倒车雷达的设计与改良

1本科毕业设计（论文）题 目： 倒车雷达的设计与改良 院 系： 专业年级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2017 年 5 月 5 日2摘要在声波的范围中，超声波是一个比较重要的声波。通常而言，音频通常被我们定义成声音的频率，每个物体无论怎样都会振动,在单位时间内中振动的总次数被称为该物体的频率,频率的单位为赫兹。一般说来,在 16 赫兹到 20000 赫兹之间是人类的可明显察觉的听觉范围。次声波指的是振动频率在 16 赫兹以下。人耳是无法听取到的，而超声波是指振动频率大于 20KHz 以上,其每秒的振动次数频率甚高, 超出了人耳听觉的上限 20KHz, 人们将这种听不见的声波叫做超声波。从本质上来说,超声波和我们听得到声音是差不多的， 它们都是通过机械整栋产生的波并被我们所获知，通常来说超声波的传递是通过振动的弹性介质。31 绪论 .41.1 项目的研究和背景 .41.2 研究现状 .51.3 倒车雷达的发展趋势 .71.4 本文主要内容： .82.系统构建与方案设计 .92.1 系统设计要求 .92.2 设计思路 .93.硬件实现及单元电路设计 .103.1 主控摸块 .103.2电源设计 .113.3 超声波测试模块 .113.3.1 . 超声波的特性 .123.3.2. 超声波传感器 .143.4.超声波传感器原理 .173.5.测距分析 .213.6. 时钟电路的设计 .223.7. 复位电路 .223.8. 声音模块 .233.9. 显示模块 .234. 程序设计 .244.1.主程序设计 .244.2.程序 .255. 总结与展望 .346. 致谢 .357. 文献 .3641 绪论1.1 项目的研究和背景2017 年的今天，汽车行业蓬勃发展，经过改革开放近 40 年的发展,中国已经跃居美国和日本，成为世界第三大汽车消费国。但是在汽车整体数量爆发式增长下,尤其是近几年来,我们已经迈入所谓的私家车时代,汽车的保有量逐年成几何倍的增长。从而堵塞了公路、街道、停车场、车库等汽车行驶地方。回首 2016 年，纵观去年的汽车市场，我国结构性问题突出，经济下行压力加大，在这个情况下，我国汽车市场依旧稳中有升，2016 年汽车销售量已超2800 万辆，同比增长 13.8%。介于新能源汽车的普及；汽车购置税减半和 SUV热等因素，纵使全球经济复苏疲乏，中国汽车市场依旧热火朝天。传统的 7,8月份的淡季，依然有 20%的同比增长。根据行业内相关人士的预计，未来 5 年之内，至少将保持 5%的增长速度。到 2020 年有望突破 3300 万辆。汽车规模急速上升的同时，伴随着的是越来越多的新手司机， “女司机”悄然上线。由于驾驶员座位固定的视野受限从而产生的盲区使得对于不少驾驶员来说倒车一个头痛的问题。在一份由保险公司做的调查我们可以看到，倒车事故占到保单中所有事故约百分之 27,平均每 1 分半就会发生一起由倒车引发的事故。因为司机没有意识到周围的障碍物而发生的战绝大多数。更可怕的是，在2008 年 7 月的一份有关倒车而引发碰撞人的事故报告, 其中当年有 2767 位孩子丧命于倒车中,而 这些儿童年龄低于 4 岁占到惊人的 82.7%。此外源于在道路、小区中或者是街道上引发的事故达 74.6%。根据实验和测试，人的反应时间在大约半秒左右，假使可以给司机这么短暂的时间，则有 30%的事故可以潜在减少或者避免，在此基础上，人们越来越多关注如何安全有效的倒车,汽车倒车的便捷安全性则被提出了注重的需求,人们渴望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便。在这些需求下，倒车雷达孕育而生。汽车倒车雷达本质是一套智能电子监控系统，我们平时一直说的的倒车雷达的部件组成是超声波探测探头、处理芯片、提显设备等部分。超声波探测探头被用来发出和接收超声波信号, 主机接收到被发射的信号,再通过设备显示出来相关所需参数来实现该功能。感应器装在保险杠四周, 以扇形面发出信号, 那些处于驾驶员盲区的障碍物被寻找并提示, 如石柱子、矮小的孩子等。通过提显设备的警示，驾驶员汽车距死角的距离会被提示,蜂鸣器会在达到危险距离时开始鸣叫以示危险。其原理是，在需要停车或者驾驶中，检测雷达会接收到信号，并计算出距离。他们会在距离小于安全值的前提下发出警报用来提示驾驶者对于周围的障碍物保持警戒。及时此时驾驶者并不能有效看到死区，也能够通过判断能够有效保护汽车以及行人的安全。倒车雷达的出现使得驾驶者得以解放，当驾驶员在倒车时，无需拉下玻璃窗把头探出去看或者需要他人为自己指挥，同时在视线并不是那么好，如下雨天的时候大幅增加安全停车的可行性，大幅度的降低了剐蹭的概率。5目前市面上具有许多品牌的倒车雷达或者相关的产品。倒车雷达发展大概经历几个阶段，最初的倒车防撞仪仅仅是在安全距离内探测到东西时候发出简单提示音而已，后来发展到根据距离分段报警，他们都是通过单一的集成电路来实现该功能，效果简单。伴随着需求，精确度，实用性等需求以及单片机价格不断下降，新型的倒车雷达都是以各式各样的单片机通过编程实现复杂功能。慢慢发展成倒车雷达连续测距并显示，并采用不同频率以区分不同的距离，以达到驾驶者只需要全神贯注驾驶汽车目的，单片机及电子技术的发展水平，系统使用元器件较多，功能也较简单。1.2 研究现状据一些资料所示不少科研研发人员会和汽车厂商进行协商与沟通，相信未来能通过技术改进和成本降低使倒车雷达进入每位驾驶者的领域。近几年，不少公司将自己研发重心放到了倒车雷达的研制上。不少公司的利润增长依靠的是倒车雷达。我们国内目前市面上已知的倒车雷达品牌具有几十种，其中生产和消费的主力军有铁将军、铭品、豪迪、奇贞、俊邦视、伊莱、全安、永泰等形色特点不一的品牌，而在国内倒车雷达市场基本被国内企业所占据，进口产品在倒车雷达这个行业中鲜有人见。这是因为在汽车配件市场中，多数的消费者在品质不相上下的前提下，更希望选择价格较为便宜的产品。由此可见，当消费者面对众多的品牌可以选择时候，厂商本身的产品竞争压力便十分巨大，不过我相信在这种良性的竞争下，他们的产品一定会越做越好。在这么多的产品和竞争下，厂商本身的竞争也是十分剧烈，那么我们能不能说我们是一个倒车雷达生产强国而不单纯的是一个大国呢。其实并不能这么说，汽车数量爆发式增长，停车难的问题也就这几年出现。倒车雷达真正被开发和大规模使用也是这几年事情，换句话说我们的起点不高，很多东西其实是国外或者某些大企业已经研发并已经投入使用的产品了。同时，企业的规模一般都是中小型，他们得不到也没有足够的资金和技术支持，他们大部分的产品因为成本缘故，产品的功能较为单一，质量和可靠性并不是那么上乘，因此在造价较为低廉的汽车中出现的都是我们国家企业的倒车雷达，在中高端汽车市场中并没有什么太大市场。和外国的产品竞争方面，还需要提升性能、创新、品质等这些方面。虽然发展时间不长但是通过这几年的努力, 我们已经经历数代技术变革的倒车雷达系统，他们的特点，性能与效果较之前有了很大的区别。 目前数字显示、液晶屏展示和魔幻镜这 3 种是一个比较大的区分。相比不少人依稀记得小时候看到大卡车倒车时候，他们会发出：“倒车请注意” 。某种意义上，他并不能算的上是倒车雷达，他只能说一种辅助倒车安全的工具。它会在驾驶员挂上倒车档的时候响起声响，从而提醒周围的人自我注意安全。说句实话在，它其实并不能算倒车雷达，只能起到提示作用，所以现在除了某些款式较老的大车上，它已经基本算淘汰了。真正意义上的倒车雷达是具有蜂鸣器提示的倒车雷达，当汽车离开周围某一障碍物距离小与 1.5m 的时候，它会发出急促的声响，随着距离接近，它的蜂鸣频率也愈发急促。到现在为止，倒车雷达已经理六代的发展。6第一代：就是从前在卡车挂倒车档以后，周围会听到响亮的“倒车请注意” ，从严格的意义上来说，这并不是倒车雷达，这只能变为一种辅助安全仪，它只能提示周围人注意请勿接近，但是当汽车背后又行人时，司机并不能去感受到，因此除了一些老式车或者极少数的客车外，该款已经被淘汰。 第二代：这款才是真正意义上的第一台倒车雷达，他是采用蜂鸣器作为提示，当超声波接接收到的信号在不同的区间范围内会发出不同频率的蜂鸣声。一般而言，随着距离的接近，频率则会越来越高，较之第一代产品来说，已经可以基本实现距离探测功能，但是依旧来说只能起到辅助作用，只能根据频率大约估计一下，对于新手司机来说并不是那么友好。在 05,06 年之后慢慢普及所有汽车。第三代：辅以数码波段管显示。这款是第二代基础上加上数码管显示屏功能，较之第二代来说有了极大的提升，这样对于司机来说他可以看到具体的距离，对于安全性来说有了更大的提升。但是缺点是屏幕本身并不美观，容易显得降低汽车档次，厂商和驾驶员并不喜欢改款产品。第四代：液晶屏显示。比起第三代来说改进十分大，不但在外观看起来舒适很多，体积较第三代的屏幕减少许多，可以在许多地方安装如遮阳板边缘等位置安装。以这款不光可以作为倒车雷达，更可以作为安全驾驶保障的一部分。但是此款灵敏度高，抗干扰不强。在一些情况下容易产生误报。比如下雨天溅上来的泥花中的石子也会报。第五代：魔幻镜倒车雷达。此款在“淘宝”上卖的较多。它整合了前四代的优点，提升了抗干扰能力，将免提电话，保险带未带提示，温度显示等集合在倒车镜上，可不占额外空间前。并且款式众多，可以按照不同顾客需求来满足。目前市面上的倒车雷达款式繁多，价格从几十元到上千元不等。若要选购一款合适的倒车雷达则应该从多方面考虑。1.3 倒车雷达的发展趋势智能化。我们计算机正在由信息的集成与归纳逐渐转变成信息的处理与分析的过程，电脑逐步由以前的计算机转变成了信息的处理和分析者。在未来倒车雷达也许有更加智能的判断，尤其在极端距离的侧方停车，倒车雷达或许可以实现整车的的避免碰撞还不是单纯只是倒车雷达探头探测到距离。比如侧方停车时候推测会不会碰撞还不是单纯测量车后方距离障碍物距离。同时现在越来越多的嵌入式系统的使用，可能在未来会逐步使用安卓等系统编程，可以方便满足每个人个性化需求。可视化。倒车雷达之前只是单纯的测量距离，并不能以直观的方式告诉距离距离。虽然如今倒车雷达已经出现显示管显示距离，极大的方便了我们的距离判断，未来可逐步形成立体甚至与 VR 合作，实现全车立体化查看。集成化。倒车雷达的发展并不是一蹴而就，他是所经历的多个时间其实本7质上来说是将各个模块与功能发展并完善的过程。集成化指的是将倒车雷达中的超声波探测，显示报警设施，芯片等一系列东西做成类似现在的笔记本电脑一样，集成化制作。在日后的生活中，会慢慢整合倒车雷达，车载蓝牙，倒车后视镜等一系列实用品至一整块，可以大幅度降低成本。最初的倒车雷达是外嵌式，就是我们通常意义上理解的将倒车雷达直接装在车外，既不美观，也十分容易在车检时候不合格。这个已经淘汰了。目前的倒车雷达安装方式主要是内嵌式，倒车雷达一般的安装方式都是购买时候会有专业人员帮你安装好，一般无需购买者自行安装。倒车雷达拥有两种传递信号的方法，是无线和有线的办法。有线和无线的倒车雷达在功能和作用方面丝毫没有差异，其差异主要体现在传递信号的方法是有无传导线无线倒车雷达可以大幅度减少空间的占用和安装时候的复杂度。但在信号传递方面，由于电磁波信号感染等外在因素干扰下，无线倒车雷达的信号传递功能或许会打很多折扣，增加了危险性。因此就目前而言无线倒车雷达并不普及。有线倒车雷达则是更加注重了可靠性。虽然安装的时候具有一定复杂度但是在技术可靠过关的前提下，安装并不是十分繁琐，甚至可以在汽车组装时候便安装好倒车雷达，因此目前主流的倒车雷达依旧是有线的。装置的传感器探测波目前还有许多的不同，主要有：激光，红外线和超声波。虽然各个不同探测波的性能与适用情况略有不同，但是大方向上他们是相同的，即：通过测量出与障碍物距离，当计算出的测量值小于设定的安全值时，警报器会发出警示的信号，以下为介绍一下不同探测波的各自特点： 激光：激光的最重要特点是指向性十分良好，它具有十分大的能量，可以“指哪打哪” ；此外他的亮度和阳光不相上下。此良好的相干性也是其重要的特点，其拥有一致性的玻粒震动频率、方向机相位高度。可在恶劣天气面前，激光的适应性显得十分薄弱，他的精度与测量距离会在极端天气、超声波测距器的表面损耗、汽车各种原因引起抖动及雾霾等因素下受到显著的影响。因此，激光超声波倒车雷达并不是研发的重心，并且在实用性方面也大打折扣。 红外线：红外线并不是一个陌生的词汇，在自然界中红外线随处可见，不少动物本身就可以感受到红外线。热量是引起红外线的主要原因。电影中我们看到特种兵使用的红外线探测仪就是依照这种原理，感受到前方的红外线可以感知到生物体。此设施价格便宜，理应是一种十分有效的探测距离装置，但是红外线也极易受到周围环境的影响并且只对有热量的生物体有反应。因此也并不算实用。超声波：超声波是一种频率介于 20Khz-20000Khz 范围内的具有强大能力源的波，他方向性强，不易受到干扰，且精度高，在非接触性的测量中，它有一定不可替代的作用。由于方向性高且不受环境的特点使得超声波探测仪在实际使用中不会受到外在因素影响。汽车本身抖动的情况也会被克服。在短距离测量中，具有十分重要作用。因此该装置被广泛用于倒车雷达测试。81.4 本文主要内容：本文主要研究的是设计与实现倒车雷达及其实物，倒车雷达的硬件的可靠性与实用性被研究与探讨。本文共分 4 个部分。第一部分：绪论，倒车雷达的演变历程和一些实际情况第二部分：设计方案。介绍课题要求，传感器，硬件设备。构想出系统的设计方案并考虑影响因素。第三部分：硬件与软件设计。相信介绍设计的电路模块，实现以及情况。第四部分：总结本次实验，指出不足之处。并且对倒车雷达前景进行展望。2.系统构建与方案设计2.1 系统设计要求测距模块，控制模块与警示模块是汽车倒车雷达主要的三部分模块。倒车雷达的工作流程是：当汽车档位挂入倒车