1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 汽车倒车防撞报警系统硬件设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本次设计主要从实验研究分析的角度，分析了汽车倒车防撞报警系统的基本设计原理以及目前国内外此类倒车系统存在的问题。 由于超 声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。本文详细介绍了一种超声波测距系统及根据该系统设计的汽车倒车防撞报警 系统 。它能在汽车倒车时自动检测并显示车尾与最近障碍物之间的距离。当到达安全极限距离时 , 它能发出声光报警 , 提醒司机刹车。 基于 AT89C51
2、 单片机的超声波测距系统，采用测量输出脉冲宽度，即发射与接收超声波的时间间隔，通过对单片机适时控制外围电路，并向外围电路提供频率振荡、数据处理和译码显示等信号。 关键词： 超声波；测距； AT89C51； 汽车倒车 II The Hardware Design of Anti-collision Alarm system for Auto Reversing Abstract This design mainly from the experiment study angle, has analyzed the auto reverse Anti-collision alarm system
3、and basic design principle both at home and abroad, the problems existing in the system of such backing. Because the direction of the ultrasonic is very strong and the consumption of energy is very slow, the spreading distance is very far in the medium, the ultrasonic is often used in the measuremen
4、t of the distance. The paper introduces minutely an ultrasonic distance measurement system and a kind of alarm designed and developed according to this system. When a cars backing up, it can detect and display automatically the distance between the tail of the car and the nearest obstacle. If the di
5、stance is to be safe value limited, the device will give a sounding and light alarm to warn the driver braking. This article describes an ultrasonic measurement system based on AT89C51. By measuring pulses width, that is the time interval between transmitting and receiving of the ultrasonic wave, th
6、e microprocessor control the peripheral circuits, and provide all kinds of signals, including frequency surging, data managing and coding display. Keywords: ultrasonic， distance measurement， AT89C51， auto reversing III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 汽车倒 车防撞报警系统国内外发
7、展现状 . 2 1.3.1 国外的研究现状 . 2 1.3.2 国内的研究现状 . 3 1.4 课题研究的主要内容 . 3 2 超声波测距原理 . 5 2.1 超声波及超声波传感器介绍 . 5 2.2 超声波传感器工作原理 . 5 2.3 超声波测距的工作方式 . 6 2.4 汽车倒车防撞报警系统超声波测距原理 . 6 2.5 超声波测距系统总体方案 . 7 3 汽车倒车防撞报警系统硬件介绍 . 8 3.1 单片机 AT89C51 介绍 . 8 3.2 芯片 74LS244 介绍 . 11 3.3 NPN 三极管 8550 介绍 . 12 3.4 集成电路 CX20106A 芯片介绍 . 13
8、 3.5 4 位共阳七段 LED 数码管介绍 . 13 3.6 TCT40-16T/R1 压电陶瓷 超声传感器介绍 . 14 3.7 DS18B20 数字温度传感器介绍 . 15 4 单片机倒车防撞报警系统各组成单元方案设计 . 17 4.1 超声波发射电路设计 . 17 4.2 超声波检测接收电路设计 . 17 4.3 单片机复位电路与时钟电路设计 . 19 4.4 单片机及显示系统 电路设计 . 20 4.5 温度补偿电路及系统报警电路设计 . 21 5 系统的调试与优化 . 22 5.1 发射器探头对接收器探头的影响 . 22 5.2 倒车雷达探测范围 . 22 5.3 超声波传感器所加
9、脉冲电压对测量范围和精度的影响 . 23 6 系统的软件设计 . 24 IV 6.1 超声波测距流程图 . 24 6.2 主程序设计介绍及流程图 . 24 结论 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 29 附录图 1 汽车 倒车防撞报警系统整体原理图 . 29 汽车倒车防撞报警系统硬件设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 随着汽车保有量的迅速增加以及城市市区的密集化 , 目前公路上、停车场上的汽车越来越多 , 交通也越来越拥挤。由于空间的有限性 , 汽车在公路上行驶或者出入停车场时 , 其倒车、转弯的机率大大增加 , 而驾驶员 的视线由于受到限制 , 尾撞和
10、刮擦事故时有发生。因此 , 具有自动报警功能的汽车倒车防撞系统对汽车的安全行驶具有重要意义 1。而且随着国民经济的高速发展 ,我国汽车的拥有量在大幅增加 ,造成道路拥堵 ,交通事故频发 ,给人们的生命和财产安全带来了巨大的损失 2。安全驾驶已经成为大家关注的焦点 ,其中汽车防撞系统的设计和需求显得非常重要和迫切。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倒车防撞报警系统势在必行。 汽车倒车防撞报警系统是一种当汽车离障碍物较近时向司机预先发出报警信号的装置，通常系统的各个探测器 安装于汽车的几个关键的车身部分，能探测到接近车身的行人、车辆和周围的障碍物，能向司机提前发出信号，促使司
11、机采取紧急措施，避免损失。开发本系统，可以广泛地安装于各种家用轿车、客车、货车等，如与车载微型电脑相配合，可以实现更多的人工智能化操作，是实现汽车无人驾驶必不可少的一个组成部分，也是未来汽车的发展方向，因此运用前景相当可观。 1.2 课题的意义 本课题研究的意义在于倒车系统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者周围障碍物的情况。该系统解除了泊车，倒车和启动车辆时给驾驶者所引 起的困惑，并帮助驾驶者扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。对于驾驶新手来说，这一产品更是能有效地预防车后盲区所造成的交通事故。倒车系统正在引起人们越来越多的关注。 通过对汽车
12、倒车防撞系统的研究使得汽车在白天和晚上倒车时都能很好的实现安全倒车防止碰撞，而且应用单片机和超声波技术汽车倒车防撞系统的可靠性和经济性都大大提高，从被动的防撞到主动防撞。而针对多种测距的方法，我发现 由于超声波指向性强，因而 对 于距离的测量利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工 业实用的要求 ，所以本次课题我采用超声波测距结合单片机技术来实现汽车倒车防撞报警系统。 汽车倒车防撞报警系统硬件设计 2 1.3 汽车倒车防撞报警系统 国内外发展现状 1.3.1 国外的研究现状 3 倒车雷达的快速发展始于 20 世纪末 21 世纪初，经过几年的时间，
13、随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达在几年的时间里大致经过了六代的演变。 第一代：倒车时通过喇叭提醒 。只要司机挂上倒档，它就会响起，“倒车请注意”！ 提醒周围的人注意，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，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器不同 声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后 1.8m 1.5m 处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，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。 第三代： 数码 波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第
14、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 1.8m 开始显示；如果是人，在 0.9m 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 3 种颜色来区别：绿色代表安全距离；黄色代表警告距离；红色代表危险距离，必须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。 第四代：液晶屏动态显示。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，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。不过 LCD 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
15、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 2m 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。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、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。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。 第六代：专为高档轿车生产。第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能，外观上看，比第五代产品更为精致典雅；功能上看，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
16、系统，可以在显示器上观看DVD 影像 3。 在倒车系统研究领域，美国、德国、日本等发达国家的技术远远走在前面。他们在汽车信息化技术的研究上起步较早，并且自身在半导体、微电子领域 也汽车倒车防撞报警系统硬件设计 3 具有很大的优势，因此在这些国家智能化车载电子设备的发展已经达到了相当高的水平。很多高科技车载电子设备已经相当普及。随着汽车工业的飞速发展，国外已经出现了停车入位导航系统。梅赛德斯车厂已经在使用雷达探测技术来帮助驾驶者更快更安全地停车。导航雷达探测器能够探测出经过路线上的停车空位，并向驾驶者发出信息。这个时候，驾驶者可以通过探测器显示的位置找到空位。在整个停车过程中，当驾驶员切换到倒档
17、后，导航系统会由始至终地监测汽车的位置和角度。日本的丰田公司研制的导航系统已经可以实现准确的全自动停车。当导航系统自动锁定一 个合适的停车空位之后，驾驶者只需切换到倒挡，仪表盘上的的屏幕就会开始显示车后图像。此时，驾驶者只需对导航系统选择的停车位置进行确认，然后，就可以松开方向盘和脚刹，保持适当的速度。从这里开始，停车过程便由配备了超声波雷达和摄像头的停车导航系统全权接手，如果想要中止停车程序，驾驶者只需踩下刹车就可以了。而且这款设备现在已经在一些高档轿车上装配使用。 1.3.2 国内的研究现状 目前在国内，汽车倒车系统大多数仍停留在语音报警或图像显示的阶段上，还没有智能可视倒车辅助系统出现。
18、最近随着 GPS 在汽车领域的应用和发展，借助 GPS 的屏幕来显示车后图像的可视倒车产品在国内市场开始不断出现。该类产品借助车载 GPS 的屏幕，通过连接在车后的摄像头，将车后景象传送给驾驶员，从而实现安全倒车。但是此类产品在辅助倒车方面也只能提供车后的视频图像信息，对距离信息仍然无法感知。 国内生产倒车雷达的企业很多，以广东省居多。主要品牌有铁将军、奇科、固地、伊莱、全安、视博、佐敦、泊车宝、宝仕、车侣、赢时通、飞达、豪迪、视安、永泰和等。 目前国内做倒车雷达的厂家很多，但是性能都不是很理想，普遍存在倒车雷达探测声波波束较窄，当障碍物偏离探头的正对角度 时，存在较大的探测盲区。对管锥状障碍
19、物探测存在较多的死角。另外，探测低矮的障碍物也比较困难，高度在 50cm 以下的障碍物就探测不到了。 1.4 课题研究的主要内容 现代汽车倒车防撞测距技术，利用超声波测距具有先进性和可靠性，系统通过探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并在危险区域内及时发出警告 。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而利用超声波设计的倒车防撞测距系统，可以实现探测到在盲区内障碍物的距离和方向 。超声波检测电路往往比较迅速 、 方便 、 易于做到声光并茂的听觉和视觉警告，汽车倒车防撞报警系统硬件设计 4 通过实时控制 ，可以游刃有余地让驾驶员采取必要的动作措施，因此在汽车倒车预警装置的研
20、制上，得到了实际的应用效果 6。 此系统是在单片机的控制下，利用超声波测距原理，测量汽车在倒车过程中与障碍物之间的距离。当汽车与障碍物的距离小于安全距离时，发出声光报警并显示车辆与障碍物之间的距离，提醒驾驶员及时采取减速或刹车等措施，以防发生事故。整个系统的硬件由发送部分、接收处理部分、距离显示及声光报警部分组成。超声波测距装置通常由超声波、控制器、显示器或报警器等部分组成。当驾驶员换到倒车挡位时，倒车雷达自动开启，在控制器的控制下，由 传感器（探头）发射超声波信号，当遇到障碍物后，就会有回波信号返回，传感器接收到回波信号后传到控制器，经过控制器的数据处理后可以计算出汽车与障碍物之间的距离，然
21、后根据距离的远近不同发出警示信号（显示器显示或者声音报警），从而使驾驶者不至于撞上障碍物。这样就可以大大提高倒车和泊车的效率和安全性。 汽车倒车防撞报警系统硬件设计 5 2 超声波测距原理 2.1 超声波及 超声波传感器介绍 超声波是一种频率超过 20KHz 的机械波。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 反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速 度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质界面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速、方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及其
22、他一些工业现场。 超声波传感器规格品种较多，在汽车倒车防撞报警系统中，目前较为常用的是压电式超声波发生器。这种传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，是一种可逆的换能器件，既可以把电震荡的能量转换为机械震荡形成超声波，又可以把接收到的超声波能量转换为电震荡，图 2-1 所示是分离式反射型超声波传感器的基本工 作方式 6。 图 2-1 传感器的基本工作方式 超声波传感器的特性： （ 1） 在自身特性谐振点 40KHz 附近可获得较高的灵敏度； （ 2） 谐振带宽、波束角可以通过制作控制得很窄，有利于抗声波干扰设计； （ 3） 不受无线电频谱的资源限制，易于进行抗电磁干扰设计； （ 4） 超声波系统成本低、性能稳定，应用前景好。 2.2 超声波传感器工作原理 超声波传感器的工作原理是超声波发射探头不断地发射出 40KHz 超声波，遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收探头接收 到反射波信号 ,并将其转变为电信号。测出发射和接收回波的时间差 t，然后求出距离 S。在已知速度 C 的发射 接收 被测物 体
