汽车智能测距防撞系统设计.doc
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1、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承担,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CX20236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。一方面,本文概述了超声波和超声波传感器的基本原理和特点。另一方面,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 Of Automotive I
2、ntelligentRangingcollision 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 this paper I desi
3、gn a kind of Automotive IntelligentRangingcollision avoidance system which is use microcontroller AT89C51 and CX20236 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 characteristic
4、s 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:Cars, safety, dis
5、tance 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 设计总体思绪概况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系统方框图114 硬件电路设计134.
6、1 超声波传感器的发射电路134.2 超声波传感器的接受电路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241 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长,2023年的保有量为6300万辆,2023年达成7400多万辆。按保守估计,未来国内汽车保有量可以达成4.
7、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善,但道路上的车辆仍然还是越来越多,特别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,设计一种反映快,稳定性好并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
8、离达成极限时。系统发出声光报警,达成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,汽车的数量逐年增长,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。当现代家庭充足的享受汽车带来方便的同时,也为此付出了沉重的代价。据记录,我国自2023年至2023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,设计出一种反映快,稳定性好并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
9、量的技术应运而生,特别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可以接触到障碍物的,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,特别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,运用超声波测距比较方便并且速度快计算简朴,容易做到实时控制,并且测量精度好,都可以达成工业测量的需要。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。超声波测距运用的是声波反射原理,声波在空气中传播避免了与介质接触。与其它测距方式相
10、比,超声波测距不受颜色、光线和电、磁场的影响,使他受到干扰的也许大幅度减少。它还具有可靠性能高、结构简朴、价格便宜、安装方便等优点。也可以测量处在黑暗、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,可以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重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。通过数年的研究,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
11、候和穿透黑暗的能力,特别合用于汽车领域。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承担,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朴的汽车防撞应用,重要用于汽车倒车时探测车后的障碍物,使驾驶者有清楚的路程。(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的后,通过声光报警装置向驾驶者发出警告,使其尽快采用避碰措施,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
12、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,特别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,为此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,美国重要侧重于碰撞报警/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
13、究。对于前者,提高雷达地形图解决能力,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,要继续改善天线的性能,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,提供多目的的瞬时方位角度数据;此外,增长其功能度,向具有探测静目的能力的更复杂的系统方向发展,增长报警功能,最后向着免去撞车系统发展。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的导向交通控制系统、通信系统及汽车的其它机械和电子系统相配合,在有碰
14、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,允许较多的车辆运营,增长交通密度。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毕。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
15、大奉献。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边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规定: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受信号,从而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度极快,通常难以通过简朴的
16、装置估算其传播距离,因此在简朴、低成本的应用中,这类传感器也重要用于状态的判断(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。超声波测距即是运用其反射特性。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
17、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。运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
18、上最高。接受超声波传感器在逆共振频率fa上具有最高灵敏度。接受检测超声波传感器AT89C2051的标称为40kHz,与前者相反,在逆共振频率上接受灵敏度最高。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佳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受传感器和发送传感器。因最大接受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
19、兼作发送和接受传感器。(3)封闭型:合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,既可作接受也可作发送用,并且方向性相称强,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称的衰减,衰减限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限公司的超声波测距传感器普通型,T发射型,R为接受型。它的标称频率
20、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,有助于抗声波干扰设计;(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,运用超声波来实时测量车辆与障碍物之间的距离,当该距离达成设定的报警距离时,报警器发出报警,提醒驾驶员对的操纵测量,以实现车辆的安全避障。它的测量原理是基于测量渡越时间(发射脉冲和接受脉冲的时间间隔)。由渡越时间
21、和介质中的声速即可求得目的与传感器的距离11。2.3 超声波测距工作原理通常,人们的耳朵可以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,可以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向一致的波,它能在固体、液体和气体中传播;横波(Shear wav
22、e,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,振幅随深度增长而迅速衰减的波。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重要集中在频率为21042106Hz的范围内。其中,靠近低频段重要用于空气和液体介质中的测量系统,中频和高频重要集中于固体介质的测量。这重要是由于介质对声波能量的吸取随声波频率的升高而增长,频率越高,声波在介质中衰减就越快。而在固体介质中,测量
23、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碰到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接受回波的时间差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/)。对于1mol空气,质量为m,体积为V,则密度0=m/V,故C=
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