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1、摘 要超声波汽车倒车探测器是一种能够实时显示车后障碍物状况的汽车倒车辅助装置。在现实生活中应用十分广泛。本文根据声波在空气中可定向发射和反射的原理，以超声波换能器为接口部件，应用单片机技术设计了一套超声波测距系统。文章提出了微处理器控制的超声波汽车倒车测距系统的设计方案。微处理器计算超声波从发射到接收的时间，在数据处理中采用温度补偿技术对超声波在空气中的传播速度进行修正，计算出距离，并根据障碍物与车尾的距离远近情况发出不同等级的报警声，同时显示车后障碍物与车体的距离。论文概述了超声波探测器的发展状况与基本原理。对测距系统发射、接收、检测、显示等部分的设计方案进行了分析。从系统的性能需求、实用要
2、求出发，对系统组成、检测原理和方法作出选择并对软硬件进行了设计。文章详细叙述了系统的硬件设计过程，并给出了系统软件设计程序流程图，通过误差分析，说明了系统应用的实用性。 / 目 录前言.11 概述21.1 选题的意义21.2 超声波汽车倒车探测器的应用和发展现状22 设计方案分析52.1 测距方式和提示方式比较52.1.1测距方式52.1.2 预警提示方式72.2 方案确定82.2.1 测距探测器方案102.2.2 超声波发射方案112.2.3 超声波回波接收方案112.2.4 温度测量与补偿方案122.2.5 显示与报警方案123 硬件电路设计133.1 硬件框图133.2 单片机最小系统设
3、计143.3 超声波发送电路设计153.4 超声波接收电路设计173.5 温度测量电路设计203.6 报警电路设计213.7 显示电路设计223.8 电源电路设计243.8.1 +5V和+12V稳压电源243.8.2 稳压电源电路253.9 器件说明263.9.1 AT89C2051单片机263.8.2 超声波传感器274 软件设计284.1 系统软件结构284.2 初始化程序314.3 测温电路程序314.4 中断程序设计364.5 报警与显示驱动程序385 效能分析40参考文献43附 录44前 言随着社会的发展，汽车数量不断增加，人们便对汽车操作的便捷性愈加挑剔。汽车倒车时的不便被汽车制造
4、行业所重视。人们希望有一种装置能够实现汽车“后视”功能，在倒车时能够提示人们汽车后方是否有障碍物以与障碍物与汽车的大致距离等。基于以上原因,出现了超声波汽车倒车探测器。超声波汽车倒车探测器是一种汽车泊车安全辅助装置，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，帮助驾驶员扫除视野死角，提高驾驶的安全性。本文设计了一种超声波汽车倒车探测器，用超声波传感器发射和接收超声波测距，DS1820芯片测温，AT89C2051单片机做处理器，处理数据并计算声速与距离，用LED数码管显示距离，报警器与示意指示灯报警。本课题的主要研究容有以下几个方面:(1) 简述了设计和设计超声波汽车倒车探测器的目的和
5、意义，以与超声波汽车倒车探测器的应用与发展状况。(2) 简要论述了超声波汽车倒车探测器的工作原理、基本组成，以与系统的方案，工作流程和系统的性能要求。(3) 重点对超声波汽车倒车探测器硬件部分进行了分析与设计。主要是对超声波发射、接收、温度测量，报警与显示电路的分析与设计。(4) 较为详细的说明了系统软件流程，关键部分还给出了流程图和相关程序。(5) 最后对超声波汽车倒车探测器研制过程中所做工作进行了总结。1 概述1.1选题的意义汽车倒车探测器一般被称为“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，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，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的
6、困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。1.2超声波汽车倒车探测器的应用和发展现状超声波汽车倒车探测器，种类繁多，应用广泛，目前在市场上呈现了一种各种档次并存，高低搭配的局面。因为它实用性强，技术成熟，所以发展很快。从第一代经过短短几年时间便发展到第五代，从纯电路模式到使用高速处理器；从单纯轰鸣器报警到显示器显示，语音报警。另外安装使用更加方便，精度与稳定性也有极大提高。在现实生活中的作用越来越大。(1) 第1代使用超声波探头、轰鸣器倒车时，超声波探头发送，接收超声波，车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流产生变化给轰鸣器不同的信号，如果车后1.5-1.8m处有障
7、碍物，轰鸣器就会开始工作。轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。第一代探测器没有语音提示，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，对司机帮助不大。(2) 第2代使用超声波探头、微处理器、数码波段显示器倒车时，超声波探头发送，接收超声波，处理器进行处理，将处理后的信号送给距离显示设备，可以显示车后障碍物与车体的距离。如果是物体，在1.8m左右的距离开始显示；如果是人，在0.9m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3种颜色来区别距离：绿色代表安全距离，表示障碍物与车体的距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，表示与障碍物的距离
8、只有0.6-0.8m；红色代表危险距离，表示与障碍物之间只有不到0.6m的距离，必须停止倒车。第二代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，能够作到一目了然，但没有声响，警示效果不好。(3) 第3代使用超声波探头、处理器、液晶荧屏显示器这一代产品较前两代有了质的飞跃，特别是荧屏显示的使用表明开始出现动态显示系统。不用挂倒挡，只要发动汽车，超声波探头与处理器就开始工作，显示器上就会出现汽车图案以与车辆周围障碍物的距离。动态显示，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。(4) 第4代使用超声波探头、处理器、魔
9、幻镜显示器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2m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。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提结合起来，并设计了语音功能，是目前市面上比较先进的倒车雷达系统。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车空间，直接安装在车倒视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车装饰选配，不过造价较高。(5) 第5代使用超声波探头、后视摄像机、控制器、监视器超声波信号接入显示控制器，同时将视频监视子系统中的摄像探头信号接入显示控制器，通过安装在汽车部的显示控制器的自动切换电路、字符叠加器、微处理器，将
10、显示控制器的输出再接入监视器，这样实现自动切换图像、监视、超声波倒车测距、自动报警等功能。车载电视显示车后景物图像和车后障碍物距离。倒车探测器具有精确判断距离的优点，后视摄像对车后方的水沟、山崖、凸出的钢筋、竹竿等倒车安全上的死角极为有效；后者图像直观真实，前者可获得精确的距离，两者精确结合非常实用。此系统技术非常复杂，也不是很成熟，不宜普与。虽然各代探测器各有特点但是它们有着此类产品固有的缺点。车用倒车探测器首先要解决的技术难题就是误报。由于道路状况十分复杂，以与道路两旁的静态护栏、标志牌，还有各种恶劣天气的影响等，使得探测器对目标的识别十分困难，误报率很高。要想完全解决好误报问题，还需要采
11、取多传感器的信息融合技术。实现信息综合分析，利用数据间的冗余性和互补特性进行容错处理，克服单一传感器可靠性低、有效探测围小等缺点，有效地降低探测器的误报机率。生产超声波传感器的主要材料的价格一直居高不下，成为车用探测器推广应用的瓶颈。可以预见，随着新材料、新工艺在探测器制作中的应用，使低价格、高性能的车用探测器的实现和普与成为可能。超声波的汽车倒车探测器的发展趋势是:使用的处理器速度越来越快，系统反应时间越来越短；使用的传感器技术越来越先进，系统稳定性越来越高；使用的显示报警技术更加先进，探测器显示、报警方式会更加直观，更加人性化。各种减小误差电路的出现，会使系统准确性大大提高。总之，超声波汽
12、车倒车探测器用起来会更加方便，更加令人放心。2设计方案分析2.1测距方式和提示方式比较2.1.1测距方式测距方式对系统测量精度与稳定性都有较大影响。因此选择一种合适的测距方式对系统性能提高有很大帮助。目前汽车倒车探测器使用的距离测量方式多种多样，主要有激光测距、红外线测距、CCD摄象机和超声波测距这几种，它们各有优缺点，下面对它们各自的特点进行详细分析和比较。(1) 激光测距激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工
13、作原理是:从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜与回输光纤，被导入到信号处理装置的光电二极管，利用计数器计算激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调
14、制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。在汽车测距系统中，非成像式激光雷达更具有实用价值。同成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。但由于激光雷达测距仪器工作环境是处于高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素。目前，在汽车上，上述各种激光雷达测距仪均有应用，但成像式激光雷达还在进一步研究之中。(2) 红外线测距红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，波长为0.751000m。有显著的热效应和较强的穿
15、透云雾的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。车载传感器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱与波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质与与汽车的距离。但其由于波长与大小很难准确分辩，因此红外传感器角度分辨率高，而距离分辨率低。由于红外线人类肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。但是,它比较容易受到光源和热源影响。(3) CCD 摄像机CCD ( Charge Coupled Device)摄像机即电荷耦合器摄像机，它是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态围大、光计量准确等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢
