1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 基于超声波的汽车倒车防撞报警系统软件设计 1选题的背景、意义 12 随着经济的发展，人们的生活水平越来越高。当今，对许多人来说，汽车进入家庭已不再是奢望，汽车的数量在大幅攀升，交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失。因此随之而来的事情就是如何保证汽车使用过程中的安全问题，特别是如何防止汽车与其他物体碰撞的事情发生。据初步调查统计， l5%的汽车事故是由汽车倒车 “后视 “不良造成的。因此，增强汽车的后视能力，对于提高行车安全，减轻司机的 劳动强度和心理压力，是十分重要的。如果车辆能适时检测与周围障碍物的距离并给出警告信息，
2、使司机及早采取行动，可避免车辆相撞事故的发生。随着科学技术的发展，用超声波进行无接触测量得到了广泛的应用。超声波是由机械振动产生的 ,可在不同介质中以不同的速度传播，它具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小，反射能力较强，在恶劣工作环境下具有一定的适应能力等优点。因此可用于液位测量、车辆自动导航等领域。 利用超声波测距技术的汽车倒车防撞雷达（以下简称倒车雷达），近年来逐渐在行业风行。一些名车如奔驰、法拉利、本田雅阁等相 继采用了该系统用于辅助倒车，在现时的车展上屡见不鲜。究其原因是因为倒车镜有死角，驾车者目测距离有误差等原因造成倒车时的事故率远大于汽车前进时的事故率，尤其是非职业驾驶员以
3、及女性更为突出。而倒车事故给车主带来许多麻烦，例如撞上别人的车、消防水笼头，如果伤及儿童更是不堪设想。据此，这些车厂将倒车雷达作为一个卖点，声称倒车雷达在车主的一生中只要发挥一次作用就很值得了。既然倒车雷达能够增加汽车的整体安全性能，何以只到近年才得以发展呢？众所周知，超声波测距技术由来已久，多年来已在一些领域得到应用。例如利用超声波技术的 自动测距照相机、建筑商使用的手持式墙面测距仪。而用于汽车防撞却是近年的事。这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。现代的超声波传感器不同以往的是在结构上采用了全封闭形式，它将其换能部分和外界完全隔开，并采用了抗锈材料作为外壳，这样才有可能
4、符合汽车电器所要求的诸如防潮、淋雨、防尘等较为苛刻的耐候性指标。其次，汽车本身就是一个积电磁波、噪声、振动、撞击等干扰于一体的强干扰源。因此为了能让倒车雷达稳定的工作，除了具备优良的硬件系统外，还需通过软件的数字智能甄别筛选，方能过滤这些干扰信号。只有近年 来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微电脑（微处理器）才能够达到这些要求。 2相关研究的最新成果及动态 4612 超声波传感器有多种应用，常见的用途包括：流量计、工具零件的清洗、倒车雷达等。超声传感器将处于超声频率的电信号经过超声波传感器中的超声波换能器转换成超声声波，超声波传感器按照一定的方向发射该超声声波，当超声声波遇到障碍物以后被反
5、弹回来，再被超声波传感器所接受，由超声波换能传感器转换为电信号。由于音速是一个已知的常数，因此通过回弹的时间，就可以计算出距离。 超声波传感器从封装的类型上可 以分为两种，分别是开放型和密封型。其中，开放型的传播面积更广，探测距离更远，适合在开放环境中应用。密封型传感器传播面积较小，探测距离一般，适合在液体中应用，并需紧贴固体材料。 超声波传感器的使用类似于雷达，它主要完成两项任务：发送超声声波和接收超声声波。发送超声波相对简单，只要对超声波传感器发送的超声波进行脉冲宽度调制，同时开启计时器。而接收部分较为复杂，需要对信号进行调配，以便控制器能正确低识别反射回的超声波、确定接收时间并停止计时器
6、技术，然后根据 “距离 = 时间 音速 ”计算距离。 图 1显示出倒 车雷达发展的趋势，从图中可以看到，最初的倒车雷达，只有后方探测，现在的倒车雷达不仅实现了前后方探测，甚至连左右侧都可以进行探测。还有一些更先进的技术，已经使用在高档汽车上。 图 1 倒车雷达的发展趋势 低端倒车雷达系统 倒车雷达系统一般由两部分组成，分别是探头部分和主控部分。探头部分一般安装在汽车的尾 部或两侧，而主控部分则位于汽车的前端，靠近汽车驾驶员。低端倒车雷达（图 2）的探头部分，通常只包含超声波传感器，而主控部分包括CPU和所有的外围电路。探头和主控板通过传导线连接，传送发送和回波信号，一个主控板带 3到 4个探头
7、。低端的倒车雷达系统成本通常较低，多采用分立元件，集成度也较低，因而性能较差，有效测量距离小于 1.5m。此外，报警也采用简单的蜂鸣器。 图 2 低端倒车雷达系统框图 中端倒车雷达系统 中端的倒车雷达系统在探头上除了安装超声传感器以外，还包括发射信号的放大和驱动电路，以及接收信号的放大和信号调理电路，这样可以减小信号在长线传输中引入的噪声的影响。另外，在控制板上，使用了两级放大和带通滤波器以提高测量的性能。而测量的距离，通常通过数字显示的方式来显示，并且伴有声音的报警和提示。 图 3 中端倒车雷达系统框图 高端倒车雷达系统 图 4是一个高端的倒车雷达系统的系统框图。可以看到，本来处于主控端的一
8、些功能模块都被转移到探头一端，它的特点是在探头上带有信号放大电路以及处理器，测量信号在传感器上实现处理，因此没有长线传输存在的信号干扰问题。另外，它可对每个传感器进行单独校准，通过 LIN或其他串行方式与主 CPU进行通讯。因为通常探头部分的体积都比较小，为了在探头上实现信号的放大和处理，就需要较高 集成度的器件以方便传感器和 PCB板的集成。 图 4 高端倒车雷达系统框图 图 5 给出了倒车雷达传感器覆盖区域的要求，它要求在水平方向上 705cm范围内最小 100；在 1005cm范围内，最小 40。垂直方向上，在 505cm范围内最小 60；在 1105cm范围内，最小 20。 图 5 倒
9、车雷达传感器覆盖区域要求 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1课题研究的主要内容与基本要求 2 5 7 主要内容包括：利用单片机作为系统的主控制器，测量汽车在倒车过程中与其后方物体的距离，反馈信号经 A/D 变换后，送入单片机中进行处理，实时显示测量结果，达 到设定值时声光报警。 基本要求：设计超声波发射和接收电路、键盘显示、声光报警、误差分析及其补偿方法，单片机的开发及系统应用软件的开发等。以软件件设计为主。 1、汽车倒车防撞报警系统的总体设计和思路； 2、各部分原理说明； 3、汽车倒车防撞报警系统的硬件设计，需要有理论依据，有分析计算过程，选择
10、的主要元件要有原理和说明，所有元件必须有型号和参数； 4、超声波测距系统的软件设计，设计思路和实现方法。使用汇编语言或 C语言编程。主要程序的流程图和程序清单，主要软件必须能在设计制作的硬件电路上正确运行 。 软件控制系统是本系统的核心，可采用模块化设计，由主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、温度补偿子程序、报警子程序以及显示子程序组成。 超声波发射电路：超声波发射器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分，超声波探头选用 CSB40T。可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。 超声波接收电路：由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比
11、较弱，所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数；为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回 波易于检测。 超声波测距原理：超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。超声波测距原理是利用单片机在超声波传感器发射超声波的同时单片机的 T0计数器开始计数，当检测到回波信号后单片机的 T0计数器停止计数。测得的时间和声速相乘就可以得到超声波往返过程中走过的路程，所以所测距离 S为声波传输距离的一半： S=Ct/2 式中： S为超声波发射点与被测障碍物之间的距离； C为声波在介质中的传输速率； t 为超声波发射到超
12、声波返回的时间间隔。声波在空气中传输速率为：C=C01+T/273 式中： T为绝对温度； C0=331.45m/s。采用单片机脉冲计数的方法，可精确测出 t的值。假设单片机的机器周期为 T 机 ，则有 t=NT 机 ，则测得的距离为： S=Ct/2=CNT 机 /2。 报警器工作原理：报警器的主要原理是由单片机控制发射电路将超声信号发射出去，遇到障碍物则返回由接收电路接收，根据发射和接收超声波的时间差，以及它在空气中传播的速度来计算汽车尾部与障碍物的距离。系统软件主程序完成系统的初始化、控制超声波的发射与接收，以及处理后产生 BCD 码 和相应频率的脉冲信号，以驱动后续电路，实现整 个装置的
13、功能。温度补偿电路是用来补偿因为环境温度的不同使得超声波在空气中传播的速度变化而引起的测距误差，从而保证测距精度。显示采用动态扫描方式，小数点为固定一直点亮显示，数码显示的单位是 m，范围为 0.1 9.9 ，显示精度为 0.1 。 温度测量电路：由于超声波的传播速度 v会受温度、湿度、压强等的影响，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，以减小误差。 键盘和显示电路：显示电路是用来对所测得的结果进行实时显示，键盘电路是用来对最大测距、最小测距以及有关 参数进行设置。 3.2主要任务与目标 由于超声波指向性强，因而常于距离的测量利用超声波检
14、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，因此在料位和液位测量、移动机器人、汽车安全、海洋测量等上得到了广泛的应用。 本课题要求采用超声波传感器，利用单片机为控制器，实现汽车在倒车过程中与其后方物体距离的测量，实时显示测量结果，达到警戒位置时声光报警。 3.3研究方法 利用单片机作为系统的主控制器，测量汽车在倒车过程中与其后方物体的距离，反馈信号经 A/D 变换后，送入单片机中 进行处理，实时显示测量结果，达到设定值时声光报警。本文将介绍了一种超声波泊车防撞系统，利用超声波对色彩、 光照度不敏感，可工作于比较恶劣的环境，且超声波传感器结构简单、体
15、积小、成本低等特点，以单片机为控制核心，完成对多路障碍物的实时检测和精确测距，用于倒车防撞报警。根据 超声测距的基本原理 , 然后给出了基于单片机的电路软硬件设计，对自制的倒车雷达进行了测距误差分析，并给出了结论。 3.4研究难点及预期达到的目标 1113 倒车雷达超声测距的误差分析及软件编程是难点。 通过使用超声测距倒车雷达对汽车后方的 障碍物进行了测距，同时使用普通钢卷尺对障碍物与超声传感器的距离也进行了测量，得出超声测距倒车雷达的报警距离与实测距离的数据，再分析出现偏差的原因，采取合理方法对数据进行修正，减小测量值与实际值的偏差，使修正后的超声波测距系统测量值与实际值的偏差尽可能减小，满
16、足系统测量误差的要求。 软件实现可采用完全的中断处理方式，控制软件要完成系统的初始化，控制触发脉冲信号的发射与接收，根据定时时间计算障碍物的距离根据计数频率计算汽车车速，判断所测距离是否在车速所对应的安全范围内，并根据计算和判断结果产生 BCD 码和相应频率 的脉冲信号，以驱动显示电路和发声电路。对于某一路信号的发射、接收、处理，其工作时序由软件控制。 4研究工作详细进度和安排 2010年 11月 28日 2010年 12月 10日，文献资料收集、整理、分析。 2010年 12月 11日 2010年 1月 10日，完成文献综述、完成外文翻译。 2011年 1月 11日 2011年 2月 25日
17、，完成论文开题报告。 2011年 2月 26日 2011年 3月 30日，论文总体框架，各章节主要内容安排。 2011年 3月 31日 2011年 4月 30日，完成论文初稿。 2011年 5月 1日 2011年 5月 12日，论文修改、规范格式。 2011年 5月 13日 2011年 5月 20日，论文定稿。 5参考文献 1 高准确度超声波测距仪的研制 ,赵珂 ,向瑛等 ,传感器技术 ,2003年第 2期 . 2 曹玲芝 ,任亚萍 ,刘建 .超声波避撞预警系统的研究 J.微计算机信息 ,2006,22(11)： 93295. 3 潘新民 .微型计算机控制技术 M.北京：人民邮电出版社 .19
18、85. 4 袁易全 .近代超声原理及应用 M.南京：南京大学出版社 ,1996： 52-68 5 潘仲明 .大量程超声波测距系统研究 D.北京：国防科学技术大学 , 2006： 18-51. 6 中国机械工程学会 .超声波检测 M.北京：机械工业出版社， 2005. 7 奠石镁 .超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用 J.人工智能及识别技术 ,2007. 8 Huang, C.F., Young, M.S., Li, Y.C., Multiple- frequency continuous wave ultrasonic system for accurate distance measure
19、ment ,Review of Scientific Instruments,70,2,1999,pp.1452-1458. 9 M L ES Up ton. Techniques for distance measurementJ,SAE952085,1995 . 10 冯若 .超声手册 M.南京：南京大学出版社 ,2002. 11 吴立珍 ,曾迎生 .基于 AT89C52 单片机多超声信号融合系统设计 .微计算机信息 ,2006.22,11:86-89. 12 黄继昌 .传感器工作原理及应用实例 M.北京：人民邮电出版社 ,1998. 13 沈德金 ,陈粤初 ,等 .MCS-51 单片机接口电路与应用程序实例 M.北京：北京航空航天大学出版社 ,1990,4. 14 张迎新等 .单片微型计算机原理、应用及接口技术 M.北京：国防工业出版社 ,2004.1. 15 赵巧娥 .自动检测与传感器技术 M.北京：中国电力出版社 ,2005： 88-102.
