1、 1.1.1 传感器的主要类型 3 1.1.2 倒车过程中选用的传感器 32.2 测距原理 5二、正文 3 1、本设计的目的 3 2、条件 43、模型的建立64、原理框图65、工作原理76、超声波测距误差分析97、影响超声波探测的因素10三、元件选择清单13四、实验安装14五、系统调试16六、实验结果17七、小结18元器件介绍19结束语24参考文献 24成绩评定25前言 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。倒车事故屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，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倒车防撞预警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测
2、距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以与在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯与蜂鸣器把车辆到障碍物的距离与位置通知驾驶人员，起到安全的作用。针对我国交通安全的需要，以与国内外汽车电子技术的应用现状和发展趋势，综合汽车工程学、汽车电子技术、通讯技术和控制技术等多学科理论，从必要性、可行性、实用性和经济性等角度出发，提出开发研制汽车防撞报警系统。目的在于当行车处于危险状态时，发出报警，提醒驾驶员或
3、自动采用相应措施，从而减少或避免高速公路碰撞事故的生。 汽车倒车防撞测距报警器是国家八.五期间重点开发的重大科研项目之一。本设计将使报警器在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车，如果和制动系统联系在一起也可以形成自动刹车。 众所周知，关于超声波的研究最初起始于1876年，这是人类首次有效产生的高频声波，这些年来，随着超声波技术的不断深入，再加上其具有高精度，无损，非接触等优点，超声波的应用变得越来越普与，多年来已在一些领域得到应用。例如利用超声波技术的自动测距照相机，建筑使用的手持式墙面测距仪。 而用于汽车防撞
4、却是近年的事情。这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。现代的超声波传感器不同以往的是在结构上采用了完全封闭形式，它将其换能部分与外界完全隔开，并采用了抗锈材料作为外壳，这样才有可能符合汽车电器所要求的诸如防潮，淋雨，防尘等较为苛刻的耐候性指标。其次，汽车本身就是一个集电磁波，噪音，振动，撞击等干扰于一体的强干扰源，因此为了能让倒车雷达稳定的工作，除了具备优良的硬件系统以外，还需要通过软件的数字智能甄别筛选，方能过滤这些干扰信号，只有近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微电脑才能够达到这些要求。 论文概述了超声波检测的发展与基本原理，阐述了超声波传感器的原理与特性。对于
5、系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。关键字：超声波；汽车倒车；防撞；报警器；传感器1.1 国内外发展的概况以与存在的问题 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，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高
6、且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以与在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。 汽车倒车防撞测距报警器一般有四种：1嘀嘀声加闪光，2音乐声加闪光，3语音声加闪光，4倒车到危险距离时发出警报声的超声波倒车报警器，由于很多研究都采用的是特殊难购的专用元件，使其难以推广，本设计采用国内生产的通用元件，成本较低廉，本设计使其在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车，如果和制动系
7、统联系在一起也可以形成自动刹车。 （1） 预警时间不足 最大有效探测距离的问题，大多数倒车雷达的最大有效探测距离：墙面小于2.5m,行人0.6-1.2 m。实验知道一些驾驶员的习惯初始倒车速度3-12km/月 ，即0.83-3.3 m/s,。现以平均1.5 m/s计算，倒车雷达发现目标仅有1.67 s，对行人只有0.4-0.8 s。如此以来，等报警器报警后汽车再减速就很紧张，明显感到预警时间不足。 （2）反映速度迟钝 多数成品倒车雷达的显示速度因为考虑到抗干扰等因素，显示更新的速度约0.2-0.4s，即在0.2-0.4s显示一次距离，根据以上的推断，从倒车雷达发现目标到发出警报如果需要3s秒，
8、这时车已经行使了0.45s，这显然感到反应迟钝。 （3） 探测盲区问题 多数倒车雷达的超声波传感器为2-3个，单个传感器的水平探测角度约60-70，这样势必造成2-3个盲区，如图1-1，而增加传感器的个数不但增加成本，而且提高报警器的故障率。另外，由于等同与水平探测角度的垂直探测角度显得过大，往往对粗糙地面发生误报，如果改为探测角度为30的传感器不会误报，但是不能有效的探测约30cm高的路堤，造成倒车时碰到后保险杠的问题。1.2 倒车雷达的发展 随着我国汽车产业的高速发展，尤其是近两三年我国开始进入私家车时代，汽车电子产业成了新的增长点，汽车电子产品的高利润和市场广阔性倍受商家关注，音响和防盗
9、器就是明证，近两年来，倒车防撞报警器成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车防撞报警器，可以这么说，几乎生产防盗器的厂家都在生产倒车防撞报警器。市场上经销的倒车防撞报警器品牌多达几十种，在全国零售市场上销售的主要有固地、铁将军、伊莱、豪迪、奇贞、铭品、全安、佐敦、永泰和、俊邦视宝等品牌，基本上国产品牌占90%，而进口产品在终端市场上零售的较少。处在我国汽车用品大行业环境的繁荣背景下倒车防撞报警器已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派激烈竞争的态势。 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,目前使用较多的是数码
10、显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这3种。 第1代倒车雷达。“倒车请注意”!想必不少人还记得这种声音,它只能算作最早的有关于倒车的一个产品,不能称为雷达,现在只有小部分商用车还在使用。只要驾驶员挂上倒档,它就会响起,提醒周围的人注意。从某种意义上说,它对驾驶员并没有直接的帮助,基本属于淘汰产品。最初的倒车雷达是蜂鸣器,它标志着倒车雷达系统的真正开始。倒车时,如果距车1.51.8 m处有障碍物,蜂鸣器就会开始工作,蜂鸣声越急,表示车距障碍物越近。该装置既没有语音提示,也没有距离显示,虽然驾驶员知道车后有障碍物,但不能确定障碍物距离车究竟有多远。 第2代倒车雷达。第2代产品采用数码波段显示,可以显示车
11、后障碍物离车体的距离。如果车后是物,在1.8 m开始显示;如果是人,在0.9 m左右的距离开始显示。这一代产品有2种显示方式,数码显示产品直接显示距离数字,而波段显示产品由3种颜色来区别:绿色代表安全距离,表示障碍物离车体距离有0.8 m以上;黄色代表警告距离,表示离障碍物的距离只有0.60.8 m;红色代表危险距离,表示离障碍物只有不到0.6 m的距离,必须停止倒车。第2代产品把数码和波段组合在一起,比较实用,但安装在车内不太美观。 第3代倒车雷达。第3代产品是液晶荧屏显示,这一代产品较以前有一个质的飞跃,特别是荧屏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
12、以与车辆周围障碍物的距离。其外表美观,可以直接粘贴在仪表盘上,安装很方便,给人以舒适的感觉,显示的距离也更准确些。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4代倒车雷达。第4代产品是魔幻镜倒车雷达,它结合了前几代产品的优点,采用了最新仿生超声雷达技术,配以高速微机控制,可全天候准确地测知2 m以内的障碍物,并以不同等级的声音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、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起,并设计了语音功能,其外形就是一块倒车镜,所以可以不占用车内空间,直接安装在车内后视镜的位置。可以按照个人需求和车内装饰选配,
13、不过价格稍高。 第5代倒车雷达。第5代产品是整合影音系统,它是专为高档轿车生产的,在上一代产品的基础上新增了很多功能,它整合了高档轿车的影音系统,可以在显示器上观看DVD影像。当然其价格也相当的不菲。1.3 本设计的目的 本设计可望成为驾驶员特别是货车以与公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以与进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车，本设计成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义。1.4研究意义 超声波测距法是最常
14、见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以与在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。 二 、传感器的相关技术介绍 1.2传感器类型的选择 1.1.1 传感器的主要类型 汽车防撞器最关键和最基本的技术是车辆测距技术,现在运用在汽车上的测距方法主要有超声波测距，雷达测距，摄像系统测距，激光测距，和夜间应用的红外线测距等几种方法: （1） 超声波测距 超声波一般指频率在20 KHz以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点，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
15、时,超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲,并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低、制作方便，但其在高速行驶的汽车上的应用有一定局限性，这是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；另一方面是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。故超声波测距常用于短距离测距，最佳距离为 45 米，一般应用在汽车倒车防撞系统上。 （2） 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
16、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内的光电二极管，利用计数器计数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
17、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，即可获得视场内目标的三维信息。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。这些决定了其光源
18、只能采用半导体激光器。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。（3）CCD 摄像系统测距 CCD（Charge Coupled Device）摄像机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、动态范围大、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
19、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。随着计算机软硬件性能的提高，最终将得到广泛应用。（4） 红外线测距 红外线的波长比可见光长，是肉眼看不见的光，有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。车载仪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。 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
20、种测距仪广泛应用在军用汽车上具有极强的隐蔽性，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。 （5） 雷达测距 雷达的名称来自无线电探测和测距（Radio Detection And aging），顾名思义，它向目标发射一定的无线电波，通过其反射回来的电波信号检测目标，并利用收发信号的时延测量目标的距离。雷达诞生于上世纪三十年代的第二次世界大战期间，当时由于军事上的迫切要求，雷达获得了广泛的应用和发展。之后，随着科技的发展，雷达技术日臻完善，现代雷达不仅能完成对目标的探测和测距，还能完成测角、测速、跟踪和成像等功能。虽然雷达技术主要用于军事方面，但其在民用领域也发挥着越来越大的
21、作用。雷达在民用服务的主要应用包括有气象雷达，探地雷达和应用于机场、港口、和公路的交通管制雷达从上世纪七十年代起，人们开始将雷达技术用于汽车自动防撞器中，称之为汽车防撞预警雷达（Automotive Collision Avoidance and Warning Radar）,简称汽车防撞雷达（Automotive Anti-collision Radar）。由于雷达能在雨、雪、雾等恶劣天气环境下工作,作用距离较远，比上述几种技术具有优越性。 1.1.2 倒车过程中选用的传感器在倒车过程中由于车速慢，与障碍物之间的距离短，因此对传感器的要求不是很高，因此我们选用原理简单，成本低、制作方便的超声
22、波传感器。1.2 测距原理 振动在弹性介质内的传播为波动，简称波。频率在162*104HZ之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波;低于16HZ的机械波称为次声波；高于2*104HZ的机械波称为超声波。 超声波在液体、固体中衰减很少，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射、漫射和波形转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用。汽车防撞报警器利用的就是超声波反射原理来进行测距。超声波测距采用的方法是时间差测距法，即测取超声波从发射地至目的地传输所经过的时间，也称渡越时
23、间检测法。当超声波发生器发射出超声波，开始计时，到超声波经空气传播至目标，再反射至超声波接收器，计时停止，测得的传输时间为t。由下式可以求出声波发射地与目标之间的距离L。L = ct2。c为超声波在空气中的传播速度。渡越时间t的测量，采用单片机脉冲计数的方法，可以精确地测出。把时间t转换成脉冲计数量N，则有 2N CLF ，式中N为计数脉冲个数，F为计数脉冲频率。二、正文（1） 本设计的目的本设计可望成为驾驶员特别是货车以与公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库
24、以与进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车，本设计成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义。超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以与在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯与蜂鸣器把车辆到障碍物的距离与位置通知驾驶人员，起到安全的作用（2）条件超声技术是一门以物理、电子、机械与材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超
25、声波产生、传播与接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向与反射、透射等特性。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。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机理。 超声波距离传感器采用压电元件锆钛化铅，一般称为RZT，这种传感器的特点在于具有方向性，传感器用蜂鸣器的纸盒为椭圆形，目的是使传感器的水平特性宽，而且垂直方向受到限制。超声波距离传感器是利用“回声”现象制成汽车所用的倒车声纳系统，倒车时想车辆后方发射超声波，测定超声波遇到障碍物后返回的时间
26、，再把这一时间置换成距离再加以显示。超声波比人耳能听到的声波频率要高，具有方向性，并且只能检测车辆后方的障碍物。它的功能是判定和显示车辆后方有无障碍物，障碍物到汽车的距离以与障碍物的位置。当车后无障碍物时，随着距离的增加，超声波逐渐衰减，也就是说根据向车后发射的超声波是否返回，可以判断检测范围内有无障碍物。向车后发射的超声波遇到障碍物返回时，测定所需的时间，根据时间与距离成正比的关系，就可以判断车到障碍物的距离。此外，车辆后方划分为左中右三个区域，就可以判断出障碍物在何处，四个超声波发生器置于后减震器中，微机组件置于货舱内，驾驶人员回头时即可看到障碍物的显示。超声波距离传感器和微机组件之间采用
27、屏蔽线相连，因此消除了外部与外部传入的干扰.超声波测距的基本原理同声纳回声定位法的原理是基本相同的，超声波发生器不断发射出40kHz超声波，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接受到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲，再利用双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。方脉冲的宽度即为两个短脉冲之间的时间间隔。测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。根据测量出输出脉冲的宽度。即测得发射超声波的时间间隔，从而就可求出汽车与障碍物之间的距离S：S=1/2（Ct） 2-1式中C超声波音速由于超声波也是声波，故C即为音速。音速为C=式中 气体
28、的绝缘体积系数（空气为1.4） P气体的气压（海平面为1.013*108Pa） 0气体的密度（空气为1.29kg/m3） 对于1ml空气，质量为m，体积为V，密度。则 C= = 2-2对于理想气体，有 PV=RT 2-3式中 R摩尔气体常数 T绝对温度因此C=由于、R、m均为已知常数，故声速C仅与温度T有关，若温度不变，则声音在空气中的速率与气压无关。在0的空气中，C0=331.45m/s。对于任意温度下，有Ci/C0= / ,即Ci=331.45/在某一地区使用，因温度变化不大，可以认为声速是基本恒定不变的。确定了声速，只要测得超声波信号往返的时间，即可求得距离。（3）模型的建立超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低，但其作为高速行驶车辆上的测距传感仪不可取，只要有两方面的原因：一是超声波的速度C受外界环境变化影响较大。在不同的温度下，声速是不同的，在-30-30变化为313-349m/s，而且声速C还随雨、雾、雪等天气的变化而变化，不能精确测距。二是由于超声波能量是与距离的平方成正比而衰减的，故距离越远，反射回的超声波越少，灵敏度下降很快，从而使得超声波测距方式只适用于较短距离。 （4）声光报警器的电路原理框图本设计由发射部分、接收部分、与报警部分组成（见图2）。a.发射部分 由低频调制器、双稳回路、40kHz
