基于超声波的汽车防撞毕业论文

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1、 专业 专注 基于超声波的汽车防撞毕业论文基于超声波的汽车防撞毕业论文 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 1 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

2、总 结 31 致 谢 33 附录 1 35 附录 2 37 附录 3 39 专业 专注 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

3、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

4、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

5、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 1 3 超声波测距在汽车上应用的介绍 专业 专注 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 其大多数产品探测围在 0 4 1 5 m 有的产品能达到 0 35 2 5 m 并有距离显示 声响报警 区域警

6、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

7、位置上 能检测前进和倒车方向障碍物距离 通过后视 镜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

8、测距的原理一般采用渡越时间法 TOF time of flight 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

9、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

10、测法 在移动车辆中应用的超 专业 专注 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

11、防撞原理框图 根据设计要求并综合各方面因素 选择了立宇电子科技的超声波测距传感 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

12、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 0010 01 0 1 RWCR WL Qm 超声波发射器 放大电路超声波接收器 放大电路 检波电路 定时器 单片机 控制显示器 报警系统 专业 专注 1 100110 01 RRWCRR WL Qm 0000 RWCQe 1000 RRWCQe 超声

13、波换能器的工作效率为 01 1 RR R 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要垫以绝缘垫圈 会 导致结构不必要的增大 两芯片之间 芯片与金属盖板间通常以薄黄铜片 厚 度小于 0 1mm 作为焊接电极引线用 芯片 电极铜片用强力胶胶合 在压电 组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体 圆锥状谐振子的边缘部分 装有圆环弹性橡胶减振器 使之与外壳固定 起声阻匹配作用 在电 声变 换部分的前面的超声波束整形板 是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个 开口 使超声波波束指向尖锐 吸声片吸收多余反射声波 目前市面上出售的

14、超声波传感器种类有通用型 拓宽型 宽带域型 防水型和 高频型等这几类 虽然通用型超声波传感器有频率带宽较窄的缺点 但是却可 以换来高灵敏度 抗噪声干扰强的优点 超声波基本应用电路主要分为三类 1 直射型 主要用于遥控及报警电路 2 分离反射型 主要用于测距 料位测量等电路 3 反射型 主要用于材料的探伤 测厚电路 鉴于成本的考虑 选用了普通的 T R 40 系列的超声波发射 接收传感器 T R 40 系列超声波传感器典型的工作频率为 39 41 KHZ 其具体参数见表 2 1 和表 2 2 表 2 1 外形尺寸 T R 4 XX 中的 XX 表示传感器的外径尺寸 型号A mm B mm C m

15、m D mm T R 40 1212 79 56 28 5 T R 40 1616 212 29 210 0 T R 40 18A18 014 210 811 8 T R 40 24A23 814 610 211 8 专业 专注 表 2 2 电气参数 接收 灵敏 度 工作频率 KHZ 带宽 KHZ 型号声平 电压 在 40KHZ 时发送接收 电容 pF T R 40 12 112d b 最小 值 67db 39 41 KHZ 最小 5 100d b 最小 5 75db 2475 2525 T R 40 16 115d b 最小 值 64db 39 41 KHZ 最小 6 103d b 最小 6

16、 71db 2375 2425 T R 40 18A 115d b 最小 值 64db 39 41 KHZ 最小 6 103d b 最小 6 71db 2375 2425 T R 40 24A 115d b 最小 值 64db 39 41 KHZ 最小 6 100d b 最小 6 71db 2375 2425 传感器位置 由于是测距系统是采用超声波发射和接收分离反射型结构 所以发射头和接 收头应该在同一平行直线上 出于距离和发射夹角所引起的误差以及超声波信 号在传播过程中衰减问题的考虑 发射和接收探头距离不可以太远 而又为了 避免发射头对接收头接收信号产生的干扰 二者也不能间隔太近 经过参考前 人的经验以及调试时的实际情况 应保持超声波发射头和接收头中心轴线平行 并相距 4 8cm 即可 2 2 设计方案的论证 超声波探测技术主要用于中程测距 结构探伤 智能控制等领域 超声波 换能器是其核心部件 换能器按其工作介质可分为气相 液相和固相换能器 按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器 按其工作频率又可分为 38KHz 40KHz 等不同等级 本设计选用气相 窄波束 40KHz 的超声