车载倒车雷达装置的设计

摘 要 近两个世纪，工业科技的高速发展，造就现今繁华富裕的生活景象。汽车已经很广泛的进入人们的日常生活中。随着汽车的普遍化，汽车行驶和交通事故问题也引起人们的高度重视。能提供安全驾驶的科技已经成为人们的首要追求。前行驾驶的安全性大部分取决于驾驶者的安全意识，而在倒车驾驶时，由于存在的盲区太大，如果没有辅助的科技设备，是很难做到精确驾驶的。由此应运而生的倒车雷达为驾驶者提供了很大的帮助。 本设计讲述了车载倒车雷达系统的现状和实现原理。对倒车景象进行分析、概括，设计出由超声波测距、单片机控制处理的车载倒车雷 达。对超声波测距的发射、接收和数据处理的原理进行详细设计。设计采用了性能、价格都有优势的 片机作为主控芯片，实现了精确测距、声音警报和具有人性化的液晶显示系统。文章详细讲述系统的硬件设计过程和软件处理的设计，实现了实用性、高性价比的倒车雷达的设计。 关键词 ：倒车雷达； 超声波测距； 音警报；液晶显示 of up of of in s of s on s in to of is if is no it is to to a of of of of of of of is in of of as to a a of of in in of is 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题的 研究背景和研究内容 . 1 载倒车雷达的发展现状和发展方向 . 1 题的目的和意义 . 2 章小结 . 3 2 车载倒车雷达系统原理 . 4 车盲区和系统框图的建立 . 4 车盲区和汽车倒车分析 . 4 区检测传感器的选择 . 4 统框图 . 5 声波发射接收系统 . 5 声波简介 . 5 声波测距原理 . 6 载超声波发射接收系统 . 7 报提示和界 面显示系统 . 8 报提示系统 . 8 面显示系统 . 9 制处理系统 . 9 章小结 . 9 3 硬件系统设计 . 10 件系统的组成 . 10 声波传感器电路的设计 . 10 声波传感器的选型 . 10 声波传感器 介 . 11 声波传感器 电路 . 12 片机主控电路的设计 . 12 目录 片机的选型 . 12 片机简介 . 13 小系统电路 . 14 鸣器警报电路 . 17 鸣器 的选型 . 17 鸣器电路 . 17 晶显示电路 . 17 示器 的选型 . 17 介 . 18 接电路 . 19 他电路 . 20 键电路 . 20 源输入电路 . 21 章小结 . 21 4 软件系统设计 . 22 统主程序设计 . 22 块子程序设计 . 24 声波传感器程序设计 . 24 示程序设计 . 25 章小结 . 26 5 总结 . 27 谢 辞 . 28 参考文献 . 29 附 录 . 30 附录一 系统硬件电路原理图 . 30 附录二 系统硬件电路 . 31 附录三 系统软件原程序 . 32 第 1 页 共 36 页 1 绪论 题的研究背景和研究内容 随着近几十年的高速经济发展， 汽车已经是很普遍地进入人们的生活。 随着人口集中化和上路汽车越来越多，汽车发生事故的概率也越来越大。因此产生的 汽车行驶和交通事故 问题成为驾驶者日常高度关注的问题 。而在这些问题之中，汽车倒车引发事故的概率极高。倒车发生事故的原因有如下方面：汽车后视镜存在很大死角，驾车者目测距离的能力差，天气情况导致驾驶者的视线不太好，车后静态动态事物复杂多样等。从实际驾驶经验也可以知道，比起驾车前行，驾车后退的难度更为突出。 在汽车倒车引发的事故各种各样，撞上他人的车、停车桩、水泥花栏等，如果伤到车后的行人更为不敢想象。鉴于此，车载倒车雷达应运而生，现今生产的汽车普遍装载了车载倒车雷达倒车辅助装置。有了车载倒车雷达的辅助，很大程度的帮助驾驶者进行倒车 ，有效降低倒车发生事故的概率。 鉴于 车载倒车雷达的重要性，及其理论技术的成熟，本研究将从车载倒车雷达系统的各个方面进行详细诉述。现今的车载倒车雷达都已经产品，可以与车载主系统相连，也可以独立于系统之外工作。车载倒车雷达系统中，最重心的技术是超声波测距原理，除此之外还包括主控处理、警报原则和液晶显示。以上都是一些已经十分成熟的技术。超声波应用的场合非常之多，涉及社会生产、日常生活的方方面面。其超声波测距的应用技术已经非常成熟，稳定性和精确度都有很好的表现。 载倒车雷达的发展现状和发展方向 经历几十年 的发展创新，车载倒车雷达产品的质量已经得到社会普遍认可。特别在21 世纪，车载倒车雷达就经历了多次的技术改良。从产品结构、产品外观，到产品的性能价格比上，每一次改良后的车载倒车雷达都更美观智能。 首次技术的出现，应用于汽车倒车的警报系统是基于喇叭提醒的简易倒车辅助系统。汽车倒车时，系统通过喇叭发出“倒车请注意”的人声提示提醒周围的人。驾驶员还是需要通过后视镜等辅助装置进行倒车操作，其对驾驶者并没有辅助作用。一般不会用于轿车及以上级别的车身上。 第一次技术改良后，形成以超声波测量距离、蜂鸣器发声警报的倒车辅助系 统。这个才是车载倒车雷达系统开始出世的标志。汽车倒车时，系统会根据汽车尾部与障碍物之间的不同距离来控制蜂鸣器发出频率不同、发声间隔不同的警报声。驾驶员可以根据警报声的急促程度，判断障碍物距离汽车的距离以辅助倒车。这一代的产品迈入了车载倒车雷达的时代，其产品实用性还算不错，这一代的产品也是应用最为广泛，迄今还在应用的产品。 第 2 页 共 36 页 第二次的技术改良是基于上一代的产品的性能改进，其性能得到很大的改进。这代产品加入了 直观地把汽车尾部距离障碍物的距离显示出来，还 能实现实时显示。本代的产品除了有数码管直 接显示距离数字，还有三波段显示距离级别的产品。三波段显示为了表示距离的远近程度一共用了 3种颜色：用绿色代表安全距离，表示汽车尾部距离障碍物有 上的距离；用黄色代表警告距离，表示汽车尾部距离障碍物进入 距离内 ；用红色代表危险距离，表示汽车尾部距离障碍物只有不到 距离 ，这时需要尽快停车或更加谨慎驾驶。此代车载倒车雷达系统把三波段和数码管整合在一起，虽然功能有所提高，但要将其安装到汽车内部时，其并不是很受欢迎。 第二次改良后不久就迎来第三次技术改良，经此次改良，车载倒车雷达的实用 性能显得更加实在。该代的车载倒车雷达系统已经纳入汽车系统中，其依然采用超声波测量距离技术和蜂鸣器警报，但加入了视频检测和中控大屏显示。汽车挂倒车档，中控大屏自动转换到倒车显示模式，实时显示车后的场景，仍然有蜂鸣器警报功能。这一代的产品技术已经很成熟，其实用性能的优秀表现，让很多车主都乐于选择。 经历了前三次的技术改良，车载倒车雷达不管是外观还是在实用性上，都达到社会的要求。往后的技术改良，多是依靠车载控制系统来实现。改良后的车载倒车雷达的功能也越来越多，甚至出现了独立于车载系统的倒车影像仪。其后的改良产品有 如魔幻镜倒车雷达这些应用最新技术，最快速电脑控制的高端产品。还有一些从外观、性能上更加豪华的产品。 随着人们安全意识的提高，车载倒车雷达系统将更多的纳入汽车基本配置当中。车载倒车雷达系统会融入到整车的设计生产中，不再作为独立的个体。实际上，现今的汽车已经从满足了车载倒车雷达后，向汽车的其他三个方位也进行了雷达探测。今后的汽车，必定会是能实时测量、显示汽车周围物体的距离。 题的目的和意义 本设计将对车载倒车雷达系统的基本原理进行学习，并对其中的主要的超声波测量距离技术进行深入学习。本课题将对当前现有 应用技术进行整合，设计出一个更加出色的车载倒车测距雷达系统。 本设计将实现车载倒车雷达系统在测量距离精度上的改进。系统加入温度校正模块，对超声波测量的距离进行校正，把测距的精度提高一个级别。在保证测量精度的前提下，会努力提高系统测量的最大距离，实现大范围的精确监控。最终模拟车载倒车雷达系统，设计出一个具有检测距离，警报和液晶显示的性能稳定的产品。 本设计的实现，将对当代车载倒车雷达的测量距离和精度上的不足进行弥补。 第 3 页 共 36 页 章小结 本章对车载倒车雷达的历史背景进行了阐述，介绍 车载倒车雷达的发展史。全面的了 解到车载倒车雷达的出现带来的意义所在，对当今的倒车雷达产品进行了分析，并对它们进行优缺点比较，对产品的未来有所展望。分析车载倒车雷达系统所囊括的技术，并对其主要技术进行深入了解，最后确定出本设计的最终目的：实现车载倒车雷达的测量距离、精度上的改良和提高整体系统稳定性。 第 4 页 共 36 页 2 车载倒车雷达系统原理 车盲区和系统框图的建立 车盲区和汽车倒车分析 车载倒车雷达系统主要实现在汽车倒车时，持续的探测汽车尾部后方阻碍汽车倒车的障碍物情况，并把 障碍物情况回馈给驾驶员，方便驾驶员做出正确的驾车操作。在驾驶位上的驾驶员，并不能看清车外的任何一个角落，其存在四大盲区。四大盲区的范围示意图如图 2 图 2车四大盲区示意图 其中的三大盲区为：被汽车前盖遮挡的位于汽车正前部 驾驶员平行之后的汽车的左边、右边后视镜可视范围之外的两大盲区。这三个盲区中的物体是具有提前预知性的，因为在汽车行驶过程中，进入这三个盲区的物体是驾驶员已经看到过的。第四个盲区是位于汽车尾部往后几米内的盲区，这个盲区主要在汽车倒车时存在极大的安全隐患。在 一般的倒车情况下，第四个盲区中的物体是不可以预知的，因为实际的倒车比较难于操作而且倒车距离也不会很长。基于此，驾驶员需要一个可靠的辅助倒车设备来实现，这便是车载倒车雷达。 想要设计出具有有效探测汽车尾部后方障碍物的倒车雷达，首先需要了解汽车车身结构和倒车时的影响。 其中与车载倒车雷达设计息息相关的参数是车宽。市面上常见的轿车和其他一些 型中，车身宽度都在 15065上汽车倒车时尾部存在的 300要设计出能有效探测车宽与盲区长度构成的盲区区域内的障碍物的方案。 区检测传感器的选择 车载倒车雷达系统应具有测量第四盲区内所有障碍物的能力，并能及时有效地反应给驾驶员。在当前科技中，障碍物测距传感器主要有激光测距传感器、红外线测距传感器、超声波测距超感器。各种测距传感器的性能如下表 2 第 5 页 共 36 页 表 2距超感器的性能 传感器类型 特点 激光测距传感器 方向性强、传光性好，测量距离远、速度快、精度高等优点，存在对人体的伤害、成本高等缺点 红外线测距传感器 具有成本低、使用安全的优点，存在测量精度差、方向性差、测量距离比较短等缺点 超声波传感器 波长短、能量高、传 输性能好、测量距离长等优点，不过其成也较大，具有一定测量角度 由于盲区是一个三维立体存在的空间，选择的测距传感器需要具有一定测量长度和角度。在以上三者之中，最合适的超声波传感器，并且超声波传感器价格适中，安全性好。基于等等优点，采用超声波进行距离测量也是当今测量障碍物并测量其距离的主流方法。 统框图 车载倒车雷达系统除了具有 测量障碍物与其距离的 基本功能外，还可以加入更加人性化的 蜂鸣报警的同时，留一个必要的界面供驾驶员必要的时候查看其距离障碍物的具体距离。车载倒车雷达系统构成如 图 2体可以分为四个小系统：超声波发射接收系统， 报系统和显示系统。超声波发射接收系统采用具有一定检测角度的超声波来实现， 片即可，警报可采用简单的声音警报器实现警报提醒功能便可以，显示系统需要具有良好的显示界面，在满足此要求下选择即可。 M C U 控制处理系统显示系统超声波发射接收系统警报系统图 2载倒车雷达系统框图 声波发射接收系统 声波简介 科学界上将声波单位时间里振动的次数称为声 音的频率，声波的频率是以赫兹（ 单位。我们人类的耳朵一般只能听到的频率在 20 20000们人类的耳朵极少能察觉到频率小于 20 20000中的 20大于 20000声音。科学界 第 6 页 共 36 页 上把频率比 20000声波”。 超声波被广泛地应用在多个领域多种技术上。超声波具有以下两个特点：一个是传播能量大，另一个是沿直线传播。 声波传播依靠物体的机械振动来对其进行传送。振动是指物体的的质点在质点的平衡位置上下进行的往往返返运动。可以听到的声波和超声波在本质上是同样的，这 些声波都是以机械振动的形势实现的，通常以纵波的方式在具有弹性的介质里面进行传播，他们的不同点是超声波的频率更加高、波长更加短、在能量距离内沿直线传播具有更好的束射性和方向性。 超声波具有以下的性质： 表 2声波的性质 1 可在液体、固体、气体、固熔体等介质中传播 2 可传递更大的能量 3 能产生干涉、反射、共振和叠加 4 在液体介质中传播时，会在两种液体界面产生强烈的冲击和空化 声波测距原理 超声波测量距离是通过超声波发射器发出固定频率的一段超声波，然后时时检测遇到障碍物所反射的对应 频率的回波，检测到回波后进行传输处理，处理完成后继续进行超声波发射器发出同一频率的一段超声波，往而复始地进行如上工作。测量出超声波发射到接收回波所经历的时间，便可以根据超声波在空气中传输的速率计算出其与障碍物直接的距离。超声波脉冲与测距原理示意图如图 2 图 2声波脉冲与测距原 理示意图 超声波脉冲是具有固定为 40方波脉冲（如图 2所示），发射器和接收器是应该紧紧相靠放置。在图 2声波发送和接收是一个往返的过程，所以在计算实际距离时需要取测得时间得一半。距离计算公式为： 2/ （ 2 式中的 实际上，超声波在空气中传输的速率 有关系，在不同的温度对应着不同的传输速率。表 2出了 8种温度下的超声波传输速率。 第 7 页 共 36 页 表 2输速率与温度的关系 温度（） 2 10 20 30 100 速率（ m/s） 313 319 325 322 338 344 349 386 表 2使用时，如果环境温度的变化不大、系统要求不高的情况下，可以认为传输速率是基本不变的，取为 340m/是，本设计需要实现在各种气温情况下实现具有高精度的距离测量，所以需要通过对超声波发 送接收系统进行温度补偿的加以校正。 超声波在空气中的实际传播速率为 ： 00 / （ 2 其中 ， 。 式 2度补偿校正。目前， 市面上有很多的超声波发射接收模块中都已经集成了温度补偿校正，具有很精确的距离测量性能。 载超声波发射接收系统 想要设计出具有有效探测汽车尾部后方障碍物的车载倒车雷达系统， 需要设计出能有效探测车宽与盲区长度构成的盲区区域内的障碍物的方案。其中的盲区范围中的车身宽度在 15065间，盲区长度在汽车倒车时尾部后的 300了保证距离测量的精度，一组超声波探测器有效探测距离会在 450个完全符满足了 300组超声波探测器的有效探测角度并不能实现 180，车 载超声波探测器的最大探测角度宽在 120、角度高在 60以内，如图 2 图 2声波探测器探测角度示意图 实际上，为了保证探测的精确性，探测角度宽一般在 70以内。由此可见，一个超声波探测器并不能满足探测的要求，有必要选择多个超声波探测器以实现汽车尾部全范围的检测。鉴于汽车属于特殊产品，为了保证其美观性和降低成本，在保证满足探测要求下尽量减少超声波探测器的组数。 第 8 页 共 36 页 （ a） （ b） 图 2载超声波发射接收系统示意图 实 际设计中，车载倒车雷达系统一般会采用 3到 4组超声波探测器来组成车载超声波发射接收系统。如图 2a）所示，其尾部安装了 3 组超声波探测器，图 2b）所示的则安装了 4 组超声波探测器。本设计将采用图 2的（ a）方案，将左右两边的超声波探测器安装于距离车侧面一定距离的位置，同时探测方向稍向车身中线靠近。将 3 组超声波探测器安装在较低位置，以实现能探测到距离汽车尾部较近的低矮障碍物。本设计的车载超声波发射接收系统能够有效探测汽车尾部盲区内的障碍物。 报提示和界面显示系统 报提示系统 警报 提示，是指具有发放警报信号起到提示指导作用的警报方式。其中起到关键作用的是警报器。警报器可以用于发出预防、警报还有解除警报这几种信号。犹如现代战争时期的防空警报系统，本设计的警报系统也需具有能够明显提醒驾驶员的声音警报。 警报器的分类有按照发出声音原理分类和按照设置条件的分类这两大类，每一大类中所包含的警报器类型如下表所示： 表 2警器的分类 分类原理 报警器类型 简介 发声原理 电动报警器 将电能转换为机械能，再由机械能转换为声能 电声报警器 将音频小信号经低频功率放大后转换为声能 ， 即电子 能转换为声能 气动报警器 将电能转换为机械能，再由机械能转换为气能 ，最终 由气能转换为 声能 设置条件 固定式报警器 安装在某一固定地点使用的警报器 机动式报警器 安装在 机动车 辆或采取其它形式，在运动中使用的警报器 由于报警器是用于车载倒车雷达系统中的，所以必须是机动式报警器，至于选择何种发声原理的报警器，这个只要满足警报提示功能就可以。实际上为了节约成本和使其看起来简洁又具有明显的提示作用，现在在汽车上使用的报警都是由蜂鸣器来实现的。蜂鸣器是一种只能发出某个频率蜂鸣声的电子讯响器。蜂鸣器具有体积小、价格便宜、 第 9 页 共 36 页 使用简单的特点，此外其高频段的蜂鸣声具有极其出色警报效果。将蜂鸣器使用在车载倒车雷达系统中是很好的选择。蜂鸣器外形如图 2 图 2鸣器形状图 面显示系统 在汽车中加入界面显示无疑是当 代汽车的标志，既实用又有很高的装饰作用。在以超声波测距为重心的 车载倒车雷达系统中，界面显示一般情况下不起作用。但在驾驶员无法根据警报声进行更准确快速的倒车操作时，界面显示的距离值将更直观地帮助驾驶员进行正确的倒车操作。界面显示系统具有其存在的意义。 制处理系统 控制处理系统是指处理各种信息，根据处理的结果输出控制信号，使外部执行相应的操作达到系统的控制目的。控制处理系统除了控制处理芯片以外还包括其内部的软件程序设计。车载倒车雷达系统性能的表现除了与超声波测距系统有很大关系外，其他的都取决于控制处理 系统性能的好坏。一个好的控制处理系统，可以提高系统的快速处理能力、提高系统运行的稳定性。 一个系统，在具备性能优良的硬件设备情况下，一个逻辑正确、处理快速的软件设计也是至关重要的。逻辑性强、反应灵敏的软件设计可以提高一个系统的上一个等级。车载倒车雷达系统中，既需要性能优良的硬件设备，也需要反应敏捷的软件处理能力，这样才能成为驾驶员满意的安全性好、高等级的辅助倒车工具。 章小结 本章从汽车本身出发，详细分析汽车本身引出的汽车倒车问题，并针对本身问题设计出 车载倒车雷达系统的大体结构。 从本章中可以看出 车 载倒车雷达系统的意义所在，以及其中每一个组成所负担的责任和应有工作内容。本章有助于读者了解到有关车载倒车雷达系统的知识和设计性的指导。 第 10 页 共 36 页 3 硬件系统设计 本章将开始对 车载倒车雷达系统进行具体的硬件设计。根据车载倒车雷达系统具体的实际情况挑选出合适的硬件进行设计，对各种器件参数进行准确计算，完成最终的硬件电路设计。 件系统的组成 硬件系统由四大主要部分组成，包括 3路超声波传感器检测电路、单片机主控系统电路、蜂鸣器电路和液晶显示电路。硬件系统框图如图 3 单片机主控系统液晶显示超声波传感器 1 蜂鸣器警报超声波传感器 2超声波传感器 3图 3件系统框图 车载倒车雷达硬件系统由 3 路超声波传感器对车后盲区进行障碍物监测和距离检测，将其采集的距离信号传输给单片机。单片机对 3个超声波传感器传回的信号进行计算处理并将其对应显示在液晶显示屏中，同时根据所测距离判断是否进行警报开启或闭关操作。 声波传感器电路的设计 声波传感器的选型 本设计中采用集成了超声波发射和接收和简单处理后的超声波传感器，避免了工作量也确保距离测量的精确度。市面上的超声波传感器也是五花八门，需要选择合适的超声波传感器来实现设计 的要求。 方案一： 采用普通的超声波传感器和独立的温度测量电路实现具有温度补偿的超声波测距电路。该方案选用的是 器件如图3 第 11 页 共 36 页 图 3案二： 采用自带温度补偿的超声波传感器距离测量模块，该方案不需要额外的温度检测电路。器件选择为 超声波测距模块，器件如图 3 图 3案一中的 市场价格都在 4 元左右，方案二中的 格在 12元左右。相对价格而言，方案一具有绝对的优势。 在信号处理方面，方案一需要对 量完成再根据温度补偿知识进行温度校正得出最后的距离值。方案二中只需对 集数据便可直接得出带有温度补偿校正的距离值。在使用同一款单片机的情况下，方案一无疑加大了单片机处理数据的压力，不便于系统快速处理信息和反馈给驾驶员。如果想要达到理想处理速度必定要选择更高级别的单片机，这也必定增加在单片机上的成本。而且方案一中，自行进行温度补偿校正并不一定能达到方案二的精确度，因为复杂的 系统必定会降低系统的可靠性。 综上所诉，为了保证系统的简洁减小体积、系统的稳定性和测距的精度，本设计采用方案二。 声波传感器 介 本设计中选用了 3 个 声波测量距离传感器对倒车车后盲区进行检查。个外接引脚，引脚功能如下表 3 表 3引脚 1 作电压引脚，接 脚 2 据通信引脚 引脚 3 据通信引脚 第 12 页 共 36 页 引脚 4、 5 作电源地 通信方式，一种是 用该模式时需要将引脚 2、 3 接到单片机的 脚。另一种工作方式是电平触发通信模式， 和 3 可以接到单片机任意的两个 引脚上，没有特殊要求。由于本设计一个需要 3 个 声波测量距离传感器，为了降低对单片机选型的要求，本设计将会采用电平触发通信模式对 声波传感器 电路 如下图 33路 个引脚间距为 5引脚排针代替。超声波传感器 1 的通信 引脚接单片机的 11，超声波传感器 2的通信引脚接单片机的 30，超声波传感器 3的通信引脚接单片机的 33。 图 3片机主控电路的设计 片机的选型 单片机作为车载倒车雷达系统的主控器件，其性能的高低直接影响到这个系统的性能好坏，也会影响到整个系统的生产成本。当前主要的单片机有 51 系列、 列、列和更高级的 。本设计将从现今主流的单片机中选取满足设计要求下控制产品成本的的方案。 方案一： 采用基础的 51 系列单片机。 51 单片机都是基于 031 指令操作系统。 51 系列单片机具有单电源 +5V 供电、四十位可输入输出的 I/组 8位并行 I/五个内外部中断源、一个全双工的 行数据通信接口、 4 128 51系列单片机有足够的引脚供外部电路使用，处理速度可以达到 （ 24由于 51 系列单片机出世比较早，性能跟不上近几年的高端芯片，但其性能经历多年改良也能适应大部分场合使用，加上其发展久远，价格也是相对最实惠的。 方案二： 第 13 页 共 36 页 采用 997年才开始面世的一款单片机产品。其性能整体都在 51系列单片机之上。价格相对于 51系列单片机来说稍微昂贵一些。但是由于其定位处于中间位置，实际使用程度并没有 51系列单片机广泛。 方案三： 采用高级 控制芯片。这些控制单片机都是性能极其强大，应用在大规模系统中的主控制芯片，处在比 51、 车载倒车雷达系统中，需要对 3 个