大學生科技創新專案
汽車倒車自動防撞裝置設計開發
研究報告
參加學生：鄒凱李紀友張靜輝
指導教師：潘福全，張麗霞
青島理工大學汽車與交通學院
2023年12月
摘要隨著我國社會經濟的發展，汽車保有量大幅增加。城市交通擁擠狀況也日趨嚴重，撞車事件屢屢發生，造成了重大的人身**和經濟損失。針對這種情況，設計一種響應快，可靠性高且較為經濟的汽車防撞預警系統勢在必行。
超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，本研究就是利用超聲波測距法設計開發的一種汽車倒車防撞報警裝置。
本研究的內容是基於at89s51微控制器倒車防撞裝置的設計，主要是利用超聲波的特點和優勢，將超聲波測距系統和at89s51微控制器結合於一體，設計出一種基於at89s51微控制器的倒車防撞報警裝置。該系統採用軟、硬體結合的方法，具有模組化和實用化的特點。
本報告概述了超聲波檢測的發展及基本原理，闡述了超聲波感測器的原理及特性。對於系統的一些主要引數進行了討論，並且在介紹超聲波測距系統功能的基礎上，提出了系統的總體構成。設計了超聲波發射接收電路，並對系統各個設計單元的原理進行了介紹。
對組成各系統電路的晶元進行了介紹，並闡述了它們的工作原理。介紹了系統的軟體結構，通過程式設計來實現系統功能。
最後簡單介紹該大學生創新專案的研究情況，以及有關建議。
第1章緒論
隨著中國經濟的持續增長和汽車**的持續下降，越來越多的家庭擁有自己的汽車。在享受汽車給我們帶來的便利的同時，由於倒車而產生的問題也日益突出。在2023年汽車事故的發生比例中，倒車引起的事故佔21%，倒車成為令人們頭痛的一項任務，即使是經驗豐富的司機也在抱怨倒車是件費力費神的事。
公路、街道、停車場、車庫的擁擠不堪，車輛之間、車輛與人、車輛與牆壁等障礙物之間的碰撞時有發生，針對這一情況，人們對汽車操縱的便捷性提出了更高的要求，希望有種裝置能夠解決汽車倒車給人們帶來的不便，消除駕駛中的不安全因素，可將車快速準確地停放到指定的位置。倒車防撞裝置是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置，由超聲波感測器(俗稱探頭)、控制器和顯示器(或蜂鳴器)等部分組成。它能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和啟動車輛時前後左右探視所引起的困擾，並幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。
針對這種情況，設計一種響應快，可靠性高且較為經濟的汽車防撞報警系統勢在必行，超聲波測距法是常見的一種距離測距方法，應用於汽車停車的前後左右防撞的近距離，低速狀況，以及在汽車倒車防撞報警裝置中，超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性——折射，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當車輛後退時，超聲波距離感測器利用超聲波檢測車輛後方的障礙物位置，並利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛人員，起到安全的作用。
1.1超聲波檢測技術發展綜述
超聲的研究和發展，與媒質中超聲的產生和接收的研究密切相關。2023年galton首次製成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產生超聲。此後又出現了各種形式的汽笛和液哨等機械型超聲換能器。
由於這類換能器成本低，所以經過不斷改進，至今仍廣泛地用於超聲處理技術中。
20世紀初，電子學的發展使人們能利用某些材料的壓電效應和磁致伸縮效應製成各種機電換能器。材料科學的發展，使得應用廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發展到機電耦合係數高、**低廉、性良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導體以及塑料壓電薄膜(pvdf)等。產生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。
產生和接收的波型也由單純的縱波擴大為橫波、扭轉波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用於雷達、電子通訊和成像技術等方面。
利用超聲波作為定位技術是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防禦及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發射不被人們聽到的超聲波(20khz以上的機械波)，。由於超聲波的速度相對於光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，並且易於定向發射，方向性好，強度好控制，因而人類採用**技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數、光電開關相結合來實現非接觸式距離測量的方法。
它在很多距離探測應用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機械人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。超聲波方法在某些方面具有突出的優點：(1)超聲波對色彩、光照度不敏感，可用於識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；(2)對外界光線和電磁場不敏感，可用於黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環境中；(3)超聲波感測器結構簡單，體積小，費用低，資訊處理簡單可靠，易於小型化和整合化。
因此超聲檢測法己越來越引起人們的重視，被廣泛應用在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面。特別是在空氣測距中，由於空氣中波速較慢，其回波訊號中包含的沿傳播方向上的結構資訊很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法高。
1.2倒車雷達的發展
20年前出現的倒車雷達，嚴格而言，不屬於雷達(無線電波)的產品。以最早出現的類似裝置來講，它是利用紅外線的發射與接收的原理而做出的「倒車雷達」。最大的缺點是紅外線波易受干擾，整個系統的警示音常呈現不穩定的亂鳴狀態，另外對深黑色粗糙表面物體的反應也較差。
但更糟糕的是，無論是紅外線發射器或接受器，只要任何一方讓一層薄薄的冰雪或泥塵覆蓋，系統就會失效。
最近在歐美又出現了一種電磁感應倒車雷達。在一線路套上一環型的感應圈(此線圈貼在後保險槓的內側，車外表完全看不出有此裝置)，以感應車後物體的有無。此種裝置**中等，並且完全隱密，算是一種好產品，但可惜的是，安裝困難(必須卸下保險槓貼在內側)，而且只能探測動態物品，當車在後退行進時，可探測到物體，但車一旦停止後退行進，則任何物體都不被認可。
換言之，如有任何物品貼在後保險槓，當車一旦停止再啟動後，此裝置並不會告知駕駛者後方有物品貼在保險槓，此車不能再後退等。因此，實用性也相當有限。
日本、美國和歐洲等國的大汽車公司都投入了相當的人力、物力，採用先進的公釐波雷達、ccd攝像機、gps和高檔微機等製成安全預警系統，使用在其所開發的高階汽車上[1]。據海外**報道，戴姆勒——克萊斯勒公司日前成功開發出供商用車(尤指卡車)使用的電子剎車系統，它與其他剎車系統的區別在於，其在卡車車頭設有雷達感應器，感應器在車前觀察四周環境，並將所有收集的資訊交由一控制器加工處理，形成一虛擬景象。之後再借助演演算法的輔助來判斷所發生狀況是否需要利用剎車。
未來兩三年內這種新型剎車系統即可量產上市，但**昂貴，目前定為3745歐元，其過高的成本限制了它應用的普遍性。
迄今為止，國內外許多學者均著眼於測距感測器的研究。短距離探測，雷射測距對外界自然環境敏感，微波雷達容易受電磁環境干擾，ccd攝像系統**較高。從目前來看，公釐波雷達測距方式和雷射雷達測距方式是汽車避撞應用最廣泛的測距方式，超聲波測距是倒車雷達所採用的方式。
可以預見今後車用測距系統並不會是單一的某一方式，而將是一綜合系統，即集某兩種或兩種以上裝置於一體，互相取長補短，進一步提高系統的精度和可靠性。如日本三菱汽車公司即採用了掃瞄式雷射雷達與**成像系統相結合的方式。
隨著技術的發展，現代汽車的測距技術必將越來越完善，未來的智慧型汽車也一定不再是人類的乙個幻想。超聲測距感測器也可以全天候工作，而且**低廉、便於安裝使用，也是一種較為理想測距感測器。超聲感測器的作用距離問題較低，成了當前開發超聲測距系統的瓶頸制約，但是這一特性剛好適用於對作用距離要求不高的倒車雷達系統。
本專案研究汽車倒車防撞報警裝置，旨在降低倒車防撞裝置的成本，促進自主產權及國產化，因此具有重要的意義。
第2章超聲波測距
2.1超聲波感測器介紹
超聲波由於其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優點，而經常用於距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。超聲波測距主要應用於倒車雷達、建築施工工地以及一些工業現場，例如液位、井深、管道長度等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易於做到實時控制，並且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在測控系統的研製上得到了廣泛應用[2]。
超聲感測器是一種將其他形式的能轉變為所需頻率的超聲能或是把超聲能轉變為同頻率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲感測器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有：
1 壓電感測器；2 磁致伸縮感測器；3 靜電感測器。流體動力型中包括有氣體與液體兩種型別的哨笛。由於工作頻率與應用目的不同，超聲感測器的結構形式是多種多樣的，並且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲感測器稱作探頭，而工業中採用的流體動力型感測器稱為「哨」或「笛」。
壓電感測器屬於超聲感測器中電聲型的一種。探頭由壓電晶元、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現電能和聲能相互轉換的一種感測器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。
屬於晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬於壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置於電場之中，它就產生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由於產生了應變就會在其內部產生一定方向的電場。
所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產生交變的應變，從而產生超聲振動。因此，用這種材料可以製成超聲感測器。
感測器的主要組成部分是壓電晶元。當壓電晶元受發射電脈衝激勵後產生振動，即可發射聲脈衝，是逆壓電效應。當超聲波作用於晶元時，晶元受迫振動引起的形變可轉換成相應的電訊號，是正壓電效應。
前者用於超聲波的發射，後者即為超聲波的接收。超聲波感測器一般採用雙壓電陶瓷晶元製成。這種超聲感測器需要的壓電材料較少，**低廉，且非常適用於氣體和液體介質中。
在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據壓電效應，就會使壓電陶瓷晶元產生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定範圍內是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶元上加有頻率為 f0交流電壓，它就會產生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發出超聲波。如果在壓電陶瓷晶元上有超聲機械波作用，這將會使其產生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶元產生頻率與超聲機械波相同的電訊號。
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