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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应用
2、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。名师资料总结
3、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计1 1. 智能刹车系统总体设计方案1.1 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
4、。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：图 1 系统设计流程图1.2 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单AT89S51 A LCD显示部分模拟制动
5、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AT89S51 B 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计2 片机 A提供 12MHz 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
6、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PC
7、B 图如图 3 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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. 系统硬件设计2.1 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
8、， 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 电源电路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计4 2.2 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
9、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，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。
10、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， 将名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -
11、 - - - - 第 5 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计5 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
12、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
13、。目前超声波测量名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计6 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射出去。超声波发射电路由单片机通过连接 J1 口
14、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。集成运放和电阻R6 ，R4一起组成同相比例放大器，为了使电路能
15、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+R6 R4和0=1R3C4(1 R16+1 R12)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 的电压进行比较， 将比较的结果名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第
16、7 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计7 再给单片机。超声波接收电路图如图11 所示：图 11 超声波接收电路图2.3 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 14 页 - - - - - -
17、- - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计8 555 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
18、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2.4 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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
19、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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3.1 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
20、送程序、测速子程序等几个主要部分。3.2 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，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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物的距离是否同时达到制动的条件而决定是否发射制动信号。主程序流程图如图15 所示：图 15 主程序流程图3.
21、3 车速测量设计流程车速测量有磁感应式、光电式、 霍尔式等方式测量。本系统采用光电式测量，由于其响应速度快的特定而被广泛采用。由于单片机接收到到的是脉冲信号，故在软件方面需要考虑的是通过测量脉冲而达到测转速的目的。程序的思想是由定时器0 定时1s，定时器 0 在这 1s 内对外部脉冲计数。比如定时器一的值测得为500.由于转动一圈要产生 4 个下降沿，那么角速度就为250 rad/s 。本软件部分仅是通过数脉冲个数，而并不进行数据处理。显示器上显示的即为在定时器定时的时间内，测得的脉冲数而达到测速的目的。车速测量流程图如图16 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -
22、 - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计11 图 16 车速测量流程图3.4 超声波车距测量设计流程超声波属于频率大于10Kz的机械波。常温下，在空气中的传播速度为340m/s。受温度的影响较大。本系统为了计算的方便，采用的是以常温下的传播速度为准。测量的距离即为速度乘以测得的时间，再将结果除以2。本程序的设计思想是由单片机给一个信号开始发送，并在开始发送的同时启动定时器 0。并延时一定的时间，再开中断时能，以免超声波直接发送给接收器，影
23、响测量的准确性。由外部中断触发定时器停止。这样定时器所记得时间也就是超声波从发送到接收所经过的时间。再通过以上给出的距离算法得出测量的距离。超声波车距测量流程图如图 17 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计12 图 17 超声波车距测量流程图3.5 液晶显示设计流程本系统的显示采用的是16*2 的液晶显示器 LCD1602 。 与一般的显示方法并没有什么区别。为了程序
24、的可读性，省略了判断忙信号的过程。经过实验，也还是能够达到很好的效果。液晶显示流程图如图18所示：图 18 液晶显示流程图4设计总结本次汽车智能刹车系统采用AT89C51 作为主控芯片，可以实现温度补偿的实时超声波测距，并将所测试距离在LED 上显示出来。实验证明了本系统的可行性与可靠性。超声波测距系统应用于汽车安全行驶装置中，驾驶员可以从LED 显示屏上一目了然知道于前车的距离，它给驾驶员带来了很大的方便，具有很高的利用价值。为了防止传感器的发射脉冲过后的漫射波，中断在发射后0.1s 后打开。因此，此系统最小探测距离为2cm 左右。即 2cm内是系统的高盲区。该系统理论最大探测距离为10m
25、，且误差可在 2cm 之内。通过本次设计，对超声波工作原理、脉冲信号处理、LCD 液晶显示、时钟的控制有了更深入的认识， 也让自己认识到自己目前所学到的知识面太狭小，今后在学习工作中需要花更多的时间去补充完善这些知识。同时也体会到理论与实践的重要性，通过实际动手制作能更深入地了解一些模块电路和芯片的功能，尤其是在检查电路时， 通过认真仔细分析电路，让我能更深的细致的了解。撰写论文时，也让自己认识到做每件事时都需要规范、严谨的态度；更加明白的是理论与实际相结合的重要性； 最重要的是做每件事情都要良好的专业知识和心理素质、不折不饶的毅力以及恒心才能做好每件事！相信自己学到的不只是专业方面的知识，更
26、有做人名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 14 页 - - - - - - - - - 四川师范大学成都学院电子工程系课程设计13 做事的真理！这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题， 最后在老师的辛勤指导和同学的帮助下，终于迎刃而解。在此，对给过我们帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心感谢！同时，小组合作让我们学会了团结互助的合作精神。5. 参考文献1 戴日章：基于 AT89C51单片机的超声波测距系统，电子时代杂志，2005.1 2 董敏
27、学：汽车倒车碰撞防止系统设计，上海汽车杂志，2009.11 3 董子和：超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统，汽车电器， 2007.12 4 李丽霞：单片机在超声波测距中的应用，电子技术杂志，2008.6 5 黄建兵：超声波精确测距的研究，南京理工大学硕士学位论文，2008.9 6 陈莹： 基于单片机的超声波测距系统，华中科技大学硕士学位论文，2004.6 7 谢维成：单片机原理与应用及C51程序设计，清华大学出版社，2005.4 8 沈红卫：基于单片机的智能系统设计与实现，电子工业出版社，2009.6 9 朱月秀：单片机原理与应用 ，北京科学出版社，2007.8 10 雷辉： 基于 AT89C2051的智能倒车雷达器设计 ，电气时代杂志， 2005.7 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 14 页 - - - - - - - - -