《超声波测距倒车雷达设计》5300字（论文）

超声波测距倒车雷达设计摘要现如今，随着科技的不断发展进步，汽车工业以非常惊人的速度高速发展，汽车也从最初的奢侈品走到了平民百姓家中，有的家庭拥有好几辆汽车也司空见惯。汽车给人们提供了便捷的同时也随之产生了很多安全隐患问题，在这一系列交通问题中，因为倒车造成的事故占据很大一部分。随着汽车数量的增加和土地利用率的饱和，尤其是在城市地区，在道路上驾驶的车辆四周距离可以说是越来越有限，停车位也越来越狭窄，驾驶员在倒车时稍有不慎就会造成一系列损失和麻烦，甚至受到生命威胁。针对这种情况，笔者认为设计一种倒车防撞报警器可以极大程度上提高倒车的安全性。本设计采用了STC89C52单片机、超声波检测器来实现系统的运作。从STC89C52开始，超声波测距仪用于测量到被测物体的距离，处理器用于处理警报值，进行比较和调整，当实际数据低于警报值时，蜂鸣器会发出声响。目录1绪论11.1项目研究的背景和意义11.2国内外倒车雷达的发展现状12倒车雷达的分类32.1按感应种类分类 32.2按显示种类分类 33总体设计方案43.1设计方案44硬件实现及单元电路设计54.1主控制模块54.2电源设计74.3超声波测试模块74.3.1超声波的特性84.3.2超声波换能器94.4超声波传感器原理104.5测距分析…134.6时钟电路的设计154.7复位电路的设计154.8声音报警电路的设计164.9显示模块165软件设计175.1主程序工作流程图17结论18参考文献20第页1绪论1.1项目研究的背景和意义由于超声波本身的特殊性，使得超声波测距拥有很多其他检测技术所没有的优点，超声波测距可以做到不接触检测物体达到测距目的，这就使得其比其他器具更加卫生环保，对一些高温、腐蚀等恶劣环境受到的影响也更小。可以直接用于水、酒、糖、饮料等液体的液位差、直观液位、高低料位的定位。超声波检测相对快速、方便、易于计算、实时控制，在机器人领域，测距系统是不可缺少的。同样的，超声波检测也可以运用到倒车雷达上，汽车数量越来越多，土地越来越少，道路、街道、停车位空间越来越狭窄，倒车难成为大众一大难题，一项实用的倒车雷达将会给驾驶员带来莫大的帮助。1.2国内外倒车雷达的发展现状倒车雷达经过数年的发展，大体上分为五个阶段，其中技术不断进步和完善，下面分别对其进行简要的概括和分析。初代倒车语音提醒，想必大家一定听到过“倒车请注意”这样的提醒声音，这就是倒车雷达最初的样子。其实这种语音提醒只是被动的提醒路人注意倒车，局限性很大，现在只有极少数货车还在使用，随着科技的不断发展，已经基本上被淘汰。二代倒车报警器，这是真正迈入倒车雷达的时代。当车辆接近障碍物时，蜂鸣器会发出警报，以通知驾驶员。但是这种装置还比较粗糙，对于距离的把控没有那么精确。三代数码波段提示。相较于二代，三代对距离的把控更加精细，它可以将汽车与障碍物的实际距离达到一定数值通过显示屏直观的显示出来，从而驾驶人就能对车辆有更好的操控。但是三代也有一个很大的缺点，由于其体积比较大，安装在车辆内部就显得不那么美观。四代液晶显示屏动态显示。这一代产品消除了三代不美观的缺点，安装在汽车内部，可以对车辆四周展现一个动态的距离信息，灵敏度高且外观精巧，美中不足的是它容易受到外界干扰，在信号不好的地区可能就掉了链子。第五代魔镜倒车雷达。该倒车雷达结合了上述优点和缺点，技术更加完善和成熟，并使用了高科技仿生雷达和高速计算机控制，并且加装了天气、温度、蓝牙、DVD等一系列实用功能，不管任何环境下都能较精确的提供距离信息。同时其本身就是镜子造型，可以根据车主的不同需求改变颜色和形状等。倒车雷达已经发展成为汽车不可或缺的一部分，对一些驾驶技术不高的车主帮助极大，对一些交通事故的避免也起到重要的作用。2 倒车雷达的分类2.1根据感应种类的不同 根据感应种类不同，倒车雷达的放置方式也不一样，大体分为三种形式。第一种粘贴式，即通过胶层将雷达黏在特定的位置。第二种钻孔式，就是在汽车指定位置钻孔后将感应器嵌入。最后是悬挂式，这种安装方式在货车上居多。这三种倒车雷达虽然安装方式不同，分别使用与不同车型。但是，它们也有共同点，就是不管是哪种形式的倒车雷达，它的感应器都要安装在特定的位置即车辆的后保险杠上。2.2根据显示种类的不同显示装置的不同又可以将倒车雷达分为数码式、色带式、蜂鸣式三种。数字类型是通过显示屏上的数字形式直接通知驾驶员车辆与障碍物之间的距离。色带类型是将各种距离值将转换为颜色并显示给驾驶员。安全的距离用绿色表示，警告用醒目的黄色表示，红色是危险距离。蜂鸣式比较简单，当车辆离物体较近时，会发出警报声警告驾驶人。3总体设计方案3.1设计方案超声波测距和倒车雷达由单片机、HC-SR04超声波传感器、数字管、蜂鸣器和按钮组成。测量范围为5cm-4m，当测量距离小于设定值时，蜂鸣器报警。该设计分为硬件和软件两个部分。其中电路配置分为单片机电路、传感器电路和报警器电路。系统有很多模块，有信息模块、显示模块和控制模块等。系统设计和制造过程分为三个阶段：总体设计、硬件设计和软件设计。该设计使用了STC系列中最常用的STC89C52微控制器。4硬件实现及单元电路设计4.1主控制模块4.2电源设计由三节AA电池供电，并且还保留了USB电源端口。4.3超声波测试模块超声波模块运用的是HC-SRO4，测量范围2cm-400cm，可以精确到到3mm。工作原理如下：当检测到物体接近时，开始测量之前，将自动触发IO端口以为三角端口供电。该模块会自动发送八个40KHz方波。这时候接收器会识别信号的返回情况。接收到信号后高电平输出IO端口，高电平持续时间是指从超声输出到接收以实现距离测量的处理时间。该模块的物理图如图4所示。4.3.1超声波的特性声音实质上是一种波，人类的听觉范围大概在20Hz——20000Hz之间，如图5。超过两万赫兹的声波被称为“超声波”。图5人的听觉范围超声波的特性：（1）束射性超声波和光类似，所以光学的一些原理超声波也有。当超声波进入介质时，会发生反射和折射等现象，折射率取决于密度。（2）吸附性你会发现在日常生活中，声音的大小会随着距离的远近所变化，超声波也是如此。当介质一定时，频率越高，传递越困难。（3）能量传送特性超声波被广泛应用于各种工业领域，而且比普通的声波威力更高。我们知道振动发生时会随之产生能量，当高频率的超声波作用于物体时会随之产生巨大的能量。（4）声压特性声波作用于物体时会改变物体的密度稳定性随之产生压力变化，这叫声压效应。超声波引发的声压效应非常强大。以液体为例，当超声波作用于液体时，产生巨大的压力变化，液体分子承受不住如此大的拉力，会发生断裂现象。在杂质较多的液体中这种反应会更加强烈。液体分子断裂会造成液体空腔，空腔持续时间不长，在重新闭合的瞬间会产生庞大的大气压力，液体在如此巨大的能量下会迅速升温，如果此时液体中悬浮有固体介质，其会在庞大的压力下瞬间消失。这种现象称为气蚀现象，超声清洗机就是根据这种原理制造的。4.3.2超声波换能器超声波换能器，可以将不能被人类感知到的超声波信号转变为简单的电信号。它有一个类似探头的装置，该装置的主要组成部分就是压电晶片，也是其最核心的部分。根据不同的结构，超声波探头根据各自属性不同可以分为不同类型，有对角探头、线性探头、撞击探头等。基本性能指标：（1）灵敏度。其由其内部晶片的机电耦合系数来衡量，即压电振子对能量的转化率，转化率越高，探头就越灵敏。（2）工作频率。超声波传感器的整体性能与压电芯片频率有直接关系。如果前者和后者的频率相同，则将发生共振，此时工作频率将达到最大。（3）工作温度。压电材料的压电效应会随着温度达到某一特定值的时候而消失，这个特定的温度值成为居里点。不同材质的压电晶片的居里点也不同。大部分压电材料的居里温度都比较高，因此，对于低功率超声波探测头，它的工作温度就没那么高，一般的压电材料就可以支撑器械长期无故障运行。但是对于一些医用超声探头，它的使用功率很大，温度就非常高，一般的压电材料就无法支撑其运行，需要特殊的材料才行，并且还要配备一台专门的冷却设备为其降温，因此，医用超声探头造价也是十分昂贵。根据发电方法，超声波发生器大致可分为电磁发电设备和机械发电设备。电磁发电设备有磁致伸缩式、压电式和电动式；机械方式有高尔顿汽笛、液体汽笛和气流汽笛。不同类型的设备会发出不同的超声波，被用在不同情境，压电超声波发生器是最常用也是最实用的一种。对于此设计，我们选择了一种压电超声传感器。压电超声波传感器利用的是共振效应，如图，两端可通电。两电极通电时，当和压电晶片固有频率一样时，则压电片驱动并谐振。当能量传递到谐振器板上时，会产生超声波；两级没有通电时，检测到超声波返回时，谐振器先振动然后传递到晶片，机械能量转变为电信号，形成接收器。4.4超声波传感器特性我们通常看到的大多数超声波传感器都是开放式的。其内部结构图如图7。复合振动器的底部固定连接。振动器由一个谐振器和两个电子芯片组件组成。特性：（1）波长。由波的传播速度公式可知，在速度一定的情况下，波长和频率有直接关系。与电磁波相比，声波的传播速度可以说很慢了，超声波又有很高的频率，那么它的波长就比较短，波长越短分辨率越高，由此超声波测量精度就较高。（2）反射。金属、木头等密度大，表面均匀，所以它们能够很容易的被超声波作用后检测识别到。但是像布料、棉花等密度小而且表面粗糙不均匀，超声波作用时不能充分反射，会被吸附很多能量，检测就比较困难，误差极大。（3）温度。传播效果还与外部环境的温度有很大关系，温度越高，传播阻力越大。本设计测试环境在室内温度恒定，这里不再考虑温度，如果做更进一步完善，可以加装温度补偿装置。（4）声压。声压级=灵敏度+20log(dB)。图8是三种常见传感器的声压图。图8超声波传感器的声压图（5）衰减。超声波传播时其能量是变化着的，具体就是随着传播距离而递减。图9是超声波传播距离和衰减性在不同频率下的变化情况。（6）辐射。从图中可以看出在40kHz时达到峰值。图10超声波传感器辐射特性示意（7）灵敏度。灵敏度与频率有很大关系，当超声波频率为40kHz时，传感器的灵敏度达到最高，此时测量范围最大。4.5测距分析超声波测距最常见的测量方法就是回波检测法。具体流程如下：最先超声波发出装置发出一束超声波，开始计时。如果在超声波传播途中碰到障碍物，会反射形成超声回波，超声回波到达接收器的同时，计时装置结束计时。可以根据速度时间公式，计算出与障碍物之间的距离S。由于本设计的测试环境为室内，要求的测量精度也不高，就不再考虑由于温度变化引起的误差。如果对精度要求比较苛刻，则可以通过温度补偿的方法减小误差。4.6时钟电路的设计时钟电路的设计基于带有振荡器的反相放大器的原理。振动材料通常是石英和陶瓷。放大器通常具有输入端子和输出端子，但当用作时钟组件时，可以通过去掉输出端来实现。因为每个放大器有六个状态周期，每个状态周期分为两个振动周期，总共12个振动周期，基于此可以设计出时钟电路如图13所示。这里，XTAL1是输入端子，XTAL2是输出端子。4.7复位电路的设计本设计采用自动复位电路。。4.8声音报警电路的设计警报电路由三极管、电阻和扬声器构成，BB1蜂鸣器Q58550VCCGND+R2KP134.9显示模块显示模块采用数码管显示，电路如图16。5软件设计5.1主程序工作流程图经过上述工作原理和硬件结构的分析总结出该系统的主程序工作流程图，如图17。＜√√系统初始化＜√√系统初始化结束报警距离比较距离再次比较开始报警再次检测结束＞×YN超声波探测程序流程图如图18：图18超声波探测程序流程图结论汽车对于人们有很多方便的地方，但也有很多问题：道路越来越难走，停车位越来越拥挤等等，这就使得众多车主在倒车泊车时头痛连连，一不留神就造成事故或伤亡。为了解决这一问题，倒车雷达应运而生，它能够以直观的方式让驾驶人了解到车外的物体状况，极大地提高了驾驶的方便性和安全性。本次设计的是一种基于单片机超声波倒车测距装置，在开始设计之前，我们查阅了大量的与倒车雷达、超声波、传感器和单片机等有关的资料和信息，通过理论与实践的结合，设计并测试了这款超声波测距倒车雷达，从中收获了很多，也对倒车雷达有了更深刻的认识。该设计是基于单片机STC89C52的超声波传感器测距装置，它可以通过不接触的方式将发出的超声波与接触物之间的关系转变为电信号输出，从而测量出与障碍物的距离。该报警装置最大的特点就是操作简单、易于理解、灵敏度高，虽然该系统本身还有很多不足之处，但是对于大部分中高端汽车来说，它的实用价值还是很大的。相信随着科技的不断发展，未来将会有更加完善和实用的倒车辅助系统。参考文献[1]汤传国.基于超声波测距的倒车雷达系统研究[D].陕西：长安大学，2015.[2]牟鹏飞.基于单片机的超声波倒车雷达设计和HUD应用的研究[D].辽宁：东北大学，2016.[3]吴琼.汽车倒车雷达系统的研究[D].江苏：南京林业大学，2009.[4]吴妍.汽车倒车雷达预警系统研究[D].湖北：武汉理工大学，2007.[5]