汽车智能倒车系统设计研究

汽车智能倒车系统设计研究
摘要：本设计是以51单片机为基础，通过超声波测距技术，设计出汽车的智能倒车系统。

通过研究国内外汽车雷达的历史与发展，结合近年来的超声技术成熟，本系统决定以超声波为工具，制造出一个智能倒车系统。

系统的组成有超声波模块（用于发射和接收超声波信号）、单片机系统模块（总体控制）、LCD 显示模块（直观显示距离）、温度补偿模块（减少温度对超声波的干扰）。

根据单片机设计综合解决电路和程序模块的功能实现。

本设计方案充分利用了单片机设计的特点，可以实现实时处理。

因为超声波传感器既不用接触到，也不会损坏到目标，所以在测距中有更多的优势，并且它自身也不容易被目标的颜色，光源等干扰，是一种更加环保的测量方式。

关键字：51单片机；超声波传感器；LED收发电
1引言
如今社会发展迅速，各种新鲜事物层出不穷，倒车雷达系统也发生了巨大的变化。

由于仿生学、声学等各种技术的逐渐成熟，汽车倒车系统也有了许多新的方向。

汽车的智能倒车系统简单来说就是汽车雷达，它可以发现你视野盲区中的障碍物，一般来说倒车系统都有传感器、控制器、显示器。

驾驶员得到了警告信号后能迅速调整自己的操控，对行驶安全有更好的保障。

在汽车工业高速发展的今日，城市汽车占比日渐加大，经常在节假日中发生各种堵车现象，而因此也出现了很多事故。

汽车驾驶员越来越关注行车安全，其中倒车也是发生事故的大头。

因为存在着视觉盲区，驾驶员无法看见车后面的障碍物，很容易发生各种意外，比如倒错位置，剐蹭他人。

倒车系统的工作原理就是让司机可以在驾驶中也能观察到视野盲区的动静，减少发生的事故。

倒车系统通常以超声波感应器来侦测出车辆附近的障碍物，然后发出警笛声来提醒司机。

警笛声音的控制通常分为两个阶段，在要撞上障碍物时会急促的鸣叫，而还有一段距离时则是平缓的响声。

倒车雷达系统进入人们视
野时，是汽车的普及化之后，并且因为汽车行业的不断更新迭代，倒车系统也从简单的提醒到能有led显示屏显示出具体数值。

故在汽车不断发展的今日，倒车系统也还有很多需要我们研究的地方
现如今超声波测距已经逐渐成熟用在各个领域，它跟传统的测距方法相比较精确度更高、操作更方便、安全系数更好。

超声波测距是利用了声波的特性和数学理论计算的一种更高科技的做法。

本设计是用51单片机为主制作的汽车智能倒车系统，在做比较后选择通过超声波测距达到目的，该系统由超声波模块、显示模块、温度补偿模块及电路和程序模块，运用51单片机发射出40MHz的超声波，在接收回波后进行整形和放大，最后通过运算进行测距，在测量时不需要直接与障碍物接触，可以更加的安全、可靠，是更智能的倒车系统。

2超声波测距系统的原理和设计方案
2.1超声波传感器的含义
超声波传感器就是指运用了超声波特性制成的传感器，超声波有频率高、波长短、方向性好的特点，它还可以作为射线定向传播，对于各种介质都有着很强的穿透性。

一般震动频域比声波高的机械波就叫做超声波，它是电压激励震动换能晶片产生的，因为超声波拥有着特殊的优越性，所以它被广泛运用于各种前沿领域。

2.2超声波传感器的原理
超声检查电源电路中可以得到在输出端输出的波形脉冲信号。

超声波发射和超声波接收之间的时间，就是需要改波形的总宽度。

距离离得越远，宽度也就会更大，输出脉冲波也就越多，两者之间为正比的关系。

超声波激光测距有两种方法：
（1）取输出单脉冲的平均工作电压。

工作电压（工作电压的幅度基本上是固定的）与距离呈正相关。

（2）准确测量输出单个脉冲的总宽度，就是收到超声信号的时间t。

因此，
测得的距离为S＝v*t/2。

本设计选择了第二种方法。

2.3超声波传感器的特点
（1）频率特性
中心频率是在40KHz处，它所能产生的能压能级最高。

同样是在40Khz处，
它的灵敏度是达到最高的。

所以我们应选用40Khz以获得更好的频率选择特性。

(2)指向特性
超声波传感器中的压电晶片只有一个小圆片的大小，然后上面有许多的点，
你可以把它们都看成是振荡器，都可以辐射出一个半球波。

它们都没有指向性。

拥有指向性的是从空间某一点的声压叠加。

超声传感器的指向图中，0°时电压
最大，声压越小则角度越大，一般来是在40°~80°，而我们选择的是75°。

通
常来说可以通过软件或硬件来产生超声波，如果运用软件的话就要自己设计驱动
电路，虽然比较灵活多变，但对于本设计来说没有必要。

而硬件则不需要，只要
用专门的超声波发生电路，就可以直接驱动转换器发出超声波。

所以，我们选择
使用硬件发生法。

2.3方案的设计
本设计的核心控制器是STC89C52，它与各个模块一起组成一个智能倒车系统，STC89C52的功能是获取输入部分的数据。

本系统还有输入部分和输出部分，先经
过中控部分得到数据后，经过内部处理，控制输出部分。

输入由四部分组成，第
一部分是DS18B20测温模块，通过该模块可获取当前的温度值；第二部分是HC-
SR04超声波测距模块，通过该模块可获取当前距离值；第三部分是独立按键，通
过三个独立按键切换设置距离最小值；第四部分是供电电路，给整个系统进行供电。

输出由三部分组成，第一部分是LCD1602显示模块，通过该模块可以显示当
前温度值、距离值、距离最小值；第二部分是蜂鸣器，第三部分LED指示灯，当
距离值小于设置的距离最小值时，进行声光报警。

该系统软件是由单片机设计的，用于控制HC-SR04超声波发生器向特定方向
发送超声波。

此外，时间统计信息会逐渐记录下来。

当超声波撞击到障碍物时，
它会立即返回。

当超声信号接收器接收到反射的表面波时，终止计时之后，
DS18B20将收集的温度反馈给微控制器，并且在测量程序流之后即可获得被测物
体的距离。

计算方法如下：
S=v*t/22-1
S是要得出的距离，v是超声波的速度，t是间隔时间。

3系统硬件设计
系统软件硬件配置包含了五个部分：单片机、LCD显示模块、电源电路模块、温度补偿模块、超声波发射模块。

3.1系统控制及外围模块简介
3.1.1最小系统原理
图3-1是单片机的最小系统，仅仅有着单片机、电源、复位电路、时钟电路
就可以进行工作，引脚19为为晶振的输入端子，而18引脚为输出端子，其复位
电路主要是程序在运行的过程之中出现卡机或者操作错误的时候进行复位。

使得
程序正常的运行。

单片机的最小系统如下图3-1所示
图3-1最小系统电路图
3.1.2DS18B20温度传感器
在本设计中，选择了由英国达拉斯半导体公司的DS18B20数字温度传感器。

DS18B20独特的设计使它有高度协调性和低温延迟。

DS18B20测量温度范围为-55°C〜125°C，精度在-10〜85°C范围内为±0.5°C。

现场温度通过“单线系统总线”的数据方法立即传输，进一步提高了系统软件的抗干扰能力。

该系统使用DS18B20进行温度测量，并将温度反馈给微控制器，并且该芯片用于测量和计算当前温度下超声波的传播数据。

原理图如图3-2所示：
图3-2DS18B20温度传感器的原理图
3.2超声波模块电路
3.2.1模块特点
系统软件使用HC-SR04波发生器控制模块，该模块包含超声信号发送器和超声信号接收器电路。

可以提供2cm-400cm的非接触式距离感应效果。

HC-SR04超声波模块原理图如图3-3所示：
图3-3HC-SR04超声波模块电路图
3.2.2超声波模块基本工作原理
1、IO端口激光测距，输出10us的高电平信号；
2、控制模块不仅可以发送8个40KHz的波形，还能识别返回信号；
3、检测间隔＝（高电平时间×波速）/2。

也就是说，S=v*t
3.3LCD1602显示电路
系统软件选择LCD1602显示屏以获取当前时间和自然环境色度的主要参数。

此液晶显示屏主要是利用液晶屏的物理性质，具有厚度薄的特点，并且已经被广泛使用。

微控制器设计的STC89C52根据所施加的5V工作电压直接驱动LCD。

根据可变电阻调整显示器的饱和度，然后更清晰地显示数据信息。

LCD电路图如3-4所示：
图3-4LCD12864显示电路
4汽车智能倒车系统的软件设计
4.1编程软件介绍
本设计所用到的编程软件为Keil5，Keil支持多种芯片，包括51单片机、STM32、HC32、NXP等，生成的HEX文件，可通过烧录器直接烧录到单片机中，非常方便。

4.2主程序编制及流程图
系统的主流程图如图4-1所示。

在主程序初始化后，系统进入主循环，主循环中的按键模块有两个部分，第一个部分使扫描并获取按键值，第二部分通过键值进行相应的处理操作，比如切换界面、调整距离最小值；紧接着进入第二个监测函数，通过超声波测距和温度检测这两个模块来获取当前的距离和温度；紧接着进入第三个显示函数，该函数通过不同的界面模式标志位显示不同的界面，包括主界面显示当前的温度、距离值、距离最小值，其他界面显示设置的距离最小值；紧接着进入第四个函数处理函数，该函数判断距离值是否小于距离最小值，若小于最小值，则进行声光报警。

图4-1程序总体流程图
4.3按键函数流程设计
按键函数是扫描并获取当前按下的键值后对变量进行改变，比如说键值1；则切换设置界面。

如果获取的键值为2，距离最小值+1。

如果获取的键值为3，距离最小值-1。

4.4显示函数流程设计
根据不同的显示模式标志位，显示不同的界面，界面为0时，显示温度、距离值、距离最小值；界面为1时，显示设置距离最小值。

4.5处理函数流程设计
处理函数子流程如下图4-5所示，先判断是否是界面0，如果是界面0，则判距离值的大小，若距离值在距离最小值的1/2~1之间时，则声光报警且间断频率为300ms；若距离值小于最小值的1/2时，则声光报警且间断频率为100ms。

5仿真调试
5.1仿真总体设计
仿真的总设计有单片机最小系统、测温模块、报警模块、超声波测距模块、距离指示灯。

其中，单片机最小系统包括主芯片STC89C52、外部晶振电路和外部复位电路；显示模块采用 LCD1602 显示温度、距离、安全距离、保持距离、危险距离等。

5.2测距仿真测试
显示当前的距离大于预设值的 1/2 就会在报警模块发出间接的蜂鸣声，这时 LED 灯会闪烁；当距离小于预设值的 1/2 时，蜂鸣会更加急促，指示灯闪烁也会加快；当检测距离大于设置值时，此时蜂鸣器不报警，指示灯熄灭。

结语
测距的方法很多，根据其信息内容和媒体的不同，可以分为广电法、无线通信、超声波，对三种方法进行比较。

超声波具有很多的优势：超声波对颜色和光强度不敏感，可用于精确测量完全透明且漫反射不良的物体（例如，夹层玻璃，抛光的物体）；其次，超声波对外部光源和磁场不敏感，可用于黑色，粉尘或烟雾，强干扰信号，并且易于小型化和集成。

一般来说，超声波具有很强的适应自然环境的能力。

因此，作为非接触式测量方法，超声波已引起越来越多的关注，所以选择了使用超声波测距作为本智能倒车系统的方案。

本设计是基于51单片机的智能倒车系统，通过超声波测距的原理，在接收到回波信号后内部处理检测两端的距离，然后使用LCD液晶显示器进行数据信息显示。

由于声波频率的速率会随着温度的变化而变化，因此为了获得更好更准确的测量距离，温度的危害不
可忽视。

该控制系统根据温度传感器设计了一个温度补偿，温度补偿的存在让测
量更加精确。

通过具体测试证实，该系统软件运行平稳，可以满足一般短程激光测距的要求，具有低成本，高性价比的特点，但同时它不置可否的存在着许多的缺点，例
如抗干扰能力还有待提高，还有许多功能可以完善，例如在警报的基础上，当车
距离障碍物低于多少距离时，可以直接自动刹车，在遇到运动的障碍物时，紧急
提醒驾驶员等功能，还有许多的上升空间。

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作者简介：李兆丰（1978.4——），男，汉，浙江杭州人，本科，学士，研究方向：汽车智能座舱及辅助驾驶软件开发。