是专门为高档车配置的。从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，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。相信 价格超过2000元，不过对于享受尊贵的消费者来说，这套系统值得一试。可以说倒车雷达在人们的生活中已经有着举足轻重的地位。在经济上，人们也是可以接受的。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视野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。 2超声波介绍2.1什么是超声波人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20Hz-20KHz范围内，而超声波是指频率高于20KHz的机械波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。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。常用的超声波传感器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器；二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。下面我们主要介绍压电式超声波传感器[5]。2.1.1压电式超声波传感器简介压电式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[8]。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，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，便产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，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器了。2.2超声波传感器的应用超声在许多领域内比可听声的用途更加广泛，是基于以下凡个原因[7]:1.具有方向性，超声波的频率越高，则方向性越强。2.在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素。3.超声波的频率越高，则波长越越短，波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度测距中，这一点相当重要。4.超声是不可听声，这样就避免产生噪声，因而超声具有绿色特性。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHz及40-45KHz。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，分离式反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。 3倒车雷达的原理与总体设计3.1超声波测距原理图3-1测距原理图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12M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight），也可以称为回波探测法，如图3.1所示。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，超声波在介质中传播，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。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，根据计时器记录的时间(t)，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)。公式如3-1：（3-1）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， 但是在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，表3-1列出了几种不同温度下的声速。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。根据表3-1，我们得出v=331．4+0．607T(3-2)式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是倒车雷达的理。表3-1声速c与温度的关系温度(℃)-30-20-100102030100声速(米/秒)3133193253333383443493863.2倒车雷达的总体设计方案图3-2倒车雷达系统总框图该倒车雷达系统的应用背景是基于AT89C52的超声信号检测的。因此初步计划是在室内小范围的测距，限定在3米左右量程。超声波传感器采用收发分体式。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后，输入单片机的INT0脚产生中断，计算中间经历的时间，同时再根据具体的温度计算相应的声速，根据式(3-2)就可得出相应的距离用来显示，当然在一些场合也可根据需要，设置距离报警值。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) ，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出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有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能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，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。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。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表而缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。发射部分的点脉冲电压很高，但是由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。接收部分就是由两级放大电路，检波电路及锁相环构成的，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(AT89C52)能够识别的中断信号作为回波到达的标志。3.3单片机的选择本系统中所用到的主要芯片有单片机AT89C52、LCD1602、CX20106A、DS18B20。以下就部分芯片的功能与结构做简单介绍。3.3.1AT89C52的简介AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得 AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.3.2STC98C52的引脚图图3-3STC98C52引脚图 4硬件设计倒车雷达，又称泊车辅助系统，或称倒车电脑警示系统[6]。它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。它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、倒车和启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，提高驾驶的安全性。倒车雷达系统主要有主机和探头两部分组成。主机电路包括发射电路、接收电路、计数显示电路三部分。单片机采用AT89C52。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口控制发射和停止输出超声波换能器所需的40KHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的字符型TC1602液晶显示，段码用ZLG7289驱动。4.1超声波发射模块超声波发射部分是为了让超声波发射换能器T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由非门组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图4.1所示。图中输出端电容C可以除去直流分量，可以提高超声波的发射强度、增强驱动能力。其电路设计如图4.1所示。 图4-1超声波发射模块电路图4.2超声波接收模块上述换能器T发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收转换器R进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106（内部结构见图4.3），得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。接收部分的电路，如图4.2所示。 图4-2超声波接收模块电路图可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89C52的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R2，将滤波器的中心频率设置在40kHz，就可达到理想的效果。图4-3CX20106内部结构4.3温度补偿部分由于声音的速度在不同的温度下有所不同，为提高系统的精度，采用了温度补偿功能。这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将DS18B20数据线与单片机的P1.1口相连，就可以实现温度测量，如图4所示。 图4-4DS18B204.4LCD显示部分本设计显示部分采用字符型TC1602液晶显示所测距离值。TC1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，与数码管相比，显得更专业、美观。使用时，可将P0与LCD的数据线相连，P2口与LCD的控制线相连，如图4.4所示。 图4-5LCD1602显示电路4.5报警部分采用一个蜂鸣器，由P1.2输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管PNP的放大。报警部分的连线，如图4.5所示。图4-6报警电路 4.6单片机最小系统图4-7单片机最小系统本设计主要运用AT89C52单片机来控制及处理超声波的发送、接收，以及用传感器DS18B20来声光报警系统和字符型TC1602液晶显示测的的距离。最小系统中AT89C52芯片外接石英晶体以及电容C1、C2接在放大器的反馈回路（AT89C52内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大电路，XTAL1、XTAL2分别是该放大器的输入和输出端）中构成并联振荡电路。当振荡器运行时，图4.3中9引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8k的下拉电阻，与VCC之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。 5软件设计5.1软件的设计要求本系统的设计要求是利用超声波测距原理设计一个小型的倒车雷达。要求通过设计能够测出并显示车与障碍物之间的距离，并能在距离小于一定的值的时候根据设定的值进行嗡鸣报警[2]。5.2软件设计的总体结构框图图5-1系统模块框图系统初始化模块：即系统刚上电的时候对系统的各个引脚的电平分配和对各寄存器的初值赋值。数码管显示模块：通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在数码管上。发射接收控制模块：发射控制模块是软件控制超声波发射电路发射。超声脉冲启动定时器工作，同时启动接收电路工作，当接收电路有信号输入时，对输入信号进行处理。 运算处理模块：运算结果处理模块将多次所测的时间进行处理，进行软件取大值工作，根据公式计算出距离，然后再对计算得出的结果进行修正处理，数据处理后送至数码管显示模块。报警模块：当所测距离小于一定值时，通过声音报警来提醒使用者。5.3各个程序的流程图本节讲述的是各个程序流程图的设计，包括：主程序流程图、测距程序流程图、距离处理流程图、语音播报程序流程图、LED显示程序流程图、中断程序流程图。5.3.1主流程图图5-2主程序流程图 工作时，微处理器AT89C52先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。要检测返回信号必须在启动发射信号后0.1ms左右才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。然后再根据现场的情况进行声光报警。5.3.2发射接收模块流程主程序调用测量子程序，计算子程序，显示子程序完成一个测量周期。测量子程序如下：图5-3测量子程序流程图考虑到在测量的距离超过一定限度后误差会变大，可以在大于一定距离后采用软件修正，补偿实际测的数据，当然这要在调试中收集大量的实际测试数据后在单片机中设置。当计算时为了提高计算精度可以用计算计数脉冲个数来提高计算精度，改进后的公式如公式5-1： (5-1)其中N表示为计数脉冲个数，v为超声波在空气中的速度，f为计数频率也即单片机的晶振频率。5.3.3INT0中断服务子程序在中断程序中，当有中断产生也即接收到超声波信号就马上关闭中断与定时器，并进行距离计算与判断的工作。图5-4中断程序流程图超声波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机内部的计数器T0来完成的。在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题是由于换能器之间的距离不大，有部分声波未经被测物就直接绕射到接收换能器上。从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，通过控制触发器不能触发，也即超声波发射后不是马上的接收，而是要经过一段时间的等待再接收，使不会发中断申请，可有效躲避干扰，但也会形成所谓的“盲区”。本系统的盲区通过计算在24cm左右。 5.3.4显示报警子程序图5.5显示报警子程序 6调试本倒车雷达系统有两块PCB板一块是单片机最小系统，另一块是超声波的发射和接收组成的测距模块板，调试分块进行。把烧录好的芯片放置在电路中，接上电源，检验程序是否如自己所设计的那样可以实现所要求的功能。如果电路板上的结果和设想的不同，由于在硬件检查部分已经确定了硬件没问题。则应该是软件部分即程序方面的问题。需要检查程序。首先检查红外接收部分，用示波器检查红外接收管的输出口或是INT0口的波形是否正确。红外接收部分没有问题后再调试电机部分，看电机是否能按照遥控要求那样转动。然后是超声波部分，主要看数码管的现实是否正常，还有就是控制按钮是否按要求控制。因为前面已经确定硬件没有问题了，所以，在软件调试的时候可以结合硬件来在线调试，这样很直观，而且发现问题也很容易。6.1误差分析引入测量误差的原因主要有[9]：1、环境对测量的影响，包括空气温度变化引起的声速变化、空气成分变化、声波传播途中温度梯度导致测温不准确等，由于这些因素对结果产生的影响比较小。开关门的可靠性是标志超声波测距仪可靠性的关键,即同步门控制。也就是说发射与脉冲计数必须同步。2、量化误差：即参考频率计数结果的误差,由于选择的单片机计时时钟频率为12MHz,所以有量化误差为0.01米，符合测距要求范围。所以超声波发送应考虑因素有:1.量程范围;2.目标距离和目标反射情况。超声波频率高对探测较小目标有利,有效反射目标应大于至少10个波长以上,对于非垂直于发射波束的目标,大波束角的传感器通常可以获得更强的回波信号,而波束角越窄对于减小散射波的干扰越有利。3、触发误差：由于被测信号经放大、整形,门控产生“开门脉冲”和“关门脉冲”中,噪声信号、干扰信号的掺入,使触发的时间可能提前或滞后,给测量结构带来了随机误差，该误差与信号的触发波形有很大关系。 4、超声波波束对探测目标的入射角的影响；超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发；影响测量误差的因素很多，还有现场环境干扰、实际脉冲频率等。6.2有待进一步优化的问题（1）定时器最小时间捕获问题：由于发射和程序之的指令时间，使距离不可能无限近，本程序设计定时器最小的时间捕获的距离为6CM。（2）算法问题：由于计算距离的算法是假设在斜距与距离近似相等的基础上的，所以近距离测试有误差，而且越近误差会大。所以有待新的算法对其进行校正。（3）测量距离问题：采用的都是数字驱动有一个缺点，就是功率有点小。因为门电路的电流有限在一定程度上限制了发射功率，虽然可以并联、推挽等办法可以提高功率。但相对于模拟功放电路来说还很大还上升的空间。 7结束语本文所设计的倒车雷达系统是保障汽车倒车安全的辅助系统，通过超声波探头发出超声波，使用高速单片机测量车与障碍物之间的往返时间然后再计算车与障碍物之间的距离，并加入了软件补偿，提高了距离计算的精度，然后显示在LED数码管上。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，同时蜂鸣器提示报警，距离越近蜂鸣器的报警时间间隔越短，当距离小于最小安全距离时，蜂鸣器不间断报警。 参考文献[1]王俊峰,孟令启等.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006，8.[2]杨恢先，黄辉先等.单片机原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2009，1.[3]宋庆文，当代安全技术及其未来发展趋势[EB/OL],[2010-10-22].http://wenku.baidu.com/view/689a5abbfd0a79563c1e725f.html.[4]周洁，透视汽车倒车雷达[EB/OL],[2010-10-25].http://wenku.baidu.com/view/4af1b5ea81c758f5f61f6720.html.[5]李建法，超声波测距的电路设计与单片机编程[J].安阳师范学院学报，2003，5，47~48.[6]刘海峰.汽车倒车雷达系统全接触[J].汽车电器,2007,(12):5~7.[7]张毅刚等．MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006,1.[8]姚来凤，冯益华，王丽，超声波及超声检测[J].山东轻工业学院学报，2007，6，21（2）：6773.[9]腾志军,陈莉,张宇帅.一种语音同步提示的倒车雷达的设计[J].电子科技，2007，218（11）：77-99.[10]伊恩.ULTRASONICDISTANCEMETER[P].美国：5442592，Aug.15,1995.[11]DatasheetofAT89C2051[Z]．AtmelCorporation，USA，2005．[12]UnitedStatesPatent5442592,Ultrasonicdistancemeter,08/15/1995 附录1系统实物图 PCB印刷电路板 附录2实验原理图 附录3程序代码#include#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//sbitPSB=P3^4;sbitRES=P2^7;sbitRS=P2^4;sbitRW=P2^5;sbitE=P2^6;sbitH=P2^2;sbitR=P2^1;sbitG=P2^3;sbitTP=P3^5;sbitwarn=P3^4;unsignedlongtime,time1,time2;#defineDataPortP0unsignedints,ss;uchara[17]="危险距离";ucharb[17]="注意保持距离";ucharc[17]="安全距离";uchard[17]="测量距离:.米";bitStop_Flag=0;bitOver_Flag=0;sbitSend_CSB=P3^5;//高为发送unsignedlongtime;//,time1/*******************************************************************************毫秒延时**********************************************************************************/voiddelay1ms(intt){inti,j;for(i=0;i100&&time<200){show_chiese(b,17,0x80);H=0;R=1;G=1;}if(time>200){show_chiese(c,17,0x80); G=0;H=1;R=1;}delay(10);numch(time);//将测量得到的数字转换成ASC码show_chiese(d,17,0x88);delay(10);}}}Send_CSB=0;delay1ms(10);Send_Start();delay1ms(300);}}