汽车智能测距防撞系统设计.docx
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汽车智能测距防撞系统设计
汽车智能测距防撞系统设计
摘要
汽车智能防撞系统具有有效地提高汽车驾乘人员的安全性、显著地减轻驾驶者的工作负担,使驾车既安全又不易疲劳等诸多优点而受到越来越广泛的重视。
本次设计设计了一种以单片机AT89C51和CX20206为核心低成本、微型化,并有数字显示和报警功能的汽车智能测距防撞系统。
第一,本文概述了超声波和超声波传感器的差不多原理和特点。
其次,本文分析了系统组成电路的差不多工作原理。
最后,本文对系统操纵软件进行了设计,给出了操纵程序。
在附录中,本文还将给出一些设计的程序和电路图,供参考之用。
关键词:
汽车,安全性,测距技术,防撞,超声波
TheDesignOfAutomotiveIntelligent Ranging collisionavoidancesystem
Abstract
Authot:
zhaolei
Tutor:
dongxuefeng
Automotiveradartoimprovethesafetyofvehicleoccupants,andsignificantlyreducetheworkloadofthedriver'sdrivingsafeandeasyfatiguethemanyadvantagesofbeingmoreandmoreattention.InthispaperIdesignakindofAutomotiveIntelligent Ranging collisionavoidancesystemwhichisusemicrocontrollerAT89C51andCX20206ascore.Thisdesignnotonlylow costandminiaturization,butalsocandisplaynumbersandhavethefunctionofalarm.
Atfirst,Iwillintroducethebasicprincipleandcharacteristicsofultrasonicandultrasonicsensors.
Thesecond,Iwilldescribetheprincipleofcorecomponentsinthissystem.
Atlast,Iwilltalkabouttheprogramdesign.
Atthesupplement,Iwillwritesomethinglikeprogramandcircuitdiagram.Itbehelpfulforfuturedesign.
Keywords:
Cars,safety,distancemeasuringtechnology,anti-collisionradar
1绪论
曾几何时,汽车对专门多家庭来说是不敢想象的。
但随着社会生产力的进展和经济水平的大幅度提高,让百姓的收入日益鼓胀,解决了温饱问题的家庭开始走向小康,表现得最明显的是交通工具的升级换代上:
一些家庭开始购买汽车作为自己的代步工具。
近几年我国汽车保有量逐年增加,2020年的保有量为6300万辆,2020年达到7400多万辆。
按保守估量,以后国内汽车保有量能够达到4.9亿辆左右,即大约350辆/千人。
关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,但道路上的车辆仍旧依旧越来越多,专门在上下班时段完全幸免不了公路上汽车拥挤的现状。
再加上在汽车设计上车速的不断提高,尽管公路上各路段都有限速,但撞车事件仍旧在宽敞人民的生活中屡屡发生,给人们带来了庞大的人身伤亡和社会财产的缺失。
针对汽车拥挤的现状,设计一种反应快,稳固性好而且经济有用的汽车防撞报警系统对当今现状是势在必行的。
汽车防撞系统是一种向司机的报警装置,此防撞报警系统能将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。
1.1汽车防撞研究的背景及意义
随着社会经济进展的不断进步,汽车的数量逐年增加,汽车拥挤的现状不可幸免,而在汽车拥挤的情形下,恶性事故屡屡发生,时刻威逼着人们的安全。
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,也为此付出了繁重的代价。
据统计,我国自2020年至2020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,稳固性好而且经济有用的汽车防撞报警系统势在必行[1]。
防撞预警自动测量的技术应运而生,专门非接触式测量技术进展杰出。
在大多情形下,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。
在物理学中人们发觉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,专门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,辨论力较高,且能量消耗小,利用超声波测距比较方便而且速度快运算简单,容易做到实时操纵,同时测量精度好,都能够达到工业测量的需要。
因此超声测距广泛应用于当今生活中,专门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,声波在空气中传播幸免了与介质接触。
与其它测距方式相比,超声波测距不受颜色、光线和电、磁场的阻碍,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、价格廉价、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阻碍比较大,使超声测距的精确度到了阻碍,在那个地点能够采纳温度补偿进行校正,能够排除温度对其的阻碍。
1.2汽车防撞系统的应用
60年代人们开始考虑把要紧用于军事领域的雷达技术应用到商用车辆交通工具上,以提高汽车驾乘人员的安全性。
通过多年的研究,这一构想成为现实,雷达传感器被认为是专门值得采纳的汽车安全操纵装置。
与其它技术如红外、激光、视频等在汽车传感器上的应用相比,雷达技术的全天候和穿透黑暗的能力,专门适用于汽车领域。
经济有用的汽车雷达除了能有效地提高汽车驾乘人员的安全性,还能显著地减轻驾驶者的工作负担,使驾驶既安全又不易疲劳。
1.3汽车防撞系统的差不多功能
〔1〕近距离辅助测障
一种最简单的汽车防撞应用,要紧用于汽车倒车时探测车后的障碍物,使驾驶者有清晰的路程。
〔2〕碰撞告警
探测汽车前向或侧向的障碍物,检测到构成碰撞危险的目标后,通过声光报警装置向驾驶者发出警告,使其尽快采取避碰措施,以保证行车安全。
〔3〕行车间距自功操纵
依照交通状况和路面条件,输入距离信息,自动调整车速,与前面的汽车保持安全距离,从而使交通更畅通,节约能源。
〔4〕防撞自动制动
汽车防撞系统的扩展应用,在紧急情形下自动刹车。
1.4汽车智能测距防撞的进展前景
电子技术在汽车内的应用已成为汽车向智能化操纵方向进展的重要手段。
因而,提高汽车行驶安全性的电子产品的消费市场也将随之扩大,这关于汽车智能测距防撞的进展是极具经济前景的。
1.4.1技术支持
近些年来,科学技术的进步,使电子元器件性能大幅度提高,而价格却不断下降,专门是硅芯片的大规模集成、超级运算机的显现以及毫米波技术、雷达技术的新进展,为今后开发低成本的汽车雷达提供了技术保证。
1.4.2进展方向
汽车防撞系统的进展方向因各国研制的侧重点不同而有所差异。
目前,美国要紧侧重于碰撞报警/防撞系统,而欧洲各国那么注重于自适应智能行驶系统的雷达传感器的研究。
关于前者,提高雷达地势图处理能力,排除虚警是技术关键。
关于后者这种行车间距自动操纵系统,其角度辨论率还不高,要连续改进天线的性能,提高角辨论率,研究准光学波束操纵方法,下一代系统在测定距离和接近速度的同时还具有方位角度测量能力,能够在不对前视角约为12度的范畴内进行波束转换的情形下,提供多目标的瞬时方位角度数据;此外,增加其功能度,向具有探测静目标能力的更复杂的系统方向进展,增加报警功能,最后向着免除撞车系统进展。
总之,汽车测距防撞系统是朝着智能化、价格低廉的方向进展。
在商用车辆上采纳的集成电路系统中,汽车测距防撞系统与目标导向交通操纵系统、通信系统及汽车的其它机械和电子系统相配合,在有碰撞危险时自动发出警告和自动刹车,在前方无障碍时自动加速。
除了解决汽车安全行驶的问题,还能在同样路宽的情形下,承诺较多的车辆运行,增加交通密度。
随着性能的不断完善和功能的扩展,汽车测距防撞系统在以后智能化汽车内的应用会更加广泛[12]。
2超声波测距技术
2.1概述
在车辆测距防撞系统中,需要及时采集环境信息,以实现避障、定位、导航等任务,这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器来完成。
视觉、红外、激光、超声波等传感器都在车辆测距防撞系统中得到实际应用。
由于探测传感器为集多种学科一身的产品,有些方面还在探究之中,随着探测传感器的进一步完善,车辆测距防撞系统的功能将越来越强,将在更多的领域为人们做出更大奉献。
在车辆测距防撞系统的研究中,环境信息的采集是研究的关键问题之一。
距离测量为车辆测距防撞系统提供了周围环境的二维和三维信息,是车辆测距防撞系统中不可缺少的组成部分。
车辆测距防撞系统能够依照这些距离信息进行实时避障、导航和执行特定任务。
通常,对猎取这类环境的传感器有两方面的要求:
一方面,需要有足够大的视场来覆盖整个工作区;另一方面,需要有较高的采集速率以保证在运动的环境中提供实时的信息[2]。
2.2测距传感器的分类
2.2.1红外和光电传感器
这类测距传感器是依靠红外线或其他不可见光的直线传播特性。
通过光敏元件来发射和接收信号,从而判定障碍物的存在与否。
由于光线的传播速度极快,通常难以通过简单的装置估算其传播距离,因此在简单、低成本的应用中,这类传感器也要紧用于状态的判定〔障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等〕而无法实现对距离的实时测量。
2.2.2超声波测距传感器
超声波作为一种专门的声波,同样具有声波传输的差不多物理特性——反射、折射、干涉、衍射、散射。
超声波测距即是利用其反射特性。
关于超声波测距,成本低廉,性能可靠,使得本技术更易于推广应用。
超声波传感器是将两个压电元件〔或一个压电元件和一片金属片〕粘合在一起,称为双压电晶片〔由一个压电元件构成的称单压电晶片〕。
超声波射在压电晶片上,使压电晶片振动会产生电压信号。
反之,在压电晶片加上电压会产生超声波。
由压电元件构成的超声波传感器的等效电路如图2.1所示。
图〔a〕为超声波传感器可等效为一个电感、电容和电阻串联的〔共振〕电路。
图〔b〕为其电抗特性,其左侧和右侧出现电容性,中间部分出现电感性。
利用这一特性构成了超声波传感器特有的电路。
超声波传感器有两个共振频率,低频的共振频率fT叫串联共振频率,在电阻〔R〕,电感〔L〕和电容〔C1〕的串联电路中振荡。
这时的传感器阻抗最低;而在高频处的共振频率fa为逆共振频率,在L、C1和C0的并联电路中产生共振。
〔a〕等效电路〔b〕电抗特性
图2.1超声波传感器等效电路和电抗特性
发射超声波在串联共振频率上具有最高灵敏度。
超声波传感器有两个共振频率,发射超声波传感器的灵敏度在串联共振频率fT上最高。
接收超声波传感器在逆共振频率fa上具有最高灵敏度。
接收检测超声波传感器AT89C2051的标称为40kHz,与前者相反,在逆共振频率上接收灵敏度最高。
超声波传感器能够分为如下几种类型:
〔1〕通用型:
超声波传感器频带宽一样可达数千赫,并有对频率的选择性。
通用型超声波传感器频带窄,但灵敏度高,抗干扰性强。
在多通道,且通道间频率较近的应用中最好采纳窄频带型的超声波传感器。
通用型超声波传感器一样分别备有接收传感器和发送传感器。
因最大接收灵敏度和最大发送灵敏度的频率分别为fT和fa,假设用一个传感器必定牺牲其一。
〔2〕宽频带型:
宽频带超声波传感器能在工作频率内有两个共振点,因而加宽了频带。
该传感器兼作发送和接收传感器。
〔3〕封闭型:
适用于室外环境的封闭型超声波传感器有较好的耐风雨性能,可用于汽车后面的检测等装置上。
〔4〕高频型
这种超声波传感器的中心频率高达200kHz,既可作接收也可作发送用,而且方向性相当强,可进行高辨论率的测量[5]。
由于超声波传感器是一种采纳压电效应的传感器,常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时有相当的衰减,衰减程度与频率的高低成正比;而频率高那么辨论率也高,故在短距离〔小于1m〕测量时应选择频率高〔100KHz以上〕的传感器,而长距离测量时要选择低频率的传感器。
本课题研究采纳西安立宇电子科技的超声波测距传感器一般型,T发射型,R为接收型。
它的标称频率为40kHz,辨论率为1cm,即在串联共振频率fT〔40kHz〕上发射灵敏度最高。
超声波传感器具有如下特性:
〔1〕在自身特性谐振点40kHz邻近可获得较高的灵敏度;
〔2〕谐振带宽、波束角能够通过制作工艺操纵得专门窄,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;
〔4〕超声系统成本低、性能稳固可靠,应用前景好。
因此,本次设计的汽车测距防撞系统中采纳了超声波测距技术,利用超声波来实时测量车辆与障碍物之间的距离,当该距离达到设定的报警距离时,报警器发出报警,提醒驾驶员正确操纵测量,以实现车辆的安全避障。
它的测量原理是基于测量渡越时刻〔发射脉冲和接收脉冲的时刻间隔〕。
由渡越时刻和介质中的声速即可求得目标与传感器的距离[11]。
2.3超声波测距工作原理
通常,人们的耳朵能够听到的声波频率范畴是由2KHz到20KHz。
通常把20KHz以上的声波叫做超声波〔UltrasonicWaves〕。
超声波具有波长较短,绕射小,能够成为射线而定向传播。
超声波的频率越高,就越与光波的某些特性〔如反射、折射〕相似。
超声波的这些特性使其在检测技术中获得广泛的应用[3]。
由于声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同,声波的波的形式也不同,通常有以下的种类:
纵波〔Longitudinalwave,L波〕,质点的振动方向与波的传播方向一致的波,它能在固体、液体和气体中传播;
横波〔Shearwave,S波〕质点振动方向垂直于振动方向的波,它只能在固体中传播。
表面波〔Surfacewave,Raleigh波〕质点的振动介于纵波与横波之间,沿表面传播,振幅随深度增加而迅速衰减的波。
由以上分类能够看出,只有纵波能够在气体中传播。
因此,目前在空气中的超声波测量系统大多数依靠纵波实现。
从低频到高频依次为次声波、声波、超声波和特超声波,而实际测量用的超声波要紧集中在频率为2×104~2×106Hz的范畴内。
其中,靠近低频段要紧用于空气和液体介质中的测量系统,中频和高频要紧集中于固体介质的测量。
这要紧是由于介质对声波能量的吸取随声波频率的升高而增加,频率越高,声波在介质中衰减就越快。
而在固体介质中,测量的量程比较短〔例如超声波探伤,测工件厚度〕。
在液体和气体中,测量的量程比较长〔例如空气中的超声波测距,海洋中测深度〕,因此,气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低[10]。
超声波测距是通过不断的检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测动身射和接收回波的时刻差T,那么超声波发生器与障碍物之间的距离S为:
S=C×T/2〔2.3.1〕
式中,C为超声波波速,由于超声波也是声波,故C即为音速。
音速为
〔2.3.2〕
式中,γ———气体的绝热体积系数〔空气为1.4〕;
p———气体的气压〔海平面为1.013×
Pa〕;
ρ0———气体密度〔空气为1.29kg/
〕。
关于1mol空气,质量为m,体积为V,那么密度ρ0=m/V,故
C=γp/ρ0=γpV/m〔2.3.3〕
关于理想的气体,有pV=RT
式中,R为摩尔气体常熟;T为绝对温度。
因此,C=γRT/m由于γ、R、m均为常数,故声速C仅与温度T有关,假设温度不变,那么声音在空气中速率与压强无关。
表2.1中列出几种不同温度下的声速。
在使用时,假如温度变化不大,那么可认为声速是差不多不变的。
假如测距精度要求专门高,那么应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后,只要测得超声波往返时刻,即可求得距离。
表2.1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
通常的超声波测距是由超声波发射传感器发出的超声波,超声波在介质中传播到被测物体,产生反射,由接收传感器接收反射波,传感器到被测物体的距离有超声波的传播时刻和速度确定。
假定声速c在同一介质中为常数。
假如介质的物理参数发生变化,声速会发生变化,在精确测距中是不可忽略的,为此要对声速进行补偿,补偿公式如下:
〔2.3.4〕
式中:
C为超声波在空气中的传播速度,γ为气体定压热容与定容热容的比值,对空气为1.40,R为气体普氏常量,T为绝对温度,T=273K+TC〔实际温度〕。
代入以上各个参数取值,得到近似公式为:
C=
+0.607×
〔2.3.5〕
式中,CO为零度时的声速323m/s。
只要测得超声波发射和接收回波的时刻差T以及现场环境温度TC,就能够精确运算出从发射点到障碍物之间的距离。
距离的精确获得,关键在于超声波的传播时刻的测量。
由于传感器接收到的回波幅度专门小,需要进行放大。
系统的频率响应取决于传感器的固定频率,其近似为带通滤波器,电子带通滤波器用于排除传感器通带以外的电子噪声,其理想的带宽应等于传感器的带宽,但实际上取略大一些。
包络检测提取期望的信号,经阀值比较器得到的初始信号和回波信号上升沿,在通过脉宽转换电路变成时刻的脉宽信号,送计数器计数,由运算机CPU来读取。
3系统方案设计
汽车防撞预警系统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。
它能自动发觉可能与汽车发生碰撞的障碍物体,同时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幸免碰撞的发生。
依照题目要求,汽车防撞报警器的功能要紧有两个:
判定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。
3.1设计总体思路概况
汽车防撞预警系统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刻通过公式运算出汽车与障碍物之间的距离。
3.1.1方案对比
目前,超声波信号采集系统要紧有以下几种方案:
〔1〕由一对超声波传感器和一些电子元器件组成的,这种系统功能单一,只用来探测物体存在与否,不能满足障碍物判别系统的要求。
〔2〕由单片机操纵超声波传感器的测距系统。
该系统简单、方便,实现起来容易。
〔3〕用运算机或可编程操纵器〔PLC〕通过数据采集卡操纵多个传感器的方式,这种方式多用于工业生产中。
因此,本设计采取单片机操纵超声波传感器的测距系统。
3.1.2系统的特点
本系统有如下特点:
〔1〕采纳AT89C51来操纵超声波传感器
可靠性高,抗干扰能力强;操纵程序可变,具有专门好的柔性;编程简单,使用方便。
〔2〕系统小型化
本系统是一个小型的分布式数据采集与操纵系统。
在其电路设计中,尽量考虑使用新型及功能较强的集成电路,尽量简化电路。
〔3〕低功耗,高可靠性。
3.2系统工作过程
系统检测距离的原理是通过单片机发出40kHz的方波串后,检测接收端是否接收遇障碍物反射的回波,同时利用单片机运算出收到回波所用的时刻t和确定超声波所处温度下空气传播的速度,障碍物到汽车尾部距离为v×t/2,依照测出来的相应距离,通过CPU运算后判定作出报警响应等相应的操纵。
为了能够实现准确地测出障碍物到汽车的距离,尽量减少误差,采取算法为:
两对超声波收发传感器分别安装在车头,两者相隔1.6m,如图3.1所示,A,B分别代表两对超声波收发器,AB=1.6m,假设F代表障碍物,声波的传播速度为v,B到F所用时刻为t1,A到F所用时刻为t2,由于声波传播是来回反射的,那么BF=v×t1/2,AF=v×t2/2,也确实是只要把时刻t1与t2确定下来就能够运算出BF与AF,然后利用海伦公式,设
L=〔AF+BF+AB〕/2〔3.3.1〕
有
〔3.3.2〕
这就能够求出
ABC的面积为S,EF=2S/AB,其中EF确实是汽车头到障碍物的距离[9]。
图3.1测距算法
3.3系统方框图
汽车防撞操纵系统方框图如图3.2所示。
该系统全部由单片机AT89C51操纵,超声波发射电路能在单片机的操纵下发出超声波。
接收电路接收到信号之后送人单片机进行处理。
算出车与障碍物之间的距离,将处理结果送入显示电路进行显示,再按照技术指标的要求由声光报警电路进行报警。
图3.2超声波测距报警系统图
4硬件电路设计
此系统是在单片机的操纵下,利用超声波测距原理,测量汽车在倒车过程中与障碍物之间的距离。
当汽车与障碍物的距离小于安全距离时,发出蜂鸣声并显示车辆与障碍物之间的距离,提醒驾驶员及时采取减速或刹车等措施,以防发生事故。
整个系统的硬件由发送部分、接收处理部分、温度检测部分、显示及声光报警部分组成。
4.1超声波传感器的发射电路
超声波发射器包括两个部分:
超声波产生电路部分和超声波发射操纵电路部分。
超声波探头采纳TCT40。
单片机P1.0端口输出40KHz的超声波信号,现在定时器开始计时。
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操纵,灵活性好。
超声波发射电路设计图如图4.1所示。
图4.1超声波发射装置设计图
超声波的发射电路要紧由反相器74LS04和发射换能器构成。
AT89C51单片机P1.0口输出的40kHz的方波信号分成2路,一路经反向器后加到TCT40-16的一个电极,另一路通过两级反向器后加到TCT40的另一个电极,采纳这种方式将P1.0发出的方波信号加到TCT40的两端上,如此能够增强超声波的发射强度。
在加载反波信号时使用两个74LS04并联,能够提高驱动能力。
而电阻R11、R12能够增加超声波换能器的阻尼成效,缩短了震荡时刻,还能够提高换能器输出高电平的驱动能力。
4.2超声波传感器的接收电路
超声波接收器包括接收∕发射探头、信号放大电路和波形变换电路三个部分。
超声波探头采纳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。
在空气中传播超声波的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4.2超声波接收电路图
超声波的接收装置如图4.2所示。
超声波的接收采纳CX20106A集成电路模块实现。
CX20206由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。
其中,电平自动操纵电路ABLC能够保证在输入弱信号时,前置放大器有较高增益,而在输入强信号时,前置放大器可不能过载,使得CX20206在一定遥控距离〔约10m〕内工作可靠。
本设计中,CX20206芯片的5脚连接了一个外接电阻R21,该电阻能够调剂滤波器的中心频率。
R21的阻值越大,滤波器的中心频率就越低,变化范畴在30~60kHz之间。
CX202
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