基于超聲波汽車防撞系統(tǒng)終極版

1、華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計汽車防撞系統(tǒng)控制電路設(shè)計設(shè)計總說明 隨著現(xiàn)代社會程度的高度發(fā)展,交通安全問題已成為各國亟待解決的重大課題。汽車的誕生，給人類生活帶來了種種方便，同時車禍也給人類帶來了很多陰影。交通事故已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的第一公害。根據(jù)戴姆勒一克萊斯勒公司的研究，如果駕駛員有 0.5 秒的額外警告時間，大約60%的后端碰撞事故是可以避免的，而提前 1 秒的警告則會避免 90%的后端碰撞事故。因而車輛防撞系統(tǒng) (Collision Avoidance System，簡稱 CAS)有著重要的研究意義和應(yīng)用空間。為了充分利用汽車為人類帶來的種種方便，同時盡可能多的避免車禍帶來的慘劇，研究和推廣汽車防

2、撞裝置日益顯得重要和迫切。針對這種情況，設(shè)計一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行。因此本文設(shè)計了一種以超聲波測距和 AT89C51 單片機為核心的汽車防撞報警系統(tǒng)，以期提高汽車運行的安全性，減少交通事故。 本系統(tǒng)將單片機的實時控制及數(shù)據(jù)處理功能與超聲波測距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，較好的實現(xiàn)了汽車在運行過程中的障礙防撞，并可通過數(shù)碼管顯示距離，將障礙物距離和汽車在不同車速段的安全距離相比較，可發(fā)出聲光警報。依據(jù)超聲波測距原理，以 AT89C51 單片機為核心，設(shè)計了汽車防撞報警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)將單片機的實時控制及數(shù)據(jù)處理功能與超聲波測距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，以超聲波發(fā)射和接受

3、電路、聲光報警電路、測速電路等硬件電路為載體，通過編寫的處理軟件來實現(xiàn)測量距離。利用一片AT89C51單片機對超聲波信號循環(huán)不斷地進行采集。這個設(shè)計的汽車防撞系統(tǒng)能夠連續(xù)測距，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的處理后，用4位數(shù)碼管顯示所測量得到的距離顯示測量距離，當(dāng)距離小于警戒閥值時，可發(fā)出聲光報警信號。該系統(tǒng)可用于提高汽車在行進過程中與倒車時的安全性，構(gòu)建汽車行進的安全空間。論文利用單片機AT89C51作為控制器,基于超聲波測距原理和霍爾傳感器CS3020測速的原理,設(shè)計了一個汽車防撞控制報警電路,并編寫了對應(yīng)的測速、測距，預(yù)警警告等程序。論文主要包括一下幾個部分: （1）調(diào)研了國內(nèi)外汽車防撞系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及發(fā)

4、展情況,提出了汽車防撞系統(tǒng)電路的總體設(shè)計方案。(2) 研究了單片機AT89C51的電路結(jié)構(gòu)、引腳功能和工作原理,設(shè)計了基于單片機I(3) AT89C51的汽車測速、超聲波的接收與發(fā)射、LED顯示與聲光報警的控制電路。 （3）利用渡越時間法進行超聲波測距的基本原理，分析了影響超聲波測距精度的幾個重要因素，提出了采用 40kHz 的超聲波作為測距載體和對系統(tǒng)測量誤差影響較大的環(huán)境溫度進行補償?shù)姆桨福岣吡讼到y(tǒng)的測量精度和量程，設(shè)計制作了超聲波測距的發(fā)射和接收兩個模塊。其中超聲波發(fā)射電路主要由超聲波換能器和反相器 74LS04 構(gòu)成，單片機 P1.0 端口輸出 40 kHz 間斷方波。超聲波接收電路

5、采用 SONY 公司的 CX20106A 為核心，對接收探頭收到的信號進行放大、濾波。（4）顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，用于顯示車與障礙物的距離，由單片機P0.0P0.6接LED的ag七個筆段，P2.4P2.7接四位三極管的公共端，通過軟件以動態(tài)掃描方式顯示。（5）利用霍爾傳感器CS3020測車速?；魻栜囁賯鞲衅魇且环N基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器，具有對磁場敏感度高、輸出信號穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗電磁干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點。（6）聲光報警電路由 NE555 電路、發(fā)光二極管、揚聲器組成。汽車與障礙物之間的距離小于其車速段的安全距離時，AT89C51 單片機的P2.2 管

6、腳輸出低電平， 經(jīng)反相器到達 NE555 的 4 管腳時為高電平，NE555 開始振蕩，發(fā)光二極管經(jīng)三極管驅(qū)動點亮，同時，電容耦合濾除直流分量使揚聲器發(fā)出報警聲音。（7）對系統(tǒng)的軟件設(shè)計進行介紹。在軟件設(shè)計中采用不同模塊不同編程進行設(shè)計的，設(shè)計分別對系統(tǒng)的主程序模塊、中斷子程序模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊。測速模塊和數(shù)碼管的顯示模塊的各個程序進行了設(shè)計。（8)利用Altium Designer進行原理圖繪畫和PCB板制作。 關(guān)鍵詞：汽車防撞；超聲波測距；AT89C51；測速；聲光報警IIIInstructionWith the rapid development of modern so

7、ciety, the problems of traffic safety has become a major issue to be solved in the world. The birth of the car, brings convenience to human life, at the same time the accident also brought to mankind a lot of shadow. The traffic accident has become the first pollution in modern society. Based on the

8、 Daimler Chrysler, if the driver is 0.5 seconds of extra warning time, rear end collision accident about 60% can be avoided, and 1 seconds early warning will avoid rear-end collision accident 90%. Thus the vehicle collision avoidance system (referred to as CAS) has important research significance an

9、d application space. In order to make full use of a variety of convenient vehicle for mankind, at the same time as much as possible to avoid the accident caused the tragedy, anti-collision device research and promotion of car is becoming more and more important and urgent. In view of this situation,

10、 design a fast response, high reliability and a more economical vehicle collision warning system to be imperative. Therefore, this paper designed the collision warning system to an ultrasonic ranging and AT89C51 microcontroller as the core of the car, in order to improve the security of the automobi

11、le, reduce traffic accidents. The system computer real-time control and data processing functions and ultrasonic ranging technology, sensor technology, better implementation of the obstacles in the operation process of the automobile collision, and can display the distance through the digital tube,

12、the obstacle distance and vehicle at a safe distance from the different speed are compared, can send out audible and visual alarm. According to the principle of ultrasonic distance measurement, based on AT89C51 microcontroller as the core, design the anti-collision alarm system of automobile. The si

13、ngle chip real-time control and data processing and ultrasonic ranging technology, sensor technology combined with ultrasonic transmitting and receiving circuit, measuring circuit, an acousto-optic alarm circuit, hardware circuit as the carrier, through processing software to achieve the measurement

14、 distance. Circulating continuously to collect ultrasonic signal by using a AT89C51 single chip microcomputer. The design of the automobile anti-collision system capable of continuous measurement, data through the MCU after processing, the measured distance display measuring distance with 4 digital

15、tube display, IIIwhen the distance is less than the warning threshold, can send out audible and visual alarm signal. The system can be used to improve the car in the process of running and the safety of the car when the safety car, construction of space travel.The paper uses AT89C51 MCU as a control

16、ler, the principle of ultrasonic ranging principle and Holzer velocity measurement based on CS3020 sensor, the design of a vehicle anti-collision control alarm circuit, and compiled the corresponding velocity, distance, warning warning program. The author of this paper mainly relates to the data inc

17、luding:(1) Investigation of the current situation of domestic and foreign automobile collision avoidance system and the development of the situation, the overall design scheme of circuit for automobile collision avoidance system.Research on AT89C51 MCU circuit structure, pins function and the princi

18、ple of design, the vehicle speed, ultrasonic chip AT89C51 of transmitter and receiver, LED display control circuit and sound and light alarm based on.(3)The basic principle of ultrasonic distance measurement by time-of-flight method, analyses several important factors that affect the precision of ul

19、trasonic distance measurement is proposed, using 40kHz as carrier of ultrasonic ranging and greater environmental temperature effect on the measurement error compensation scheme, to improve the accuracy of measurement and measuring system, the design of ultrasonic ranging the transmitting and receiv

20、ing module two. The ultrasonic transmitting circuit mainly by the ultrasonic transducer and the inverter, 74LS04, SCM P1.0 port output 40 kHz continuous wave. Ultrasonic receiving circuit using the SONY company's CX20106A as the core, amplification, filtering of signal receiving probe received.(

21、4) The display circuit uses 4 common anode LED digital tube display is simple and practical, for the car and the obstacle distance, by the single chip P0.0 - P0.6 LED ag seven segment, P2.4P2.7 public access terminal four triode, through software with dynamic scanning display.(5) Measuring speed by

22、Holzer sensor CS3020. Holzer speed sensor is a kind of Vmagnetic sensor based on the Holzer effect of the magnetic field, has high sensitivity, stable output signal, the frequency response characteristics of high, strong electromagnetic interference resistance, simple structure, convenient use etc.(

23、6)The sound and light alarm circuit, NE555 circuit, light emitting diode, a loudspeaker. The safety distance between the car and the obstacle distance is less than the speed of the AT89C51 microcontroller, P2.2 pin output low level, high level through the inverter to reach 4 of NE555 pins, NE555 sta

24、rts to oscillate, LED tube driving light, the pole at the same time, the capacitive coupling filtering decaying DC component of the loudspeaker alarm sound.(7) The introduction of the system software design. The different modules and different programming design in the design of the software, design

25、 of system main program module, interrupt module, ultrasonic distance measuring module, sound-light alarm module. The speed measuring module and digital tube display modules are designed.(8) By using Keil C programming and schematic drawing and PCB plate produced by Altium Designer. Keywords: Automo

26、bile anti-collision; Ultrasonic ranging; AT89C51; Measurement; Sound and light alarmV目錄設(shè)計總說明IInstructionIII第1章 緒論11.1課題研究意義及背景11.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀21.3 論文主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排3第2章 總體設(shè)計方案4第3章 超聲測距原理63.1超聲波傳感器63.2超聲波及超聲的傳播速度73.3超聲測距基本原理83.3.1相位檢測法83.3.2聲波幅值檢測法93.3.3渡越時間檢測法93.4測距系統(tǒng)的主要參數(shù)93.4.2 聲速103.4.3 發(fā)射脈沖寬度103.4.4 測量盲區(qū)

27、11第4章 硬件系統(tǒng)設(shè)計124.1單片機控制模塊設(shè)計124.1.1單片機的選擇124.1.2 AT89C51單片機的原理及工作特點144.1.3 單片機引腳功能144.1.4 單片機最小系統(tǒng)174.2 超聲波測距模塊設(shè)計184.2.1超聲波發(fā)射模塊184.2.2 超聲波接收模塊204.2.3 溫度補償電路234.3顯示電路設(shè)計244.4 報警模塊設(shè)計254.5 穩(wěn)壓電源電路274.6 測速電路284.7 輔助模塊設(shè)計294.7.1按鍵電路294.7.2 通信模塊294.8 PCB制圖31第5章 軟件設(shè)計335.1 主程序345.2 超聲波發(fā)送及接收中斷365.3 距離計算子程序375.4 DS

28、18B20溫度采集程序39第6章 總結(jié)426.1 系統(tǒng)所存在的不足426.2 結(jié)論與展望42參考文獻44附錄A 汽車防撞控制系統(tǒng)45附錄B PCB板46致 謝47第1章 緒論 隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展和經(jīng)濟水平的大幅度提高，讓百姓的收入日益鼓脹，解決了溫飽問題的家庭開始走向小康，表現(xiàn)得最明顯的是交通工具的升級換代上：一些家庭開始購買汽車作為自己的代步工具。近幾年我國汽車保有量逐年增加，按保守估計，未來國內(nèi)汽車保有量能夠達到4.9億輛左右，即大約350輛/千人。對于汽車數(shù)量的大副度攀升，盡管國家在公路設(shè)施上不斷地改進，但道路上的車輛仍然還是越來越多，尤其在上下班時段完全避免不了公路上汽車擁擠的現(xiàn)狀。

29、再加上在汽車設(shè)計上車速的不斷提高，雖然公路上各路段都有限速，但撞車事件仍然在廣大人民的生活中屢屢發(fā)生，給人們帶來了巨大的人身傷亡和社會財產(chǎn)的損失。針對汽車擁擠的現(xiàn)狀，設(shè)計一種反應(yīng)快，穩(wěn)定性好而且經(jīng)濟實用的汽車防撞報警系統(tǒng)對當(dāng)今現(xiàn)狀是勢在必行的。汽車防撞系統(tǒng)是一種向司機的報警裝置，此防撞報警系統(tǒng)能將在汽車行駛和倒車過程中自動檢測障礙物，然后通過超聲波測距原理測出汽車與障礙物之間的距離，并將距離顯示出來，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離達到極限時。系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，達到提醒司機防止撞車的目的。1.1課題研究意義及背景近二十年來,電子技術(shù)的發(fā)展也促進了非接觸測距方式的發(fā)展,先后出現(xiàn)了激光、微波雷達、紅外線及

30、超聲波測距方式。其中,激光測距的測量精度較高,操作相對簡單,但它受環(huán)境的影響比較大,成本比較高,并且后期維護非常不便,所以一般在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而使用微波雷達測距技術(shù),電路部分造價昂貴,現(xiàn)在幾乎沒有開拓民用市場,只為軍事和某些工業(yè)開發(fā)采用。紅外測距的優(yōu)點是便宜,易制,安全,缺點是精度低,方向性差。超聲測距作為一種非接觸測量技術(shù),是電磁波測距技術(shù)的一種,所以除了與電磁波相似的一面外,又有其獨特的一些特點。超聲可以在氣體、液體、固體或它們的混合物中以橫波、縱波、表面波、薄板波等各種各樣的傳播方式傳播,也可在生物體和金屬中傳播,這是其他光所不能投射的,所以,超聲波檢測技術(shù)成為探測物質(zhì)內(nèi)部的有效手段

31、。與電磁波相比,超聲波的傳播速度較慢,相同頻率的情況下,波長比較短,所以有益于測量分辨率的提高。并且由于超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中,易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息所以,反過來也可以通過超聲波在介質(zhì)中的傳播的情況來探知物質(zhì)的狀態(tài)。距離的實時測量非常必要,在很多控制和應(yīng)用場合中都至關(guān)重要。因為超聲波方向性好,傳播性強且受傳播介質(zhì)的影響比較容易量化,且電路實現(xiàn)較簡單,制造成本較低,所以,超聲波測距方式受到了應(yīng)有的重視。然而超聲波測距在實際應(yīng)用也有很多局限性,特別是在特定的工作環(huán)境下,如何提高超聲波測距精度、減小測量盲區(qū)和擴大范圍等方面需要深入研宄,這對于超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展具有重要的應(yīng)用意義。精

32、確檢測超聲波回波前沿的到達時刻是超聲波測距的核心部分。 本文設(shè)計了一種以超聲波測距和 AT89C51 單片機為核心的汽車防撞報警系統(tǒng)，以期提高汽車運行的安全性，減少交通事故。 本系統(tǒng)將單片機的實時控制及數(shù)據(jù)處理功能與超聲波測距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，較好的實現(xiàn)了汽車在運行過程中的障礙防撞，并可通過數(shù)碼管顯示距離，將障礙物距離和汽車在不同車速段的安全距離相比較，可發(fā)出聲光警報。大大減少汽車駕駛員在行車時候的顧慮和對距離判斷的失誤，從而能夠避免碰撞的安全問題的發(fā)生，故此裝置對于提高交通安全將起到重要的作用。所以，本課題所要求設(shè)計的基于單片機的汽車防撞裝置將具有極大的現(xiàn)實意義和市場。1.2國內(nèi)外研究

33、的現(xiàn)狀國際上先進國家自80年代末開始研究汽車防撞系統(tǒng)。90年代初,美國、德國、日本相繼報道在民用汽車上裝備防撞預(yù)警系統(tǒng)。我國在這一領(lǐng)域起步較晚,目前由于存在報警系統(tǒng)本身的可靠性或誤報警等問題,尚未見到有批量化生產(chǎn)和裝備汽車的報道。防撞有微波、激光和超聲等多種方法。微波系統(tǒng)測距范圍較遠,由于采用相控陣天線成像技術(shù),已達到了實用化的程度,只是目前成本居高不下。國內(nèi)已有公司設(shè)計出激光汽車防撞系統(tǒng)樣品,但由于激光波束較窄、路障報告率偏低而暫時不能推廣。聲波的發(fā)射和接收是自然界中的普遍現(xiàn)象。頻率低于20KHz的聲波人耳可辨,進行著各式各樣、錯綜復(fù)雜的自然聲音傳遞,因背景復(fù)雜而不利做測試媒體使用。頻率高于

34、20kHz的超聲波不僅波長短、方向性好、能夠呈射線定向傳播,而且碰到界面就會有顯著反射。這些特性有利于選用超聲波做媒體,測定物體的位置、距離甚至形狀等。超聲波傳感器的特性:1、在自身特性諧振點40kHz附近可獲得較高的靈敏度；2、諧振帶寬、波束角可以通過制作工藝控制得很窄,有利于抗聲波干擾設(shè)計；3、不受無線電頻譜資源限制,易于抗電磁干擾設(shè)計。另外,超聲系統(tǒng)成本低、性能穩(wěn)定可靠,應(yīng)用前景好。1.3 論文主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排論文構(gòu)成主要由以下部分組成： 第1章 主要介紹了本課題的背景意義和相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第2章介紹的是汽車防撞系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。首先介紹汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計要求，然后

35、提出本系統(tǒng)的總體的設(shè)計方案，為硬件系統(tǒng)的設(shè)計打下了基礎(chǔ)。 第3章主要介紹超聲波傳感器以及其傳感特性、超聲波測距原理及其實現(xiàn)、超聲波及超聲波的傳播速度和傳感系統(tǒng)的一些主要參數(shù)。第4章對硬件系統(tǒng)的設(shè)計進行了介紹。首先對超聲波傳感器的工作原理進行了分析，以及單片機的介紹然后具體討論了超聲波測距模塊中的超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路和其他的的一些模塊的硬件設(shè)計，最后介紹了顯示模塊電路和聲光報警電路的設(shè)計以及輔助模塊的設(shè)計還有PCB的繪制。 第5章主要是對系統(tǒng)的軟件設(shè)計進行了介紹。在軟件設(shè)計中采用不同模塊不同編程進行設(shè)計的，本設(shè)計分別對系統(tǒng)的主程序模塊、中斷子程序模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊和數(shù)碼

36、管的顯示模塊的各個程序進行了設(shè)計。 第6章是對本設(shè)計的誤差分析、總結(jié)和展望。最后對全文進行了總結(jié)，并指明了系統(tǒng)設(shè)計的不足之處，最后也對本系統(tǒng)發(fā)展前景進行了展望。第2章 總體設(shè)計方案本系統(tǒng)硬件電路部分由 AT89C51 單片機控制器的電源電路、復(fù)位電路、振蕩電路，以及按鍵電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測速電路、聲光報警電路、LED 顯示電路組成。 AT89C51 單片機控制器的電源電路等附屬電路較為簡單，在此不作詳細說明。本文論述的汽車防撞報警系統(tǒng)選用 AT89C51 單片機作為控制器，其具體工作過程如下：系統(tǒng)采用超聲波測距的方法對障礙物進行測距，首先由超聲波發(fā)射電路發(fā)出信號， 刺激超聲

37、波發(fā)生器發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物后，立即產(chǎn)生反射波；然后超聲波接收探頭接收到超聲波，激勵超聲波接收電路向單片機傳輸信號。 系統(tǒng)利用霍爾傳感器測量車輪的轉(zhuǎn)速，通過內(nèi)部程序計算汽車的行進速度。單片機控制器內(nèi)部程序?qū)⒃撈嚂r速下的距離計算出來，利用數(shù)碼管組顯示給用戶， 另外還將此距離和安全距離相比較，如果小于安全距離則利用警示燈或蜂鳴器進行聲光報警；如果大于安全距離則只顯示距離，不報警。汽車防撞報警系統(tǒng)的工作原理和詳細結(jié)構(gòu)組成如圖2.1所示。測速電路超聲波接收顯示電路單片機控制器AT89C51超聲波發(fā)射聲光報警溫度傳感器 圖2.1 總體框圖結(jié)合各方面的因素考慮，依據(jù)設(shè)計的要求，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)資料

38、，選擇了超聲波測距傳感器TR40-16（其中T表示超聲波發(fā)射探頭，R表示超聲波接收探頭）。超聲波模塊的最大探測距離為5 m，精度可以達到0.3 cm，盲區(qū)為2 cm，而且發(fā)射擴散角不大于15°，更有利于測距的準(zhǔn)確性。而且，此模塊的工作頻率范圍為39 kHz41 kHz左右，完全能在40 kHz工作頻率工作。由于超聲波的發(fā)射和接收是分開發(fā)送和接收的，所以發(fā)射探頭和接收探頭必須在同一條水平行直線上，這樣才能準(zhǔn)確地接收反射的回波。而由于測量的距離不同和發(fā)射擴散角所引起的誤差以及超聲波信號在空氣中傳播的過程中的超聲波衰減問題，發(fā)射探頭和接收探頭距離不可以太遠，而且還要避免發(fā)射探頭對接收探頭在

39、接收信號時產(chǎn)生的干擾，所以二者又不能靠得太近。根據(jù)對相關(guān)資料查閱，將兩探頭之間的距離定在5 cm8 cm最為合適。第3章 超聲測距原理3.1超聲波傳感器 超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲波傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3 靜電傳感器。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同。在汽車倒車防撞系統(tǒng)中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。圖3.1 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電傳感器

40、探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波測距裝置的重要組成部分。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加

41、電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。圖3.2為分離式反射型超聲波傳感器的基本工作方式。圖3.2 超聲波傳感器的基本工作方式3.2超聲波及超聲的傳播速度聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機械振動密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運動所產(chǎn)生的機械振動以波的形式向外傳播?，F(xiàn)代聲學(xué)已經(jīng)涵蓋了從Hz的頻率范圍，相當(dāng)于從大約3小時振動一次的次聲波到波長短

42、于固體中原子間距的分子熱振動，即跨越了量級的寬廣頻段。振動頻率在之間的機械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于16Hz的機械波，稱為次聲波；高于加kHz的機械波，稱為超聲波，而高于100MHZ的機械波，則稱之為特超聲波。由于人耳聽閥有限，所以在自然界中似乎超聲不存在，其實超聲是廣泛存在的。人耳聽到的聲音只是自然界聲音的一部分，即可聽聲部分，而即使是可聽聲部分的聲音，有時仍然含有超聲成分，只是人耳聽不到。人類從18世紀(jì)開始就開始研究它，一直延續(xù)至今，并利用仿生學(xué)的原理制造出雷達等探測工具。在我國,解放前超聲的研究是個空白。解放后不久，出現(xiàn)了很少量的超聲學(xué)研究。大規(guī)模的超聲研究開始于1965年。目前，

43、我國在超聲學(xué)的各個領(lǐng)域都開展了研究和應(yīng)用，有不少的研究成果處于國際較好水平。聲速在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率發(fā)生變化，也就是說超聲的傳播速度與可聽聲波的傳播速度是相同的，超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律與可聽聲波并無質(zhì)的區(qū)別，與一般聲波相比，超聲具有更好的指向性，并且可以穿透不透明物質(zhì)。超聲在一般流體媒質(zhì)(氣體、液體)中的傳播理論己教成熟。在常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中的傳播速度為:，式中M為氣體的摩爾質(zhì)量;r為氣體的定壓比熱與定容比熱之比；R為摩爾氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。對于一定的氣體r、R、M為定值。由公式可知：聲速與熱力學(xué)溫度的平方根成正比。在溫度

44、T=273.16K、氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓情況下，空氣中聲速的實驗值為：。在其他條件保持穩(wěn)定，計算不同溫度時，空氣中的聲速可用下式計算:，式中，。這樣，在實際測量中，我們可以根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系作相應(yīng)的溫度補償。其聲速C與溫度有關(guān)，表3.1列出了幾種不同溫度下的聲速。表3.1 聲速與溫度的關(guān)系溫度（）-30-20-100102030100聲速（m/s）3133193253233383443493863.3超聲測距基本原理超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。 3.3.1相位檢測法 將發(fā)射器發(fā)送的超聲波信號作為參考信號，在每次發(fā)送超聲波的終止時刻，立即開始對接收器的輸

45、出進行采樣，并計算采樣值與參考信號之間的互相關(guān)函數(shù)。若互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值，則說明采樣值是換能器前方目標(biāo)反射回來的信號，而相關(guān)函數(shù)峰值出現(xiàn)的時刻就是射程時間。由此可見,相關(guān)估計法（也稱為匹配濾波）既利用了回波信號的幅值又利用了回波信號的形狀。假如超聲波信號經(jīng)目標(biāo)反射后所產(chǎn)生的回波信號的波形基本不發(fā)生畸變，而且疊加在回波信號上的噪聲是高斯白噪聲，那么用互相關(guān)函數(shù)法的時延估計精度將高于與其它時延估計法。這種算法雖然精度高,但算法較復(fù)雜，單片機運行起來速度慢，測距實時性不好。 3.3.2聲波幅值檢測法 這種方法是根據(jù)超聲波在空氣中傳播不斷衰減的特性，檢測回波信號的幅值，對延遲時間作出一個判斷，但是聲波

46、幅值檢測法易受反射波的影響,測距精度不高。 3.3.3渡越時間檢測法 渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都非常容易實現(xiàn)。超聲測距最常用的是渡越時間檢測法。其原理為:超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射波，并轉(zhuǎn)化為電信號，測量出發(fā)射和接收信號之間的時間差t，即渡越時間。利用，即可算得傳感器與反射點間的距離S，測距原理如圖所示，由圖可知，測量距離，若時，則；如果設(shè)種采用/發(fā)同體傳感器或使發(fā)射、接收傳感器非常接近時，則。目 標(biāo)hds圖3.3 測距原理其中，d為超聲波發(fā)射器到被測物體之間的距離；v為超聲波在媒體中傳播的速度；t為從發(fā)射超聲波到

47、接收超聲波之間的時間差。3.4測距系統(tǒng)的主要參數(shù)3.4.1測距儀的工作頻率 由文獻知，空氣中超聲波的衰減系數(shù)為=s+a（dB/cm,NP/cm）。所以，空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右。太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮： 如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。 工作頻率越高，對相同尺寸

48、的換能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。 從傳感器設(shè)計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。 3.4.2 聲速 聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為V=331.40.60

49、7T(mm/ms) 式中，T 是溫度。由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為 340 mm/ms。 3.4.3 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。本設(shè)計最終選定11us的發(fā)射脈沖寬度。 3.4.4 測量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也

50、進入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)。第4章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 汽車防撞裝置主要由單片機、超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、4位共陽極數(shù)碼管、測速電路和光電報警電路組成。汽車防撞系統(tǒng)的測距是利用超聲波測距的原理，在單片機內(nèi)部程序的控制下，根據(jù)車速由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，在超聲波遇到障礙物

51、時反射到超聲波接收探頭，由此回應(yīng)到單片機，由單片機進行中斷處理和數(shù)據(jù)的處理，計算出距離，由數(shù)碼管顯示距離，并由蜂鳴器報警提示。本設(shè)計的硬件電路分為五部分：單片機系統(tǒng)設(shè)計、超聲波發(fā)射和接收電路、顯示報警電路、數(shù)碼管顯示其他輔助電路和穩(wěn)壓電源設(shè)計。4.1單片機控制模塊設(shè)計 4.1.1單片機的選擇 一般在系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，能否完成設(shè)計任務(wù)最重要的就在于系統(tǒng)的核心器件是否選擇合適，而單片機更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇更是異常重要。如果選擇了一個合適的單片機不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。目前，市面上的單片機的種類繁多，并且他們在功能

52、方面也是各自有各自的特點。在一般的情況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有： （1）單片機最基本性能參數(shù)指標(biāo)。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量，I/O口的引腳數(shù)量等。 （2）單片機的某些增強的功能。 （3）單片機的存儲介質(zhì)。例如：對于程序存儲器來說，最好選用的是Flash的存儲器。 （4）單片機的封裝形式。封裝的形式多種多樣，例如：雙列直插封裝、PLCC封裝及表面貼附等。 （5）單片機對工作的溫度范圍的要求。例如：在進行設(shè)計戶外的產(chǎn)品時，就必須要選用工業(yè)級的芯片，以達到溫度范圍的要求。 （6）單片機的功耗。例如，如果信號線取電只能提供幾mA的電流，所以為了能滿足低功耗的要求這

53、個時候選用STC的單片機是最合適的。 （7）單片機在市面上的銷售渠道是否暢通、其價格是否便宜。 （8）單片機技術(shù)的支持網(wǎng)站如何，賣家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶手冊，設(shè)計方案舉例，相關(guān)范例程序等。 （9）單片機的保密性是否很好，單片機的抗干擾的性能如何等。51系列單片機它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源等方面與標(biāo)準(zhǔn)的52系列的單片機可以完全的兼容。51系列的單片機執(zhí)行速率快(最高時鐘頻率為90 MHz)，功耗低，在系統(tǒng)、在應(yīng)用可編程,不占用用戶的資源。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計的實際要求，選擇AT89C51單片機做為本設(shè)計的單片機使用，它是由ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的CMOS 8位單

54、片機。89C51單片機具有以下幾個性能特點：4 k字節(jié)的閃存片內(nèi)程序存儲器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，32個外部輸入和輸出口，2個全雙工串行通信口，看門狗電路，5個中斷源，2個16位可編程定時計數(shù)器，片內(nèi)震蕩和時鐘電路且全靜態(tài)工作并由低功耗的閑置和掉電模式。單片機的引腳圖如圖4.1所示：圖4.1 AT89C51芯片引腳 4.1.2 AT89C51單片機的原理及工作特點5l系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2個16b的定時/計數(shù)器T0和T1，4個8 b的I/O端I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行

55、通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。5l系列單片機提供以下功能：4 kB存儲器；256 BRAM；32條I/O線；2個16b定時/計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善

56、的超聲波測距系統(tǒng)。 4.1.3 單片機引腳功能（1）電源引腳 Vcc（40腳）：正電源的引腳，工作電壓是5 V。 GND（20腳）：接地端。（2） 晶振電路的引腳XTAL1和XTAL2圖4.2 晶振電路 為了產(chǎn)生時鐘信號，在89C51單片機的芯片內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置了一個反相放大器，其中XTAL1端口就是片內(nèi)反相放大器的輸入端，XTAL2端則是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端 。單片機使用的工作方式是自激振蕩的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進行振蕩，從而就可以產(chǎn)生時鐘信號。它結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率。單片機晶振提供的時鐘頻率

57、越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率上。時鐘信號電路如圖 4.2所示。 （3）復(fù)位RST（9腳）在單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要復(fù)位鍵重新啟動。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須精確、可靠地工作。單片機在RESET端加一個大于20ms正脈沖即可實現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如圖4.1.3.2。在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫崿F(xiàn)復(fù)位。當(dāng)人按下按鈕RST時，使電容C1通過R12迅速放電，待RST彈起后，C1再次充電，實現(xiàn)手動復(fù)位。運行時，只要有有兩個機器周期即24