基于单片机的超声波的汽车防撞Word文档格式.docx
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Alongwiththescienceandtechnologyfastdevelopment,theultrasonicwavemoreandmorewillbebroadinthescienceandtechnologyapplication.Thisarticlehascarriedonthetheoreticalanalysistotheultrasonicsensorrangefinderpossibility,theusesimulationelectron,thedigitalelectron,themicrocomputerconnection,theultrasonicwavetransducer,aswellastheultrasonicwaveinmediumknowledgeandsoondisseminationcharacteristic,usestakeSTC89C52monolithicintegratedcircuitasthecorelowcost,thehighaccuracy,themicrominiaturizednumeraldemonstratedtheultrasonicwavedistancegaugethehardwareelectriccircuitandthesoftwaredesignmethodhasdesignedthesystemoverallconceptinthisfoundation,finallyhasrealizedeachfunctionmodulethroughthehardwareandthesoftware.
Keywords:
STC89C52,ultrasonicwave,sensor,LCD,Measuringdistance
目录
1引言1
1.1课题背景1
1.2课题设计的意义:
1
1.3超声波测距在汽车上应用的介绍:
2课题的方案设计与论证3
2.1系统总体设计3
2.2设计方案的论证5
3系统的硬件结构设计6
3.1单片机的选择6
3.2发射电路的设计11
3.3接收电路的设计15
4系统软件的设计22
4.1超声波汽车防撞电路的算法设计
23
4.2主程序流程图24
4.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序26
5调试28
5.1硬件调试28
5.2软件调试29
总结31
致谢33
附录1:
35
附录2:
37
附录3:
39
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,此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。
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0.4~1.5m,有的产品能达到0.35~2.5m,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(timeofflight)。
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。
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
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。
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TCT40-16T/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
超声波换能器的工作效率为
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
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