传感器课程设计--汽车倒车防撞雷达系统设计

汽车倒车防撞雷达系统设计
摘要：本文在查阅分析了现有的几种不同测距原理后，确定了使用超声波测距，并对基于超声波测距的倒车雷达报警系统的设计进行了深入分析和研究。

该系统分为系统控制模块、超声波发射模块、超声波接受模块、温度采集模块和液晶显示及声光报警模块。

在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的倒车雷达报警系统的测距实现原理，分析了以ATMEGA16单片机为主控单元的硬件系统和软件设计，并分别对每个模块进行了分析，使我们对该系统由较好的认识和理解。

关键词：倒车雷达超声波测距
1 概述
在现代社会中，随着汽车的增多和停车位日趋紧张，泊车成为很多车主头痛的问题，这时汽车倒车防撞报警系统就成了汽车的好助手。

汽车倒车防撞报警系统是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，解除了驾驶员泊车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，提高了倒车的安全性。

本系统以ATMEGA16作为核心处理器，采用超声波原理测量出障碍物距车尾的垂直距离。

系统硬件原理图如图1.1：
图1.1 倒车雷达报警系统框图
该系统整体设计思路如下：
警报系统装于汽车尾部，与汽车倒车闸相连，当汽车倒车时，该报警系统开始工作。

ATMEGA16单片机为主控模块，将各个子模块联系起来共同工作，当超声波模块发出脉冲信号时，主控模块内部计数器开始工作。

超声波接收模块接到障碍物反射回来的声波后将信号传递给主控模块，主控模块内部的计数器计数停止，从而得到声波往返所用时间。

温度采集模块不断测试环境温度，并将此信息传递给主控模块。

主控模块根据温度得出此时超声波速度，进而计算出此时汽车尾部与障碍物的距离。

主控模块距离信息传递给液晶显示模块和声光报警模块，使液晶显示屏显示当前车尾与障碍物的距离，同时控制声光报警模块，当距离小于设定值时发出声光警报，从而提醒司机注意，防止倒撞。

2 系统硬件电路设计
系统电路主要由三大部分组成：（1）超声波发射接收模块；（2）ATMEGA16单片机主控模块；（3）距离显示模块和声光报警模块。

细分为六个小模块，各模块分析如下。

2.1 主控和接口模块
主控和接口模块如图2.1所示。

Atmega16是基于AVRRISC结构的高性能、低功耗、高集成化的8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，加上片内32 个通用工作寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，大大提高了代码效率，运行速度比AT89C51高出10倍。

Atmega16的端口PC与JTAG接口相连。

JTAG接口用于边界扫描，可以对片上16 KB 闪存Flash在线编程和调试，非常方便软件的升级，内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，如定时/计数器、实时时钟、快速PWM通道、A/D转换器、I2C 的串行接口、可编程的串行USART接口、SPI串行接口和带片内晶振的可编程看门狗定时器以及片内的模拟比较器等，除传感器外几乎可以不需要其他任何元件即可构成系统，从而为本设计提供了灵活而低成本的解决方案。

Atmega16的管脚19和管脚16分别与超声波发射模块和超声波接收模块0
图2.1 主控模块和接口模块
2.2超声波发射模块
超声波发射电路原理图如图3所示。

发射电路主要由施密特反向触发器CD40106和超声波发射换能器TCT40-10-T构成。

CD40106每个电路均为在两输入端具有斯密特触发功能的反相器，触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。

第一个40106的端口输出两路40 kHz脉冲信号,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。

用这种推挽形式将脉冲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，所得到的波形比其他方式效果更理想。

图2.2 超声波发射模块
2.3超声波接收模块
超声波接收模块的作用是将反射的超声波转换成电压信号并放大处理成标准的数字
信号，然后输出给下一级电路。

集成电路CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，它由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器和整型电路组成。

CX20106常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。

如图2.3所示，超声波接收探头TCT40-10-R将接收到的反射超声波转换成毫伏级电压信号，送入CX20106的1脚，CX20106的总放大增益约为80 dB，实际增益由2脚外接电阻R2和电容C1来决定，电阻R2越小或电容C1越大，增益越高，但取值过大易造成频率响应变差，本系统取电容为1 μF。

C2为外接峰值检波电容，C13为外接积分电容，调整RP电位器使内置带通滤波器的中心频率为40 kHz，当接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其7脚输出一个低电平直接接到ATmega16的INT0上,以触发中断。

图2.3 超声波接收模块
2.4 温度采集模块
为了提高本方案精度，引入了温度采集并在软件算法中增加了温度自动校正功能。

温度传感器采用了DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20，只需要一条口线连接，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V ，无需备用电源，测量温度范围为-55 ° C至+125 ℃，-10 ° C至+85 ° C范围内精度为±0.5 ° C。

可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式，最大值为750毫秒，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。

温度采集模块负责采集环境温度，并将温度信息传送给主控模块。

温度采集模块电路如图2.4所示。

图2.4 温度采集模块
2.5 液晶显示模块
人机交互模块由液晶显示电路和键盘电路两部分组成。

液晶显示器件采用TC1602E 字符型LCD模块，该模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点。

TC1602E的工作电压为5 V，可以显示2行16个字符，有8 bit数据总线D0～D7。

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

EN为使能端，当其由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。

该显示屏第一行显示倒车雷达测量距离，第二行显示环境温度，液晶显示模块电路如图2.5所示。

图2.5 液晶显示模块
2.6 声光报警模块
报警电路模块如图2.6所示，主要作用是在汽车尾部与障碍物距离较近时进行报警。

根据实际情况，当汽车尾部与障碍物距离大于 5 m时,可认为是安全状态，液晶显示“――”标志；在5 m和1 m之间时认为是正常的，显示实测距离；小于1 m时,应提醒司机注意，系统发出声音报警功能，单片机向其端口发出PWM脉冲，随着距离的减小，
通过控制PWM脉冲的占空比使蜂鸣的频率加剧；小于0.5 m时，要求声光同时报警，由于闪光频率不能过高，通过单片机另一个端口控制其闪亮。

所有距离设定及蜂鸣频率设定均由软件编程控制编写。

图2.6 声光报警模块
4 总结
本次设计，主要进行了一下几方面的工作：
（1）分析了汽车倒车防撞报警系统的构思过程。

(2) 在了解测距技术实现原理和超声波传感器工作原理的基础上研究和分析了系统设计方案，并对测距系统中遇到的不同的场景进行了分析；
(3) 完成倒车雷达预警系统的硬件选型和电路设计；
(4) 完成倒车雷达预警系统的软件流程图设计；
本文关于汽车倒车防撞警报系统的设计，还存在很多不完善的地方，仍有许多方面有待进一步深入研究:
(1) 本文系统介绍了几种测距方法，其中有比超声波更好的方法如激光测距，但这种测距方法比较复杂，将来可以简化系统这样有可能替代超声波测距。

(2) 需要对超声波传感器和系统电路设计的可靠性进行进一步的研究；
(3) 本文对于倒车应用场景只讨论了一种常见情形，还有许多特殊情况未在本文的研究之内，仍有待进一步研究；
(4) 本文在系统的精度方面研究非常局限，并没有做到非常精确，这就要求以后在这方面还有更近一步研究。

(5) 就本课题而言，本文只对倒车进行了辅助决策，并末实现真正意义上的自动倒
车控制，今后还应在控制的实现上进一步深入的探讨，这类研究将对汽车主动防撞乃至自动驾驶产生深远的影响，是一个值得深入的方向。

参考资料
[1] 董子和，李永辉.《超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用》
[2] 符艳辉，李爱琴.《基于单片机的控制的超生测距仪的设计》
[3] 崔海明.《基于单片机的倒车雷达设计》
[4] 胡建凯，张谦琳《超声波检测原理和方法》
[5] 樊昌元，丁义元《高精度测距雷达研究》
[6] 林勇《汽车倒车防撞雷达系统设计原理及优化的讨论》
[7] 潘福全《基于超声波的汽车倒车防撞系统设计》
[8] 张丹《基于单片机的超声波测距系统设计》
[9] 梁改革《基于AT89S51的超声波测距》
[10]苗汇静《超声波汽车倒车报警器的设计》。