1、基于单片机的汽车倒雷达预警系统的设计本科学生毕业设计基于单片机的汽车倒车雷达预警系统的设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 李艳苹 职 称： 讲 师 黑 龙 江 工 程 学 院二一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Car Reversing Radar Warning System Based on Single Chip ComputerCandidate：Specialty：Measurement & Control Technology and InstrumentationsClass：Sup
2、ervisor：Lecturer. Li Yanping Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin摘 要近年来，我国的汽车数量正在逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。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热点。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。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给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
3、间的距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为1m5m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。本文根据声波在空气中传播发射原理，以超声波换能器为接口部件，设计了基于AT89S52单片机的超声波测距器。该设计由超声波发射模块、超声波接收模块、单片机控制模块、温度补偿模块、数据显示模块以及报警模块等部分组成，文中介绍了检测原理，设计了各模块的硬件组成、以及软件结构。超声波收发电路使用SONY公司的CX20106A红外检测专用芯片，该芯片常用于38kHz的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，使用LCD显示目标物的距离。关键词：超
4、声波；测距；雷达；CX20106A；AT89S52 ABSTRACTIn recent years, the number of cars is increasing every year in China. Highways streets, parking,garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents car occur. So after the in
5、crease of motor vehicle as the ability to detect obstacle on the development of the car revering radar has become the research hotspot in recent years. the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. Finally,
6、 signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range; In addition,
7、 the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal di
8、stance of the measurement 15m, based on AT89S52 ultrasonic range-finder. Receiving circuit using the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38kHz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully
9、 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, The use of digital rangefinder display the distance between objects.Key words：Ultrasonic；Ranging；radar；CX20106A；MCU AT89S52 第1章 引 言1.1 课题的目的和意义随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，越来越多的家庭购置了私家车，有些家庭甚至有三四辆，因此汽车的数量大副攀升，由于倒车而产生的问题也日益突出。一方面汽车的数量逐年增加，
10、公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越来越少；另一方面，新司机及非专职司机越来越多，因倒车引起的纠纷越来越多，车辆之间、车辆与人、车辆与墙壁等障碍物之间的碰撞时有发生。在2006年汽车事故的发生比例中，倒车引起的事故占28，倒车已成为令人们头痛的一项任务，即使是经验丰富的司机也在抱怨倒车是件费力费神的事1。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30，路面相关事故的50，迎面撞车事故的60。改善倒车遇到的窘境被越来越多的人所关注，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可将车快速
11、准确的停放在指定的位置。但是传统的汽车倒车预警系统的功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断车后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务，仍存在很大的危险因素2。针对这一情况，我们可以在常见的汽车倒车报警装置的基础上进行改进和创新，利用超声波测距法和AT89S52单片机，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车倒车雷达系统。1.2 汽车雷达的发展历史 倒车雷达的快速发展始于20世纪末21世纪初，经过几年的时间，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达在几年的时间里大致经过了六代的演变。 第一代：倒车时通过喇叭提醒。“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
12、，只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.5m1.8m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3。 第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。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1.8m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3
13、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，比较实用，但安装在车内影响美观4。 第四代：液晶屏动态显示。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LED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5。 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2m以内的障碍物，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、
14、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。因为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。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配6。 第六代：整合影音系统。专为高档轿车生产，第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能，外观上看，比第五代产品更为精致典雅。功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像。 目前市场上经销的倒车雷达品牌多达几十种，价格从上百到一两千不等，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
15、，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雷达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7。1.3 主要内容 本课题的主要内容是设计汽车倒车雷达预警系统，并实现其功能，共分为五章，各章内容如下： 第1章引言：包括课题的背景、意义以及汽车雷达的发展过程。 第2章系统方案论证：首先说明汽车倒车雷达预警系统的设计要求，提出本系统的设计方案，然后分别对测距模块、控制模块、温度补偿模块和显示报警模块进行方案论证，并确定最佳设计方案.第3章系统硬件设计：首先分析超声波传感器的工作原理，确定超声波发射模块、超声波接收模块、测温模块、显
16、示模块、报警模块以及电源模块电路的设计思想，然后对每个模块的电路分别进行设计，并对设计好的电路做详细说明。 第4章系统的软件设计：在软件设计中，采用模块化设计思想，分别对系统的初始化模块、测距模块、测温模块、中断检测模块、数据处理模块和显示模块的程序进行软件设计。 第5章系统软硬件功能调试：首先将硬件与软件结合在一起，将程序代码烧写入单片机，观察现象，并记录下来。 第2章 系统方案论证2.1 系统设计要求 本课题要设计一种基于单片机的汽车倒车雷达预警系统，它是在汽车以较低速度倒车行驶时，周期内不停检测车后障碍物到车的距离，当达到一定危险距离时及时进行报警提示，并通过温度补偿提高测距精度。本系统
17、的预期达到目标是： （1）防碰撞预警：在汽车距障碍物距离小于0.35米时，蜂鸣器发出间隔警报声； （2）车距显示：在液晶显示屏上显示车与障碍物之间的距离以提醒驾驶者；（3）利用温度补偿提高测距精度。2.2 总体方案按照系统设计要求，汽车倒车雷达预警系统由硬件和软件两部分组成，系统设计采用模块化思想。系统硬件部分分为四个主要模块：测距模块、控制模块、测温模块和显示报警模块。软件部分对不同功能模块的程序进行分别编程，便于调试和移植，以提供较为可靠的指令给驾驶者完成倒车任务。整个系统根据回波测距的原理设计的，其结构框图如图2.1所示。 图2.1 结构框图各模块所完成的具体功能如下： （1）测距模块：
18、针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能； （2）控制模块：本系统以AT89S52单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各种接口电路进行控制。通过单片机的P1.0端口发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理实现实时时间差采样，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离； （3）显示报警模块：实时显示车与障碍物的距离并进行报警，提醒驾驶员注意； （4）温度补偿模块：实时监测外界温度，提高测距精度。 除此之外，系统探测范围及传感器的布点对倒车也有很大的影响，如果系统探测范围及传感器的布点设置不当，那么就容易出现盲区，对汽车周围的障碍物探测不出，容易出现倒车事故。而
19、且在有的环境下，易造成无法侦测不良之情况。 2.3 模块方案比较和选择2.3.1 测距方案的选择 目前汽车倒车雷达预警系统测距技术主要有激光、红外线、毫米波雷达、摄像系统、超声波等一些测量方法，不同的目标探测方式其工作原理有不同之处，但最终作用都是通过前方返回的探测信息判断车后方障碍物与本车之间的相对距离，并根据程序中定义好的危险等级做出相应的预防措施8。下面对五种不同的测距技术方案进行介绍和比较。方案一：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
20、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、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，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问的时间差，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9。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，即可获得视场内目标的三维信息
21、。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，激光测距的应用具有局限性。尽管非成像激光雷达更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。由于激光雷达测距仪器处在高速运动的车体中，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，同时激光测距方式受天气状态、汽车的震动及反射镜表面磨损、污染等因素影响较大，测距精度难以保证。所以在汽车防撞领域激光测距方式没有得到发展10。方案二：毫米波雷达测距 毫米波是指波长介于110m
22、m之间的电磁波，雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。汽车上应用的雷达采用的是30GHz以上的毫米波雷达，毫米波雷达测距在原理上和以上几种测距方式类似。毫米波频率高、波长短，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高。毫米波雷达的主要特征有两个，一个是具有稳定的探测性能，不受被测物体表面形状、颜色等的影响，对大气紊流、气涡等具有适应性。另一个是具有良好的环境适应性，毫米波雷达的穿透能力很强，其测距精度受雨、雪、雾及阳光等天气因素和杂音、污染等环境的影响较小，可以保证车辆在任何天气下的正常运
23、行。作为车载雷达，目前适用的主要有脉冲多普勒雷达、双频CW雷达和FM雷达三种11。应用雷达测距，需要防止电磁波干扰，雷达彼此之间的电磁波和其他通信设施的电磁波对其测距性能都有影响。毫米波雷达主要应用于防撞，以避免高速公路上发生追尾碰撞。但是，由于应用毫米波雷达测距易受电磁干扰，而且成本太高，结构过于复杂，它的价格又昂贵，市场价格在1500元以上，一般只使用于高档轿车，不能大众化。方案三：摄像系统测距 CCD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、其线扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵
24、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。它模仿人体视觉原理，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，而且探头容易磨损，使得探测距离精确程度降低，一般减少至原来的1/21/312。方案四：红外线测距 红外线测距和激光、超声波测距在原理上基本相同，
25、均是根据发射波和反射时间来判断目标的距离，车载仪器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时问差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。红外线的最大探测距离为10m，测距时响应的时问较慢。红外线测距在技术上难度不大，构成的测距系统成本较低，但是在恶劣的天气和长距离探测方面仍然不能满足汽车防撞的要求。同时，红外线的波长比可见光线长，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。由于任何物体在任何时候都会发出红外线，而且人类肉眼感知不到红外线，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13。方案五：超声波测距 超声波简
26、单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。在弹性媒质中。如果波源所激起的纵波的频率在20Hz到20kHz之间，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动称为声振动，声振动所激起的纵波称为声波。频率高于20kHz的机械波称为超声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播14。电磁波的传播速度为3108m/s，超声波在空气中的传播速度约为340m/s(常温下)，其速度与电磁波相差6个等级，其速度相对电磁波是非常慢的。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，并且利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时
27、控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因而超声波经常用于多距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现，在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。由上述叙述可知，超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度，一般应用在汽车倒车系统上15。 从以上五种测距技术方案的介绍可以看出各个传感器的优点和缺点：超声波技术主要用于短距离探测，其成本低、制作安装简便、能够适应恶劣的环境；红外线技术一般用于夜间环境，对环境适应性较差，测量不准确；毫米波雷达测距和激光测距相对于超声波测距来讲精度更高，定位更准确；摄像系统技术价格较贵，毫米波雷达技术和激光技术的成本很高，所以运用其原理进行测量的设备价
28、格也是相当高的，因而现在只是在比较高级的轿车中才有所应用。综合以上考虑和实际应用条件，本系统的测距模块采用的是第五种方案，超声波测距，它成本低，制作安装简便，抗干扰能力强。2.3.2 控制方案的选择方案一：AT89C51芯片作为硬件核心采用AT89C51芯片作为硬件核心，内部具有4KB Flash ROM存储空间，能以3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容。但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏16。方案二：AT89S52芯片作为硬件核心采用AT89S5
29、2，片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超低压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全兼容，该芯片内部有8KB ROM的存储空间，同样具有AT89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，避免对芯片造成损坏17。综上所述，本设计选择AT89S52作为主控制系统的核心。2.3.3 显示方案的选择方案一：采用LED数码管显示采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，设计简单，易于安装，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。但显示的数据量有限。方案二：采用
30、点阵式数码管显示采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如用来显示数字有点太浪费了，特别是其价格相对较高18。方案三：采用LCD液晶显示采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形、显示多样、清晰可见、美观、编程灵活方便，和单片机的接口设计也较简单方便19。综合课题的实际要求、考虑单片机的接口资源，本系统采用LCD液晶作为输出设备，LCD液晶能够同时显示温度与距离两组数据。2.3.4 测温方案的选择方案一：采用AD590测温 AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，通过对电流的测量可得到温度值，供电电压范围为33
31、0V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，测温范围为-55+150，输出电流223A423A，输出电流变化1A相当于温度变化1，最大非线性误差为0.3。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上20。作为一种高阻电流源，最高可达20M，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差，适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。 方案二：采用DS18B20测温DS18B20是数字式传感器，其接线方便，耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。它的测量温度范围宽，测量精度高。DS18B20的测量范围为-55-+125，在-10-
32、+85范围内，精度为0.5。在使用中不需要任何外围元件，测量结果以912位数字量方式串行传送21。综上所述，本设计采用了DS18B20，其具有接线简单，可直接数字化的优点。2.4 本章小结 本章首先根据系统的设计要求，确定了系统的整体设计方案，对系统的四个模块：测距模块、控制模块、显示报警模块和温度补偿模块分别进行了方案选择，确定了本系统以AT89S52单片机为核心，用超声波发射器和接收器来测距、用LCD显示距离、并用温度补偿来提高测距精度的汽车倒车雷达预警系统的方案。第3章 系统硬件设计3.1 系统硬件设计思想 该测距装置是由超声波发射/接收电路、单片机控制电路、测温电路、LCD显示和蜂鸣器报警电路组成。首先单片机给超声波发射电路输入频率为40KHz的信号波，发射出超声波，同时启动定时器计时，当超声波遇到障碍物发生反射，反射波返回到超
