汽车倒车防撞系统模版.docx

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汽车倒车防撞系统模版

1绪论

1.1论文背景

随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。

交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行。

超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性——折射，反射，干涉，衍射，散射。

超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置及时通知驾驶人员，起到安全的作用。

1.2设计要求及主要功能介绍

本次设计的汽车倒车防撞系统，它是以STC89C52作为主控制器，用超声波模块对距离进行距离测试，并将信号发给主控制器。

用L298芯片驱动直流电机，执行主控制器命令，控制小车的前进、减速、停止。

LED和蜂鸣器报告检测出汽车后方有障碍物。

2超声波模块的工作原理

2.1超声波

我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000HZ。

当声波的振动频率大于20000HZ或小于20HZ时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000HZ的声波称为“超声波”。

超声波广泛地应用在多种技术中。

超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。

由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

超声波具有以下的特点：

（1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

（2）超声波可传递很强的能量。

（3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

（4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象

2.2超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

2.3超声波测距原理

在超声波探测电路中,发射端输出一系列脉冲方波,其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔,被测物距越远,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。

相位检测法虽然精度高,但检测范围有限可检测到汽车倒车中,其障碍物与汽车的距离；声波幅值检测法易受反射波的影响。

本文硬件设计采用超声波往返时间检测法,其测量原理图如图1所示。

图2.1超声波测距原理图

其原理为:

在超声波发射器两端输入40KHZ脉冲串,脉冲信号经过超声波内部振子,振荡产生机械波,并通过空气介质传播到被测面,由被测面反射到超声波接收器接收,在超声波接收器两端,信号是毫伏级的正弦波信号,超声波经气体介质的传播到接收器的时间,即为往返时间。

超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法,其中常用脉冲回波法测距。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法,其原理是超声传感器发射超声波,超声波在空气中传播至障碍物,经反射后由超声传感器接收反射脉冲,测量出超声脉冲从发射到接收的时间,再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即：

L=c·t/2

（1）

式

（1）中,L为超声传感器与被测障碍物之间的距离,c为超声波在介质（空气）中的传输速率,t为超声波从发射到接收的时间。

超声波在空气中的传播速度为:

其中T为绝对温度数值,,。

在测量精度不是很高的情况下,一般可以认为c为常数340m/s。

由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波又很难精确捕捉,致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。

这些因素是使用超声测距引起误差的原因。

2.4超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=c·t/2，可知测距的误差是由超声波的温度误差、传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

温度误差

由于超声波也是一种声波。

其声速C与温度有关。

表1列出了几种不同温度下的声速

这是超声波的温度效应特性，超声波的传播速度“C”可以用公式

（2）表示：

C＝331.5＋0.607t（m/s）,式中t=温度（℃）。

因此要精确测量与某个物体之间的距离时，则应通过温度补偿的方法加以校正。

时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907ms。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

对于超声波测距精度要求达到1MM时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100M距离所引起的测量误差将达到5M，测量1M误差将达到5MM。

超声波遇到障碍物后，一部分会反来，那么，通过计算发射出超声波到接收到回波之间的时差，还有音速，就能算出障碍物的距离。

2.5影响超声波探测的因素

图2.2超声波差距示意图

在图2中，用一个超声波传感器来发射超声波，同时它又可以接收到回波。

一般使用的超声波频率为40KHZ。

根据以上原理，所算出的障碍物距离都是指障碍物到传感器的距离。

传感器可检查到的角度：

传感器发射超声波有一定的角度范围，图3，图4为常用传感器的探测角度:

图2.3水平探测角度

图2.4垂直探测角度

以上菱形区域是发射超声波的覆盖区，而覆盖区内的障碍物能否被探测到，则与以下因素有关（见图5示）:

（1）从物理方面的反射原理可知:

超声波的反射规律为反射角等于入射角，因此，反射波是否能被传感器捕捉，与反射面的角度有关。

（2）反射面的大小不同，也会影响反射波的强度。

（3）另外，障碍物会吸收掉一部分超声波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，则与障碍物的材质和表面处理相关。

疏松、多孔的表面较易吸收音波而导致反射效率较低，不易被侦测。

（4）超声波在空气中传输时也会衰减，所以同一个反射面，同样的角度，距离越远，发射和反射的超声波衰减越大，越不易被测到。

（5）以上几点简单的说，就是:

角度、大小、表面材质和距离。

这些因素综合起来，决定障碍物是否会被探测到。

图2.5超声波探测障碍物

根据以上原理可知，在下列环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况！

（1）铁丝网，绳索类细小物体。

（2）草地行车或崎岖不平路面。

（3）棉质或表面易吸收声波之物质。

（4）传感器表面附着异物。

（5）同频率（40KHz）之超声波杂音加金属声，高压气体排放声，汽车喇叭正对传感器鸣叫时。

（6）障碍物为锐角反射体，锥状物体。

3系统硬件电路介绍

3.1主控芯片的介绍

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

这种单片机有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本

单片机总控制电路如下图4—1：

图3.1单片机总控制电路

时钟电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。

时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。

内部方式的时钟电路如图4—2（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

外部方式的时钟电路如图4—2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

示，RXD接地，TXD接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

RXD接地，TXD接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路

图3.2时钟电路

STC89C52具体介绍如下：

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

STC89C52主要功能如表3-1所示。

3-1STC89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个