仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）
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進入新世紀以來，中國的綜合實力顯著提高，人們的生活水平也越來越高，汽車走進千家萬戶。人們在日常生活中對汽車的使用率也越來越高，與此同時帶來的是道路的擁堵和車位的緊張。街道、停車場的車位數量減少的同時，停車位面積也會繼續縮小，停車難度也會同步提高。鑒于日常生活中倒車和停車的人越來越多，人們對倒車系統的安全性也有了更大的需求。本文以此為背景，提出了一種基于超聲波測距儀的汽車倒車系統。該系統在滿足便捷性和適用性的基礎上，融入了距離顯示和報警功能。
本文先對超聲波的研究現狀和發展趨勢做出研究分析，結合多名學者在汽車倒車和停車方面的研究，提出了一種汽車倒車測距儀的設計方案。該超聲波測距儀可以顯示當前距離，且具有報警系統，當最小距離包含在危險值中時，系統將有報警提示。
本文以汽車倒車測距儀為研究對象，設計了一個STC89C51單片機為控制器的系統，該平臺采用超聲波測距技術。本文主要研究內容為：了解國內外倒車儀系統的現狀和發展前景；自主設計和制造汽車倒車測距儀；其中超聲波元件檢測距離信號后將數據發送到單片機處理，然后由單片機判斷是否報警，具有LCD屏顯示。系統的總體設計框圖如圖1-1所示： 圖1-1總體設計框圖 本文內容安排如下： 本文正文部分一共分為五章，詳細地介紹了汽車倒車儀的發展狀況，完整地介紹了汽車倒車測距儀設計制作和實驗調試的過程，每章內容安排如下： （1）緒論：主要介紹了汽車倒車測距儀的發展背景，內容和意義，以及國內倒車儀產品和超聲波測距技術的研究現狀和發展趨勢，以及本文要完成的工作； （2）硬件設計：本章首先對系統的硬件進行了總體設計，介紹系統所用的電子元件的比較和選擇，以及硬件電路的設計，包括主控電路，超聲波模塊監測電路，其他電路（包括電源電路，顯示電路）的設計； （3）軟件設計：介紹了程序設計要求，設計思路以及流程，對程序進行調試和仿真； （4）系統調試：完成系統軟硬件調試工作，進行物理功能的實驗，調試和分析； （5）總結與展望：總結本文的主要工作內容，并分析、總結不足之處，結合溫度控制系統目前的發展狀況作出展望。 2 系統方案設計2.1汽車制動距離要設計汽車倒車儀，就需要根據汽車運動學理論來測量汽車的制動距離。汽車減速的時候與時間的關系如圖2-1所示： 圖2-1 制動減速度與時間的關系示意圖 其中車速為v，減速度的最大值為amax，汽車的制動減速過程中可以分為三個階段。 （1）th-ta時間段。此時間段內，汽車的移動距離為s1。  （2.1）（2）ts時間段，此時間段內，汽車的移動距離為s2，，速度可以按照公式（2.2）進行計算。  （2.2）移動的距離s2可以根據公式（2.3）進行計算。  （2.3）（3）tv時間段內汽車移動的距離s3，此時間段的初速度為v，因為時間段結束時，汽車已經停止，所以末速度為0。可以按照（2.4）進行計算s3。  （2.4）把上述計算得出的s1、s2和s3相加，就可以得出汽車制動時候的全部距離。  （2.5）由于（2.5）的最后一項的數值很小，可以不予計算，所以可以對公式進行簡化，得出：  （2.6）圖2-2為當前車輛與前車的位置示意圖，其中D為實際的行駛距離，D0為安全間距。劇烈小于此D0時，測距儀會通過超聲波檢測出來并進行報警。 圖2-2本車與前車相對位置示意圖 2.2 超聲波技術人的耳朵能識別一定范圍內的聲音，且所聽到的頻率必須在20hz到20khz之間，在這個頻率范圍內的機械波稱為聲波。聲波可以根據頻率的不同分為三種類型，即次聲波、聲波、超聲波和超超聲波。如圖2-2所示。超聲波頻率應高20KHz。 圖2-2聲波頻率界限圖 超聲波在物質中的傳播速度的主要制約因素為介質的密度。由于超聲波在空氣中傳輸的時候只存在縱波，傳播速度公式如（2.7）：  （2.7）μ--超聲波在空氣中的傳播速度； γ--氣體熱容比； P--壓強； ρ--為介質密度。 在理想氣體狀態下，有：  （2.8）把（2.8）帶入（2.7）中，可以得到超聲波在理想氣體中的傳播速度。  （2.9）上述式中： μ--超聲波的傳播速度； γ---氣體熱容比； R--氣體普適常量； T--絕對溫度； M--摩爾質量。 從（2.9）可以看出，超聲波的超波速度會受到溫度、濕度等環境因素的影響，考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響比較大，我們需要把溫度的速度的影響考慮在內。 當空氣溫度為0℃的時候，超聲波的傳播速度μ0=331.45m/s，當空氣溫度為其它數值時，有如下公式（2.10）。  （2.10）可以根據（2.11）來對超聲波在空氣中的傳播速度進行計算。  （2.11）其中t是空氣的溫度。在實際計算中，如果在一段時間內溫度變化不是很明顯，在精度要求較低的情況下，超聲波的傳播速度可以認為是固定的。如果對精度要求較高，則需要對該值進行修正，并采用溫度補償。一般有兩種補償方法。可以使用溫度傳感器根據一定的邏輯公式進行校正，也可以查詢相應的溫度補償表。超聲波速度與溫度的關系如表2-1所示。 表2-1超聲波速度與溫度關系表 2.3測距方案設計圖2-3是系統信息處理的示意圖。單片機是系統的核心，本系統采用的是單片機STC89C51對系統進行控制。STC89C51通過發射端發射超聲波信號，通過接收器接收到的反射信號。單片機將收集到的信號進行分析和處理，然后顯示在顯示屏上。 圖2-3信息處理示意圖 超聲波距離測量可以使用超聲波發射設備和接收器之間的時間差來計算距離。本系統選擇的HC-SRO4超聲遙測模塊包括超聲控制電路，發射器和接收器。 在2厘米至500厘米的范圍內，它可以顯示出良好的非接觸距離檢測效率，并且精度值最高為0.3厘米。 在測距過程中，STC89C51開始發送組脈沖序列，從0開始計數。超聲波通過超聲波發射端發射。超聲波在空氣中傳播，當遇到前方車輛或障礙物時，超聲波反射回接收端。接收端接收到返回的信號后，再次發送到STC89C51進行處理，此時停止計數，可以求得往返時間t。如果脈沖周期為T，則車輛與前車或車輛與障礙物之間的距離可按式(2.12)計算。  （2.12）式(2.12)中N為計數脈沖數。因為超聲波速度和頻率也已知，所以測量的距離與N成正比，只要讀取N的值，即可求得距離。 3 硬件設計3.1 系統硬件總體結構基于單片機超聲波測距儀汽車倒車系統中，超聲波的處理通過單片機實現。硬件部分可根據功能分為以下幾部分：MCU主控電路，超聲波電路，LED顯示電路和其他電路。整體硬件框圖如圖2-1所示。從該圖可以清晰的看出本系統的結構和工作流程。 圖3-1 體統結構框圖 系統原理圖如圖3-2所示： 圖3-2 系統原理圖 超聲波獲得的信息傳遞給單片機后，可以通過程序計算出障礙物和汽車之間的距離。然后，顯示在顯示屏上，當觸發報警闕值時實現報警功能，幫助司機獲取有價值的信息，為司機做出正確的響應提供支持。本系統的設計中，如果汽車與障礙物過近，系統就會通過蜂鳴器發聲、數據顯示屏亮度閃動等方式做出警報反應，提醒駕駛員。 3.2 主控模塊器件選型及設計3.2.1 單片機的選用目前，市場上有多種MCU，它們的價格和功能均相差較大，因此用戶的選擇范圍也很廣。在實際應用中，用戶有必要根據實際需求來選擇合適的MCU，主要考慮的有價格、功能、兼容等方面。 本文選用的是 STC89C51單片機，該單片機屬于C51系列，它可以通過串口直接下載。此外，該設備具有以下標準功能：看門狗，7矢量4級中斷結構（與傳統的51個5向量2級中斷結構兼容），MAX810復位電路，4個外部中斷，全雙工串口。 STC89C51的DIP封裝如圖3-3所示。 圖3-3 DIP封裝的STC89C51RC引腳圖 3.2.2 主控模塊設計主控模塊電路由STC89C51、時鐘電路、復位電路組成，它們構成了MCU的最小系統。 MCU的復位由外部復位電路和MCU中的復位引腳RST實現。保持兩個機器周期的高電平將完全復位MCU。本系統既使用了上電復位，同時，也運用了手動復位的復位鍵。 系統時鐘電路采用內部設計。STC89C51內部有實現振蕩器功能的放大器，用作具有片外晶體諧振器的反饋部件，以形成自激振蕩器。電容和頻率為12MHz的外部晶振并聯，連接在XTAL1和XTAL2。 復位電路和時鐘電路如圖3-4所示。  圖3-4 復位電路和時鐘電路 3.3 超聲波模塊器件選型及設計3.3.1 超聲波傳感器的選用本系統選用超聲波測距模塊HC-SR04來進行距離的測量，該模塊工作電壓為5V，具有超小靜態工作電流2mA，探測精度可達0.3cm。HC-SRO4超聲波測距模塊提供了2cm-400cm的非接觸式距離。其工作時序圖如圖3-5所示。 圖3-5 HC-SRO4超聲波模塊工作時序圖 HC-SR04需要提供一個10uS以上的脈沖觸發信號來激活模塊進入工作狀態，進入工作狀態后，模塊內部發出8個40kHz周期電平并檢測回波的到來。當檢測到有回波信號時輸出回響信號。回響信號脈沖寬度與所測距離成線性相關。為了防止發射信號對回響信號的干擾，觸發信號周期為60ms以上。HC-SR04實物圖和原理圖分別如圖3-6、3-7所示： 圖3-6 HC-SR04實物圖 圖3-7 HC-SR04原理圖 3.4 其他電路設計3.4.1顯示電路在本設計中，顯示電路的構成部分為四位LED數碼顯示管，如圖3-3所示，在四位共陽極LED數碼管中，LED數碼管數量總計4個，并且每個數碼管的a段都會相連，引腳（11腳）總計1個，采用相同連接方式的還有b段、c段、d段、e段、f段、g段和dp段等，每個LED都具有相對獨立的公共端。LED顯示電路原理圖如圖3-8所示： 圖3-8 LED顯示電路原理圖 3.4.2 蜂鳴器電路蜂鳴器是一塊壓電晶片，在其兩端加上3~-5V的直流電壓，就能產生3KHz的蜂鳴聲。通過單片機軟件產生3KHz的信號從P2.0口送到三極管的基極，控制著電壓加到蜂鳴器上，驅動蜂鳴器發出聲音。在本系統中，當超聲波模塊測得距離小于5cm時，蜂鳴器將會報警，其電路原理圖如圖3-9所示： 圖3-9 蜂鳴器電路原理圖 3.5 硬件抗干擾整個電路原理圖如圖2-14所示，繪制完原理圖后就完成了系統的硬件設計部分。但僅是設計電路原理圖然后制作硬件設施是不夠的，實際生產中會產生各種各樣的干擾，這些干擾會在生產和實驗中產生較多負面影響，因此需要采用抗干擾措施。抗干擾措施可以根據應用對象，在大體上可以分為硬件抗干擾和軟件抗干擾，它們的目標都是減少干擾在有用信號中的比例。硬件抗干擾主要是通過隔離和接地的方法來實現。 （1）隔離：主要用于過程通道的隔離。在電子設備和系統中，干擾信號常常會疊加在各種不平衡輸入和輸出信號上，或通過系統的供電線路竄入系統，對付這些干擾信號的辦法通常是采用隔離技術，即將噪聲源與信號線相互隔離的技術。在測量系統抗干擾的隔離措施中，光電耦合器是最常用的隔離器件。； （2）接地：接地是硬件電路中的重要環節，正確的接地可以使得系統不會相互干擾。接地時應注意數字地和模擬地要分開接，使數字信號和模擬信號之間不能相互干擾。此外，還應設計適當寬度的布線模式，從而保護硬件電路各個模塊之間盡量少受干擾影響。 4 軟件設計4.1 軟件設計的要求及思想4.1.1軟件編寫的要求在MCU系統中，硬件的設計和軟件的編寫時相輔相成的，它們二者缺一不可。軟件編寫的重要程度不亞于硬件的設計，在某些方面，軟件編寫難度還要高于硬件系統的設計。控制系統需要正確且合理的軟件程序來驅動，在編寫程序時應該注意以下幾點： （1）簡易性：程序結構盡量簡單，邏輯清晰，要容易理解和修改。在軟件編寫不是從頭編到尾，而是通過功能分塊化的方式，分別編寫多個功能模塊的程序，然后通過把他們調用到主程序中來實現總體的程序要求； （2）可靠性：該指標在軟件程序的編譯過程中占據著最重要的地位。系統運行的過程中會不可避免的遇到各種突發情況以及干擾，此時應該保證程序能夠及時的處理這些問題，讓系統回到正常狀態； （3）準確性：對于控制系統來說，不管是數據采集還是控制輸出都需要系統有著較高的準確性來支撐，否則即便整體程序沒有錯誤，但是由于精度不高，不也不能完成指定的任務。因此，在設計硬件和編寫程序時，都應考慮到準確性和精確度方面的問題； （4）實時性：實時性是控制系統的常見要求，這要求系統不能存在較大的延時，要能夠迅速做出反應。 綜上，系統的軟件設計并不簡單，應考慮多方面的因素，這就產生了相應的軟件設計思想，應該合理的運用這些編程思想以更好地實現用戶所需要的功能和要求。 4.1.2 軟件設計思想在面向過程的程序設計思想中，可以把把軟件系統的功能理解為輸入，處理和輸出，這要求程序有準確的因果關系。另外還有面向對象的程序設計思想，即把復雜的程序工程零件化的思想，按照功能來把程序細分為一些小程序，然后在主程序匯總調用，形成死循環。這部分視為軟件的后臺，也可以叫做任務級。同時在面對一些特點情況時，需要程序跳出當前的操作，轉而處理一些特定情況，這就是前臺，也可以稱為中斷級。本系統軟件正是基于這種軟件思想編制的。 4.2 系統軟件設計在面向過程的程序設計思想中，可以把把軟件系統的功能理解為輸入，處理和輸出，這要求程序有準確的因果關系。另外還有面向對象的程序設計思想，即把復雜的程序工程零件化的思想，按照功能來把程序細分為一些小程序，然后在主程序匯總調用，形成死循環。這部分視為軟件的后臺，也可以叫做任務級。同時在面對一些特點情況時，需要程序跳出當前的操作，轉而處理一些特定情況，這就是前臺，也可以稱為中斷級。本系統軟件正是基于這種軟件思想編制的。系統的主程序設計流程圖如圖4-1所示，其中子程序流程圖如圖4-2所示。 圖4-1主程序設計流程圖 圖4-2子程序流程圖 4.3 軟件抗干擾措施4.3.1 按鍵的軟件消抖措施按鈕是一個機械開關，當按鍵被釋放時，開關打開，按鍵按住的時候，開關關閉。由按鈕的機械特性，當按下的時候會產生機械抖動。抖動的時間一般約為10ms——20ms； 目前，針對機械抖動的消除一般有兩種方法：一種是使用波形電路來濾除抖動，這屬于硬件消抖措施；另一種是軟件延遲方法，它使用軟件延遲來避免按下和提升按鈕時的抖動周期，從而避免檢測干擾信號。 4.3.2 數字濾波數字濾波是MCU系統設計中最常用的軟件抗干擾措施，此方法的優勢在于：它無需添加額外的硬件，節約了成本，并且應用靈活方便。但是此方法并不是完美的，它會以CPU的開銷為代價，占用一定的處理器的時間。如上文所述，本系統采用的是去極值平均濾波法。 4.4 本章小結本章主要是介紹了溫度控制系統的軟件程序方面的設計，分析了系統程序設計的要求和思路。然后，選取了最主要的三個程序模塊，介紹了它們的設計流程和編譯重點。在此基礎上，從軟件去抖和數字濾波這兩方面討論了系統的抗干擾措施。 5 仿真與調試5.1 程序調試5.1.1 調試的難點軟件的故障只是內在錯誤的外部表象，表象和錯誤之間通常沒有明顯的關聯。找到真正的原因并消除潛在的錯誤并非易事，從技術角度發現錯誤的困難在于： （1）現象和原因的位置可能相差很遠； （2）在糾正某些錯誤的時候，可能此處故障現象暫時消失了，但內部錯誤可能并沒有排除； （3）現象可能是不易發現的人為失誤造成的； （4）錯誤是由時序問題引起的，與處理過程無關； （5）現象是由于輸入狀態難以準確再現造成的（例如，在實時應用中輸入順序是不確定的）； （6）現象可能會周期性出現，這種情況在軟、硬件結合的嵌入式系統中經常遇到。 5.1.2 軟件調試步驟軟件的編譯和調試是要交叉同步進行的，在完成相關模塊程序的編譯后就要將該程序燒錄到MCU仿真電路中進行調試，觀察該程序是否能在硬件電路上準確無誤地運行，當設計者完成一個模塊的調試后，就進入下一個模塊的軟件調試的步驟。模塊的調試順序也并不隨意進行的，而是要根據邏輯關系來判斷程序的運行順序和他們之間的關系，從而確定模塊先后調試順序。 本系統才用的程序編譯軟件是KEIL C51，該軟件是美國Keil軟件公司出品的能夠兼容MCU的C語言的編譯軟件。相比于其他的程序編譯軟件，它具有可視化和模塊化編譯的優點。 KEIL C51編譯界面如圖5-1所示。 圖5-1 程序編譯軟件 調試的過程就是通過對表象的分析找出內在錯誤。當軟件測試成功后，軟件調試工作才開始，與前者不同的是，調試的工作是繼續排除錯誤。因為有些內在錯誤雖然沒有外部故障表現出來，但是它始終會影響系統的穩定性和正確性。 一個系統能否完成預期的功能可以通過設計者利用相關的調試看出來，設計者通過一些調試程序來調用相關的功能，檢查這些功能是否能夠正常運行。調試的過程大概分為以下幾個部分： （1）根據系統的功能來劃分模塊； （2）分別確定這些模塊的流程圖，然后開始編寫對應的程序； （3）調試相應的功能模塊的程序，使其完成對應模塊的功能要求，然后將各個子程序模塊結合起來，在主程序中進行調用； （4）調試總程序，直到整個程序能完成預期功能，然后對程序進行修改和簡化操作。 5.2 系統仿真調試設計本系統的設計采用Proteus進行仿真，以便驗證設計。由于在Proteus中沒有HC-SRO4模型且無法對超聲波器件進行仿真，需要設計者自行設計器件模擬HC-SRO4，采用兩個按鍵來調節HC-SRO4所測量數據的大小，數據經過單片機處理后在LED上顯示出來，當距離小于5cm時，蜂鳴器將會報警。汽車倒車測距儀仿真圖如圖5-2所示： 圖5-2 汽車倒車測距儀仿真圖 6 總結與展望6.1 總結本文的主要研究工作時基于超聲波測距技術的單片機汽車倒車儀設計，在了解國內外該領域的發展，應用和研究現狀后，提出了自己的設計方案。使用STC89C51單片機作為設計核心，使用HC-SR04作為超聲波元件，采用模塊化的設計理念，完成了系統的軟硬件設計，并在仿真軟件中進行了成功的仿真。仿真結果表明，本系統擁有較高的準確性和靈敏度，能夠很好的完成工作，系統設計達到了預計要求。 本系統可以保證汽車在倒車狀態下，汽車可以測量后面的障礙物和距離，并且顯示在LCD屏幕上，當到達危險區域時，蜂鳴器會產生報警。實驗表明，該測距系統的可靠性和測距算法的有效性較強。雷達最短距離0.2m，最長距離5.0m，測量誤差小于3%。 6.2展望本系統測距的方式僅僅選擇了探頭探測，因此在對后方障礙物的定位方面存在一定缺陷。如果將探頭數量增加，那么可以實現對物體的準確定位，使系統測量盲區得到縮小，并與車載網絡中的相關設備組成·個防撞系統，將會對汽車和人起到很好的保護作用。 由于該系統的距離測量方法只選擇了探頭的檢測，故而在后方障礙物的定位中存在一定的缺陷。所以可以增加探頭的數量并使之分布在汽車的四周，這樣就可以實現對物體的精確定位和對汽車四周多方位的距離探測，進而提高行車和倒車時的安全性和可靠性。
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