基于超声波的汽车防撞系统设计.doc
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1、摘摘 要要 随着中国工业经济的不断高速发展,汽车行业成为了促进中国经济发展的不可 或缺的一部分,近年来我国高速公路追尾碰撞事故频繁发生,而车载追尾碰撞预警 系统在解决高速公路行车安全中具有良好的前景,科学技术的快速发展使得超声波 技术在汽车领域中的应用越来越广泛。本文对超声波汽车防撞系统进行了理论分析, 利用模拟电子、数字电子、微机接口技术、超声波换能器、以及超声波在介质中的 传播特性等知识,采用以 stc89c51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字 显示超声波测距的硬件电路和软件电路设计方法在此基础上设计了系统的总体方案, 最后通过硬件个软件实现各个功能模块。 该设计由超声波发射模块
2、、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声 光告警显示模块等部分组成,文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法 以及软件结构。超声波发射模块中采用 555 定时器构成的时基电路,接收电路使用 SONY 公司的 CX20106A 红外检测专用芯片,该芯片常用于 38kHz 的检波电路, 文中通过对芯片内部电路的仔细分析,设计出能够成功对 40kHz 超声波检波的硬 件电路,并且增益可调,与传统超声波检波电路相比,电路变得精简,调试变得相 对容易。测距器使用数码管显示目标物的距离。 为了保证超声波汽车防撞系统的可靠性和稳定性,采取了相应的抗干扰措施。 就超声波的传播特性,超声波换能器的工
3、作特性、超声波发射装置、接收装置、 超声微弱信号放大、波形整形、速度变换电路及系统功能软件等做了详细说明.实 现障碍物的测距、显示和报警,超声波测距范围 0.6-2.0 米,精度在 10 厘米左右。 关键词:汽车防撞报警系统、STC89C51、传感器、LED 显示、测量距离 Abstract With the rapid development of China industrial economy, the automotive industry has become an indispensable part of China promote economic development in
4、 recent years, the rear end collision accidents occur frequently in China, and the vehicle rear end collision warning system in the settlement of expressway traffic safety has a good prospect, the rapid development of science and technology makes the ultrasonic technology applied in automotive more
5、widely in the field of. This paper analyses the theory of ultrasonic wave automotive collision avoidance system, the use of analog electronics, digital electronics, computer interface technology, ultrasonic transducer, and the ultrasonic propagation in the medium of knowledge, using low cost, using
6、STC89C51 microcontroller as the core of the hardware circuit and software design method of the circuit of high precision, miniaturization digital display ultrasonic ranging in on the basis of the overall system design, the hardware software implementation of each functional module. The design is com
7、posed of ultrasonic transmitting module, the signal receiving module, microcontroller module, digital display and sound and light alarm display module and other components, this paper introduces in detail the range of hardware devices, measuring principle, method and structure of software. The time
8、base circuit module 555 timer used a special chip CX20106A, ultrasonic, infrared detection receiving circuit using the SONY company, the chip used in the detector circuit 38kHz, careful analysis of the internal circuit in this paper, the hardware circuit design can successfully 40kHz ultrasonic dete
9、ction, and adjustable gain, compared with the traditional ultrasonic detection circuit, the circuit is simplified, the debugging easier. The range finder using digital tube display distance of object. In order to ensure that the ultrasonic wave automotive collision avoidance system reliability and s
10、tability, take the corresponding anti-interference measures. On the ultrasonic propagation characteristics, job characteristics, the ultrasonic transducer ultrasonic transmitting device, receiving device, ultrasonic signal amplification and waveform shaping, speed converter circuit and system functi
11、on of software in detail. The ranging, obstacle of display and alarm, ultrasonic distance measurement range of 0.6-2.0 meters, the accuracy of about 10 cm. Keywords: anti-collision alarm system, STC89C51, sensor, LED display, measuring the distance of car 目目 录录 摘 要I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 课题研究现状及其
12、发展意义1 1.2 汽车防撞系统的发展过程2 1.3 超声波简介3 1.4 本课题的主要研究内容4 第 2 章 总体设计方案.4 2.1 设计总体思路概况4 2.2 超声波发生器4 2.3 超声波测距原理4 2.4 超声波传感器5 2.5 控制系统方框图5 2.6 超声波发射部分的设计6 2.7 超声波接收器的设计6 2.8 影响精度的因素分析8 2.9 提高精度的方案及系统设计8 2.10 温度补偿.9 2.11 显示电路的设计.11 2.12 本章小结.9 第 3 章 系统的硬件的设计和制作 12 3.1 芯片的功能及其测距原理.12 3.1.1 AT89C51 单片机的功能特点.12 3
13、.1.2 CX20106 功能特点.13 3.1.3 AT89C51 单片机实现测距原理.12 3.1.4 系统的特点13 3.2 超声波测距系统的硬件电路设计13 3.3 PCB 板制作14 3.4 本章小结13 第 4 章 系统的软件设计.18 4.1 软件设计.18 4.2 超声波测距仪的算法设计.19 4.3 主程序流程图.20 4.4 超声波发生子程序和超声波中断程序.22 4.5 显示部分.23 4.6 系统的硬件的调试.23 4.7 系统的软件的调试.23 4.8 本章小结.23 结 论24 参考文献.26 致 谢28 附 录29 第一章第一章 绪论绪论 曾几何时,汽车对很多家庭
14、来说是不敢想象的。但随着社会生产力的发展和经 济水平的大幅度提高,让百姓的收入日益鼓胀,解决了温饱问题的家庭开始走向小 康,表现得最明显的是交通工具的升级换代上:一些家庭开始购买汽车作为自己的 代步工具。 近几年我国汽车保有量逐年增加,2009 年的保有量为 6300 万辆,2010 年达到 7400 多万辆。按保守估计,未来国内汽车保有量能够达到 4.9 亿辆左右,即大约 350 辆/千人。对于汽车数量的大副度攀升,尽管国家在公路设施上不断地改进, 但道路上的车辆仍然还是越来越多,尤其在上下班时段完全避免不了公路上汽车拥 挤的现状。再加上在汽车设计上车速的不断提高,虽然公路上各路段都有限速,
15、但 撞车事件仍然在广大人民的生活中屡屡发生,给人们带来了巨大的人身伤亡和社会 财产的损失。 针对汽车拥挤的现状,设计一种反应快,稳定性好而且经济实用的汽车防撞报 警系统对当今现状是势在必行的。汽车防撞系统是一种向司机的报警装置,此防撞 报警系统能将在汽车行驶和倒车过程中自动检测障碍物,然后通过超声波测距原理 测出汽车与障碍物之间的距离,并将距离显示出来,当汽车与障碍物之间的距离达 到极限时。系统发出声光报警,达到提醒司机防止撞车的目的。 1.1 课题研究现状及其发展意义课题研究现状及其发展意义 随着社会经济发展的不断进步,汽车的数量逐年增加,汽车拥挤的现状不可避 免,而在汽车拥挤的情况下,恶性
16、事故屡屡发生,时刻威胁着人们的安全。我国交 通事故的年死亡人数远高于他国,分别是美国的 2.3 倍、德国的 18.4 倍、日本的 13.4 倍。当现代家庭充分的享受汽车带来方便的同时,也为此付出了沉重的代价。 据统计,我国自 2010 年至 2010 年,已有 150 多万人死于道路交通事故,其中大 部分的道路交通事故为汽车追尾碰撞事故。面对当今这种现状,设计出一种反应快, 稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统势在必行。 防撞预警自动测量的技术应运而生,尤其非接触式测量技术发展卓越。在大多 情况下,测量与障碍物之间的距离是不能够接触到障碍物的,在这种时候就会用到 非接触式测量设备。在物理学中
17、人们发现了电子学技术产生的超声波后,从此超声 波技术在测量领域得到了广泛的运用,尤其是在超声波测距方面,结合了其他技术, 用超声波测距变得十分常用。 超声波在介质中传播的距离较远,分辨力较高,且能量消耗小,利用超声波测 距比较方便而且速度快计算简单,容易做到实时控制,并且测量精度好,都能够达 到工业测量的需要。因此超声测距广泛应用于当今生活中,特别是应用于超声波测 距方面。超声波测距利用的是声波反射原理,声波在空气中传播避免了与介质接触。 与其它测距方式相比,超声测距不受颜色、光线和电、磁场的影响,使他受到 干扰的可能大幅度减少。它还具有可靠性能高、结构简单、价格便宜、安装方便等 优点。也能够
18、测量处于黑暗、烟雾、有灰尘、电磁干扰等恶劣环境中的障碍物。但 由于超声波传播时温度对声速影响比较大,使超声测距的精确度到了影响,在这里 可以采用温度补偿进行校正,能够消除温度对其的影响。 1.2 汽车防撞系统的发展过程汽车防撞系统的发展过程 国际上对汽车防撞的研究开始于二十世纪六十年代,以德、美、日为代表的西 方国家内开始研究,与众多汽车制造厂商合作,制造出世界上第一批汽车防撞报警 器。但局限于当时器件的发展水平和单片机成本过高,导致报警器难以做到体积轻 巧、结构简单、价格便宜。些外,报警器的干扰因素很多,在实验室制造的样机, 对许多干扰因素考虑不全面,使在实际得应用中,防撞效果并不让众多研究
19、者满意。 二十世纪末,奔驰公司组织,计划将组合通信、传感器、智能技术结合于于一 个系统中,改进了汽车的经济性、安全性和有效性,在这次研究中研制出了性能优 良的汽车防撞报警器,能够帮助驾驶员避免发生交通事故。使得制造出低成主本、 高性能的汽车防撞雷达成为可能。 欧盟 RadarNet 研究项目整合己有研究成果,研制新型多功能汽车防撞雷达。 其中,德国的汽车生产厂商奔驰公司和英国的电子生产厂商劳伦斯电子公司强强连 和,成功研制出了超声波频率为 35G 赫兹可报警距离为 150 米的汽车防撞报警雷达, 系统能够智能计算出汽车与前方障碍物的距离和两者之间的相对运行速度,并且根 据自身行驶速度计算出汽车
20、与障碍物之间的安全距离,当汽车与障碍物之间或与前 车之间的距离小于计算出的安全距离时,预警系统便会发出声音报警信号,提醒司 机避开障碍物或者紧急停车。这种预警雷达适合于在轿车、客车上使用,应用了汽 车防撞预警系统能够对于恶性交通事故的发生起到了较好的预防作用。 1.3 超声波简介超声波简介 众所周知,当物体在振动的时候就能够发出声音。但是人类耳朵只能听到频率 为 2020000 赫兹的声波。当声波的振动频率不在这个范围时的声音人类是听不见 的。根据这种情况,人们规定把声波频率高于 20KHZ 的声波称为“超声波” 。由于 超声波具有方向性好,抗干扰能力强,穿透能力强等优点。在现实生活中有着不可
21、 替代的作用它常用于清洗,测距,测速等。 实际测试发现,相同振幅下, 振动频率和物体振动的能量是成正比的,当超声波 传播时,声波振动频率很高,物体的震动能量也很大。在现实生活中我们充分的利用 了这些能量,例如超声波加湿器,它是把超声波发射到水罐中,物体震动的巨大能 量能够使水罐中的水升华成雾气,在把雾气吹入到空气中,这样就使空气的湿度增加。 除此之外应用超声波还可以做很多方便现实生活的实用工具,本文介绍的汽车防撞 装置也是应用超声波的原理制成的。 超声波是声波大家族中的一员。声波指的是物体在机械振动下,物质的质点在 其平衡位置进行的往返运动状态。例如鼓经过敲打之后,鼓面就会上下振动,振动 通过
22、空气向四面八方进行传播,这就是声波。超声波就使频率很高的声波。超声波 在现实生活中能够光泛应用,是因为超声波有以下几种特性,它能够在气体、固体、 液体、等介质中进行传播,能够传递巨大的能量,能够发生反射、干涉和共振的现 象,并且超声波在液体中进行传播时,可以产生剧烈的空化和冲击的现象。 虽然人类的耳朵听不见超声波,但是不少动物却拥有此项能力。他们就是利用 超声波来捕捉猎物,并且能够避开障碍物。好多人们疑问为什么蝙蝠能够在完全黑 暗的情况下还能够分析在哪能够捕食和避开障碍物。其实蝙蝠就是利用它听到的超 声波而进行在黑暗中自己定位的。蝙蝠通过自己的嗓子发出超声波,超声波发出之 后四面八方的发射出去
23、,当超声波遇到障碍物之后发生反射,这种反射回来的超声 波进入到蝙蝠的耳朵中,蝙蝠听到超声波后,就能自己判断出障碍物或者猎物的位 置。然后快速的判断出来从而能够自在的在空中飞翔。 国内的超声波研究照比其它国家起步较晚,人们在发现正压电效应和逆压电效 应之后,超声波才逐渐应用于电子行业、清洗机械器件、军事、塑料焊接、金属焊 接、医学等等领域。尤其在医学方面的应用尤为广泛,超声波在人体里传播时,当 超声波在人体内的传播时如果遇到障碍物,超声波便会发生反射和折射。由于每个 人的组织结构都是不同的所以他们对于超声波的吸收能力也不同。这种差别在通过 仪器设备把他们显示出来,医生便能通过这种差别便能够判断出
24、身体是否发出病变。 1.4 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 (1)研究国内外汽车防撞系统研究现状及发展历史,理解本课题研究的意义; (2)分析各种汽车防撞系统的基本原理和优缺点; (3)提出改进汽车防撞系统的对策 (4)设计一种新型的汽车防撞系统,给出设计电路图。 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案 汽车防撞预警系统是指在汽车行驶过程中防止汽车发生碰撞障碍物的一种智能 报警装置。它能自动发现可能与汽车发生碰撞的障碍物体,并且同时检测汽车与障 碍物之间的距离,到达极限距离时发出报警信号以避免碰撞的发生。根据题目要求, 汽车防撞报警器的功能主要有两个:判断汽车与障碍物之间的距离和当汽
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- 基于 超声波 汽车 系统 设计
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