通过详细列举汽车倒车防撞报警器的若干代演变历程，分析了报警器的研究背景及意义，比较提出了报警器存在的各类问题，同时分析了在超声波测距基础上研发的该类产品的原理和方法。详细介绍了在AT89C51单片机基础上同时结合超声波脉冲测距的设计出的一款汽车倒车防撞报警器。通过测量超声波在空气中传播的时间和速度计算得到所测量距离。详细介绍了超声波测距的基本要求及各类物件的特性，概括性的分析了硬软件模块部分的设计原理与方法，具有很高的可用性。
关键词：超声波；AT89C51；防撞；测距
The design details a collision alarm car reversing several generations of evolution, to analyze the background and significance of alarm, comparing various issues raised alarms exist, and analyzes the development of ultrasonic distance measurement based on the principles and methods of the class of products. The design described in detail based on AT89C51 microcontroller combined with the design of ultrasonic pulses ranging reversing out of a car crash alarm. The design of the distance calculated by the measured time and the propagation velocity of ultrasonic measurement in air. Papers detailing the characteristics of the basic requirements of ultrasonic ranging and various objects, broad analysis of the hardware and software design principles and methods section of the module, with high availability.
Keywords: ultrasonic; AT89C51; anti-collision; ranging
1 绪论 (1)
1.1 课题研究背景及意义 (1)
1.2 国内外发展状况 (1)
1.3 存在的问题 (2)
2 超声波测距原理 (3)
2.1 测距方法的主要类型 (3)
2.2 选题使用的测距方法 (4)
2.3 超声波测距原理及实现 (4)
3 单片机的选择 (4)
3.1 AT89C51的简介 (4)
3.2 AT89C51的主要性能参数 (5)
4 系统工作原理 (5)
4.1 硬件部分设计 (6)
4.1.1 超声波发送模块 (6)
4.1.2 超声波接收模块 (6)
4.2 语音电路 (7)
4.3 软件部分设计 (8)
4.4 调试与优化 (10)
5结论 (10)
参考文献 (11)
致谢 (12)
1.1 课题研究背景及意义
社会在进步，经济在发展，汽车已经成为人们出行必不可少的工具，交通拥堵情况日趋严重，不同级别的车辆事故也越来越频繁，给人们的人身安全和经济状况造成了或多或少的威胁，在这种情况下，设计一种响应速度快，可靠性高，经济实用的汽车防撞预警系统显得尤为重要。本次设计的汽车倒车防撞报警器能够为驾驶员尤其是驾驶新手提供可靠地帮助，有效的减少和防止由于驾驶视线不良引发的大小交通事故，特别适用于夜间行车，驻车和进入停车场，本设计采用市场上常见的元件，生产过程简单，性价比高，具有极广阔的发展和研发前景。
1.2 国内外发展状况
一般情况下，汽车倒车防撞报警器由超声波传感器(即探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。汽车倒车防撞报警器通常采用超声波测距原理，超声波传感器在控制器的命令下发射超声波信号，一旦遇到障碍物，即返回回波信号，传感器接收到回波信号后控制器对其进行数据处理、判断出障碍物的大致位置，显示器显示数字距离并发出信号或声音，驾驶员接收到信息后更加细致的判断距离进行谨慎操作，从而有效避免不同程度的交通事故。随着时间的流逝和技术改革创新以及不同需求的产生，汽车倒车防撞报警器也进行了大致六代的变革。
第1代：倒车喇叭警告。”请注意，倒车”！这种第一代的汽车倒车防撞报警器在市场上已经不太常见，基本已经被科技的潮流遗忘。只要司机挂倒档时，它会一直发出声音，提醒人们注意。这种汽车倒车防撞报警器止只是发出声音提醒车后的路人回避，对驾驶员来说没有太大的帮助，驾驶员们依然需要自己判断车后的距离。
第2代：通过显示器或蜂鸣器发出不同速度的声音提示。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车进行时，如若障碍物出现在1.5米左右，汽车倒车防撞报警器便开始工作，当汽车与障碍物之间的距离越来越近时，喇叭发出的声音也随之加速。这种汽车倒车防撞报警器依然没有直接显示车后距离，需要驾驶员根据经验自己判断何时停车。
第3代：数码波段显示提示车后距离范围。数码波段显示与上一代产品相比有质上的飞跃，解决了前几代产品没有距离显示的缺陷，可以明确显示距离数字。数码显示器提示车辆与障碍物之间的距离，以数字方式显示，同时配置有三种颜色提示的波段显示器，距离较大时即安全距离显示绿色，距离逐渐缩小时黄灯闪烁，当距离继续缩小到危险距离时便开始显示红色，当红灯亮起则代表必须及时停车。这种汽车倒车报警器虽然具有不同于
前几代的亮点但是实用性不高。
第4代：液晶荧屏动态显示。这种汽车倒车防撞报警器同时兼并了前几代产品的优点，不仅具有屏幕显示系统，而且相比数码波段显示开始使用动态显示的系统。驾驶人一旦发动汽车，液晶显示屏上便会清晰的显示出汽车与周围障碍物之间的距离以及汽车自身的状况，驾驶人可以直接明了的了解汽车附近的环境，使用方便。但是由于此类液晶荧屏动态显示的汽车倒车防撞报警器具有较高的灵敏度，极易受到外部环境的干扰，所以容易出现误报，所以可用性也不高。
第5代：魔幻镜倒车雷达。此类汽车倒车防撞报警器将前几类汽车倒车防撞报警器的优点结合于一体，并且创造性的引进了最新研发的仿生超声雷达技术，能够随时检测到距离小于2米的障碍物，并及时以声音和显示的方式告知驾驶员，准确度很高。由于具有后视镜的外观，此类报警器可以直接安装在后视镜相应减少了车内空间，并且具有繁多的款式可根据个人喜好和需求进行搭配。。
第6代：整合影音系统。这是一个基于第五代产品的汽车倒车防撞报警器，新的功能很多，是第六代产品，致力于高端轿车生产。与第五代汽车倒车防撞报警器相比，这代产品外观上更为美观，功能上不仅具有上一代产品的所有优点，还新增了配有播放功能的影音系统，可以更好地体验多媒体增添的愉悦。
1.3 存在的问题
(1)预警时间不足
现有的汽车倒车防撞报警器的最大检测射程是障碍物在2.5米之内，人0.6-1.2米之间。实验中，一些司机习惯初始反向速度3-12米/时，即0.83-3.3米/秒。如果用平均1.5米/秒计算，需要用1.67秒汽车倒车防撞报警器发现目标障碍物，行人则需要0.4-0.8 秒。因此，从发现障碍物到驾驶员停车之间的时间明显太过紧张，极容易因为停车不及时造成或多或少的伤害。
(2)反映速度迟钝
大部分的成品汽车倒车防撞报警器的显示速度,因为考虑到抗干扰等因素,显示器上提示更新的速度大概为0.3秒左右，如此得出结论便为如果从探头发现障碍物到显示器发出提示需要3秒，汽车却已经行驶0.45秒，报警器的反应速度尺度又将加大驾驶员的压力。
(3)探测盲区问题
基于超声波的汽车倒车防撞报警器的传感器为2或3个，单一传感器检测角约60-70°，这样就会造成2-3盲点，增加传感器的数量不仅增加成本，而且提高报警器的故障率。此外，等效垂直探测角度与水平检测的角度太大，经常在粗糙的地面的错误，如果改为检测
角为30°传感器无误报警便会减少。但检测约30cm高路堤，则会造成翻转到后保险杠的问题。
2 超声波测距原理
2.1 测距方法的主要类型
汽车倒车防撞报警器的设计是基于车辆测距技术，现在已研发的并且已经熟练运用在汽车上的方法大致有以下几类：超声波测距、雷达测距、摄像系统测距、激光测距和应用于夜间的红外线测距等。
(1)超声波测距
超声波通常指的是机械波频率超过20 KHZ,具有很强的穿透性,低衰减、反射能力和其他特性,超声波测距仪器通常由发射机、接收机和信号处理装置三部分组成。当汽车倒车防撞报警器的测距模块开始工作时,超声波发射机不断发布一系列脉冲,并提供一个短脉冲测量逻辑电路。而当超声波接收机在接收到遇到障碍物的反射波后，便向测量逻辑电路反馈一个短脉冲。随即信号处理装置计算出发射和接收的信号脉冲的时间差，按照超声波在空气中的传播速度340m/s和信号处理装置记录的时间差t根据公式s=340t/2计算得到汽车与障碍物之间的距离。
(2)激光测距
激光测距系统是一种广泛应用于许多领域，基于光子雷达系统的装置，具有测量时间短，范围大，精度高的特点。我们常见的激光测距系统一般使用脉冲法和相位法两种测量方式。脉冲检测方法：激光测距仪测量物体的反射，接收的测距仪，激光测距仪和返回的记录时间。激光测距系统与被测障碍物之间的距离就是光速和往返时间差的乘积的二分之一。脉冲测距精度一般是+ / - 1米。此外，这种测距仪的测量范围一般为15米。相位激光测距仪是用无线电频谱的频率,振幅调制激光往返发射器与障碍物之间所产生的相位延迟,然后根据光的波长调制,转换相位延迟所代表的距离。这是确定激光往返时间和距离的间接方法。
(3)红外线测距
红外波长比可见光长,光肉眼是看不见的,具有明显热效应以及穿透云层和强大的能力。由于生活中的物体随时随地都会发出红外线，通过传输和反射红外接收对象的前方车辆仪表，根据强度和时间差不同波长的光信号，同时分析的对象，在前面的性能分析和汽车的距离。由于红外人眼感知不到，隐蔽性强，晚上也不干涉测距仪，广泛应用于军用车
辆的测距仪的种类。
(4)雷达测距
雷达测距仪的原理是利用发射无线电波的一个特定的目标，目标检测的无线电信号的反射，和时间延迟测量目标信号的收发距离。上世纪七十年代以来，人们开始利用雷达技术生产汽车自动防撞装置，即称为“汽车防撞雷达”。雷达能在雨，雪，雾等恶劣天气条件下，距离的影响，具有比上述技术更明显的优势。
2.2 选题使用的测距方法
本设计使用的超声波测距方法具有不同于其他测距方法的突出优势，基本概况为以下几点：
(1)超声波对光线、色彩不敏感,可以用来识别透明度高的玻璃类和漫反射性差的抛光体等。
(2)超声波对外界光线不敏感,可用于昏暗不明的场景，同时超声波对电磁场敏感度低，可用于强电磁干扰的环境中。
(3)超声波传感器内部构成简单，占用空间小，价格低廉，信号处理过程简单可靠,易于小型化和集成。
(4)在倒车过程中由于速度慢，和障碍物之间的距离很短，因此传感器的要求不是很高，所以我们使用原理简单，成本低，便于生产超声波测距。
2.3 超声波测距原理及实现
利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：
(1)相位检测法，相位检测的方法具有较高的精度，但探测范围有限；
(2)声幅检测，声幅检测方法是很容易受反射波的影响；
(3)渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。超声波在空气中的传播速度为v(随温度的变化而变化)，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即:s=v*t/2。
3 单片机的选择
3.1 AT89C51的简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh
Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该设备采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术,和行业标准的MCS - 51指令集和输出管脚兼容。由于多功能8位CPU和闪存在单一芯片,ATMEL 的AT89C51单片机的结合是一种有效的微控制器,对许多嵌入式控制系统提供了一个高灵活性和低价格的选择。
3.2 AT89C51的主要性能参数
与MCS-51兼容
4K字节编程闪存
寿命：1000写/擦循环
数据保留时间：10年
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功率闲置和电力损失
片内振荡器和时钟电路
4 系统工作原理
如图4.1所示,当汽车处于倒车档状态下时，系统启动驱动电路使超声波发送模块向车后发送40kHz的超声波信号，待信号接触障碍物返回后超声波接收模块接收信号通过放大比较之后再经AT89C51单片机反馈给系统触发显示模块和语音电路以数字显示和语音提示的方式告知驾驶员及时停车。
图4.1 系统工作原理框图
4.1 硬件部分设计
4.1.1 超声波发送模块
超声波发射器包括超声波产生超声发射电路和超声波控制电路两部分，发送和接收分离方法有两个优点：一是发送和接收信号不假频，接收探头接收纯反射信号；二是接收探头放置在适当的位置，可以避免超声波在各种表面反射造成的损失和干扰，提高系统的可靠性。
本设计综合考虑各方面因素，选择了最大探测距离6m，发射扩散角60度的超声波测距传感器TCT40-16T/R(T表示发射传感器，R表示接收传感器)。超声波探头可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流在100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无须驱动电路,但缺乏灵活性。
图4.2 超声波发送模块电路
本设计采用第一种方法产生超声波,电路设计如图4.2所示。
NE555时基电路振荡产生40kHz的超声波。
其振荡频率计算式为
f=1.43/((R 9+2·R 10)·C 5)
将R 10设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40kHz固有频率一致。为保证NE555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源。CNT为超声波发射控制信号，由单片机进行控制。
4.1.2 超声波接收模块
超声波接收器由超声波接收传感器,信号放大器电路和波形转换电路构成。超声波探
头和发射探测器必须使用相应的模式,关键是相同的频率,设计采用TCT40-16R,否则接待将无法产生共鸣和影响,甚至不能接受。由于探测器转换后的正弦波信号很弱,所以必须由放大电路放大。正弦波信号由单片机不能直接接收,必须进行波形转换。根据上面讨论的原则,单片机需要是第一个回波的时刻。接收电路设计可以用于接收电路,常见的电路可以用来实现,如图4.3所示。
图4.3 超声波接收模块电路
超声波在空气中传播，能量衰减与距离成正比,越近的距离信号越强,越远的距离信号越弱，范围通常在1mV～1V之间。当然,不同的接收传感器输出信号强度是不同的。
由于输入信号范围大，提出两个要求的放大器电路的增益：
一是放大增益要大,以适应小信号时的需要；
二是放大增益要能变化,以适应信号变化范围大的需要。
此外，由于输入信号是正弦波,从而放大电路必须设计成交流放大电路。为了减少负面的使用电源、放大器电路与单电源、信号放大和转换采用了通用运算放大器LM324,前三级放大器的设计,后一级设计的为比较器。LM324可双电源供电，也可以单电源供电，所以它可以满足使用要求。为了满足通信信号的需要，每个放大器采用阻容电路的电平转换，即C7在图3中，C21，C22和C24，10μF能力，实现单电源条件下交流信号的放大。交流信号的电容是短路的，所以前三级放大器的增益为10。距离相对较近,放大器增益能够输出足够的信号强度,第三层次可能信号饱和,但是很远,必须采用三级放大器。合理调整电位器R27,选择一个参考电压,可使测量更准确和稳定。
4.2 语音电路
语音报警是指当汽车倒车防撞报警器的探头检测到的距离小于所设定的安全值时,电
路系统会自动发出声音提醒驾驶,语音电路设计如图4.4所示。M3720闪光报警音响集成电路,或存储一种报警音效在芯片,可以直接驱动蜂鸣器的声音,或者通过一个外部放大器晶体管驱动扬声器,也可以驱动LED闪烁。该芯片各引脚功能为：5脚VDD;1脚VSS分别为电源输入端与负端,VDD电压3～3.5V;8脚X和1脚Y分别为芯片外接振荡电阻器;6脚TG为触发控制端,低电平触发有效;3脚BZ和2脚BB分别为报警音效输出端,可直接外接压电陶瓷蜂鸣器,如果驱动扬声器则由3脚BZ端引出;4脚L为闪灯输出端,可直接驱动LED发光。
图4.4 语音电路
4.3 软件部分设计
AT89C51单片机及其应用开发系统具有语言简洁、可移植性、表达能力强,可以结构化设计,可以直接控制计算机硬件,所生成的代码质量好,易于使用,和许多其他优势。软件采用模块化设计,包含主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序模块。根据系统的需求,系统软件应具有以下功能:
(1)对超声波发射以及接收传感器的工作状态进行控制。传感器探测距离时发射传感器还要依次轮流工作,这些功能需靠软件程序来实现。
(2)根据超声波速的温度，然后计算安全距离和报警距离倒车碰撞。安全距离就是设计时设的2米,根据超声波测距仪测定距离与设定的值比较。如果测量得到的距离处于1.5-2米时，报警器就会自动发出bi，bi，bi的声音;如若距离处于1.0-1.5米，则发出bi bi bi，bi bi bi的声音;如若处于1.0-1.5米则发出连续的bi的声音;当距离小于1米，则发出语音“危险”提示。
(3)通过测量超声波信号的往返车辆与障碍物之间的时间,计算得出最近的障碍物与车辆的距离。超声波从发射出来，碰到障碍物返回接收传感器的时间，需要通过软件定时记录。按时间计算出障碍物的距离。
图4.5 定时中断服务子程序
图4.6 外部中断服务子程序
软件设计的主要思路是预设的，发送，接收，显示，语音报警等功能为独立的模块，按键循环方式在主程序中，按下控制按钮时，在一定的时期内，软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块,在主程序中采用键控循环的方式,当按下控制键后,在一定周期内,实现各个模块,依次调用预置子程序、发射子程序、接收查询子程序,子程序,并分析了测量结果的处理,根据程序的内容和结果，决定是否显示呼叫声报警程序。当测量得到距离小于系统预置距离时，软件的声音报警系统被激活。主程序首先是对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。发射子程序调用超声波发出超声波脉冲前后,为了避免造成超声波从发射机到接收机之间直接传输直接波触发,需要延迟大约0.1 ms(超
声波测距仪将最小可探测距离),打开外部中断0接收返回的超声波信号。由于12 MHz的晶体振荡器使用，计数器每计一个数就是1秒，当主程序检测到接收成功的位置标记，在数字计数器使用以下公式即可得被测物体与测距仪之间的距离。
如果温度是20℃，声音的速度是344米/秒，那么：
172
2/)
/
?
(=
=
d10000
To
cm
c
t
其中,To为计数器T0的计算值。距离测量后的结果将在LED显示十进制BCD码约0.5秒，之后发送超声波脉冲重复测量过程。
4.4 调试与优化
超声波测距仪的调试制作相对简单，安装时，探头应保持平行于中心轴和在4 ~ 8cm 的两个换能器元件，没有特殊的要求。[12]如果超声波接收电路与金属外壳屏蔽，可以提高抗干扰能力。根据不同的要求,为了获得适当的接收灵敏度和抗干扰能力。测量范围的大小可以调整接收换能器和滤波电容C,为了获得适当的接收灵敏度和抗干扰能力。该系统的测量误差和重复性实验和分析调试后，我们不断优化系统以满足实际使用要求的测量。
5结论
本设计详细列举了汽车倒车防撞报警器的若干代演变历程，分析了报警器的研究背景及意义，比较提出了报警器存在的各类问题，同时分析了在超声波测距基础上研发的该类产品的原理和方法，结合了防撞报警的各种优点和改进的组件开发国内生产低的使用，在倒车过程中的障碍物的距离进行测量车尾，和声音显示，随着距离的不同发出不同程度的报警声，提醒驾驶员及时停车，降低不必要的伤亡和损失，具有很强的实用性。
参考文献
[1] 麦锦文．超声波技术在汽车防撞系统设计的应用[J]．装备制造技术，2010(6)：6．
[2] 涂晓星．汽车防撞报警器的设计[J]．中国新通信，2009，11(5)：4．
[3] 高美霞，柏建普．单片机控制的超声波测距仪汽车倒车系统的设计[J]．自动化技术与
应用，2011，30 (11)：4．
[4] 高月华．基于超声波汽车倒车雷达预警系统设计[J]．压电与声光，2011(3)：5．
[5] 谭广通．基于超声波的移动测距系统设计[J]．电子世界，2010(23)：6．
[6] 刘修文．实用电子电路设计制作[M]．北京：中国电力出版社，2011：56．
[7] 马岩．单片机的C语言应用程序设计[M]．北京：航空航天大学出版社，2012：86．
[8] 胡建恺．超声检测原理和方法[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2010：8．
[9] 赵海鸣，卜英勇，王纪婵等．一种高精度超声波测距方法的研究[J]．湖南科技大学学
报：自然科学版，2006，21(3)：35-38．
[10] 刘静波．基于AT89C2051的温度测控系统设计与分析[J]．现代电子技术，2008(1)：
121-123．
[11] 滕志军．基于超声波检测的倒车雷达设计[J]．今日电子，2006：9．
[12] 奠石镁．超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用[J]．电脑知识与技术学术交流，
2007(2)：7．
致谢
本论文是在商丘学院电子信息工程学院胡昆明老师的悉心指导下完成的。胡昆明老师作为一名优秀的，经验丰富的老教师，具有许多的实践经验。在整个论文选题、写作过程到论文完成，每一点进步与完善都包含老师的心血，老师的耐心指导和建议使我受益匪浅，在这里向胡昆明导师表示深深的感谢以及崇高的敬意。
其次感谢大学四年陪伴我的老师和同学们，正式由于他们的支持和帮助，我才能克服一个接一个的困难直至顺利的完成此次论文写作，是他们陪我走过人生中最难忘的四年。他们曾经给我的温暖与感动永生难忘，也是他们教我成长，让我学会更多做人的道理。
在此，我向大家表示最诚挚的谢意！