汽车倒车防撞系统(参考模板)

汽车倒车防撞系统
摘要
汽车作为现代社会最主要的交通工具,数量越来越多,但是交通事故的发生频率逐年增长，其中因倒车发生的事故占很大的比例。

随着科技的发展，这类的问题得到了解决，人类发明了智能交通系统，其中汽车智能倒车防撞技术关键在于智能实时的测出汽车与障碍物的距离。

当汽车与障碍物之间的距离小于设定的安全距离时，防撞系统就自动报警并采取制动措施。

为提高汽车运行的安全性和降低碰撞发生的可能,本文讲述一种主动型汽车倒车防撞报警系统。

利用超声波进行无接触的测距，系统主要包括超声波发射电路，超声波接收电路，温度测量电路，数码显示电路以及报警电路。

以超声波传感器为重点进行超声波的发射和接收，通过计算得出距离并通过LED显示，在超出一定距离时，电铃报警，驾驶员做出判断。

针对系统的功能，对控制软件进行设计。

根据验证。

满足倒车安全的要求。

关键词：超声波，倒车，防撞，测距
目录
第一章汽车防撞系统的研究前提 (2)
1.1汽车防撞系统的背景及现状 (2)
1.1.1汽车防撞系统的背景 (2)
1.1.2研究的目的和意义 (3)
1.1.3防撞系统的现状 (4)
第二章超声波测距 (5)
2.1关于超声波 (5)
2.1.1 超声波的介绍 (5)
2.1.2 超声波的特点 (5)
2.1.3超声波的应用 (6)
2.2 超声波传感器 (6)
2.3超声波测距原理及提高性能的措施 (7)
2.3.1超声波测距原理 (7)
2.3.2 提高超声波测距系统性能的若干措施 (8)
第三章系统的组成 (9)
3.1硬件部分 (9)
3.2单片机的选择 (10)
3.3温度传感器的选择 (11)
3.4 超声波传感器的选择 (13)
3.5 系统总体设计思路 (14)
第四章硬件电路设计 (15)
4.1 超声波发射电路 (15)
4.2 超声波接收电路 (16)
4.3 显示电路与报警电路的设计 (17)
4.3.1显示电路的设计 (17)
4.3.2报警电路的设计 (17)
4.4 电源设计 (18)
第五章系统程序设定 (19)
5.1 程序完成的功能 (19)
5.2 主程序 (19)
5.3 温度测量与测距子程序 (22)
5.4 距离显示，判断以及报警子程序 (24)
第六章误差分析与整改方案 (26)
6.1超声波测距误差分析 (26)
6.2针对误差产生原因的系统改进方案 (28)
结束语 (30)
致谢 (31)
参考文献 (33)
第一章汽车防撞系统的研究前提
1.1汽车防撞系统的背景及现状
1.1.1汽车防撞系统的背景
国际上先进国家自80年代末开始研究汽车防撞系统。

90年代初，美国、德国、日本相继报道在民用汽车上装备防撞预警系统。

我国在这一领域起步较晚，目前由于存在报警系统本身的可靠性或误报警等问题，尚未见到有批量化生产和装备汽车的报道。

防撞有微波、激光和超声等多种方法。

微波系统测距范围较远，由于采用相控阵天线成像技术，已达到了实用化的程度，只是目前成本居高不下。

国内已有公司设计出激光汽车防撞系统样品，但由于激光波束较窄、路障报告率偏低而暂时不能推广。

声波的发射和接收是自然界中的普遍现象。

频率低于20KHz的声波人耳可辨，进行着各式各样、错综复杂的自然声音传递，因背景复杂而不利做测试媒体使用。

频率高于20Hz的超声波不仅波长短、方向性好、能够呈射线定向传播，而且碰到界面就会有显著反射。

这些特性有利于选用超声波做媒体，测定物体的位置、距离甚至形状等。

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工艺控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；
3.不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰设计。

另外，超声系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。

1.1.2研究的目的和意义
随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。

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。

我国交通死亡率远远高于其他国家。

我国目前的交通安全相当于发达国家上个世纪70年代水平。

我国的年死亡人数分别是美国的2.3倍、日本的13.4倍、德国的18.4 倍。

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防撞预警系统势在必行。

汽车已经是一种非常成熟的工业制成品。

尤其在机械方面几乎没有太多的潜力可挖，目前主要在电控方面丰富和加强，随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制单元越来越多，例如电子燃油喷射装
置、防抱死制动装置（
ABS）、安全气囊装置、电控门窗装置和主动悬架等等。

在这种情况下，如果仍采用常规的布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目的急剧增加，使得电线的质量占整车质量的4％左右。

另外，电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电路也降低了汽车的可靠性，增加了维修的难度。

由于总线系统具有传输速率高，抗干扰能力强，硬件连接方便等突出特点，非常适合用于汽车系统中，解决众多测试与控制仪器之间的数据交换问题。

汽车防撞预警系统的核心在于快速、准确地测量出汽车与障碍物之间的距离，并及时发出报警信号，同时通知其它的汽车控制系统（如刹车系统）以达到防止碰撞的目的。

实现距离非接触检测的方法很多。

目前，非接触式测距系统常采用超声波、激光和雷达。

但激光和雷达测距造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点：超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。

在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。

1.1.3防撞系统的现状[1]
国际上如德国、日本、美国等先进的汽车生产国，在十年前已经开始了主动防撞安全装置的研究与开发。

戴姆勒克莱斯勒公司和沃尔沃公司在汽车防撞器方面走在世界前列。

美国的《大众机械师》杂志介绍了戴姆勒克莱斯勒公司汽车防撞器的研究情况。

该防撞器结构主要是两个测距仪和一个影像系统，能够测出安全距离，如果发现车前有障碍物，计算机能够自动引发刹车装置。

这个系统的特点是：
(1) 能够自动测出前方障碍物的速度和距离；
(2) 执行机构能够自动启动刹车装置，自动关闭车的侧窗、天窗，自动调整座椅位置。

当乘客遭受撞击时，最大限度受到气囊的保护；
(3) 能够感知车的行驶状态，如果传感器感到车在左右摇摆，或者感到车内的酒精浓度过高，它能够自动刹车或者自动锁死方向盘。

沃尔沃公司在轿车上加装了夜视仪，夜视仪能够显示前灯照射距离以外的物体，显示车的前照灯与车前障碍物的距离，提示司机刹车，但是没有介绍沃尔沃公司的防撞器能不能自动刹车，能不能自动关闭天窗。

戴姆勒克莱斯勒公司以及沃尔沃公司的防撞器也有一些缺点：不能防止误操作，如你要超车，车的自动防撞器测出两车的间距小于安全距离，自动防撞器会自动通知汽车控制中心启动自动刹车系统执行减速操作。

国内汽车自动防撞技术方面的研究，主要在一些大型汽车企业和科研院所开展，如：长春一汽、上海大众、东风汽车、交通部科学研
究所、武汉汽车研究所、清华大学汽车系、北京理工大学机械系等。

但是，现在已有的产品的种类并不是很多。

从技术先进性角度来讲与国外同类产品仍有一定距离。

另外，无论是国内还是国外的汽车自动防撞器车间距离检测的精度和盲区控制以及执行机构的灵活性上仍然有很大的发掘潜力。

超声波测距方面目前计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。

过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。

高智能化检测仪器只有能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基木情况一样，才可充分发挥其特有功能。

仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。

我国超声波仪器的研制与生产，虽然有较大发展，但是在精度、盲区控制、体积重量方面与国外同类产品任然存在一定差距。

第二章超声波测距
2.1关于超声波
2.1.1 超声波的介绍
我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

人类耳朵能听到的声波频率为20～20000HZ。

当声波的振动频率大于20000HZ或小于20HZ时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000HZ的声波称为“超声波”。

2.1.2 超声波的特点
超声波通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其特点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的方向性。

超声波具有以下的特点：
(1) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

(2）超声波可传递很强的能量。

(3) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

(4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象
2.1.3超声波的应用
超声波广泛地应用在多种技术中。

超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。

(1) 工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等。

(2) 生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等。

(3) 诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。

(4) 治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。

2.2 超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面[2]。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

工作温度由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

灵敏度主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

超声波传感器由发送传感器 ( 或称波发送器 ) 、接收传感器 ( 或称波接收器 ) 、控制部，超声波传感器分与电源部分组成。

发送器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输
出，从而对发送的超进行检测。

而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。

控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

超声波传感器电源 ( 或称信号源 ) 可用DC12V ± 10 % 或24V ± 10 % 。

2.3超声波测距原理及提高性能的措施
2.3.1超声波测距原理
在超声波探测电路中, 发射端输出一系列脉冲方波, 其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔, 被测物距越远, 脉冲宽度越大, 输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声波测距的方法有多种, 如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。

相位检测法虽然精度高, 但检测范围有限不可运用到汽车倒车中, 其障碍物与汽车的距离；声波幅值检测法易受反射波的影响。

本硬件设计采用超声波往返时间检测法[3], 其测量原理图如下图2-1所示。

图2-1 超声波测距原理图
其原理为: 在超声波发射器两端输入40KHZ 脉冲串, 脉冲信号经过超声波内部振子, 振荡产生机械波, 并通过空气介质传播到被测面, 由被测面反射到超声波接收器接收, 在超声波接收器两端, 信号是毫伏级的正弦波信号, 超声波经气体介质的传播到接收器的时间, 即为往返时间。

超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法,其中常用脉冲回波法测距。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法 ,其原理是超声传感器发射超声波, 超声波在空气中传播至障碍物, 经反射后由超声传感器接收反射脉冲, 测量出超声脉冲从发射到接收的时间, 再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离, 即：
L=c·t/2 (2-1)
式（2-1）中, L 为超声传感器与被测障碍物之间的距离, c 为超声波在介质(空气)中的传输速率, t 为超声波从发射到接收的时间。

超声波在空气中的传播速
度为: 0c c =其中T 为绝对温度数值, 0273.15T k ≈,0331.4C m s =。

在测量精度不是很高的情况下, 一般可以认为c 为常数340m/s 。

由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波又很难精确捕捉,致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。

2.3.2 提高超声波测距系统性能的若干措施
声速校正要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速C 必须保持不变，实际上声速受介质、温度、压力等变化的影响。

一般情况下，由于大气压力变化很小，因此传播速度主要受到温度的影响。

在一定的介质中，通常采用对温度进行修正的方法，可以测得比较准确的距离。

通过对温度修正来校正声速的方法，即用测温元件测量实际环境，根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速。

空气中声速C 与温度T 的关系在常温下可由下面近似公式C=(331.4+0.607T)m/s(4) 2、减小盲区措施：(1) 减小发射脉冲宽度发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震(拖尾减少，此法常用于短距离测量距离。

采用自动距离增益控制采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。

另一方面，可使远汽车防撞预警系统的设计处的回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。

(3) 信噪比问题超声波测距仪都有确定的量程。

量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阐值。

这个闭值决定信噪比。

噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪器一样，另一类为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，工作频率较高，可以避开工业噪声频谱段。

而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。

这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。

第三章系统的组成
3.1硬件部分
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、温度补偿电路，报警电路，超声波发射电路和超声波检测接收电路五部分。

单片机采用AT89C51或其兼容系列。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，位码用PNP9012三极管驱动[4]，系统框架图如图3-1所示。

3-1 系统框架图
3.2单片机的选择
作为整个系统的核心，单片机选用Atmel公司的AT89C51单片机，AT89C51 是一个低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，片内含4 KB 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器（ROM）和128 B 的随机存取数据存储器（RAM），与标准MCS-51 指
令系统和管脚兼容，片内置通用8 位CPU 和Flash 存储单元，ATMEL的AT89C51 是一种高效微控制器。

主要特性有：与MCS-51 兼容，4K字节可编程FLASH存储器。

寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年，全静态工作：0Hz-24MHz ，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路[5]。

AT89C51引脚图[6]如图3-2所示。

AT89C51单片机有如下特点：
（1）面向控制的八位CPU
（2）一个片内振荡器和时钟产生电路，震荡频率为0-24MHz
（3）片内4KBFlash ROM程序寄存器
（4）128B的片内数据存储器
（5）可寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路
（6）三级程序存储器锁定
（7）32可编程I/O线
（8）两个16位定时器/计数器
（9）5个中断源，2个中断优先级
（10）一个全双工的异步串行口
（11）21个特殊功能寄存器
（12）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电保护方式
图3-2 AT89C51引脚图
3.3温度传感器的选择
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

在本课题中温度传感器可以从热电阻温度传感器或者数字型传感器DS18B20中选择。

热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点[8]：
(1) 采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。

单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

(2) 测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃；在 -10~+ 85°C 范围内，精度为± 0.5°C 。

(3) 在使用中不需要任何外围元件。

(4) 持多点组网功能多个 DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。

(5) 供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。

因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。

(6) 测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9~12 位。

(7) 负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

(8) 掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。

DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此在本次课题中选用DS18B20数字温度传感器。

DS18B20的管脚排列如图3-3所示:1脚GND为电源地；2脚DQ为数字信号输入／输出端；3脚VDD为外接供电电源输入端。

图3-3 DS18B20引脚图
如何使用DS18B2O，必须根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

如图3-4
是DS18B20温度值格式表。

图3-4 DS18B20温度值格式表
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度（例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H）。

3.4 超声波传感器的选择
本次课题中选用压电式超声波换能器，压电式超声波换能器是利用压电晶体
的谐振来工作的，超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计），超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

在本课题中选用T/R-40-60超声波收发传感器。