毕业论文——基于单片机超声波公路行车防追尾装置设计

浙江传媒学院本科毕业论文 基于单片机的超声波测距 基于单片机超声波公路行车防追尾装置设计第 1 章 绪论1.1课题背景与意义最近几年，我们国家高速公路发展建设迅速猛烈，给区域经济一体化的发展打下了结实的根基。与此同时，高速行驶的汽车也引发了大量的交通事故，给人们带了不必要的悲剧。目前的的高速公路和日常行驶中汽车追尾事故在交通事故中占有很大的比例。根据调查，高速公路交通事故中汽车追尾就占有36%到40%的百分比，一直都位居高速公路事故第一位，仅次与正面和侧面相撞事故。更为令人担忧的是，发生的事故大多数为恶性事故，造成了严重的人员伤亡，和巨大的经济损失。发生汽车追尾事故的原因主要是，除了汽车行驶过快，驾驶人员由于疲劳驾驶和大雾等不利天气，错误的估计与前车的距离，或者遇到紧急情况没有来的急制动。目前全世界的汽车公司都在研究更加实时可靠的汽车安全系统（防追尾），进一步保障汽车驾驶人员的安全。为了进一步降低追尾的事故的发生，汽车在追尾发生前就要给驾驶员一个醒目的提示，提醒驾驶员及时快速的处理，在需要的时候能够可选择性的智能启动制动，尽量降低交通事故发生的概率，给司机更大的安全保障。1.2超声波技术我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”1，随着电子技术和自动化理论的发展，更加智能化的汽车已经不再是天方夜谭，利用电子传感器充当处理器这个大脑对外的感知，设计出一款智能化的平台已经成为一件十分简单的事情。就像海豚可以利用声呐可以对周围的环境进行探测，我们可以利用超声波传感器作为汽车的自己的一双机器眼，机器眼虽然不能像人那样具有灵活的应变能力和学习能力，但计算机的可靠性，机器性同样可以给人类带来一定的价值。超声波传感器精度高，价格也十分便宜，稳定性上也有着十分可靠的历史。在加上中规中矩的体型，做为汽车追尾雷达是一个不二的选择。超声波属于机器波，由于它的反射和折射的现象，进入介质后可以被介质吸收衰减。再加上科技水平的而不断提高，工业技术的不断完善，超声波传感器的应用在人们的生活中越来越多的出现。由于超声波可以传递能量，它可以用来的清洗物品，医疗上可以用来它来治病，杀菌除螨有着不错的疗效。由于超声波的定向性，在工业上，超声波在生产线上用来做为自动化的数据采集端，可以轻松的采集一些距离数据，根据不同的精度和距离还有成本要求，超声波传感器可以被做出多种不同的类型。利用超声波测距，反应迅速及时，对于及时性要求十分高的系统有着先天的优势，再加上他在计算上十分容易，在智能机器人的研发中也的到了广泛的应用。超声波测距技术，不受光线其他颜色物体的影响，同样对人体也基本不会造潜在的危险，同时不易受粉尘等恶劣环境的影响，在当前PM2.5忽高忽低的情况下，它的可靠性异军突起，同时成本低，性能稳定易于维修替换，长寿命等特点，它被广泛的应用在了化工业污水处理厂，食品（饮料业，食用油，酒业，添加剂，奶制品）纸业，电厂，矿业，防汛，空间定位，等行业中。正是由于超声波具有以上种种优点，在汽车追尾测距中也得到了广泛的应用。1.3超声波技术在国内的发展传统的超声波系统由模拟电路构成，随着数控技术的不断发展，由单片机和超声波传感器共同构成的系统成为了当前的主流，相比于传统的模拟电路，单片机和超声波传感器共同构成的系统有着，系统稳定，扩展性强，灵活性高的特点，且相比于传统的模拟系统 这种数字与模拟系统共同组成的系统有着很大可移植性，很容易模块化，极大的减少了人力的消耗。1.4本课题意义和主要内容根据对传感器影响超声波传感器测量的几个因素的研究，我选用相应的合适的器件。由于条件限制，距离远精度高的超声波传感器的价格在几百元不等，而普通的传感器价格比较便宜，这里选用普通的超声波传感器进行系统和原理的设计。超声波传感器的原理主要是，先有发射端发送超声波出去，由于距离原理，这里需要对发生出去的波进行放大处理，需要在这里加上一个功率放大电路，在接收端，发射出去的波遇到特定物体反射回来，接收端接收到信号十分微弱只有几十个mv，在加上背景中存在的各种噪声，在本设计中在这里加上一个滤波器对其进行滤波，同时使用精密放大器对其进行放大，使其输出信号可以在以v为单位的波动。由于接收的信号是以高频正弦波为载体，单片机无法接受，需要对其进行处理，在输出端加上一比较器对正弦波进行整形，使其变成方波，方便单片机的接受。在人机交互的输出端，这里使用的是蜂鸣器和数码管进行显示，为了节约单片的IO口，这里使用扫描显示技术，这样不仅可以节约成本，而且系统简单易用实现，在大多数的倒车雷达设计中使用的语音播报系统，这里我使用蜂鸣器的原因的，通过不同频率的鸣叫频率，来提醒驾驶员距离前方的距离，比语音播报更能有一种直觉上的提醒。同时蜂鸣的实现也十分简单。第二章超声波原理2.1超声波简介超声波技术是一种综合机械学，物理学，电子学，及其材料学的技术。在很多行业中都有很广泛的应用。由于其的在提高生产效率方面有着很大的潜力，在我国对超声波的开发和研究有着很活跃的气氛。超声波是由机械振动产生的波，其频率由物体振动的频率来决定。超声波和声波一样，也是机械波的一种，它由质点在介质中的周期振动而产生，根据振动方向的不同，超声波同样可以分为横波和纵波两种。横波只可以在固体中传播，纵波可以在气体液体和固体中传播。在超声波技术中，为了测量物理量，采用的多是纵波。2.2超声波的物理特性超声波的物理特性主要有，反射，折射，干涉，和波的衰减，其主要内容如下表。表 超声波的物理特性特性描述反射和折射当超声波传播到阻抗特性不同的两种物质的平面的分界面上时1）其中一部分声波被反射2）另一部分的声波透过界面继续在介质中传播。衰减超声波在介质中传播，其强度按指数规律衰减。干涉在一种介质中传播几个声波，产生超声波的干涉现象超声波对声场也会产生一定的作用，对声场产生的作用主要有，机械作用，热学作用，空化作用其主要内容如下表。表 超声波对声场的作用作用描述机械作用超声波在传输中会导致质点的运动，虽然其作用导致的位移和速度不大，但其导致的质点的加速度却很大，会导致破坏介质的程度。空化作用超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。1热学作用超声波作用于介质时，其本质上也是能量的传输，由于超声波导致的介质中的强烈震动，介质相互间发生摩擦，产生热量。2.3超声波传感器的介绍 超声波传感器主要分为两种，一种是用机械的方式产生超声波，另一种是用电气方式产生超声波。机械方式的如液哨，加尔统笛等，而电气的像电动型，压电型。他们根据特性的不同，其应用也有所不同，压电超声波发生器是当前使用最为频繁的一种。当给它两极加上频率等于压电晶体的固有频率时脉冲信号时候，压电超声波发生器主要是由其压电晶体发生共振带动共振板震动产生超声波。反之，当其两极没有加外加电压时，其便能将机械能转换过成电信号，这时候便是超声波接收器。2.4超声波测距原理v是超声波在空气中传播的速度，T是介质的温度单位是摄氏度。超声波测距的方法主要有以下三种：声波幅值检测法，相位检测法，渡越时间法。其中声波幅值检测法由于其容易受到反射波的影响，本文不采用。相位检测法的精度十分高，但范围很小，排除。而渡越时间法，简单直观软件和硬件上都容易实现。本文采用这种检测方法。超声波测距的主要原理是，当发射端发射超声波出去，当超声波遇到目标时反射回来被接收端接收，计算超声波在空气中传播的时间，在根据时间计算超声波在空气中传播的距离，即可算出目标距离发射端的距离。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 。这就是所谓的时间差测距法2。 假定目标距离接收端的距离是s单位是m（米），在空气中的传播时间是t单位是s（秒），超声波在空气中传播的速度是v单位是m/s(米每秒)则计算公式如下：s=vt2 (2-1)而超声波在空气中传播的速度受到温度的影响，考虑到精度则应该加入以下公式：v=3314+0607T (2-2)2.5超声波传感器的选择在测量系统中，频率的高低直接影响到结果的好坏，频率太高，传播的过程中就会产生较大的衰减，而频率选的太低的话，又会受到外部杂音的影响，而造成结果失真，这里我选择TCT-10F1作为发射器，UCM-R4OKI作为接收器，这两着的特性如下表。表2-5传感器特性参数表型号TCT40-10S1TCT-10F1。使用方式接收发射结构开放式开放式频带宽中心频率灵敏度容量指向角声压第3章 单片机概述3.1 STC89C52概述STC89c52是一款STC出品的抗干扰能力超强，可在线编程，高速度，加密强，功耗低的CMOS的单片机。他包含256k的RAM（随机数据存储器），8k的能够反复擦写的flash。器件使用的是STC的非易失存储技术，高密度生产，符合MCS-51指令系统，产品引脚同8052兼容，片内是8位CPU和flash存储单元，此款单片机适合很多复杂的控制场合。3.2 8052的总体结构8052的内部主要由下面几部分构成，8位的cpu，32个IO接口，111条指令且绝大部分为单字节指令，外部64k寻址控件，2个计数/定时器，5个中断源，2个优先级，21通用寄存器，40pinDIP封装，5v电源，逻辑操作位寻址功能。图3.1 图3.1是此款单片机的内部结构图，从上图我们可以看出，单片机内部的各个器件都是挂载在内部总线上的，各个部分各个功能部分分时复用使用中心，这就是所说的内部总线结构。下图是8052单片机的引脚排列和逻辑符号分布图，其采用40p双列直插封装。图3.2 8052单片机引脚图下面分别说明各引脚的含义和功能3。Vcc和Vss芯片的电源入口XTAL1和XTAL2时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2作为芯片晶振的输入端口，为芯片提供系统时钟。RST/VppRst是系统的复位信号的输入端，当其保持的时间超过两个周期的高电平的时候，单片机完成复位操作。VPP作为芯片的备用电源的输入端，当系统发生断电的时候，由该引脚为系统提供备用电源的输入。保护RAM信息，使其不易丢失。ALE/PROGALE作为地址锁存允许信号的存在。PSEN外部ROM选通信号，当读取外部ROM信息的时候，这个引脚起作用。EA/Vpp第一功能使用来控制芯片是否读取外部ROM的信息，第二个功能是，作为编程电源的输入P0、P1、P2和P3IO为系统提供输入输出功能3.3 8052定时器/计数器定时和计数功能，计数功能是指通过对外部脉冲T0和T1两个信号引脚的输入，当其负跳变脉冲发生时，计数器加一（如果是减法计数器则减一），由于系统时钟的限制，计数器的脉冲频率不能超过1/24的晶振频率。定时功能是通过对内部脉冲的计数，也就是说，每当内部机器周期产生一个脉冲的时候，计数器加1。3.4 8052的中断系统由于某些事务对于cpu来说是偶然发生的，如果一直查询其是否发生就会消耗大量的cpu资源，影响cpu的效率，而中断可以在cpu正在处理某些事务的时候，当外部或内部发生紧急事件的时候，通知cpu，使它暂停当前处理的事件，等完成对特殊事件的处理之后再回到发生中断的地方继续执行之前的程序.由MCS-52单片机资料手册可以知道，其可以通过控制器中断允许控制寄存器的开发与否，实现两级控制，把EA作为总体的控制位，当其关闭的时候，就关闭整个中断，禁止其中的所有服务，当其开启的的时候，开放中断，这个时候分控制器通过设置相应的寄存器即可实现各自中断的允许和禁止。第4章 硬件系统的设计4.1硬件设计整个系统主要由中央控制系统（单片机），显示电路（数码管），超声波发射，超声波接收检测电路，警报电路构成。单片机选择8052，容易使用且价格便宜，片内4kROM无需外部扩展程序存储器，12MHZ的晶振，为系统提供稳定的时钟，单片机通过P1-0口发送PWM波控制超声波的发送，超声波返回后经单片机的INT0引脚接收。通过对计数机所记的数据的处理，并测量当前温度对测量数据进行补偿。换算出当前距离目标障碍物的距离。最后通过lED数码管显示出来，同时计算与障碍物的相对速度，当其超过一个阀值得时候，警报器发出警报。警报器采用三极管和蜂鸣器构成，结构简单，价格便宜。4.1 8052单片的最小系统的组成对于单片机来说，要想使其系统运行起来，需要相应的简单的硬件电路的支持，这个硬件电路系统就称为8052单片机的最小系统。单片机的最小系统主要包括，复位，晶振电路,单片机。下图就是其最小系统的电路图图4.1 最小系统电路图上图中的P0-0到P0-7接到LED的段码，P2-0 P2-1 P2-2 P2-3用来接到LED的位码的控制，P1-3用来控制温度传感器DS18B20，P1-0端口同超声波的发射电路相连，接收信号由单片机的INT0端口进行就收。因此单片机8051不需要进行外部扩展就可满足超声波测距电路的系统要求4。使用5v电对系统进行供电，12M的晶振为其提供时钟。4.2 超声波发射电路超声波发射电路的设计主要分两步，首先要选择相应的超声波频率及其探头，超声波在空气中频率越大，其功率就越高，精度也就越大，但空气中衰减的速度就越快，反而，频率越低，功率也就越低，在空气中衰减的速度就越慢，但误差就越大，综合考虑各种因素，在75KHZ，40KHX，25KHZ等几种常用频率的特点中选择，选择40KHZ能够比较好的解决这个矛盾，所在这里超声波发射头我选择TCT-10F1。然后是对超声波发射电路的设计，超声波发射电路主要由超声波振头（超声波换能器）和超声波发生器两个部分构成，40khz的超声波频率信号是由555电路震动产生，频率f 1.43/（(R9+2R10) C5，调节R10使其频率等40khz，为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源5。通过向引脚4的驱动，单片机向555振荡电路4号引脚发出控制信号，经驱动后产生40khz的调制脉冲，超声波信号被换能器变成超声波信号后发射到前方的空间中。 图4.2 发射电路这个由555组成的震荡电路，他的震荡频率是40khz。通过对R10的调节来控制信号频率，最终由3号引脚输出40khz的脉冲，通过发射器对外发射。4.3 接收超声波电路设计超声波接收电路主要包括信号放大电路，超声波接收探头，波形变换电路组成。12V电源对其供电。这里选用与发射头配对的TCT40-10S1。波形变换采用集成运放芯片（LM324）作为比较器对放大后的信号进行波形变换6。输入电压高于基准电压时，和输入电压低于基准电压时，分别输出1和0。实现输入信号的变换。 图4.3 接收电路接收电路主要采用以芯片CX20106为核心设计的超声波接收电路。芯片CX20106不仅具有功能强，接口电路设计简单，性能强，还有具有成本低的特点。由于40KHZ与常用的38KHZ频率比较接近，这使用5引脚的电阻进行调节，调节范围是30khz到60khz。它的主要工作过程如下，首先将接受的信号经过前置和限幅放大器的处理后，将信号调整到合适的脉冲波形，再由滤波器进行对信号的选择，过滤掉干扰信号，最后整形送到输出端。当CX20106接收到符合要求的回送信号的时候，他便在输出端输出低电平。送到8052的中断引脚INT0上，触发中断。若频率发生一定的误差，可以通过引脚5的外接电阻对其进行调整。改变阻值，调整中心频率到40khz上，达到最佳的效果。4.4 温度检测电路由于超声波属于声波，在空气中传播容易受到外界相关因素的影响，例如温度等，为了精确的测量距离，利用温度计算出当前的声速，利用这个速度去测量更加准确的距离，所以在这个系统中加入一个温度传感器对温度进行测量。在这个电路中我使用DS18B20作为温度测量芯片，DS18B20具有很方便的单总线接口，只需要一个端口就可以实现数据的双向通信。同时这款芯片的抗干扰能力和测量精度也十分优越，他还有负压特性，不会因为电源的反接而发生芯片的烧毁。通过对芯片的编程，可以实现9到12位的测量精度转换。但精度越高所需的温度数据转换时间就越长。需要在应用中加以考虑。将温度传感器的总线接口DQ与单片机的P1-3管脚相连，用在显示当前的温度。并将温度传到单片机中个，通过固化程序中的温度表，查找到最接近的温度，计算距离，得到精确的距离，提高系统的而精度。图4.5 数字温度传感器DS18B20电路图4.5 显示电路的设计显示电路主要有两种方案进行选择，一种是使用LCD液晶，既能显示文字也能显示数字，功能十分强大，但价格会比较昂贵，且会增加控制难度。另一种方案是采用数码管进行显示，数码管显示的数字清楚，电路简单，容易控制价格便宜。比较上面两种方案选择第二种方案，使用LED进行显示。显示电路设计如下图4.6 LED与8051的接口电路图选用单片机的P0-0到P0-7 引脚进行段码的而控制，通过P2-0到P2-3的引脚来控制位码，利用视觉暂留效应，进行动态显示。尽管LED数码管显示的字符和数字十分有限，但考虑到LED显示电路具有功耗低，损耗低，电压低，环境要求低，容易维护，同时其基本可以满足显示要求，这里选择LED进行显示。4.6 电源电路设计由于系统需要5V和12V的电源进行供电，这里采用直流稳压对其进行供电，5V给单片机进行供电，12V给超声波接收模块和发射模块进行供电。5V稳压电路如下图，先通过变压器对220v电压进