基于超聲測距的汽車防撞系統(tǒng)

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計、創(chuàng)作）題目： 基于超聲測距的汽車防撞系統(tǒng) 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 所在院系： 專業(yè) 入學(xué)時間： 年 月導(dǎo)師姓名： 職稱/學(xué)位： 導(dǎo)師所在單位： 完成時間： 年 月I第 I 頁基于超聲測距的汽車防撞系統(tǒng)摘要 近年來，我國高速公路追尾碰撞事故頻頻發(fā)生，而汽車追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)在道路行車安全中具有良好的發(fā)展前景。為了減少周圍障礙物對駕駛員的干擾，幫助駕駛員感知障礙物的位置能夠提前有效的避開。因此本次設(shè)計采用超聲波測距系統(tǒng)，作為汽車的安全行駛輔助裝置，該系統(tǒng)能夠通過語言報警和更為直觀的 LED 顯示功能提醒駕駛員注意安全，提高了停車的安全。本設(shè)計的硬件部分主要由主控制電路和超聲波發(fā)射電路

2、、接收電路電路構(gòu)成，以及輔助的顯示電路、電源電路和語音報警電路等，軟件部分則由超聲波收發(fā)子程序、計時子程序、顯示子程序及語音報警子程序等部分組成。由于超聲波在空氣中傳播速度是固定的，因此本設(shè)計由 STC89C51 單片機來計算超聲波從發(fā)射到被接收的往返時間，從而計算出傳輸距離實現(xiàn)實時測量距離的目的。該設(shè)計的電路設(shè)計部分合理簡單、操作穩(wěn)定、性能優(yōu)越、測距速度快、計算方法簡單迅速、容易達到實時監(jiān)控的目的，并且達到了工業(yè)實用上的測量誤差要求。關(guān)鍵詞：STC89C51、超聲波、數(shù)碼管、語音報警II第 II 頁The automotive anti-collision system based on u

3、ltrasonic distance measurementAbstract In recent years, highway rear-end collision accident occurred frequently in our country, the automobile rear-end collision warning system has good development prospect in road safety. Around in order to reduce obstacles to the drivers interference, help the loc

4、ation of the drivers perceived barriers can effectively avoid ahead of time. Therefore the design of ultrasonic ranging system, as a cars safety driving assist device, the system can alarm through language and more intuitive LED display to remind the driver pay attention to safety, to improve the sa

5、fety of parking.Hardware part of this design is mainly composed of main control circuit and ultrasonic transmitting circuit, receiving circuit circuit composition, as well as the auxiliary display circuit, voice alarm circuit and power circuit, software part by ultrasonic transceiver subprogram, tim

6、er subroutine and display subroutine and voice alarm subroutine and other parts. Due to the propagation velocity of ultrasonic wave in air is fixed, therefore this design by STC89C51 single chip microcomputer to calculate the round-trip time of ultrasound from launch to be accepted, and transmission

7、 distance is calculated to achieve the purpose of real-time measuring distance. Circuit design part of the design is simple and reasonable, superior performance, stable operation range fast computing method is simple, and easy to achieve the purpose of real-time monitoring, and reached the industria

8、l measurement error on the practical requirements.Keywords: STC89C51, ultrasonic, digital tube, voice alarmIII第 III 頁目錄第一章 緒論 .11.1 課題研究的現(xiàn)狀和發(fā)展歷史及意義.11.2 汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.21.3 本課題的主要研究內(nèi)容.2第二章 超聲波測距的原理 .42.1 超聲波的基本理論.42.1.1 超聲波的傳播速度.42.1.2 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用.42.2 超聲波傳感器.52.3 超聲波測距系統(tǒng)原理.52.4 測量與控制方法.62.5 控制系統(tǒng)方框圖.6第

9、三章 單片機主機系統(tǒng)電路 .83.1 單片機主電路.83.2 復(fù)位電路.93. 3 時鐘電路.93. 4 按鍵電路.103. 5 蜂鳴器電路.10第四章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計 .124.1 方案論證與比較.124.1.1 超聲波發(fā)射電路:.124.1.2 超聲波接收電路.134.2 最終方案確定.15第五章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 .175.1 單片機的功能特點及測距原理.175.1.1 單片機的功能特點.175.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理.175.2 超聲波發(fā)射電路.185.3 超聲波檢測接收電路.18IV第 IV 頁5.4 ISD1700 語言模塊 .195.4.1 接線說明.195.4.2 按鍵

10、說明.19第六章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .216.1 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu).216.2 系統(tǒng)程序的流程.216.3.超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序.23第七章 總結(jié) .24致謝 .25參考文獻 .26附錄 1 源程序 .27附錄 2 實物圖 .311第 1 頁第一章 緒論1.1 課題研究的現(xiàn)狀和發(fā)展歷史及意義隨著社會的進步和科技的發(fā)展，生活水平和生活質(zhì)量也日益提高，家庭小汽車擁有量也在隨之增加，城市道路汽車擁堵的現(xiàn)狀已經(jīng)成為不可回避的問題。而在現(xiàn)今汽車擁擠的情況下，城市道路擁堵所引起的交通事故屢見不鮮，對人民生命財產(chǎn)的威脅與日俱增，影響人民的正常生活。道路交通事故死亡率居高不下儼然已經(jīng)成為世界性的社

11、會問題。當現(xiàn)代人在享受科技發(fā)展所帶來便捷和愉悅的同時，也面臨巨大風險為此付出了慘痛的代價。我國道路交通事故頻繁發(fā)生，其中大部分都為碰撞事故。面臨當今交通安全現(xiàn)狀，設(shè)計了一個響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，經(jīng)濟實用的車輛碰撞預(yù)警系統(tǒng)迫在眉睫。技術(shù)的發(fā)展以及社會的需求催生了防撞預(yù)警自動測量技術(shù)的誕生。通常情況下，如果現(xiàn)實要求或者技術(shù)發(fā)展達不到可以直接測量的地步，我們就不得不采用非接觸式設(shè)備來測量不能接觸到的障礙物。隨著物理學(xué)的發(fā)展超聲波測距被發(fā)現(xiàn)并廣泛應(yīng)用到測量領(lǐng)域，在汽車防撞系統(tǒng)的測量上十分常用。超聲波在傳播介質(zhì)的分辨力高，能量小，傳輸距離長等，利用聲波測距可以實現(xiàn)實時控制，也使得計算更加便捷。由于測量精

12、度高，因此超聲測距在工業(yè)設(shè)計和日常生活上被廣泛應(yīng)用。設(shè)計是基于聲波反射原理，根據(jù)聲波在空氣中固定的傳輸速度來實現(xiàn)測距功能。通過計算聲波由發(fā)射到接收的時間差以確定測距距離，同時由于超聲測距受外界色彩效果、陽光強度和電磁場干擾的影響較小，具有性能穩(wěn)定可靠性、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于拆裝等優(yōu)點。在陰暗、能見度低、地形復(fù)雜和強烈電磁干擾的情況下，依然可以正常工作，實現(xiàn)測距功能并能保持穩(wěn)定性和可靠性。相對于紅外和無線電測距而言，采用超聲波距離不僅能節(jié)約成本，而且可靠性和穩(wěn)定性更高，后期維護更加簡單。由于聲波在空氣中速度較慢，但輸距離更遠，反射的回波信號更容易被系統(tǒng)檢測到，使得聲波測距在生活中應(yīng)用廣泛。超

13、聲波測距是簡單快速，容易實現(xiàn)一點的實時控制，滿足了日益發(fā)展的工業(yè)和人類生活活動的要求。所以超聲測距被廣泛應(yīng)用于車載倒車雷達方面，在空氣測距中應(yīng)用廣泛。超聲波測距可以做到在避免與介質(zhì)直接接觸的情況下對2第 2 頁物體進行測距，是一種非接觸測量方法。超聲波測距在測距距離越短的情況下受外界光線和磁場影響越小，因此該系統(tǒng)只適合短距離測距。由于超聲波測距的精度受環(huán)境的影響，使得很難在測量精度要求很高的領(lǐng)域應(yīng)用。1.2 汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀在二十世紀六十年代初期，歐洲和美國為首的發(fā)達國家掀起了一股對汽車防撞系統(tǒng)研究的熱潮。在科研機構(gòu)和制造廠家合作下，在理論研究和實際制造方面取得很大進展。然而，這一時期模

14、擬器件仍然占主導(dǎo)地位，電子器件的集成度還很低，這導(dǎo)致硬件系統(tǒng)體積大成本高。由于沒有統(tǒng)一的國際標準，這使得各國的汽車防撞系統(tǒng)在功能上良莠不齊。 到了80年代中期 ，隨著超聲波理論及微處理器性能的不斷提升，汽車防撞系統(tǒng)研究性能不斷提升而價格逐漸降低。德國奔馳公司發(fā)起并集中歐洲各國的力量共同研制汽車防撞系統(tǒng)，并首次提出將傳感器和人工智能技術(shù)融于汽車防撞系統(tǒng)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(fā)生。在之后的二十世紀九十年代里，歐洲一些汽車制造企業(yè)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(jù)后車的車速提醒駕駛員留出必要的安全距

15、離。若駕駛員駕駛失誤超出安全距離時，車載防撞系統(tǒng)會發(fā)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(shù)，雖然起步晚于歐洲各國，但目前汽車防撞技術(shù)卻是美國領(lǐng)先于世界。國內(nèi)汽車防撞系統(tǒng)才剛剛起步，許多大學(xué)和研究機構(gòu)聯(lián)合對汽車防撞系統(tǒng)進行深入研究，但大多數(shù)都處于理論向?qū)嵺`過度的階段。防撞系統(tǒng)的性能與國外還有很大差距，距離實現(xiàn)專業(yè)化和實現(xiàn)實際應(yīng)用還要一段時間發(fā)展。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容本論文章節(jié)內(nèi)容安排如下：第一章緒論部分主要分析國內(nèi)和國際的研究現(xiàn)狀及超聲防撞系統(tǒng)發(fā)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(chǔ)理論以及其測距功能的原理，給出詳盡的系統(tǒng)

16、框圖。3第 3 頁第三章主要介紹單片機主機系統(tǒng)以及輔助電路系統(tǒng)，了解整個系統(tǒng)的整體構(gòu)架。第四章主要介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計，分析各種超聲波發(fā)射和接收電路的優(yōu)缺點，最終確定使用方案。第五章主要介紹系統(tǒng)軟件組成，著重講解語音模塊在系統(tǒng)中的應(yīng)用。第六章介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計的結(jié)構(gòu)與流程，并給出聲波發(fā)射和接收中斷子程序。4第 4 頁第二章 超聲波測距的原理2.1 超聲波的基本理論超聲波是一門通用于各行各業(yè)的技術(shù)，在電子技術(shù)、機械應(yīng)用、以及材料科學(xué)方面都有著廣泛應(yīng)用。該技術(shù)在工業(yè)和生活中，對方便人們生活、提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全有很大潛力。超聲技術(shù)從產(chǎn)生聲波再通過發(fā)射電路發(fā)送最后被接收器接收來完成這個物理過程。在

17、介質(zhì)中傳播的超聲波具有透、反射介質(zhì)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。2.1.1 超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度是表示聲波在介質(zhì)中傳播快慢的物理量，超聲波在介質(zhì)中傳播可以根據(jù)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(zhì)不同所能傳播的介質(zhì)也不同，橫波在固體介質(zhì)中才能傳播，縱波在固液氣三態(tài)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(dǎo)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(zhì)中傳播速度也會有所差異。2.1.2 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機械作用超聲波在介質(zhì)內(nèi)部傳播運動會引起介質(zhì)緊縮與擴

18、張，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部壓力的驟變引起機械效應(yīng)。超聲波在介質(zhì)中傳播會引起其內(nèi)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(zhì)點加速度的平方成正比關(guān)系，這導(dǎo)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(zhì)的程度。(2) 空化作用根據(jù)流體動力學(xué)可知，存在于液體中的微氣泡會由于聲場的變化而發(fā)生振動。當聲場壓強到達必需額值時，氣泡會發(fā)生擴張、合攏的運動，在氣泡合攏運動的同時時會發(fā)生沖擊波。這一系列動力學(xué)運動過程被稱為空化。(3) 熱學(xué)作用超聲波在介質(zhì)內(nèi)部傳輸會導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生熱量，在介質(zhì)吸收超聲波的同時也會將熱量吸收，這事實上也就是介質(zhì)的能量吸收過程。從根本上講，是由于超聲波在介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生

19、強烈振動，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部的粒子互相摩擦產(chǎn)生熱量。這一5第 5 頁熱量的產(chǎn)生過程被稱為熱學(xué)作用。2.2 超聲波傳感器超聲波傳感器是根據(jù)超聲波發(fā)射接收特性而制成的一種傳感器，其主要由發(fā)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(fā)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(chǎn)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(yōu)越，能夠在機械能與電能之間互相轉(zhuǎn)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

20、端加額定頻率的電壓時，晶體自身就會發(fā)生機械振動，時而也會發(fā)出聲音。因此，本次設(shè)計采用壓電晶體制成的傳感器。傳感器構(gòu)造如下圖 2-1,2-2： 圖 2-1 超聲波外部結(jié)構(gòu) 圖 2-2 元件外部結(jié)構(gòu)2.3 超聲波測距系統(tǒng)原理在超聲檢測電路中，發(fā)射端發(fā)送一串固定間隔的方波脈沖，用以確定聲波來回傳輸?shù)臅r間間距。其方波的脈沖寬度是根據(jù)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(fā)射端距被測物的距離成正比例關(guān)系。超聲測距大致有以下方法： 根據(jù)電壓與距離成正比例關(guān)系，可以先取輸出脈沖的平均值電壓值，從而推算測得距離； 測量超聲波從發(fā)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

21、度，可根據(jù) S=12vt 測得距離。由于超聲波的傳輸速度與溫度高低變化有關(guān)，在溫度變化不大的情況下，我們6第 6 頁可以簡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?shù)姆椒▽y量誤差加以糾正。2.4 測量與控制方法超聲波測距的算法設(shè)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(shè) t1 是超聲波從發(fā)射到被接收到的時間，t2 是超聲波開始發(fā)射的時間，則由 t1-t2 可得出超聲波從發(fā)射到被接收器接收到的往返時間差。假定 S 為超聲波從發(fā)射端到障礙物的往返距離，從發(fā)射到接收的往返時間為 Ts，在空氣中的傳播速度為 Vms1，則發(fā)

22、射端到障礙物的距離可由關(guān)系式(2-4-1)測得： S=VT2 (2-4-1)若在系統(tǒng)對測距精度要求很高，則需要關(guān)注外界環(huán)境溫度對傳播速度的直接影響，需按式(2-4)進行溫度補償對超聲波速度予以校正： V=340+0607T (2-4-2)2.5 控制系統(tǒng)方框圖超聲波測距器由硬件控制和軟件控制組成，如下圖（2-3）：7第 7 頁顯示器按鍵啟動復(fù)位電路電源電路STC89C51超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路語音報警系統(tǒng)圖 2-3 系統(tǒng)框圖8第 8 頁第三章 單片機主機系統(tǒng)電路3.1 單片機主電路本次設(shè)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

23、8051 為內(nèi)核，又能夠很好與 MCS-51 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(tǒng)開發(fā)時可以反復(fù)擦寫。3. 采用的 STC89C51 可以在全靜態(tài)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 3-1 STC89C51各個引腳的功能：P0 口是用來將顯示信號數(shù)據(jù)送入給 LCD 顯示器，P20P22 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(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C的端口。P10 口是控制系統(tǒng)按

24、鍵的端口。9第 9 頁3.2 復(fù)位電路實現(xiàn)單片機復(fù)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(xiàn)復(fù)位功能，單片機復(fù)位一般分為：自動和手動兩種,如圖 3-2 手動復(fù)位電路。系統(tǒng)想要實現(xiàn)上電復(fù)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?qū)捑湍軡M足復(fù)位的條件實現(xiàn)系統(tǒng)自動復(fù)位。一般要求脈沖信號為： ms。其中20 RC 圖 3-2 手動復(fù)位電路 R1，C22uF。K 系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)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(fù)位后，電容再次實現(xiàn)充電。這樣系統(tǒng)究完整的實現(xiàn)了手動復(fù)位功能，實現(xiàn)手

25、動復(fù)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(xiàn)系統(tǒng)振蕩的電路，單片機內(nèi)部則是由許多觸發(fā)器構(gòu)成的時序電路組成?？傊畷r鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。如果我們要使用單片機內(nèi)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(diào)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(qū)動和調(diào)節(jié)單片機，那么單片機就不能實現(xiàn)正常的工作。沒有這個時鐘電路，單片機也就不能實現(xiàn)定時和進行與時間有關(guān)的功能操作了。STC89C5110第 10 頁圖 3-3 時鐘電路3. 4 按鍵電路每一個系統(tǒng)都有其必不可少的按鍵電路，有其最基本的開關(guān)控制按

26、鍵。本次設(shè)計我們通過檢測 P1.0 為 1 為 0 以辨別系統(tǒng)是否被啟動，如果定義按下按鍵時 P1.0 為高電平，那么當單片機檢測到高電平時系統(tǒng)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(tǒng)停止測量。按鍵電路圖如圖 3-4 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(tǒng)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(tǒng)測量的影響。圖 3-4 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(gòu)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?qū)崿F(xiàn)鳴響功能，用于對目標人群的提醒。設(shè)計目的是

27、通過蜂鳴STC89C5111第 11 頁器聲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 3-5 所示： 圖 3-5 蜂鳴器電路12第 12 頁第四章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計4.1 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(fā)射和接收電路有如下：4.1.1 超聲波發(fā)射電路:（1）分立元件組成的發(fā)射電路，如下圖 4-1（a)、4-1（b). 圖 4-1（a） 發(fā)射電路 圖 4-1（b）發(fā)射電路圖 4-1 是采用兩個通用的小功率三極管共同形成的啟動電路，并通過兩個三極管組成放大電路。超聲波發(fā)射電路的主要功能是利用

28、自身壓電晶體的振動來產(chǎn)生并發(fā)射超聲波。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來講，它是由兩個壓電晶體和共振板共同組成的。如果在其兩端加上矩形脈沖信號，并保證其頻率與振蕩頻率一致時，壓電晶體會發(fā)生共振同時也將引起共振板振動，從而產(chǎn)生超聲波輸出，此時它就具有了超聲波發(fā)生器的功能了。（2）由集成電路組成的發(fā)射電路圖 4-2 是一個由非門組成的一個振蕩器發(fā)送電路，由于采用非門構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試起來非常容易，更加容易通過軟件控制。此外為了提升發(fā)射13第 13 頁電路對電流的吸入能力，進一步提升電路驅(qū)動能力，我們可以通過將兩個非門的輸出端口連接起來，以實現(xiàn)系統(tǒng)目的。 圖 4-2 由非門組成的發(fā)射電路4.1.2 超聲波接收電路

29、一、由運算放大器組成的接收電路圖 4-3 超聲波接收電路是由一個運放組成的聲波放大電路，這樣電路組成在日常生產(chǎn)生活當中非常常見，具有以下等特點：1）常見的采用運放構(gòu)成的接收電路，一般都要求必須正負電源供電對稱。然而，本設(shè)計我們采用單電源供電的方式，使得輸出靜態(tài)電壓等于 1/2 電源電壓從而使兩端電壓得到平衡。2）如果采用同端口輸入的方法輸入電壓，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的輸入阻抗較高。然而，為了使超聲波傳感器能夠發(fā)揮出接收穩(wěn)定、迅速等優(yōu)點，我們必須采用接收器的輸出信號端口連接在放大器的同相端的方法。3）超聲波接收電路的反相端只能流過交流電，不存在對地的直流通道。因此，如果要讓直流電能通過反相端，必須加入

30、隔直電容以創(chuàng)建直流通路。2C14第 14 頁圖 4-3 運放組成的接收電路二、LM1812 收發(fā)集成電路構(gòu)成LM1812 集成電路是一種用來收發(fā)超聲波信號的專用集成電路，如下圖 4-4所示： 圖 4-4 由 LM1812 構(gòu)成的接收電路三、CX20106 構(gòu)成的接收電路，如圖 4-5 所示：15第 15 頁 圖 4-5 CX20106 構(gòu)成的接收電路4.2 最終方案確定對于我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖瞻l(fā)電路而言通常由兩種材料構(gòu)成：由分立元件組成的超聲波收發(fā)電路，它由于自身體積結(jié)構(gòu)大、電能消耗大同時容易受到外界因素干擾。我們一般不采用這種材質(zhì)制成的收發(fā)電路，而使用由集成電路組成的超聲波收發(fā)電路，具有小而輕、

31、低能耗、抗外界干擾能力強等特點，因此，我們選用集成電路組成的超聲波收發(fā)電路。超聲波發(fā)生器的主要功能是用來產(chǎn)生并發(fā)射超聲波，其超聲波的產(chǎn)生方式主要有兩種：第一種方法可以通過軟件系統(tǒng)來產(chǎn)生超聲波信號，而后通過輸出端口傳輸?shù)津?qū)動器上，從而推動探頭產(chǎn)生超聲波。第二種方法是通過系統(tǒng)控制電路來產(chǎn)生超聲波信號，從而直接推動探頭產(chǎn)生超聲波。對比兩種方法可以發(fā)現(xiàn)第一種方法更加靈活，因此我們采用第一種方法來產(chǎn)生超聲波。超聲波接收器是由信號放大器、波形轉(zhuǎn)換器和接收探頭三個重要部分組成。要做到超聲波既能發(fā)射出去又要被被系統(tǒng)所接收，我們必須采用型號相同的接收與發(fā)射探頭，否則可能使得系統(tǒng)發(fā)射之后無法接收到信號。超聲波在空

32、氣介質(zhì)中傳播會有能量損耗，只導(dǎo)致接收器接收到的信號非常微弱，因此，我們必須選用放大器來放大接收到的信號。為了節(jié)約設(shè)計成本，降低設(shè)計和調(diào)試的難度，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我們采用一種紅外接收檢波芯片 CX20106，其具有很16第 16 頁高的可靠性。只需要焊接少量的外部元器件就能夠?qū)崿F(xiàn)信號的接收與處理功能。 設(shè)計采用集成電路來設(shè)計超聲波收發(fā)電路，其中收發(fā)電路中的發(fā)射端，我們使用非門來構(gòu)成，而接收端口采用外界檢波芯片來構(gòu)成。這樣的設(shè)計主要是為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面是為了節(jié)約成本，簡化調(diào)試內(nèi)容。17第 17 頁第五章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路部分采用單片機主機系統(tǒng)、以及顯示電路、語音報警電

33、路等外部電路組成構(gòu)成。其中單片機電路，我們采用 24MHz 的 STC89C51 系列高精度進的單片機，使得時鐘電路頻率更加精準，以降低系統(tǒng)誤差帶來的影響。5.1 單片機的功能特點及測距原理5.1.1 單片機的功能特點51 系列單片機具有高度靈活和低成本的特點。其可以在盡可能多的減少外圍電路的情況下，同時也可以構(gòu)成一個功能完備的超聲波測距電路系統(tǒng)。51 單片機封裝如圖 5-1 所示：圖 5-1 51 系列單片機封裝圖5.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理超聲波測距的根據(jù)是根據(jù)聲波的回波特性，通過單片機不斷檢測超聲波發(fā)射后反射的回波，當檢測到回波時時鐘電路立刻停止計時，開始計算聲波接收時刻與發(fā)射時刻的時

34、間差 t，由于聲波在空氣介質(zhì)中的速度是固定的，我們可以根據(jù)式 SCt2 計算出聲波輸出路徑的一半距離，即發(fā)射端距被測物的距離。超聲波測距的精準度不僅會受到自身器件的影響，也會受到外界環(huán)境因素的影響。其中復(fù)雜的地形地貌、惡劣的氣候環(huán)境對測量精度都有很大程度的影響，我們要從多方面的來考慮，以減少外界對測量的不利影響。其中，自身元器件的優(yōu)劣更會對測距具有決定性影響，接收換能器在測距中扮演一個至關(guān)重18第 18 頁要的角色，對測距精度有決定影響。因此，我們?yōu)榱嗽黾訙y量的范圍、減小測量的誤差，可以適當采用多個換能器來設(shè)計接收電路。超聲波是聲波的一種，同樣也具有聲波應(yīng)有的特性，其速度的快慢也會受溫度的影響

35、。5.2 超聲波發(fā)射電路本次設(shè)計的發(fā)射電路原理圖如下圖 5-2 所示。其發(fā)送電路的由三個反相器和兩個發(fā)送換能器來組成，采用這種設(shè)計的目的是為了提高其驅(qū)動能力，縮短其自由振動所用的時間。圖5-2 超聲波發(fā)射電路原理5.3 超聲波檢測接收電路此次設(shè)計采用紅外檢波來構(gòu)成接收電路，它具有很高的集成性和抗外界干擾的能力。這種設(shè)計更加方面能夠提高改變電容的大小，來提升其靈敏度和抗外界干擾的能力更加簡單使用，能夠滿足不同要求的接收電路。檢測接受電路如下圖5-3所示：圖 5-3 超聲波檢測接收電路19第 19 頁5.4 ISD1700 語言模塊ISD1700 系列是一種新型單片機語言錄放芯片，芯片具有揚聲器驅(qū)

36、動線路、振動器、自動增益控制、麥克風擴大器與內(nèi)存等功能，在錄音和播音上更加方便。語言模塊如圖 5-4 所示。5.4.1 接線說明ISD1700 語言模塊的接線設(shè)計只需要提供外面供電系統(tǒng)，其內(nèi)部電路接線都采用焊接的方式來連接。本次設(shè)計我們只需在 DC005 電源接口提供 5V 電源供電，實現(xiàn)語言報警功能需要外界小喇叭，可以將 SP+ 和 SP-外接喇叭的+ 和-相連接5.4.2 按鍵說明1錄音 REC:按住錄音鍵，當系統(tǒng)的 LED 燈亮起時，我們對著麥克風說話就能夠?qū)⒄Z音內(nèi)容錄進系統(tǒng)芯片里了。錄完一段后松開此鍵，在 LED 燈熄滅后，再用相同方法錄制下一段。2. 放音 PLAY:有邊沿觸發(fā)和電平

37、觸發(fā)兩種方式。當我們按住播放鍵時就會播放指針所指示當前段，在語音播放結(jié)束時播放指針仍然會停在剛剛播放的語言開始位置。3快進 FWD:快進鍵的功能就是實現(xiàn)播放下一段語音的目的，當放音結(jié)束后如果不點擊快進鍵則仍會播放上一段語音，只有按住快進鍵才會將語音指針移到下一段話的開始位置，播放下一段語音。4復(fù)位 RESET:按住此鍵芯片就會執(zhí)行復(fù)位操作。復(fù)位后，錄音和播音功能指針都指向最后一段。若此時錄音會接著最后一段開始錄，播音則播放第一段。5調(diào)音 VOL:按住此鍵可以調(diào)節(jié)音量大小，系統(tǒng)默認音量為最大音量。每按一次，音量會減小一次，循環(huán)往復(fù)直到回到最大音量。20第 20 頁圖 5-4 ISD1700 語言

38、模塊21第 21 頁第六章 系統(tǒng)軟件設(shè)計6.1 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)程序由如下幾部分組成：(1)基于 YB1602 的顯示電路模塊，由復(fù)位程序控制、寫入程序編輯、顯示程序輸出顯示內(nèi)容。(2)聲波發(fā)射控制程序與接收出來程序共同控制聲波的收發(fā)功能，以用來計算測量距離。(3)本次設(shè)計采用 C 語言來編寫軟件程序，編譯器則使用 Keil 來進行程序的編譯，其具有使用方便、使用范圍廣的優(yōu)點。系統(tǒng)的主程序，可分為初始化和按鍵處理等各個子程序。如圖 6-1 所示描述了各個模塊的關(guān)系：超聲波發(fā)射超聲波接收計算距離LED 顯示模塊語音報警模塊按鍵處理圖 6-1 系統(tǒng)軟件方框圖6.2 系統(tǒng)程序的流程超聲波測距系統(tǒng)的

39、軟件程序部分，采用分塊模塊設(shè)計的方法來設(shè)計。通過主程序來控制，超聲波發(fā)射接收子程序在其中起到傳輸測距功能，再輔以計算距離子程序、顯示電路子程序和語言預(yù)警子程序等各個模塊共同組成系統(tǒng)的軟件程序。如圖 6-2 為主程序流程圖。首先為系統(tǒng)供電，當系統(tǒng)上電后會立即進行系統(tǒng)的初始化。通過掃描開關(guān)控制按鈕，檢測按鈕 K1 是否開啟，若尚未開啟則系統(tǒng)不工作。檢測到按鈕開啟時，開始進行距離測量。開始測量的同時定時器開始計時，當系統(tǒng)檢測到超22第 22 頁聲波回波時，定時器立即停止定時并保存定時器計時值。然后根據(jù)定時器計時值來計算測量距離，計算得到測量距離后使用數(shù)碼管顯示直觀的展示出來。測量完畢后需要將顯示電路

40、和按鍵電路復(fù)位，才能重新執(zhí)行下一次測量。本次設(shè)計必須要記錄測距的原始數(shù)據(jù)，測量后立即復(fù)位清零進行下一次測距。系統(tǒng)初始化K1 閉合？發(fā)射超聲波，T1 計時接收到發(fā)射波？T1 停止計時，保存定時值根據(jù)計算距離顯示測量距離N=NYY開始圖 6-2 主程序流程23第 23 頁6.3.超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序超聲波是通過發(fā)送端口發(fā)送出一段脈沖信號，來產(chǎn)生超聲波發(fā)送出去。并由定時器開始計時，當超聲波回波被接收到時，立即執(zhí)行接收中斷子程序，使計時器停止計時，并且將測距標志位賦值為 1，即表示測距成功。若未接收到回波信號，在此時的標志位不變化依然為 0，即認為測距不成功。如圖 6-3 所示： K

41、1 閉合發(fā)射超聲波，T1 計時接收到反射波波T1 停止計時，保持定時值開始系統(tǒng)初始化圖 6-3 超聲波發(fā)送及超聲波接收程序流程圖24第 24 頁第七章 總結(jié)本文在了解掌握汽車工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和道路安全的基礎(chǔ)上，提出汽車防撞系統(tǒng)在道路安全駕駛上的重要性。文中對超聲波測距的基本理論原理和現(xiàn)實應(yīng)用進行了詳盡的論述，并詳盡的介紹了 STC89C51 系列單片機的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，進行工作流程的描述，并對系統(tǒng)的主程序、顯示子程序和語言報警程序進行系統(tǒng)而有效設(shè)計。汽車防撞報警系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于汽車安全行駛、停車、倒車等場合，其能做到提醒駕駛員在行駛或停倒車過程中障礙物和行人所在的位置，是駕

42、駛員提前有效的避免交通意外的發(fā)生，具有很強的實用價值。然而，系統(tǒng)的測量距離有限，只能在中短距離下預(yù)警以提醒駕駛員。另外，如果周圍環(huán)境十分復(fù)雜，那么該系統(tǒng)的測量精準度就會有所下降，從而影響駕駛員對周圍的判斷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車制造工業(yè)技術(shù)水平的上升。汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)也會隨著元器件的改進，而提高自身測量性能及提前預(yù)警的性能，使得防撞預(yù)警系統(tǒng)能完美有效的應(yīng)用于汽車駕駛上。25第 25 頁致謝首先感謝我的指導(dǎo)老師劉*老師。論文從選題、結(jié)構(gòu)安排、文字處理直至最終定稿的全過程無一不是在劉老師的悉心指導(dǎo)、嚴格要求和親切關(guān)懷下完成的。我的導(dǎo)師劉老師從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍遍地指出每稿中的具體

43、問題，為了論文傾注了大量心血。在此我表示衷心感謝，同時我還要感謝在學(xué)習和生活上給我極大關(guān)心和支持的各位老師和朋友們。時光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時節(jié)。離校日期已日趨漸進，畢業(yè)論文的完成也隨之進入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！在此我向安徽三聯(lián)學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的所有老師表示衷心的感謝，謝謝你們四年的辛勤栽培，謝謝你們在教學(xué)的同時傳授我們做人的道理，謝謝四年里面你們孜孜不倦的教誨！在學(xué)校的四年中，所收獲的不僅僅是愈加豐厚的知識，更重要的是在閱讀、實踐中所培養(yǎng)的思維方式、表達能力和廣闊視野。很慶幸這四年來我遇到了

44、如此多的良師益友，無論在學(xué)習上、生活上，還是工作上，都給予了我無私的幫助和熱心的照顧，讓我在一個充滿溫馨的環(huán)境中度過四年的大學(xué)生活。感恩之情難以用言語量度，謹以最樸實的話語致以最崇高的敬意。最后，向所有關(guān)心我的親人、老師、朋友表示衷心的感謝。我會銘記大學(xué)的奮斗歷程，今后工作中會努力拓展電子科學(xué)的領(lǐng)域。26第 26 頁參考文獻1 朱月秀，單片機原理與應(yīng)用(第二版).北京:科學(xué)出版社, 2004.2 周良權(quán)，傅恩錫, 李世馨.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第 2 版).北京:高等教育出版社, 2001.3 侯德藻.汽車縱向主動避撞系統(tǒng)的研究.北京:清華大學(xué),2004.4 邱平.略論我國非金屬超聲波檢測儀器的發(fā)

45、展狀況.工程質(zhì)量, 1998.5 超聲波探傷編寫組.超聲波探傷.北京:電力工業(yè)出版社, 1980.6 李鳴華，余水寶.單片機在超聲波料位測量中的應(yīng)用.電子技術(shù)應(yīng)用, 1998.7 李麗霞.單片機在超聲波測距中的應(yīng)用.電子技術(shù), 2002.8 荀殿棟.數(shù)字電路設(shè)計實用手冊.北京:電子工業(yè)出版社, 2003.9 戴曰章.基于 STC89C51 單片機的超聲波測距系統(tǒng).電氣時代, 2005.10 董敏學(xué).汽車倒車防撞防止系統(tǒng)設(shè)計.上海汽車, 2001.11 董子和,李永輝.超聲波測距系統(tǒng)的建立及其在汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用.汽車電器 1997.12 李茂山.超聲波測距原理及實踐技術(shù).實用測距技術(shù),北京:機

46、械工業(yè)出版社, 1994.13 雷輝.基于 STC89C51 的智能防撞報警器設(shè)計.電氣時代, 2005.14 黃建兵.超聲波精確測距的研究.南京理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文, 2004.15 李全利, 遲榮強.單片機原理及接口技術(shù).北京:高等教育出版社, 2004.16 曾城.基于 CAN-BUS 的汽車防撞報警系統(tǒng)控制單元的研究開發(fā).西安:長安大 學(xué),2004.17 胡鐵紅.高速公路追尾及側(cè)向碰撞預(yù)警系統(tǒng)模型的研究.西安:長安大學(xué),2004.18 趙緯華.高速公路碰撞預(yù)防報警系統(tǒng)傳感器及電源研究.西安:長安大學(xué),2004.19 Gabriel leen, Dond Heffernam,and al

47、an Dune. Digital Networks in the AuT0motive Vehicle.IEE Computing & Control Engineering journal. 2006.20 A. D. C. Specification for NISSAN 172 ACC Radar System ARS100. Jun 20, 2007 21 Miles UpT0n. Techinques For Distance Measurement SAE95. 2003.27第 27 頁附錄 1 源程序#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define ulong unsigned longsbit SMG_q = P10; /定義數(shù)碼管陽級控制腳（千位）sbit SMG_b = P11; /定義數(shù)碼管陽級控制腳（百位）sbit SMG_s = P12; /定義數(shù)