基于超声测距的汽车防撞系统本科.docx
《基于超声测距的汽车防撞系统本科.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于超声测距的汽车防撞系统本科.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于超声测距的汽车防撞系统本科
本科毕业论文（设计、创作）
题目：
基于超声测距的汽车防撞系统
学生姓名：
学号：
所在院系：
专业
入学时间：
年月
导师姓名：
职称/学位：
导师所在单位：
完成时间：
年月
基于超声测距的汽车防撞系统
摘要近年来，我国高速公路追尾碰撞事故频频发生，而汽车追尾碰撞预警系统在道路行车安全中具有良好的发展前景。
为了减少周围障碍物对驾驶员的干扰，帮助驾驶员感知障碍物的位置能够提前有效的避开。
因此本次设计采用超声波测距系统，作为汽车的安全行驶辅助装置，该系统能够通过语言报警和更为直观的LED显示功能提醒驾驶员注意安全，提高了停车的安全。
本设计的硬件部分主要由主控制电路和超声波发射电路、接收电路电路构成，以及辅助的显示电路、电源电路和语音报警电路等，软件部分则由超声波收发子程序、计时子程序、显示子程序及语音报警子程序等部分组成。
由于超声波在空气中传播速度是固定的，因此本设计由STC89C51单片机来计算超声波从发射到被接收的往返时间，从而计算出传输距离实现实时测量距离的目的。
该设计的电路设计部分合理简单、操作稳定、性能优越、测距速度快、计算方法简单迅速、容易达到实时监控的目的，并且达到了工业实用上的测量误差要求。
关键词：
STC89C51、超声波、数码管、语音报警
Theautomotiveanti-collisionsystem
basedonultrasonicdistancemeasurement
AbstractInrecentyears,highwayrear-endcollisionaccidentoccurredfrequentlyinourcountry,theautomobilerear-endcollisionwarningsystemhasgooddevelopmentprospectinroadsafety.Aroundinordertoreduceobstaclestothedriver'sinterference,helpthelocationofthedriver'sperceivedbarrierscaneffectivelyavoidaheadoftime.Thereforethedesignofultrasonicrangingsystem,asacar'ssafetydrivingassistdevice,thesystemcanalarmthroughlanguageandmoreintuitiveLEDdisplaytoremindthedriverpayattentiontosafety,toimprovethesafetyofparking.
Hardwarepartofthisdesignismainlycomposedofmaincontrolcircuitandultrasonictransmittingcircuit,receivingcircuitcircuitcomposition,aswellastheauxiliarydisplaycircuit,voicealarmcircuitandpowercircuit,softwarepartbyultrasonictransceiversubprogram,timersubroutineanddisplaysubroutineandvoicealarmsubroutineandotherparts.Duetothepropagationvelocityofultrasonicwaveinairisfixed,thereforethisdesignbySTC89C51singlechipmicrocomputertocalculatetheround-triptimeofultrasoundfromlaunchtobeaccepted,andtransmissiondistanceiscalculatedtoachievethepurposeofreal-timemeasuringdistance.Circuitdesignpartofthedesignissimpleandreasonable,superiorperformance,stableoperationrangefastcomputingmethodissimple,andeasytoachievethepurposeofreal-timemonitoring,andreachedtheindustrialmeasurementerroronthepracticalrequirements.
Keywords:
STC89C51,ultrasonic,digitaltube,voicealarm
第一章绪论
1.1课题研究的现状和发展历史及意义
随着社会的进步和科技的发展，生活水平和生活质量也日益提高，家庭小汽车拥有量也在随之增加，城市道路汽车拥堵的现状已经成为不可回避的问题。
而在现今汽车拥挤的情况下，城市道路拥堵所引起的交通事故屡见不鲜，对人民生命财产的威胁与日俱增，影响人民的正常生活。
道路交通事故死亡率居高不下俨然已经成为世界性的社会问题。
当现代人在享受科技发展所带来便捷和愉悦的同时，也面临巨大风险为此付出了惨痛的代价。
我国道路交通事故频繁发生，其中大部分都为碰撞事故。
面临当今交通安全现状，设计了一个响应速度快，稳定性好，经济实用的车辆碰撞预警系统迫在眉睫。
技术的发展以及社会的需求催生了防撞预警自动测量技术的诞生。
通常情况下，如果现实要求或者技术发展达不到可以直接测量的地步，我们就不得不采用非接触式设备来测量不能接触到的障碍物。
随着物理学的发展超声波测距被发现并广泛应用到测量领域，在汽车防撞系统的测量上十分常用。
超声波在传播介质的分辨力高，能量小，传输距离长等，利用声波测距可以实现实时控制，也使得计算更加便捷。
由于测量精度高，因此超声测距在工业设计和日常生活上被广泛应用。
设计是基于声波反射原理，根据声波在空气中固定的传输速度来实现测距功能。
通过计算声波由发射到接收的时间差以确定测距距离，同时由于超声测距受外界色彩效果、阳光强度和电磁场干扰的影响较小，具有性能稳定可靠性、结构简单、价格低廉、易于拆装等优点。
在阴暗、能见度低、地形复杂和强烈电磁干扰的情况下，依然可以正常工作，实现测距功能并能保持稳定性和可靠性。
相对于红外和无线电测距而言，采用超声波距离不仅能节约成本，而且可靠性和稳定性更高，后期维护更加简单。
由于声波在空气中速度较慢，但输距离更远，反射的回波信号更容易被系统检测到，使得声波测距在生活中应用广泛。
超声波测距是简单快速，容易实现一点的实时控制，满足了日益发展的工业和人类生活活动的要求。
所以超声测距被广泛应用于车载倒车雷达方面，在空气测距中应用广泛。
超声波测距可以做到在避免与介质直接接触的情况下对物体进行测距，是一种非接触测量方法。
超声波测距在测距距离越短的情况下受外界光线和磁场影响越小，因此该系统只适合短距离测距。
由于超声波测距的精度受环境的影响，使得很难在测量精度要求很高的领域应用。
1.2汽车防撞系统的发展现状
在二十世纪六十年代初期，欧洲和美国为首的发达国家掀起了一股对汽车防撞系统研究的热潮。
在科研机构和制造厂家合作下，在理论研究和实际制造方面取得很大进展。
然而，这一时期模拟器件仍然占主导地位，电子器件的集成度还很低，这导致硬件系统体积大成本高。
由于没有统一的国际标准，这使得各国的汽车防撞系统在功能上良莠不齐。
到了80年代中期，随着超声波理论及微处理器性能的不断提升，汽车防撞系统研究性能不断提升而价格逐渐降低。
德国奔驰公司发起并集中欧洲各国的力量共同研制汽车防撞系统，并首次提出将传感器和人工智能技术融于汽车防撞系统中，以用于改善了汽车的安全性，加强驾驶员对汽车的有效控制，帮助驾驶员避免了交通事故的发生。
在之后的二十世纪九十年代里，欧洲一些汽车制造企业开始研究新型的汽车防撞雷达。
并制作出一款可以计算出与车前障碍物距离，并根据后车的车速提醒驾驶员留出必要的安全距离。
若驾驶员驾驶失误超出安全距离时，车载防撞系统会发出灯光和语音报警信号以提醒驾驶员合理驾驶。
与此同时美国也开始着力研究防撞技术，虽然起步晚于欧洲各国，但目前汽车防撞技术却是美国领先于世界。
国内汽车防撞系统才刚刚起步，许多大学和研究机构联合对汽车防撞系统进行深入研究，但大多数都处于理论向实践过度的阶段。
防撞系统的性能与国外还有很大差距，距离实现专业化和实现实际应用还要一段时间发展。
1.3本课题的主要研究内容
本论文章节内容安排如下：
第一章绪论部分主要分析国内和国际的研究现状及超声防撞系统发展阶段，充分理解对其进行研究的价值和意义。
第二章主要介绍超声波基础理论以及其测距功能的原理，给出详尽的系统框图。
第三章主要介绍单片机主机系统以及辅助电路系统，了解整个系统的整体构架。
第四章主要介绍系统硬件设计，分析各种超声波发射和接收电路的优缺点，最终确定使用方案。
第五章主要介绍系统软件组成，着重讲解语音模块在系统中的应用。
第六章介绍系统的软件设计的结构与流程，并给出声波发射和接收中断子程序。
第二章超声波测距的原理
2.1超声波的基本理论
超声波是一门通用于各行各业的技术，在电子技术、机械应用、以及材料科学方面都有着广泛应用。
该技术在工业和生活中，对方便人们生活、提高生产效率、保障生产安全有很大潜力。
超声技术从产生声波再通过发射电路发送最后被接收器接收来完成这个物理过程。
在介质中传播的超声波具有透、反射介质及能够聚束和定向等传输特性。
按振动和辐射不同的可将声波种类分为功率超声和检测超声。
2.1.1超声波的传播速度
超声波的传播速度是表示声波在介质中传播快慢的物理量，超声波在介质中传播可以根据其传播方向的不同，分为三种不同的振荡波：
横波、纵波、表面波。
三种波由于性质不同所能传播的介质也不同，横波在固体介质中才能传播，纵波在固液气三态中都可以有效的传播，表面波传播会因为传播深度的增加，而导致速度慢慢减小。
超声波具有一般声波的固有特性，其在不同密度的介质中传播速度也会有所差异。
2.1.2超声波对声场产生的作用
（1）机械作用
超声波在介质内部传播运动会引起介质紧缩与扩张，导致介质内部压力的骤变引起机械效应。
超声波在介质中传播会引起其内部颗粒的运动，尽管运动幅度和速率很小，但由于超声波振动的频率与质点加速度的平方成正比关系，这导致很小的振动频率也会有很大的加速度。
有时足以达到破坏介质的程度。
（2）空化作用
根据流体动力学可知，存在于液体中的微气泡会由于声场的变化而发生振动。
当声场压强到达必需额值时，气泡会发生扩张、合拢的运动，在气泡合拢运动的同时时会发生冲击波。
这一系列动力学运动过程被称为空化。
（3）热学作用
超声波在介质内部传输会导致介质产生热量，在介质吸收超声波的同时也会将热量吸收，这事实上也就是介质的能量吸收过程。
从根本上讲，是由于超声波在介质内部发生强烈振动，导致介质内部的粒子互相摩擦产生热量。
这一热量的产生过程被称为热学作用。
2.2超声波传感器
超声波传感器是根据超声波发射接收特性而制成的一种传感器，其主要由发送和接收部分、供电和控制电路部分共同组成。
其最主要的超声波探头则是用压电晶片制作而成，能够控制超声波的发射与接收。
一个好的探头是超声波传感器必不可少的。
超声波传感器大部分是由压电晶体或者镍铁铝合金制作而成，由于两种制作材料的不同就产生了两种不同的特性：
磁致、电致伸缩特性。
其中由压电晶体制成的传感器更加优越，能够在机械能与电能之间互相转换，具有很强的可逆特性。
也就是说，用压电晶体制成的是一种可逆的传感器。
如果在压电晶片两端加额定频率的电压时，晶体自身就会发生机械振动，时而也会发出声音。
因此，本次设计采用压电晶体制成的传感器。
传感器构造如下图2-1,2-2：
图2-1超声波外部结构图2-2元件外部结构
2.3超声波测距系统原理
在超声检测电路中，发射端发送一串固定间隔的方波脉冲，用以确定声波来回传输的时间间距。
其方波的脉冲宽度是根据与被测物的距离来决定的，不同的距离其宽度也不相同，脉冲宽度与发射端距被测物的距离成正比例关系。
超声测距大致有以下方法：
①根据电压与距离成正比例关系，可以先取输出脉冲的平均值电压值，从而推算测得距离；②测量超声波从发射到被接收端接收的时间间隔t，由于声波在空气中具有固定的速度，可根据S=1／2vt测得距离。
由于超声波的传输速度与温度高低变化有关，在温度变化不大的情况下，我们可以简单的认为声波速度是不变
。
但如果测量距离在精度上的要求很高，那么我们必须通过采取温度补偿的方法对测量误差加以纠正。
2.4测量与控制方法
超声波测距的算法设计:
已知超声波在空气中具有固定的速度t，其中t为340m/s。
假设t1是超声波从发射到被接收到的时间，t2是超声波开始发射的时间，则由t1-t2可得出超声波从发射到被接收器接收到的往返时间差。
假定S为超声波从发射端到障碍物的往返距离，从发射到接收的往返时间为T／s，在空气中的传播速度为V／m·s－1，则发射端到障碍物的距离可由关系式（2-4-1）测得：
S=VT／2（2-4-1）
若在系统对测距精度要求很高，则需要关注外界环境温度对传播速度的直接影响，需按式（2-4）进行温度补偿对超声波速度予以校正：
V=340+0．607T（2-4-2）
2.5控制系统方框图
超声波测距器由硬件控制和软件控制组成，如下图（2-3）：
图2-3系统框图
第三章单片机主机系统电路
3.1单片机主电路
本次设计我们计划使用STC89C51单片机，其主要特点如下：
1.采用的STC89C51单片机是以8051为内核，又能够很好与MCS-51系列单片机相互兼容。
2.采用的STC89C51系列单片机有可编程闪烁存储器，在系统开发时可以反复擦写。
3.采用的STC89C51可以在全静态下工作，在电能消耗方面很低。
4.采用的STC89C51的晶振频率高达24M，在运行时速度更快。
5．采用STC89C51是因其价格便宜，集成度及可靠性高。
图3-1STC89C51
各个引脚的功能：
P0口是用来将显示信号数据送入给LCD显示器，P20~P22口是将控制命令送给LCD以达到控制显示方式的目的。
P34口是为了将采集到的温度数据传输到单片机的端口。
P10口是控制系统按键的端口。
3.2复位电路
实现单片机复位的方法有多种，一般在只要RESET端加一个正脉冲信号就可以很简单的实现复位功能，单片机复位一般分为：
自动和手动两种,如图3-2手动复位电路。
系统想要实现上电复位，只需在RST端口加一个正脉冲信号，只要这个正脉冲信号足够宽就能满足复位的条件实现系统自动复位。
一般要求脉冲信号为：
ms。
其中
图3-2手动复位电路R
1
，C
22uF。
系统实现复位的另一种人为方法只需要手动按一下S1按键，是电容器C1快速的通过R1释放出电流，等S1手动弹起复位后，电容再次实现充电。
这样系统究完整的实现了手动复位功能，实现手动复位，一般要求R1=200
。
3.3时钟电路
单片机时钟电路是用来配合外部晶振实现系统振荡的电路，单片机内部则是由许多触发器构成的时序电路组成。
总之时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。
如果我们要使用单片机内部的时钟电路，必须先将XATL1和XATL2两端先使用石英晶体或者微调电容连接起来才能正常使用。
可以说如果没有时钟电路来驱动和调节单片机，那么单片机就不能实现正常的工作。
没有这个时钟电路，单片机也就不能实现定时和进行与时间有关的功能操作了。
STC89C51
图3-3时钟电路
3.4按键电路
每一个系统都有其必不可少的按键电路，有其最基本的开关控制按键。
本次设计我们通过检测P1.0为1为0以辨别系统是否被启动，如果定义按下按键时P1.0为高电平，那么当单片机检测到高电平时系统就会开始测量距离。
当松开按键时也就是为低电平时，则系统停止测量。
按键电路图如图3-4所示：
在人为按键的同时可能会造成机械抖动，从而影响系统对电平的检测。
因此，我们必须通过软件延时的方式，去除抖动对系统测量的影响。
图3-4按键电路
3.5蜂鸣器电路
蜂鸣器是一种被广泛使用的元器件，它主要被人们用于提示、报警等场合。
由晶片构成的蜂鸣器，只要对其进行简单的供电（即将5V的直流电流加在其两端上）就能够实现鸣响功能，用于对目标人群的提醒。
设计目的是通过蜂鸣器声音来告知使用者按钮已按下，目前正准备使用单片机对被测物进行测距。
蜂鸣器电路如下图3-5所示：
图3-5蜂鸣器电路
第四章系统主要硬件设计
4.1方案论证与比较
单片机采用ATMEL公司的STC89C51单片机作为控制核心，而常用的超声波发射和接收电路有如下：
4.1.1超声波发射电路:
（1）分立元件组成的发射电路，如下图4-1（a）、4-1（b）.
图4-1（a）发射电路图4-1（b）发射电路
图4-1是采用两个通用的小功率三极管共同形成的启动电路，并通过两个三极管组成放大电路。
超声波发射电路的主要功能是利用自身压电晶体的振动来产生并发射超声波。
从内部结构上来讲，它是由两个压电晶体和共振板共同组成的。
如果在其两端加上矩形脉冲信号，并保证其频率与振荡频率一致时，压电晶体会发生共振同时也将引起共振板振动，从而产生超声波输出，此时它就具有了超声波发生器的功能了。
（2）由集成电路组成的发射电路
图4-2是一个由非门组成的一个振荡器发送电路，由于采用非门构成的电路结构简单，调试起来非常容易，更加容易通过软件控制。
此外为了提升发射电路对电流的吸入能力，进一步提升电路驱动能力，我们可以通过将两个非门的输出端口连接起来，以实现系统目的。
图4-2由非门组成的发射电路
4.1.2超声波接收电路
一、由运算放大器组成的接收电路
图4-3超声波接收电路是由一个运放组成的声波放大电路，这样电路组成在日常生产生活当中非常常见，具有以下等特点：
1）常见的采用运放构成的接收电路，一般都要求必须正负电源供电对称。
然而，本设计我们采用单电源供电的方式，使得输出静态电压等于1/2电源电压从而使两端电压得到平衡。
2）如果采用同端口输入的方法输入电压，可能会导致系统的输入阻抗较高。
然而，为了使超声波传感器能够发挥出接收稳定、迅速等优点，我们必须采用接收器的输出信号端口连接在放大器的同相端的方法。
3）超声波接收电路的反相端只能流过交流电，不存在对地的直流通道。
因此，如果要让直流电能通过反相端，必须加入隔直电容
以创建直流通路。
图4-3运放组成的接收电路
二、LM1812收发集成电路构成
LM1812集成电路是一种用来收发超声波信号的专用集成电路，如下图4-4所示：
图4-4由LM1812构成的接收电路
三、CX20106构成的接收电路，如图4-5所示：
图4-5CX20106构成的接收电路
4.2最终方案确定
对于我们日常使用的收发电路而言通常由两种材料构成：
由分立元件组成的超声波收发电路，它由于自身体积结构大、电能消耗大同时容易受到外界因素干扰。
我们一般不采用这种材质制成的收发电路，而使用由集成电路组成的超声波收发电路，具有小而轻、低能耗、抗外界干扰能力强等特点，因此，我们选用集成电路组成的超声波收发电路。
超声波发生器的主要功能是用来产生并发射超声波，其超声波的产生方式主要有两种：
第一种方法可以通过软件系统来产生超声波信号，而后通过输出端口传输到驱动器上，从而推动探头产生超声波。
第二种方法是通过系统控制电路来产生超声波信号，从而直接推动探头产生超声波。
对比两种方法可以发现第一种方法更加灵活，因此我们采用第一种方法来产生超声波。
超声波接收器是由信号放大器、波形转换器和接收探头三个重要部分组成。
要做到超声波既能发射出去又要被被系统所接收，我们必须采用型号相同的接收与发射探头，否则可能使得系统发射之后无法接收到信号。
超声波在空气介质中传播会有能量损耗，只导致接收器接收到的信号非常微弱，因此，我们必须选用放大器来放大接收到的信号。
为了节约设计成本，降低设计和调试的难度，增强系统的稳定性。
我们采用一种红外接收检波芯片CX20106，其具有很高的可靠性。
只需要焊接少量的外部元器件就能够实现信号的接收与处理功能。
设计采用集成电路来设计超声波收发电路，其中收发电路中的发射端，我们使用非门来构成，而接收端口采用外界检波芯片来构成。
这样的设计主要是为了提高系统的稳定性，另一方面是为了节约成本，简化调试内容。
第五章系统的硬件结构设计
系统的硬件电路部分采用单片机主机系统、以及显示电路、语音报警电路等外部电路组成构成。
其中单片机电路，我们采用24MHz的STC89C51系列高精度进的单片机，使得时钟电路频率更加精准，以降低系统误差带来的影响。
5.1单片机的功能特点及测距原理
5.1.1单片机的功能特点
51系列单片机具有高度灵活和低成本的特点。
其可以在尽可能多的减少外围电路的情况下，同时也可以构成一个功能完备的超声波测距电路系统。
51单片机封装如图5-1所示：
图5-151系列单片机封装图
5.1.2单片机实现测距原理
超声波测距的根据是根据声波的回波特性，通过单片机不断检测超声波发射后反射的回波，当检测到回波时时钟电路立刻停止计时，开始计算声波接收时刻与发射时刻的时间差t，由于声波在空气介质中的速度是固定的，我们可以根据式S＝Ct／2计算出声波输出路径的一半距离，即发射端距被测物的距离。
超声波测距的精准度不仅会受到自身器件的影响，也会受到外界环境因素的影响。
其中复杂的地形地貌、恶劣的气候环境对测量精度都有很大程度的影响，我们要从多方面的来考虑，以减少外界对测量的不利影响。
其中，自身元器件的优劣更会对测距具有决定性影响，接收换能器在测距中扮演一个至关重要的角色，对测距精度有决定影响。
因此，我们为了增加测量的范围、减小测量的误差，可以适当采用多个换能器来设计接收电路。
超声波是声波的一种，同样也具有声波应有的特性，其速度的快慢也会受温度的影响。
5.2超声波发射电路
本次设计的发射电路原理图如下图5-2所示。
其发送电路的由三个反相器和两个发送换能器来组成，采用这种设计的目的是为了提高其驱动能力，缩短其自由振动所用的时间。
图5-2超声波发射电路原理
5.3超声波检测接收电路
此次设计采用红外检波来构成接收电路，它具有很高的集成性和抗外界干扰的能力。
这种设计更加方面能够提高改变电容的大小，来提升其灵敏度和抗外界干扰的能力更加简单使用，能够满足不同要求的接收电路。
检测接受电路如下图5-3所示：
图5-3超声波检测接收电路
5.4ISD1700语言模块
ISD1700系列是一种新型单片机语言录放芯片，芯片具有扬声器驱动线路、振动器、自动增益控制、麦克风扩大器与内存等功能，在录音和播音上更加方便。
语言模块如图5-4所示。
5.4.1接线说明
ISD1700语言模块的
升级会员 