超声波汽车防撞报警器设计-(本科毕业设计论文).doc

超声波汽车防撞报警器设计 0 1 引言 1.1 课题背景 随着经济的发展与汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车 流密集化和驾驶员非职业化的趋势。同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车的 产量和保有量都在急剧增加。但公路发展、交通管理却相对落后，导致了交通 事故与日剧增，城市里尤其突出。智能交通系统 ITS 是目前世界上交通运输科 学技术的前沿技术，它在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率，保障 交通安全，缓解交通赌塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各国政府 的广泛关注。中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。汽车 防撞系统作为 ITS 发展的一个基础，它的成功与否对整个系统有着很大的作用。 从传统上说，汽车的安全可以分为两个主要研究方向:一是主动式安全技术，即 防止事故的发生，该种方式是目前汽车安全研究的最终目的;二是被动式安全技 术，即事故发生后的乘员保护。目前汽车安全领域被动安全研究较多，主要从 安全气囊、ABS(防抱死系统)和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的安全。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 课题设计的意义 随着现代社会工业化程的发展，汽车这一交通工具正为越来越多的人所用， 但是随之而来的问题也显而易见，那就是随着车辆的增多，交通事故的频繁发 生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。 对于公路交通事故的分析表明，80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引 起的，超过 65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。奔驰汽车公 司对各类交通事故的研究表明：若驾驶员能够提早 1S 意识到有事故危险并采取 相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免。 因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾 驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。显然，此类产 *本科毕业设计（论文） 1 品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。 1.3 超声波测距在汽车上应用的介绍 超声波倒车测距仪(俗称电子眼)是汽车倒车防撞安全辅助装置 ,能以声音 或者更为直观的数字形式动态显示周围障碍物的情况。其较早的产品是用蜂鸣 器报警 ,蜂鸣声越急 ,表示车辆离障碍物越近。后继的产品可以显示车后障碍 物离车体的距离。其大多数产品探测范围在 0.41.5 m,有的产品能达到 0.352.5 m,并有距离显示、声响报警、区域警示和方位指示 ,有些产品还具 备开机自检功能。目前市场上还出现了具有语音报警功能的产品。这些产品存 在的主要问题是测量盲区大 ,报警滞后 ,未考虑汽车制动时的惯性因素 ,使驾 驶者制动滞后 ,抗干扰能力不强 ,误报也较多。汽车防撞雷达之所以能实现防 撞报警功能, 主要有超声波这把无形尺子, 它测量最近障碍物的距离, 并告诉 给车主。其实超声测距原理简单: 它发射超声波并接收反射回波, 通过单片机 计数器获得两者时间差 t, 利用公式 S=Ct /2 计算距离, 其中 S 为汽车与障碍 物之间的距离, C 为声波在介质中的传播速度。 本文介绍的超声测距系统共有 2 只超声波换能器( 俗称探头) , 分别布置 在汽车的后左、后右 2 个位置上。能检测前进和倒车方向障碍物距离, 通过后 视镜内置的显示单元显示距离和方位, 发出一定的声响, 起到提示和警戒的作 用。系统采用一片 STC89C52 单片机对两路超声波信号进行循环采集。 超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须 产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称 为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声 波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应 的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射 超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（time of flight） 。首先测出 超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二 倍的声源与障碍物之间的距离 。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺， 远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声 波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波 可 超声波汽车防撞报警器设计 2 以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简 单，并且在测量精度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为两类：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。本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换 能器来实现触发单元。 利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔， 从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法： （1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限； （2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响； （3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控 制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波， 经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。 本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超 声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波） ，通过 接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播 速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。 *本科毕业设计（论文） 3 超声波汽车防撞报警器设计 4 2 课题的方案设计与论证 2.1 系统总体设计 系统总体框图见图 2-1 所示,构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电 路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。采取 收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为 反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射 时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。 超声波发射器 放大电路超声波接收器 放大电路 检波电路 定时器 单片机 控制显示器 报警系统 图 2-1 超声波汽车防撞原理框图 根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超 声波测距传感器 TCT4016T/R（T 表示发射传感器，R 表示接收传感器） ，最 大探测距离为 6m，发射扩散角为 60 度。 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极加脉冲信号(触 发脉冲) , 若其频率等于晶片的固有频率时,压电晶片就会发生共振,并带动共 振板振动,从而产生超声波。相反, 电极间未加电压,则当共振板接收到回波信 号时,将压迫两压电晶片振动,从而将机械能转换为电信号,此时的传感器就成了 超声波接收器。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压 电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高 低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而 长距离的测量时应用低频率的传感器。超声波传感器用来分析共振频率附近的 超声波换能器的特性:换能器的器械能用 Qm ;电能用 Qe 表示。Q 恰好是电路的 串联支路的 Q 值。设换能器在空载( Z1 = 0) 和有载( Z1 = R1) 时的 Q 值分 别为 Qm0 、Qm ,则有 *本科毕业设计（论文） 5 0010 01 0 1 RWCR WL Qm )( 1 100110 01 RRWCRR WL Qm 0000 RWCQe )( 1000 RRWCQe 超声波换能器的工作效率为 01 1 RR R 相临两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数目成偶数，以使前后金属 盖板与同一极性的电极相连，否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈，会 导致结构不必要的增大，两芯片之间，芯片与金属盖板间通常以薄黄铜片（厚 度小于 0.1mm） ，作为焊接电极引线用；芯片，电极铜片用强力胶胶合，在压电 组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体，圆锥状谐振子的边缘部分 装有圆环弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作用。在电声变 换部分的前面的超声波束整形板，是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个 开口，使超声波波束指向尖锐，吸声片吸收多余反射声波。 目前市面上出售的超声波传感器种类有通用型，拓宽型，宽带域型，防水 型和高频型等这几类。虽然通用型超声波传感器有频率带宽较窄的缺点，但是 却可以换来高灵敏度，抗噪声干扰强的优点。超声波基本应用电路主要分为三 类： （1）直射型，主要用于遥控及报警电路 （2）分离反射型，主要用于测距，料位测量等电路 （3）反射型，主要用于材料的探伤，测厚电路。 鉴于成本的考虑，选用了普通的 T/R-40 系列的超声波发射/接收传感器。 T/R-40 系列超声波传感器典型的工作频率为（39-41）KHZ，其具体参数见表 2- 1 和表 2-2。 表 2-1 外形尺寸（T/R-4XX 中的“XX”表示传感器的外径尺寸） 型号A(mm)B(mm)C(mm)D（mm） T/R-40-1212.79.56.28.5 T/R-40-1616.212.29.210.0 超声波汽车防撞报警器设计 6 T/R-40-18A18.014.210.811.8 T.R-40-24A23.814.610.211.8 表 2-2 电气参数 接收 灵敏 度 工作频率 （KHZ） 带宽（KHZ）型号声平 电压 在 40KHZ 时发送接收 电容（pF） T/R-40-12112d b 最小 值- 67db （39- 41）KHZ 最小 5/100d b 最小 5/- 75db （2475- 2525）% T/R-40-16115d b 最小 值- 64db （39- 41）KHZ 最小 6/103d b 最小 6/- 71db （2375- 2425）% T/R-40- 18A 115d b 最小 值- 64db （39- 41）KHZ 最小 6/103d b 最小 6/- 71db （2375- 2425）% T.R-40- 24A 115d b 最小 值- 64db （39- 41）KHZ 最小 6/100d b 最小 6/- 71db （2375- 2425）% 由于是测距系统是采用超声波发射和接收分离反射型结构，所以发射头和 接收头应该在同一平行直线上。出于距离和发射夹角所引起的误差以及超声波 信号在传播过程中衰减问题的考虑，发射和接收探头距离不可以太远，而又为 了避免发射头对接收头接收信号产生的干扰，二者也不能间隔太近。经过参考 前人的经验以及调试时的实际情况，应保持超声波发射头和接收头中心轴线平 行并相距 4-8cm 即可。 2.2 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。 *本科毕业设计（论文） 7 当利用超声波探测器测距时常用两种方法强度法和反射时间法，强度 法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射 信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法 时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦 合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效，由于直接耦合信号的影响强度 法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。 反射时间法其原理是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来 测量距离，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数， 我们通过测量回波时间 T 利用公式 S=V（T/2）(其中 S 为被测距离、V 为空气 中声速、T 为回波时间（）计算出路程，这种方法不受声波强度的 21 TTT 影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服，因此这种 方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步 提高，本设计中选用此方法。 而超声波传感器一般要在 40KHZ 才能得到最大的震荡，超声波才能传的更 远，而要产生 40KHZ 的方波可以直接通过单片机输出 PWM 信号或通过外部震荡 电路来产生，这里我采用的是 52 单片机，没有多余的资源完成这么多工作，故 摒弃了由单片机直接产生 PWM 信号的方式，而采用了外部电路产生。 40KHZ 的发射频率由 NE555 提供给软件进行处理控制发射及停止，回波经 过 STC89C52 对接收到的信息进行处理后，被测的距离在 LCD 上显示，显示部分 采用动态扫描显示。满足显示精度；若该距离小于预置的汽车低速安全刹车范 围(如：1m 或 0.5m)，报警电路发出适当的警告提示音，由 P2.4 口的蜂鸣器输 出控制报警电路的工作。 超声波汽车防撞报警器设计 8 3 系统的硬件结构设计 3.1 单片机的选择 在系统的设计中，选择合适的系统核心器件就成为能否成功完成设计任务 的关键，而作为控制系统核心的单片机的选择更是重中之重。目前各半导体公 司、电气商都向市场上推出了形形色色的单片机，并提供了良好的开发环境。 选择好合适的单片机可以最大地简化单片机应用系统，而且功能优异，可靠性 好，成本低廉，具有较强的竞争力。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而 且在性能方面也各有所长。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面： （1）单片机的基本性能参数。例如指令执行速度，程序存储器容量，I/O 引脚数量等。 （2）单片机的增强功能。例如看门狗、多指针、双串口等。 （3）单片机的存储介质。对于程序存储器来说，Flash 存储器和 OTP（一次 性可编程）存储器相比较，最好是 Flash 存储器。 （4）芯片的封装形式。如 DIP（双列直插）封装，PLCC（PLCC 有对应插座） 封装及表面贴附等。 （5）芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产 品，必须选用工业级。 （6）芯片的功耗。比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几 mA 的 电流，选用 STC 单片机就是因为它能满足低功耗的要求。 （7）供货渠道是否畅通、价格是否低廉。 （8）技术支持网站的速度如何，资料是否丰富。包括芯片手册，应用指南， 设计方案，范例程序等。 （9）芯片保密性能好、单片机的抗干扰性能好。 STC89 系列单片机是 MCS-51 系列单片机的派生产品。它在指令系统、硬件 结构和片内资源上与标准 8052 单片机完全兼容，DIP40 封装系列与 8051 为 pin-to-pin 兼容。STC89 系列单片机高速(最高时钟频率 90MHz)，低功耗，在 系统/在应用可编程(ISP，IAP),不占用户资源。根据本系统的实际情况，选择 STC89C52 单片机， 单片机(STC89C52)外观如图 3-1 *本科毕业设计（论文） 9 图 3-1 STC89C52 外观 单片机(STC89C52)的引脚功能图见 3-2 图 3-2 STC98C52 引脚图 单片机的引脚功能说明： 1. 电源引脚 Vcc 电源，工作电压为 5V。 GND 接地端。 2. 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 为了产生时钟信号，在 8052 内部设置了一个反相放大器，XTAL1 是片内振 荡器反相放大器的输入端，XTAL2 是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内 部时钟发生器的输入端。当使用自激振荡方式时，XTAL1 和 XTAL2 外接石英晶 振，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡，就产生时钟信号。 产生时钟信号电路如图 3-3： 超声波汽车防撞报警器设计 10 图 3-3 时钟信号电路 本系统使用的石英晶振频率为 12MHZ。 3. RST 复位 在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在 此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，52 芯片便循环复位。复 位后 P0P3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR 全 部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 0000H 处开始运行程 序。常用的复位电路如图 3-4 所示。 图 3-4 复位电路图 本设计采取的复位电路是手动复位电路，如图 3-5 所示。 图 3-5 复位电路图 *本科毕业设计（论文） 11 4.输入输出(I/O)引脚 P0.0-P0.7 输入输出脚，称为 P0 口，是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 口。 内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0 口能以吸收电流的方式驱动八个 LSTTL 负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。在访问 外部程序和外部数据存储器时，P0 口是分时转换的地址(低 8 位)/数据总线， 不需要外接上拉电阻。 P1.0-P1.7 输入输出脚，称为 P1 口，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 口。P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。通常在使用时外不需要外接上拉电阻， 就可以直接驱动发光二极管。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平， 作输入用。 P2.0-P2.7 输入输出脚，称为 P2 口，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到 高电平，作输入用。对内部 Flash 程序存储器编程时，接收高 8 位地址和控制 信息。在访问外部程序和 16 位外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址。而 在访问 8 位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 P3.0-P3.7 输入输出脚，称为 P3 口，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载，这 8 个引脚还用于专门的第二功能。端 口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部 Flash 程序存 储器编程时，接控制信息。 P1P3 端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输 出一定的电流。除此之外 P3 端口还用于一些专门功能，如表 3-1。 表 31 P3 口专门功能 5.其它的控制或复用引脚 P3 引脚兼用功能 P3.0串行通讯输入（RXD） P3.1串行通讯输出（TXD） P3.2外部中断 0（ INT0） P3.3外部中断 1（INT1） P3.4定时器 0 输入(T0) P3.5定时器 1 输入(T1) P3.6外部数据存储器写选通 WR P3.7外部数据存储器写选通 RD 超声波汽车防撞报警器设计 12 (1) ALE/PROG 30 访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁 存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率输出脉冲 信号(此频率是振荡器频率的 1/6)。在访问外部数据存储器时，出现一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程时，这个引脚用于输入编程脉冲 PROG (2) PSEN 29 该引是外部程序存储器的选通信号输出端。当 AT89C51 由外 部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出 2 个脉冲即两次有效。但访 问外部数据存储器时，将不会有脉冲输出。 (3) EA/Vpp 31 外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输 入低电平。要使 AT89S51 只访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH）,这时 该引脚必须保持低电平。对 Flash 存储器编程时，用于施加 Vpp 编程电压。 单片机最小系统电路图如图 3-6 所示： 图 3-6 单片机最小系统图 3.2 发射电路的设计 本系统采用一个稍加变化的 555 多谐振荡器电路来产生 40KHZ 的方波。555 的引脚 PWM 与单片机连接，并由单片机 I/O 口来控制其发送与否,单片机的引脚 RST、P1.0、P1.1 分别连接到 74LS04 的 2A、2Y、3A 引脚上，利用整个电路的 *本科毕业设计（论文） 13 协调合作来实现发射电路的工作。NE555 具有占空比连续可调的优点，输出 40KHZ 波形如图 3-7 所示。为了能连续调节占空比并能调节振荡频率，在 555 的第 6 脚和第 7 脚之间接有 W1、W2、R2 组成的调节网络。对 C1 充电时，电流 是通过 R1、W2、和 W1，放电时，通过 W1、W2、和 R2。当 R1R2，W2 调到中心 点或不用 W2 时，因充放电时间基本相等，其占空比约为 50%，此时调节 W1 仅 改变频率，占空比不变。如 W2 调节偏离中心点，再调节 W1，不仅振荡频率改 变了，而对占空比也有影响。W1 不变，调节 W2 时，仅可改变占空比而对频率 无影响。因此，使用电路时，应首先调节 W1，使频率至规定值，再调节 W2 以 获得合适的占空比。为保证驱动能力，又为了在低电压下工作，故采用来放大 信号，提高发射功率。 图 3-7 输出波形图 NE555N 介绍： NE555 时基集成电路是 8 脚的数字集成电路，是由 21 个晶体三极管、4 个 晶体二极管和 16 个电阻组成的定时器，有分压器、比较器、触发器和放电器等 功 能的电路。它具有成本低、易使用、适应面广、驱动电流大和一定的负载能力。 在电子制作中只需经过简单调试，就可以做成多种实用的各种小电路，远远优 于三极管电路,内部结构如图 3-9。 它的各个引脚功能如下： 1 脚：外接电源负端 VSS 或接地，一般情况下接地。 8 脚：外接电源 VCC，双极型时基电路 VCC 的范围是 4.5 16V，CMOS 型时基电路 VCC 的范围为 3 18V。 3 脚：输出端 Vo 2 脚：低触发端 TL 6 脚：TH 高触发端 4 脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不 DRDR 论、TH 处于何电平，时基电路输出为“0” ，该端不用时应接高电平。 TL 超声波汽车防撞报警器设计 14 5 脚：VC 为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基 准电压，当该端不用时，应将该端串入一只 0.01F 电容接地，以防引入干扰。 7 脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用