开题报告——基于测距原理的汽车倒车报警系统设计说明

基于测距原理的汽车倒车报警系统设计

开题报告

一、综述

1 引言

汽车对人们来说是一个再熟悉不过的词，自从1886年2月9日卡尔·本次发明了人类第一辆汽车，至今世界汽车工业经过了近124年的发展，当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中，成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具，为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分，它给人们带来方便快捷的同时，也出现了许多问题。如越来越多的汽车使道路上有效的使用空间越来越小，新手也越来越多，由此引起的剐蹭事件也越来越多，由此引起的纠纷也在不断地增加。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。尽管每辆车都有后视镜，但不可避免地都存在一个后视盲区，倒车雷达则可以在一定程度上帮助驾驶员扫除视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性，减少剐蹭事件。因此，提出了基于超声波测距的汽车用倒车雷达系统的设计。

2 国外背景

20年前出现的倒车雷达，严格而言，不属于雷达(无线电波)的产品。以最早出现的类似装置是利用红外线的发射与接收的原理而做出的“倒车雷达”。最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接受器，只要任何一方被一层薄薄的冰雪或泥尘覆盖，系统就会失效。

最近在欧美又出现了一种电磁感应倒车雷达。在一线路套上一环型的感应圈(此线圈贴在后保险杠的侧，车外表完全看不出有此装置)，以感应车后物体的有无。此种装置价格中等，并且完全隐密，算是一种好产品，但可惜的是，安装困难(必须卸下保险杠贴在侧)，而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停止再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。因此，实用性也相当有限。

日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。据海外媒体报道，戴姆勒——克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车(尤指卡车)使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由一控制器加工处理，形成一虚拟景象。之后再借助演算法的辅助来判断所发生状况是否需要利用刹车。未来两三年这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂

贵，目前定为3745欧元，其过高的成本限制了它应用的普遍性。在底特律国际车展上，通用公司的Precept概念车装了Donnelly公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。该系统用一个后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有消火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓。

迄今为止，国外许多学者均着眼于测距传感器的研究。

3 倒车雷达的发展

倒车雷达全称“倒车防撞雷达”，又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除驾驶员泊车、倒车和启动车辆时因前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员克服视角死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

经过几年的发展，倒车雷达系统已经过了数代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这几代产品都各有特点，大致有如下六代：

第一代：倒车时喇叭提醒。“倒车请注意”！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，现在只有小部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。价格便宜，基本属于淘汰产品。

第二代：蜂鸣器提示。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.8米-1.5米处有障碍物，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。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米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，而波段显示产品由三种颜色来区别：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，但比较实用，但安装在车不太美观。

第四代：液晶荧屏显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕显示开始出现动态显示系统。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。不过液晶显示器外观虽精巧，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2米以的障碍物，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、温度显示和车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，所以可以不占用车空间，直接安装在车后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车装饰选配。

第六代：无线倒车雷达。全新无线液晶倒车雷达，融无线连接、倒车雷达、彩色液晶显

示、BP警示音于一体。由于普通倒车雷达安装时，从车后雷达主机到车前仪表台上,显示器要布一条线，这样要拆装车的装饰板、胶条等，非常不方便。现在最新推出的第六代无线液晶倒车雷达，一举解决此问题，车后主机和显示器之间无线连接，方便快捷。更可在大巴、卡车等车身长的车上使用，使安装更容易。雷达测距数码显示，无线连接（主机和显示器之间无线连接），彩屏显示，三级心跳报警音，动感车模（车后探头方位闪动，智辩左右），全天候设计，可以适应不同的环境。

4 汽车雷达的发展趋势

随着科技的日新月异，人们对于车辆的功能及行车安全的期望日益增多。因此，近年来许多先进安全系统及驾驶辅助系统相继被开发出来。其中倒车辅助系统是驾驶辅助系统中最先受到瞩目的技术发展，目前已成为高阶新车的标准驾驶辅助配备之一。倒车辅助的发展从倒车警示喇叭开始，经倒车雷达蜂鸣器碰撞警示、数字波段显示技术（利用雷达感测液晶显示距离）等阶段的发展，目前已成功研发液晶显示屏幕技术。

车用雷达首先要解决的技术难题就是减少雷达的误报。由于车辆在道路中行驶状况十分复杂，并线、移线、转弯、上下坡及道路两旁的静态护栏、标志牌和各种恶劣天气的影响等，使得雷达对主目标的识别产生较高的误报率。尽管某些雷达具有二维，甚至三维的目标探测能力，但迄今为止，没有任何一个传感器能保证在任何时刻提供完全可靠的信息。

5 研究启发

可以说汽车是当今人们生活中不可缺少的一部分。当今汽车业的四大主题是：安全、环保、节能和舒适，这也是中国未来汽车的发展方向。而其中的安全性则是设计车型时首要考虑的因素。安全驾驶中的倒车视线不良一直是困扰驾驶者的难题，能在倒车时知道车后状况绝对是对驾驶者安全的一项保障。从最早的“倒车请注意，倒车请注意……”的语音提示，进化到现在的倒车后是系统，给人们的驾车提供了很大的帮助。作为汽车在日常使用中的辅助配置，倒车雷达已经跃居为最为实用的配置之一。

本课题的名称是“基于测距原理的汽车倒车报警系统设计”。主要是通过超声波系统与单片机来实现距离的测量，从而实现预先提示，减少倒车时的碰撞及事故。本倒车雷达系统的设计，主要是使用单片机语言编程实现超声波测距系统与单片机之间的串行通信及显示汽车与障碍物之间的距离。在整个设计过程中要熟悉单片机芯片和超声波测距系统的工作原理以及所使用单片机的各个管脚及其功能。以上的这些都是在毕业设计期间所学的知识的利用。这不仅是对于本课题的设计与实现，更是对于自己学习能力和动手能力的一次考验。

二、研究容

倒车是每位驾驶员都必须掌握的技能，如同前行一样需要小心谨慎，每年都有倒车引起事故的报道，轻则对自己的车和他人的财物造成损伤，重则可能危及人的性命，尤其是对儿童危害较大，他们体型较小，仅从后视镜来获取视野指导倒车仍有可能会对他们造成伤害。现如今后视镜已经越来越不能满足人们对安全倒车的需求了。因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距

的倒车雷达系统。本系统介绍了一种基于STC12C5A60AD的超声波测距倒车系统的硬件和软件设计，该系统可以测得车尾与障碍物的距离，指导司机安全倒车。

1 研究或解决的问题

本课题为“基于测距原理的汽车倒车报警系统设计”。首先需要明确倒车雷达的概念及其大体的发展状况，从而给出适当的设计方案。本课题主要需要研究超声波测距的原理、超声波传感器的性能特点及作用、单片机的功能及作用。同时，还要研究单片机与超声波传感器以及显示器的连接方式和了解整个汽车用倒车雷达的电路原理及连接。

该汽车倒车雷达主要通过单片机来控制，软件部分拟采用汇编语言进行编程，主要通过汇编语言实现相应的测距算法和中断、计时及单片机与其他各器件的串口通信，从而进行障碍物与汽车距离的测量，实现数据的显示。目前要解决的主要问题是如何编程实现超声波测距过程的中断、计时以及单片机与显示器与其它外围电路的串口通信的实现。

2主要技术

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数。所以，测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有很多种方式，比如激光测距、微波测距、红外测距和声波测距等。人能听到的声音频率为20Hz--20KHz，即为可听声波，超出此频率围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20KHz以上的声音称为超声波。它是一种只有少数生物才能感觉的机械波，它的波长短、绕射小、能定向传播（它是以直线传播的）。它的频率越高，绕射能力越弱，但反射能力就越强。

超声波在空气中的传播速度为340米/秒，因此，如果能测出超声波在空气中的传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。时间测距法即通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离就是超声波测距的一种。

单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要微型机部件集成在一块芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，他已具有了计算机系统的属性。单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调其控制属性，也可把它称为微控制器MCU。

本设计采用超声波测距的方式来测量汽车与障碍物的距离。该超声波测距系统由超声波发射、回波信号接收、计时测量、数据处理与显示等并转换成电信号，经滤波、放大、整形后输入到微处理器的外部中断口产生中断，计数器停止计数，此时计数器记得的脉冲数就是对应的需要测量的时间，通过相应的公式就可以求出距离。

通常的倒车雷达主要由感应器、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接收到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。感应器装在后保险杠上，以角45度角辐射，检查目标，能探索到那些低于保险杠而司机从后窗又难以看见的障碍物并报警，如花坛，蹲在车后玩耍的儿童等；显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示司机停车。根据感应器种类不同，倒车

雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式等。转帖式感应器后有一层胶，可直接粘在后保险杠上；钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去；悬挂式感应器主要用于载货车。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可以分为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接用数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。因此，大力研究开发倒车雷达等主动式汽车辅助安全装置，将减少驾驶员的负担和判断错误，对于交通安全起到重要作用。

三、实现方法及预期目标

1.方案选择

目前常见的有超声波短距离测距，毫米波雷达长距离测距、激光测距、摄像系统测距等几种方法，按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择：

方案1：采用毫米波雷达。

优点：适合长距离测距。

缺点：成本比较高，信号处理难度高，不适合处理短距离测距。

方案2：摄像系统测距。

优点：能比较直观观察到车辆后面的实际情况。

缺点：视频信号处理复杂，涉及到数字图像处理等，成本较高。

方案3：超声波测距。

优点：原理简单，成本低，制作方便，适合在一般短距离的测距，其最佳距离为4~5米。

缺点：有一定局限性（这时因为超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样；对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏度下降）。

通过对应用场合、成本和技术原因的研究，认为采用方案3最为实际有效。

2.方案实现

本系统采用以STC12C5A60AD为核心，利用超声波测距原理，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测试仪。

超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到障碍物反射返回的时间，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离。作为一种非接触式的检测方式，和红外、激光、无线电测距相比，由于超声波具有穿透性较强、空气传播衰减小、反射能力强的特点，所以超声波测距具有在近距离围不受光线和雨雪雾的影响、结构简单、制作方便、成本低等优点。高速的单片机微秒级的机器周期，可实现较精确的时间测量。超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。限制的最大可测距离存有四个因素：超声波的幅度、反射面的质地、反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

预计本系统可以较准确的完成对汽车尾部5m以障碍物的自动探测功能，并在距离为1m时声音提示司机采取措施，极大的提高汽车倒车时的安全性。

本设计的任务是设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车位置监控。要求测量5m以的障碍物，测量精度1cm，测量时于被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

设计的难点是：

1、超声波信号的接收、发射的设计

2、显示电路的设计

3、流程图及程序的设计

四、对进度的具体安排

1、1～3周对所做课题进行调研，完成开题报告、调研报告；翻译一篇与课题相关的英文

资料；

2、第4周完成开题报告、调研报告；

3、第5～7周进行整体方案的确定，进行控制系统软硬件设计方案；

4、第8～12周系统硬件及软件设计绘图；

7、第12～14周编写设计说明书初稿；

8、第15周修改图纸及控制系统软件并完善设计说明书；

9、第16 周进行毕业答辩。

五、参考文献

1、王非.汽车电控技术.：交通，2006；

2. 付百学.现代汽车电子技术.：理工大学，2007；

3. 浩.PIC单片机技术.：机械工业，2002；

4. 歉.机电一体化技术.：高等教育，2004；

5. 建秋.汽车电子学教程.：清华大学，2010；

6. 王绍銧.汽车电子学.：清华大学，2008；

7.贾伯年.传感器技术.:东南大学,2000；

8.晶.Protel99高级应用. ：人民邮电，2000；

2、外文参考文献见附件“毕业设计（论文）外文参考文献翻译”

指导教师：（签署意见并签字）年月日督导教师：（签署意见并签字）年月日

领导小组审查意见：

审查人签字：年月日