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1、四川师范大学成都学院电子工程系课程设计0前言前言随着科技的迅速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。随着人们队汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，队汽车行驶的安全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，应用于汽车停车前后左右等状况。本课题就是本着这个宗旨出发，我们为将自己所学知识
2、应用于实践，本次所做的课程设计就是一个基于 AT89S51 单片机的智能刹车系统的一个电子产品,讲述了电路各部分的设计原理及所能实现的功能 。该系统将微型计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等相结合，可检测汽车与障碍物和汽车的距离。利用超声波及集成霍尔元件实现对汽车的测距和测速，由单片机把测量的结果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。智能刹车系统市面上的产品还很少，对于自己设计的这个电子产品也自知有许多的不足，但能首次设计自己的产品，并能在实现相同功能的基础上节约成本也是非常有意义的，还有助于提高自己的动手能力，丰富课余生活。四川师
3、范大学成都学院电子工程系课程设计11.1.智能刹车系统总体设计方案智能刹车系统总体设计方案1.11.1 系统整体方案设计系统整体方案设计由于超声波定向性强，能量消耗慢，在介质中传播的距离远，因而超声波经常被适用于距离的测量。利用超声波侧距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在精度方面也能达到要求。超声波可分为两大类：一类是电气方式产生的超声波，一类是机械方式产生的超声波。电气方式包括电压型，电动型等等；机械方式有夜哨，气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性不同，因而用途也不相同。本系统主要由超声波测距系统、车速测量系统和模拟制动系统组成。超声波测距系统实现在车辆运行时测量与与
4、前方障碍物距离的功能。车速测量系统主要完成测量本车速度的功能。当车速达到设定值时，且超声波检测的距离小于设定值时，制动系统作出相应的反映，立即制动减速。系统设计流程图如图 1 所示：AT89S51ALCD 显示部分模拟制动模块车速检测模块超声波接收超声波发射时钟电路复位电路AT89S51B图 1 系统设计流程图1.21.2 系统总电路图和其工作原理系统总电路图和其工作原理整个系统以 AT89S51 单片机为核心，汽车一旦启动，单片机上电开始进入工作状态，通过不断检测车速和障碍物距离来判定是否制动的要求。时钟电路为 AT89S51四川师范大学成都学院电子工程系课程设计2单片机 A 提供 12MH
5、z 的时钟频率，复位电路选取手动复位的方式。超声波发射电路通过 NET 555 调制成 40KHz 的脉冲信号，并将其调制成 12V 的脉冲信号通过超声波探头发射出去，若前方有车辆等障碍物，超声波信号反射到超声波接收探头。超声波接收电路将接收探头接收到的信号进行放大、滤波、选频后再与大约 1V 的电压通过比较器进行比较后输出，产生 0 或 5V 的电压可直接给单片机进行处理。车速由另一块 AT89S51 单片机 B 测得并通过异步串口发送给 AT89S51 单片机 A，单片机 A 将测得的两个信号（障碍物距离和车速）与设定值做比较，若障碍物距离小于设定值且车速超过设定值，单片机 A 发送一个制
6、动信号给制动模块。显示部分通过液晶显示器 LCD1602 始终显示测得的车速和障碍物距离。执行部分通过将 AT89S51 单片机 A发出的信号来控制一个继电器模拟制动。系统电路图如图 2 所示：图 2 系统电路图电路图转化为 PCB 后，各个模块用飞线进行连接，系统 PCB 图如图 3 所示：四川师范大学成都学院电子工程系课程设计3图 3 系统 PCB 图2.2.系统硬件设计系统硬件设计2.12.1 电源电路电源电路本系统电源直接采用 12V 车载电源供电。汽车启动后，车载电源 12V 电压由 J1口输入经稳压管稳压、电容滤波后，滤去不稳定的脉动、干扰部分，提供一个稳定的 5V 直流电压。通过
7、 LED1 能够观察到 5V 电压是否稳定正常。固定式三端稳压电源（L7805）由输出脚 Vo，输入脚 Vi 和接地脚 GND 组成，它的稳压值为+5V，它属于CW78xx 系列的稳压器，输入端接电容可以滤波，输出端接电容可改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性比较好。电源电路图如图 5 所示：图 5 电源电路图四川师范大学成都学院电子工程系课程设计42.22.2 超声波测距模块超声波测距模块超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。它有两种形式：横向振荡及纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度各有差异。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中会发生衰减。在空气中传播的超声波
8、，其频率较低，一般为几十 KHz，而在固体、液体中则频率较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较慢，传播较远。为了以超声波作为检测手段，必须设法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。常用的超声波传感器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器；二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。压电式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，将电能转换成超声波发射出去；而在
9、收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波发生器内部结构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。超声波发生器内部结构图如图 8 所示：图 8 超声波发生器内部结构图如果两电极未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，四川师范大学成都学院电子工程系课程设计5将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器。超声波接收器内部结构图如图 9 所示：图 9 超声波接收器内部结构图超声波测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射
10、特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感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。常温下超声波在空气中传播速度为 C=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的距离（S） ，即：S=C*t/2=C*t0 ，t0 为渡越时间。可以看出主要部分有： 供应电能的脉冲发生器（发射电路） ； 使接收和发射隔离的开关部分； 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器； 接收放大器，可使微弱的回波放大到一定幅度，并使回波激发记录设
11、备； 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要的数据，并将时间间隔转换成距离。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界杂音干扰太多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。目前超声波四川师范大学成都学院电子工程系课程设计6测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方法。在本系统中所采用的超声波发射电路通过 NET555 产生 40KHz 的方波脉冲信号，再经 74LS04 的缓冲传输至 LM124 比较器调制成高电平为+12V、低电平为-12V 的脉冲信号，传输至超声波发射探头以超声波的形式发
12、射出去。超声波发射电路由单片机通过连接 J1 口直接控制。当单片机给 J1 口低电平时，启动发射电路产生连续不断的超声波信号。超声波发射电路图如图 10 所示：图 10 超声波发射电路图超声波接收电路的原理是：前置放大电路是由集成运放组成的自举式同相交流放大电路，具有很高的输入阻抗，C1，C2，C2 为隔直电容，R2，R9，R13 为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。带通滤波器采用二阶 RC 有源滤波器，用于消除超声波传播过程中受到的干扰信号的影响。该电路为二阶压控电压源带通滤波电路，图中 R16，C5 组成低通滤波网络，C4 和 R3 组成高通滤波网络，两者串联组成了带通滤波电路。集成运
13、放和电阻 R6，R4 一起组成同相比例放大器，为了使电路能够稳定工作，必须保证同相比例放大器的增益 AV3，带通滤波器的中心频率 0=40kHz，电路参数可通过 AV=1+R6R4 和 0=1R3C4(1R16+1R12)确定。经过带通滤波后的信号经专用仪表放大器 AD620 进行放大，然后送到信号变换电路，信号变换电路主要将接收到的包络信号变换成单片机的中断触发信号。由包络检波电路，电压比较器组成。包络检波电路由电阻 R5，和电容 C6 组成，再与大约 1v 的电压进行比四川师范大学成都学院电子工程系课程设计7较，将比较的结果再给单片机。超声波接收电路图如图 11 所示：图 11 超声波接收
14、电路图2.32.3 测速模块测速模块车速里程的计算是通过安装在车轮上的光电传感器检测到的信号。在该系统中用脉冲发生器进行模拟,送到单片机，经处理计算,送给显示单元的。脉冲发生源硬件结构图如图 12 所示：图 12 脉冲发生源硬件结构图四川师范大学成都学院电子工程系课程设计8555 电路来产生一个脉冲来模拟光电传感器输出的里程脉冲，选择 P3.5 口作为信号的输入端，内部采用外部中断 0，555 脉冲产生电路输出一个脉冲信号直接加到 IO口 P3.5 上(产生的频率 F=1/T=1.414/(R1+2R2)C1)，由单片机的内部算法对脉冲计数，通过计算将脉冲增加体现在车速和里程上。当遮光转子挡住
15、光电二极管时，使 Q1 基极拉高而导通，单片机接收到低电平信号；当遮光转子孔正对光电二极管时，光电二极管接收到发光二极管发出的光而导通，使得 Q1 的基极被拉低，单片机接收到高电平信号。遮光转子不断旋转，导致光电二极管交替的导通截止，从而使单片机接收到交替变化的脉冲信号。测速电路图如图 13 所示：图 12 测速电路图2.42.4 模拟制动模块模拟制动模块模拟制动模块原理：当单片机对测得的车速和障碍物距离进行判定，达到制动条件时，单片机输出低电平信号给 J20，使 Q2 的基极拉低而导通，从而使继电器导通，吸合连接制动电路的开关，使其制动。之所以采用继电器控制制动电路的开关，原因在于单片机输出
16、的电流较低，大约为几十毫安，而制动电路工作电流几百毫安，不能直接进行控制。采用继电器达到低电流控制高电流，较安全。D3 起到消除继电器自感电流的作用，保护 Q2 不被损坏。模拟制动电路图如图 14 所示：四川师范大学成都学院电子工程系课程设计9图 14 模拟制动电路图3.系统软件设计流程3.13.1 系统软件结构系统软件结构在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。系统软件需要实现信号控制、数据存储、信号处理及数据传输与现实。本设计以单片机 AT89S51 作为 CPU，整个系统软件设计均采用 C 语言实现。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、定时器中断服务程序、液晶显示子程序、异步串行发送程序、测速子程序等几个主要部分。3.23.2 主程序设计流程主程序设计流程主程序是单片机程序的主体，整个单片机系统软件的功能实现都是在其中完成的，四川师范大学成都学院电子工程系课程设计10在此过程中主程序调用子程序及中断服务程序。每次对测速和测距的数据保存结束之后都会判断在车速和前方障碍
