倒车雷达毕业论文

基于超声波测距器的汽车倒车雷达设计

摘要

近年来，我国的汽车数量正逐年增加。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研究热点。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1m～5 m，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反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于AT89C51单片机的超声波测距器。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，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，距器使用数码管显示目标物的距离。

关键词：超声波测距倒车

第1章：绪论

第1.1节设计的背景

近年来，我国的汽车数量正逐年增加。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研究热点。

超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。国内倒车雷达主流市场已经开始由进口高档汽车向中低档汽车发展。技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，智能化等方向发展。

由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会扮演越来越重的角色。

第1.2节设计的目的及意义

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”，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，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，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，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。

第2章：总体方案设计

第2.1节测距方式的分析及选择

测距方式对系统测量精度及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。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。

(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0.75～1000μm。

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，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。但红外传感器分辨率高，距离分辨率低。具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，但是,它比较容易受到光源和热源影响。

(4) 超声波测距

超声波一般指频率在40KHz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。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。

超声波测距系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。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在短距离测距，最佳距离为4-5m，一般应用在汽车倒车防撞系统上。

通过对以上几种测距方式的分析比较，可以看出超声波测距方式在短距和低速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。因此本设计采用超声波测距方式。

第2.2节超声波测距

2.2.1 超声波测距的原理

超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离。

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.。

2.2.2 系统的总体设计

单片机（AT89C51）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，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行声音报警。

超声波发射模块：控制超声波发射模块定时发射超声波。

键盘控制模块：通过键盘控制倒车雷达的是否工作，并可设定报警距离。

超声波接收模块：接收反射回来的超声波，对接受的信号进行放大等预处理。

单片机：将多次测得的时间进行处理，根据对应的公式计算障碍物的距离，然后对计算结果进行修正，最后将处理后的数据送往显示

模块及声音报警模块。

数码显示模块：显示障碍物的距离。

声音报警：当障碍物的距离小于设定值时，会进行声音报警。

2.2.3 测量盲区

在以传感器脉冲发射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。由于发射脉冲自身有一定的宽带，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，后方的障碍物往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下：

当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振。因此，在一段较长的时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定的幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平VM；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平，当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号幅值需达到规定的阀值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阀值才能使接收信号放大器有输入信号。

对于测量盲区的计算，在理论上很难进行计算，一般是在实际中根据具体的电路来进行实际操作，进而确定测量的盲区。

第2.3节超声波传感器

超声波传感器的原理与结构

超声传感器是一种将其他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他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；

3静电传感器。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头有压电晶片、契块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器，是超声波检测装置的重要组成部分。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振

类工作的，超声波发生器内部有两个压电晶片的一个共振板，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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板的振动，便产生超声波，实现超声波发射传感器。反之，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波接收传感器。

第3章：超声波传感器设计思路

第3.1节超声波发射电路模块

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，采用硬件法产生超声波。利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生40Khz超声波信号，直接驱动换能器产生超声波。

脉冲发射采用软件方式，利用AT89C51的P1.0口发射40 kHz的方波信号，经过放大后输出到超声波发射探头，产生超声波。

发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。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R8、R9一方面可以提高反向器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。

第3.2节超声波的接收模块

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，本设计采用与发射端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。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。超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。

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。

第3.3节超声波测距模块

在超声波发射电路发射超声波时，单片机内部的计时器启动定时，当接收电路接收到超声波信号时，停止内部计时器，计算出时间差△t，根据公式S=C*△t/2，（其中△t时时间差）计算出障碍物与汽车的距离S。

第3.4节数码显示模块

显示电路采用4位共阳LED数码管，用于显示车尾障碍物的距离。数据经过单片机的计算后传到LED上，显示精度是毫米，通过软件以动态扫描方式显示。

第3.5节温度检测模块

由于超声波的传播速度V受温度的影响最为突出，温度每升高1℃，速度增加约0.6m/s。因此在测量精度要求很高的场合，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正，以提高测量精度，减小误差。

第3.6节声音报警模块

单片机通过对接收的信号进行处理，得到障碍物与汽车的距离S，然后经该距离与设定的报警距离进行比较，如果S小于设定值，则会驱动蜂鸣器进行报警。

第3.7节键盘控制模块

此键盘与单片机P2口四个引脚相接，用于对报警距离进行设定。其中S1表示“确定”按键；S2表示“减一”；S3表示“加一”、S4表示循环移位，对不同位置进行选择。驾驶员可以根据自身要求对报警距离进行设定。

第4章：总述

本文所设计的是基于超声波传感器的汽车倒车雷达设计，是用来保证汽车泊车安全的辅助系统。其工作原理是通过雷达上自带的超声波发射探头不断向后发射超声波，当遇到障碍物是会发生反射，超声波接收探头接收到反射回来的信号时，有快速单片机芯片计算来回的时间差，进而求出车与障碍物之间的距离，为了确保计算距离的精度，可以加入软件补偿。将距离通过数码管显示出来。在可探测的距离内的障碍物的距离小于设定的安全距离时，蜂鸣器会进行报警，从未保证司机的安全。

本设计中采用的电路比较简单，元件较少，由于加入了温度补偿电路，所以测量的精度比较高，但由于超声波发射探头和接收探头之间存在的相互干扰，因而对测量的结果会有一定的影响。

致谢

在本次的毕业课程设计中，我真正的对于大学三年以来所学的东西进行了一场大总结，把以前很多没有重视的东西又熟悉了一遍，同时又把三年来所学的专业知识系统的梳理了一下，感触颇多。在梳理的过程中，我真正的认识到什么是学海无涯，什么是老师的辛苦教导，什么是同学之间的无私帮助。

感谢我的老师在毕业设计和写论文的过程中对我给予的指导和提出的严格要求，感谢我的家人在学习和生活上对我的支持和鼓励，同时要感谢和我一起学习生活三年的同学和室友，谢谢他们的帮助和友爱，才使得我能够顺利的完成毕业设计和学业。

参考文献

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