汽車智能測距防撞系統(tǒng)設(shè)計模板

汽車智能測距防撞系統(tǒng)設(shè)計資料內(nèi)容僅供參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系本人改正或者刪除。汽車智能測距防撞系統(tǒng)設(shè)計摘要汽車智能防撞系統(tǒng)具有有效地提高汽車駕乘人員的安全性、顯著地減輕駕駛者的工作負擔,使駕車既安全又不易疲勞等諸多優(yōu)點而受到越來越廣泛的重視。本次設(shè)計設(shè)計了一種以單片機AT89C51和CX6為核心低成本、微型化,并有數(shù)字顯示和報警功能的汽車智能測距防撞系統(tǒng)。首先,本文概述了超聲波和超聲波傳感器的基本原理和特點。其次,本文分析了系統(tǒng)組成電路的基本工作原理。最后,本文對系統(tǒng)控制軟件進行了設(shè)計,給出了控制程序。在附錄中,本文還將給出一些設(shè)計的程序和電路圖,供參考之用。關(guān)鍵詞:汽車,安全性,測距技術(shù),防撞,超聲波

TheDesignOfAutomotiveIntelligent

Ranging

collisionavoidancesystemAbstractAuthot:zhaoleiTutor:dongxuefengAutomotiveradartoimprovethesafetyofvehicleoccupants,andsignificantlyreducetheworkloadofthedriver'sdrivingsafeandeasyfatiguethemanyadvantagesofbeingmoreandmoreattention.InthispaperIdesignakindofAutomotiveIntelligent

Ranging

collisionavoidancesystemwhichisusemicrocontrollerAT89C51andCX6ascore.Thisdesignnotonlylow

costandminiaturization,butalsocandisplaynumbersandhavethefunctionofalarm.Atfirst,Iwillintroducethebasicprincipleandcharacteristicsofultrasonicandultrasonicsensors.Thesecond,Iwilldescribetheprincipleofcorecomponentsinthissystem.Atlast,Iwilltalkabouttheprogramdesign.Atthesupplement,Iwillwritesomethinglikeprogramandcircuitdiagram.Itbehelpfulforfuturedesign.Keywords:Cars,safety,distancemeasuringtechnology,anti-collisionradar

目錄1緒論 11.1汽車防撞研究的背景及意義 11.2汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用 21.3汽車防撞系統(tǒng)的基本功能 21.4汽車智能測距防撞的發(fā)展前景 31.4.1技術(shù)支持 31.4.2發(fā)展方向 32超聲波測距技術(shù) 52.1概述 52.2測距傳感器的分類 52.2.1紅外和光電傳感器 52.2.2超聲波測距傳感器 52.3超聲波測距工作原理 73系統(tǒng)方案設(shè)計 103.1設(shè)計總體思路概況 103.1.1方案對比 103.1.2系統(tǒng)的特點 103.2系統(tǒng)工作過程 113.3系統(tǒng)方框圖 114硬件電路設(shè)計 134.1超聲波傳感器的發(fā)射電路 134.2超聲波傳感器的接收電路 144.3溫度補償電路 154.4顯示電路 164.5報警電路 175系統(tǒng)軟件設(shè)計 18總結(jié) 19致謝 20參考文獻 21附錄1:汽車防撞系統(tǒng)原理圖 23附錄2:程序清單 24

1緒論曾幾何時,汽車對很多家庭來說是不敢想象的。但隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展和經(jīng)濟水平的大幅度提高,讓百姓的收入日益鼓脹,解決了溫飽問題的家庭開始走向小康,表現(xiàn)得最明顯的是交通工具的升級換代上:一些家庭開始購買汽車作為自己的代步工具。近幾年中國汽車保有量逐年增加,的保有量為6300萬輛,達到7400多萬輛。按保守估計,未來國內(nèi)汽車保有量能夠達到4.9億輛左右,即大約350輛/千人。對于汽車數(shù)量的大副度攀升,盡管國家在公路設(shè)施上不斷地改進,但道路上的車輛依然還是越來越多,特別在上下班時段完全避免不了公路上汽車擁擠的現(xiàn)狀。再加上在汽車設(shè)計上車速的不斷提高,雖然公路上各路段都有限速,但撞車事件依然在廣大人民的生活中屢屢發(fā)生,給人們帶來了巨大的人身傷亡和社會財產(chǎn)的損失。針對汽車擁擠的現(xiàn)狀,設(shè)計一種反應(yīng)快,穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟實用的汽車防撞報警系統(tǒng)對當今現(xiàn)狀是勢在必行的。汽車防撞系統(tǒng)是一種向司機的報警裝置,此防撞報警系統(tǒng)能將在汽車行駛和倒車過程中自動檢測障礙物,然后經(jīng)過超聲波測距原理測出汽車與障礙物之間的距離,并將距離顯示出來,當汽車與障礙物之間的距離達到極限時。系統(tǒng)發(fā)出聲光報警,達到提醒司機防止撞車的目的。1.1汽車防撞研究的背景及意義隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的不斷進步,汽車的數(shù)量逐年增加,汽車擁擠的現(xiàn)狀不可避免,而在汽車擁擠的情況下,惡性事故屢屢發(fā)生,時刻威脅著人們的安全。中國交通事故的年死亡人數(shù)遠高于她國,分別是美國的2.3倍、德國的18.4倍、日本的13.4倍。當現(xiàn)代家庭充分的享受汽車帶來方便的同時,也為此付出了沉重的代價。據(jù)統(tǒng)計,中國自至,已有150多萬人死于道路交通事故,其中大部分的道路交通事故為汽車追尾碰撞事故。面對當今這種現(xiàn)狀,設(shè)計出一種反應(yīng)快,穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟實用的汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行[1]。防撞預警自動測量的技術(shù)應(yīng)運而生,特別非接觸式測量技術(shù)發(fā)展卓越。在大多情況下,測量與障礙物之間的距離是不能夠接觸到障礙物的,在這種時候就會用到非接觸式測量設(shè)備。在物理學中人們發(fā)現(xiàn)了電子學技術(shù)產(chǎn)生的超聲波后,從此超聲波技術(shù)在測量領(lǐng)域得到了廣泛的運用,特別是在超聲波測距方面,結(jié)合了其它技術(shù),用超聲波測距變得十分常見。超聲波在介質(zhì)中傳播的距離較遠,分辨力較高,且能量消耗小,利用超聲波測距比較方便而且速度快計算簡單,容易做到實時控制,而且測量精度好,都能夠達到工業(yè)測量的需要。因此超聲測距廣泛應(yīng)用于當今生活中,特別是應(yīng)用于超聲波測距方面。超聲波測距利用的是聲波反射原理,聲波在空氣中傳播避免了與介質(zhì)接觸。與其它測距方式相比,超聲波測距不受顏色、光線和電、磁場的影響,使她受到干擾的可能大幅度減少。它還具有可靠性能高、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、安裝方便等優(yōu)點。也能夠測量處于黑暗、煙霧、有灰塵、電磁干擾等惡劣環(huán)境中的障礙物。但由于超聲波傳播時溫度對聲速影響比較大,使超聲測距的精確度到了影響,在這里能夠采用溫度補償進行校正,能夠消除溫度對其的影響。1.2汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用60年代人們開始考慮把主要用于軍事領(lǐng)域的雷達技術(shù)應(yīng)用到商用車輛交通工具上,以提高汽車駕乘人員的安全性。經(jīng)過多年的研究,這一構(gòu)想成為現(xiàn)實,雷達傳感器被認為是很值得采用的汽車安全控制裝置。與其它技術(shù)如紅外、激光、視頻等在汽車傳感器上的應(yīng)用相比,雷達技術(shù)的全天候和穿透黑暗的能力,特別適用于汽車領(lǐng)域。經(jīng)濟實用的汽車雷達除了能有效地提高汽車駕乘人員的安全性,還能顯著地減輕駕駛者的工作負擔,使駕駛既安全又不易疲勞。1.3汽車防撞系統(tǒng)的基本功能(1)近距離輔助測障一種最簡單的汽車防撞應(yīng)用,主要用于汽車倒車時探測車后的障礙物,使駕駛者有清晰的路程。(2)碰撞告警探測汽車前向或側(cè)向的障礙物,檢測到構(gòu)成碰撞危險的目標后,經(jīng)過聲光報警裝置向駕駛者發(fā)出警告,使其盡快采取避碰措施,以保證行車安全。(3)行車間距自功控制根據(jù)交通狀況和路面條件,輸入距離信息,自動調(diào)整車速,與前面的汽車保持安全距離,從而使交通更暢通,節(jié)省能源。(4)防撞自動制動汽車防撞系統(tǒng)的擴展應(yīng)用,在緊急情況下自動剎車。1.4汽車智能測距防撞的發(fā)展前景電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用已成為汽車向智能化控制方向發(fā)展的重要手段。因而,提高汽車行駛安全性的電子產(chǎn)品的消費市場也將隨之擴大,這對于汽車智能測距防撞的發(fā)展是極具經(jīng)濟前景的。1.4.1技術(shù)支持近些年來,科學技術(shù)的進步,使電子元器件性能大幅度提高,而價格卻不斷下降,特別是硅芯片的大規(guī)模集成、超級計算機的出現(xiàn)以及毫米波技術(shù)、雷達技術(shù)的新進展,為今后開發(fā)低成本的汽車雷達提供了技術(shù)保障。1.4.2發(fā)展方向汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展方向因各國研制的側(cè)重點不同而有所差異。當前,美國主要側(cè)重于碰撞報警/防撞系統(tǒng),而歐洲各國則注重于自適應(yīng)智能行駛系統(tǒng)的雷達傳感器的研究。對于前者,提高雷達地形圖處理能力,消除虛警是技術(shù)關(guān)鍵。對于后者這種行車間距自動控制系統(tǒng),其角度分辨率還不高,要繼續(xù)改進天線的性能,提高角分辨率,研究準光學波束控制方法,下一代系統(tǒng)在測定距離和接近速度的同時還具有方位角度測量能力,能夠在不對前視角約為12度的范圍內(nèi)進行波束轉(zhuǎn)換的情況下,提供多目標的瞬時方位角度數(shù)據(jù);另外,增加其功能度,向具有探測靜目標能力的更復雜的系統(tǒng)方向發(fā)展,增加報警功能,最后向著免除撞車系統(tǒng)發(fā)展?？傊?汽車測距防撞系統(tǒng)是朝著智能化、價格低廉的方向發(fā)展。在商用車輛上采用的集成電路系統(tǒng)中,汽車測距防撞系統(tǒng)與目標導向交通控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及汽車的其它機械和電子系統(tǒng)相配合,在有碰撞危險時自動發(fā)出警告和自動剎車,在前方無障礙時自動加速。除了解決汽車安全行駛的問題,還能在同樣路寬的情況下,允許較多的車輛運行,增加交通密度。隨著性能的不斷完善和功能的擴展,汽車測距防撞系統(tǒng)在未來智能化汽車上的應(yīng)用會更加廣泛[12]。

2超聲波測距技術(shù)2.1概述在車輛測距防撞系統(tǒng)中,需要及時采集環(huán)境信息,以實現(xiàn)避障、定位、導航等任務(wù),這些任務(wù)必須依靠能實時感知環(huán)境信息的傳感器來完成。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在車輛測距防撞系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。由于探測傳感器為集多種學科一身的產(chǎn)品,有些方面還在探索之中,隨著探測傳感器的進一步完善,車輛測距防撞系統(tǒng)的功能將越來越強,將在更多的領(lǐng)域為人們做出更大貢獻。在車輛測距防撞系統(tǒng)的研究中,環(huán)境信息的采集是研究的關(guān)鍵問題之一。距離測量為車輛測距防撞系統(tǒng)提供了周圍環(huán)境的二維和三維信息,是車輛測距防撞系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。車輛測距防撞系統(tǒng)能夠根據(jù)這些距離信息進行實時避障、導航和執(zhí)行特定任務(wù)。一般,對獲取這類環(huán)境的傳感器有兩方面的要求:一方面,需要有足夠大的視場來覆蓋整個工作區(qū);另一方面,需要有較高的采集速率以保證在運動的環(huán)境中提供實時的信息[2]。2.2測距傳感器的分類2.2.1紅外和光電傳感器這類測距傳感器是依靠紅外線或其它不可見光的直線傳播特性。經(jīng)過光敏元件來發(fā)射和接收信號,從而判斷障礙物的存在與否。由于光線的傳播速度極快,一般難以經(jīng)過簡單的裝置估算其傳播距離,因此在簡單、低成本的應(yīng)用中,這類傳感器也主要用于狀態(tài)的判斷(障礙物的有無、物料是否到位、液面是否過高等)而無法實現(xiàn)對距離的實時測量。2.2.2超聲波測距傳感器超聲波作為一種特殊的聲波,同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴瓷?、折射、干涉、衍射、散射。超聲波測距即是利用其反射特性。關(guān)于超聲波測距,成本低廉,性能可靠,使得本技術(shù)更易于推廣應(yīng)用。超聲波傳感器是將兩個壓電元件(或一個壓電元件和一片金屬片)粘合在一起,稱為雙壓電晶片(由一個壓電元件構(gòu)成的稱單壓電晶片)。超聲波射在壓電晶片上,使壓電晶片振動會產(chǎn)生電壓信號。反之,在壓電晶片加上電壓會產(chǎn)生超聲波。由壓電元件構(gòu)成的超聲波傳感器的等效電路如圖2.1所示。圖(a)為超聲波傳感器可等效為一個電感、電容和電阻串聯(lián)的(共振)電路。圖(b)為其電抗特性,其左側(cè)和右側(cè)呈現(xiàn)電容性,中間部分呈現(xiàn)電感性。利用這一特性構(gòu)成了超聲波傳感器特有的電路。超聲波傳感器有兩個共振頻率,低頻的共振頻率fT叫串聯(lián)共振頻率,在電阻(R),電感(L)和電容(C1)的串聯(lián)電路中振蕩。這時的傳感器阻抗最低;而在高頻處的共振頻率fa為逆共振頻率,在L、C1和C0的并聯(lián)電路中產(chǎn)生共振。(a)等效電路(b)電抗特性圖2.1超聲波傳感器等效電路和電抗特性發(fā)射超聲波在串聯(lián)共振頻率上具有最高靈敏度。超聲波傳感器有兩個共振頻率,發(fā)射超聲波傳感器的靈敏度在串聯(lián)共振頻率fT上最高。接收超聲波傳感器在逆共振頻率fa上具有最高靈敏度。接收檢測超聲波傳感器AT89C2051的標稱為40kHz,與前者相反,在逆共振頻率上接收靈敏度最高。超聲波傳感器能夠分為如下幾種類型:(1)通用型:超聲波傳感器頻帶寬一般可達數(shù)千赫,并有對頻率的選擇性。通用型超聲波傳感器頻帶窄,但靈敏度高,抗干擾性強。在多通道,且通道間頻率較近的應(yīng)用中最好采用窄頻帶型的超聲波傳感器。通用型超聲波傳感器一般分別備有接收傳感器和發(fā)送傳感器。因最大接收靈敏度和最大發(fā)送靈敏度的頻率分別為fT和fa,若用一個傳感器必然犧牲其一。(2)寬頻帶型:寬頻帶超聲波傳感器能在工作頻率內(nèi)有兩個共振點,因而加寬了頻帶。該傳感器兼作發(fā)送和接收傳感器。(3)封閉型:適用于室外環(huán)境的封閉型超聲波傳感器有較好的耐風雨性能,可用于汽車后面的檢測等裝置上。(4)高頻型這種超聲波傳感器的中心頻率高達200kHz,既可作接收也可作發(fā)送用,而且方向性相當強,可進行高分辨率的測量[5]。由于超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器,常見的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時有相當?shù)乃p,衰減程度與頻率的高低成正比;而頻率高則分辨率也高,故在短距離(小于1m)測量時應(yīng)選擇頻率高(100KHz以上)的傳感器,而長距離測量時要選擇低頻率的傳感器。本課題研究采用西安立宇電子科技有限公司的超聲波測距傳感器普通型,T發(fā)射型,R為接收型。它的標稱頻率為40kHz,分辨率為1cm,即在串聯(lián)共振頻率fT(40kHz)上發(fā)射靈敏度最高。超聲波傳感器具有如下特性:(1)在自身特性諧振點40kHz附近可獲得較高的靈敏度;(2)諧振帶寬、波束角能夠經(jīng)過制作工藝控制得很窄,有利于抗聲波干擾設(shè)計;(3)不受無線電頻譜資源限制,易于抗電磁干擾設(shè)計;(4)超聲系統(tǒng)成本低、性能穩(wěn)定可靠,應(yīng)用前景好。因此,本次設(shè)計的汽車測距防撞系統(tǒng)中采用了超聲波測距技術(shù),利用超聲波來實時測量車輛與障礙物之間的距離,當該距離達到設(shè)定的報警距離時,報警器發(fā)出報警,提醒駕駛員正確操縱測量,以實現(xiàn)車輛的安全避障。它的測量原理是基于測量渡越時間(發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔)。由渡越時間和介質(zhì)中的聲速即可求得目標與傳感器的距離[11]。2.3超聲波測距工作原理一般,人們的耳朵能夠聽到的聲波頻率范圍是由2KHz到20KHz。一般把20KHz以上的聲波叫做超聲波(UltrasonicWaves)。超聲波具有波長較短,繞射小,能夠成為射線而定向傳播。超聲波的頻率越高,就越與光波的某些特性(如反射、折射)相似。超聲波的這些特性使其在檢測技術(shù)中獲得廣泛的應(yīng)用[3]。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與聲波傳播方向的不同,聲波的波的形式也不同,一般有以下的種類:縱波(Longitudinalwave,L波),質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波,它能在固體、液體和氣體中傳播;橫波(Shearwave,S波)質(zhì)點振動方向垂直于振動方向的波,它只能在固體中傳播。表面波(Surfacewave,Raleigh波)質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間,沿表面?zhèn)鞑?振幅隨深度增加而迅速衰減的波。由以上分類能夠看出,只有縱波能夠在氣體中傳播。因此,當前在空氣中的超聲波測量系統(tǒng)大多數(shù)依靠縱波實現(xiàn)。從低頻到高頻依次為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波,而實際測量用的超聲波主要集中在頻率為2×104～2×106Hz的范圍內(nèi)。其中,靠近低頻段主要用于空氣和液體介質(zhì)中的測量系統(tǒng),中頻和高頻主要集中于固體介質(zhì)的測量。這主要是由于介質(zhì)對聲波能量的吸收隨聲波頻率的升高而增加,頻率越高,聲波在介質(zhì)中衰減就越快。而在固體介質(zhì)中,測量的量程比較短(例如超聲波探傷,測工件厚度)。在液體和氣體中,測量的量程比較長(例如空氣中的超聲波測距,海洋中測深度),因此,氣體和液體中測量所選擇的聲波頻率就要比固體介質(zhì)中低[10]。超聲波測距是經(jīng)過不斷的檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,從而測出發(fā)射和接收回波的時間差T,則超聲波發(fā)生器與障礙物之間的距離S為:S=C×T/2(2.3.1)式中,C為超聲波波速,由于超聲波也是聲波,故C即為音速。音速為(2.3.2)式中,γ———氣體的絕熱體積系數(shù)(空氣為1.4);p———氣體的氣壓(海平面為1.013×Pa);ρ0———氣體密度(空氣為1.29kg/)。對于1mol空氣,質(zhì)量為m,體積為V,則密度ρ0=m/V,故C=γp/ρ0=γpV/m(2.3.3)對于理想的氣體,有pV=RT式中,R為摩爾氣體常熟;T為絕對溫度。因此,C=γRT/m由于γ、R、m均為已知常數(shù),故聲速C僅與溫度T有關(guān),若溫度不變,則聲音在空氣中速率與壓強無關(guān)。表2.1中列出幾種不同溫度下的聲速。在使用時,如果溫度變化不大,則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高,則應(yīng)經(jīng)過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后,只要測得超聲波往返時間,即可求得距離。表2.1超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度(℃)-30-20-100102030100聲速(m／s)313319325323338344349386一般的超聲波測距是由超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出的超聲波,超聲波在介質(zhì)中傳播到被測物體,產(chǎn)生反射,由接收傳感器接收反射波,傳感器到被測物體的距離有超聲波的傳播時間和速度確定。假定聲速c在同一介質(zhì)中為常數(shù)。如果介質(zhì)的物理參數(shù)發(fā)生變化,聲速會發(fā)生變化,在精確測距中是不可忽略的,為此要對聲速進行補償,補償公式如下:(2.3.4)式中:C為超聲波在空氣中的傳播速度,γ為氣體定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為1.40,R為氣體普氏常量,T為絕對溫度,T=273K+TC(實際溫度)。代入以上各個參數(shù)取值,得到近似公式為:C=+0.607×(2.3.5)式中,CO為零度時的聲速323m/s。只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差T以及現(xiàn)場環(huán)境溫度TC,就能夠精確計算出從發(fā)射點到障礙物之間的距離。

3系統(tǒng)方案設(shè)計汽車防撞預警系統(tǒng)是指在汽車行駛過程中防止汽車發(fā)生碰撞障礙物的一種智能報警裝置。它能自動發(fā)現(xiàn)可能與汽車發(fā)生碰撞的障礙物體,而且同時檢測汽車與障礙物之間的距離,到達極限距離時發(fā)出報警信號以避免碰撞的發(fā)生。根據(jù)題目要求,汽車防撞報警器的功能主要有兩個:判斷汽車與障礙物之間的距離和當汽車與障礙物之間的距離到達臨界距離時發(fā)出報警信號。3.1設(shè)計總體思路概況汽車防撞預警系統(tǒng)的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收,用計時器計出超聲波從發(fā)射到接收到遇到障礙物后反射聲波的時間經(jīng)過公式計算出汽車與障礙物之間的距離。3.1.1方案對比當前,超聲波信號采集系統(tǒng)主要有以下幾種方案:(1)由一對超聲波傳感器和一些電子元器件組成的,這種系統(tǒng)功能單一,只用來探測物體存在與否,不能滿足障礙物判別系統(tǒng)的要求。(2)由單片機控制超聲波傳感器的測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)簡單、方便,實現(xiàn)起來容易。(3)用計算機或可編程控制器(PLC)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡控制多個傳感器的方式,這種方式多用于工業(yè)生產(chǎn)中。因此,本設(shè)計采取單片機控制超聲波傳感器的測距系統(tǒng)。3.1.2系統(tǒng)的特點本系統(tǒng)有如下特點:(1)采用AT89C51來控制超聲波傳感器可靠性高,抗干擾能力強;控制程序可變,具有很好的柔性;編程簡單,使用方便。(2)系統(tǒng)小型化本系統(tǒng)是一個小型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。在其電路設(shè)計中,盡量考慮使用新型及功能較強的集成電路,盡量簡化電路。(3)低功耗,高可靠性。3.2系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)檢測距離的原理是經(jīng)過單片機發(fā)出40kHz的方波串后,檢測接收端是否接收遇障礙物反射的回波,同時利用單片機計算出收到回波所用的時間t和確定超聲波所處溫度下空氣傳播的速度,障礙物到汽車尾部距離為v×t/2,根據(jù)測出來的相應(yīng)距離,經(jīng)過CPU計算后判斷作出報警響應(yīng)等相應(yīng)的控制。為了能夠?qū)崿F(xiàn)準確地測出障礙物到汽車的距離,盡量減少誤差,采取算法為:兩對超聲波收發(fā)傳感器分別安裝在車頭,兩者相隔1.6m,如圖3.1所示,A,B分別代表兩對超聲波收發(fā)器,AB=1.6m,假設(shè)F代表障礙物,聲波的傳播速度為v,B到F所用時間為t1,A到F所用時間為t2,由于聲波傳播是來回反射的,則BF=v×t1/2,AF=v×t2/2,也就是只要把時間t1與t2確定下來就能夠計算出BF與AF,然后利用海倫公式,設(shè)L=(AF+BF+AB)／2(3.3.1)有(3.3.2)這就能夠求出ABC的面積為S,EF=2S／AB,其中EF就是汽車頭到障礙物的距離[9]。EAFEAFB圖3.1測距算法3.3系統(tǒng)方框圖汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖如圖3.2所示。該系統(tǒng)全部由單片機AT89C51控制,超聲波發(fā)射電路能在單片機的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號之后送人單片機進行處理。算出車與障礙物之間的距離,將處理結(jié)果送入顯示電路進行顯示,再按照技術(shù)指標的要求由聲光報警電路進行報警。超聲波接收超聲波發(fā)射溫度傳感器單片機控制顯示距離超聲波接收超聲波發(fā)射溫度傳感器單片機控制顯示距離報警器圖3.2超聲波測距報警系統(tǒng)圖

4硬件電路設(shè)計此系統(tǒng)是在單片機的控制下,利用超聲波測距原理,測量汽車在倒車過程中與障礙物之間的距離。當汽車與障礙物的距離小于安全距離時,發(fā)出蜂鳴聲并顯示車輛與障礙物之間的距離,提醒駕駛員及時采取減速或剎車等措施,以防發(fā)生事故。整個系統(tǒng)的硬件由發(fā)送部分、接收處理部分、溫度檢測部分、顯示及聲光報警部分組成。4.1超聲波傳感器的發(fā)射電路超聲波發(fā)射器包括兩個部分:超聲波產(chǎn)生電路部分和超聲波發(fā)射控制電路部分。超聲波探頭采用TCT40。單片機P1.0端口輸出40KHz的超聲波信號,此時定時器開始計時。經(jīng)過輸出引腳輸入,經(jīng)驅(qū)動后推動發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波,此方法充分利用了軟件控制,靈活性好。超聲波發(fā)射電路設(shè)計圖如圖4.1所示。圖4.1超聲波發(fā)射裝置設(shè)計圖超聲波的發(fā)射電路主要由反相器74LS04和發(fā)射換能器構(gòu)成。AT89C51單片機P1.0口輸出的40kHz的方波信號分成2路,一路經(jīng)反向器后加到TCT40-16的一個電極,另一路經(jīng)過兩級反向器后加到TCT40的另一個電極,采用這種方式將P1.0發(fā)出的方波信號加到TCT40的兩端上,這樣能夠增強超聲波的發(fā)射強度。在加載反波信號時使用兩個74LS04并聯(lián),能夠提高驅(qū)動能力。而電阻R11、R12能夠增加超聲波換能器的阻尼效果,縮短了震蕩時間,還能夠提高換能器輸出高電平的驅(qū)動能力。4.2超聲波傳感器的接收電路超聲波接收器包括接收∕發(fā)射探頭、信號放大電路和波形變換電路三個部分。超聲波探頭采用RCT40。按照超聲波原理,微處理器需要的只是第一個回波的時刻。接收裝置的設(shè)計可用CX6A來完成。在空氣中傳播超聲波的其能量的衰減與距離是成正比的,距離越小、衰減越少,距離越大、衰減越多,一般都在1V之內(nèi)。圖4.2超聲波接收電路圖超聲波的接收裝置如圖4.2所示。超聲波的接收采用CX6A集成電路模塊實現(xiàn)。CX6由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。其中,電平自動控制電路ABLC能夠保證在輸入弱信號時,前置放大器有較高增益,而在輸入強信號時,前置放大器不會過載,使得CX6在一定遙控距離(約10m)內(nèi)工作可靠。本設(shè)計中,CX6芯片的5腳連接了一個外接電阻R21,該電阻能夠調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率。R21的阻值越大,濾波器的中心頻率就越低,變化范圍在30～60kHz之間。CX6對接收到的信號具有放大、濾波的作用。當接收到的超聲波信號經(jīng)由放大器,調(diào)整信號的頻率,然后濾波消除干擾信號,最后再經(jīng)過整形,由CX6的7腳輸出。當接收到的聲波信號與CX6的中心頻率相符時,它的7腳就會低電平輸出,而7腳接到INT0引腳上,這樣就會中斷。若頻率和CX6的中心頻率不同時,即可調(diào)節(jié)R21,使濾波器的中心頻率與超聲波測距的頻率相符。CX6有8個引腳管腳1是超聲波信號輸入端;管腳2的電阻和電容決定接收換能器的總增益,經(jīng)過增大或者減小電阻電容,確定放大倍數(shù)。管腳3與GND之間連接的電容起到檢波作用;管腳5上的連接一個電阻,這個電阻用來設(shè)置濾波器的中心頻率;管腳6與GND之間接入一個電容,該電容確定探測距離;管腳7是集電極開路輸出端:管腳8接電源正極。4.3溫度補償電路為了方便對溫度信號進行采集和處理,我用了DALASS公司的DS18B20集成溫度傳感器對超聲波的傳播速度進行溫度補償。DS18B20采用了1-WIRE總線技術(shù),能夠只占單片機一個I/O接口的情況下進行工作,方便了使用者對其的調(diào)試使用,而且它在零下十攝氏度到八十五攝氏度的工作環(huán)境下能夠保持±0.005的精度,足以為超聲波測距裝置提供精度范圍。圖4.3所示為溫度補償設(shè)計圖。兩個按鍵開關(guān)用于控制測量的開始與結(jié)束之間的切換。DS18B20硬件性能穩(wěn)定,接口簡單,只需一根接口線就能連接起來。DS18B20溫度傳感器里面有兩個晶振,低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨外界溫度的變化基本上沒有影響,因此低溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的信號是固定頻率的,這樣便把它產(chǎn)生信號發(fā)送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振和低溫度系數(shù)晶振正好相反,它在溫度變化很大的時候,它的振蕩頻率隨著溫度發(fā)生很大的變化,因此計數(shù)器2的脈沖輸入信號我們使用高溫度系數(shù)的信號輸入。由于計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號進行減法計數(shù),當計數(shù)器1的值減少到0時,溫度寄存器的數(shù)值就加1,計數(shù)器1的數(shù)值就回重新裝入,計數(shù)器1在重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù),這樣一直循環(huán),一直到計數(shù)器2計數(shù)到0時,停止對溫度寄存器數(shù)值的累加,這時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖4.3溫度補償電路設(shè)計圖4.4顯示電路顯示電路中顯示測量距離我使用的是4位共陽的LED數(shù)碼管,它簡單實用而且價格便宜。段碼使用74LS245芯片驅(qū)動,位選使用四個PNP三極管來驅(qū)動,顯示電路設(shè)計圖如圖4.4顯示電路設(shè)計圖所示。圖4.4顯示電路設(shè)計圖4.5報警電路報警電路采用蜂鳴器實現(xiàn)。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子發(fā)聲器,廣泛應(yīng)用于當今生活中,特別在計算機、報警器、復印機、打印機、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機等電子設(shè)備制造中作為發(fā)聲的器件而廣泛應(yīng)用。它分為兩種類型,一種是壓電式蜂鳴器,另一種是電磁式蜂鳴器。壓電式蜂鳴器主要由壓電蜂鳴片、多諧振蕩器、共鳴箱阻及抗匹配器還有外殼等部分組成。壓電蜂鳴片是由鈮鎂酸鉛或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制造而成。把在陶瓷片的表面鍍上金屬電極,經(jīng)過極化處理和老化處理之后,再與不銹鋼鋼片粘貼在一起就制成了壓電蜂鳴片。而多諧振蕩器由集成電路或者晶體管構(gòu)造而成。當電極兩端接通電源以后,多諧振蕩器開始振動,輸出音頻信號,然后阻抗匹配器便能推動壓電蜂鳴片發(fā)出聲音。電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、磁鐵、振動膜片、電磁線圈和外殼等部分組成。在兩極接通電源之后,振蕩器能夠產(chǎn)生的音頻信號,信號經(jīng)過電磁線圈,便會使電磁線圈生成磁場。這樣振動膜片便會在磁鐵和電磁線圈的作用下,周期性重復的振動從而發(fā)出聲音。本設(shè)計采用壓電式蜂鳴器,電路設(shè)計如圖4.5所示。當車輛與障礙物之間的距離小于報警閾值時,P2.0口輸出低電平,三極管Q5導通,蜂鳴器發(fā)出報警聲,實現(xiàn)近距離報警功能。圖4.5報警裝置設(shè)計圖

5系統(tǒng)軟件設(shè)計超聲波傳感器安裝在汽車的尾部,其接收和發(fā)射傳感器距離較近,之間容易有較強的干擾信號。為防止誤測現(xiàn)象,在軟件上采用延遲接收技術(shù),提高系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)初始化,首先完成對溫度的采集,確定該溫度下的超聲波速度,若控制鍵被按下,發(fā)出聲光報警,告知周圍人員該車正在進行倒車,同時發(fā)出發(fā)射超聲波的指令,同時T0計數(shù)器進行計數(shù),收到反射波后T0停止計數(shù),以此計算出發(fā)射和接收超聲波的時間間隔;最后經(jīng)過數(shù)值處理程序計算出被測的距離,送顯示器顯示。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,由主程序、測距子程序、測溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。主程序框圖如圖5.1所示。圖5.1主程序流程圖

總結(jié)本文從引起超聲測距誤差的原因入手,分析了溫度對超聲波聲速的影響,回波檢測對時間測量的影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)出以AT89C51單片機為核心,采用40KHz壓電超聲波傳感器,應(yīng)用于汽車防撞測距的報警裝置。超聲波測距電路能夠由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建,可是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差,調(diào)試困難,可擴展性差,因此基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波,單片機經(jīng)過采樣獲取到超聲波的傳播時間,用軟件來計算出距離,而且能夠采集環(huán)境溫度進行測距補償,其測量電路小巧,精度高,反映速度快,可靠性好?；趩纹瑱C的超聲波的測距系統(tǒng)的設(shè)計包含了:電路分析、數(shù)字、模擬電路和單片機、EDA、傳感器、C語言等方面的知識,另外還有選材購買、動手制作等方面。因此具有很高的參考價值,同時,該設(shè)計的方案也是來源于生活中廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,有很強的應(yīng)用價值。單片機的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計思路,以前構(gòu)建一個系統(tǒng)需用用很多的數(shù)字模擬器件或者電路單元來構(gòu)建,系統(tǒng)可靠性差、缺乏靈活性、維護不便、成本高、無法實現(xiàn)智能化等諸多缺點。單片機的應(yīng)用解決了很多問題,現(xiàn)在只要寫一個軟件,經(jīng)過單片機和一些簡單的外接電路就能夠?qū)崿F(xiàn)具有很多功能的、而且具有智能化的系統(tǒng),同時可方便升級維護。因此單片機的應(yīng)用廣泛,在日常生活和生產(chǎn)中占用重要位置。因此我們設(shè)計選擇了單片機的系統(tǒng)其說明我們深深的意識到它的重要作用。雖然在本次畢業(yè)設(shè)計中已經(jīng)經(jīng)過認真的思考,可是還有很多不足的地方。在本設(shè)計中沒有把汽車速度的測量設(shè)計到汽車防撞預警系統(tǒng)中去,對于這一方面還沒有充分的研究。對于測速的初步想法就是利用多普勒效應(yīng)測出汽車的行駛速度,然后根據(jù)測出的速度確定汽車與障礙物之間的極限安全距離在由單片機智能控制發(fā)出報警信號。

致謝四年的大學時光轉(zhuǎn)眼即逝,經(jīng)過四年的刻苦學習,半年多的精心準備,畢業(yè)設(shè)計最終圓滿完成。在設(shè)計過程中,由于知識學的不透徹,致使壓力很大,每一次在圖書館中學習,每一次在網(wǎng)上收集最新研究動態(tài),都極大擴展了自己的知識面。感謝我的指導老師董老師在這次畢業(yè)設(shè)計中對我的悉心指導。這次畢業(yè)論設(shè)計沒有你對我專業(yè)知識上的指導,我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計。借此機會,向你表示由衷的感謝。感謝幫助我的同學們,在這次畢業(yè)設(shè)計中你們給我提出很多寶貴的意見,在此真誠謝謝你們的幫助。感謝我的室友們,為我創(chuàng)造一個和諧融洽,相互促進的學習環(huán)境中,祝她們在以后的工作和生活中一切順利。最后我要深深地感謝我的家人,無論我身處順境還是逆境,你們都給予我無限的理解和支持,你們是我的堅強后盾,正是你們的支持,才使我有足夠的勇氣戰(zhàn)勝成長路上的一切困難,順利的完成大學學習。

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附錄1:汽車防撞系統(tǒng)原理圖汽車防撞系統(tǒng)原理圖

附錄2:程序清單程序清單:;********************************************;*中斷入口程序*;********************************************;ORG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPPINT0ORG000BHretiORG0013H RETI ORG001BH LJMPINTT1 ORG0023H RETI ORG002BH RETI;;********************************************;*主程序*;********************************************;START:MOVSP,#4FHMOVR0,#40H;40H-43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元(40H為最高位)MOVR7,#0BHCLEARDISP:MOV@R0,#00HINCR0DJNZR7,CLEARDISPMOV20H,#00HMOVTMOD,#11H;T1為T0為16位定時器MOVTH0,#00H;65毫秒初值MOVTL0,#00HMOVTH1,#00HMOVTL1,#00HMOVP0,#0FFHMOVP1,#0FFHMOVP2,#0FFHMOVP3,#0FFHMOVR4,#04H;超聲波脈沖個數(shù)控制(為賦值的一半)SETBPX0SETBET1SETBEASETBTR1;開啟測距定時器start1:LCALLDISPLAYJNB00H,START1;收到反射信號時標志位為1CLREALCALLWORK;計算距離子程序 lcallbaojingclrEAMOVR2,#32h;#64H;測量間隔控制(約4*100=400MS)LOOP:LCALLDISPLAYDJNZR2,LOOPCLR00Hsetbet0movth0,00hmovtl0,00hSETBTR1;重新開啟測距定時器SETBEASJMPStart1;;****************************************************;*中斷程序**;****************************************************;T1中斷,發(fā)超聲波用;T1中斷,65毫秒中斷一次INTT1:CLREACLRTR0clrex0MOVTH0,#00HMOVTL0,#00HMOVTH1,#00HMOVTL1,#00HSETBET0SETBEASETBTR0;啟動計數(shù)器T0,用以計intt11:CPLVOUT;40KHZnopnop;nop;nop;nop;nop;nop;nop;nopDJNZR4,intt11;超聲波發(fā)送完畢,MOVR4,#04Hlcalldelay_250;延時,避開發(fā)射的直達聲波信號SETBEX0;開啟接收回波中斷RETIOUT:RETI;外中斷0,收到回波時進入PINT0:nopjbp3.2,pint0_exitCLRTR0;關(guān)計數(shù)器CLREA;CLREX0;MOV44H,TL0;將計數(shù)值移入處理單元MOV45H,TH0;movth0,#00hmovtl0,#00hjnbp3.2,$SETB00H;接收成功標志pint0_exit:RETI;;****************************************************;*顯示程序*;****************************************************DISPLAY: MOVR1,#40H;GMOVR5,#7fH;GPLAY:MOVA,R5MOVP0,#0FFHMOVP2,AMOVA,@R1MOVDPTR,#TABMOVCA,@A+DPTRMOVP0,ALCALLDL1MSINCR1MOVA,R5JNBACC.4,ENDOUT;GRRAMOVR5,AAJMPPLAYENDOUT:MOVP2,#0FFHMOVP0,#0FFHRET;TAB:DB18h,7Bh,2Ch,29h,4Bh,89h,88h,3Bh,08h,09h,0ffh;共陽段碼表"0""1""2""3""4""5""6""7""8""9""不亮""A""-";;****************************************************;*延時程序*;****************************************************;DL1MS:push06hpush07hMOVR6,#14HDL1:MOVR7,#19HDL2:DJNZR7,DL2DJNZR6,DL1pop07hpop06hRET;;****************************************************;*距離計算程序(=計數(shù)值*17/1000cm)*;****************************************************;work: PUSHACCPUSHPSWPUSHBMOVPSW,#18hMOVR3,45HMOVR2,44HMOVR1,#00DMOVR0,#17DLCALLMUL2BY2MOVR3,#03HMOVR2,#0E9HLCALLDIV4BY2LCALLDIV4BY2MOV40H,R4MOVA,40HJNZJJ0MOV40H,#0AH;最高位為零,不點亮JJ0:MOVA,R0MOVR4,AMOVA,R1MOVR5,AMOVR3,#00DMOVR2,#100DLCALLDIV4BY2MOV41H,R4MOVA,41HJNZJJ1MOVA,40H;次高位為0,先看最高位是否為不亮SUBBA,#0AHJNZJJ1MOV41H,#0AH;最高位不亮,次高位也不亮JJ1:MOVA,R0MOVR4,AMOVA,R1MOVR5,AMOVR3,#00DMOVR2,#10DLCALLDIV4BY2MOV42H,R4MOVA,42HJNZJJ2MOVA,41H;次次高位為0,先看次高位是否為不亮SUBBA,#0AHJNZJJ2MOV42H,#0AH;次高位不亮,次次高位也不亮JJ2:MOV43H,R0 POPBPOPPSWPOPACCRET;;****************************************************;*兩字節(jié)無