汽车倒车报警器的设计

设计任务书

1、设计题目

汽车倒车报警器的设计

2、设计参数

设计要求：

自动实时分段显示距离并进行声音提示。

3、设计要求及工作量

三周内在设计教室中按要求完成各阶段任务及相应工作量。

设计工作量：

1)查阅资料，选择合适的设计方案。

2)设计完整硬件电路图，给出设计说明及相关电路参数的计算公式。

3)针对设计方案及硬件电路图，进行适当的误差分析。

4)根据以上内容撰写完整的课程设计报告。

设计进度安排:

1)查阅资料，优选方案(2天)

2)进入实验室，完成总体设计(4天)

3)完成硬件电路图，进行误差分析(5天)

4)撰写说明书，准备答辩(2天)

5)答辩(2天)

4、主要参考文献

[1]王雪文，张志勇．传感器原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2004

[2] 王化祥，张淑英．传感器原理及应用(修订版).天津：天津大学出版社，1999

[3] 赵继文，何玉彬. 传感器与应用电路设计. 北京：科学出版社，2002

[4] 丁镇生. 传感器及传感技术应用.北京：电子工业出版社，2001

[5] 何希才. 传感器及应用电路.北京：电子工业出版社，2001

汽车倒车报警器的设计

摘要

本设计采用超声波测距，可用作汽车泊车安全辅助装置，能以声音和更为直观的LED 显示告知驾驶员汽车周围障碍物的情况，帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了泊车安全性。

本设计硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路、电源电路和报警电路组成。本设计由AT89C2051单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用超声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。该设计的电路设计合理简单、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量误差方面能够达到简单实用的要求。

关键词：传感器 AT89C2051 超声波汽车倒车报警

目录

1.绪论------------------------------------------------------------2 1.1设计任务与要求------------------------------------------------2 1.2研究背景及目的------------------------------------------------2 1.3方案比较------------------------------------------------------2

1.4超声波测距方法------------------------------------------------3

2.系统整体设计----------------------------------------------------5 2.1系统整体设计框图----------------------------------------------5 2.2硬件选型------------------------------------------------------5 2.2.1超声波探头的中心频率及主要参数-------------------------5 2.2.2单片机的选择-------------------------------------------7

2.2.3其他元器件的选择---------------------------------------7

3.硬件电路设计----------------------------------------------------8 3.1单片机外围电路设计--------------------------------------------8 3.2超声波发射电路设计--------------------------------------------8 3.3超声波接收电路设----------------------------------------------9 3.3.1CX2016A简介--------------------------------------------9 3.3.2超声波接收电路-----------------------------------------10 3.4 LED显示电路--------------------------------------------------11

3.5报警电路设计--------------------------------------------------13

4.软件系统总体设计-----------------------------------------------13

5.误差分析-------------------------------------------------------18 参考文献---------------------------------------------------------19 课程设计总结-----------------------------------------------------19 附录-------------------------------------------------------------20

1.绪论

1.1设计任务与要求

设计题目：汽车倒车报警器的设计

设计要求：自动实时分段显示距离并进行声音提示

1.2研究背景及目的

随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，我国汽车的数量逐年攀升。汽车的数量逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。在享受汽车给我们带来便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。

本文介绍的倒车报警器，与汽车配备的倒车雷达原理和用途一致，都是利用超声波测距原理实现实时测距，都是用作“泊车辅助装置”，可称作“简单型”的倒车雷达。但相比市场上各种价格昂贵的倒车雷达产品，本文介绍的倒车报警器，价格更为经济，电路更为简单，精度也能满足常用要求。报警器的主要作用是在倒车时，利用超声波测距原理，由装置于车尾保险杠上的超声波传感器发送超声波，超声波遇到障碍物后反射至超声波传感器，从而计算出车体与障碍物之间的实际距离，再给驾驶员以提示，使停车和倒车更容易、更安全。该装置能够在驾驶员视野的死角处，通过LED显示、声音等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围障碍物的情况，使驾驶员能够更清楚的了解周围障碍物的情况，对驾驶员的起步、泊车、倒车等环节有很大帮助，提高了驾驶的安全性。

1.3方案比较

在现代测距系统当中，主要有以下测距方法：

1）毫米雷达测距

毫米雷达测距能够探测多目标，多目标分辨力好，探测精度高，受天气影响

小，但存在电磁干扰问题，必须防止因雷达装置相互间以及其他通信设施的电磁波干扰而发生误动作，其多用于高速公路上的防追尾碰撞。

2）摄相系统测距

目标摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高，但目前价格较高，同时受到软件和硬件制约，成像速度较慢。

3）激光测距

由于激光测距受恶劣的天气，汽车的激烈震动，反射镜表面摩损，污染等因素的影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少1/2到1/3损失很大，影响探测精度，所以它一般都应用于防追尾碰撞当中。

4）红外测距

它主要应用于夜间行车或在军事上使用。

5）超声波测距

超声波测距的原理是利用超声波在发射后碰到障碍物后会反射回来，计录其从发射到反射回来的时间，然后以时间的一半乘以超声波在空气中传播的速度就可得出与障碍物间的距离。超声波测距在中长距离的精度比红外线高，易于控制方向，能量消耗慢。综合以上方案可以得出，超声波总体较优，故采用超声波。

1.4超生波测距方法

超声波测距的方法主要有三种：相位检测法、幅值检测法和渡越时间法。相位检测法检测精度高，但是检测距离有限，达不到本设计的要求。由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含量不同，衰减系数也不一样，声波幅值检测法的检测精度和稳定性受到很大的限制，所以此种方法也不适合。而渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。但是由于气体介质对超声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减，超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。另一方便面超声波的最大检测距离与传感器的发射功率和电路的放大倍数有关，发射功率越大，电路的放大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。因此可以通过提高放大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。此外超声波在空气中的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿，而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现。

综上，本设计的测距方法采用渡越时间法。具体测距原理阐述如下。

由于超声波也是一种声波，其声速V 与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图所示：

t

超声波发射 障碍物 S H θ

超声波接收

图1

θcos S H = （1-1）

)

(

H L

arctg =θ （1-2）

式中:L---两探头之间中心距离的一半。 又知道超声波传播的距离为:

vt S =2 (1-3)

式中:v —超声波在介质中的传播速度； t —超声波从发射到接收所需要的时间。 将（1—2）、（1—3）代入（1-1）中得：

]

cos[21H L

arctg vt H = (1-4)

其中,超声波的传播速度v 在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=20度时,V=344m/s)；当需要测量的距离H 远远大于L 时,则(1—4)变为:

vt

H 21

= (1-5)

所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H 。

2.系统整体设计

2.1系统整体设计框图

本设计以AT89C51单片机为核心，通过扫描按键的状态，由声波换能器TCT40-16TR1发出40KHz 的超声波方波信号，有定时器T0产生方波驱动信号，同时，启动计数器T1，用来计数，也就是测算方波发射到接收所需要的时间。经障碍物反射后由超声波接收换能器接收反射信号，经放大电路放大后，由P1.7来接收超声波反射信号，当接收到该信号后，关闭计数器T1，记下此时的时间，转入执行计算距离子程序，由子程序计算距离，并启动LED 显示其数值。整个系统结构框图如图2所示：

图2 系统框图

2.2硬件选型

2.2.1超声波探头的中心频率及主要参数 一、主要参数 （1）中心频率

中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有30KHz 、40KHz 、75KHz 、200KHz 、400KHz 等。本设计采用40KHZ 的探头TCT40-16TR1

单

片

机

AT89C51

电源电路

键盘电路

复位电路 报警电路 超声波发射电路

数码管显示电路 超声波接收电路

（2）灵敏度

灵敏度的单位是分贝(dB)，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。

（3）指向角

指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般为几度至几十度。

（4）工作温度

工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。以石英晶片为例，当温度达至+290C

?时灵敏度可降低6％。一旦达到居里温度点(573C

+?),就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在2070

-?+?温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感

C C

器温度较高，必须采取冷却降温措施。

TCT40-16T/R的性能指标如下表所示：

型号T40-16T T40-16R

功能发射接收

中心频率40khz（2.5%误差）40khz（2.5%）

声压114dBmin

灵敏度68dBmin

电容2500pf（20%）2500pf（20%）

最大电压20v 20v

指向性60 （25%）60 （25%）

工作温度零下20 至70 零下20 至70

表1

TCT40-16T/R的指向特性如图3所示：

图3

2.2.2单片机的选择

单片机是系统软件的载体，是控制系统的核心。因此其性能将直接影响系统的稳定性。选择好的单片机不仅关系到系统的精度、稳定性，而且还有利于减少系统成本。根据系统设计的要求以及总体设计思路对所选择的单片机要求进行进一步的概括。本设计由于超声波采用软件驱动，仅需要一个定时器，一个计数器，常用的51系列单片机满足需要。因此，选用AT89C51单片机。

2.2.3其他元器件的选择

显示部分是采用七段数码管，选用共阴极接法，CD4511控制段选码，74LS138控制位选信号。发射部分超声波探头的选用TCT40-16TR1，相应的信号处理元件选用TC4069、74LS138。超声波的接收信号选用CX20106芯片处理。单片机的外围电路元件选用11.0592MHz的晶振，报警电路选用蜂鸣器。

3.硬件电路设计

3.1单片机外围电路设计

单片机外围电路主要有键盘电路、电源电路、复位电路、时钟电路、串口电路，对于本设计来说，键盘电路相当于倒车挡，主要控制单片机执行指令的状态，时钟电路、电源电路、复位电路构成单片机的最小系统。由于本设计本生是为了做出汽车倒车报警器的实体，并着重阐述汽车倒车报警器的原理，因此，相当于倒车档的键盘电路不再做详细的叙述。另外，为了更便于观测本设计调试中的现象，用三个发光二级管来观察调试结果，以本设计的程序来说明，当大于2m时是安全距离，绿灯亮，当在1.5m到2m之间时，黄灯亮，当在1m到1.5m之间时，危险距离，红灯亮，启动报警电路。其外围电路如图4所示：

图4 单片机外围电路

3.2超声波发射电路设计

超声波换能器TCT40-16RT发出超声波需要40KHz的方波信号驱动，产生40KHz的方波主要有软件发生法和硬件发生法。本设计采用软件产生，由定时器T0产生40KHz的方波信号。由TC4069驱动超声波换能器。本具体电路如图5所示。

图5

3.3超声波接收电路设

3.3.1CX2016A简介

CX2O106A是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路，广泛应用于视频、音频、空调、风扇等各种遥控系统中作遥控信号接收电路。

图6为CX20106A内部电路原理框图及引脚图。

图6 CX20106A的引脚图

图7为CX20106A的典型应用电路

图7

各引脚介绍：

1 脚：为红外信号输入端。该引脚和地之间连接光电二极管，输入阻抗约

40kΩ。

2 脚：为增益调节端。该引脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。

3 脚：为检测端。该引脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出

的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。

4 脚：接地端。

5 脚：为带通滤波器调整端。该引脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则芯片中心频率f0≈38kHz。

6 脚：为积分端。该引脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7 脚：为信号输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8 脚：为电源端。该引脚接电源正极，电压为4.5V～5V。

3.3.2超声波接收电路

超声波换能器接收到反射回来的超声波信号后，会转换为电信号，此时的信号比较弱，需要放大整形等一系列处理才能输入单片机完成相应的信息处理。

本设计超声波接收电路选用集成电路CX20106A，它可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检测和波形整形等功能。发射电路发出的脉冲信号，在碰到障碍物后，经反射后的超声波脉冲变成微弱的交流信号，接收电路接收后送到CX20106A 的1 脚，为信号的输入端，经过前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自动增益控制功能，可以保证超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器具有较高的增益，而在近距离输入信号强时放大器不会过载，其带通滤波器中心频率可由芯片5 脚的外接电阻调节，取200 kΩ，控制在38 kHz。通过带通滤波器滤波，峰值滤波，积分比较，最后经整形电路输出脉冲信号。

CX20106A 接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，可以满足超声波接收电路的要求。同时集成电路也可以减少干扰。具体电路如图8所示。

图8

3.4 LED显示电路

显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED 发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏。综合本课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的 LED 驱动输出设备。因为需要显示的距离在10m以内，并且只需要精确到cm,故采用3个LED数码管显示距离数值。

在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，单片机只需要把要显示数字的段码发送到接口电路并保持不变即可。如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要

寄存器、译码器等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。而动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。LED 数码管采用共阴极接法，数字的段码由译码器CD4511控制，数字的位码由74LS138控制。具体电路图如图9所示。

图9

3.5报警电路设计

考虑到本设计的实际需求，系统只需提供简单的嘀嘀声作为报警信号即可。所以，报警电路不需要复杂的设计，只需用NPN三极管控制蜂鸣器发声即可，具体电路如图10所示。

图10

4.软件系统设计

主程序实现系统的功能，主程序的编写是在各个子程序的基础上实现的。主程序程序指导各个子程序依次工作，实现系统的测距功能。主程序开始时，要对系统进行初始化，初始化包括I/O端口的初始化、中断的初始化、定时器的初始化等等。在初始化完成后，由定时器T0产生40KHz脉冲信号。由单片机P1.6端口输出40KHz的脉冲信号，由TC4069驱动超声波换能器发射40KHZ的超声波，同时定时器T1开始计时。单片机用P1.7接收超声波回波信号，当接收到下降沿，即p1.7口输入是低电平时，定时器T1计时停止。单片机开始转入计算子距离。由单片机内部程序决定其最终显示距离。主程序的工作流程图如图11。

图11

开始

参数初始化

是否收到回波？

发射超声波、启动定时器

数据处理计算距离

是否在报警距离？

报警

显示距离

Y

N

Y

N

5.误差分析

测量误差的原因主要有：

1、环境对测量的影响。包括空气温度变化引起的声速变化、空气成分变化、声波传播途中温度梯度导致测温不准确等，由于这些因素对结果产生的影响比较小。开关门的可靠性是标志超声波测距仪可靠性的关键,即同步门控制。也就是说发射与脉冲计数必须同步。

2、量化误差：即参考频率计数结果的误差。由于选择的单片机计时时钟频率为12MHz,所以有量化误差为0.01米，符合测距要求范围。所以超声波发送应考虑因素有: 1.量程范围;2.目标距离和目标反射情况。超声波频率高对探测较小目标有利,有效反射目标应大于至少10 个波长以上, 对于非垂直于发射波束的目标,大波束角的传感器通常可以获得更强的回波信号,而波束角越窄对于减小散射波的干扰越有利。

3、触发误差。由于被测信号经放大、整形,门控产生“开门脉冲”和“关门脉冲”中,噪声信号、干扰信号的掺入,使触发的时间可能提前或滞后,给测量结构带来了随机误差，该误差与信号的触发波形有很大关系。

4、超声波波束对探测目标的入射角的影响。超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发；影响测量误差的因素很多，还有现场环境干扰、实际脉冲频率等。

参考文献

[1]王雪文，张志勇．传感器原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2004

[2] 王化祥，张淑英．传感器原理及应用(修订版).天津：天津大学出版社，1999

[3] 赵继文，何玉彬. 传感器与应用电路设计. 北京：科学出版社，2002

[4] 丁镇生. 传感器及传感技术应用.北京：电子工业出版社，2001

[5] 何希才. 传感器及应用电路.北京：电子工业出版社，2001

课程设计总结

整个课程设计过程近三周，通过对这个倒车报警器的设计，培养了我各方面的能力，包括学习能力，动手能力和实际操作能力。这是一种综合能力的培养，通过本设计可以验证所学的知识是否扎实。

本课题设计实现了一种实用的倒车报警系统。我查阅相关的文献资料，利用现有的实验条件，在深入理解超声波测距原理的基础上，提出了基于89c51单片机的倒车报警系统的整体设计方案。选用TCT40-16型收发分体式超声波传感器、TC4069来设计超声波发射电路，接收电路选用CX20106芯片。这样，不仅外围元件较少，电路简单，而且具有更好的稳定性和可靠性。LED显示电路采用共阴极4位数码管，CD4511控制段选信号，74LS138控制位选信号，能够满足系统的显示需求。本系统具有测量精确、性能稳定、成本低廉、电路简单实用等特点，能满足驾驶员在实际倒车中的需求。

附录：元件清单