基于超声波的汽车防撞Word下载.docx

基于超声波的汽车防撞Word下载.docx

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目前汽车平安领域被动平安研究较多，要紧从平安气囊、ABS（防抱死系统）和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的平安。

从经济性和平安性两方面来讲，这些被动平安方法是在事故发生时刻对车辆和人员进行爱惜，有专门大的局限性，因此车辆的主动平安研究尤其重要，引出了本文研究的基于单片机的超声波测距系统。

那个系统是一种可向司机预先发出视听语音信号的探测装置。

它安装在汽车上，能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物;

能向司机及乘员提早发出即将发生撞车危险的信号，促使司机采取应急方法来应付特殊险情，幸免损失。

课题设计的意义

随着现代社会工业化程的进展，汽车这一交通工具正为愈来愈多的人所用，可是随之而来的问题也显而易见，那确实是随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此致使的人员伤亡和财产损失数量惊人。

关于公路交通事故的分析说明，80%以上的车祸事由于驾驶员反映不及所引发的，超过65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余那么属于侧面相撞。

奔驰汽车公司对各类交通事故的研究说明：

假设驾驶员能够提早1S意识到有事故危险并采取相应的正确方法，那么绝大多数的交通事故都能够幸免。

因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助平安装置，减少驾驶员的负担和判定错误，关于提高交通平安将起到重要的作用。

显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广漠的应用前景。

超声波测距在汽车上应用的介绍：

超声波倒车测距仪（俗称电子眼）是汽车倒车防撞平安辅助装置,能以声音或更为直观的数字形式动态显示周围障碍物的情形。

其较早的产品是用蜂鸣器报警,蜂鸣声越急,表示车辆离障碍物越近。

后继的产品能够显示车后障碍物离车体的距离。

其大多数产品探测范围在～1.5m,有的产品能达到～2.5m,并有距离显示、声响报警、区域警示和方位指示,有些产品还具有开机自检功能。

目前市场上还显现了具有语音报警功能的产品。

这些产品存在的要紧问题是测量盲区大,报警滞后,未考虑汽车制动时的惯性因素,使驾驶者制动滞后,抗干扰能力不强,误报也较多。

汽车防撞雷达之因此能实现防撞报警功能,要紧有超声波这把无形尺子,它测量最近障碍物的距离,并告知给车主。

其实超声测距原理简单:

它发射超声波并接收反射回波,通过单片机计数器取得二者时刻差t,利用公式S=Ct/2计算距离,其中S为汽车与障碍物之间的距离,C为声波在介质中的传播速度。

本文介绍的超声测距系总共有2只超声波换能器（俗称探头）,别离布置在汽车的后左、后右2个位置上。

能检测前进和倒车方向障碍物距离,通事后视镜内置的显示单元显示距离和方位,发出必然的声响,起到提示和警戒的作用。

系统采纳一片STC89C52单片机对两路超声波信号进行循环搜集。

超声波是指频率高于20KHz的机械波。

为了以超声波作为检测手腕，必需产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置确实是超声波传感器，适应上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波彼此转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；

而在收到回波的时候，那么将超声振动转换成电信号。

　　超声波测距的原理一样采纳渡越时刻法TOF（timeofflight）。

第一测出超声波从发射到碰到障碍物返回所经历的时刻，再乘以超声波的速度就取得二倍的声源与障碍物之间的距离。

测量距离的方式有很多种，短距离的能够用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为/秒，由单片机负责计时，单片机利用晶振，因此此系统的测量精度理论上能够达到毫米级。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因此超声波能够用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处置也较简单，而且在测量精度方面也能达到要求。

　　超声波发生器能够分为两类：

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。

本设计属于近距离测量，能够采纳经常使用的压电式超声波换能器来实现触发单元。

利用超声波测距的工作，就能够够依照测量发射波与反射波之间的时刻距离，从而达到测量距离的作用。

其要紧有三种测距方式：

（1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；

（2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响；

　　（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。

其原理为：

检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。

　　本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。

在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。

2课题的方案设计与论证

系统整体设计

系统整体框图

　　构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。

采取收发分离方式有两个好处：

一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；

二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。

图2-1超声波汽车防撞原理框图

依照设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技的超声波测距传感器TCT40－16T/R（T表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为6m，发射扩散角为60度。

超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。

当它的两电极加脉冲信号（触发脉冲）,假设其频率等于晶片的固有频率时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波。

相反,电极间未加电压,那么当共振板接收到回波信号时,将压迫两压电晶片振动,从而将机械能转换为电信号,现在的传感器就成了超声波接收器。

超声波传感器是一种采纳压电效应的传感器，经常使用的材料是压电陶瓷。

由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；

而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。

超声波传感器用来分析共振频率周围的超声波换能器的特性:

换能器的器械能用Qm;

电能用Qe表示。

Q恰好是电路的串联支路的Q值。

设换能器在空载（Z1=0）和有载（Z1=R1）时的Q值别离为Qm0、Qm,那么有

超声波换能器的工作效率为

相临两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数量成偶数，以使前后金属盖板与同一极性的电极相连，不然在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈，会致使结构没必要要的增大，两芯片之间，芯片与金属盖板间通常以薄黄铜片（厚度小于），作为焊接电极引线用；

芯片，电极铜片用强力胶胶合，在压电组件的中央部份用结合轴与圆锥状谐振子连成一体，圆锥状谐振子的边缘部份装有圆环弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作用。

在电——声变换部份的前面的超声波束整形板，是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口，使超声波波束指向尖锐，吸声片吸收多余反射声波。

目前市面上出售的超声波传感器种类有通用型，拓宽型，宽带域型，防水型和高频型等这几类。

尽管通用型超声波传感器有频率带宽较窄的缺点，可是却能够换来高灵敏度，抗噪声干扰强的优势。

超声波大体应用电路要紧分为三类：

1）直射型，要紧用于遥控及报警电路

2）分离反射型，要紧用于测距，料位测量等电路

3）反射型，要紧用于材料的探伤，测厚电路。

鉴于本钱的考虑，选用了一般的T/R-40系列的超声波发射/接收传感器。

T/R-40系列超声波传感器典型的工作频率为（39-41）KHZ，其具体参数见表和表。

表外形尺寸（T/R-4—XX中的“XX”表示传感器的外径尺寸）

型号

A（mm）

B（mm）

C（mm）

D（mm）

T/R-40-12

T/R-40-16

T/R-40-18A

-24A

表电气参数

声平电压

接收灵敏度

工作频率（KHZ）

带宽（KHZ）

电容（pF）

在40KHZ时

发送

接收

>

112db

最小值-67db

（39-41）KHZ

最小5/100db

最小5/-75db

（2475-2525）%

115db

最小值-64db

最小6/103db

最小6/-71db

（2375-2425）%

最小6/100db

传感器位置

由于是测距系统是采纳超声波发射和接收分离反射型结构，因此发射头和接收头应该在同一平行直线上。

出于距离和发射夹角所引发的误差和超声波信号在传播进程中衰减问题的考虑，发射和接收探头距离不能够太远，而又为了幸免发射头对接收头接收信号产生的干扰，二者也不能距离太近。

通过参考前人的体会和调试时的实际情形，应维持超声波发射头和接收头中心轴线平行并相距4-8cm即可。

设计方案的论证

超声波探测技术要紧用于中程测距、结构探伤、智能操纵等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器；

按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；

按其工作频率又可分为38KHz、40KHz等不同品级。

本设计选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器。

当利用超声波探测器测距时经常使用两种方式——强度法和反射时刻法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，依照反射信号的强弱就能够够明白被测物的远近，但在利用这种方式时由于换能器之间的直接耦合信号很难排除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效，由于直接耦合信号的阻碍强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。

反射时刻法其原理是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时刻来测量距离，关于距离较短和要求不高的场合咱们能够为空气中的声速为常数，咱们通过测量回波时刻T利用公式S=V×

（T/2）（其中S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时刻（

）计算前途程，这种方式不受声波强度的阻碍，直接耦合信号的阻碍也能够通过设置“时刻门”来加以克服，因此这种方式超级适合较远距离的测距，若是对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本设计当选用此方式。

而超声波传感器一样要在40KHZ才能取得最大的震荡，超声波才能传的更远，而要产生40KHZ的方波能够直接通过单片机输出PWM信号或通过外部震荡电路来产生，那个地址我采纳的是52单片机，没有多余的资源完成这么多工作，故摒弃了由单片机直接产生PWM信号的方式，而采纳了外部电路产生。

单片机的功能特点及测距原理

　40KHZ的发射频率由NE555提供给软件进行处置操纵发射及停止，回波通过STC89C52对接收到的信息进行处置后，被测的距离在LCD上显示，显示部份采纳动态扫描显示。

知足显示精度；

假设该距离小于预置的汽车低速平安刹车范围（如：

1m或），报警电路发出适当的警告提示音，由口的蜂鸣器输出操纵报警电路的工作。

3系统的硬件结构设计

单片机的选择

在系统的设计中，选择适合的系统核心器件就成为可否成功完成设计任务的关键，而作为操纵系统核心的单片机的选择更是重中之重。

目前各半导体公司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。

选择好适合的单片性能够最大地简化单片机应用系统，而且功能优良，靠得住性好，本钱低廉，具有较强的竞争力。

目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。

一样来讲，选择单片机需要考虑以下几个方面：

（1）单片机的大体性能参数。

例如指令执行速度，程序存储器容量，I/O引脚数量等。

（2）单片机的增强功能。

例如看门狗、多指针、双串口等。

（3）单片机的存储介质。

关于程序存储器来讲，Flash存储器和OTP（一次性可编程）存储器相较较，最好是Flash存储器。

（4）芯片的封装形式。

如DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC有对应插座）封装及表面贴附等。

（5）芯片工作温度范围符合工业级、军工级仍是商业级。

若是设计户外产品，必需选用工业级。

（6）芯片的功耗。

比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA的电流，选用STC单片机确实是因为它能知足低功耗的要求。

（7）供货渠道是不是畅通、价钱是不是低廉。

（8）技术支持网站的速度如何，资料是不是丰硕。

包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。

（9）芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。

STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。

它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。

STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz），低功耗，在系统/在应用可编程（ISP，IAP）,不占用户资源。

依照本系统的实际情形，选择STC89C52单片机，

单片机（STC89C52）外观如图3-1

图3-1STC89C52外观

单片机（STC89C52）的引脚功能图3-2

图3-2STC98C52引脚图

单片机的引脚功能说明：

1.电源引脚

Vcc　40脚　正电源脚，工作电压为5V。

GND　20脚　接地端

2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

为了产生时钟信号，在8052内部设置了一个反相放大器，XTAL1是片内振荡器反相放大器的输入端，XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。

当利用自激振荡方式时，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，使内部振荡器依照石英晶振的频率振荡，就产生时钟信号。

产生时钟信号电路如图3-3：

图3-3时钟信号电路

本系统利用的石英晶振频率为12MHZ。

3.复位　RST　9脚

　　在振荡器运行时，有两个机械周期（24个振荡周期）以上的高电平出此刻此引脚时，将使单片机复位，只要那个脚维持高电平，52芯片便循环复位。

复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄放器SFR全数清零。

当复位脚由高电平变成低电平常，芯片为ROM的0000H处开始运行程序。

经常使用的复位电路如以下图所示。

图3-4复位电路图

复位电路是手动复位电路如图3-5：

图3-5复位电路图

4.输入输出（I/O）引脚

　　Pin39-Pin32为输入输出脚，称为P0口，是一个8位漏极开路型双向I/O口。

内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载电路。

通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。

在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，不需要外接上拉电阻。

Pin1-Pin8为输入输出脚，称为P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0口。

P1口能驱动4个LSTTL负载。

通常在利历时外不需要外接上拉电阻，就能够够直接驱动发光二极管。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

关于输出功能，在单片机工作时，咱们能够通过用指令操纵单片机的引脚输出高电平或低电平。

如：

指令CLR，清零的意思。

CLR；

让单片机从第一脚输出低电平。

指令SETB，置1的意思。

SETB；

让单片机从第一个脚输出高电平。

Pin21-Pin28为输入输出脚，称为P2口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载。

对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和操纵信息。

在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间可不能改变。

Pin10-Pin17为输入输出脚，称为P3口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。

对内部Flash程序存储器编程时，接操纵信息。

P1－3端口在做输入利历时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出必然的电流。

除此之外P3端口还用于一些专门功能，如下表。

5.其它的操纵或复用引脚

（1）ALE/PROG30访问外部存储器时，ALE（地址锁存许诺）的输出用于锁存地址的低位字节。

即便不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号（此频率是振荡器频率的1/6）。

在访问外部数据存储器时，显现一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程时，那个引脚用于输入编程脉冲PROG

表3—1P3口专门功能

P3引脚

兼用功能

串行通讯输入（RXD）

串行通讯输出（TXD）

外部中断0（INT0）

外部中断1（INT1）

定时器0输入（T0）

定时器1输入（T1）

外部数据存储器写选通WR

外部数据存储器写选通RD

（2）PSEN29该引是外部程序存储器的选通信号输出端。

当AT89C51由外部程序存储器取指令或常数时，每一个机械周期输出2个脉冲即两次有效。

但访问外部数据存储器时，将可不能有脉冲输出。

　（3）EA/Vpp31外部访问许诺端。

当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。

要使AT89S51只访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）,这时该引脚必需维持低电平。

对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。

单片机最小系统电路图如以下图3-6所示：

图3-6单片机最小系统图

发射电路的设计

本系统采纳一个略加转变的555多谐振荡器电路来产生40KHZ的方波。

并由单片机I/O口来操纵其发送与否。

它具有占空比持续可调的优势，电路如以下图所示。

为了能持续调剂占空比并能调剂振荡频率，在555的第6脚和第7脚之间接有W一、W二、R2组成的调剂网络。

对C1充电时，电流是通过R1、W二、和W1，放电时，通过W一、W二、和R2。

当R1＝R2，W2调到中心点或不用W2时，因充放电时刻大体相等，其占空比约为50%，现在调剂W1仅改变频率，占空比不变。

如W2调剂偏离中心点，再调剂W1，不仅振荡频率改变了，而对占空比也有阻碍。

W1不变，调剂W2时，仅可改变占空比而对频率无阻碍。

因此，利用电路时，应第一调剂W1，使频率至规定值，再调剂W2以取得适合的占空比。

为保证驱动能力，又为了在低电压下工作，故采纳来放大信号，提多发射功率。

输出40KHZ波形如图3-7。

图3-7输出波形图

发射电路图3－8

图3-8超声波发射电路

NE555N介绍

NE555时基集成电路是8脚的数字集成电路，是由21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻组成的按时器，有分压器、比较器、触发器和放电器等功

能的电路。

它具有本钱低、易利用、