基于超聲測距的汽車防撞系統本科畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 首次提出將傳感器和人工智能技術融于汽車防撞系統中，以用于改善了汽車的安全性，加強駕駛員對汽車的有效控制，幫助駕駛員避免了交通事故的發生。 在之后的二十世紀九十年代里，歐洲一些汽車制造企業開始研究新型的汽車防撞雷達。并制作出一款可以計算出與車前障礙物距離，并根據后車的車速提醒駕駛員留出必要的安全距離。若駕駛員駕駛失誤超出安全距離時，車載防撞系統會發出燈光和語音報警信號以提醒駕駛員合理駕駛。 與此同時美國也開始著力研究防撞技術，雖然起步晚于歐洲各國，但目前汽車防撞技術卻是美國領先于世界。國內汽車防撞系統才剛剛起步，許多大學和研究機構聯合對汽車防撞系統進行深入研究，但大多數都處于理論向實踐過度的階段。防撞系統的性能與國外還有很大差距，距離實現專業化和實現實際應用還要一段時間發展。 本課題的主要研究內容 本論文章節內容安排如下： 第一章緒論部分主要分析國內和國際的研究現狀及超 聲防撞系統發展階段，充分理解對其進行研究的價值和意義。 第二章主要介紹超聲波基礎理論以及其測距功能的原理，給出詳盡的系統框圖。 第三章主要介紹單片機主機系統以及輔助電路系統，了解整個系統的整體構 3 第 3 頁 架。 第四章主要介紹系統硬件設計，分析各種超聲波發射和接收電路的優缺點，最終確定使用方案。 第五章主要介紹系統軟件組成，著重講解語音模塊在系統中的應用。 第六章介紹系統的軟件設計的結構與流程，并給出聲波發射和接收中斷子程序。 4 第 4 頁 第二章 超聲波測距的原理 超聲波的基本理論 超聲波是一門通用于各行各業的技術，在 電子技術、機械應用、以及材料科學方面都有著廣泛應用。該技術在工業和生活中，對方便人們生活、提高生產效率、保障生產安全有很大潛力。超聲技術從產生聲波再通過發射電路發送最后被接收器接收來完成這個物理過程。在介質中傳播的超聲波具有透、反射介質及能夠聚束和定向等傳輸特性。按振動和輻射不同的可將聲波種類分為功率超聲和檢測超聲。 超聲波的傳播速度 超聲波的傳播速度是表示聲波在介質中傳播快慢的物理量，超聲波在介質中傳播可以根據其傳播方向的不同，分為三種不同的振蕩波：橫波、縱波、表面波。三種波由于性質不同所能傳 播的介質也不同，橫波在固體介質中才能傳播，縱波在固液氣三態中都可以有效的傳播，表面波傳播會因為傳播深度的增加，而導致速度慢慢減小。超聲波具有一般聲波的固有特性，其在不同密度的介質中傳播速度也會有所差異。 超聲波對聲場產生的作用 (1) 機械作用 超聲波在介質內部傳播運動會引起介質緊縮與擴張，導致介質內部壓力的驟變引起機械效應。超聲波在介質中傳播會引起其內部顆粒的運動，盡管運動幅度和速率很小，但由于超聲波振動的頻率與質點加速度的平方成正比關系，這導致很小的振動頻率也會有很大的加速度。有時足以達到破 壞介質的程度。 (2) 空化作用 根據流體動力學可知，存在于液體中的微氣泡會由于聲場的變化而發生振動。當聲場壓強到達必需額值時，氣泡會發生擴張、合攏的運動，在氣泡合攏運動的同時時會發生沖擊波。這一系列動力學運動過程被稱為空化。 (3) 熱學作用 超聲波在介質內部傳輸會導致介質產生熱量，在介質吸收超聲波的同時也會將熱量吸收，這事實上也就是介質的能量吸收過程。從根本上講，是由于超聲波在介質內部發生強烈振動，導致介質內部的粒子互相摩擦產生熱量。這一熱量的 5 第 5 頁 產生過程被稱為熱學作用。 超聲波傳感器 超聲波傳感器 是根據超聲波發射接收特性而制成的一種傳感器，其主要由發送和接收部分、供電和控制電路部分共同組成。其最主要的超聲波探頭則是用壓電晶片制作而成，能夠控制超聲波的發射與接收。一個好的探頭是超聲波傳感器必不可少的。 超聲波傳感器大部分是由壓電晶體或者鎳鐵鋁合金制作而成，由于兩種制作材料的不同就產生了兩種不同的特性：磁致、電致伸縮特性。其中由壓電晶體制成的傳感器更加優越，能夠在機械能與電能之間互相轉換，具有很強的可逆特性。也就是說，用壓電晶體制成的是一種可逆的傳感器。如果在壓電晶片兩端加額定頻率的電壓時，晶體自身就會 發生機械振動，時而也會發出聲音。因此，本次設計采用壓電晶體制成的傳感器。傳感器構造如下圖 21,22： 圖 21 超聲波外部結構 圖 22 元件外部結構 超聲波測距系統原理 在超聲檢測電路中，發射端發送一串固定間隔的方波脈沖，用以確定聲波來回傳輸的時間間距。其方波的脈沖寬度是根據與被測物的距離來決定的，不同的距離其寬度也不相同，脈沖寬度與發射端距被測物的距離成正比例關系。超聲測距大致有以下方法：① 根據電壓與距離成正比例關系，可以先取輸出脈沖的平均值電壓值，從而推算測得距離；② 測量超聲波從發射到被接收端接收的時間間隔 t，由于聲波在空氣中具有固定的速度，可根據 S=1／ 2vt 測得距離。由于超聲波的傳輸速度與溫度高低變化有關，在溫度變化不大的情況下，我們可以簡 6 第 6 頁 單的認為聲波速度是不變 。但如果測量距離在精度上的要求很高，那么我們必須通過采取溫度補償的方法對測量誤差加以糾正。 測量與控制方法 超聲波測距的算法設計 : 已知超聲波在空氣中具有固定的速度 t，其中 t 為340m/s。假設 t1 是超聲波從發射到被接收到的時間， t2 是超聲波開始發射的時間，則由 t1t2 可得出超聲波從發射到被接收器接收到的往返時間差。假定 S 為超聲波從發射端到障礙物的往返距離，從發射到接收的往返時間為 T／ s，在空氣中的傳播速度為 V／ m s－ 1，則發射端到障礙物的距離可由關系式 (241)測得： S=VT／ 2 (241) 若在系統對測距精度要求很高，則需要關注外界環境溫度對傳播速度的直接影響，需按式 (24)進行溫度補償對超聲波速度予以校正： V=340+0． 607T (242) 控制系統方框圖 超聲波測距器由硬件控制和軟件控制組成，如下圖 （ 23） ： 7 第 7 頁 圖 23 系統框圖 顯示器 按鍵 啟動 復位 電路 電源 電路 STC89C51 超聲波 發射電路 超聲波 接收電路 語音 報警系統 8 第 8 頁 第三章 單片機主機系統電路 單片機主電路 本次設計我們計劃使用 STC89C51 單片機，其主要特點如下： 1. 采用的 STC89C51 單片機是以 8051 為內核，又能夠很好與 MCS51 系列單片機相互兼容。 2. 采用的 STC89C51 系列單片機有可編程閃爍存儲器，在 系統開發時可以反復擦寫。 3. 采用的 STC89C51 可以在全靜態下工作，在電能消耗方面很低。 4. 采用的 STC89C51 的晶振頻率高達 24M，在運行時速度更快。 5．采用 STC89C51 是因其價格便宜，集成度及可靠性高。 圖 31 STC89C51 各個引腳的功能： P0 口是用來將顯示信號數據送入給 LCD 顯示器， P20~P22口是將控制命令送給 LCD 以達到控制顯示方式的目的。 P34 口是為了將采集到的溫度數據傳輸到單片機的端口。 P10 口是控制系統按鍵的端口。 9 第 9 頁 復位電路 實現單片機復位的方法 有多種，一般在只要 RESET 端加一個正脈沖信號就可以很簡單的實現復位功能， 單片機復位一般分為：自動和手動兩種 ,如圖 32 手動復位電路。系統想要實現上電復位，只需在 RST 端口加一個正脈沖信號，只要這個正脈沖信號足夠寬就能滿足復位的條件實現系統自動復位。一般要求脈沖信號為： 20??RC? ms。其中 圖 32 手動復位電路 R? 1 ?K ， C? 22uF。 系統實現復位的另一種人為方法只需要手動按一下 S1 按鍵，是電容器 C1 快速的通過 R1 釋放出電流，等 S1 手動彈起復位后，電容再次實現充電。這樣系統究完整的實現了手動復位功能，實現手動復位，一般要求 R1= 200? 。 3. 3 時鐘電路 單片機時鐘電路是用來配合外部晶振實現系統振蕩的電路，單片機內部則是由許多觸發器構成的時序電路組成。總之時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的 工作節奏。如果我們要使用單片機內部的時鐘電路，必須先將 XATL1 和XATL2 兩端先使用石英晶體或者微調電容連接起來才能正常使用?？梢哉f如果沒有時鐘電路來驅動和調節單片機，那么單片機就不能實現正常的工作。沒有這個時鐘電路，單片機也就不能實現定時和進行與時間有關的功能操作了。 STC89C51 10 第 10 頁 圖 33 時鐘電路 3. 4 按鍵電路 每一個系統都有其必不可少的按鍵電路，有其最基本的開關控制按鍵。本次設計我們通過檢測 為 1 為 0 以辨別系統是否被啟動，如果定義按下按鍵時 為高電平，那么當單片機檢測到高電平時系統就 會開始測量距離。當松開按鍵時也就是為低電平時，則系統停止測量。按鍵電路圖如圖 34 所示： 在人為按鍵的同時可能會造成機械抖動，從而影響系統對電平的檢測。因此，我們必須通過軟件延時的方式，去除抖動對系統測量的影響。 圖 34 按鍵電路 3. 5 蜂鳴器電路 蜂鳴器是一種被廣泛使用的元器件，它主要被人們用于提示、報警等場合。由晶片構成的蜂鳴器，只要對其進行簡單的供電（即將 5V 的直流電流加在其兩端上）就能夠實現鳴響功能，用于對目標人群的提醒。設計目的是通過蜂鳴器聲STC89C51 11 第 11 頁 音來告知使用者按鈕已按下，目前 正準備使用單片機對被測物進行測距。蜂鳴器電路如下圖 35 所示： 圖 35 蜂鳴器電路 12 第 12 頁 第四章 系統主要硬件設計 方案論證與比較 單片機采用 ATMEL 公司的 STC89C51 單片機作為控制核心，而常用的超聲波發射和接收電路有如下： 超聲波發射電路 : （ 1）分立元件組成的發射電路，如下圖 41（ a)、 41（ b). 圖 41（ a） 發射電路 圖 41（ b）發射電路 圖 41 是采用兩個通用的小功率三極