汽车倒车防撞报警器设计

汽车倒车防撞报警器设计

摘要

本设计从实验研究分析的角度，分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题。较详细的介绍一种超声波测距系统以及根据该系统设计，研制的汽车倒车防撞报警器，它能自动检测车尾障碍物的距离。当达到极限位置的时候，它能发出声光报警，提醒司机刹车。设计采用国内生产厂家的通用元件，成本低，性能可靠，有利于推广。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，汽车所用的倒车声纳系统利用超声波距离传感器的“回声”现象制成的，倒车时向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，就可以得到车到障碍物的距离。

关键字:汽车倒车，防撞，报警器

DESIGN OF CAR REVERSING ANTI-COLLISION ALALM

ABSTRACT

The basic designing principle of the automobile anticollisionsystem and the problems existed in the domestic and internationalare analyzed. In this paper, Not only ultrasonic range meteringsystem also principle ,methods and procedures of the designaccording to the design were introduced. The car reversing upanticollision alarm is studied. When the distance reaches the limitpoint, the alarm can give out sound and Light alarm,reminding drivers to brake.The design includes sending,receiving and alarm.Signal is sent and received by ultrasonic transducer,which isequipped with directivity. piezoelectric element is used ,generallycalled RZT. In anticollision circuit, acousto-optic anticollisionis applied for voice alarm. This designing adopts the commoncomponent of domestic manufacturers, with low costs, reliableperformance, and it is easy to be popularized.

KEY WORDS: Car reversing，anticollision，alertor

目录

前言 (1)

第1章传感器的相关技术介绍 (3)

1.1 传感器类型的选择 (3)

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 (5)

1.2测距原理 (5)

第2章报警器的硬件电路设计 (7)

2.1 整体设计 (7)

2.2 超声波发射电路 (8)

2.2 超声波接收电路 (9)

2.3筛选电路 (10)

2.4整形电路 (10)

2.5 语音录音电路 (11)

2.6放音电路 (12)

2.7 总电路图 (13)

第3章报警器的软件设计 (15)

3.1 主程序流程图 (15)

3.2 子程序流程图 (16)

结论 (17)

谢辞 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

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，以及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，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。

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及，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。

本论文研究的是汽车倒车防撞报警装置。介绍了报警器所采用的测距方式、原理等，还有报警装置所采用的硬件与软件

第1章传感器的相关技术介绍

1.1 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4～5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、接收物镜及回输光纤，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。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 anging)，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16~2*10^4HZ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*10^4HZ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 = ct ／2。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

2'N

C L F ，式中N 为计数脉冲个数，'F 为计数脉冲频率。

第2章报警器的硬件电路设计

2.1 整体设计

倒车防撞报警器只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于汽车倒车时行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可忽略多普勒效应的影响。

驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射超声波信号，经障碍物反射，由超声波接受模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C51将信号送入显示模块，同时触发语音提示

图2-1 整体方框图

2.2 超声波发射电路

图2-2 超声波发射电路

上图为超声波整形发射电路，微分电路由电容C1、电阻R3和二极管D1组成，整形电路由U2A，U2B组成。超声波发射电路由与非门U1A、高频三极管Q1-9018及超声波发生器LABAL等组成。由单片机P1—2口产生40kHz的超声波振荡信号，并将一门控信号(从单片机的Pl一3 口送出，应注意单片机的P1口初始化为低电平的)经过两级非门送入与非门的另一输入端。由于平时非门的3脚由下拉电阻R3将其3脚的电位拉为低电平，经过两级非门后输入与非门另外一端子的信号仍为低电平，这时40kHz的超声波振荡信号无法通过与非门使超声波发生器LABAL起振，设备处于待机状态。按下启动按钮启动单片机内部的定时器TO，将产生一门控(闸门)信号。此门控(闸门)脉冲信号窄了会降低测量精度。宽了会增加测量延迟时间，同样也会减低测量精度。所以将此门限设置为4KHZ。由于单片机的P1口电流不能驱动超声波传感器工作，所以在与非门U1A加了一个三极管做放大电流之用。

2.2 超声波接收电路

图2-3 超声波接收电路

运放741的带宽及抗干扰能力较强，在上图用了2个运放是要防止噪音。电阻R1、R2为运放741的同相端提供直流偏置电位。其作用是保证运放741的直流工作点。以免出现浮动。该信号放大以后经过筛选整形。就可以给单片机提供计数器的停止信号。

2.3筛选电路

图2-4 筛选电路

2.4整形电路

图2-5整形电路

从信号筛选电路出来的方波信号很不规则，故在其后级电路加入一级信号整形电路，处理过后再送进单片机中进行处理运算。

2.5 语音录音电路

图2-6语音录音电路

录音电路采用ISD1420芯片为核心。当REC为低电平时，电路处于录音状态。本次设计采用分段法，需录入的单字有数字“0~9”以及“百”、“十”、“米”，需要0.5秒一个，词段有距离“前方障碍物”，需要2秒。

2.6放音电路

图2-7放音电路

图中A0,A1固定接地，因为放音的时候REC为高电平，所以录音起始地址为80H。利用查表法能播放特定的音节。

2.7 总电路图

图2-8 总电路图

图2-9 印刷板图

第3章报警器的软件设计

3.1 主程序流程图

软件采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接受子程序等模块组成。该系统的主程序处于键控循环工作方式，按下测量键，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，结果驱动ISD1420工作

图3.1 程序方框图

图3.2主程序流程3.2 子程序流程图

图3.3主程序流程

结论

汽车倒车防撞报警器的设计大大增加了汽车倒车的安全性，更为有效的保护了汽车用户的人身和财产安全,如果没有这种报警器，那么驾驶员在倒车时就得时刻关注着车后的情况，这样很容易出事故。有了防撞报警器，倒车方便，安全许多。本次设计比较全面的完成了对汽车倒车防撞报警器的任务与目标。本次设计遇到了很多困难，在解决这些困难的过程中，我不仅对以前学习过的知识进行了很好的回顾，特别是对单片机有了更深刻的了解与掌握，而且也学习了很多新的知识，很好的开拓了自己的视野，给我以后的工作学习打下基础，使我在以后的工作学习中都会受益匪浅。也是对我自己三年来所学知识的一次综合考核，使我更清楚地认识自己，知道自己还有很多知识没有掌握，不能放松自己，只有不断的学习积累，不断地更新自己所学的知识，才能与时俱进，不被社会所淘汰