1、本 科 毕 业 设 计倒车防撞系统的设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着社会的不断进步，经济不断发展。尤其是我们中国各种行业都得到了空前的发展。与此同时在 2009 年中国的汽车市场已经超过美国成为世界第一大汽车市场。由于我国自主品牌的不断壮大，国内的汽车价格在不断降低，所以现在越来越多的老百姓都对车子有需求，在路上跑的车子也是越来越多。不过同时也带来了很多弊端，首先就是道路交通变得越来越拥堵，其次出现汽车事故的案件也在不断增长。在这些汽车事故当中有一大部分的原因都是泊车时盲区较大而造成的，而停车时最大的盲区就是汽车尾部。所以说
2、现在去研究设计一种可靠性高点，探测盲区小点，精确度高点，价格便宜点的倒车雷达系统是很有必要的。论文内容是基于 AT89C51 单片机倒车预警防撞系统的设计，设计的思路主要是运用超声波的特点和优势，把超声波测距系统与 AT89C51 单片机组合于一体，整合成一种基于AT89C51 单片机的倒车防撞系统。这个系统是采用软、硬件结合的方式，并且具有模块化与多用化的一些特点。该系统中运用到的芯片数量少，电路简洁。采用通用型的单片机作为中央处理器。使得在需要扩展功能时会比较简单，外加硬件设备也变得比较方便。该论文在阐述过程中给出了主要的电路原理图，以及各个分支电路原理图。在软件设计部分有程序流程图，充分
3、说明了系统的设计过程以及系统的工作原理。还说明了超声波发射与接收原理，对系统的各个单元都进行了介绍与分析。介绍了该系统所运用到的芯片功能及实现方式，以及其工作原理。论文还介绍了系统的软件编写，通过编程来实现各个整个系统的功能。最后还对倒车系统的影响因素以及其客观存在的误差分析，并提出可靠减少误差的方法。关键词:倒车雷达；单片机；超声波；AT89C51IIAbstractWith the development of society, the constant development of economy. Especially we Chinese various industry have
4、been unprecedented development. Meanwhile in 2009, Chinas auto market had overtaken the United States as the worlds biggest car market. Because our country independent brand expansion, domestic car in lowering prices, so now more and more people can afford a car, on the road ran car is also more and
5、 more. But at the same time, it brings a lot of drawbacks, first is road traffic is becoming more and more jams, second automobile accident case appears is growing. In these car accidents have a most of the reasons are parking caused when large blind area, and the biggest blind when parking is the a
6、utomobile tail. So now go to study design a kind of reliability highs blind little dots, precision detection, cheap price point high astern radar system is very necessary.Thesis is based on AT89C51 microcontroller reverse collision warning system design, design ideas is to use the main features and
7、advantages of ultrasound, the AT89C51 ultrasonic ranging system and combined in one single chip, integrated into a reverse-based collision avoidance system AT89C51 microcontroller. This system is the use of hardware and software as the way, and has a modular and multi-use of some of the features. Th
8、e system applied to a small number of chips, circuit simplicity. Used of general-purpose microcontroller as the central processor. So when the need is relatively simple extensions, plus the hardware becomes more convenient. The paper describes the process are given in the main circuit diagram, and e
9、ach branch circuit schematic. Part of a program in the software design flow chart, which shows the system design process and the system work. Paper describes the principle of ultrasonic transmitter and receiver, each unit of the system have been introduced and analyzed. Introduced the system applied
10、 to the chip functionality and implementation, and it works. The paper also introduced the system of software development, through programming to achieve the various functions of the system. Finally, the impact of reversing factor in the system and its objective error analysis, and reliable method t
11、o reduce error.Key word：Reversing radar; SCM; ultrasonic wave; AT89C51III目 录第 1 章 绪论 .11.1 倒车雷达研究的背景 .11.2 国内外倒车雷达系统的发展状况 .11.3 超声波检测概述 .2第 2 章 超声波测距原理 .32.1 超声波传感器的介绍 .32.1.1 超声波传感器特性 .42.2 超声波测距原理及实现方式 .52.3 影响超声波探测的主要因素 .6第 3 章 单片机超声波测距系统的构想 .93.1 超声波测距的整体方案 .93.2 系统的主要参数 .103.2.1 传感器的指向角 .103.2.
12、2 声速 .103.2.3 测距仪的工作频率 .103.2.4 发射脉冲宽度 .113.2.5 测量盲区 .11第 4 章 倒车雷达系统的硬件电路介绍 .124.1.单片机 AT89C51 介绍 .124.1.1 管脚安排 .134.2 电源的设计 .144.3 发射和接收电路 .144.4 显示电路 .154.5 音频解码电路 .164.5.1 芯片 LM567 的介绍 .174.5.2 芯片 LM567 的使用注意要点 .174.6 蜂鸣报警电路 .18第 5 章 系统软件设计 .195.1 主程序 .19IV5.2 显示子程序和蜂鸣报警子程序 .22第 6 章 系统误差分析及改进 .24
13、6.1 误差产生原因分析 .246.1.1 温度对超声波声速的影响 .246.1.2 回波检测对时间测量的影响 .246.2 针对误差产生原因的系统改进方案 .24小结 .26致谢 .27参考文献 .28附录 1 程序 .29附录 2 系统总原理图 .351第 1 章 绪论随着社会经济的不断发展，汽车工业得到了空前的壮大。尤其是中国的汽车市场已经成为世界第一大市场，在 2009 年世界金融危机的时候，在汽车市场普遍不景气的大环境下，中国车市逆势上扬。交通运输业的日益旺盛，从而汽车的数量就不断的增长。在交通道路发展跟不上汽车工业的发展时，道路交通就变得越来越拥挤，撞车事件也在不断增多，对人们造成
14、了不可避免的人身伤亡与直接的经济损失。鉴于这种问题的不断突出，设计一种可靠性高，高精确度，响应速度快的倒车防撞预警系统是非常有必要的。现在市面上出现了很多种测距方式，其中超声波测距最为常见，这种方式已经广泛的运用于汽车的前后及其周围在低车速时的防撞预警系统中。超声波是一种物理声波，具有声波的传播物理特性。有较好的防干扰能力，这个预警系统就是通过超声波的反射波来确定车子与障碍物之间的距离，并用指示灯及数码这种提醒方式，直观的告知驾驶员起到安全的作用。1.1 倒车雷达研究的背景由于倒车时事故的发生率很高，对经济会造成不小的损失，尤其是直接装到老人与小孩这样更是不堪设想了。所以在上个世纪就已经出现了
15、倒车雷达。倒车雷达的全称是“倒车防撞系统”或者称为“泊车辅助装置” 。这种装置在一定的基础上解决了司机在泊车是左顾右盼时引起的麻烦，并且在一定程度上减少了驾车盲区。倒车雷达与普通的雷达原理相似，还是根据动物仿生学而研究出的。通过超声波发射器与接收器的使用接受信号，再经过对信号一系列的处理后来判断前方是否有障碍物，并且计算得出障碍物的距离。但是军用雷达可以同时探测出物体的大小及其形状等参数，而倒车雷达现在一般都只能测出距离。司机把档位挂至倒车档时，倒车雷达系统就会自动启动，当遇到障碍物的时候，安在后保险杠上的信号探头接受器就会接收到反射信号，从而直接就计算出车尾与障碍物的距离。这样司机就不会撞上
16、车后的障碍物，而避免了不该有的经济损失。1.2 国内外倒车雷达系统的发展状况第一代倒车雷达这种雷达是用单一的蜂鸣器来提醒车主的，这个是标志着倒车雷达的开始。倒车时，如果车子离障碍物的距离靠近倒一定程度的时候蜂鸣器就会发出警报，越靠近障碍物警报声的频率就越高。就是通过这种简单的频率高低来大致判断障碍物的距离，但是缺点是不能判断出准确的距离。第二代倒车雷达这种雷达产品就是采用数码管显示了，可以直接显示出车后的障碍物的具体距离。假如车后是物体就在 1.8M 的时候就开始显示距离；如果是人就从 1M 左右开始显示距离。这种显示方式放在车内会比较不美观，并且安装起来也不是非常方便。第三代倒车雷达这种倒车
17、雷达是用液晶显示屏显示的，这款产品相比前两代就有了质的飞跃了。显示屏可以直接和车子的中控台整合在一起，可以和导航，CD，DVD 一起显示与屏幕上。而不用单独的再安装一块屏幕来显示距离。但是液晶屏的外观虽然美观，但是其灵敏度高，抗干扰能力差所以误报的时候也较多。2第四代倒车雷达这种倒车雷达在第三代的基础上把显示的距离更具体化了。当车子低速行驶时，屏幕可以选择显示车子周围的情况。同时会在屏幕中间显示出一个车子的图案，假如周围有障碍物，障碍物在何处，距离都能直观的在仿真车子旁边显示出来。甚至可以直接判断出障碍物的大小。这种产品就不能单一称为倒车雷达了，因为显示的是整辆车身周围的情况，对在拥挤的车库停
18、车时非常有效果。 1.3 超声波检测概述超声波就是一种频率超过 20KHZ 的机械声波。超声波是我们听不到的一种特殊的声波，同样超声波也具有声波传输的基本物理特性、反射 、衍射、干涉、散射。超声波同时还具有方向性集中、振幅小、加速度较大的特点，可以产生较大的力量，并且可以在不同的界面传播，超声波的大部分能量都会被媒介反射。所以利用超声波检测就会显得比较迅速，方便，容易得到实时监控的效果，并且在测量精确度方面还能达到很高的要求，现在超声波主要应用于建筑施工工地、倒车雷达还有一些工业现场的探测。就比如井深、液位等。当超声波在不同的介质中传播时，我们能根据不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来判
19、断物体的质量好坏称为超声波检测技术。在水中，可以利用超声波脉冲在水中的传播，遇到鱼群而反射回来的反射波来判断鱼群的位置和多少，对渔业的发展起到了很大的作用。同时也可以用超声波来探测海底深度，可以用来描绘海床构造。超声波还可以利用回波来探测金属、非金属、堤坝的损伤情况，以及其损伤的位置及大小。这是非常实用的一种技术，也可以提早的发现问题所在。还有就是超声波还可以探测出人体内存在的结石、囊肿、肿瘤等疾病。还可以探测胎儿，对胎儿的生产起到辅助作用。当超声波在移动的物体中传播时利用多普勒效应，就可以测量出流速和流量等，探测心脏搏动功能等。若将超声波作为媒介传送某种信号时，那么就可以制成水中遥测仪，水中
20、电话等遥感设备，以便进行水中通信。超声波还有一个特性就是在固体和液体中传播的速度会远远小于电磁波的速度，利用这一特性可制成超声延迟线和存储装置以及对电视制式的转换等。还可利用超声波测量液位、温度、粘度和硬度等。除以上这么多功能运用之外，声发射和声成像技术的发展更大的丰富了超声波的检测内容。超声波与电磁波，光波，射线等检测手段相比，它的最大特点就是穿透力很强，几乎能在任何物体中传播，可以了解到被检测物体的内部情况。同时超声波还有成本低廉结构简单的优点，能真正意义上的运用到实际工程中。所以超声波测量在航空航天，实话，机械，国防，矿产，材料，机械等众多领域都得到了广泛的运用。近几十年来，由于现代电子
21、技术，微型计算机的技术，信号处理技术还有超声波的产生与接收技术的不断创新与发展，突破了以前常规超声波检测客观存在难题的局限，进一步扩大了超声波的适用范围。3第 2 章 超声波测距原理2.1 超声波传感器的介绍超声波由于其有传播距离较远，能量消耗缓慢，指向性强的优点而被经常用于距离的测量，就比如说测距仪和物位仪等都能通过多超声波特性的运用来实现。超声波测距技术主要运用于建筑工地，一些工业现场还有就是本论文所论述的倒车雷达防撞预警系统。运用超声波检测一般会比较方便迅速，计算简单，能达到实时控制的要求。特别在精度方面能满足工业要求，所以超声波检测系统能在测控系统中得到非常广泛的运用。超声波传感器是一
22、种能将其它形式的能转换为我们所需要的超声波能或者是反过来把超声波能转换为其它我们可以运用的能量的器件。到目前为止，常用的传感器分为两大类，即电声型和流体动力型。电声型又主要包括：1 磁致伸缩传感器；2 压电传感器；3 静电传感器。流体动力型又主要包括气体和液体这两种类型的哨笛。根据其应用目的和工作频率的不同，超声波传感器的形式结构又是多种多样的，并且连名称也是个不相同的。比如说在超声检测与诊断时习惯上把超声波传感器叫做探头，而在工业中用到的流体动力型传感器就分别会被称为“哨”或“笛” 。传感器主要的组成部件就是压电晶片。压电晶片受到发射电脉冲的激励后所产生的振动既是可发射声脉冲，就是逆压电效应
23、。相反超声波作用于压电晶片的时候，压电晶片被迫受到振动所引起的变形就可以转换成相应的电信号，这就是正压电效应。后者是用于超声波的接受，前者是用于超声波的接收。由于这样的构造，超声波传感器一般会采用两块压电晶片制作而成。这种传感器中的压电晶片的材料较少，所以价格就会比较便宜，并且非常适用于液体和气体媒介中。在在压电陶瓷上加上方向和大小都在不断变化的交流电压时，根据压电效应就会迫使压电陶片产生不规则的机械变形，这种机械变形的方向和大小会在一定范围内与加在压电晶片上的电压成正比。这就是说，如果在压电晶片上加了频率为 f1 的交流电压，它就会同时产生同频率的机械振动，这种振动就会推动气体或液体的等媒介
24、，这样就会发出超声波。相反，如果在压电晶片上受到超声机械波德作用，也会对压电晶片造成机械变形，那么这种机械变形也会和超声波一直，这个机械变形就会使压电晶片产生频率和超声波相同的电信号。4图 2.1 压电式超声波发生器的构造图压电式超声波发生器是运用压电晶片的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部结构图如图 2.1 所示。它内部有两个压电晶片还有一个共振板，当两个电极外加了脉冲信号时，它的频率与压电晶片的固有振荡频率相同时，压电晶片就会发生共振，并且会带动共振板振动，这样就产生了超声波。相反，如果两个电极间没有外加电压，同时共振板接收到超声波的时候，这时将会压迫压电晶片产生振动，将机械能转换成为
25、可电信号，这时它就成为了超声波接收器。压电晶片它本身就有一个固定的谐振频率，就是中心频率 f0。当发射超声波的时候，加在晶片上面的交流变电压的频率一定要和晶片的固有频率相一致。这样超声波传感器的灵敏度就会较高。当压电材料不变的时候，可以改变压电陶瓷晶片的物理尺寸大小，就可以非常方便的就能改变晶片的固有谐振频率。也可以利用这种特性来制作各种固有频率不同的超声波传感器。超声波传感器内部结构除了压电陶瓷晶片以外还包括锥形辐射喇叭、引线、金属壳、底座以及金属网所构成。其中压电晶片是传感器的核心部分，金属外壳可以防止外界物理因素对压电晶片和锥形辐射喇叭的损坏。锥形辐射喇叭可以使发射和接收的超声波能量集中
26、在一起，并且使传感器有了一定的指向角。金属网也是起到保护作用的，但是完全不会影响发射和接收超声波。2.1.1 超声波传感器特性超声波传感器的基本特性包括指向特性和频率特性，在这个章节里以 SZW-S40-12M 发射型超声波传感器为例加以说明。一 指向特性实际上超声波传感器的压电晶片形状是一个小圆片，可以类似的把表面上的每个点都看成一个振荡源，这样就可以辐射出一个整个半圆的波形，这些指波并没有指向性。但是在离开超声波空间的某一点的声压是这些子波所迭加的结果，这个就是所谓的衍射，衍射的波形就有指向性。二传感器的频率特性图 2.2 所示就是超声波传感器的频率特性曲线。从图中可以看出 f040KHz
27、 为超声波发射传感器的中心频率，在 f0 处超声波能产生最强的超声波机械波，这也就是说在 f0 处5传感器产生的超声波的声压能量等级是最高的。而在 f0 处两侧的声压能量等级就会成指数衰减。所以，用来激励超声波传感器的交流电压的频率一定要非常接近中心频率 f0 才能有效的产生机械波。图 2.2 超声波发射传感器的频率特性曲线同样，超声接收传感器的频率特性和超声波发射传感器的频率特性也是类似的。曲线在 f0 处也是最高的,所以是说能输出的电信号的幅度也是最大的，即频率在 f0 处的接收灵敏度是最高的。因此，超声波接收传感器同样也具有很好的频率选择的特性。要注意的是超声波传感器的特性曲线还和输出端
28、的外接电阻也有很大的关系，假如电阻很小的话，频率特性就会使光滑而且较宽的带宽，与此同时灵敏度也会随之降低，而且最大灵敏度也会向稍低的频率移动。假如电阻很大的话，频率特性就是尖锐共振的，而且在这个共振频率上的灵敏度也会变得很高。因此，超声波传感器应该和输入阻抗较高的前置放大器一起使用才能达到有较高接收灵敏度的效果。2.2 超声波测距原理及实现方式以超声波测距原理为分类依据则可分为两类，一类是共振式，另一类就是脉冲反射式。本文中运用到的方式就是第二种方式。这种方式就是利用超声波的反射特性来实现的。超声波的测距原理是通过超声波发射器向某一个方向不断的发射出超声波，在发出超声波的时候就开始计时，此时超
29、声波在空气中传播。当遇到障碍物时，由于其反射特性会反射会大部分超声波，在接收器接收到反射波的时候就会立即停止计时，得到一个时间 t。在常温的环境下，超声波的传播速度和普通声音是一样的，在空气中的速度也是 340m/s，根据刚才得带的时间 t，就可以利用公式计算出超声波发射点和障碍物之间的距离 S，即：（2-1）0*2/tcts其中，t0 就是超声波在发射点和障碍物之间的单程传播时间。很容易可以看出它的主要组成部分有： (1) 供应电能的脉冲发生器；(2) 使接收和发射工作在不同时间的转换开关；(3) 转换电能为声波能，且能将声波能发射到空气中的发射传感器；(4) 接收反射波能和转换波能成为电能信号的接收传感器；
