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1、南通纺织职业技术学院1汽车测速及倒车提示系统的分析摘要：本文主要介绍了汽车的测速及倒车系统电路原理分析。该系统采用AT89S52 单片机为控制核心，实现了转速检测及倒车测距等功能。采用光电式轮速检测的方法进行汽车的转速检测，速度可通过按键进行调整分为快中慢三档；倒车系统主要采用超声波测距的原理进行汽车尾部与障碍物间距离的测量，在倒车时会有提示音，声音的大小也是可以调节的；同时检测的速度及倒车的距离均可通过数码管进行及时的显示。关键字：AT89S52 CX20106A 光电耦合器南通纺织职业技术学院21 绪论随着人们生活水平的不断提高，汽车已经成为生活中主导的交通工具，汽车产业蓬勃发展。为保障汽
2、车驾驶时的舒适性和安全性世界各国对汽车防撞技术的研究和发展投入了大量的人力、物力和财力，据统计，危机情况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的 30%，路面相关事故的 50%，迎面撞车事故的 60%，所以现在汽车安装各类测距系统以保障行车安全。超声波测距是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。 通过测距来发现障碍物，计算简单,方便迅速,易于做到实时控制，距离准确度达到工业实用的要求。超声波测速雷达用于测
3、距上，在某一时刻发出超声波信号，在遇到被测物体后的射回信号波，被倒车雷达接收到，得用在超声波信号从发射到接收回波信号这一个时间而计算出在介质中的传播速度，这就可以计算出探头与被探测到的物体的距离。 针对我国高速公路交通安全的需要，以及国内外汽车电子技术的应用现状和发展趋势，综合汽车电子技术、通讯技术和控制技术等多学科理论，从必要性、可行性、实用性和经济性等角度出发，提出开发研制汽车测速及倒车提示系统。目的在于当行车处于高速及倒车状态时，提醒驾驶员或自动采用相应措施，从而减少或避免高速公路碰撞事故的发生。2 设计方案要求2.1 功能及技术要求（1）测速范围。测速范围分为四档：第一档速 0130c
4、m/s，第二档速 130200cm/s，第三档速 200260cm/s，第四档速 260300cm/s。（2）倒车测距范围。该模拟系统的测量范围在 23 米之间。当距离小于 20cm 时，电机自动停止，或者说在大于 20cm 时，也可以通过按键使电机停止。（3）按键功能如表 2-1 所示。南通纺织职业技术学院3表 2-1 按键功能表按键 名称K1 倒转键K2 减速键K3 加速键K4 正转键K5 复位键S1、S2 进入倒车状态（4）显示功能。该系统具备显示功能，显示内容有正常运行的转速及倒车状态时障碍物与汽车尾部的距离，其显示精度为 1cm。2.2 测速及倒车提示系统设计方案论证2.2.1 发射
5、与接收模块方案一：采用后视摄像进行倒车这种方法可以获得障碍物的直观图像，但无法测得准确的距离；虽然其可靠性高但是价格较高，得不到普遍的推广使用；这种方法还存在一些其他的缺陷，如其在夜间会受到影响，无法重现图像，使其在晚间如同虚设，不仅如此，它还会受到天气的影响，在阴雨、雾雪天气，后视摄像这种方法同样起不到效果。方案二：采用超声波倒车超声测距一般采用 40KHz 的脉冲信号。常用有 CX20106 集成芯片，使用方便简单，只需在外围电路加常见的反向驱动集成块 74LS04，使用起来效果很明显而且价格合理。超声波测距虽然没有清晰的图像，但是其可以测得准确的距离，让使用者无论是在白天还是在晚上都能明
6、确的了解到其后边的障碍物。超声测距也存在缺点，就是对车后的路坑、山崖、凸出的某些障碍物无法感应。在此设计属于模拟系统，所以采用方案二比较经济合理。2.2.2 转速检测电路模块方案一：霍尔式轮速检测霍尔轮速传感器由磁钢、霍尔元件及电平转换电路组成，霍尔轮速传感器核心为霍尔元件,霍尔元件通过齿轮的运动输出 mV 级的准正弦波电压,选用UGN3019 开关型集成霍尔元件,可实现将准正弦波电压转为标准脉冲电压。霍尔轮速传感器输出的脉冲信号频率与转速成正比关系,对脉冲信号可采用多种方法进行处理分析。开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，但是南通纺织职业技术学院4对于该模拟系统，不需要这么高精
7、度的检测。方案二：光电式轮速检测光电式轮速传感器由光源、转动圆盘、光敏元件及有关电路组成。转动圆盘被安装在转轴上,转动圆盘边缘开有等距离的孔,光源发出的光通过圆盘小孔照射到光敏元件上。当测速盘旋转切割光开关时,光敏检测元件输出一串脉冲信号,脉冲频率与转速成正比。转速 n 与脉冲频率 f 关系为:n=60*f/p(r/min),其中 p 为圆盘开孔总数。若取 p=60,则 f=n,即轮速传感器输出信号频率便是车轮每分(钟)转数。通过以上分析采用方案二实现了高精度、宽范围的测量，比较符合要求。2.2.3 控制器方案一：采用 PLC 控制PLC 控制有编程简单方便、硬件维护方便、可靠性高适用性强等优
8、点，但是它最常见的是用来控制强电，而像这种 12V 以下的弱电控制就不适宜了，而且成本高。方案二：采用单片机芯片控制该系统设计电路以 AT89S52 单片机为控制核心。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。与 AT89C51比 AT89S52 拥有 3 个定时计数器和支持在线编程,ISP 在线编程功能优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是个强大易用的功能。AT89S52 的性能可以满足电路的要求，其市场上很普遍，价格便宜。所以选择 AT89S52 为控制器的控制核心。2.2.4 显示模块方案一：采用
9、LCD液晶显示该模拟系统只需要对车速或倒车时的距离进行显示，若采用液晶显示，虽然不需要外接驱动电路，也不会占用单片机的I/O口，而且软件编写简单，节约了CPU资源，但是液晶显示增加了成本，对四位数据的显示根不需要这么浪费，所以这部分的显示，根据实际情况的需要用LCD液晶显示不合理。方案二：数码管显示采用数码管显示，需要外加驱动电路，但是简单的三极管就可以驱动，所以外加的驱动电路并不复杂。因为显示的内容简单，仅四位数字，对于I/O口的占用也不是很多，数码管价格便宜。对该显示电路来说采用数码管显示很合理。2.2.5 直流电机控制电路模块方案一：串电阻调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机
10、实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节南通纺织职业技术学院5电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以 G-M 系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。方案二：静止可控整流器。简称 V-M 系统。V-M 系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M 系统的缺点是晶闸管的单向导电性，
11、它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。方案三：脉宽调速系统。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation） ，简称 PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式
12、变换器，简称 PWM 变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。本设计采用了可逆 PWM 变换器。可逆 PWM 变换器主电路的结构式有 H 型、T 型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式 H 型变换器，它是由 4 个三极电力晶体管和 4 个续流二极管组成的桥式电路。综上所述，本设计方案如图 2.1 所示：图 2.1 测速及倒车提示原理方框图倒车检测- 超声波检测；转速检测- 光电式传感器检测；控制电路数码管显示直流电机控制提示音发生器倒车检测电路转速检测电路南通纺织职业技术学院6控制器 - AT89S52 单片机；显示模块- 数码管显示；直流电机- 脉宽调速系统
13、。3 硬件电路的设计3.1 超声波测距电路超声波测距原理简单、成本低、制作方便，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，途中碰到障碍物立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。基于单片机的超声波测距设计，是利用单片机编程产生频率为40kHz 的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。如图3.1所示：数字显示功能键单 片 机发射驱动接受处理图3.1 发射与接收原理框图3.1.1 主要芯片介绍（1）发射电路- 六反向器74LS0474
14、LS04内部集成了六个反向器（输入与输出相位相反的电子电路） ，即1A输入高电平，1Y 输出高电平同时具有放大的功能。74LS04的管脚如图3.2： AY245GND7890VCULS图3.2 74LS04的管脚图因为它的输入与输出相位相反，所以我们得到它的真值表，如表3-1所示：表3-1 74LS02的真值表Input Output南通纺织职业技术学院7A YH LL H（2）接收电路- 红外线检波接收芯片 CX20106ACX20106A 是红外遥感接收前置放大双极型集成电路，内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路（ABLC） 、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。
15、集成电路 CX20106A 是一款红外线检波接收专用芯片，考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz 与测距的超声波频率40KHz 较为接近，用其制作超声波检测接收电路。引脚排列及其功能如图3.3所示和表3-2所列。 IN1C3GD4F056OUTV8X图3.3 CX20106A 引脚图表3-2 CX20160A 引脚符号及功能引脚号 符号 功能1 IN 遥控信号输入端（此脚与地之间接红外线接收二极管）2 C1 前置放大器频率特性和增益设定（此脚与地之间接 RC 串联电路）3 C2 接检波电容4 GND 接地5 F0 设定带通滤波器的中心频率（此脚与电源之间接电阻）6 C3 外接积分电容7 OUT
16、 遥控指令输出端8 VCC 外接电源CX20106A 技术特点：低电压供电，典型值为5V。功耗低，VCC=5V 时，其典型功耗9mW。带通滤波器的中心频率可通过改变5脚和电源之间的电阻进行调节，其调节范围为3060KHZ。由于未使用电感，不受磁场干扰，所以抗干扰能力强。能与 PIN 光电二极管直接连接。集电极开路输出，能直接驱动 TTL 或 COMS 电路。8脚单列直插式塑料封装。南通纺织职业技术学院8超声波检测接收电路如图3.6所示，该电路以 CX20106A 为核心，将超声接收器输入的超波电信号进行放大、整形、输出。用 CX20106A 接收超声波（无信号时输出高电平）具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当的更改电容 C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。（3）超声波探头- T/R-40-18超声波测距常用的两种方法强度法和反射
