汽车倒车雷达系统的研究

南京林业大学 硕士学位论文

汽车倒车雷达系统的研究

姓名：吴琼

申请学位级别：硕士

专业：测试计量技术及仪器

指导教师：桂冰

20090601

摘 要

随着汽车持有量的不断增加，城市交通系统的负荷日益加重，导致汽车倒车 引起的交通事故也越来越多，这些事故常常给驾驶员带来很大的经济损失。因此， 研究高性能的汽车倒车雷达是非常必要的。本文在深入理解超声波测距基本原理 的基础上，根据实际倒车过程中驾驶员的具体需求设定了系统的性能指标，提出 了基于超声波测距的汽车倒车雷达系统的整体设计方案。 本文详细阐述了汽车倒车雷达系统的硬件和软件设计过程。硬件部分主要阐 述了基于５１内核结构的ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２单片机作为主控制器的汽车倒车雷达系 统的硬件电路的设计过程，并用Ｐｒｏｔｅｌ软件设计并制作了ＰＣＢ电路板。软件部分采用模块化设计思想，将系统的软件设计分为主程序、测温模块、超声波测距 模块、ＬＣＤ显示模块和语音报警模块等功能模块的程序设计，由主程序实现对 各分模块的调度管理。 最后，对系统的软硬件进行了实际调试。实验表明该系统在３０ｃｍ～３５０ｃｍ范 围内能实现准确测距，且具有ＬＣＤ实时显示倒车距离、车内外温度、障碍物方 位以及语音报警等功能。本系统具有集成度高、测量范围广、成本低等特点，能 满足驾驶员在实际倒车中的需求，达到了原设计要求，本课题的研究具有一定的 理论和实用价值。

关键词：倒车雷达；超声波测距；单片机；语音报警

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｓ ｔｈｅ ｌｏｏｆ ｕｒｂａｎ ｔｒａｆｆｉｃ ｓｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｇｇｒａｖａｔｅｄ ａｃｃｏｍａｄ ｌｙ ｐａｎｙｉｎｇ ｓｔｅｍ ｖｅｈｉｃｌｅ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅ ｔｒａｆｆｉｃ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｃａｃａｒ ｂｅｃａｍｅ ｍｏｕｓｅｄ ｂｙ ｂａｃｋｉｎｇ

ｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｏｆｔｅｎ ｂｒｏｕｇｈｔ ｔｈｅ ｇｒｅｌｏｓｓ ｔｏ ｄｒｉｖｅｒｓ．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｖｅａｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎ ｒｙ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｕｔｏｍｏｂａ ｃａｒ ｒａｄａｒ． ｉｌｅ ｂａｃｋ

ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｄｉｓｔａｎｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｉｎｃｉａｃｃｏｒｄｉｎｃ ｅ ｐｌｅ ａｎｄ ｇ ｔｏ

ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｄｒｉｖｅｂａｃｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂａａ

ｃｋ ｃａｒ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｗｈｏｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｄｅｓｉｇｗａｒｅ ｏｎ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｅ ｎ ｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｔｈｅ ＳＳＴ８９Ｅｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ５８ＲＤ２ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｗａｒ ｓ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐａｒｔ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａａ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ｂｅｅｎ ｂｕｉｌｄｓ ｉｎ ｄ． Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｄｕｌａｒ ｄｅｓｍｅｔｈｏｄ，ｓｉｇｎ

ｕｃｈ ａｓ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ，ＬＣＤ ｄｉｓｐｌａｙ ｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄ ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｗａｓ ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｌｌ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ａｔ ｌａｓｔ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ｗａｓ ａｃｃｕｒａｔｅ ｂｅ３０ｃｍ ａｎｄ ｔｗｅｅｎ ５０ｃｍ．Ｒｅａｌ?ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙｓ ｏｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｄｏｏｒ ａｎｄ ｏｕｔｄｏｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉＳ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ＬＣＤ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄａｌｓｏ ｖｏｉｃｅ ｐｒｏｍｐｔ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｈｅｎ ｄｉｓｃｈａｎｇｅｄ．Ｔｈａｒｅ ｓｅｖｅｒａｌ ａｄｄｉｔｉｏａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔａｎｃｅ ｅｒｅ ｎａｌ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂａａ ｃａｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｕａｓｃｋ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｒ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｗｉｄｅ ｍｅａｓｕｒｃｈ ｉｎｇ ｒａｎｇｅ，

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ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者（本人签名）：昊韬／伊舌月Ⅵ／日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版（中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等），允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在——－年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口／ （请在以上方框内打“￣／力） 学位论文作≥（本人签名）：

昊南

卵．年６月沙日 指导教师体人签引：一钏弓叮“月一

第三章，系统总体方案设计。本章给出了系统技术指标以及系统主要参数的 选取依据，并从理论上分析了探头个数和测距盲区的关系，最后给出了汽车倒车 雷达系统的整体设计方案，并对系统的总体方案进行了详细的阐述。 第四章，系统硬件设计。本章主要介绍了系统硬件结构设计，完成了单片机 外围电路、超声波发射和接收电路、温度补偿电路、ＬＣＤ显示电路以及语音报 警电路等硬件电路的设计，并利用Ｐｒｏｔｅｌ软件设计和制作了ＰＣＢ板。 第五章，系统软件设计。本章主要介绍了系统的软件设计，软件设计采用模 块化设计思想，分别介绍了主程序、测温子程序、超声波测距子程序、ＬＣＤ显 示子程序和语音报警子程序等模块的程序设计。 第六章，系统的仿真和调试。本章对整个系统的软硬件进行了调试，给出了 一些具体的测距结果，验证了系统的可行性，并给出了实验误差分析。 第七章，总结与展望。本章对本论文的研究工作作出了总结，并对论文下一 步的工作进行了展望。

本章小结 本章首先介绍了汽车倒车雷达的研究背景，简述了汽车倒车雷达的发展现 状，论证了使用汽车倒车雷达的必要性以及本课题的研究意义。最后介绍了课题 研究的内容，并给出了具体的论文章节安排。

第二章超声波理论基础 ２．１超声波技术 ２．１．１超声波简介 在弹性介质中传播的机械纵波，一般统称为声波。按线性声学的观点，对声 波产生的物理过程做如下定性描述：连续弹性媒质可以看作是由许多彼此紧密相 连的质点组成，当弹性媒质中的质点受到某种扰动时，此质点便产生偏离其平衡 位置的运动，这一点运动势必推动与其相邻质点也丌始运动。随后，由于媒质的 反弹作用，该质点及相邻质点又相继返回其平衡位置，但因质点的运动惯性，它 们又在相反方向产生上述过程。这样，媒质中质点相继在各自的平衡位置附近往 返运动，便将扰动以波的形式传播到周围更远的媒质中去，形成波动【６】。 频率在２０Ｈｚ～２０ＫＨｚ之间能为人耳听到的机械波称为声波；频率低于２０Ｈｚ 的机械波称为次声波；高于２０ＫＨｚ的机械波称为超声波；而高于１００ＭＨｚ的机 械波，则称之为特超声波。声波频率界限图如图２．１．１所示。

１０１

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Ｈｚ 图２．１．１声波频率界限图 通常声波有以下三种形式【．７】：纵波是质点的振动方向与波的传播方向一致的 波，它能在固体、液体和气体中传播；横波是质点振动方向垂直于振动方向的波， 它只能在固体中传播；表面波是质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播， 振幅随深度的增加而迅速衰减的波。 超声波之所以能够得到广泛应用，是因为超声波具有以下几个特性： （１）超声波为直线传播，绕射能力弱，反射能力强； （２）超声波在液体、固体中传播衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度 较慢； （３）超声波的频率越高，波束越窄，声波定向传播和反射能力也就越强，其 能量远远大于振幅相同的低频声波； （４）超声波通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式， 在一定距离内沿直线传播且具有良好的束射性和方向性； （５）超声波的辐射特性除了与其振动频率有关外，还与超声波传感器的辐射

６

面积有关。超声波传感器的辐射面积越大，超声波的波束角就越小。 ２．１．２超声波技术的发展

一般认为，关于超声波的研究最初起始于ｌ ８７６年Ｆ．Ｇａｌｔｏｎ的气哨实验【引， 当时Ｇａｌｔｏｎ哨在空气中产生的频率为３×ｌ ０４Ｈｚ，这是人类首次有效产生的高频声 波。 ２０世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效 应制成各种机电传感器。１ ９１ ７年，法国物理学家Ｐａｕｌ Ｌａｎｇｅｖｉｎ用天然压电石英 制成了夹心式超声换能器【９】，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经 济各部门中超声波应用的不断发展，又出现更大功率的超声波磁致伸缩传感器， 以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声传感器。 这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有高精度、无损、 非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、 电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外，超声波技术在材料

科学、医学、生物科学等领域中也占据着重要地位。 ２．１．３超声波的传播速度

超声波的传播速度，取决于介质的弹性模量及介质密度。由于气体和液体中 剪切模量为零，因而在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。气体的纵波声速 公式【１０】如式（２．１．１）所示。

炉√詈 Ｐ为介质密度。

亿¨， 又Ｅｈ理想气体状态方程，有ｐ：塑ＲＴ，代入式（２．１．１）可得超声波在理想气体中 式（２．１．１）中，Ｕ为超声波在空气中的传播速度；丫为气体热容比；Ｐ为压强；

。

的传播速度［１１】为： “＝辱

（２．１．２） 式（２．１．２）中，Ｕ为超声波在空气中的传播速度；丫为气体热容比；Ｒ为气体普 适常量；Ｔ为绝对温度；Ｍ为摩尔质量。由式（２．１．２）可知超声波在空气中传播的 速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响。在这些因素中，温度对超声波 传播速度的影响更大一些，因为环境温度的变化更为经常，所以我们一般会考虑 温度对超声波传播速度的影响。 在０。Ｃ的空气中，超声波速度Ｕｏ＝３３ １．４５ｍ／ｓ。对于任意温度下，有： ７

等＝层＝愿 所以，超声波速度与温度的关系可以用式（２．１．４）来表示：

＆∽， ㈦¨，

…。压磊 式（２．１．４）中，ｔ为气体的摄氏温度，Ｕｏ＝３３１．４５ｍ／ｓ。 实际中，如果温度变化不大，则可以认为声速基本不变，但如果要求测距精 度比较高，则需要通过温度补偿的方法对声速进行修正。温度补偿的方法有两种： ～种是使用温度传感器，实时的测出车外温度，根据式（２．１．４）来修正声速；另 一种是利用查表法进行温度补偿，常用的温度与对应的超声波速度关系表如表 ２．１．１所示。 表２．１．１超声波速度与温度关系表

Ｉ温度（℃）

．４０

．３０

．２０

．１ ０

Ｏ

１０

２０

３０

４０

５０ ３６１ ｌ声速（ｍ／副

３０７ ３ １３ ３ ｌ ９ ３２５ ３３２ ３３８ ３４４ ３４９ ３５５ ２．１．４超声波的衰减特性

超声波从超声波传感器发出后，在空气中传播，遇到障碍物反射后，再传回 超声波传感器，整个过程中，超声波会有很大的衰减。由于超声波的衰减，使超 声波的振幅随传播距离的变化而变化。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵 从指数衰减规律。 在理想介质中，描述简谐声波向Ｘ正方向传播的波动方程【１２】可表示为： Ａ＝Ａ（ｘ）ｃｏｓ（ａ，ｔ＋ｋｘ） （２．１．５）

ａ（ｘ）＝Ａｏｅ喘

（２，１．６）

尼：＿２７ｒ

／Ｌ

（２．１．７）

式中，Ａ（ｘ）表示振幅；Ａｏ是振动初始条件决定的常数；∞，ｔ分别表示角频 率和传播时间；Ｘ为传播距离；ｎ为衰减系数；ｋ为角波数；九为波长。 由式（２．１．６）可见，超声波在传播过程中，其振幅Ａ（ｘ）将随距离Ｘ的增加而呈 指数形式衰减。衰减系数ａ与声波频率及传播介质的关系为： 口＝ａｆ２

（２．１．８）

式（２．１．８）中，ａ为空气介质常数；ｆ是声波的振动频率。例如，当超声波的振 动频率为４０ＫＨｚ时，可得口＝３．２×１０。Ｊ２／ｃｍ，则有１／ＩＸ＝３ｌｍ，其物理意义是：超 声波在空气介质中传播，能量被吸收损耗，当声波的传播距离等于１／Ｑ时，声波 振幅将衰减为原来的ｌ／ｅ。显然，声波频率愈高，声能被吸收衰减也愈大，声波

的传播距离就愈小；反之，声波频率愈低，声能的吸收衰减也愈小，声波的传播

距离就愈大。 ２．１．５超声波的一些基本参数 １．声压 垂直作用于单位面积上的压力称为声压。当介质中有超声波传播时，介质质 点的振动使得介质中压强交替变化。声压就是超声场中某一点在某一瞬间所具有 的压强ＰＩ与没有超声波存在时同一点的静念压强Ｐｏ之差，用Ｐ表示，单位是帕 斯卡。超声场中某一点的声压可以用式（２．１．９）表示：

Ｐ＝片一ｅｏ＝ｐｕＡｃｏｓｉｎ［ｃｏ（ｔ一三）】 “

（２．１．９） 其中，ｐ为介质密度，ｕ为超声波在介质中的传播速度，Ａ为介质质点的振 幅，ＣＯ为介质质点的角频率，Ｘ为该点与波源的距离。又因ｏＤ＝２ｎｆ，所以，超声 场中某一点的声压与超声波的频率成正比。 ２．声强 声强是指声波传播的能流密度，即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位 面积的声音能量【１３】，用Ｉ表示。超声波在介质中传播时，若单位时间内传递的能 量越多，则声强就越大。平均声强Ｉ的计算公式如式（２．１．１ ０）所示。 ，：一彳Ｐ：—／ｇｕＡ２—２０２ ３．声场

（２．１．１０） 声波为一点源时，声波从声源向四面八方辐射，如果声源（探头）的尺寸比 波长大时，则声波从声源集中成一波束，以某一角度扩散出去，在声源（探头） 的中心轴线上声压和声强最大，偏离中心轴线一角度时，声压减小，形成声波的 主瓣（主波束），离声源近处声压交替出现最大与最小值点，形成声波的副瓣。 Ｐ＝Ｏ时的扩散角０称为声波的半扩散角，根据声源形状的不同，声波半扩散 角【１３】的表达式也不同。声源为圆板形时的半扩散角如式（２．１．１ １）所示。 ，】ｓｉｎ０＝Ｋ竺＝１．２２兰 Ｄ Ｄ （２．１．１１） 式（２．１．１ １）中，０为半扩散角，九为声波在介质中的波长，Ｄ为声源直径，Ｋ 为常数。Ｋ值取决于对扩散角的限制，一般取波束边缘声压为零时的Ｋ值，即 Ｋ＝１．２２。 ４．声阻抗 超声波在介质中传播时任何一点的声压与该质点振动速度之比称为声阻抗。 声阻抗越大，质点的振动速度就越小，声阻抗为传播介质的密度与声速之积【１４】。 声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量，超声波在两种介质组成的界面上的反 射和透射与这两种介质的声阻抗密切相关。 ９

２．２超声波传感器 ２．２．１超声波传感器工作原理 要利用超声波进行测距，首先要研究超声波传感器的工作原理【１５¨１７】。超声 波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器，它是一种将其它形式的能转 变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其它形式的能的器件，又称 超声换能器或超声波探头。总体上讲，超声波传感器可以分为两大类：一类是使 用电气方式产生超声波；另一类是使用机械方式产生超声波。电气方式包括压电 型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋等。传统的超 声波传感器使用的是扬声器之类的动圈式转换器、电容式麦克风之类的可变电容 式转换器或者磁滞伸缩器件，目前常用的超声波传感器为压电式超声波传感器， 其示意图如图２．２．１所示。

Ａ Ｂ 图２．２．１双压电振子不意图 压电式超声波传感器一般采用双压电陶瓷芯片制成，需用的压电材料较少， 价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。它是利用压电材料的正、逆压电效应 来工作的。压电材料受力产生电荷，称为正压电效应；反之，对压电材料施加电 场，压电材料就会产生机械变形和机械应力，这种现象称为逆压电效应。当外加 电场是交变信号时，可在压电材料中激发出各种形式的弹性波。当交变电场的频 率与压电材料的机械谐振频率一致时，压电材料便处于机械谐振状态而成为压电 振子。在压电陶瓷片加有大小和方向不断变化的交流电压时，据压电效应，就会 使压电陶瓷芯片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小 和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷芯片上加有频率为ｆ０的电压脉冲，芯 片就会产生同频率的机械振动。这种振动在介质中的传播，便会产生超声波。反 之，如在压电陶瓷芯片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形 使压电陶瓷芯片产生频率与超声波相同的电信号【１８】。 当在Ａ、Ｂ间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下片 的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷芯片有一个固有 的谐振频率，即中心频率ｆｏ。发射超声波时，加在超声波传感器上面的交变电压 频率与它的固有谐振频率一致时其振幅最大；接收超声波时，作用在它上面的超

ｌＯ

声波的频率与它的固有谐振频率一致时输出信号最强。这样，超声波传感器才有 较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷芯片的几何尺寸，就可以

非常方便地改变其固有谐振频率【１ ９１。

２．２．２超声波传感器的结构

超声波传感器由压电陶瓷芯片、锥形谐振板、底座、端子、金属外壳及金属 网构成。其中，压电陶瓷芯片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波 的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属外壳可防止外界力量对压电陶瓷 芯片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声 波。对这种超声波传感器辐射超声波，压电振子就会振动，从而产生电压；如果 反过来，对压电振子施加电压，它就会产生超声波。超声波传感器结构图如图 ２．２．２所示。 Ｏ

屏蔽 减震环 锥形谐振板 双压电晶片振子

甲 厂１ ?７～ｃ

支点 外壳 年１一Ｐ

６ 上一。

十ａ?。 ｌ——ｌ ５■

Ｄ

图２．２．２超声波传感器结构图 图２．２．３超声波传感器的等效电路 ２．２．３超声波传感器的等效电路 超声波传感器的等效电路如图２．２．３所示。由图２．２．３可以看出，超声波传感 器可以等效为一个ＲＬＣ的串并联电路（谐振电路）。超声波传感器有两个谐振频 率，其中频率较低的一个谐振频率叫做串联谐振频率￡，频率较高的那个谐振频 率叫做反谐振频率厶。０是Ｒ、Ｌ、Ｃ组成的串联电路的谐振频率，超声波传感 器在串联谐振频率时的阻抗最小。厶是Ｃｌ、Ｌ、Ｃ组成的并联电路的谐振频率， 超声波传感器在并联谐振频率时的阻抗最大。发射用的超声波传感器在串联谐振 频率具有最高灵敏度；接收用的超声波传感器在并联谐振频率具有最高灵敏度

【２０１。 ２．２．４超声波传感器的主要性能指标 根据倒车雷达在实际工作时所处的恶劣环境的要求，本系统选用具有双向的 发射／接收功能的防水型收发一体式超声波传感器ＴＣＦ４０．２５ＴＲ［２１１。ＴＣＦ４０．２５ＴＲ ｌｌ

超声波传感器的主要性能指标如下： （１）中心频率４０＋１ＫＨｚ； （２）发射声压ａｔ ｌＯＶ（ＯｄＢ＝Ｏ．０２ｍＰａ）：芝１００ｄＢ； （３）接收灵敏度ａｔ ４０ＫＨｚ（ＯｄＢ＝Ｖ／Ｐａ）：芝．５５ｄＢ； （４）静电容量ａｔ １ＫＨｚ，＜ｌＶ（ＰＦ）：２０００士２０％； （５）余振时间小于等于１．２ｍｓ； （６）波束角度特性如图２．２．４所示。 Ｏ。

一０ｄ．１０ｄＢ一２０ｄＢ．∞曲 Ｂ

－３０ｄＢ?２０ｄＢ－１０ｄＢ

０ｄＢ 、

图２．２．４ ＴＣＦ４０．２５ＴＲ超声波传感器的角度特性 ２．３超声波测距基本原理 采用超声波传感器进行距离测量的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检 测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值 检测法易受反射波的影响；应用最多的则是Ｐｅｌｌａｍ和Ｇａｉｔ于１９４６年提出的脉冲 回波法【２２￣２４１，其原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量超声波从 发射到遇到障碍物反射回来这个过程的时间差。测得的时间差和声速相乘就可以 得到超声波往返过程中走过的路程，所测距离Ｓ为声波传输距离的一半：

Ｓ：ｕ＿Ａ ２

（２．３．１） 式中，Ｓ为超声波发射点与被测障碍物之间的距离，Ｕ为声波在介质中的传 输速率，ｔ，为超声波发射到超声波返回的时问问隔。 采用单片机脉冲计数的方法，可精确测出ｔｌ的值。假设单片机的机器周期为 Ｔ Ｓｔ，则有ｆｌ＝Ｎ×％，则测得的距离为：

（２．３．２） Ｓ：一ｕｔ２，：—ｕＮ—Ｔ２移ｔ 本章小结 本章介绍了超声波的特性，对超声波的波动和衰减以及温度和超声波速度之 １２

间的关系进行了分析。同时详细阐述了超声波传感器的工作原理、结构、等效电 路及性能指标等。最后对超声波基本测距原理一脉冲回波法进行了描述，给出了 具体的超声波测距公式。

第三章系统总体方案设计 前一章主要介绍了有关超声波测距的理论知识，本章在此基础上，根据系统 的技术指标，提出了系统的总体设计方案，并对系统的一些主要参数进行了讨论，

最后对系统具体的软硬件设计方案进行了介绍。 ３．１系统主要技术指标 本系统的主要技术指标如下： （１）测距范围：３０ｃｍ～３５０ｃｍ； （２）距离显示分辨率：０．１ ｃｍ； （３）温度显示分辨率：０．１℃； （４）测距误差：小于５％； （５）ＬＣＤ实时显示倒车距离、车内外温度以及障碍物的方位； （６）真人语音报警功能： （７）电源：１ ２Ｖ直流。

３．２系统主要参数的选取 ３．２．１超声波传感器类型的选取

超声波传感器是超声波测距电路中的重要部件，其性能优劣直接影响到测距 准确度和可靠性。超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收独立的 分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘、防水性 能；另一类是具有双向的发射／接收功能的收发一体式超声波传感器，不仅可以 发射超声波，也可以接收超声波，此类超声波测距有效范围相对较小，防尘、防 水性能好。收发一体式超声波传感器采用自发自收的工作方式，因发射接收在同 一位置，所以距离计算公式简单。收发一体式超声波传感器相比收发独立的超声 波传感器可以节约空间且收发一体式超声波传感器多为防水型的超声波传感器。 根据倒车雷达在实际工作时所处的恶劣环境的要求，本系统选用收发一体式超声 波传感器。 但收发一体式超声波传感器相对分体式超声波传感器的一些缺点我们也要 考虑。比如接收回波信号的灵敏度很低，测距范围不如分体式超声波传感器大。 由于超声波信号发射结束后还存在一定的余振，为避免余振的影响，必须在发射 超声波后延时一段时间再接收，所以收发一体式超声波传感器的测距盲区相对较

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大。 ３．２．２超声波传感器中心频率的选取 超声波传感器的中心频率是倒车雷达系统的主要技术参数，因为它直接影响 超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定超声波传感 器的尺寸。由式（２．１．８）可知，空气中超声波的衰减系数与频率的平方成正比，所 以空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波的中心频率。 超声波传感器中心频率的选取主要基于以下几点考虑： （１）如果测距范围较大，则超声波在空气中传播时的损失就相对增加，由于 介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降 低超声波传感器的中心频率。 （２）中心频率越高，传感器的方向性越尖锐，分辨率越高。因此从测量复杂 障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 （３）从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装 就越困难。

综合以上几点考虑，本系统选择中心频率为４０ＫＨｚ的超声波传感器。 ３．２．３发射脉冲串个数的选取 超声波传感器发射脉冲串的个数影响测距盲区，也影响测距精度，同时还与 信号的发射能量有关。减少一次发射脉冲串的个数，可以提高测距精度，减小测 距盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。根据实际经验，过宽的脉 冲宽度会增加测量盲区，对接收回波电路的设计造成了一定的困难。权衡接收回 波信号幅度和测距盲区这两点，且经过多次实验发射脉冲串个数对系统的影响， 确定了本系统选取一次发射８个脉冲串。

３．２．４超声波传感器指向角的选取 传感器的指向角是声速半功率点的夹角【２ ５１，是影响测距的一个重要技术参 数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长九，传 有 空间分辨率越高，则要求传感器半径ｒ越大。本系统选用的超声波传感器的指向 角０＝３００，一方面可以保证测距的空间分辨率，另一方面可以有效减少多路超声 波信号间的串扰。感器的半径ｒ有关，由（２７ｃ／九）×ｒ×ｓｉｎ（０／２）＝１．６ｌ ５可知，当ｆ＝４０ＫＨｚ时，Ｌ＝Ｃ／ｆ＝８．５ｍｍ，当ｆ选定后，指向角０近似与传感器半径成反比，指向角０越小，

３．２．５超声波传感器数目的选取 一路超声波传感器所能覆盖的范围是很有限的，若倒车雷达系统只采用一路 超声波传感器，测距盲区必然很大，所以，只采用一路超声波传感器进行测距的 方案是不可行的。 若倒车雷达系统采用两路超声波传感器同时工作，测距盲区示意图如图 ３．２．１所示，图３．２．１中阴影部分为盲区。可见，两路超声波传感器相对一路超声 波传感器而言，盲区范围减小，但也不能有效覆盖车后范围。

ＮＬ二≤、 图３．２．１两路超声波传感器的测距盲区示意图 若倒车雷达系统采用三路超声波传感器同时工作，测距盲区示意图如图 ３．２．２所示，可见，三路超声波传感器的盲区进一步减小，有效覆盖面积越来越 大。

图３．２．２三路超声波传感器的测距盲区示意图 若倒车雷达系统采用四路超声波传感器同时工作，测距盲区示意图如图 ３．２．３所示，可见，四路超声波传感器同时测距，测距盲区比采用三路超声波传 感器时更小，而有效覆盖面积更大。

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图３．２．３四路超声波传感器的测距盲区示意图 综合比较以上几种情况可知：超声波传感器路数越多，车后有效覆盖面积越 大，则测距盲区范围越小。但是，如果超声波传感器的个数过多，各路传感器间 的串扰影响较大，影响测距精度，且成本相应增高。权衡这两点，本系统采用四

路超声波传感器同时测距以保证测距盲区较小，且测距可靠性较高。 ３．３系统总体结构框图 本系统采用脉冲回波法进行超声波测距，采用ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２单片机作为系 统的控制和运算核心来协调各部分电路的工作。系统主要由单片机控制电路、超 声波发射和接收电路、温度补偿电路、ＬＣＤ显示电路以及语音报警电路等几部 分组成。系统的总体结构框图如图３．３．１所示。 单片机ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２控制四路超声波电路同时发射超声波脉冲串并同时开 始计时，超声波信号在空气中传播遇到障碍物后发生发射，四路反射的回波信号 经过处理后分别输入到单片机ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２的四个中断口，当接收到超声波回 波信号时，单片机产生中断，停止计时。根据单片机计时得到的时间差即可得到 超声波信号往返所需要的时间，从而达到测距的目的。超声波探头选用 ＴＣＦ４０．２５ＴＲｌ型收发一体式超声波传感器，谐振频率为４０ＫＨｚ；超声波发射与 接收电路采用ＬＭｌ ８１２专业集成电路；温度补偿电路采用单线制数字温度传感器 ＤＳｌ ８８２０，实现车内外温度的测量；采用金鹏电子公司的ＯＣＭＪｌ２８６４液晶显示

模块进行ＬＣＤ显示电路的设计；采用语音芯片ＩＳＤ４００４来设计语音报警电路。

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案方计设体总统．３ 硬件设计及软件设计两部分。硬件系统主要由单片机控制电路、超 组成 机控制电路。选择ＳＳＴ公司的ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２为主控制器，它是一 在（ＰＳＩ和）程编可用应在（ＰＡｌ有带，源资部内的富丰有，片芯的高较性款

ｌ嵌 字节量的内部数据Ｒ能 和程统系

目的 波射和接收电路。选择ＬＭｌ 发

８ 彤 ｙ ｙ １超波集成电路，不仅外围元件Ｗ 接收电路２冷 波声

Ｋ内，ＺＨＭ０４～０在作工可， ＡＭ功） 源

较少，电路简单，而且有更好的稳定性及可靠性。 ３、温度补偿电路。选择单线制数字温度传感器ＤＳｌ ８８２０，利用声速和温度 之间的关系对声速进行修正，从而消除温度对声速的影响。另外，采用两个 ＤＳ１８８２０同时挂接在单片机的一个Ｉ／Ｏ口进行车内外温度的测量。 ４、ＬＣＤ显示电路。本系统显示电路采用金鹏电子公司的ＯＣＭＪｌ ２８６４液晶 显示模块，此液晶模块内含字库，能非常方便的显示汉字。 ５、语音报警电路。采用语音芯片ＩＳＤ４００４，可实现汽车倒车过程中的真人 语音报警功能。 系统应用软件由Ｃ５ ｌ语言编写，程序采用模块化设计思想，可对各子程序 分别进行设计和调试，然后将调试好的子程序块链接起来进行统调。系统软件模 块划分为测温模块、超声波测距模块、ＬＣＤ显示模块和语音报警模块等几大功 能模块。系统的主控制器ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２单片机实现如下基本功能： ｌ、控制超声波的收发。将ＬＭｌ ８ｌ ２的８脚与单片机某个Ｉ／０口连接，通过 控制Ｉ／Ｏ口的高低电平来控制四路超声波传感器的收发状态转换。 ２、测得车外温度进行温度补偿，并实时显示车内温度。两个温度传感器挂 接在单片机的一个Ｉ／０口线上，通过程序读出它们唯一的编码来实现多点测温。 ３、实时的ＬＣＤ显示。显示内容包括倒车距离、车外温度、车内温度和障碍 物方位指示四部分，分四行显示。 ４、语音报警功能。语音模块实现了分段录放功能，若想改变语音报警内容，

只需重新录音即可。 本章小结 本章主要介绍了汽车倒车雷达系统的整体设计方案，并给出了系统技术指 标，同时讨论了系统主要参数的选取考虑。硬件部分主要包括单片机控制电路、 超声波发射和接收电路、温度补偿电路、ＬＣＤ显示电路及语音报警电路等五部 分，软件部分主要包括测温模块、超声波测距模块、ＬＣＤ显示模块和语音报警 模块等几大功能模块。

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第四章系统硬件设计 前一章主要介绍了汽车倒车雷达系统的整体设计方案，这一章的主要内容是 具体分析系统的硬件实现。整个系统以ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２单片机为核心［２５】￣【２９１，控 制超声波传感器的收发，将测得的距离通过ＬＣＤ进行显示，同时根据倒车距离 段的不同进行分段语音报警。硬件实现分五部分来阐述：１、以ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２ 单片机为核心的主控系统电路。２、超声波发射和接收电路。３、温度补偿电路。 ４、ＬＣＤ显示电路。５、语音报警电路。

４．１ ＳＳＴ８９ Ｅ５８ＲＤ２单片机主控系统电路设计 ＲＤ２单片机简介 ４．１．１ Ｓ ＳＴ８ ９ Ｅ ５ ８ 本系统采用的微控制器为ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２单片机。ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２是ＳＳＴ公 司出产的一款基于５ １内核结构的单片机，与其它兼容的８０５ １系列（ＭＣＳ．５１） 单片机相比，ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２具备低ＥＭＩ（ＥｌＭａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｅｃｔｒｏ 电磁干 扰）模式，抗干扰能力和可靠性更高等特点，且具有较丰富的内部资源。 ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２的内部结构框图如图４．１．１所示。

图４．１．１ ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２的内部结构框图

ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２提供了ＳＰＩ串行接口，与兼容ＳＰＩ接口的芯片连接更加方便。 该单片机带有ｌＡＰ（在应用可编程）和ＩＳＰ（在系统可编程）功能，不占用用户资源，通过串行口即可实现在线仿真和编程【３０】￣【３ ３１。ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２单片机内部 有两块ＦＬＡＳＨ存储器，它的全部程序地址空间限制为６４Ｋｂｙｔｅ，ＳＦＣＦ［１：ｏ］ｇｌ来 控制程序区的选择。ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２程序空问配置【３４１如图４．１．２所示。

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Ｅ０００Ｈ ｌ ｌ Ｉ ｌ图４．１．２ ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２的程序空Ｉ司配置 ＳＳＴ８９Ｅ５８ＲＤ２单片机的特性如下： （１）兼容８０Ｃ５１系列，内置超级ＦＬＡＳＨ存储器的单片机； （２）５Ｖ的工作电压，操作频率为Ｏ～４０ＭＨｚ； （３）与现行的８０Ｃ５２列单片机硬件ＰＩＮ．ＴＯ。ＰＩＮ完全兼容，软件、开发工具 也完全兼容； （４）１Ｋ＊８的内部ＲＡＭ（２５６Ｂｙｔｅｓ＋７６８Ｂｙｔｅｓ，可放心使用Ｃ语言编程）； （５）３２Ｋ＇８的基本存储块和８Ｋ＇８的二级存储块（扇区大小为１２８字节），具 有极强的抗干扰性）６４ｋＢ的片内ＦＬＡＳＨ程序存储器，具有ＩＳＰ（在系统编程）和 ＩＡＰ（在应用中编程）功能； （６）通过软件或ＩＳＰ选择支持１２时钟（默认）或６时钟模式； （７）ＳＰＩ（串行外围接口）和增强型ＵＡＲＴ； （８）ＰＣＡ（可编程计数器阵列），具有ＰＷＭ和捕获／比较功能； （９）４个８位Ｉ／Ｏ口（Ｐ０～ｖ３），１个４位Ｉ／Ｏ口（Ｐ４）； （

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个脉冲调制检测器及噪音抑制电路。ＬＭｌ ８１ ２的内部原理框图如图４．２．１所示。

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图４．２．１ ＬＭｌ８１２内部原理框图

ＬＭｌ ８１ ２的封装形式为ＤＩＰ．１ ８，其引脚定义及外围元器件功能见表４．２．１。

表４．２．１ ＬＭｌ８１２的引脚定义及外围元器件功能

ＬＭｌ８ １２具有如下特点： （１）可以使用一个收发一体式的超声波传感器工作，也可使用两个独立的超 声波传感器分别发送和接收； （２）器件具有互换性； （３）在电路中使用时不用外接晶体管驱动； （４）使用时不用外接散热器； （５）器件内部具有保护电路； （６）检测器输出可驱动１ Ａ的峰值负载； （７）检测范围在水中超过３０ｍ，在空气中测距超过６ｍ。 （８）发送功率可达ｌ ２Ｗ（峰值）。 ４．２．２ ＬＭｌ ８ １

２的１脚外接ＬＩ、Ｃｌ，ＬＩ、Ｃｌ决定了超声波电路发射或接收的工作频 率，其工作频率为： ＬＭｌ ８ｌ

２的工作原理

ｆｏ＝１／（２万厄百）

（４．２．１）

改变电感ＬＩ，电容Ｃｌ的值可以改变振荡频率（本系统中ｆｏ为４０ＫＨｚ），最 高可达３２５ＫＨｚ。 图４．２．２ ＬＭｌ８１２的工作原理图

当８脚为高电平时，Ｌ２处于发送模式，Ｌ１．Ｃｌ振荡回路产生的振荡信 Ｍｌ 号经驱动放大后，由ｌ ３脚及６脚输出；当８脚为低电平时，ＬＭｌ ８１ ２处于接收 模式，超声波接收器接收到的超声波信号经电容耦合由４脚输入，再经内部两级 放大后同由１脚谐振回路取出的信号～起送到检测器。但由于此时噪声脉冲也同 样被检测，所以要通过ｌ ７脚外接Ｒ６、Ｃ８进行滤波。电阻Ｒ６和电容Ｃ８的时间

常 数一般为发送时问的１ Ｏ％～５０％，再经过积分延时，ｌ ６脚和１４脚变成低电平。 当ｌ脚上的电压变的小到不能触发检测器（小于１．４Ｖ）时，积分器经延时后复 位，典型延时为１～１ ０个发送频率周期。当８ｌ２处于发送模式时，第二级放 ＬＭｌ 大器自动断开；当切换回接收模式时，第二级放大器并不马上接通，而是在由９ 脚外接电容引起一段延时后再接通。这个延时使接收器暂时封闭（检测器也同时 封闭），这样就为超声波发生器停止振荡提供了时间。９脚外接电容Ｃ；的大小与 延时有关，Ｃ５＝０．１¨Ｆ时，延时时问约为１ ｍｓ；Ｃ５＝ｌ¨Ｆ时，延时时间约为１ Ｏｍｓ。 ＬＭｌ ８ｌ ２的第１ ６脚提供与ＣＯＭＳ兼容的逻辑输出，１４脚为集电极开路输出，１４ 脚的吸收电流超过１ Ａ时，在多重回波接收情况下就可能使芯片损坏。１１脚被设 计为保护１４脚的功率输出端。当电容Ｃ６上电压达０．７Ｖ时，第二级放大器关闭。 接收器关闭的同时，１４脚也关闭。在另一次延时后，Ｃ６放电，接收器再一次打 开并工作。若将１ １脚接地，则电路处于无保护工作模式。ＬＭｌ ２的工作原理

图如图４．２．２所示。 ４．２．３超声波发射电路设计

第三章已经讨论过本系统的超声波发射电路一次需要发射几个脉冲串的问 题，现在我们来具体讨论下为何要选择发射脉冲串的问题。首先，若一次只发射 一个超声波脉冲信号，则在媒质中传过较远距离后，接收波已经相当微弱，可能 根本接收不到回波信号；而发射脉冲串则使脉冲的总能量较大，虽然接收波的第 一周期可能已经减弱到相当小，但是由于迭加的结果，从第二或第三周期起有一 段振幅较大的等幅部分，这样就可以很好的检测到回波信号了。其次，若使用连 续发射超声波脉冲的方式，对于收发一体式传感器而言，超声波接收部分就不能 顺利工作，故不能选择连续发射超声波脉冲的工作方式。另外，发射的超声波脉 冲串是同一频率的等幅振荡，频谱较纯，测得的数据可以认为是某一频率的数据。 本系统选取一次发射８个脉冲串来设计超声波发射电路。 超声波发射器电路由一个振荡器，一个１ ｐＳ的单脉冲发生器和一个功率放大 器。如图４．２．３所示。

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