基于超声波的汽车防撞系统的设计.docx
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基于超声波的汽车防撞系统的设计
1绪论1
2课题简介及其发展现状2
2．1课题研究现状及其发展意义2
2．2超声波简介3
3总体设计方案4
3．1设计总体思路概况4
3．2超声波测距原理5
3．3超声波传感器6
3．4控制系统框图7
3．5超声波发射装置设计8
3．6超声波接收装置设计10
3．7温度补偿11
3．8显示电路设计12
3．9报警装置设计15
4软件设计16
4．1软件工作流程16
4．2主程序流程图17
4．3超声波的发生子程序和中断程序17
5硬件设计18
5．1芯片的功能及其测距原理18
5.1.1AT89C51的功能特点18
5.1.2单片机实现测距的原理19
5.1.3系统的特点20
5．2超声波测距系统元器件清单20
结束语22
参考文献23
附录18
附录1汽车防撞测距仪原理图24
附录2程序清单25
1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，百姓的收入日益增加，解决了温饱问题的家庭开始奔向小康，表现最明显的是交通工具的升级换代：
一些家庭开始购买汽车作为代步工具。
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将达到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汽车拥挤的现状。
再加上汽车设计中车速的不断提高，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，给人们带来巨大的人身伤亡和社会财产损失。
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测距仪对当今汽车行驶安全现状势在必行。
汽车防撞测距仪是一种向驾驶员报警的装置，此汽车防撞测距仪能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。
该汽车防撞测距仪，要求测量范围在30~50m，测量精度1~2m，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
功能说明：
汽车倒车时，检测车辆后方障碍物位置,并利用LED显示屏将车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶员，同时启动扬声器报警起到防撞的作用。
系统能够在高速行驶时，较准确测量与前方障碍物的距离，并在车辆行驶到危险距离时，发出急促的报警提醒驾驶员注意刹车。
2课题简介及其发展现状
2．1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测距仪势在必行。
防撞预警自动测量技术应运而生，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2。
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。
2．2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。
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，鼓被敲打之后，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，超声波就是频率很高的声波。
超声波在现实生活中能够广泛应用，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8。
国内的超声波研究比其它国家起步晚，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。
3总体设计方案
汽车防撞测距仪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。
3．1设计总体思路概况
汽车防撞测距仪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
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。
汽车防撞测距仪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报警电路三部分。
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。
显示电路装置通过结构简单价格便宜的4位LED数码管显示距离1。
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。
在加载方波信号时使用两个74LS04并联，使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，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5脚连接了一个外接电阻，此电阻使得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。
超声波测距预警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。
再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的声波信号。
设计中采用了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[]。
3．2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,然后根据公式
，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2。
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（m／s）
313
319
325
323
338
344
349
386
超声波的测距原理，如下图3-1所示。
单片机发出40kHZ的信号，经放大电路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。
图3-1超声波测距原理图
3．3超声波传感器
超声传感器指的是在超声波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。
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，它又称为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。
图3-2超声波换能器内部结构图
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达TCT40的另一个电极，用这种形式将P1.0发出的方波信号加到达TCT40的两端上，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，再传播回来，由接收换能器进行接收。
3．4控制系统框图
超声波防撞控制系统如图3-3所示。
该系统全部都由单片机进行控制，单片机发出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回来再由接收电路接收反射超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则由报警电路通过蜂鸣器发车报警，提示司机躲避障碍物。
图3-3超声波测距报警系统图
3．5超声波发射装置设计
超声波发射装置包括两个部分：
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3-4所示，超声波发射装置仿真图如图3-5所示。
图3-4超声波发射装置设计图
图3-5超声波发射装置仿真图
超声波的发射电路主要由反相器74LS04[[]]和发射换能器TCT40-16构成。
AT89C51单片机P1.0口输出的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，能够增强超声波的发射强度[]。
在加载方波信号时使用两个74LS04并联，可以提高驱动能力。
而电阻R11、R12可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短了震荡时间，还可以提高换能器输出高电平的驱动能力。
3．6超声波接收装置设计
超声波接收装置包括接收探头、信号放大电路和波形变换电路三个部分。
超声波探头采用RCT40。
按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。
接收装置的设计可用CX20106A来完成。
在空气中传播的超声波，其能量的衰减与距离是成正比的，距离越小、衰减越少，距离越大、衰减越多，通常都在1V之内[]。
图3-6超声波接收装置设计图
超声波的接收装置如图3-6所示，超声波的接收采用CX20106A集成电路模块。
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5脚连接了一个外接电阻，此电阻使得滤波器的中心频率能够调节，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。
接收到的声波信号经由放大器，调整信号的频率，然后滤波消除干扰信号，最后再经过整形，输出到CX20106的7脚输出。
当接收到的声波信号与CX20106的中心频率相符时，它的7脚就会低电平输出，而7脚接到INT0引脚上，这样就会中断。
若频率和CX20106的中心频率不同时，即可调节R21，使滤波器的中心频率与超声波测距的频率相符。
CX20106引脚图[]如图3-7所示，CX20106有8个引脚管脚1是超声波信号输入端；管脚2的电阻和电容决定接收换能器的总增益，通过增大或者减小电阻电容，确定放大倍数；管脚3与GND之间连接的电容起到检波作用；管脚5上的连接一个外接电阻，这个电阻用来设置滤波器的中心频率；管脚6与GND之间接入一个电容，该电容确定探测距离；管脚7是集电极开路输出端：
管脚8接电源正极。
图3-7CX20106引脚图
3．7温度补偿
温度对超声波的影响是很大的，如果能够知道温度，则可求出超声波的声速，从而能够得到较高的精度[]。
而问题在于用什么方法获得温度数据。
为了方便对温度信号进行采集和处理，设计中采用了DALASS公司的DS18B20集成温度传感器对超声波的传播速度进行温度补偿[]。
DS18B20采用1-WIRE总线技术，能够在只占单片机一个I/O接口的情况下进行工作，方便了使用者对其的调试使用，而且它在零下十摄氏度到八十五摄氏度的工作环境下能够保持±0.005的精度，足以为超声波测距装置提供精度范围。
图3-8所示为温度补偿设计图。
两个按键开关用于控制测量的开始与结束之间的切换。
DS18B20硬件性能稳定，接口简单，只需一根接口线就能连接起来。
DS18B20温度传感器里面有两个晶振，低温度系数晶振和高温度系数晶振。
低温度系数晶振的振荡频率随外界温度的变化基本上没有影响，所以低温度系数的晶振产生的信号是固定频率的，这样便把它产生信号发送给计数器1。
高温度系数晶振和低温度系数晶振正好相反，它在温度变化很大的时候,它的振荡频率随着温度发生很大的变化，所以计数器2的脉冲输入信号我们使用高温度系数的信号输入。
由于计数器1对低温度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的值减少到0时，温度寄存器的数值就加1，计数器1的数值就会重新装入，计数器1再重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，这样一直循环，一直到计数器2计数到0时，停止对温度寄存器数值的累加，这时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3-8温度补偿电路设计图
3．8显示电路设计
显示电路中显示测量距离使用的是4位共阳的LED数码管，它简单实用并且价格便宜。
LED显示是共阳极接法的动态循环显示，段码使用74LS245芯片驱动，位码使用四个PNP三极管来驱动，显示电路设计图如图3-9所示。
74LS245芯片是生活中最为常用的芯片。
它是8路同相三态双向总线的收发器，它可以用来驱动数码管或者一些其他的设备。
它具有双向的三态功能，这使得它能够双向的传输数据，既可以输入数据，也可以输出数据。
图3-9显示电路设计图
在74LS245芯片
端低电平有效时，当DIR=“0”时，信号由B向A传输；当DIR=“1”时，信号由A向B传输；当
为高电平时，A、B两端均为高阻态。
在生活中最常见的LED数码管是八段和七段的，八段式原理图的如图3-11所示。
本次设计中采用的是八段式的数码管。
八段式的与七段式的相比，他们各部分结构大体相同，八段只比七段式的多了一个小数点。
数码管都是由LED发光二极管发光单片机控制LED的灭亮显示出不同的形状从而显示出数字。
数码管又分为两种类型，共阳极型和共阴极型，原理图如图3-10所示。
共阳极型就是将数码管中发光二极管的阳极都接在一起并且接到电源上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阴极接到地线上，它就会发光。
共阴极型则是将数码管中发光二极管的阴极都接在一起并且接到地线上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阳极接到电源上，它就会发光。
图3-10共阴极型和共阳极型原理图
图3-11数码显示管引脚图
如图3-11数码显示管引脚图所示，把两个COM引脚连接起来，作为数码管的公共端，数码管共阴端要接地，共阳端接电源。
一个二极管是一位，八个管子即a,b,c,d,e,f,g还有dp，拼成个8字列在一起就构成了一个8位的数码显示管。
一个八段式的数码显示管的每个显示管连在一起，每个二极管的公共端称为位选线。
在数码管显示数字时，一个二极管对应一条直线，a对应的是首位，dp对应最后位。
例如，当数码管显示管显示数字0时，那么共阴极数码显示管的编码就为00111111，十六进制数为0x3f，而共阳极的数码显示管的编码就是，十六进制数为0xC0。
通过这个例子可以看出来共阴极数码显示管和共阳极数码显示管的编码各个位是相反的。
3．9报警装置设计
报警部分采用一个蜂鸣器进行报警，利用单片机控制输出一个一定频率的信号。
信号通过一个三极管，把信号放大，以增强驱动能力。
然后将放大之后的信号连接到蜂鸣器上，报警部分装置如图3-12所示。
图3-12报警装置设计图
蜂鸣器使用直流电源进行供电，广泛应用于当今生活中，尤其在计算机、报警器、汽车电子设备、电话机等电子设备制造中作为发声的器件而广泛应用。
蜂鸣器是一种一体化结构的电子发声器，它分为两种类型，一种是压电式蜂鸣器，另一种是电磁式蜂鸣器[]。
压电式蜂鸣器主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、共鸣箱及阻抗匹配器和外壳等部分组成。
压电蜂鸣片是由铌镁酸铅或锆钛酸铅压电陶瓷材料制造而成。
在陶瓷片的表面镀上金属电极，经过极化处理和老化处理之后，再与不锈钢钢片粘贴在一起就制成了压电蜂鸣片。
而多谐振荡器由集成电路或者晶体管构造而成。
当电极两端接通电源以后,多谐振荡器开始振动,输出音频信号，然后阻抗匹配器便能推动压电蜂鸣片发出声音。
电磁式蜂鸣器主要由振荡器、磁铁、振动膜片、电磁线圈和外壳等部分组成。
在两极接通电源之后，振荡器能够产生音频信号，信号通过电磁线圈，便会使电磁线圈生成磁场。
这样振动膜片便会在磁铁和电磁线圈的作用下，周期性地反复振动从而发出声音。
4软件设计
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。
4．1软件工作流程
按下控制系统的开关，进行系统的初始化，当主程序完成初始化后调用发射子程序，由P1.0口发射出1个脉冲，驱动超声波换能器发射超声波，并且计数器开始计时。
利用定时器的计数功能记录超声波从发射到接收所用的时间。
当超声波接收器接收到超声波后，接收电路输出端输出一个跳变信号，在INT0端产生一个中断的信号，单片机响应中断请求后执行外部中断子程序，读取出来时间间隔，得到超声波的时间差。
计数器1对低温度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器T1的值减少到0时，温度寄存器的数值就加1，计数器T1再重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，一直循环到计数器T2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，这时即可读取此时温度值。
根据上文中表3-1超声波波速与温度的关系表，即可知道超声波精准的声波速度。
知道了时间和超声波的声波速度后，由S=CT/2算出汽车与被测物体的距离。
其中，S为测量的距离,C为超声波在空气中的传播速度。
T为从发出超声波信号到接收到返回信号的时间间隔。
通过单片机的计算得出距离，显示出来，到达距离极限时，启用报警模块。
4．2主程序流程图
图4-1主程序流程图
主程序流程图如图4-1所示。
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。
再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，然后使用外中断接收遇到物体后返回的超声波信号。
设计中采用了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，跳出程序，结束测量。
4．3超声波的发生子程序和中断程序
超声波发生子程序是通过P1.0端口发出频率约40kHz的方波脉冲信号，在发出脉冲的同时，打开计数器T0开始计时。
测距主程序是利用外中断T0检测遇到障碍物后反射回来的声波信号，一旦接收到信号，马上进入中断程序。
中断开始后立刻让计时器停止计时，此时测距成功。
如果在计时器溢出时还没有检测到反射的超声波信号，此时测距不成功。
?
图4-2中断处理流程图
5硬件设计
硬件电路的设计主要包括三部分：
单片机系统、显示电路、超声波的发射和检测接收电路。
在本次设计中单片机采用AT89C51。
还采用了12MHz高精度的晶振，以减小测量误的差[]。
用AT89C51的P1.0端口输出所需的40kHz的方波信号，采用AT89C51实现对TCT40超声
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