毕业设计论文基于超声波的汽车防撞系统设计.docx
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毕业设计论文基于超声波的汽车防撞系统设计
毕业设计(论文)基于超声波的汽车防撞系统设计
本科学生毕业
基于超声波的汽车防撞系统设计
系部名称汽车
专业班级B06-7班
学生姓名
指导教师
职称
黑龙江工程学院
二年月
TheGraduationDesignforBachelorsDegree
TheDesignofTheAutomotive
Anti-collisionSystenBasedonTheUltrasonic
DepartmentAutomotivengineering
SpecialtyVehiclengineering
ClassB06-7
TheStudentsNameQiGuodong
SupervisorLvDegang
TitlesLecturer
HeilongjiangInstituteofTechnology
2010-06·Harbin
摘要
近年来我国高速公路追尾碰撞事故频繁发生而车载追尾碰撞预警系统在解决高速公路行车安全中具有良好的前景因此引起了研究人员的广泛关注
根据超声波测量距离系统给出了汽车测距防撞报警系统的设计该系统能在汽车行驶以及倒车过程中自动检测出汽车与最近障碍物之间的距离或行车中的车距并通过LED显示出来当到达极限距离时.系统能发出声光报警.进而提醒司机雌防撞车
在公路街道停车场车库等拥挤狭窄的地方倒车时驾驶员既要前瞻又要后顾稍微不小心就会发生追尾事故据相关调查统计15%的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的因此增加汽车的后视能力研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点安全避免障碍物的前提是快速准确地测量障碍物与汽车之间的距离为此设计了以单片机为核心利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统超声波一般指频率在20kHz以上的机械波具有穿透性强衰减小反射能力强等特点工作时超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲给测量逻辑电路提供一个短脉冲最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理自动计算出车与障碍物之间的距离超声波测距原理简单成本低制作方便但其传输速度受天气影响较大不能精确测距另外超声波能量与距离的平方成正比衰减因此距离越远灵敏度越低从而使超声波测距方式只适用于较短距离目前国内外一般的超声波测距仪其理想的测量距离为4~5m因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中本文根据声波在空气中传播反射原理以超声波换能器为接口部件介绍了基于TC89C52单片机的超声波测距器该设计由超声波发射模块信号接收模块单片机处理模块数码显示以及声光告警显示模块等部分组成文中详细介绍了测距器的硬件组成检测原理方法以及软件结构超声波发射模块中采用555定时器构成的时基电路接收电路使用SONY公司的CX20106A红外检测专用芯片该芯片常用于38kHz的检波电路文中通过对芯片内部电路的仔细分析设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路并且增益可调与传统超声波检波电路相比电路变得精简调试变得相对容易测距器使用数码管显示目标物的距离
关键词汽车防撞报警系统单片机TC89C52超声波测距
ABSTRACT
Theaccidentofautomobilerear-endcollisionhastakenplacefrequentlyinrecentyearsandrear-endcollisionwarningsystemhasgooduseinimprovingexpresswaytrafficsafetysothewarningsystemhasbeenpaidmoreattentionintheworld
ThevehiclecollisionavoidancealarmapparatussystemwasintroduedaccordingtotheultrasonicmeasurementdistancessystemThesystemcanautomaticanllyxeaminethedistancebetweenthebackandthenearestobstacleorthedistanceamongcarswhicwouldbedemonstartedthroughLEDthatwhenitarrivesthelimitdistancethesystembcansendoutthewarningandremindsthedriverforpreventingthevehiclecollidingTheexperimentalresultsshowedthatthesystemillustratesagoodprospectofapplicationandxetension
Highwaysstreetsparkinggarageandothercrowdedplacesnarrowreversethedrivershouldnotonlyforwardbutalsolookingbackalittlerear-endcarelessaccidentscanoccurAccordingtorelatedstatistics15ofmotorvehiclecollisionswhenthevehicleisreversingasthecapacityofthelattercausedbybadSoaftertheincreaseofmotorvehiclesastheabilitytodetectobstaclesonthedevelopmentoftherearofthecarreversingradarhasbecometheresearchhotspotinrecentyearsSecuritytoavoidobstaclesonthepremisethattherapidandaccuratemeasurementofobstructionsandthedistancebetweenmotorvehiclesTothisendthedesignofasingle-chipmicrocomputerasthecoretheuseofultrasonicrangingtoachievenon-contactreversingradarsystemGenerallyreferstoultrasonicfrequenciesabove20kHzmechanicalwaveswithpenetratingandattenuationofsmallreflectingtheabilityandsoonWorktheultrasonictransmittercontinuouslyemitsaseriesofconsecutivepulsestothemeasurementoflogiccircuitstoprovideashortpulseFinallysignalprocessingdevicesbasedonthereceivedsignalforprocessingthetimedifferenceautomaticcalculationofturnoutandthedistancebetweenobstaclesUltrasonicRangingsimplelowcosteasyproductionbutthetransmissionspeedbyalargerweathercannotbepreciserangeInadditiontheultrasonicenergyandtheattenuationisdirectlyproportionaltothesquareofthedistancethefartherthedistancethelowersensitivityandthusUltrasonicRangingwaysothatonlyapplytoashorterdistanceAtpresentultrasonicrangefinderathomeandabroadingeneraltheidealdistanceofthemeasurement45mthusreversingradarareusedincarssuchascloserangeinthispaperaccordingtothespreadofsoundwavesinairreflectiontoultrasonictransducerinterfacecomponentsbasedonMCUSTC89C52ultrasonicrange-finderDesignedbytheultrasonictransmittermodulereceivermodulesingle-chipprocessingmoduleadigitaldisplayandalarmsoundandlightdisplaymodulesuchaspartsthetextindetailtherangeofhardwaredevicesdetectiontheorymethodsandsoftwarearchitectureTheuseofultrasonictransmittermoduleconsistingof555time-basetimercircuitreceivingcircuitusingtheSONYcompanydedicatedCX20106Ainfrareddetectingchipthechipusedinthedetectorcircuit38kHzthetextofthechipthroughthecarefulanalysisoftheinternalcircuitdesigncansuccessfully40kHzultrasonicdetectionofhardwarecircuitryandadjustablegainandcomparedtoconventionalultrasonicdetectioncircuitthecircuithasbecomestreamlinedandeasiertodebugTheuseofdigitalrangefinderdisplaythedistancebetweenobjects
KeywordsAutomotiveanti-collisionalarmsysteminglechipSTC89C52SilentWaveMeasureDistance
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
11课题研究的现状和发展历史及意义1
12汽车防撞系统的发展现状2
13本课题的主要研究内容3
第2章系统的总体设计与分析4
21超声波测距原理4
22超声波发生器4
23压电式超声波发生器原理4
24测量与控制方法5
25控制系统方框图5
26超声波发射部分的设计6
27超声波接收器的设计6
28理论计算8
29影响精度的因素分析8
210提高精度的方案及系统设计9
211本章小结11
第3章系统的硬件结构设计12
31系列单片机的功能特点及测距原理12
com52系列单片机的功能特点12
com52单片机实现测距原理13
32超声波发射电路13
33超声波检测接收电路14
34超声波测距系统的硬件电路设计15
35本章小结17
第4章系统的软件设计18
41软件设计18
42超声波测距仪的算法设计19
43主程序流程图20
44超声波发生子程序和超声波接收中断程序22
45系统的软硬件的调试23
46本章小结23
结论24
参考文献26
致谢28
附录29
第1章绪论
11随着科技发展的不断进步自动测量的技术不断更新非接触式测量技术也有了长足的发展在很多工控场合测量的物体是不能够直接接触到的或者是测量物体不宜直接接触这个时候就要用到非接触式的测量仪器自物理学上发现了压电效应与反压电效应之后人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法从此超声波技术得到广泛运用而在超声波测量领域尤其是在测距领域结合各种其他技术的应用超声波测量变得十分普及
当人类社会充分享受汽车带来的诸多好处的同时也为此付出了沉重的生命和财产代价据不完全统计我国自1997年至2007年累计已有1551038人死于道路交通事故其中仅2007年道路交通事故就造成81649人死亡道路交通事故中有863均为汽车追尾碰撞事故
表11列出了我国1997年~2007年逐年的交通事故次数死亡人数受伤人数和直接经济损失
年份交通事故死亡人数受伤人数经济损失起递增人递增人递增亿元递增1997304217575738610281901288991846745199834612913787806756922272117141930455199941286019288352970028608028452124100520006169714944938531236418721463726692566200175491922241059301287546485305130881570200277313724110938132656207428533247642003667507-137104372-46494174-121337142004567753-14999217-49451810-86277-1762005450254-13198738-978469911-23188-2122006378781-15989455-94431139-83149-2092007327209-13681649-87380442-11830-195由表11可以看出进行高速公路防碰撞报警系统开发研究的必要性和紧迫性本文对汽车防碰撞系统的研究主要基于以下原因
由于超声波在空气中波速较慢能量消耗缓慢在介质中传播的距离较远其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来具有很高的分辨力利用超声波检测往往比较迅速方便计算简单易于做到实时控制并且在测量精度方面能达到工业实用的要求因此超声测距广泛应用于倒车雷达物体识别等方面特别是应用于空气测距超声波测距利用声波反射原理避免传感器直接与介质接触是一种传统而实用的非接触测量方法与红外激光及无线电测距相比它具有结构简单可靠性能高价格便宜安装维护方便等优异特性在近距范围内超声测距具有不受光线颜色以及电磁场的影响和指向性强的优点对于被测物处于黑暗有灰尘烟雾电磁干扰有毒等比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力且结构简单成本低但由于超声波传播时难于精确捕捉温度对声速影响等原因使超声测距的精度受到很大的影响限制了超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用
12国际上对汽车防撞雷达的研究始于20世纪60年代在此后的10多年内以德国美国日本为代表的主要西方国家内形成了一股研究热潮众多研究机构和汽车制造厂家合作有多台样机问世并有一些相应的实验结果和论文发表但是局限于当时的微波理论及器件的发展水平加上系统其他硬件成本居高不下导致雷达难于做到结构简单体积轻巧成本低廉些外汽车防撞雷达的工作环境恶劣干扰因素众多科研工作者在实验室制造样机时对许多因素考虑并不全面造成在实际应用中防撞雷达的工作效果并不理想
1986年奔驰公司发起包括遍及欧洲的17家主要汽车生产厂和50多个研究所制订了Promtheus计划将组合传感器通信人工智能技术于一个系统中其目的是改进汽车的安全性经济性和有效性其中研制出的性能优良的汽车防撞雷达帮助驾驶员避免发生交通事故是该计划的一个重要组成部份该计划随着微波器件及其集成技术的高速发展以及微处理器性能价格比的突飞猛进使得制造出低成主本高性能的汽车防撞雷达成为可能进入90年代后德国在这方面的研究工作处于领先地位
20世纪90年代中期以后一些公司开始将注意力转向汽车的新型防撞雷达这种新型防撞雷达应用于高速公路称为AICC"即自主智能巡航控制是汽车雷达发展的高级阶段就实际情况看国际上研制出的用于高速公路的防撞达基本上都只需完成向驾驶员提供危险警报功能为驾驶员争取一定的反映时间
欧盟RadarNet研究项目整合己有研究成果研制新型多功能汽车防撞雷达其中德国奔驰公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞雷达工作于35GHz探测距离150米信号处理系统可以计算出前方车辆或障碍物的距离及相对速度并根据后车速度计算出必要的安全距离当两车距离小于安全距离时发出灯光和声音报警信号安装在轿车客车上试用效果较好
美国防撞技术研究起步较晚但目前已处于世界领先水平主要代表有福特和Eatonorad公司开发的汽车防撞雷达系统其前方探测距离106米可在探测范围内跟踪20多个目标工作频率24725GHz雷达功率SmWa国内对汽车防撞装置的研究相对比较晚整体水平也相对较低具有代表性是有上海汽车电子工程中心研制的SAE-100型毫米波汽车防撞雷达样机采用LFMCW制式工作频率35GHz测距范围大于100米测速范围大于kmh采用增益为26dB的喇叭天线发射功率405mW以DSP为中央处理器
13本课题的主要研究内容
1研究国内外汽车防撞系统研究现状及发展历史理解本课题研究的意义
2分析各种汽车防撞系统的基本原理和优缺点
3提出改进汽车防撞系统的对策
4设计一种新型的汽车防撞系统给出设计电路图
第2章21超声波测距原理
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波从而测出发射和接收回波的时间差t然后求出距离SCt2式中的C为超声波波速由于超声波也是一种声波其声速C与温度有关表1列出了几种不同温度下的声速在使用时如果温度变化不大则可认为声速是基本不变的如果测距精度要求很高则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的时间即可求得距离这就是超声波测距仪的机理图21即为超声波测距的具体流程图
图21系统总体设计流程图
22超声波发生器
为了研究和利用超声波人们已经设计和制成了许多超声波发生器总体上讲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
23压电式超声波发生器原理
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1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24测量与控制方法
声波在其传播介质中被定义为纵波当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射反射波称为回声假如声波在介质中传播的速度是已知的而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到从声波到目标的距离就可以精确地计算出来这就是本系统的测量原理超声波传感器的结构如图所示
25控制系统方框图
超声波汽车防撞控制系统方框图如图所示该系统全部由单片机控制超声波发射电路能在单片机的控制下发出超声波接收电路接收到信号之后送入单片机进行处理算出车尾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
26超声波发射部分的设计
超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分超声波探头的型号选用CSB40T采用软件发生法产生40Kz的超声波信号通过输出引脚输入至驱动器经驱动器驱动后推动探头产生超声波这种方法充分利用软件灵活性好超声波发送器设计图如图2所示
27超声波接收器的设计
超声波接收器包括超声波接受探头信号放大电路及波形变换电路3部分超声波接收器设计图如图所示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电路的设计可采用通用电路来实现超声波在空气中传播时其能量的衰减程度与距离成正比距离越近信号越强距离越远信号越弱通常在lmv~1V之间放大电路采用单电源供电信号放大和变换采用一片通用运算放大器前三级为放大器设计后一级为比较器设计为满足交流信号的需要每一级放大器均采用电容电路进行电平偏移对交流信号而言电容为短路前三级放大电路的放大增益均为10实验中发现距离较近时两级放大的增益能输出足够强度的信号在第3级有可能出现信号饱和但距离较远时必须采用三级放大电路合理调节电位器R10选择比较基准电压使测量更加准确和稳定实验证明比较参考电压的选取非常关键它与测量灵敏度系统鲁棒性都有关联选小可提高测量灵敏度但鲁棒性下降容易出现虚假回波被捕捉的情况选大则情况相反
图25超声波接收电路图
28理论计算
图26测距的原理
如图所示为反射时间是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数我们通过测量回波时间T利用公式
其中S为被测距离V为空气中声速T为回波时间
可以计算出路程这种方法不受声波强度的影响直接耦合信号的影响也可以通过设置时间门来加以克服这样可以求出距离
本次设计是用555时基电路振荡产生40Hz的超声波信号其振荡频率计算公式如下
29影响精度的因素分析
1发射接收时间对测量精度的影响分析
采用TR40压电超声波传感器脉冲发射由单片机控制发射频率40KHz忽略脉冲电路硬件产生的延时可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的对于接收到的回波超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减其衰减遵循指数规律
设测量设备基准面距被测物距离为h则空气中传播的超声波波动方程为
由以上公式可知超声波在传播过程中存在衰减且超声波频率越高衰减越快但频率的增高有利于提高超声波的指向性
经以上分析超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大收到的回波信号可能十分微弱要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间必须对收到的信号进行足够的放大否则不正确的判断回波时间会对超声波测量
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