超声波汽车防撞系统设计说明书带仿真.docx

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超声波汽车防撞系统设计说明书带仿真

摘要

依据超声波测距原理，以AT89C51单片机为核心，设计了汽车防撞报警系统。

利用AT89C51单片机作为主控制器，结合超声波测距原理，实现倒车防撞报警功能。

系统硬件和软件的设计中,接收电路和显示电路分别采用CX20106和74LS245两款芯片，减小了电路间的相互干扰，提高了精度。

该系统的最大测距误差不超过0.3cm。

测距范围为2cm～5m。

另外，系统还具有结构简单，体积小，使用方便等特点。

该系统用于提高倒车时的安全性。

关键词：

超声波测距；AT89C51；防撞报警

ABSTRACT

BasedontheprincipleofultrasonicrangingandmarkingAT89C51asthecore,wedesigntheautomobileanti-collisionwarningsystem.UsingsinglechipAT89C51asthemastercombinedwiththeprincipleofultrasonicdistancemeasurementtorealizetheback-draftanti-collisionalarmfunction.TheintegratedchipsofCX20106and74LS245areseparatelyusedinthedetectionreceivingcircuitandthetemperaturecircuit,themutualdisturbancebetweencircuitisreduced.Themaximumdistancemeasurementerrorislessthan0.3cm,andtherangeofthesystemis2～500cm.Thissystemhassimplestrueture,smallsize,easy-to-usefeaturesandsoon.Ithashighervalueofapplicationinordertoincreasethesecurityintheprocessofmarkingcar.

Keywords:

ultrasonicranging;AT89C51;anti-collisionwarning

第1章绪论

汽车的诞生，给人类生活带来了种种方便，同时车祸也给人类带来了很多阴影。

为了充分利用汽车为人类带来的种种方便，同时尽可能多的避免车祸带来的惨剧，研究和推广汽车防撞装置日益显得重要和迫切。

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。

超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中。

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通知驾驶人员，起到安全的作用。

1.1课题研究背景及意义

我国社会经济的不断发展，人们对汽车这种交通工具的依赖性也越来越大，导致了车辆的日益增加在给城市交通不断施加压力的同时，也引发了非常多行车的安全问题。

一些由驾驶员反应不够迅速而导致的汽车碰擦，还有很多时候是由于驾驶员对离障碍物的距离判断不准确而造成的，如果驾驶员能提前知道障碍物的存在并且知道障碍物的距离，那么驾驶员就能及时地采取措施，从而能避免事故的发生。

因此，许多安全系统也应运而生，诸如为了避免交通事故发生的主动安全系统和在发生事故时的防护安全的被动安全系统，而主动安全系统对汽车交通事故的发生能起到避免的作用，所以，主动安全系统的研究更为重要。

随着汽车数量的增加，停车场的数量也急剧增加，停车车辆密集，停车人多，所以汽车碰撞亦逐渐增多。

而本设计的汽车防撞装置就是主动安全系统，通过对汽车与障碍物之间距离的提示报警避免汽车与障碍物之间的擦碰。

本设计要求设计的汽车防撞装置能减少驾驶员的驾驶压力和判断错误，使驾驶员停车倒车更加安全方便，本设计将对提高交通安全起到重要作用。

本设计基于单片机实现汽车防撞，将超声波测距和传感器联系在一起，利用单片机的实时控制和数据处理功能测量并显示汽车与障碍物之间的距离，并在不同距离利用蜂鸣器不同频率发出不同声音及时报警。

这样驾驶员就能通过测距的显示甚至不同的声音来直接判断汽车玉障碍物之间的距离。

本设计的设计简易，虽然精度不高，还不能测量过远的距离，但规模小，外围电路简单，调试也方便，成本也不高，器件更换容易，灵活性高，而且能完全满足驾驶员泊车时的需要，可以完全解除驾驶员在倒车过程中的顾虑和困扰，提高泊车的安全。

汽车防撞装置这种汽车安全辅助装置能大大减少汽车驾驶员在倒车的时候顾虑和对距离判断的失误，从而能够避免倒车的安全问题的发生，故此装置对于提高交通安全将起到重要的作用。

所以，本课题所要求设计的基于单片机的汽车防撞装置将具有极大的现实意义和市场。

1.2国内外研究现状

本汽车防撞装置包含有单片机控制电路、超声波测距传感器、蜂鸣器报警电路及数码管显示部件等，装置将各部件有机地结合起来，实现超声波测距及蜂鸣器报警提示的功能。

倒车防撞系统的开始是以蜂鸣器报警为标志的。

汽车离障碍物距离越近，蜂鸣器报警声越急，蜂鸣器报警虽然使驾驶员知道有障碍物的存在，但却不能确定汽车车尾离障碍物有多远，所以，蜂鸣器报警对驾驶员帮助不是很大；之后一个质的飞跃就是液晶屏显示的出现，特别是液晶显示开始出现动态显示系统，驾驶员就是只要发动车辆，而且不用挂倒挡，液晶显示器上就会出现汽车图案以及汽车与周围的障碍物的距离，液晶显示是动态显示，液晶显示器的外表美观，显示的色彩也很清晰，而且可以直接粘贴在仪表盘上，安装也很方便。

不过由于液晶显示的灵敏度比较高，而且它的抗干扰能力也不是很强，所以误报的情况也较多。

现在市面上的魔幻镜倒车雷达应该算是比较先进的倒车雷达了，它结合了前几代产品的优点，并采用了最新仿生超声雷达技术，并用高速电脑控制，可全天准确地进行探测2m以内的障碍物，并以不同的声音提示和直观的距离显示来提醒驾驶员；魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气温度显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，可以直接安装在车内倒视镜的位置，而且它样式种类繁多，可以按照个人需求和车内装饰选配，当然它的价格也是比较贵的。

最新的一代倒车雷达是整合影音系统，除了具备前几代倒车雷达的功能外还兼有影音系统。

随着科学技术水平的迅速发展，相关电子技术也是飞跃前进，当然，汽车电子产业也得到飞速发展，电子产业的飞速发展使得车载电子安全产品有很大的发展前景。

倒车雷达当然是每辆车必备的电子安全产品，如今市面上的主流的汽车倒车雷达基本都是以单片机芯片为控制核心的智能测距报警系统。

这些的倒车雷达能够连续测距并显示汽车与障碍物之间的距离，而且采用蜂鸣器的不同频率的鸣叫声进行报警提示和距离显示提示，从而能够尽量不占用驾驶员的视觉空间。

此外，汽车电子系统的网络化的发展还要求作为汽车行驶安全辅助系统的倒车雷达要具有通信功能，并能够把数据发送到汽车总线上去。

就目前市面上的产品来讲，目前的汽车倒车雷达主要是具备数码管或者液晶屏的距离显示并且带有蜂鸣器的语音报警为主的汽车安全系统。

这些系统主要采用的是以单片机为控制核心的智能超声波测距传感器和蜂鸣器报警系统，这种汽车安全辅助系统便宜耐用，而且达到了汽车电子系统网络化的发展需求。

1.3课题研究内容及章节安排

本文所介绍的超声波测距报警系统在测距的时候采用的是两个超声波探头分别进行超声波发射和接收来进行距离的测量的。

本设计的汽车防撞系统能测量出倒车方向的障碍物与汽车之间的距离,并通过数码管显示单元模块显示两者之间的距离,然后通过蜂鸣器发出不同频率的声响,从而起到提示和报警的作用。

本系统利用一片AT89C51单片机对超声波信号循环不断地进行采集。

系统包括超声波测距单元、AT89C51单片机控制、蜂鸣器报警模块和数码管显示模块以及其他辅助模块。

这个设计的汽车倒车防撞系统能够连续测距，数据经过单片机的处理后，用4位数码管显示所测量得到的距离，并利用不同频率使蜂鸣器发出不同的鸣叫声进行语音报警。

论文构成主要由以下部分组成：

第1章主要介绍了本课题的背景意义和相关技术在国内外的研究现状。

第2章主要介绍超声波传感器以及其传感特性。

超声波测距原理及其实现和传感系统的一些主要参数。

第3章介绍的是汽车防装系统的总体方案设计。

首先介绍汽车防撞系统的设计要求，然后分别对测距传感器的选择和显示报警系统的方案设计做了介绍，最后提出本系统的总体的设计方案，为硬件系统的设计打下了基础。

第4章对硬件系统的设计进行了介绍。

首先对超声波传感器的工作原理进行了分析，然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路的硬件设计，最后介绍了显示模块电路和蜂鸣器报警电路的设计以及辅助模块（如存储用的EEPROM、程序输入用的ISP模块、通信模块等）的设计。

本章既对本设计用到的芯片做了简单介绍，也对电源Multisim仿真设计做了介绍。

第5章主要是对系统的软件设计进行了介绍。

在软件设计中采用不同模块不同编程进行设计的，本设计分别对系统的主程序模块、中断子程序模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块和数码管的显示模块的各个程序进行了设计。

第6章是对本设计的误差分析、总结和展望。

最后对全文进行了总结，并指明了系统设计的不足之处，最后也对本系统发展前景进行了展望。

第2章超声波测距原理

2.1超声波传感器介绍

超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。

目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。

电声型主要有：

1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。

流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同。

在汽车倒车防撞系统中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。

压电传感器探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波测距装置的重要组成部分。

传感器的主要组成部分是压电晶片。

当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。

当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。

前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。

超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。

这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。

在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。

也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。

如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

图2.1压电式超声波传感器结构图

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如图2.1所示，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，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。

图2.2为分离式反射型超声波传感器的基本工作方式。

图2.2超声波传感器的基本工作方式

2.1.1超声波传感器的特性

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以T/R40超声波传感器为例进行说明。

图2.3T/R40型超声波传感器频率特性曲线

从图2.3T/R40型超声波传感器频率特性曲线可看出，其中，f0＝40KHz为超声发射传感器的中心频率，在f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在f0处所产生的超声声压能级最高。

而在f0两侧，声压能级迅速衰减。

因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率f0的交流电压来激励。

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。

曲线在f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0处接收灵敏度最高。

因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。

超声波接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。

如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。

并且最大灵敏度向稍低的频率移动。

因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。

2.2超声波测距的原理及实现

超声波测距方法主要有三种：

1）相位检测法：

精度高，但检测范围有限；2）声波幅值检测法：

易受反射波的影响；3）渡越时间法：

工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：

检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。

设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有l

=ct/2。

综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。

渡越时间法测距原理如图2.4所示。

图2.4渡越时间法测距原理

其中，t就是所谓的渡越时间。

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表2.1列出了几种不同温度下的声速。

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

表2.1声速与温度关系表

由于我国大部分地区四季温差不超过40（-10到30）摄氏度，且本系统测距范围（车后4到5米）比较小，单片机以微秒计时，故温度影响可以不予考虑。

可以看出主要部分有：

（1）供应电能的脉冲发生器（发射电路）；

（2）使接收和发射隔离的开关部分；

（3）转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；

（4）接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；

（5）接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；

（6）记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。

2.3测距系统的主要参数

（1）测距仪的工作频率

由文献知，空气中超声波的衰减系数为α=αaαs=Af2+Bf4。

所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz左右。

太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。

传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。

工作频率的确定主要基于以下几点考虑：

如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。

综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz。

这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

（2）声速

声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。

传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。

声速随温度变化公式为

V=331.4＋0.607T（mm/ms）

式中，T是温度。

由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。

在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为340mm/ms。

（3）发射脉冲宽度

发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。

根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。

但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。

本设计最终选定11us的发射脉冲宽度。

（4）测量盲区

在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。

此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。

不同的检测仪阻塞程度不一样。

根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。

由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区。

第3章总体方案论证

本章从系统方案等一些方面来进行论证。

本设计主要是进行距离的测量和报警，设计中涉及到的内容较多，主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来。

而本设计的核心是超声波测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器，之后选择合适单片机芯片，以下就是从相关方面来论述的。

3.1设计方案论证

3.1.1测距传感器

（1）激光测距传感器

激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。

其优点是测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。

（2）红外线测距传感器

红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。

其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。

（3）超声波传感器

超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波。

超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。

超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。

在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。

从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。

根据对以上三种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。

而且汽车在行驶的过程中超声波传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。

3.2系统总方案

此方案选择AT89C51单片机作为控制核心，所测得的距离数值由4位共阳极数码管显示，与障碍物之间的不同距离利用蜂鸣器频率的不同报警声提示，超声波发射信号由AT89C51单片机的P0.1口送出到超声波发射电路，将超声波发送出去，超声波接收电路由CX20106芯片和超声波接收探头组成的电路构成，报警系统由蜂鸣器电路构成。

本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很好的提高系统的可靠性。

本设计的汽车防撞装置的系统框图如图3.1所示。

图3.1超声波测距硬件电路图

结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料，选择了超声波测距传感器TR40-16（其中T表示超声波发射探头，R表示超声波接收探头）。

超声波模块的最大探测距离为5m，精度可以达到0.3cm，盲区为2cm，而且发射扩散角不大于15°，更有利于测距的准确性。

而且，此模块的工作频率范围为39kHz～41kHz左右，完全能在40kHz工作频率工作。

由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的，所以发射探头和接收探头必须在同一条水平行直线上，这样才能准确地接收反射的回波。

而由于测量的距离不同和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传播的过程中的超声波衰减问题，发射探头和接收探头距离不可以太远，而且还要避免发射探头对接收探头在接收信号时产生的干扰，所以二者又不能靠得太近。

根据对相关资料查阅，将两探头之间的距离定在5cm～8cm最为合适。

第4章系统硬件电路设计

汽车防撞装置主要由单片机、超声波发射探头、超声波接收探头、4位共阳极数码管、蜂鸣器组成。

汽车防撞系统的测距是利用超声波测距的原理，在单片机内部程序的控制下，由超声波发射探头发射超声波，在超声波遇到障碍物时反射到超声波接收探头，由此回应到单片机，由单片机进行中断处理和数据的处理，计算出距离，由数码管显示距离，并由蜂鸣器报警提示。

本设计的硬件电路分为五部分：

单片机系统设计、超声波发射和接收电路、显示报警电路、数码管显示其他辅助电路和稳压电源设计。

4.1单片机系统设计

4.1.1单片机的选择

一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。

如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。

目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。

在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有：

（1）单片机最基本性能参数指标。

例如：

执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。

（2）单片机的某些增强的功能。

（3）单片机的存储介质。

例如：

对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。

（4）单片机的封装形式。

封装的形式多种多样，例如：

双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。

（5）单片机对工作的温度范围的要求。

例如：

在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。

（6）单片机的功耗。

例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用STC的单片机是最合适的。

（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。

（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。

（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。

51系列单片机它在指