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1、黄河科技学院毕业设计说明书 第IV页汽车智能测距防撞系统设计摘 要汽车智能防撞系统具有有效地提高汽车驾乘人员的安全性、显著地减轻驾驶者的工作负担，使驾车既安全又不易疲劳等诸多优点而受到越来越广泛的重视。本次设计设计了一种以单片机AT89C51和CX20106为核心低成本、微型化，并有数字显示和报警功能的汽车智能测距防撞系统。首先，本文概述了超声波和超声波传感器的基本原理和特点。其次，本文分析了系统组成电路的基本工作原理。最后，本文对系统控制软件进行了设计，给出了控制程序。在附录中，本文还将给出一些设计的程序和电路图，供参考之用。关键词：汽车，安全性，测距技术，防撞，超声波The Design
2、Of Automotive IntelligentRangingcollision avoidance systemAbstractAuthot：zhaoleiTutor：dongxuefengAutomotive radar to improve the safety of vehicle occupants, and significantly reduce the workload of the drivers driving safe and easy fatigue the many advantages of being more and more attention. In th
3、is paper I design a kind of Automotive IntelligentRangingcollision avoidance system which is use microcontroller AT89C51 and CX20106 as core.This design not only lowcost and miniaturization,but also can display numbers and have the function of alarm.At first, I will introduce the basic principle and
4、 characteristics of ultrasonic and ultrasonic sensors. The second, I will describe the principle of core components in this system. At last, I will talk about the program design. At the supplement, I will write some thing like program and circuit diagram.It be helpful for future design. Key words：Ca
5、rs, safety, distance measuring technology, anti-collision radar目 录1 绪 论11.1 汽车防撞研究的背景及意义11.2 汽车防撞系统的应用21.3 汽车防撞系统的基本功能21.4 汽车智能测距防撞的发展前景31.4.1 技术支持31.4.2 发展方向32 超声波测距技术52.1 概述52.2 测距传感器的分类52.2.1红外和光电传感器52.2.2 超声波测距传感器52.3 超声波测距工作原理73 系统方案设计103.1 设计总体思路概况103.1.1 方案对比103.1.2 系统的特点103.2 系统工作过程113.3系统方框
6、图114 硬件电路设计134.1 超声波传感器的发射电路134.2 超声波传感器的接收电路144.3 温度补偿电路154.4 显示电路164.5 报警电路175 系统软件设计18总 结19致 谢20参考文献21附录1：汽车防撞系统原理图23附录2: 程序清单24黄河科技学院毕业设计说明书 第31页1 绪 论曾几何时，汽车对很多家庭来说是不敢想象的。但随着社会生产力的发展和经济水平的大幅度提高，让百姓的收入日益鼓胀，解决了温饱问题的家庭开始走向小康，表现得最明显的是交通工具的升级换代上：一些家庭开始购买汽车作为自己的代步工具。近几年我国汽车保有量逐年增加，2009年的保有量为6300万辆，201
7、0年达到7400多万辆。按保守估计，未来国内汽车保有量能够达到4.9亿辆左右，即大约350辆/千人。对于汽车数量的大副度攀升，尽管国家在公路设施上不断地改进，但道路上的车辆仍然还是越来越多，尤其在上下班时段完全避免不了公路上汽车拥挤的现状。再加上在汽车设计上车速的不断提高，虽然公路上各路段都有限速，但撞车事件仍然在广大人民的生活中屡屡发生，给人们带来了巨大的人身伤亡和社会财产的损失。针对汽车拥挤的现状，设计一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统对当今现状是势在必行的。汽车防撞系统是一种向司机的报警装置，此防撞报警系统能将在汽车行驶和倒车过程中自动检测障碍物，然后通过超声波测距原理测
8、出汽车与障碍物之间的距离，并将距离显示出来，当汽车与障碍物之间的距离达到极限时。系统发出声光报警，达到提醒司机防止撞车的目的。1.1 汽车防撞研究的背景及意义随着社会经济发展的不断进步，汽车的数量逐年增加，汽车拥挤的现状不可避免，而在汽车拥挤的情况下，恶性事故屡屡发生，时刻威胁着人们的安全。我国交通事故的年死亡人数远高于他国，分别是美国的2.3倍、德国的18.4倍、日本的13.4倍。当现代家庭充分的享受汽车带来方便的同时，也为此付出了沉重的代价。据统计，我国自2010年至2010年，已有150多万人死于道路交通事故，其中大部分的道路交通事故为汽车追尾碰撞事故。面对当今这种现状，设计出一种反应快
9、，稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统势在必行1。防撞预警自动测量的技术应运而生，尤其非接触式测量技术发展卓越。在大多情况下，测量与障碍物之间的距离是不能够接触到障碍物的，在这种时候就会用到非接触式测量设备。在物理学中人们发现了电子学技术产生的超声波后，从此超声波技术在测量领域得到了广泛的运用，尤其是在超声波测距方面，结合了其他技术，用超声波测距变得十分常用。超声波在介质中传播的距离较远，分辨力较高，且能量消耗小，利用超声波测距比较方便而且速度快计算简单，容易做到实时控制，并且测量精度好，都能够达到工业测量的需要。因此超声测距广泛应用于当今生活中，特别是应用于超声波测距方面。超声波测距利用的
10、是声波反射原理，声波在空气中传播避免了与介质接触。与其它测距方式相比，超声波测距不受颜色、光线和电、磁场的影响，使他受到干扰的可能大幅度减少。它还具有可靠性能高、结构简单、价格便宜、安装方便等优点。也能够测量处于黑暗、烟雾、有灰尘、电磁干扰等恶劣环境中的障碍物。但由于超声波传播时温度对声速影响比较大，使超声测距的精确度到了影响，在这里可以采用温度补偿进行校正，能够消除温度对其的影响。1.2 汽车防撞系统的应用60年代人们开始考虑把主要用于军事领域的雷达技术应用到商用车辆交通工具上，以提高汽车驾乘人员的安全性。经过多年的研究，这一构想成为现实，雷达传感器被认为是很值得采用的汽车安全控制装置。与其
11、它技术如红外、激光、视频等在汽车传感器上的应用相比，雷达技术的全天候和穿透黑暗的能力，特别适用于汽车领域。经济实用的汽车雷达除了能有效地提高汽车驾乘人员的安全性，还能显著地减轻驾驶者的工作负担，使驾驶既安全又不易疲劳。1.3 汽车防撞系统的基本功能（1）近距离辅助测障一种最简单的汽车防撞应用，主要用于汽车倒车时探测车后的障碍物，使驾驶者有清晰的路程。（2）碰撞告警探测汽车前向或侧向的障碍物，检测到构成碰撞危险的目标后，通过声光报警装置向驾驶者发出警告，使其尽快采取避碰措施，以保证行车安全。（3）行车间距自功控制根据交通状况和路面条件，输入距离信息，自动调整车速，与前面的汽车保持安全距离，从而使
12、交通更畅通，节省能源。（4）防撞自动制动汽车防撞系统的扩展应用，在紧急情况下自动刹车。1.4 汽车智能测距防撞的发展前景电子技术在汽车上的应用已成为汽车向智能化控制方向发展的重要手段。因而，提高汽车行驶安全性的电子产品的消费市场也将随之扩大，这对于汽车智能测距防撞的发展是极具经济前景的。1.4.1 技术支持近些年来，科学技术的进步，使电子元器件性能大幅度提高，而价格却不断下降，尤其是硅芯片的大规模集成、超级计算机的出现以及毫米波技术、雷达技术的新进展，为今后开发低成本的汽车雷达提供了技术保障。1.4.2 发展方向汽车防撞系统的发展方向因各国研制的侧重点不同而有所差异。目前，美国主要侧重于碰撞报
13、警/防撞系统，而欧洲各国则注重于自适应智能行驶系统的雷达传感器的研究。对于前者，提高雷达地形图处理能力，消除虚警是技术关键。对于后者这种行车间距自动控制系统，其角度分辨率还不高，要继续改进天线的性能，提高角分辨率，研究准光学波束控制方法，下一代系统在测定距离和接近速度的同时还具有方位角度测量能力，可以在不对前视角约为12度的范围内进行波束转换的情况下，提供多目标的瞬时方位角度数据；此外，增加其功能度，向具有探测静目标能力的更复杂的系统方向发展，增加报警功能，最后向着免除撞车系统发展。总之，汽车测距防撞系统是朝着智能化、价格低廉的方向发展。在商用车辆上采用的集成电路系统中，汽车测距防撞系统与目标
14、导向交通控制系统、通信系统及汽车的其它机械和电子系统相配合，在有碰撞危险时自动发出警告和自动刹车，在前方无障碍时自动加速。除了解决汽车安全行驶的问题，还能在同样路宽的情况下，允许较多的车辆运行，增加交通密度。随着性能的不断完善和功能的扩展，汽车测距防撞系统在未来智能化汽车上的应用会更加广泛12。2 超声波测距技术2.1 概述在车辆测距防撞系统中，需要及时采集环境信息，以实现避障、定位、导航等任务，这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器来完成。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在车辆测距防撞系统中得到实际应用。由于探测传感器为集多种学科一身的产品，有些方面还在探索之中，随着探测传感器的进一步
15、完善，车辆测距防撞系统的功能将越来越强，将在更多的领域为人们做出更大贡献。在车辆测距防撞系统的研究中，环境信息的采集是研究的关键问题之一。距离测量为车辆测距防撞系统提供了周围环境的二维和三维信息，是车辆测距防撞系统中不可缺少的组成部分。车辆测距防撞系统可以根据这些距离信息进行实时避障、导航和执行特定任务。通常，对获取这类环境的传感器有两方面的要求：一方面，需要有足够大的视场来覆盖整个工作区；另一方面，需要有较高的采集速率以保证在运动的环境中提供实时的信息2。2.2 测距传感器的分类2.2.1红外和光电传感器这类测距传感器是依靠红外线或其他不可见光的直线传播特性。通过光敏元件来发射和接收信号，从
16、而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度极快，通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类传感器也主要用于状态的判断（障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等）而无法实现对距离的实时测量。2.2.2 超声波测距传感器超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波测距即是利用其反射特性。关于超声波测距，成本低廉，性能可靠，使得本技术更易于推广应用。超声波传感器是将两个压电元件（或一个压电元件和一片金属片）粘合在一起，称为双压电晶片（由一个压电元件构成的称单压电晶片）。超声波射在压电晶片上，使压电晶片振动会产生电压信号。反
17、之，在压电晶片加上电压会产生超声波。由压电元件构成的超声波传感器的等效电路如图2.1所示。图（a）为超声波传感器可等效为一个电感、电容和电阻串联的（共振）电路。图（b）为其电抗特性，其左侧和右侧呈现电容性，中间部分呈现电感性。利用这一特性构成了超声波传感器特有的电路。超声波传感器有两个共振频率，低频的共振频率fT叫串联共振频率，在电阻（R），电感（L）和电容（C1）的串联电路中振荡。这时的传感器阻抗最低；而在高频处的共振频率fa为逆共振频率，在L、C1和C0的并联电路中产生共振。（a）等效电路 （b）电抗特性图 2.1超声波传感器等效电路和电抗特性发射超声波在串联共振频率上具有最高灵敏度。超声
18、波传感器有两个共振频率，发射超声波传感器的灵敏度在串联共振频率fT上最高。接收超声波传感器在逆共振频率fa上具有最高灵敏度。接收检测超声波传感器AT89C2051的标称为40kHz，与前者相反，在逆共振频率上接收灵敏度最高。超声波传感器可以分为如下几种类型：（1）通用型：超声波传感器频带宽一般可达数千赫，并有对频率的选择性。通用型超声波传感器频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。在多通道，且通道间频率较近的应用中最好采用窄频带型的超声波传感器。通用型超声波传感器一般分别备有接收传感器和发送传感器。因最大接收灵敏度和最大发送灵敏度的频率分别为fT和fa，若用一个传感器必然牺牲其一。（2）宽频带型：宽频
19、带超声波传感器能在工作频率内有两个共振点，因而加宽了频带。该传感器兼作发送和接收传感器。（3）封闭型：适用于室外环境的封闭型超声波传感器有较好的耐风雨性能，可用于汽车后面的检测等装置上。（4）高频型这种超声波传感器的中心频率高达200kHz，既可作接收也可作发送用，而且方向性相当强，可进行高分辨率的测量5。由于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有相当的衰减，衰减程度与频率的高低成正比；而频率高则分辨率也高，故在短距离（小于1m）测量时应选择频率高（100KHz以上）的传感器，而长距离测量时要选择低频率的传感器。本课题研究采用西安立宇电子科技有
20、限公司的超声波测距传感器普通型，T发射型，R为接收型。它的标称频率为40kHz，分辨率为1cm，即在串联共振频率fT（40kHz）上发射灵敏度最高。超声波传感器具有如下特性：（1）在自身特性谐振点40kHz附近可获得较高的灵敏度；（2）谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；（3）不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰设计；（4）超声系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。因此，本次设计的汽车测距防撞系统中采用了超声波测距技术，利用超声波来实时测量车辆与障碍物之间的距离，当该距离达到设定的报警距离时，报警器发出报警，提醒驾驶员正确操纵测量，以实现车辆的安全避障。它的测量
21、原理是基于测量渡越时间（发射脉冲和接收脉冲的时间间隔）。由渡越时间和介质中的声速即可求得目标与传感器的距离11。2.3 超声波测距工作原理通常，人们的耳朵能够听到的声波频率范围是由2KHz到20KHz。通常把20KHz以上的声波叫做超声波（Ultrasonic Waves）。超声波具有波长较短，绕射小，能够成为射线而定向传播。超声波的频率越高，就越与光波的某些特性（如反射、折射）相似。超声波的这些特性使其在检测技术中获得广泛的应用3。由于声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波的形式也不同，通常有以下的种类：纵波（Longitudinal wave，L波），质点的振动方向与波的传播方
22、向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播；横波（Shear wave，S波）质点振动方向垂直于振动方向的波，它只能在固体中传播。表面波（Surface wave，Raleigh波）质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。由以上分类可以看出，只有纵波可以在气体中传播。所以，目前在空气中的超声波测量系统大多数依靠纵波实现。从低频到高频依次为次声波、声波、超声波和特超声波，而实际测量用的超声波主要集中在频率为21042106Hz的范围内。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频主要集中于固体介质的测量。这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频率的
23、升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。而在固体介质中，测量的量程比较短（例如超声波探伤，测工件厚度）。在液体和气体中，测量的量程比较长（例如空气中的超声波测距，海洋中测深度），因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低10。超声波测距是通过不断的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，则超声波发生器与障碍物之间的距离S为：S=CT/2 （2.3.1）式中，C为超声波波速，由于超声波也是声波，故C即为音速。音速为 （2.3.2）式中，气体的绝热体积系数（空气为1.4）；p气体的气压（海平面为1.013Pa）；0气体密度（空气为1.29kg/
24、）。对于1mol空气，质量为m，体积为V，则密度0=m/V，故C=p/0=pV/m （2.3.3）对于理想的气体，有pV=RT式中，R为摩尔气体常熟；T为绝对温度。因此，C=RT/m由于、R、m均为已知常数，故声速C仅与温度T有关，若温度不变，则声音在空气中速率与压强无关。表2.1中列出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时间，即可求得距离。表2.1 超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-100102030100声速（ms）31331932532333834434
25、9386通常的超声波测距是由超声波发射传感器发出的超声波，超声波在介质中传播到被测物体，产生反射，由接收传感器接收反射波，传感器到被测物体的距离有超声波的传播时间和速度确定。假定声速c在同一介质中为常数。如果介质的物理参数发生变化，声速会发生变化，在精确测距中是不可忽略的，为此要对声速进行补偿，补偿公式如下: （2.3.4）式中：C为超声波在空气中的传播速度，为气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R为气体普氏常量，T为绝对温度，T=273K+TC（实际温度）。代入以上各个参数取值，得到近似公式为:C=+0.607 （2.3.5）式中，CO为零度时的声速323m/s。只要测得超声波发
26、射和接收回波的时间差T以及现场环境温度TC，就可以精确计算出从发射点到障碍物之间的距离。距离的精确获得，关键在于超声波的传播时间的测量。由于传感器接收到的回波幅度很小，需要进行放大。系统的频率响应取决于传感器的固定频率，其近似为带通滤波器，电子带通滤波器用于消除传感器通带以外的电子噪声，其理想的带宽应等于传感器的带宽，但实际上取略大一些。包络检测提取希望的信号，经阀值比较器得到的初始信号和回波信号上升沿，在经过脉宽转换电路变成时间的脉宽信号，送计数器计数，由计算机CPU来读取。3 系统方案设计汽车防撞预警系统是指在汽车行驶过程中防止汽车发生碰撞障碍物的一种智能报警装置。它能自动发现可能与汽车发
27、生碰撞的障碍物体，并且同时检测汽车与障碍物之间的距离，到达极限距离时发出报警信号以避免碰撞的发生。根据题目要求，汽车防撞报警器的功能主要有两个：判断汽车与障碍物之间的距离和当汽车与障碍物之间的距离到达临界距离时发出报警信号。3.1 设计总体思路概况汽车防撞预警系统的原理是利用超声波的发射和接收，用计时器计出超声波从发射到接收到遇到障碍物后反射声波的时间通过公式计算出汽车与障碍物之间的距离。3.1.1 方案对比目前，超声波信号采集系统主要有以下几种方案：（1）由一对超声波传感器和一些电子元器件组成的，这种系统功能单一，只用来探测物体存在与否，不能满足障碍物判别系统的要求。（2）由单片机控制超声波
28、传感器的测距系统。该系统简单、方便，实现起来容易。（3）用计算机或可编程控制器（PLC）通过数据采集卡控制多个传感器的方式，这种方式多用于工业生产中。因此，本设计采取单片机控制超声波传感器的测距系统。3.1.2 系统的特点本系统有如下特点：（1）采用AT89C51来控制超声波传感器可靠性高，抗干扰能力强；控制程序可变，具有很好的柔性；编程简单，使用方便。（2）系统小型化本系统是一个小型的分布式数据采集与控制系统。在其电路设计中，尽量考虑使用新型及功能较强的集成电路，尽量简化电路。（3）低功耗，高可靠性。3.2 系统工作过程系统检测距离的原理是通过单片机发出40kHz的方波串后，检测接收端是否接
29、收遇障碍物反射的回波，同时利用单片机计算出收到回波所用的时间t和确定超声波所处温度下空气传播的速度，障碍物到汽车尾部距离为vt/2，根据测出来的相应距离，通过CPU计算后判断作出报警响应等相应的控制。为了能够实现准确地测出障碍物到汽车的距离，尽量减少误差，采取算法为：两对超声波收发传感器分别安装在车头，两者相隔1.6m，如图3.1所示，A，B分别代表两对超声波收发器，AB=1.6m，假设F代表障碍物，声波的传播速度为v，B到F所用时间为t1，A到F所用时间为t2，由于声波传播是来回反射的，则BF=vt1/2，AF=vt2/2，也就是只要把时间t1与t2确定下来就可以计算出BF与AF，然后利用海
30、伦公式，设 L=（AF+BF+AB）2 （3.3.1） 有 （3.3.2）这就可以求出ABC的面积为S，EF=2SAB，其中EF就是汽车头到障碍物的距离9。EAFB图3.1测距算法3.3系统方框图汽车防撞控制系统方框图如图3.2所示。该系统全部由单片机AT89C51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人单片机进行处理。算出车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。超声波接收超声波发射温度传感器单 片 机 控 制显示距离报警器图3.2 超声波测距报警系统图4 硬件电路设计此系统是在单片机的控制下，利用超
31、声波测距原理，测量汽车在倒车过程中与障碍物之间的距离。当汽车与障碍物的距离小于安全距离时，发出蜂鸣声并显示车辆与障碍物之间的距离，提醒驾驶员及时采取减速或刹车等措施，以防发生事故。整个系统的硬件由发送部分、接收处理部分、温度检测部分、显示及声光报警部分组成。4.1 超声波传感器的发射电路超声波发射器包括两个部分：超声波产生电路部分和超声波发射控制电路部分。超声波探头采用TCT40。单片机P1.0端口输出40KHz的超声波信号，此时定时器开始计时。通过输出引脚输入，经驱动后推动发射探头产生超声波，此方法充分利用了软件控制，灵活性好。超声波发射电路设计图如图4.1所示。图4.1 超声波发射装置设计
32、图超声波的发射电路主要由反相器74LS04和发射换能器构成。AT89C51单片机P1.0口输出的40kHz的方波信号分成2路，一路经反向器后加到TCT40-16的一个电极，另一路通过两级反向器后加到TCT40的另一个电极，采用这种方式将P1.0发出的方波信号加到TCT40的两端上，这样能够增强超声波的发射强度。在加载反波信号时使用两个74LS04并联，可以提高驱动能力。而电阻R11、R12可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短了震荡时间，还可以提高换能器输出高电平的驱动能力。4.2 超声波传感器的接收电路超声波接收器包括接收发射探头、信号放大电路和波形变换电路三个部分。超声波探头采用RCT40。
33、按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。接收装置的设计可用CX20106A来完成。在空气中传播超声波的其能量的衰减与距离是成正比的，距离越小、衰减越少，距离越大、衰减越多，通常都在1V之内。图4.2 超声波接收电路图超声波的接收装置如图4.2所示。超声波的接收采用CX20106A集成电路模块实现。CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。其中，电平自动控制电路ABLC可以保证在输入弱信号时，前置放大器有较高增益，而在输入强信号时，前置放大器不会过载，使得CX20106在一定遥控距离（约10m）内工作可靠。本设计中，CX20106芯片的5脚连接
34、了一个外接电阻R21，该电阻可以调节滤波器的中心频率。R21的阻值越大，滤波器的中心频率就越低，变化范围在3060kHz之间。CX20106对接收到的信号具有放大、滤波的作用。当接收到的超声波信号经由放大器，调整信号的频率，然后滤波消除干扰信号，最后再经过整形，由CX20106的7脚输出。当接收到的声波信号与CX20106的中心频率相符时，它的7脚就会低电平输出，而7脚接到INT0引脚上，这样就会中断。若频率和CX20106的中心频率不同时，即可调节R21，使滤波器的中心频率与超声波测距的频率相符。CX20106有8个引脚管脚1是超声波信号输入端；管脚2的电阻和电容决定接收换能器的总增益，通过
35、增大或者减小电阻电容，确定放大倍数。管脚3与GND之间连接的电容起到检波作用；管脚5上的连接一个电阻，这个电阻用来设置滤波器的中心频率；管脚6与GND之间接入一个电容，该电容确定探测距离；管脚7是集电极开路输出端：管脚8接电源正极。4.3 温度补偿电路为了方便对温度信号进行采集和处理，我用了DALASS公司的DS18B20集成温度传感器对超声波的传播速度进行温度补偿。DS18B20采用了1-WIRE总线技术，能够只占单片机一个I/O接口的情况下进行工作，方便了使用者对其的调试使用，而且它在零下十摄氏度到八十五摄氏度的工作环境下能够保持0.005的精度，足以为超声波测距装置提供精度范围。图4.3
36、所示为温度补偿设计图。两个按键开关用于控制测量的开始与结束之间的切换。DS18B20硬件性能稳定，接口简单，只需一根接口线就能连接起来。DS18B20温度传感器里面有两个晶振，低温度系数晶振和高温度系数晶振。低温度系数晶振的振荡频率随外界温度的变化基本上没有影响，所以低温度系数的晶振产生的信号是固定频率的，这样便把它产生信号发送给计数器1。高温度系数晶振和低温度系数晶振正好相反，它在温度变化很大的时候，它的振荡频率随着温度发生很大的变化，所以计数器2的脉冲输入信号我们使用高温度系数的信号输入。由于计数器1对低温度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的值减少到0时，温度寄存器的数值就加1，
37、计数器1的数值就回重新装入，计数器1在重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，这样一直循环，一直到计数器2计数到0时，停止对温度寄存器数值的累加，这时温度寄存器中的数值即为所测温度。图4.3温度补偿电路设计图4.4 显示电路显示电路中显示测量距离我使用的是4位共阳的LED数码管，它简单实用并且价格便宜。段码使用74LS245芯片驱动，位选使用四个PNP三极管来驱动，显示电路设计图如图4.4显示电路设计图所示。图4.4显示电路设计图4.5 报警电路报警电路采用蜂鸣器实现。蜂鸣器是一种一体化结构的电子发声器，广泛应用于当今生活中，尤其在计算机、报警器、复印机、打印机、电子玩具、汽车电子设备
38、、电话机等电子设备制造中作为发声的器件而广泛应用。它分为两种类型，一种是压电式蜂鸣器，另一种是电磁式蜂鸣器。压电式蜂鸣器主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、共鸣箱阻及抗匹配器还有外壳等部分组成。压电蜂鸣片是由铌镁酸铅或锆钛酸铅压电陶瓷材料制造而成。把在陶瓷片的表面镀上金属电极，经过极化处理和老化处理之后，再与不锈钢钢片粘贴在一起就制成了压电蜂鸣片。而多谐振荡器由集成电路或者晶体管构造而成。当电极两端接通电源以后,多谐振荡器开始振动,输出音频信号，然后阻抗匹配器便能推动压电蜂鸣片发出声音。电磁式蜂鸣器主要由振荡器、磁铁、振动膜片、电磁线圈和外壳等部分组成。在两极接通电源之后，振荡器能够产生的音频信号，
39、信号通过电磁线圈，便会使电磁线圈生成磁场。这样振动膜片便会在磁铁和电磁线圈的作用下，周期性反复的振动从而发出声音。本设计采用压电式蜂鸣器，电路设计如图4.5所示。当车辆与障碍物之间的距离小于报警阈值时，P2.0口输出低电平，三极管Q5导通，蜂鸣器发出报警声，实现近距离报警功能。图4.5 报警装置设计图5 系统软件设计超声波传感器安装在汽车的尾部，其接收和发射传感器距离较近，之间容易有较强的干扰信号。为防止误测现象，在软件上采用延迟接收技术，提高系统的抗干扰能力。系统初始化，首先完成对温度的采集，确定该温度下的超声波速度，若控制键被按下，发出声光报警，告知周围人员该车正在进行倒车，同时发出发射超
40、声波的指令，同时T0计数器进行计数，收到反射波后T0停止计数，以此计算出发射和接收超声波的时间间隔；最后通过数值处理程序计算出被测的距离，送显示器显示。本系统软件采用模块化设计，由主程序、测距子程序、测温子程序、显示子程序等主要模块组成。主程序框图如图5.1所示。图5.1 主程序流程图总 结本文从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响，回波检测对时间测量的影响和超声波传感器所加电压对测量精度和范围的影响。在此基础上，开发出以AT89C51单片机为核心，采用40KHz压电超声波传感器，应用于汽车防撞测距的报警装置。超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统
41、电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。基于单片机的超声波的测距系统的设计包含了：电路分析、数字、模拟电路和单片机、EDA、传感器、C语言等方面的知识，另外还有选材购买、动手制作等方面。所以具有很高的参考价值，同时，该设计的方案也是来源于生活中广泛的应用领域，有很强的应用价值。单片机的应用改变了传统的设计思路，以前构建一个系统需用用很多的数字模拟器件或者电路单元来构建，
42、系统可靠性差、缺乏灵活性、维护不便、成本高、无法实现智能化等诸多缺点。单片机的应用解决了很多问题，现在只要写一个软件，通过单片机和一些简单的外接电路就可以实现具有很多功能的、而且具有智能化的系统，同时可方便升级维护。所以单片机的应用广泛，在日常生活和生产中占用重要位置。所以我们设计选择了单片机的系统其说明我们深深的意识到它的重要作用。虽然在本次毕业设计中已经通过认真的思考，但是还有很多不足的地方。在本设计中没有把汽车速度的测量设计到汽车防撞预警系统中去，对于这一方面还没有充分的研究。对于测速的初步想法就是利用多普勒效应测出汽车的行驶速度，然后根据测出的速度确定汽车与障碍物之间的极限安全距离在由
43、单片机智能控制发出报警信号。致 谢四年的大学时光转眼即逝，经过四年的刻苦学习，半年多的精心准备，毕业设计最终圆满完成。在设计过程中，由于知识学的不透彻，致使压力很大，每一次在图书馆中学习，每一次在网上收集最新研究动态，都极大扩展了自己的知识面。感谢我的指导老师董老师在这次毕业设计中对我的悉心指导。这次毕业论设计没有你对我专业知识上的指导，我不会这么顺利的完成毕业设计。借此机会，向你表示由衷的感谢。感谢帮助我的同学们，在这次毕业设计中你们给我提出很多宝贵的意见，在此真诚谢谢你们的帮助。感谢我的室友们，为我创造一个和谐融洽，相互促进的学习环境中，祝他们在以后的工作和生活中一切顺利。最后我要深深地感
44、谢我的家人，无论我身处顺境还是逆境，你们都给予我无限的理解和支持，你们是我的坚强后盾，正是你们的支持，才使我有足够的勇气战胜成长路上的一切困难，顺利的完成大学学习。参考文献1 张伦维.防范于未然汽车毫米波雷达J.当代汽车，2009年5月:1072 叶涛.基于DSP的多超声波测距数据采集处理系统，中国电子元器件信息交易网专业技术论坛3 罗本成.机器人多路超声波环境探测的研制J，中国科学院研究生学报2002年6月:172-1764 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展J，农业工程学报2004年3月:273-2775 马明山.室外移动机器人定位技术J，电工技术学报，1998年4月50-516 沈进
45、棋.移动机器人多路超声波数据采集系统的研究与实现J，电子技术，2003年11期:6-97 屠大维.用于汽车防撞控制的行车环境传感研究J，中国机械工程，第10卷第6期1999年6月:701-7038 华强.激光超声单片机组合汽车防撞系统J，惠州大学学报，2001年12月:101-1029 马义德.汽车防撞系统的研究J，交通管理，2004年7月:144-14710 郝继飞.多超声波传感器的工作空间的识别J，中国矿业大学学报，2000年7月 56-5711 何希才,薛永毅.传感器及其应用实例M.机械工业出版社，2004:138-152.12 王秀春;汽车防撞雷达的发展前景J.江苏交通，2003年03
46、期.99-10013 Louis-Anne de Montmorillon; Delaye & Philippe.Novel theoreticalaspects on photorefractive ultrasonic detection and implementation ofa sensor with an optimumsensitivity, Journalof AppliedPhysics, ISSN0021-897914 Kimiyuki Mitsui; Makoto Koike, Development of a new displacement-measuring ultrasonic Sensor based on astigmatic focus error detection-measuring principle and its demonstration,PrecisionEngineering, ISSN 0141-635915 Veelaert, Peter; Bogaerts, Wim