汽车倒车雷达预警系统的设计及实现

毕 业 论 文 设 计 题 目 汽车倒车雷达预警系统的设计及实现 学生姓名 王阳 学号 1213024108 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通信 1204 班 指导教师 张文丽 完成地点 陕西理工学院 2016 年 6 月 5 日毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信 1204 学生姓名 王 阳 一、毕业论文设计题目 汽车倒车雷达预警系统的设计及实现 二、毕业论文设计工作自_2015 _年_ 12 _月_ 日 起至_ 2016_年 6 月 日止三、毕业论文设计进行地点: 物电学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求：1、本次毕业设计要求如下： 设计一个汽车倒车雷达预警系统，要求： 该系统可实现汽车倒车时车尾保险杠和障碍物之间的测距，并能够实时显示； 系统可预设测距报警的下限值，当实际测距小于预设值时，系统应报警提示，同时可实现对预设值的调整和修改； 报警方式要求有两种以上，以更好地提示驾驶员车辆周边的情况，从而提高汽车倒车的安全性。 2、毕业设计成果要求： 程序代码、硬件实物和论文，论文要求计算机打印（A4 纸），论文有不少于 3000 词的相关英文中文翻译。 3、毕业设计时间安排： 14 周：查阅相关资料，熟悉题目内容，掌握设计原理，提交开题报告； 510 周：根据设计原理，进行相应软、硬件设计； 1112 周：完善设计功能，整理资料并进行结果测试及分析； 1314 周：毕业设计验收； 1516 周：撰写、修改、提交毕业论文，毕业答辩。 指 导 教 师 系 (教 研 室 ) 系(教研室) 主任签名 批 准 日 期 接 受 论 文 (设 计 )任 务 开 始 执 行 日 期 学 生 签 名 I汽车倒车雷达预警系统的设计及实现王阳（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业 1204 班，陕西 汉中 723001）指导教师：张文丽摘 要 汽车倒车雷达预警系统能在汽车倒车时为驾驶员提供周围障碍物信息，可降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起的事故。本课题设计了一个汽车倒车雷达预警系统，倒车时，驾驶者启动倒车雷达，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，由显示器显示距离并发出语音警示信号，以提示驾驶员车辆周边的情况，从而提高汽车倒车的安全性。设计结果表明，该系统操作简单，测距精度高，安全性能好，具有很强的实用价值。关键词 超声波；单片机；测距；传感器；报警IIDesign And Implementation Of Automobile Reversing Radar Warning SystemWang Yang(Grade12,Class 4,Major of Communication Engineering，School of Physics and TelecommunicationEngineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001,China)Tutor:Zhang WenliAbstract: Automobile reversing radar warning system can provide the information of the obstacle surroundings when reversing, which can reduce the difficulty of reversing and avoid the accident caused by the sense of direction, the judgment and the operation of the driver. A car reversing radar warning system is designed in this paper.The driver start reversing radar when reversing,then the probe in the rear bumper transmits ultrasonic waves.The sensor can received echo signal from obstacles.After processing by processor,the screen can display the distance between the probe and obstacle.When the distance is greater than the safety distance,the system can alarm and prompt the driver to pay attention when reversing.The system has the advantages of simple operation,high precision of ranging, and good safety performance,which has the good practical value in application.Key words: ultrasonic,Single chip microcomputer,rang, transducer,give an alarmIII目录引言 .11.课题研究背景 .21.1 研究现状 .21.2 发展前景 .21.3 应用领域 .31.4 本文研究内容 .32.方案论证 .42.1 设计要求 .42.2 方案设计 .42.3 方案选择 .53.硬件设计 .63.1 系统组成 .63.2 单元电路设计 .63.2.1 单片机控制电路 .63.2.2 系统复位电路设计 .73.2.3 晶振电路 .83.2.4 LCD 显示电路 .93.2.5 报警电路设计方案 .93.2.6 按键设置电路 .103.2.7 HC-RS04 超声波测距模块 .113.2.8 语音 IC 模块 .124. 软件设计 .134.1 系统对软件的要求 .134.2 主程序 .134.3 显示数据子程序 .134.4 报警子程序 .144.5 按键子程序 .145.系统调试及分析 .155.1 软件仿真 .155.1.1 Proteus 简介 .155.1.2 系统仿真 .155.2 硬件调试 .165.2.1 元器件的焊接 .165.2.2 电路调试与分析 .165.3 结果分析 .16结束语 .18致谢 .19参考文献 .20附录 A：外文文献原文 .21附录 B：外文文献译文 .32附录 C：部分程序清单 .43附录 D：元器件清单 .53附录 E：实物图 .54陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 59 页引言汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。电子技术的引入使汽车在安全安全、舒适和方便等方面有了很大的提升。应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。近年来汽车的自动调速系统，主动式汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用。在过去 2030 年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全性领域有较大的突破。如今，拥有私家轿车的人越来越多，带来的交通问题也日益严重。其中安全倒车是驾车技术水平不高或没有安全意识的开车人士最为担心的交通问题之一，如果稍不留神不仅会给自己或别人带来财产损失，还会造成激烈的争吵与纠纷，甚至也威胁到了驾驶员的生命安全。面对这样的情况与问题，倒车防撞报警器就被人们设计出来， 依据声源或以直观的显示提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了驾驶员倒车和启动轿车时前后左右探视所引起的问题，并帮助驾驶员扫除了视觉死角和视野模糊的不足，提高了倒车安全性。现代社会的汽车工业飞速发展，拥有私家轿车的人越来越多，带来的交通问题也日益严重。其中安全倒车是驾车技术水平不高或没有安全意识的开车人士最为担心的交通问题之一，如果稍不留神不仅会给自己或别人带来财产损失，还会造成激烈的争吵与纠纷，甚至也威胁到了驾驶员的生命安全。面对以上种种情况与问题，倒车防撞报警器的重要性越来越强， 依据声源或以直观的显示提醒驾驶员周围障碍物的分布情况，解决了驾驶员倒车和启动轿车时前后左右探视所引起的问题，并帮助驾驶员扫除了视觉死角和视野模糊的不足，提高了倒车安全性。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 59 页1.课题研究背景随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。在享受汽车给我们带来的便利同时，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，公路、街道、停车场和车库拥挤不堪，可转动的空间越來越少。另一方面，新司机及非专职司机越來越多，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掩时有发生。现如今解决汽车的倒车难问题目前有两种思路，一是寄希望于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟，目前这项技术仍处于研制幵发阶段，短期内尚未能推广应用；二是传统倒车系统，但其功能简单，驾驶员仍然需要通过后视镜去判断乍后的物体，以及通过估计汽车和车后障碍物的距离完成倒车任务。本文研究的汽车倒车预替系统属于第二种思路，它在常见的汽车倒乍颅聱装置的基础上进行改进，能很大程度地解决倒车难题。1.1 研究现状国外汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，不属于雷达（无线电波）的产品，最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪 或泥尘覆盖，系统就会失效。欧美有一种电磁感应倒车雷达。在一线路套上一环型的感应圈，以感应车后物体的有无。此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装困难，而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。换言之，如有任何物品 贴在后保险杠，当车一旦停下再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。德国大众公司已经将超声波测距技术应用在倒车雷达上，并且具有前视和后视功能，采用自举升压的方式驱动路超声波 传感器，目前国内引进车型对这一技术尚不能国产化，仍需要引进德国原厂成 品安装。因此，实用性也相当有限。 日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD 摄像机、 GPS 和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。据海外媒体报道，戴姆勒一克莱斯勒公司日前成功开 发出供商用车（尤指卡车）使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收 集的信息交由一控制器加上处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判 断所发生状况是否需要利用刹车。这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，其过高的成本限制了它应用的普遍性。国内倒车雷达报警系统经过多年的发展，倒车雷达设计和使用也都发生了质的变化。倒车雷达系统已经日趋成熟，先后经历了：倒车时通过喇叭提醒，采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员，数码波段显示具体距离或者距离范围，液晶屏动态显示，魔幻镜倒车雷达，专为高档轿车配置的六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点。第一代和第二代产品，从某种意义上来说，对驾驶员并没有直接的帮助；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；第四代产品外观精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强；第五代产品结合前几代产品的优点，是目前市面上最先进的雷达系统；第六代产品是专为高档轿车配置的。目前使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。1.2 发展前景随着市场的需求越来越大，倒车雷达预警系统也由原来的车主加装到出厂原装发展；由主流 4探头向更多探头发展，以提高精准度；功能更加强大，集成音响和音像播放功能；设备趋于小型化、人性化、智能化等。 （1）小型化。产品要求体积小，损耗小。 （2）人性化。以人体行为为研究基础，开发更具科技含量、高效、舒适、健康的智能化安全模式是人们所喜闻乐见的。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 59 页（3）网络化。控制系统必然伴随着网络，一起给人们生活带来更多的便利；（4）嵌入式。其功能强大、体积小、应用灵活被越来越多的人所关注，现已是多种智能设备的核心元件；（5）可扩展性。与其他外设的联动是大势所趋，因此，要预留扩展端口给将来。（6）品牌化。集众品牌之长于统一的控制平台，则能很好地兼顾各方利益，同时客户在预算上也会有很大的主动性。 1.3 应用领域该系统属于于车辆电子产品，将应用于在汽车倒车时为驾驶员提供倒车时所需信息，防止在倒车或者泊车时发生碰撞等危险事故。同时为汽车将来的自动驾驶技术做铺垫。在汽车电子领域中，倒车雷达（Car Reversing Aid System)全称“倒车防撞雷达”又称“泊车辅助装置”，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装制，主要针对汽车倒车时无法目测到车尾的物体和距离车身的距离而设计开发的。本课题研究的汽车倒车预警系统将为驾驶者提供一个倒车提示和距离报警，本课题的现实应用的意义在于。（1）将倒车自动化从被动防撞引向智能控制方向发展；（2）体现了“以人为本”的驾驶理念，倒车时驾驶者的视线可集中在前方，不需顾及车后状况，增加了倒车的安全性和可靠性，并且它的应用可减轻司机体力和脑力劳动的强度；（3）安全可靠的防碰撞预警，使驾驶者无论是白天还是夜晚都能实现安全倒车；（4）此系统可以单独存在，避免对汽车整车的影响，为应用和普及创造了条件，经济性较好，易于普及。汽车倒车雷达预警系统的运用可极大地减轻驾驶者的体力、脑力劳动强度, 降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起的事故，同 时它将对提高汽车智能化水平和最终实现汽车无人驾驶产生积极的意义。1.4 本文研究内容本次倒车雷达预警系统的研究工作中，核心部分是中心控制单元、超声波测距系统、语音播报系统，主要是考虑到驾驶员能更准确的接收信息，所以在声光报警的基础上增加了语音报警系统，总的设计流程图如图 1.1 所示系统方案分析电子元器件分析选择软件分析软件仿真硬件设计系统调试系统整合图 1.1 系统整体设计思路系统整体设计首先是从方案着手处理的，分析其具有何种功能，需要哪些模块，然后根据功能模块再决定选择什么样的元器件可达到系统的设计目标。随后需要从软件和硬件这两部分来实现，陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 59 页软件主要用来控制硬件的运行，最后需要对系统联调，保证它稳定可靠地工作，让系统总体上完成一个整合，实现方案构思中的所有功能需求。2.方案论证方案论证是对汽车倒车雷达预警系统的构思，分析用何种方法可以实现，该方法有哪些好处及局限性，并根据功能要求，性价比，实现难易程度等作以综合比较，选择一个最优的解决方案。2.1 设计要求从任务书角度出发，本课题拟在汽车倒车过程中为驾驶员提供汽车倒车所需信息，并且使得倒车过程更加人性化，安全性也得到很大提升。为达此目的，设计将主要解决以下三个问题。 该系统可实现汽车倒车时车尾保险杠和障碍物之间的测距，并能够实时显示； 系统可预设测距报警的下限值，当实际测距小于预设值时，系统应报警提示，同时可实现对预设值的调整和修改； 报警方式要求有两种以上，以更好地提示驾驶员车辆周边的情况，从而提高汽车倒车的安全性。 由上可知，本系统研究的主要内容是在汽车倒挡挂起时，该系统则需实时显示汽车倒车时车尾保险杠和障碍物之间的距离，另外考虑带场景的不同，设制了可调节的报警阈值。为了驾驶员方便及时的了周边装况，此研究还应该具有声音播报功能，解放驾驶员眼睛需要看显示界面。2.2 方案设计方案一：采用上位、下位机（PC.PLC）的控制系统。 上、下位机（PC.PLC）技术如图 2.1 所示。图 2.1 上、下位机控制系统上下位机是基于工业控制领域广泛应用的可编程序控制器（PLC）控制程序发展而来的。可编程序控制器（PLC）在 PCPLC 技术中作为下位机，其运行可靠性得到了一致认可，PLC 在系统中的作用是：通过现场检测元件各类传感器，采集系统运行参数，将运行参数送至 PLC 系统的数据采集单元，现场数据采集单元利用网络技术将数据送到 PLC 控制主机，由 PLC 的主机（CPU）对数据进行处理，最后通过总线网络送至上位工业控制计算机 PC。但是用可编程控制器 PLC 通过数据采集卡控制多个传感器的方式，这种方式多用于工业，生产中，体积大，安装不放便，而且成本计算机 P C可编程控制器 P L C继电器信号处理发送传感器1发送传感器2接收传感器1接收传感器2陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 59 页高。方案二：AT89C51 单片机的控制系统。 AT89C51 单片机的控制系统如图 2.2 所示。图 2.2 单片机控制系统AT89C51 是一个 8K 字节可编程 FPEROM 的高性能微控制器。具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路 简单。具有很高的性价比，成本低