汽车智能刹车系统设计正文.doc
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新型汽车电子单元电路(实验)设计报告
前言
随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。
尤其是在汽车产业高速发展的今天,随着近几年来私家车的剧增,如何做到安全行驶也成为驾驶员面临的最大挑战。
早期的倒车防撞仪可以测试车后一定距离范围的障碍物而发出警报,后来发展到根据距离分段报警。
随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高,对汽车行驶的安全车距的要求也越来越高。
针对这种情况,设计一种响应快,可靠性高且较为经济的汽车智能刹车系统势在必行,超声波测距法是最常见的距离测距方法,应用于汽车停车的前后左右等状况。
本课题就是本着这个宗旨出发,采用温度补偿的高精度超声波测距系统为我们服务。
超声波指向性强,因而常于距离的测量。
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为v,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=v*t/2。
这就是所谓的时间差测距法。
利用超声波及集成霍尔元件实现对汽车的测距和测速,由单片机把测量车距与预先设定的安全车距和车速进行比较。
利用控制系统的实时控制和数据处理功能,完成整个系统的控制。
1.课程设计方案与论证
1.1系统整体方案的设计
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。
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设计需求。
超声波发生器可以分为两大类:
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。
电气方式包括压电型、电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。
根据实际情况决定本设计采用的是压电式超声波换能器。
根据设计要求并综合各方面因素,本文采用AT89C51单片机作为控制器,产生超声波驱动信号。
DS18B20电路模块作为温度补偿部分的采样电路,从而实现对超声波波速的补偿。
采用LCD数字显示车速与车距情况。
测速部分采用霍尔元件A44E来对车速进行实时采样,并通过液晶LCD进行显示。
控制器AT89C51作为主控制器,通过对车速、车距等的实时处理,从而实现智能刹车的控制。
1.2系统整体方案的论证
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计;一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式,适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
2.设计思路
2.151系列单片机测距原理
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,必须产生超声波和接收超声波。
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,将电能转换为超声波,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。
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。
本课题属于近距离测量,可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
2.2硬件测距选择
2.2.1超声波测距及其原理
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,必须产生超声波和接收超声波。
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,将电能转换为超声波,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。
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。
本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号,其频等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,产生超声波。
2.2.2超声波设计系统框图
根据设计要求并综合各方面因素,可以采用AT89C52单片机作为主控制器,采用2行16为字符的液晶LCD1602进行数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成,超声波测距器的系统框图如下图1所示。
超声波发送
控制器
单片机
显示模块
超声波接收
报警模块
温度补偿
图1超声波设计系统框图
3.系统组成
3.1硬件部分
主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、温度补偿电路和报警电路共五大部分组成。
采用AT89C51来实现对CX20106A红外接收芯片的控制。
单片机通过P2.2引脚经反相器来控制超声波的发送,然后单片机不停的检测INT0引脚,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
计数器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
3.2软件部分
主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序、系统温度补偿子程序、显示子程序及危险控制模块和报警模块等部分。
4.系统硬件电路设计
4.1超声波发射电路
压电超声波转换器的功能:
利用压电晶体谐振工作。
它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动产生超声波,这时它就是一超声波发生器;如没加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电振荡器作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收转换器。
超声波发射转换器与接收转换器其结构稍有不同。
超声波发射电路如图2所示。
图2超声波发射电路原理图
4.2超声波检测接收电路
参考红外转化接收电路,本设计采用集成电路CX20106A,这是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近,可以利用它作为超声波检测电路。
如图3超声波检测接收电路原理图所示,适当改变C9的大小,可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
图3超声波检测接收电路
4.3单片机系统及其显示电路
4.3.151系列单片机功能及其特点
AT89C52具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
该系列单片机引脚与封装如图4所示。
图4AT89C51引脚图
5l系列单片机提供以下功能:
4kB存储器;256BRAM;32条工/O线;2个16b定时/计数器;5个2级中断源;1个全双向的串行口以及时钟电路。
空闲方式:
CPU停止工作,而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式:
保存RAM的内容,振荡器停振,禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。
充分利用他的片内资源,即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
4.3.2LCD1602显示电路
1602型LCD显示模块具有体积小,功耗低,显示内容丰富等特点。
1602型LCD可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0~D7和RS,R/W,EN三个控制端口,工作电压为5V,并且具有字符对比度调节和背光功能。
*接口信号说明
1602型LCD的接口信号说明如表1所示:
表11602型LCD的接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
V0
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端(H/L)
12
D5
DataI/O
5
R/W
读写选择端(H/L)
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
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