安全行车告警系统设计本科论文Word文档格式.docx
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整个硬件电路由超声波发射、接收电路、主控电路、显示电路、按键电路等模块组成。
超声波探头的探测到的信号经单片机综合分析处理，可以实现测距和报警等功能。
此系统容易控制，测量精度高，价格低廉，能满足人们的日常需求等。
关键词：
STC89C51;
LCD1602;
超声波;
测距
TheDesignofUltrasonicWaveRangeFinder
Abstract
Inmanyspecialoccasions,traditionalmethodsbasedontheexistenceofinsurmountabledistancemeasuringdefects,suchasthemeasurementofcorrosionintheliquidwithstrongelectromagneticinterference,toxicandotheradverseconditions,theultrasonicrangecanbeaverygoodsolutiontotheproblemofsuch.ThedesignintroducestheprincipleoftheultrasonicdistancemeasurementinstrumentbasedonSCMC-controlled:
STC89C51controlstimerstoproducetheultrasonicwavepulseandtime,countthetimeofultrasonicwavespontaneousemissiontoreceiveround-trip,thusobtainsthemeasureddistance.LCD1602displaydistance.Whenthedistanceislessthanthevalue,thebuzzeralarm,toremindthedrivertomakecorrespondingprocessing.Theentirehardwarecircuitiscomposedbyultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivercircuit,displaycircuit,maincontrolcircuit,keyboardcircuitandothermodules.DetectionoftheultrasonicprobesignaltotheSCMcomprehensiveanalysis,canrealizethelocationandalarmfunctions.Thissystemiseasytocontrol,highprecision,lowprice,cansatisfypeople'
sdailyneeds.
Keywords:
STC89C51;
UltrasonicWave;
MeasureDistance
随着我国新农村规划脚步的不断加快和人们生活水平的不断提高，目前我国汽车人均拥有量已经达到一个很高的数字，但是随之而来的负面影响也显得非常尖锐，每年因为行车安全事故造成的严重影响，已经不容忽视，所以智能的安全行车告警系统就备受人们的期待。
课题研究背景
随着车辆的增加，道路交通事故严重威胁了人们的人身安全,与之相关的先进安全技术研究越来越受到人们的重视。
国内外都对安全行车报警系统的开展了研究，但是安全行车报警系统还存在很多方面需要我们探索。
许多的技术还有待于用来进行开发。
探讨和研究一种在公路汽车安全行距的报警系统是很有必要的。
在正常行驶距离内时,该系统不作出任何的反应,当车与车之间的距离可能对我们造成危险时，安全行车报警系统将会做出反应，就会进行声光报警,提醒驾驶员提高注意力，以减少碰撞事故。
公路汽车安全测距系统的研究具有广泛的应用前景，提高了交通运输的通畅，增加了汽车行驶过程中的安全性，它的研究符合了汽车智能化的发展趋势，必将受到人们的欢迎。
由于超声波测距受其他因素影响比较小，而且利用超声波测距的操作比较简便，测量的精度比较高，价格比较便宜，在大多数情况下能够满足我们测量的需求。
所以用超声波测距是很有实际意。
这些年来，随着科技的发展和在有关领域的不断的突破，使用超声波进行精确测量已成可能。
随着经济步伐的不断进步和电子测量技术研究的不断深入，超声波测量因为其突出的特点使它备受人们研究的喜爱。
1.2课题研究意义
超声波一般定义为频率大于20kHz的声波，它是一种机械波。
超声波会在介质的分界面处出现一般机械波都会出现的现象，如反射和折射。
同时在进入介质后由于会被介质吸收一部分而发生衰减。
它也有其他波不具备的的特性，它可以在传播的过程中将能量集中在一定的范围内，这样它的频率可以非常高，甚至达到兆赫级，它具有良好的成束性，也就是方向性好，同时它的能量损失的少。
特别在空气中，声波在空气中的传播速度比较快，在传播的过程中损失比较小，经过接收信号接收后，得到的波形的完整度比较高，从而提高了测量的准确度，使它很容易被控制和利用。
现在汽车成为了最快捷的交通运输工具，随着汽车工业的快速进步，每年在各种交通事故中伤亡人数的数目惊人，给国家和社会造成了巨大的经济和财产损失。
据统计，造成各种交通事故的主要原因是车辆的碰撞，而车辆碰撞很大是由于人们忽视行驶过程中的安全车距所带来的重大后果。
而车辆碰撞并不是因为他们开车的技术不过关而是由于驾驶员往往对于安全车距疏忽而引起，当发生事故前他们往往意识不到这点。
事故发生后他们的内心会被懊恼与后悔所充满着。
针对这种状况，开发安全车距报警器非常重要，可以减少交通事故的发生，在驾驶员对危险没有察觉时，能够及时的进行提醒，对事故的发生防患于未然，这样道路安全问题将会得到有效的解决。
1.3国内外情况及其发展趋势
对于这项研究在外国已经达到了一个很成熟的阶段，当然我们的研究人员对这块也投入了很大的精力，到目前，国际上对于测距传感器的研究达成一致的意见就是：
可以全天工作并且测量精度能够达到毫米级别的测距传感器是现在最为理想的测距传感器。
超声波测距传感器的使用时间长，操作方便，性价比比较高，也是一种令人满意的测距传感器。
我国的超声波方面的研究在某些方面已经达到了世界先进的水平。
我国在0-10m范围之内的固体和液体距离的研究比较多，一般测量的准确性好，回波比较稳定。
近年来，随着超声波技术研究的不断深入，各个领域都普遍应用超声波检测技术，如数控的自动控制，印刷电路板的自动修正和人体器官健康检查等方面。
现在，超声测试技术研究方向已明显表现出下列趋向:
1、由对物体缺陷的大致判断发展到对物体缺陷的位置，形状，深浅，粗细进行定量的判断，而且利用各种成像技术可以直接显示出缺陷物体的二维甚至三维图像，给人们带来了具体，形象的判断。
2、研究朝着自动检测盒仪器的智能化方面发展，非接触的超声检测技术在人们的生活中得到了很大的发展。
3、超声测试技术与材料的性质相结合，为人们发现新材料，应用新材料提供了快速准确的方法，材料的设计，加工，包装等方面得到了快速的发展。
1.4设计任务
本章节利用已学的知识，开发了一个智能报警的测距系统。
（1）硬件设计：
单片机类型和测距模块的选择，设计主要的电路模块，主要包括：
单片机周围电路、按键、超声波接口电路和显示模块。
（2）软件设计：
用KeilC51开发环境编辑设计的软件部分，系统的软件部分的模块有：
硬件的初始化模块，液晶的显示模块，超声波的发射和接收模块，系统报警电路模块。
（3）需要实现的技术指标：
探测距离，实现报警。
2.1超声波测距原理
超声波测距的过程为;
超声波传感器的发射端发射超声波，由超声波的接收端接收被反射物体反射回来的声波，中间的时间差为波长的传播时间，时间差可以用单片机内部自带的定时器来完成，发射时启动定时器，接收时停止计时器。
从而得到了时间差。
然后由距离的公式可以得到距离D为式2-1。
（2-1）注:
c——超声波的传播速度；
t——所需时间。
所以，距离的精确度主要和速度c过程所需时间有关。
知道误差的来源，我们可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1µ
s,不会产生累积误差，使定时间达到1µ
s。
超声波的传播速度c还会受到其他因素的影响，有空气密度、温度和气体分子成分等，关系式为
（2-2）
注：
γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。
R——气体普适常数，为8.314kg/mol。
T——气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。
M——×
10-3kg/mol。
c0——0℃时的声波速度，为331.4m/s。
由上式可见，超声波在空气中传播时，受到各种因素的影响，受气温影响最大，并由表达式可得出波速与气温的关系，如表2-1所示。
气温越高，传播速度越快，而且不同气温下传播速度差别非常大，因此，在需要较高的测量精度时，需要进行进行温度补偿。
对测量精度要求不高时，可近似的认为超声波在空气中传播速度不变。
表2-1超声波传播速度与温度关系表
项目
数值
温度
-30
-20
-10
10
20
30
40
50
60
100
声速/（m•s）
313
319
325
332
338
344
350
356
361
367
388
2.2方案的设计
论文研究的是基于单片机的安全行车组件。
把测出的距离输送给单片机，再利用已有的处理电路，对驾驶员进行声光报警。
反馈给驾驶员并采取一定的安全做法。
测距的方案是由单片机的一个引脚产生出一个脉冲，通过信号传输电路，把信号连接到超声波发射器的信号引脚上，使超声波发射器向某一个方向发射超声波，同时启动单片机的计时器开始计时，超声波在空气中传播需要一定的时间，且，途中碰到障碍物就立即返回来，由超声波接收器收到反射波就立即停止定时器，然后将计时器记录的时间t送到单片机内部进行数据处理。
设超声波在空气中的传播速度近似不变，由距离的公式可以得出车辆到碍物的距离（D）为式2-3，即：
（2-3）
式中，D为超声波与障碍物之间的距离，C为超声波传播速度，T为超声波从发射到被接收之间的时间。
原理图如图2-1所示。
图2-1系统总原理框图
本次设计主控模块的控制芯片是STC89C52单片机，由晶振构成了时钟电路，搭建复位电路在单片机的周围，使单片机正常的工作，同时超声波的发射和接收模块连接在单片机的引脚上，便于单片机的控制。
超声波测距仪设计的硬件框图如图2-2。
图2-2超声波测距仪设计的硬件框图
3系统主要硬件设计
3.1超声波发射和接收电路设计
本章节中超声波的发射和接收装置安装在同一水平线上，在进行距离的测量时，超声波的发射和接收，都能得到快速的回应。
由单片机记录下了超声波由发射到接收所用的时间t，则障碍物到发射探头之间的距离S为：
S=340×
t/2=170×
t（3-1）
因为单片机定时器的计时就是对周期T的计数，而在本设计中时钟频率fosc取12MHz，设计数值N，则：
T＝12/fosc=1μs（3-2）
t=N×
T＝N（s）（3-3）
S＝170×
N×
T＝170×
N/1000000（m）（3-4）
在程序中按式S＝170×
N/1000000计算距离。
超声波能够正常的发射出去需要40kHz的方波脉冲，而40kHz的方波脉冲在本设计中将利用单片机内部产生。
单片机产生后将脉冲送到放大电路，经过放大电路超声波探头可以发射超声波。
探头将电路中的电信号转变为机械波。
在设计中放大电路的放大设计是比较重要的。
本论文电路的信号放大芯片选择的是74LS04，发射电路如图3-1所示。
图3-1超声波发射电路
超声波接收电路主要的作用是检测到的回波由机械波的形式转变为电信号的形式，从而可以利用电路对它进行处理。
超声波在传播的过程中会损失能量，距离越远损失的能量越多，探头检测回的超声波信号越弱。
波接收电路主要是由CX20106A芯片搭载其他外围电路构成，该芯片电路可以对接收到的声波信号一系列的处理，使接收到的信号达到单片机可以处理的要求。
CX20106A芯片的前置放大器电路具有PID调节功能，它能够根据测量距离的远近自动决定放大电路的增益，这样就使得该电路的灵敏度比较高，同时测量到的可靠性也比较强。
由于发送的超声波频率为40kHz，CX20106A芯片的5脚可以接适当的电阻对它的频率进行调节，使接收装置只响应该频率的信号，能够增强它的可靠性。
超声波接收电路如图3-2所示。
图3-2超声波接收电路
3.4HR-SR04超声波集成模块
3.4.1主要技术参数
（1）使用电压：
DC5v
（2）静态电流：
小于2mA
（3）电平输出：
高5V
（4）电平输出：
低0V
（5）感应角度：
不大于15度
（6）探测距离：
2cm-450cm
（7）高精度：
可达
3.4.2实物图：
超声波模块的实物图如图3-3所示。
图3-3超声波模块实物图
VCC接电源正，trig接控制端，echo接电源接收端，GND接地
3.4.3电气参数
HC-SR04超声波模块的电气参数如表3-1
表3-1HC-SR04超声波模块的电气参数
电气参数
HC-SR04超声波模块
工作电压
DC5V
工作电流
15mA
工作频率
40Hz
规格尺寸
45*20*15mm
最远射程
4m
最近射程
2cm
测量角度
15度
输入触发
10uS的
输出信号信号回响
TTL脉冲SHU平信号，TTL电输出
3.4.4超声波时序图
超声波模块的操作时序图如图3-4。
图3-4超声波模块的操作时序图
3.4.5实物规格
超声波模块的实物规格如图3-5。
图3-5超声波模块的实物规格图
3.5STC89C52的简介
单片机即单片微型计算机，相对于普通微机，它的体积要小的多，它把计算机的主要功能部件，如输入/输出设备，数据/程序存储，CPU，定时/计数器等集中在一块芯片上，一般把它嵌入到其他的仪器设备里，利用它来控制和处理一些情况，实现仪器的自动化，随着科技的迅速发展，微机的发展越来越快，利用单片机的场合也越来越多，STC89C52是单片机的一种，它操作简便，功能齐全，很多领域里使用的比较多。
3.5.1主要性能参数
（1）STC89C51单片机的主要性能参数如下：
（1）与MCS—51产品指令系统完全兼容。
（2）1000吃擦写周期。
（3）全静态操作：
0Hz—24Hz。
（4）三级加密程序存储器。
（5）128*8字节内部RAM。
（6）32个可编程I/O口线。
（7）6个中断源。
（8）可编程串行UART通道。
（9）低功耗空闲和掉电模式。
（2）STC89C51单片机的引脚信号介绍：
（1）P00～P07：
P0口8位双向口线
（2）P10～P17：
P1口8位双向口线
（3）P20～P27：
P2口8位双向口线
（4）P30～P37：
P3口8位双向口线
（5）VCC：
电源引脚。
（6）VSS：
接地引脚。
（7）XTAL1：
时钟电路的一个引脚。
（8）XTAL2：
时钟电路的另一个引脚。
3.5.2复位电路
复位就是使单片机停止正在进行的程序，并从某一个确定的状态开始运行。
在我们日常的使用中的复位电路主要有两种形式，一种是单片机上电后就进行复位操作，只要复位引脚能够保持一定的时间，一般为2个机器周期则复位操作就能完成，另一种是按键复位，它具备上电复位的功能，同时又能够由操作人员手动进行复位。
复位的主要功能是把程序指针定位到某一固定地址，让单片机那个地址开始执行程序，重新进行系统的初始化工作，复位操作是程序出错或者操作错误而使运行系统不起作用时一个有效的措施。
单片机的复位电路图如图3-7所示。
图3-7单片机复位电路
3.5.3时钟电路
单片机执行每条程序都有一个机器周期，机器周期的大小由我们外围提供的时钟电路控制。
STC89C51的引脚XTAL1和XTAL2是提供时钟电路的引脚，根据所学的模电知识，在两个引脚之间接入一个自激振荡器即可。
本设计自激振荡器的电路如图3-8所示。
图3-8单片机时钟电路
3.6键盘电路
键盘电路可以让操作者更直观简便的操作设备。
矩阵键盘的按键数比较多，它比较节省I/O口，适合应用在需要按键比较多的情况下，相对来说，矩阵按键的扫描程序也比较复杂。
独立按键电路的接线比较简单，键与键的联系较少，驱动程序相对简单。
键盘电路图如图3-9所示。
图3-9与单片机相连的独立式键盘
3.7蜂鸣器电路
危险报警采用的是蜂鸣器发出声音来实现，电路如图3-10所示。
图3.-10报警模块电路图
3.8LCD显示电路
1602液晶在生活中的使用很广泛，它可以显示字符，它的内部是由点阵组成，我们可以通过对点阵的控制，使在不同位置排列的点阵亮或者暗进行组合，显示我们想要的字符。
使用液晶显示屏显示操作简单，它的功能足够完成我们所要设计的要求，而且它的外围驱动电路简单，可以减少我们硬件设计的复杂度，所以本设计使用LCD1602作为本设计的显示部分电路。
1.LCD1602的引脚功能：
第一脚GND：
接地。
第二脚VCC：
+5V电源。
第三脚VO：
对比度调整端。
第四脚RS:
寄存器选择信号线。
第五脚RW:
读写信号线。
第六脚E：
使能端，当E由高电平跳变为低电平时执行命令。
第7~14脚：
8位数据线D0~D7。
第十五脚BLA:
背光电源正极输入端。
第十六脚BLK:
背光电源负极输入端。
LCD1602的引脚图如图3-11。
图3-11LCD1602的引脚图
2.LCD602基本操作时序及时序图
基本操作时序：
读状态：
输入，RS=L,R/W=H,E=H；
输出，D0～D7=状态字。
读数据：
输入，RS=H,R/W=H,E=H；
输出，无。
写指令：
输入，RS=L,R/W=L,D0～D7=指令码，E=高脉冲；
输出，D0～D7=数据。
写数据：
输入，RS=H，R/W=L,D0～D7=数据，E=高脉冲；
根据解析时序图（图3-12）可知操作1602液晶的操作流程如下：
（1）通过RS来确定模式的选择方式：
命令/数据。
（2）根据本设计需要，读写模式要设置为写模式。
（3）给液晶的使能端（E）提供一个高电平，完成写操作。
LCD1602的时序图图3-12：
图3-121602液晶写操作时序图
3.初始化设置
（1）显示模式设置如表3-2
表3-2显示模式设置
指令码
功能
1
显示：
16×
2，点阵：
5×
7，数据口：
8位
（2）显示相关设置如表3-3
表3-3显示开/关及光标设置
D
C
B
D=1，开显示；
D=0，关显示
C=1，光标显示；
C=0，光标不显示
B=1，光标闪烁；
B=0，不显示光标
光标左移
光标右移
屏幕左移，光标移动
屏幕右移，光标移动
1（VSS）、2（VCC）脚是电源端；
15（BLA）、16（BLK）脚是背光电源端。
为了防止15脚电流过大将液晶显示屏烧坏，我们也可在15脚串接一个大约1k的电阻。
液晶3（VO）脚可调节对比度，通过滑动变阻器电阻值的改变可以将显示屏的亮度调节到适当的位置。
RS,RW,RE脚与单片机相连，便于我们实现对液晶的控制，本设计液晶会一直显示，所以可以直接将液晶的使能端即E脚接地。
LCD1602具体应用的电路图如图3-13所示。
图3-13LCD1602原理图
系统根据前面的电路设计和使用方法的详细说明，得到了系统设计的总体框图如附录A.
程序设计选用的语言是C语言，C语言比汇编语言更加符合人们的理解，同时C语言的效率也比较高，在软件的设计上，首先将软件进行模块化的处理。
组件的软件设计主要组成模块有：
主程序，LCD1602的显示程序，外中断服务程序，超声波发射程序等。
系统软件设计的主流程图如图4-1。
图4-1系统程序流程图
4.1LCD1602显示流程图
图4-2LCD显示流程图
程序初始化后，为了使单片机与器件协调进行工作，则必须对器件的工作状态进行检查，如果器件处于不忙绿状态，则再进行后续的操作，写命令函数，写程序函数等。
中断服务流程图如图4-3所示。
图4-3外中断服务程序
超声波发射程序流程图如图4-4所示。
图4-4超声波发射程序
5系统调试与总结
在实物的制作过程中，首先在万能板上按照原理图将电路焊接出来，焊接好的模块先不进行通电观测而是首先用万用表对焊接情况进行检查，防止虚焊短接情况的发生，同时防止通电后烧坏元器件。
在对1602显示调试时，1602的初始化要做
升级会员 