1、超声波倒车雷达系统的设计本科生毕业设计(论文)学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 指导教师 ： 完成日期 2013 年 5 月超声波倒车雷达系统的设计Design of Ultrasonic Reversing Radar System总 计： 29 页表 格： 1 个插 图： 18 幅超声波倒车雷达系统的设计 摘 要基于超声波测距的汽车倒车雷达系统是在充分理解了超声波测距原理的基础上提出的。工作时，超声波传感器发出脉冲信号，经障碍物反射后由超声波接收装置接收并送至单片机处理，可实现倒车时障碍物距离的实时监测并通过语音报警提示驾驶员。本设计是以AT89C51单
2、片机为主控制器的超声波倒车雷达系统，包括超声波发射和接收部分、单片机处理部分、LCD显示部分和语音报警部分等硬件系统以及软件程序设计。关键词倒车雷达；单片机控制；超声波测距；语音报警Design of Ultrasonic Reversing Radar SystemElectrical Engineering and Automation Specialty SUI FengAbstract:Based on the ultrasonic distance measurement principle,this text put forward a design scheme of car r
3、eversing radar system based on ultrasonic distance measurement. Ultrasonic sensor sends a pulse signal when it is working,and the ultrasonic receiving decive send the reflected signal by the obstacle to the MCU,this system could achieve Real-time monitoring of the Obstacle distance when reversing an
4、d prompt the driver by voice alarm.The overall design of ultrasonic reversing radar system based on the AT89C51 single chip as main controller was detailed introduced,include Ultrasonic transmitting and receiving part,MCU processing part,display by LCD, Voice Alarm part and its programming in the so
5、ftware.Keywords:Reversing radar; single chip microprocessor; ultrasonic distance measurement; voice alarm1 引言倒车，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让们造成伤害。现如今后视镜已越来越不能满足人们安全倒车的需求了。据初步调查统计，15的汽车事故是由汽车倒车后视不良造成的。因此，人们对汽车倒车操纵的便捷性提出
6、了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给驾驶员们带来的不便，消除安全隐患。由此，专为汽车倒车泊位设置的倒车雷达应运而生。倒车雷达是汽车倒车停车时的安全辅助装置，能够以声音或者直观的显示来告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，帮助驾驶员解决泊车倒车时前后左右探视所引起的困扰。超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器、控制器和报警装置等部分组成。现如今市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶员在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由超声波探头发送超声波，在遇到障碍物后产生回波信号，传感器接收到回波信号后经处理器进行数据处理，判断出障碍物的位置，通过声音、数据、图像等形式为驾驶员提供信息和警示
7、来告知驾驶员周围情况，从而使驾驶员倒车时做到心中有数，提高了驾驶的安全性。1.1 倒车雷达的研究现状及发展趋势经过多年的发展，倒车雷达设计及应用都发生了质的变化。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进行处理，形成一虚拟景象，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。
8、未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，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。该系统用一个内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。我国倒车雷达从2000年开始起步，从最初只是奔驰、宝马等高档车的专利，发展到现在成为许多轿车的标准配置。经过多年的发展，倒车雷达系统已经历经了六代技术改良，不管从结构外观上还是性能价格上，这六代产品都各
9、有特点。使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。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。在日新月异的科学技术发展的背景下，倒车雷达系统也会随着计算机技术等的发展而不断创新，向着智能化、可视化、集成化的方向发展，逐渐将各个功能集中在一起，实现了一套硬件设备可以完成多项功能。倒车雷达的集成化就是将倒车雷达的可视化、LCD显示、超声波测距、语音报警等功能集成在一起，组成了真正意义上的硬件系统。在今后的发展中，我们依然可以将倒车雷达、车载导航，车载音频等系统集成在一起，组成一个更为广泛的集成化系统。1.2 设计主要内容为避
10、免汽车在倒车过程中发生事故，本文设计了一种基于AT89C51单片机的超声波倒车雷达系统。介绍了超声波测距的基本原理，阐述了倒车雷达系统的结构组成、硬件电路设计以及软件设计。倒车距离通过语音报警电路对不同距离段做出不同的语音提示。该系统由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路以及语音报警电路等几部分组成。AT89C51单片机是整个系统的核心部件，协调各部分电路的工作。单片机在超声波信号发射的同时开始计时，超声波信号在空气中传播，在遇到障碍物后发生反射，反射的回波信号经过处理后输入到单片机的外部中断口发生中断，单片机停止计时。通过单片机可得到超声波信号往返所需要的时间，再结合当地声速即可求
11、得车体与障碍物之间的距离。超声波传感器选用CSB40T(R)超声波传感器，谐振频率为40KHz；超声波发射电路包括超声波发射器、驱动电路等组成；超声波接收电路包括集成电路CX20106A及外围电路组成；语音报警电路采用语音芯片ISD4004，可实现汽车倒车过程中的分段语音报警功能。2 系统的总体设计方案及理论基础2.1 总体设计方案本设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。因此初步计划在实验室内小范围的测试。超声波发射仪发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，单片机对此信号进行技术判断处理后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行语音报警。系统
12、硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射和接收电路、超声波接收电路、LCD显示电路以及语音报警电路等几部分组成。系统的总体结构框图如图1所示。系统的软件设计系统应用软件由C语言编写，程序采用模块化设计思想，可对各子程序分别进行设计和调试，然后将调试好的子程序块链接起来进行统调。系统软件模块划分为主程序模块、超声波测距模块和语音报警模块等几大功能模块。图1 系统总体结构框图2.2 超声波测距理论分析2.2.1 超声波测距原理一般来说，频率在20Hz-20KHz之间能为人耳所听到的机械波称为声波；频率低于20Hz的机械波称为次声波；高于20KHz的机械波称为超声波；而高于100MHz的机械波则称之
13、为特超声波。超声波由于其为直线传播，反射能力强且在液体、固体中传播衰减很小，穿透力强等特性，使其在实际生活中得到广泛应用。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波测距就是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出超声波传输的往返时间,然后求出声波传播距离。其关系式如公式（1）： （1）式中：S为待测距离；c为超声波在空气介质中的传播速度；t为往返时间。2.2.2 超声波测距精度分析(1) 发射接收时间对测量精度的影响分析采用压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制
14、，发射频率40KHz，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律，超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 所以，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接收时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。(2)当地声速对测量精度的影响分析当地声速对超声波测距测量精度的影响也比较大。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响如
15、式（2）1： （2）由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，在实际情况下温度每上升或者下降 1，声速将增加或者减少 0.607m/s。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。假定超声波速度C=344m/s(20室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差0.000 002 907s，即2.907ms。即在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用12 MHz 晶体作时钟基准的AT89C51 单片机定时器能方便的计数到1s 的精度，因此系统采用AT89C51 的定时器能保证在20室温下时间误差在1mm的测量
16、范围内。在实际生产应用中，提高精度的关键在于准确得到当地的温度数据。可采用温度传感器测得当地温度，并在软件中实现温度补偿，本文不再赘述。2.3 超声波传感器2.3.1 超声波传感器的原理及结构要利用超声波进行测距，首先要研究超声波传感器的工作原理。超声波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器，它是一种将其它形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其它形式的能的器件。总体上讲，超声波传感器可以分为两大类：一类是使用电气方式产生超声波；另一类是使用机械方式产生超声波。压电式传感器属于电声型超声波传感器，一般采用双压电陶瓷芯片制成，需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液
17、体介质中。它是利用压电材料的正、逆压电效应来工作的，在压电陶瓷芯片上加有一定频率的电压脉冲，芯片就会产生同频率的机械振动。这种振动在介质中的传播，便会产生超声波。反之，如在压电陶瓷芯片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷芯片产生频率与超声波相同的电信号2。图2 超声波传感器结构示意图图2为超声波传感器的结构示意图，其内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响
18、发射与接收超声波。2.3.2 超声波传感器的应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，它在医学上的应用主要是诊断疾病，已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高
19、灵敏度的超声波传感器。2.2.3 超声波传感器的主要性能指标超声波传感器按收发方式一般可分为两类：一类是发送和接收是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘防水功能；另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，如TR40-16，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距范围比较小，防尘、防水性能好。根据本设计所处的环境要求，本系统选用的超声波传感器为分体式超声波传感器CSB40T(R)，该型号探头各项参数为：频率为 40KHz，阻抗500，灵敏度为 103dB(min)，带宽在 -3dB 时为 1.5K，角度最大值为 (-6dB)，静电容
20、 200010%PF，最大驱动电压 150Vp-p(10%工作周期)，回波灵敏度为 -70dB(min)，声压电平 0dB=1uvolt/bar3。3 系统的硬件设计本章主要内容是具体分析系统的硬件实现。整个系统以性能较好的AT89C51单片机为核心，控制超声波传感器的收发，并测算距离，同时根据倒车距离段的不同进行分段语音报警。硬件部分实现分四部分来阐述：第一是以AT89C51单片机为核心的主控系统电路；第二是超声波发射和接收电路；第三是显示电路；第四是语音报警电路。3.1 单片机主控系统电路设计3.1.1 单片机选择AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位
21、微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3所示4。图3 AT89C51外形及引脚排列图5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条I/O线；2个16b定时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：此时CPU停止工作，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续
22、工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。3.1.2 电源电路在一般家用中小型汽车内部的电瓶为12V，单片机所需电压为5V，语音芯片所需电压为3.3V。所以本系统的电源电路主要由一个AC-DC的+12V电源适配器、两个三端稳压块（LM7805、LM1117-3.3）、一些滤波电容等组成，输出+5V电压5。电源电路如图4所示。图4 系统电源电路图3.1.3 复位电路在单片机引用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外
23、，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠的工作。在时钟电路工作后，只要在单片机的RET引脚上出现24个时钟震荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使RET保持高电平，则单片机就循环复位。系统的复位电路如图5所示。图5 系统复位电路3.1.4 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。X1是
24、接外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路如图6所示。图6 系统时钟电路3.2 超声波发射电路超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，超声波探头选用压电式，发射超声波需要在超声波振荡器的外接电路两端产生振荡，超声波发射探头才能够发射超声波。首先利用软件编程的方法在单片机的一个接口产生频率为40KHz的方波信号，然后在经过超声波的发射电路产生超声波6。 超声波发射电路如图7所示，脉冲发射采用软件方式，利用AT89
25、C51的P1.0口发射40 KHz的方波信号，经过74LS04放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，功耗小。超声波发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，本系统将单片机P1.0端口输出的40KHz方波信号分成两路，一路经一级74LS04反向放大后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级74LS04反向放大后送到超声波换能器的另一个电极，从而构成推拉式反向放大。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻R1、R2一方面可
26、以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。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。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7。图7 超声波发射电路3.3 超声波检测接收电路3.3.1集成电
27、路CX20106A集成电路CX20106A是一款红外接收的专用芯片，广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。实验证明，其具有较高的灵敏度和较强的抗干扰的能力。CX20106A芯片(国内同类产品型号为D20106A)是日本索尼公司生产的用于检测红外线的专用芯片，常作为家用电器的红外遥控接收器。常用的载波频率38KHz与测距的40KHz较为相近，可以利用它来做接收电路。CX20106A芯片采用8脚单列直插式塑料超小型封装，+5v供电，内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路。其主要功能是从38KHz 红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加
28、以放大和整形，然后再送到微处理器(CPU)进行处理8。CX20106A是CX20106的改进型，二者之间的主要差别在于电参数略有不同，CX20106A多用于超声波测试。CX20106A芯片简单易用，电路简单，减少了生产调试的麻烦。7引脚连接单片机的外部中断，没有接收到回波时，输出为高电平，当收到回波后立即变为低电平。CX20106A的引脚连接说明如表1所示。表1 CX20106A的引脚说明引脚符号说明引脚1-IN超声波信号输入端，接超声波接收探头，用来检验超声波回波信号。引脚2-C1引脚与地之间串联一个由电阻和电容组成的RC 网络，改变电容或电阻中的一个，即可改变前置放大器的增益和频率特性。本
29、文RC参数为R1=4.7，C1=1F。引脚3C2连接检波电容，检波方式为平均值检波。本文超声波测距对灵敏度要求相对较高，因此，电容参数取3.3F。引脚4GND接地端引脚5F0与电源间接入一个电阻，以确定带通滤波器中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。本文超声波的频率为40kHz，取R=210k引脚6C3与地之间接一个积分电容，一般情况下，标准值为330pF。引脚7OUT信号输出端，接一个22k上拉电阻到电源端引脚8Vcc电源端，接+5V电压3.3.2 超声波接收电路超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设
30、计采用与发射端同型号的CSB40R压电式超声波传感器。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路进行放大9。超声波接收电路如图8所示，采用CX20106A集成电路作为接收电路的核心，接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，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，不需要外接电感，可避免外磁场对电路
31、的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。当接收到40KHz信号后，芯片7脚会出现较短的低电平，接入单片机便可以使单片机产生中断。图8 超声波检测接收电路3.4 显示电路本系统中的显示部分采用1602LCD液晶显示。LCD1602的操作简单、编程方便，且电路简单，显示更加直观、清晰。它显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。内含复位电路，并且提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能有80字节显示数据存储器DDRAM
32、。具体接口如图9所示，其7-14管脚分别与单片机的P0.0-0.7脚相连，RS、RW、EN分别为寄存器选择、读写信号选择和使能端。图9 显示接口电路3.5 语音报警电路本系统采用ISD4004语音芯片进行语音报警电路的设计，音质好，可实现分段录放，能达到本系统的要求。语音电路的主要作用是在汽车倒车过程中，为驾驶员提供人性化的语音提示，可以使驾驶员在不分神的情况下，得知汽车与障碍物之间的距离，使倒车顺利完成。3.5.1 语音芯片选择ISD4004 系列工作电压3.3V，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用 CMOS 技术，片内集成了时钟振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、传声器前置放大器、自动静噪电路、高密度多电平闪烁存储阵列、模拟收发器、驱动控制电路、差动音频放大器电源控制等单元功能模块。
