1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于超声波的汽车倒车防撞报警系统硬件设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 随着社会经济发展，交通运输业日益兴旺，汽车的数量也在大幅攀升。交通拥挤状况日趋严重，撞车事件屡屡发生，造 成了不可避免的人身伤亡及经济损失，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系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。 论文概述了超声波检测的发展和基本原理，阐述了超声波传感器的原理和特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论并且
2、在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了他们的工作 原理。 关键词 ：超声波，倒车防撞， 检测 II The Hardware Design of Anti-collision Alarm system for Auto Reversing Based on ultrasonic Abstract With the development of social economy， transportation industry is booming,
3、 the number of cars in sharply .Traffic congestion has become more and more serious， crashongoing ， caused the inevitable casualties and economic loss ， In view of this situation, design a kind of fast response, high reliability and more economical car prevent outfit system is imperative .Ultrasonic
4、 ranging method is one of the most common distance method, this paper introduces rangefinder is using ultrasonic ranging method and design of a reverse the install alarm system . This paper summarizes the ultrasonic detection development and basic principle, this paper expounds the principle and cha
5、racteristics of ultrasonic sensor. Some of the main parameters for system is discussed and introduces the function of ultrasonic ranging system was put forward on the basis of the overall system formed. Through a variety of emission receiving circuit design scheme comparison, the conclusion of the b
6、est design scheme of system, and the principle of every design unit are introduced. Each system composed of the circuit to chip are presented, and expounds the principle of their work. Keywords: ultrasonic, reversing impact-proof, detection III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 4 1.1 倒车防撞报警系统研究的背景及意义
7、. 4 1.2 倒车防撞报警系统的发展历史及现状 . 4 1.3 倒车防撞报警系统研究的主要内容 . 5 2 倒车防撞报警系统方案设计 . 7 2.1 倒车防撞报警系统总体设计 . 7 2.2 设计方案的论证 . 7 3 超声波测距原理 . 9 3.1 超声波传感器介绍 . 9 3.2 超声波测距原 理及实现 . 9 4 倒车防撞系统各组成单元方案设计 . 11 4.1 发射电路方案设计 . 11 4.2 接收电路方案设计 . 11 4.3 系统显示方案设计 . 12 4.4 系统报警方案设计 . 13 4.5 单片机复位 . 14 4.6 时钟电路 . 14 5 单片机及元器件介绍 . 16
8、 5.1 AT89C51 的简介 . 16 5.2 8155 芯片介绍 . 17 5.3 超声波发射模块元器件选择 . 17 5.4 超声波接收模块元器件选择 . 18 6 系统误差分析及改进 . 19 6.1 误差产生原因及分析 . 19 6.2 针对误差产生原因的系统改进方案 . 19 6.3 测量盲区 . 19 结论 . 20 参考文献 . 21 致谢 .错误 !未定义书签。 4 1 绪论 1.1 倒车防撞报警系统研究的背景及意义 随着我国汽车产业的发展以及人民生 活水平的不断提高，越来越多的家庭有了自己的汽车，在享受汽车给我们带来便利的同时，一方面是汽车的数量逐年增加，公路，街道，停车
9、场和车库拥挤不堪，可转动的空间就越来越少，另一方面，新司机以及非专职司机越来越多，由于倒车而产生的问题就日益突出，倒车引起的纠纷也越来越多。倒车时，车辆之间，车辆与人之间，车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生，在 2002 年的车辆事故发生的比例中，倒车引起的事故占 21%，到 2006 年，倒车引起的事故比例占 28%，到 2008 年甚至达到了 30%。倒车已成为一项令人头痛的任务，即使是经验丰富的 老司机也在抱怨倒车是一件费力费神的事。 汽车倒车时，由于驾驶员看不见后面的物体和人，往往会引发事故。由于在视觉盲区，无法看清楚身后的障碍物，司机倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故，当倒车进入停
10、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，后车灯和后车箱撞坏。倒车是一个复杂的任务。他依赖于驾驶员的驾驶经验，驾驶技巧以及反应灵敏程度。任一环节出现错误都会导致驾驶员无法快速准确的完成倒车任务。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能提出了更高的要求，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，短期内尚未能开发应用，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
11、车事故的 30%。所以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来完成倒车任务。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可以安全的完成倒车任务，即倒车雷达 6。 1.2 倒车防撞报警系统的发展历史及现状 目前，很多科研机构已对汽车雷达技术进行深入开发，国内外也已有相应的产品。经过总结分析，按照工作方式分主要有激光、超声波、红外、毫米波等一些测量方法，他们的工作原理虽然不完全一样，但最终作用都是通过不同5 的探测方法判断车后方障碍物与本车的相对距离，并根
12、据程序中定义好的危险等级做出相应的预防措施。下面分析一下几种方式的特点： 激光方式：激光具有高定向性，能以定向的光束无发散地的直线向前传播；单色性好，它 可以达到的亮度比太阳光还要高几百亿倍；相干性好，激光的频率、振动方向、相位高度一致。因此激光波束近似直线性，很少扩散，波束能量集中，传输距离较远。但它在对气候的适应能力方面具有局限性，因为激光测距方式受恶劣天气、汽车激烈震动、发射镜表面磨损、污染等因素影响，则探测距离减少 1/2 到 1/3，降低了实用精度，所以在汽车倒车防撞领域没有得到很好的发展。 红外线方式：红外线可以人为制造，自然界中也广泛存在，一般的生物都会辐射出红外线，体现出来的宏
13、观效应就是热度，红外线透视和夜视就是分别利用了红外线的不通性质。红外线测 距系统成本低廉，但是容易受到天气和路边等物体干扰的影响，在恶劣的天气与环境下探测距离仍然不能满足要求。 毫米波方式：毫米波是微波的一个波段，频率在 30-300G，相应博城为1-10mm。毫米波电子系统具有如下特性：小天线孔径具有较高的天线增益；高跟踪精度和制导精度；不易受电子干扰；低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小；多目标鉴别性好；雷达分别率高；大气衰减 “谐振点 ”可作保密传输。但其价格昂贵结构复杂。 超声波方式：超声波是频率大于 20khz 的声波，具有方向性强，能量衰减缓慢、在介质中转播距离远等特点，用于测距计 算
14、方法简单，常用于非接触式距离测量，其传感器种类较多，由于超声波指向性强，在传输过程中能量洗损耗慢，反射能力强，经常被用于距离的测量。由于超声波测距的探测距离较短，主要用于倒车防撞系统等近距离测距 7。 汽车雷达按照其测距的方向可分为倒车雷达和前置雷达。倒车雷达主要针对当前在拥挤的街道、停车场以及人群当中，倒车时，时有发生的倒车碰撞事故而设计的。它是在汽车以较低速度倒车行驶时，周期内不停检测车后障碍物到车的距离，当达到一定危险距离时及时给与司机以声与光的形式的警告。由于倒车雷达检测距离比较短，可选择红外线 和超声波，而本文就是对超声波倒车雷达的具体分析研究。 目前很多汽车的生产商已经开始在生产的
15、汽车当中加入超声波倒车雷达。一些汽车维护部门已经引进了这方面的修理维护技术 10。 1.3 倒车防撞报警系统研究的主要内容 1.研究国内外倒车防撞系统的发展历史及现状，理解本课题研究的意义。 6 2.超声波测距原理。 3.超声波发射及接收电路。 4.倒车防撞报警系统。 5.分析误差产生的原因，提出解决方法。7 2 倒车防撞报警系统方案设计 2.1 倒车防撞报警系统总体设计 系统总体 框图如图 2-1 所示 。 图 2-1 超声波倒车防撞系统原理框图 组成超超声测距系统的功能模块包括发射电路 、接收电路、放大电路、检波电路、显示电路、核心功能模块单片机控制 器以及一些辅助电路。采用收发分离方式有
16、两个好处：一是收发信号不会混叠 ，接收探头所接到的皆为反射信号；二是将接收探头放置在合适的位置，可以 有效的避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠 性。 2.2 设计方案的论证 利用超声波探测器测距时常用两 种方法 :强度法及反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远那它的反射信号就越弱，依据反射信号的强弱便可以知道被测物的远近，但是在使用这种方法的时候由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和进而使整套系统失效，由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合于较短距离的而且精度要求不高的场合。
17、反射时间法的原理则是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离，对于距离较短及要求不高的场合，我们可以认为空气中的声速为常数，通过测量 回波时间 T 利用公式 S=V*T ( 2-1 ) LED 显示 发射电路 发射探头 AT89C51 接收电路 放 大 接收探头 不同频率 的声光 报警 8 其中 S 是被测距离、 V 是空气中的声速、 T 是回波时间（ T=T1+T2）计算出路程，这种方法不会受声波强度的影响，直接耦合信号的影响亦可以通过设置 “时间门 ”来加以克服，所以这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，精度还可以进一步提高，本设计中选用此种方法。 9 3
18、超声波测距原理 3.1 超声波传感器介绍 超声波传感器是一种将其他形式的能转化为所需频率的超 声能或是把超声能转化为同频率的其他形式的能的器件。当前常用的超声波传感器有两大类，即电声型和流体动力型。 传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受到发射电脉冲激励后产生振动，就可发射声脉冲，就是逆压电效应，当超声波作用于晶片，晶片受迫振动引起的形变可以转换成相应的电信号，就是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者就是超声波的接收。超声波传感器通常采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器所需的压电材料较少，价格低廉，而且非常适用于气体和液体介质中 2。 超声波传感器的内部结构是由压电陶瓷晶片、锥形辐射
19、喇叭 、底座、引线、金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并且使传感器有一定的指向角，金属壳可以防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的破坏，金属网也是起到保护作用，但不会影响发射与接收超声波 4。 3.2 超声波测距原理及实现 超声波测距的原理是通过超声波发射传感器向某一个方向发射超声波，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刻返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度C=340m/s，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，即 ： S=C*T/2=C*
20、T0 （ 3-1） 在超声波测量系统中，频率取的太低，外界的杂音干扰较多，频率取得太高，在传播中衰减较大。故在超声波测量中，常使用 40KHZ 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固定的频率特性，具有很高的抗干扰性能。 距离测量系统常用的频率范围为 25KHZ-300KHZ 的脉冲压力波，发射 和接收的传感器有时共用一个，或者分开使用。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收 /发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录 /控制部分启动或关闭发射电路并记录发
