汽车防撞报警系统毕业设计.docx

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汽车防撞报警系统毕业设计

教学单位

学生学号

编号

本科毕业设计

题　　目汽车防撞警报系统的设计

学生姓名　

专业名称　通信工程

指导教师　

2015年5月8日

汽车防撞警报系统的设计

摘要：

汽车工业和电子工业并称为两大巨头的工业部门，与汽车和电子产业的发展和进步，现代汽车，越来越多的多用途电子技术，越来越多的汽车电子。

运输业现在向高密度的方向的发展，电子控制技术进一步在交通安全和车辆导航应用。

本设计是基于单片机的汽车碰撞预警系统的设计核心，结合我国公路情况，司机的现有习惯和传感器技术，设计了汽车防撞预警系统，符合中国国情，其目的是：

在紧急情况下，提醒驾驶员，使驾驶员有一定的预处理时间，从而避免因为驾驶员疏忽、误判断、疲劳等原因所造成的交通事故，以确保驾驶员的安全。

它的工作基本思路是：

运用超声波准确的测量出与前方障碍物的距离，赶紧回到车上的微处理系统，通过微处理系统的操作，比较，然后作出判断，如果达到危险距离，激活的报警。

该系统的研究过程中，根据不同的交通状况，从报警距离报警深入研究模拟；然后，依据所要求的功能，设计了系统的方案，并在此基础上，选择应用电路电源设计信息的收集,和其他报警信号输出设备;与MCS-51汇编语言开发了一个控制系统程序;最后,为了确保传感器的可靠性和稳定性,使用对应的干扰措施。

障碍实现距离测试,显示和报警,超声波测距范围3厘米-400厘米,精度在3毫米左右。

关键词：

汽车防撞；超声波；传感器；MCS-51

Designofvehicle collisionwarning system

ABSTRACT：

Automobileindustryandelectronicindustryandreferredtoastheindustrialsector,thegiantsinthecarandthedevelopmentandprogressoftheelectronicsindustry,moderncars,moreandmoremulti-purposeelectronictechnology,moreandmoreautomotiveelectronics.Nowtowardsthedirectionofthehighdensityoftransportationdevelopment,electroniccontroltechnologyfurtherapplicationintrafficsafetyandvehiclenavigation.

ThisdesignisthedesignofthevehiclecollisionwarningsystembasedonMCUcore,combiningwiththesituationofhighwayinChina,thedriveroftheexistinghabitsandsensortechnology,designstheautomobileanti-collisionwarningsystem,conformstoChina'snationalconditions,theaimisto:

incaseofanemergency,toremindthedriver,thedriverhascertainpretreatmenttime,thusavoidingfordrivernegligence,faultjudgment,fatigueandotherreasonscausedbythetrafficaccident,toensurethesafetyofthedriver.

Itsbasicideais:

useofultrasonicaccuratelymeasurethedistancewiththeobstaclesahead,quicklybacktothebusmicroprocessorsystem,throughtheoperationofthemicroprocessorsystem,comparison,andthenmakeajudgment,ifdangerousdistance,activatethealarm.Intheprocessoftheresearchofthesystem,accordingtothedifferenttrafficconditions,fromanalogalarmdistancealarmin-depthresearch;Then,onthebasisoftherequiredfunctions,thedesignschemeofthesystem,andonthisbasis,theapplicationcircuitofpowersupplydesigninformationcollection,andotheralarmsignaloutputdevice;WithMCS-51assemblylanguageprogramtodevelopacontrolsystem;Finally,inordertoensurethereliabilityandstabilityofthesensor,usingthecorrespondingmeasures.Obstaclestoimplementdistancetest,displayandalarm,ultrasonicrangingfrom3cmto400cm,accuracyatabout3mm.

Keywords:

automobile；anti-collision；ultrasonicsensor；MCS-51

一设计正文

1绪论

1.1课题的提出及意义

在21世纪的今天，我国平均每3个家庭就有一辆汽车，由于车辆较多，所以每天都上演着各种各样的交通事故，因此汽车防撞警报是急待解决的问题。

欧洲专家做过一项研究：

汽车司机只要在碰撞发生前的0.5秒内得到警示，就可以避免60%的交通事故发生。

如果有一秒钟的“预警”时间将会可以避免90%的交通事故发生[1]。

若在天气恶劣的条件下，看见的距离比较近，驾驶员在汽车高速行驶中很难发现障碍物。

在过去的时候，人们主要的研究是汽车被动安全性。

比如：

在汽车的前面、后面安装保险杠或者在汽车里面安装安全带和安全气囊，防止汽车在发生交通事故时对驾驶员造成伤害。

所有的这些安全措施都不能从根本上保障汽车碰撞时对司机所造成的伤害。

汽车发生碰撞主要的原因是因为汽车距离障碍物太近，或者汽车的行车速度过高，司机没有反应时间，所以，大力开发汽车防撞警报系统，以减轻驾驶员的负担[2]。

从经济性和安全性两方面来说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护，有很大的局限性，因而车辆的主动安全研究尤为重要，引出了本文研究的基于单片机的超声波测距系统。

这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，能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。

1.2课题研究现状

交通事故没有预测,优化正常的交通秩序,如何合理利用现有的计算机技术和信息技术,来提高交通的安全已经成为了国内和国外研究的热点。

人们普遍认为,智能交通系统的发展在80年晚些时候的是解决交通安全问题的有效方法。

智能交通系统是信息技术、电子控制系统、通信数据传输系统和计算机处理系统更合理利用交通管理系统,统一道路和环境[3],人,车,建立综合运输、高效、准确的实时管理系统。

视觉系统的探测和识别环境影响的智能汽车。

与其他传感器信息相比,测量机器视觉,为了解决这个问题,与当前条件将导致可怜的实时系统。

通过计算车辆和障碍之间的距离,和检测数据是由自适应滤波处理,检测误差引起的还原环境。

1.3课题要求及设计方法

本设计介绍的超声测距系统是由一个超声波传感器,布置在汽车的前面位置上。

能检测到前方的障碍物,通过车里的报警单元,如果汽车与障碍物之间的距离小于安全距离，就会报警提示,对司机起到提醒作用。

本系统采用单片机STC89C52两超声信号采集周期。

本文超声波测距的基本思路采用的是渡越时间法。

在第一次测量超声波发射车辆障碍然后返回车里的时间，得到超声波的速度，然后在乘以两倍之间的汽车和距离的障碍。

汽车行驶用的超声波传感器,是应用超声波能在空气中传播和反射,通过发射和接收信号,根据接收超声回波的时间差和传播速度,计算超声波传播距离在除以二就是汽车和障碍两者的距离[4]。

大测量距离6米，最小测量距离0.2米，显示分辨率是0.1米，实时数字显示测得的距离，在不同距离范围内能发出不同的声光报警信号。

另外，论文的原理图和程序流程图自画。

防撞报警有微波、激光和超声波等多种传感器。

微波系统测距范围较远，由于采用相控阵天线成像技术，已达到了实用化的程度，只是目前成本居高不下。

国内已有公司设计出激光汽车防撞系统样品，但由于激光波束较窄、路障报告率偏低而暂时不能推广。

超声波的发射和接收是自然界中的普遍现象。

频率低于20KHZ的声波人耳可辨，进行着各式各样、错综复杂的自然声音传递，因背景复杂而不利做测试媒体使用。

频率高于20KHZ的超声波不仅波长短、方向性好、能够呈射线定向传播，而且碰到界面就会有显著反射。

这些特性有利于选用超声波做媒体，测定物体的位置、距离甚至形状等。

超声波传感器的特性:

1在自身特性谐振点40KHZ附近可获得较高的灵敏度；2谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；3不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰设计。

另外，超声系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。

因此，本设计将采用超声波传感器测距。

2课题方案的设计与论证

2.1系统设计方案

超声波测距系统是由发射电路、接收电路、显示电路、核心功能和一些辅助电路组成的电路功能模块。

使用发信机将发射和接收电路分开，有两种好处：

一个是发射的信号与接收信号不会重叠，;二是将探头放在合适的位置上，能够避免其他物体对超声波反射面的干扰，这样就提高系统的应用性。

图1超声波模拟样图

图2超声波汽车防撞原理框图

超声波传感器是利用压电效应,是运用压电陶瓷材料。

因为超声波在传播中会有一定的衰减,而衰减越高频率越高,由于高频率分辨率高,所以我们应该选择利用短距离测量，高频和低频测量传感器,因为超声波传感器的能用来分析超声换能器附近的谐振频率传感使用Qm;量化宽松。

仅仅是一系列分支电路Q值[5]。

在空载换能器（Z1=0）和负载（Z1=R1）当Q=Qm0

Qm,

超声波换能器的工作效率为：

2.2传感器位置

测距系统的发射和接收超声波反射式分离结构,以便发送和接收头的头应该在同一行。

距离和角度误差衰减的问题引起的发射和超声信号在通信过程中,发射探头和接收探头不能相隔太远,为了避免发射和接收信号干扰，所以也不能离得太近。

从以前的经验和调试的实际情况后,发射探头和接收应该放在离中心轴4到8厘米。

发射机超声波测距模块在一波,并启动计时器开始接收到的回波时,导致负跳单片机中断,单片机定时器中断程序反应,立即停止计数。

时差可以通过空气中超声波传播时间的计算,将计算距离。

2.3设计方案的论证

超声波探测技术主要用于中程测距、结构探伤、智能控制等领域，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等不同等级。

本设计选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器。

超声波测距经常用到两种方法——强度法和反射时间法[6]，本设计采用的是反射时间法，就不过多介绍强度发。

反射时间法的基本思路是应用超声波从发射到被障碍物反射回来的时间算的，在距离较短的情况下,可以认为空气中的声速是常数,我们使用公式来衡量回波时间T=V*（T/2）这种方法不会受到别的声波的干扰[7]，直接耦合信号,所以该方法非常合适测量短距离,本设计中使用这种方法。

3硬件实现及单元电路设计

3.1主控制模块

主控制最小系统电路如图3所示。

图3最小系统

图4总设计电路图

硬件电路总设计见图4，从以上的分析可知在本设计中要用到以下器件：

STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。

其中D1为电源工作指示灯。

电路中用到3个按键，一个是设定键,一个加键，一个减键。

3.2电源设计

电源部分的设计采用3节5号干电池4.5V供电。

3.3超声波测试模块

图5超声波模块实物图

超声波模块使用HCSR04超声波模块,模块的非接触式距离可以提供2厘米-400cm传感功能,精度可达3毫米不等。

该模块是由一个超声波发射器、接收器和控制电路三部分组成的[8]。

基本思路就是:

运用IO的触发的范围,模块自动发送40khz的方波信号自动检测是否返回,返回信号,输出一个高水平的IO端口呼应,高水平的时间返回的超声波发射。

测试距离（=高水平时间*声音（340m/S））/2。

实物如图5所示。

VCC5v电源、接地线、潇洒的触发控制信号输入,回声回声信号输出线。

使用超声波探测模块HC-SR04的方法如下：

IO触发，高水平，以TRIG至少10us的开始测量;该模块会自动发出40KHz的波，自动检测被反射回来的信号;信号返回，高水平是通过IO回声端口输出，高电压的持续时间是从超声波返回到发射时间，测试距离=（高电平*340）/2，单位是微米。

主要包括两个功能测试功能程序[9]。

在实现定时器0定时测量，8频率，TCNTT0价值0XCE，当定时器0溢出中断发生2500次为125ms，公式为（单位：

毫秒）：

T=（定时器0溢出*（0XFF-0XCE）/1000）

定时器0的初始值，计算频率差的基础上。

3.3.1超声波的特性

声音是一种自然现象与人类生活密切相关。

当高频的频率的声音超过人的听觉的限制（基于大量的实验数据，20000赫兹的整数[10]），人们不会感觉到周围声音的存在，所谓的高频率的声音作为“超级“的声音。

人的听觉范围如图6所示。

图6人的听觉范围

超声波的波长短,超声波和光线可以是相同的,能够反映,折射,可以关注,遵守所有的几何光学定律。

从材料表面反射超声波射线,等于反射角,当射线通过物质到另一个密度不同的物质会产生折射现象,也是改变传播方向,两种物质之间的密度差更大,折射率越大。

声波传播的媒体,随着传播距离的增加,强度将逐渐削弱,这是由于介质吸收它的一些权力。

同样的媒介,声波频率较高,具有较强的吸收介质[11]。

一定频率的声波传播的气体吸收,特别是日历伤害,在液体中传播的吸收相对较弱,在固体吸收传播是最小的。

3.3.2超声波换能器

完成超声波发射和接受这个设备是超声波传感器,称为超声换能器或者超声波探头。

因为超声波探头即能发射超声波，也可以接收超声波，所以此设计就是运用了超声波换能器。

超声波探头有许多不同种的结构,它们分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头。

　塑料外套金属在压电晶体是超声波探头的核心。

核心芯片是由许多材料构成的。

由于各种晶片种类不同，所以它的大小也不同,比如有些晶片的直径和厚度是不同的,因此不同探头的性能也会不同的,所以我们必须了解探测器的性能参数，。

超声波传感器的主要性能指标包括:

（1）工作的频率。

工作的频率指的就是压电晶片的共振频率。

当谐振频率等于频率和芯片添加到交流电压的时候,最大输出能量的灵敏度最高。

（2）工作的温度。

由于压电材料的成本通常是很高,特别是在使用诊断超声探头的力量小,因此,温度相对较低,不能长时间工作的失败。

因为医学的超声波探头温度很高，所以需要一个单独的冷却装置。

（3）灵敏度。

主要取决于设计芯片本的机电耦合系数、灵敏度比较高。

人能听到的声音频率范围:

20hz~20khz,这超出了可听见的声音,声音的频率范围,即低于20赫兹频率声音称为低频声波,声频率高于20khz称为超声波。

它是一种常用的探测材料的压电晶体、压电陶瓷执行工作利用压电效应[12]。

高频电振动的逆压电效应为高频机械振动,产生超声波,可作为发射探针;积极的压电效应和超声振动波的使用,将转换为电信号,可以用作接收探头。

为了研究和利用超声波,是设计和制造各种各样的超声波发生器。

总体来说,超声波发生器可以分为两种类型:

一种是电气超声波,类似是机械波。

另一种是压电超声波。

它们两个的频率、功率和它们所产生的声学特性是不同的,因此,从根本上讲目的是不同。

图7超声波传感器结构

压电晶体谐振器是在压电是超声波发生器基础上工作的。

图7是超声波发生器内部的结构图,超声波发生器有一个共振板与两个压电晶体。

当它的压电振动固有频率芯片等于脉冲信号频率时,压电共振发生,促进生成板振动共振超声的发展[13]。

反之,如果电极电压两个都不共振,当超声共振被共振板收到时,压电晶片的振动将被抑制,然后会把机械能转化为电信号。

3.4超声波传感器原理

市场比超声波传感器常见是开放的,内部结构如图8所示,复合振动器灵活固定在底座上。

振动器是一个复合双压电晶片零件振动器组成的谐振器和一个金属板和一个压电陶瓷片。

角形谐振器,有效辐射产生的超声波振动的目的,并能有效地使超声波振动器聚集在一个中心位置。

应用于压电陶瓷电压时,会改变电压和频率的机械变形。

另一方面,当压电陶瓷的振动时,它将生成一个。

根据这一原理,当振动器由两个压电陶瓷或压电陶瓷和金属板的一种形式,称为双压电晶片零件元素,应用一个信号,它会发出超声波由于弯曲振动。

相反,当检测超声振动时,它会产生一个电信号。

在此基础上,它可以用作压电陶瓷超声传感器。

图8超声波内部结构

超声波的基本特性如下所述：

1.波长

波传播的速度被用于表示频率乘以波长,大约344米/秒（20℃）。

在这种比较低的传播速度，短波长，这意味着我们可以得到高分辨率的距离和方向。

这是因为高的分辨率的特点，它使我们有可能获得在测量具有高精确度。

2.反射

检测物体存在，超声波可以反映在对象上。

由于金属，木材，水泥，玻璃，橡胶，纸罐超声波接近100％的反射，这样我们就可以很容易地找到这些对象。

布，棉，羊毛可吸收超声波，因此难以通过超声波来检测它们。

同时，由于不规则反射，通常可能很难探测物体和斜坡面的不平坦表面，这些因素决定了理想的测试环境是超声波在空地，并且测试对象必须被反射波。

3.温度效应

声音的速度随环境温度而变化。

因此，要准确地测量和对象的距离，经常检查环境温度是非常必要的，尤其是在冬季室内外温差大，对超声波测距误差的精度影响很大，可用18B20温度补偿，以降低温度变化，考虑到在测试环境被设计在室内，并主要用于超声波测距功能，测量精度不高，因此对温度的系统的影响的问题这里不做深入研究。

4.衰减

传播超声波在空气与距离的变化成比例地降低了强度，这是因为所引起的表面上的球面扩散损失的衍射现象，而且还因为吸收损耗的吸收能量。

如图9所示，超声波频率为高时，衰减率较高，因为超声波的传播距离比较短，所以超声波的衰减会从根本上影响超声波的有效距离。

图9声压在不同距离下的衰减特性

5．声压特性

声压级（S.P.L.）是表示音量的单位，利用下列公式予以表示。

S.P.L.=20logP/Pre（dB）式中[14],“P”为有效声压（μbar），“Pre”为参考声压（2×10-4μbar）如图10所示为几种常用超声波传感器的声压图。

图10超声波传感器的声压图

6．灵敏度特性

是声接收灵敏度级单位,使用以下公式表示。

的敏感性E/P=20日志（dB）类型,“E”电压生成（Vrms）,“P”作为输入声压（bar）。

超声波传感器的灵敏度直接影响系统的范围,如超声波传感器是常见的在几个敏感图，如图11所示,可以发现最大声压级传感器40khz,也就是说相应的40khz灵敏度最高。

图11超声波传感器灵敏度示意图

7．辐射特性

超声波传感器是安排在桌子上。

然后,测量角度和声压的关系（灵敏度）。

为了准确地表达了辐射,与前面相比,声压级（灵敏度）6分贝衰减角称为衰变一半角,由91/2表示。

规模较小的外表面的超声设备很容易获得准确的辐射角[15]。

如图12所示为几种常见的超声传感器的辐射特性示意图。

图12超声波传感器辐射特性示意图

分析上述结果不难看出,超声波传感器的最大工作压力水平和最高的灵敏度范围40khz。

3.5测距分析

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2

最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：

s=340t/2。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。

在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。

声速确定后，

我们只要测得超声波从汽车中发射出去到被障碍物反射到达汽车中的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距仪的基本原理。

如图13所示：

超声波发射障碍物

S

H

θ

超声波接收

图13超声波的测距原理

（3-1）

（3-2）

式中:

L---两个探头之间一半的距离.

又了解超声波的传播距离为:

（3-3）

式中:

v—超声波在空气中的传播速度;

t—超声波从汽车发射出波到汽车又接收到波所需要的时间.

将（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：

（3-4）

式中超声波在空气中的传播速度v在温度不变的情况下就是一个常数（比如在常温T=30度时,V=349m/s）;当需要测量的距离H大于L时,则（3—4）变为:

（3-5）

所以,只需要测量出超声波往返的时间t,就可以得出汽车到障碍物的距离H.

3.6时钟电路的设计

分别在XTAL1和XTAL2反向放大器的输入和输出。

振荡器的配置是在反向放大器的基础上实施的。

陶瓷谐振器可以使用。

如果一个外部时钟源驱动,XTAL2不应该满足。

因为机器周期期间,由6个周,每个周的2个振荡周期,由此一个机器的振荡周期是12个振荡