推荐文档下载可编辑毕业设计基于超声波的车用报警系统设计.docx
- 文档编号:27861845
- 上传时间:2023-07-05
- 格式:DOCX
- 页数:43
- 大小:302.89KB
推荐文档下载可编辑毕业设计基于超声波的车用报警系统设计.docx
《推荐文档下载可编辑毕业设计基于超声波的车用报警系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《推荐文档下载可编辑毕业设计基于超声波的车用报警系统设计.docx(43页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
推荐文档下载可编辑毕业设计基于超声波的车用报警系统设计
题目:
基于超声波的车用报警系统设计
年级:
专业:
通信工程
学号:
姓名:
指导教师:
教学点(函授站):
成人教育毕业设计(论文)
基于超声波的车用报警系统设计
题目:
基于超声波的车用报警系统设计
年级:
专业:
通信工程
学号:
姓名:
指导教师:
教学点(函授站):
成人教育毕业设计(论文)
学院专业通信工程
年级学号姓名
教学点(函授站)株洲函授站指导教师
题目基于超声波的车用报警系统设计
指导教师
评语该设计实现了一种基于超声波的车用报警系统,设计精简、合理,具备一定的实践及应用价值,基本完成了设计任务所要求的设计指标,论文结构基本满足要求,格式正确,条理清晰,具备答辩的基本条件,同意按期进行毕业设计答辩。
指导教师(签章)
评阅人
评语该论文对一种基于超声波的车用报警系统进行了相关设计,设计基本与任务书要求相符,并具备一定的实用价值,论文格式正确,结构合理,经评议,判定相关设计与论文合格。
评阅人(签章)
成绩良好
答辩组组长(签章)
成人教育毕业设计(论文)
毕业设计(论文)任务书
班级通信工程专业学生姓名
题目基于超声波的车用报警系统设计
1、本设计(论文)的目的、意义随着汽车的日益普及,停车场越来越拥挤,车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。
由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近,而且驾驶员的视野也颇受限制,碰撞和拖挂的事故时有发生,在夜间时则更显突出。
为确保汽车安全,超声波测距报警装置,可有效地避免此类事故的发生。
该设计主要利用STC89C52单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作,以STC89C52为主控芯片,利用超声波对距离的检测,将前方物体的距离探测出来,然后单片机处理运算,与设定的报警距离值进行比较判断,当测得距离小于设定值时,STC89C52发出指令控制蜂鸣器报警,提醒驾驶员注意行驶安全,系统可以通过按键设置报警距离。
设计电路应做到合理简单、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量误差方面能够达到简单工业实用的要求。
同时,还需具有可靠性好、体积小、价格低廉等特点,设计能够提高行车的安全性能,为驾驶员提供方便。
2、学生应完成的任务
(1)毕业设计与制作:
设计一款车用的基于超声波的报警系统;
(2)设计要求:
a.该产品具备倒车测距报警功能;
b.产品拥有基本说明与相关DEMO程序;
c.该设计具备完整的硬件电路设计与软件设计。
(3)通过上述样品的制作,整理和收集整套设计材料,撰写《毕业设计论文》;
(4)搜集全部资料,上交指导老师;
(5)毕业答辩。
3、设计(论文)各部分内容及时间分配:
(共11周)
第一部分毕业设计安排:
明确毕业设计任务,下发毕业设计任务,明确选题。
(1周)
第二部分资料准备:
毕业设计任务书的撰写,资料搜集与整理。
(2周)
第三部分毕业设计工作:
具体的毕业设计工作,毕业设计咨询与修订。
(4周)
第四部分毕业设计中期工作:
毕业设计中期检查。
(1周)
第五部分毕业设计资料提交:
提交毕业设计相关资料,答辩课件制作、材料准备。
(2周)
评阅或答辩毕业设计答辩(1周)
备注具体时间安排,可随相关进度进行动态调整。
指导教师:
审批人:
成人教育毕业设计(论文)
诚信承诺
一、本设计(论文)是本人独立完成;
二、本设计(论文)没有任何抄袭行为;
三、若有不实,一经查出,请答辩委员会取消本人答辩(评阅)资格。
承诺人(钢笔填写):
年 月 日
成人教育毕业设计(论文)
成人教育毕业设计(论文)
摘要
随着汽车的日益普及,停车场越来越拥挤,车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。
由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近,而且驾驶员的视野也颇受限制,碰撞和拖挂的事故时有发生,在夜间时则更显突出。
为确保汽车安全,本次设计将介绍一种超声波测距报警装置,可有效地避免此类事故的发生。
该设计主要利用STC89C52单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作,以STC89C52为主控芯片,利用超声波对距离的检测,将前方物体的距离探测出来,然后单片机处理运算,与设定的报警距离值进行比较判断,当测得距离小于设定值时,STC89C52发出指令控制蜂鸣器报警,提醒驾驶员注意行驶安全,系统可以通过按键设置报警距离。
本设计的电路设计合理简单、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量误差方面能够达到简单工业实用的要求。
本系统具有可靠性好、体积小、价格低廉等特点,能够大大提高行车的安全性能,为驾驶员提供了相当的方便。
关键词:
超声波STC89C52测距报警
第1章绪论
历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。
声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。
经过几个世纪,科学家们对此反复研究,最终发现了超声波的原理。
超声波测距应用于各种工业领域,如工业自动控制,建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。
超声波作为一种检测技术,采用的是非接触式测量,由于它具有不受外界因素影响,对环境有一定的适应能力,且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。
这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响,大大解决了传统测量仪器存在的问题。
因此,利用超声波检测既迅速、方便、计算简单,又易于实时控制,在测量精度方面能达到工业实用的要求。
然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。
由于超声波在传播过程中,声压会随距离的增大而呈指数规律衰减,远目标的回波信号幅度小、信噪比低,用固定阀值的比较器检测回波,可能导致越过门槛的时间前后移动,从而影响计时的准确性,这必然会影响到测距的准确度。
另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中,存在惯性、滞后等现象,以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径,均导致回波信号被展宽,也使测量产生较大的误差,影响了测距的分辨率。
其他如温度,风速等也会对测量造成一定的影响。
超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。
由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。
超声波是一种频率在20khz以上的声波,作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性:
反射、折射、干涉、衍射和散射,与物理联系紧密,应用灵活。
并且更适合于高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰等恶劣环境下工作。
无论从精度还是可靠性方面,超声波测距都做得比较好。
利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。
鉴于汽车追尾事故频繁,因此在汽车领域上具有广泛的应用前景。
第2章总体设计方案
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统,软件是各种工作程序的总称。
模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。
电路结构可划分为:
超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。
就此设计的核心模块来说,单片机就是设计的中心单元,所以本系统也是单片机应用系统的一种应用。
系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时,主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。
然后控制蜂鸣器报警。
系统总体的设计方框图如图2-1所示。
电源
按键模块
主控制器模块
超声波模块
显示模块
报警模块
图2-1系统方框图
本系统可以通过超声波模块测量系统到障碍物之间的距离并用数码管显示出来,用户还可以通过按键设置下限报警距离,假如测量的距离低于设置的报警值则通过蜂鸣器发声提醒用户超出允许范围。
第3章硬件电路设计
以系统方框图来看,本设计分为主控制器模块、超声波模块、显示模块、按键模块、报警模块、电源等组成。
而本设计大部分由肖雄同学完成的。
3.1主控制器模块
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
与STC89C51单片机相比,STC89C52单片机程序存储器容量8KROM,2个定时器。
如图3-1所示。
图3-1STC89C52单片机总控制电路
主控制最小系统包括晶振电路、复位电路、电源等。
如图3-2所示。
图3-2最小系统
3.2超声波模块
3.2.1超声波特性
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。
当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计,取整数为20000赫兹)时,人们就会觉察不出周围声的存在,因而称这种高频率的声为“超”声。
人的听觉范围如图3-3所示。
图3-3人的听觉范围
超声波的基本特性如下所述:
1.波长
波的传播速度是用频率乘以波长来表示。
电磁波的传播速度是3×108m/s,而声波在空气中的传播速度很慢,约为344m/s(20℃时)。
在这种比较低的传播速度下,波长很短,这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。
正是由于这种较高的分辨率特性,才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。
2.反射
要探测某个物体是否存在,超声波就能够在该物体上得到反射。
由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100%的超声波,因此我们可以很容易地发现这些物体。
由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波,因此很难利用超声波探测到它们。
同时,由于不规则反射,通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体,这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所,并且测试物体必须反射超声波。
3.温度效应
声波传播的速度“c”可以用下列公式表示。
c=331.5+0.607t(m/s) 式中,t=温度(℃)也就是说,声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。
因此,要精确的测量与某个物体之间的距离时,始终检查周围温度是十分必要的,尤其冬季室内外温差较大,对超声波测距的精度影响很大,此时可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差,考虑到本设计的测试环境是在室内,而且超声波主要是用于测距功能,对测量精度要求不高,所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。
4.衰减
传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱,这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失,也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。
如图3-4所示,超声波的频率越高,衰减率就越高,超声波的传播距离也就越短,由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。
图3-4声压在不同距离下的衰减特性
5.声压特性
声压级(S.P.L.)是表示音量的单位,利用下列公式予以表示。
S.P.L.=20logP/Pre(dB)式中,“P”为有效声压(μbar),“Pre”为参考声压(2×10-4μbar)如图3-5所示为几种常用超声波传感器的声压图。
图3-5超声波传感器的声压图
6.灵敏度特性
灵敏度是表示声音接收级的单位,使用下列公式予以表示。
灵敏度=20logE/P(dB)式中,“E”为所产生的电压(Vrms),“P”为输入声压(μbar)。
超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围,如图7所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图,从图3-6中可以发现40KHz时传感器的声压级最高,也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高。
图3-6超声波传感器灵敏度示意图
7.辐射特性
把超声波传感器安装在台面上。
然后,测量角度与声压(灵敏度)之间的关系。
为了准确地表达辐射,与前部相对比,声压(灵敏度)级衰减6dB的角度被称为半衰减角度,用θ1/2表示。
超声波设备的外表面尺寸较小易于获得精确的辐射角度。
如图3-7所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。
图3-7超声波传感器辐射特性示意图
分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度。
3.2.2超声波传感器
完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声波探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
小功率超声探头多用作探测方面。
它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
由于晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能都是不同的,我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。
超声波传感器的主要性能指标包括:
(1)工作频率。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
(2)工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高,特别时诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。
医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。
(3)灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大,灵敏度高。
人类能听到的声音频率范围为:
20Hz~20kHz,即为可听声波,超出此频率范围的声音,即20Hz以下频率的声音称为低频声波,20kHz以上频率的声音称为超声波。
超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。
为此,利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。
另外,超声波在空气中的传播速度较慢,为340m/s,这就使得超声波传感器使用变得非常简便。
我们选用压电式超声波传感器。
它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷,是利用压电材料的压电效应来进行工作的。
逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头。
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。
总体上讲,超声波发生器大体可以分为两大类:
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、磁致伸缩型和电动型等;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。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
图3-8超声波传感器结构
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图所示,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,便产生超声波。
反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。
如图3-8所示。
3.2.3超声波传感器原理
市面上常见的超声波传感器多为开放型,其内部结构如图3-9所示,一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。
该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器。
谐振器呈喇叭形,目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波,并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生一个电荷。
利用这一原理,当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器,所谓叫双压电晶片元件,施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。
相反,当向双压电晶片元件施加超声振动时,就会产生一个电信号。
基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
图3-9超声波传感器内部结构
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,其频率超过20KHz,分横向振荡和纵向振荡两种,超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。
它有折射和反射现象,且在传播过程中有衰减。
超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块,该模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到3mm。
模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理:
采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。
实物如下图3-10。
其中VCC供5V电源,GND为地线,TRIG触发控制信号输入,ECHO回响信号输出等四支线
图3-10超声波模块实物图
超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下:
IO口触发,给Trig口至少10us的高电平,启动测量;模块自动发送8个40Khz的方波,自动检测是否有信号返回;有信号返回,通过IO口Echo输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间,测试距离=(高电平时间*340)/2,单位为m。
程序中测试功能主要由两个函数完成。
实现中采用定时器0进行定时测量,8分频,TCNTT0预设值0XCE,当timer0溢出中断发生2500次时为125ms,计算公式为(单位:
ms):
T=(定时器0溢出次数*(0XFF-0XCE))/1000
其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。
3.2.4测距方法
最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。
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面的距离s,即:
s=340t/2。
由于超声波也是一种声波,其声速V与温度有关。
在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。
如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。
声速确定后,
只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。
这就是超声波测距仪的基本原理。
如图3-11所示:
图3-11超声波的测距原理
(3-1)
(3-2)
式中:
L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
(3-3)
式中:
v—超声波在介质中的传播速度;
t—超声波从发射到接收所需要的时间.
将(3—2)、(3—3)代入(3-1)中得:
(3-4)
其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(3—4)变为:
(3-5)
所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.
3.3显示模块
显示模块采用数码管显示接口。
数码管消耗电力比液晶多一点,但是数码管显示更加清晰,更加适合在白天等强光条件下显示。
液晶极其省电,但是使用有温度范围限制,且因是反光式的,在外界光线很明亮的情况下很难容易看不清楚。
LED数码管的主要特点如下:
(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光,能与CMOS、ITL电路兼容。
(2)发光响应时间极短(<0.1µs),高频特性好,单色性好,亮度高。
(3)体积小,重量轻,抗冲击性能好。
(4)寿命长,使用寿命在10万小时以上,甚至可达100万小时。
成本低。
因此,选择数码管来显示。
如图3-12所示。
图3-12数码管电路
3.4报警电路模块
蜂鸣器有两类3大品种。
一类是压电式,一类是电磁式,电磁式又有两大品种,铁振膜式和动圈式,二者原理一样只是结构不同。
所有蜂鸣器都有两种类型:
纯蜂鸣器和带驱动的蜂鸣器,蜂鸣器都是用来音频信号驱动的,都是交流驱动。
报警器的种类很多,比如:
扬声器,蜂鸣器等,本次设计采用的是电磁式蜂鸣器作为报警器。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片以及外壳等组成。
接通电源后,振荡产生的音频信号通过电磁线圈,使得电磁线圈产生了一个磁场。
振动摸片在电磁线圈和磁铁的相互作用下,周期性地振动发声。
在本设计中用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P13引脚上,构成报警电路。
如图3-13所示。
图3-13报警电路
3.5时钟电路的设计
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
因为一个机器周期含有6个状态周期,而每个状态周期为2个振荡周期,所以一个机器周期共有12个振荡周期,如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ,一个振荡周期为1/12us,故而一个机器周期为1us。
如图3-14所示为时钟电路。
图3-14时钟电路图
3.6复位电路的设计
复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位,单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。
例如使用晶振频率为12MHz时,则复位信号持续时间应不小于2us。
本设计采用的是自动复位电路。
如图3-15示为复位电路。
图3-15复位电路图
3.7电源设计
电源部分的设计采用3节5号干电池4.5V供电。
简单实用,价钱便宜。
在汽车上可以用USB接口供电,方便实用。
第4章系统软件设计
软件分为主程序和中断服务程序。
主程序完成初始化工作,超声波发射和接受,距离计算、结果的输出。
外部中断服务子程序主要完成时间值的读取。
4.1软件设计思路
软件设计的主要思想是将预置、发射、接收、显示、报警等功能编成独立的模块,在主程序中采用键控循环的方式,当按下控制键后在,在一定周期内,依次执行各个模块,调用预置子程序,发射子程序、查询接收子程序、定时子程序,并把测量的结果进行分析处理。
当测得距离小于预置距离时,声音,显示报警程序被调用。
4.2超声波测距算法
超声波测距的原理为超声波发生器在某个时刻发出一个超声波信号,当这个超声波遇到被测物体后反射回来,就被超声波接收器所接到,这样只要计算出从发出超声波信号到接收返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器与反射物体的距离。
4.3主程序
主程序首先是对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。
置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。
然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发,需要延时约0.1ms(这也就是超声波测距会有一个最小可测离的原因)后,才打开外中断0接收返回的超声波信号。
超声波汽车防撞电路的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。
我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法,汇
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 推荐 文档 下载 编辑 毕业设计 基于 超声波 报警 系统 设计