基于超声波的汽车防撞系统设计.docx

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基于超声波的汽车防撞系统设计

摘要

随着中国工业经济的不断高速发展，汽车行业成为了促进中国经济发展的不可或缺的一部分，近年来我国高速公路追尾碰撞事故频繁发生，而车载追尾碰撞预警系统在解决高速公路行车安全中具有良好的前景，科学技术的快速发展使得超声波技术在汽车领域中的应用越来越广泛。

本文对超声波汽车防撞系统进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口技术、超声波换能器、以及超声波在介质中的传播特性等知识，采用以stc89c51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距的硬件电路和软件电路设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件个软件实现各个功能模块。

该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。

超声波发射模块中采用555定时器构成的时基电路，接收电路使用SONY公司的CX20106A红外检测专用芯片，该芯片常用于38kHz的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，并且增益可调，与传统超声波检波电路相比，电路变得精简，调试变得相对容易。

测距器使用数码管显示目标物的距离。

为了保证超声波汽车防撞系统的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。

就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射装置、接收装置、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换电路及系统功能软件等做了详细说明.实现障碍物的测距、显示和报警，超声波测距范围0.6-2.0米，精度在10厘米左右。

关键词：

汽车防撞报警系统、STC89C51、传感器、LED显示、测量距离

Abstract

WiththerapiddevelopmentofChinaindustrialeconomy,theautomotiveindustryhasbecomeanindispensablepartofChinapromoteeconomicdevelopmentinrecentyears,therearendcollisionaccidentsoccurfrequentlyinChina,andthevehiclerearendcollisionwarningsysteminthesettlementofexpresswaytrafficsafetyhasagoodprospect,therapiddevelopmentofscienceandtechnologymakestheultrasonictechnologyappliedinautomotivemorewidelyinthefieldof.Thispaperanalysesthetheoryofultrasonicwaveautomotivecollisionavoidancesystem,theuseofanalogelectronics,digitalelectronics,computerinterfacetechnology,ultrasonictransducer,andtheultrasonicpropagationinthemediumofknowledge,usinglowcost,usingSTC89C51microcontrollerasthecoreofthehardwarecircuitandsoftwaredesignmethodofthecircuitofhighprecision,miniaturizationdigitaldisplayultrasonicranginginonthebasisoftheoverallsystemdesign,thehardwaresoftwareimplementationofeachfunctionalmodule.

Thedesigniscomposedofultrasonictransmittingmodule,thesignalreceivingmodule,microcontrollermodule,digitaldisplayandsoundandlightalarmdisplaymoduleandothercomponents,thispaperintroducesindetailtherangeofhardwaredevices,measuringprinciple,methodandstructureofsoftware.Thetimebasecircuitmodule555timerusedaspecialchipCX20106A,ultrasonic,infrareddetectionreceivingcircuitusingtheSONYcompany,thechipusedinthedetectorcircuit38kHz,carefulanalysisoftheinternalcircuitinthispaper,thehardwarecircuitdesigncansuccessfully40kHzultrasonicdetection,andadjustablegain,comparedwiththetraditionalultrasonicdetectioncircuit,thecircuitissimplified,thedebuggingeasier.Therangefinderusingdigitaltubedisplaydistanceofobject.

Inordertoensurethattheultrasonicwaveautomotivecollisionavoidancesystemreliabilityandstability,takethecorrespondinganti-interferencemeasures.Ontheultrasonicpropagationcharacteristics,jobcharacteristics,theultrasonictransducerultrasonictransmittingdevice,receivingdevice,ultrasonicsignalamplificationandwaveformshaping,speedconvertercircuitandsystemfunctionofsoftwareindetail.Theranging,obstacleofdisplayandalarm,ultrasonicdistancemeasurementrangeof0.6-2.0meters,theaccuracyofabout10cm.

Keywords:

anti-collisionalarmsystem,STC89C51,sensor,LEDdisplay,measuringthedistanceofcar

第一章绪论

曾几何时，汽车对很多家庭来说是不敢想象的。

但随着社会生产力的发展和经济水平的大幅度提高，让百姓的收入日益鼓胀，解决了温饱问题的家庭开始走向小康，表现得最明显的是交通工具的升级换代上：

一些家庭开始购买汽车作为自己的代步工具。

近几年我国汽车保有量逐年增加，2009年的保有量为6300万辆，2010年达到7400多万辆。

按保守估计，未来国内汽车保有量能够达到4.9亿辆左右，即大约350辆/千人。

对于汽车数量的大副度攀升，尽管国家在公路设施上不断地改进，但道路上的车辆仍然还是越来越多，尤其在上下班时段完全避免不了公路上汽车拥挤的现状。

再加上在汽车设计上车速的不断提高，虽然公路上各路段都有限速，但撞车事件仍然在广大人民的生活中屡屡发生，给人们带来了巨大的人身伤亡和社会财产的损失。

针对汽车拥挤的现状，设计一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统对当今现状是势在必行的。

汽车防撞系统是一种向司机的报警装置，此防撞报警系统能将在汽车行驶和倒车过程中自动检测障碍物，然后通过超声波测距原理测出汽车与障碍物之间的距离，并将距离显示出来，当汽车与障碍物之间的距离达到极限时。

系统发出声光报警，达到提醒司机防止撞车的目的。

1.1课题研究现状及其发展意义

随着社会经济发展的不断进步，汽车的数量逐年增加，汽车拥挤的现状不可避免，而在汽车拥挤的情况下，恶性事故屡屡发生，时刻威胁着人们的安全。

我国交通事故的年死亡人数远高于他国，分别是美国的2.3倍、德国的18.4倍、日本的13.4倍。

当现代家庭充分的享受汽车带来方便的同时，也为此付出了沉重的代价。

据统计，我国自2010年至2010年，已有150多万人死于道路交通事故，其中大部分的道路交通事故为汽车追尾碰撞事故。

面对当今这种现状，设计出一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统势在必行。

防撞预警自动测量的技术应运而生，尤其非接触式测量技术发展卓越。

在大多情况下，测量与障碍物之间的距离是不能够接触到障碍物的，在这种时候就会用到非接触式测量设备。

在物理学中人们发现了电子学技术产生的超声波后，从此超声波技术在测量领域得到了广泛的运用，尤其是在超声波测距方面，结合了其他技术，用超声波测距变得十分常用。

超声波在介质中传播的距离较远，分辨力较高，且能量消耗小，利用超声波测距比较方便而且速度快计算简单，容易做到实时控制，并且测量精度好，都能够达到工业测量的需要。

因此超声测距广泛应用于当今生活中，特别是应用于超声波测距方面。

超声波测距利用的是声波反射原理，声波在空气中传播避免了与介质接触。

与其它测距方式相比，超声测距不受颜色、光线和电、磁场的影响，使他受到干扰的可能大幅度减少。

它还具有可靠性能高、结构简单、价格便宜、安装方便等优点。

也能够测量处于黑暗、烟雾、有灰尘、电磁干扰等恶劣环境中的障碍物。

但由于超声波传播时温度对声速影响比较大，使超声测距的精确度到了影响，在这里可以采用温度补偿进行校正，能够消除温度对其的影响。

1.2汽车防撞系统的发展过程

国际上对汽车防撞的研究开始于二十世纪六十年代，以德、美、日为代表的西方国家内开始研究，与众多汽车制造厂商合作，制造出世界上第一批汽车防撞报警器。

但局限于当时器件的发展水平和单片机成本过高，导致报警器难以做到体积轻巧、结构简单、价格便宜。

些外，报警器的干扰因素很多，在实验室制造的样机，对许多干扰因素考虑不全面，使在实际得应用中，防撞效果并不让众多研究者满意。

二十世纪末，奔驰公司组织，计划将组合通信、传感器、智能技术结合于于一个系统中，改进了汽车的经济性、安全性和有效性，在这次研究中研制出了性能优良的汽车防撞报警器，能够帮助驾驶员避免发生交通事故。

使得制造出低成主本、高性能的汽车防撞雷达成为可能。

欧盟RadarNet研究项目整合己有研究成果，研制新型多功能汽车防撞雷达。

其中，德国的汽车生产厂商奔驰公司和英国的电子生产厂商劳伦斯电子公司强强连和，成功研制出了超声波频率为35G赫兹可报警距离为150米的汽车防撞报警雷达，系统能够智能计算出汽车与前方障碍物的距离和两者之间的相对运行速度，并且根据自身行驶速度计算出汽车与障碍物之间的安全距离，当汽车与障碍物之间或与前车之间的距离小于计算出的安全距离时，预警系统便会发出声音报警信号，提醒司机避开障碍物或者紧急停车。

这种预警雷达适合于在轿车、客车上使用，应用了汽车防撞预警系统能够对于恶性交通事故的发生起到了较好的预防作用。

1.3超声波简介

众所周知，当物体在振动的时候就能够发出声音。

但是人类耳朵只能听到频率为20～20000赫兹的声波。

当声波的振动频率不在这个范围时的声音人类是听不见的。

根据这种情况，人们规定把声波频率高于20KHZ的声波称为“超声波”。

由于超声波具有方向性好，抗干扰能力强，穿透能力强等优点。

在现实生活中有着不可替代的作用它常用于清洗，测距，测速等。

实际测试发现,相同振幅下,振动频率和物体振动的能量是成正比的,当超声波传播时,声波振动频率很高,物体的震动能量也很大。

在现实生活中我们充分的利用了这些能量，例如超声波加湿器，它是把超声波发射到水罐中,物体震动的巨大能量能够使水罐中的水升华成雾气,在把雾气吹入到空气中,这样就使空气的湿度增加。

除此之外应用超声波还可以做很多方便现实生活的实用工具，本文介绍的汽车防撞装置也是应用超声波的原理制成的。

超声波是声波大家族中的一员。

声波指的是物体在机械振动下，物质的质点在其平衡位置进行的往返运动状态。

例如鼓经过敲打之后，鼓面就会上下振动，振动通过空气向四面八方进行传播，这就是声波。

超声波就使频率很高的声波。

超声波在现实生活中能够光泛应用，是因为超声波有以下几种特性，它能够在气体、固体、液体、等介质中进行传播，能够传递巨大的能量，能够发生反射、干涉和共振的现象，并且超声波在液体中进行传播时，可以产生剧烈的空化和冲击的现象。

虽然人类的耳朵听不见超声波，但是不少动物却拥有此项能力。

他们就是利用超声波来捕捉猎物，并且能够避开障碍物。

好多人们疑问为什么蝙蝠能够在完全黑暗的情况下还能够分析在哪能够捕食和避开障碍物。

其实蝙蝠就是利用它听到的超声波而进行在黑暗中自己定位的。

蝙蝠通过自己的嗓子发出超声波，超声波发出之后四面八方的发射出去，当超声波遇到障碍物之后发生反射，这种反射回来的超声波进入到蝙蝠的耳朵中，蝙蝠听到超声波后，就能自己判断出障碍物或者猎物的位置。

然后快速的判断出来从而能够自在的在空中飞翔。

国内的超声波研究照比其它国家起步较晚，人们在发现正压电效应和逆压电效应之后，超声波才逐渐应用于电子行业、清洗机械器件、军事、塑料焊接、金属焊接、医学等等领域。

尤其在医学方面的应用尤为广泛，超声波在人体里传播时，当超声波在人体内的传播时如果遇到障碍物，超声波便会发生反射和折射。

由于每个人的组织结构都是不同的所以他们对于超声波的吸收能力也不同。

这种差别在通过仪器设备把他们显示出来，医生便能通过这种差别便能够判断出身体是否发出病变。

1.4本课题的主要研究内容

（1）研究国内外汽车防撞系统研究现状及发展历史，理解本课题研究的意义；

（2）分析各种汽车防撞系统的基本原理和优缺点；

（3）提出改进汽车防撞系统的对策

（4）设计一种新型的汽车防撞系统，给出设计电路图。

第二章总体设计方案

汽车防撞预警系统是指在汽车行驶过程中防止汽车发生碰撞障碍物的一种智能报警装置。

它能自动发现可能与汽车发生碰撞的障碍物体，并且同时检测汽车与障碍物之间的距离，到达极限距离时发出报警信号以避免碰撞的发生。

根据题目要求，汽车防撞报警器的功能主要有两个：

判断汽车与障碍物之间的距离和当汽车与障碍物之间的距离到达临界距离时发出报警信号。

2.1设计总体思路概况

汽车防撞预警系统的原理是利用超声波的发射和接收，用计时器计出超声波从发射到接收到遇到障碍物后反射声波的时间通过公式计算出汽车与障碍物之间的距离。

在实际生活中常用的测距方法主要有两种，一种是在被测距离的两端，一端设置发射装置，一端设置接收装置，利用公式S=vt得出测量的距离。

这种测量方式特别适用于测量身高；另一种是本次设计采用的方式，利用超声波遇到障碍物后反射得出距离。

汽车防撞系统硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路和超声波检测接收电路及显示电路三部分。

单片机采用的是AT89C51系列。

为了获得较稳定时钟频率而采用了高精度的晶振，这样极大的减小测量距离的误差。

用单片机P1.0端口输出超声波发射器所需要的40kHz的方波信号，使用外中断0口检测接收超声波的反射信号。

显示电路装置用了结构简单价格便宜的4位LED数码管来显示距离。

超声波的发射装置主要是由反相器74LS04和发射传感器构成。

AT89C51单片机P1.0引脚输出40k赫兹的间断方波信号分成2路，一路信号经过一个反向器后到达TCT40一个引脚，另一路通过两个反向器后到TCT40的另一个引脚，用这种形式将P1.0发出的单片机P1.0端口发出的间断方波信号加到TCT40的两端上，用这种推换形式将间断的方波信号连接到超声波传感器的两个引脚上，这样能够增强超声波的发射强度。

在加载反波信号时使用两个74LS04并联，是它的驱动能力得到了很大的提高。

而电阻R11、R12增大超声波传感器的阻尼效果，缩短了震荡时间，使超声波传感器输出高电平的能力大大增加。

超声波接收采用CX20106A集成电路模块，根据电路图可以看出，集成芯片CX20106在接收装置电路中的作用很大。

CX20106是一款红外线检波接收的芯片，他常用于现实生活中，而且价格便宜。

由于红外线波的频率为38kHz，与测距使用的超声波频率接近。

并且CX20106芯片的内部设置比较好，由于设计中芯片的f5角连接了一个外接电阻，此电阻使他滤波器的中心频率能够调节，当R21的阻值越大滤波器的中心频率就越低，变化范围在30～60kHz之间。

此次设计证明用CX20106A接收超声波信号具有优秀的灵敏特性和较强的抗干扰能力。

超声波测距预警系统主要包括主程序、发射子程序、温度采集子程序、外部中断子程序和数码显示子程序等。

超声波测距预计能够系统主程序第一步是对系统进行初始化，初始化定时器T0为16位定时计数器的工作模式。

全局中断打开并给显示端口清0。

在调用超声波的发生子程序发出一个超声波脉冲，在发射过程中延时约0.1ms，避免声波信号从发射器发出后直接传送到接收器而引起直射波触发，然后在使用外中断接收遇到物体后返回声波信号。

我采用了12MHz的晶振，计数器每次计数间隔是1μs，当主程序接收到成功的信号后，将计数器T0中的数计算，即得出与障碍物之间的距离，测出距离后将结果送往LED显示，这就是超声波测距的过程。

在系统调试方面，由于设计的电路由很多集成电路构成。

外围元件很少，所以调试不太难。

只要焊接的电路没有错误，简单调试一下就能够正常使用了。

电路设计中除了集成电路，对其它电子元件也没专业要求。

可以根据测量距离的差异，调整与接收换能器滤波电容就能得到适合灵敏度和超声波抗干扰能力。

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。

2.3超声波测距原理

超声波测距是通过检测超声波发射后遇到障碍物所反射回来的回波，从而测出超声波发射和接收的时间差T,然后根据公司S=CT/2，即可算出汽车与被测物体的距离。

S为汽车与障碍物之间的距离,C为超声波在空气中的传播速度。

因为声速C受温度的影响很大，我们采用温度补偿的方法减小误差。

表3-1中列出了不同温度下的超声波声速。

T为超声波发射到接收到超声波所用时间，计时是由单片机的定时功能计出从超声波的发射到检测到超声波信号得的时间。

表3-1超声波波速与温度的关系表

温度

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速

313

319

325

323

338

344

349

386

利用超声波的测距的原理图如框图3-1所示，单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数。

2.4超声波传感器

为了利用超声波方便人们的生活，科研机构已经设计制做了很多的超声波传感器。

超声传感器指的是在超声频率范围内将交变电信号转换成声波信号或将外界的声波信号转换成电信号的转换器件。

超声波是声波中的一种。

超声波就使频率很高的声波。

超声波在现实生活中能够光泛应用，是因为超声波有以下几种特性，它能够在气体、固体、液体、等介质中进行传播，能够传递巨大的能量，能够发生反射、干涉和共振的现象。

这些优点使超声波换能器的研究势在必行。

大体上讲，超声波的发生器可分为两类：

一类是用机械方式产生超声波，一类是用电气方式产生超声波。

两种方式产生的超声波功率、频率和声波的特性都不相同，因此不同的用途采用不同的方式产生超声波。

而我在此次设计中采用电气方式产生超声波，使用目前在理论研究和实际生活中最为常用的压电式超声波发生器。

压电式超声波传感器装置是根据声电转换原理制成的，他又称超声波探头或者超声波换能器。

超声波换能器有两种，一种是超声波发射换能器，另一种是超声波接收换能器。

压电式超声波换能器的原理是依靠压电晶体的谐振来进行工作的。

超声波换能器的内部由一个换能板和两个压电晶片构成。

这种超声换能器需要的压电材料很少并且价格便宜，并且很适用于气体介质中。

当压电晶片受到发射电脉冲激励后即可产生振动，发射声波脉冲，是逆压电效应。

逆压电效应用于超声波的发射。

当外界的超声波作用于压电晶片时，晶片被迫发生振动引起形变转换成电信号，这是正压电效应。

正压电效应应用于超声波的接收。

在换能器的两极引脚加上大小和方向不断变化的交流电压，就能使压电晶片产生机械变形，当引脚的频率和压电晶片上的振荡频率相同时，就能带动共振板发生共振产生超声波。

超声波换能器的工作原理是把40kHz的间断方波信号分成2路，一路经一级反向器后到达TCT40一个电极，另一路通过两级反向器后到TCT40的另一个电极，用这种形式将P1.0发出的方波信号加到TCT40的两端上，然后产生谐振后经辐射器将振动信号向四面八法传播出去。

当超声波信号经过传播后如果遇到障碍物之后就会发生光波折射，在传播回来，由接收换能器进行接收。

2.5控制系统方框图

超声波防撞控制系统图如框图3-2所示。

该系统全部都由单片机进行控制，单盘机发出40Hz的方波脉冲，经过超声波发射电路发射出超声波。

超声波在遇到障碍物之后反射射回来再由接收电路接收反射声波信号送入单片机进行分析，计算出汽车与障碍物之间的距离，将处理后的结果送入显示电路经过数码显示管显示出距离，如果距离达到安全的极限距离着由报警电路通过蜂鸣器发车报警，提示司机躲避障碍物。

图2.3超声波汽车防撞控制系统方框图

2.6超声波发射装置的设计

超声波发射器包括两个部分：

超声波产生电路部分和超声波发射控制电路部分。

超声波探头采用TCT40。

单片机P1.0端口输出40KHz的超声波信号，此时定时器开始计时。

通过输出引脚输入，经驱动后推动发射探头产生超声波，此方法充分利用了软件控制，灵活性好。

超声波发射电路设计图如图3-3所示。

图3-3超声波发射装置设计图

本次设计采用的是压电式超声波传感器，它是根据声电转换原理制成的。

超声波换能器有两种类型，一种是超声波发射换能器，另一种则是超声波接收换能器。

压电式超声波换能器的原理是依靠压电晶体的谐振来进行工作的。

超声波换能器的内部由一个换能板和两个压电晶片构成