汽車倒車防撞警報器的設計

1、中國地質(zhì)大學畢業(yè)論文（設計）課題名稱： 汽車倒車防撞報警器的設計 目錄·摘要· 2一、引言 3二、正文 3 1、本設計的目的 3 2、條件 43、模型的建立64、原理框圖65、工作原理76、超聲波測距誤差分析97、影響超聲波探測的因素10三、元件選擇清單13四、實驗安裝14五、系統(tǒng)調(diào)試16六、實驗結(jié)果17七、小結(jié)18·元器件介紹·19·結(jié)束語·24·參考文獻· 24··25摘要針對我國交通安全的需要，以及國內(nèi)外汽車電子技術的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，綜合汽車工程學、汽車電子技術、通訊技術和控制技術等多

2、學科理論，從必要性、可行性、實用性和經(jīng)濟性等角度出發(fā)，提出開發(fā)研制汽車防撞報警系統(tǒng)。目的在于當行車處于危險狀態(tài)時，發(fā)出報警，提醒駕駛員或自動采用相應措施，從而減少或避免高速公路碰撞事故的生。 論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。對于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個設計單元的原理進行了介紹。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過對系統(tǒng)的誤差分析，給出了系統(tǒng)的改進

3、方案。關鍵字：超聲波；汽車倒車；防撞；報警器；傳感器一、引言本次設計的汽車倒車防撞系統(tǒng)，它是以STC89C52作為主控制器，用超聲波模塊對距離進行距離測試，并將信號發(fā)給主控制器。用L298芯片驅(qū)動直流電機，執(zhí)行主控制器命令，控制小車的前進、減速、停止。LED和蜂鳴器報告檢測出汽車后方有障礙物。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟損失，針對這種情況，設計一種響應快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦哉凵?，反射，干涉，衍射，散射。超?/p>

4、波測距即是利用其反射特性，當車輛后退時，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置及時通知駕駛?cè)藛T，起到安全的作用。二、正文（1） 本設計的目的本設計可望成為駕駛員特別是貨車以及公共汽車駕駛員的好幫手，可有效的減少和避免那些視野不良的大型汽車的如冷藏車、集裝箱車、垃圾車、食品車、載貨車、公共汽車等倒車交通事故，另外還特別適用于夜間輔助倒車、倒車入庫以及進入停車場停車到位，甚至還能防止盜賊扒車，本設計成本低廉，性能優(yōu)良，市場前景極為廣闊，對提高我國汽車工業(yè)實際水平，具有較大的時間意義。超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，應用于汽車停車的

5、前后左右防撞的近距離，低速狀況，以及在汽車倒車防撞報警系統(tǒng)中，超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦哉凵洌瓷?，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當車輛后退時，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛?cè)藛T，起到安全的作用（2）條件超聲技術是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的通用技術之一。超聲技術是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求

6、很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機理。 超聲波距離傳感器采用壓電元件鋯鈦化鉛，一般稱為RZT，這種傳感器的特點在于具有方向性，傳感器用蜂鳴器的紙盒為橢圓形，目的是使傳感器的水平特性寬，而且垂直方向受到限制。超聲波距離傳感器是利用“回聲”現(xiàn)象制成汽車所用的倒車聲納系統(tǒng)，倒車時想車輛后方發(fā)射超聲波，測定超聲波遇到障礙物后返回的時間，再把這一時間置換成距離再加以顯示。超聲波比人耳能聽到的聲波頻率要高，具有方向性，并且只能檢測車輛后方的障礙物。它的功能是判定和顯示車輛后方有無障礙物，障礙物到汽車的距離以及障礙物的位置。當車后

7、無障礙物時，隨著距離的增加，超聲波逐漸衰減，也就是說根據(jù)向車后發(fā)射的超聲波是否返回，可以判斷檢測范圍內(nèi)有無障礙物。向車后發(fā)射的超聲波遇到障礙物返回時，測定所需的時間，根據(jù)時間與距離成正比的關系，就可以判斷車到障礙物的距離。此外，車輛后方劃分為左中右三個區(qū)域，就可以判斷出障礙物在何處，四個超聲波發(fā)生器置于后減震器中，微機組件置于貨艙內(nèi)，駕駛?cè)藛T回頭時即可看到障礙物的顯示。超聲波距離傳感器和微機組件之間采用屏蔽線相連，因此消除了外部及外部傳入的干擾.超聲波測距的基本原理同聲納回聲定位法的原理是基本相同的，超聲波發(fā)生器不斷發(fā)射出40kHz超聲波，并給測量邏輯電路提供一個短脈沖。超聲波接收器則在接受到

8、所發(fā)射超聲波遇障礙物反射回來的反射波后，也向測量邏輯電路提供一個短脈沖，再利用雙穩(wěn)電路把上述兩個短脈沖轉(zhuǎn)化為一個方脈沖。方脈沖的寬度即為兩個短脈沖之間的時間間隔。測量這個方波脈沖寬度就可以確定發(fā)射器與探測物之間的距離。根據(jù)測量出輸出脈沖的寬度。即測得發(fā)射超聲波的時間間隔，從而就可求出汽車與障礙物之間的距離S：S=1/2（Ct） 2-1式中C超聲波音速由于超聲波也是聲波，故C即為音速。音速為C=式中 氣體的絕緣體積系數(shù)（空氣為1.4） P氣體的氣壓（海平面為1.013*108Pa） 0氣體的密度（空氣為1.29kg/m3） 對于1ml空氣，質(zhì)量為m，體積為V，密度。則 C= = 2-2對于理想氣

9、體，有 PV=RT 2-3式中 R摩爾氣體常數(shù) T絕對溫度因此C=由于、R、m均為已知常數(shù)，故聲速C僅與溫度T有關，若溫度不變，則聲音在空氣中的速率與氣壓無關。在0的空氣中，C0=331.45m/s。對于任意溫度下，有Ci/C0= / ,即Ci=331.45/在某一地區(qū)使用，因溫度變化不大，可以認為聲速是基本恒定不變的。確定了聲速，只要測得超聲波信號往返的時間，即可求得距離。（3）模型的建立超聲波測距儀原理簡單，制作方便，成本比較低，但其作為高速行駛車輛上的測距傳感儀不可取，只要有兩方面的原因：一是超聲波的速度C受外界環(huán)境變化影響較大。在不同的溫度下，聲速是不同的，在-30-30變化為313-

10、349m/s，而且聲速C還隨雨、霧、雪等天氣的變化而變化，不能精確測距。二是由于超聲波能量是與距離的平方成正比而衰減的，故距離越遠，反射回的超聲波越少，靈敏度下降很快，從而使得超聲波測距方式只適用于較短距離。發(fā)射電路接收電路低頻調(diào)制器時鐘振蕩雙穩(wěn)計數(shù)器顯示電路障礙物 （4）聲光報警器的電路原理框圖本設計由發(fā)射部分、接收部分、及報警部分組成（見圖2）。a.發(fā)射部分 由低頻調(diào)制器、雙穩(wěn)回路、40kHz振蕩器、功率發(fā)送器及發(fā)射探頭等組成。40kHz振蕩器受雙穩(wěn)態(tài)賄賂控制斷續(xù)送出經(jīng)低頻調(diào)制器的信號，經(jīng)功率放大器放大，由超聲探頭向車后發(fā)射。b.接收部分 由接收探頭、放大電路、整形回路、雙穩(wěn)回路組成。接收

11、探頭接收到反射信號由放大器放大后，再送入施密特觸發(fā)器進行整形，然后輸入報警部分。c.報警部分 由近距檢測、平滑電路、觸發(fā)器及聲光報警器電路組成。因探測到的反射波信號是一組脈沖信號，將其平滑后送入觸發(fā)器，一旦超過觸發(fā)閥值報警電路就接通，發(fā)出聲光報警。擴展部分（虛線部分）當電源電壓偏低時，同樣使報警電路導通發(fā)出聲光報警。另外在接通電源的同時接通語言報警電路，不斷放出：倒車，請注意“的語言報警聲。數(shù)字顯示部分（虛線部分）由時鐘振蕩器、計數(shù)器、譯碼器及顯示器組成。時鐘振蕩器一接通電源即開始振蕩，但只有計數(shù)器的閘門打開時，它才能進入計數(shù)器被計數(shù)，一旦接收到反射波信號，即關閉閘門，數(shù)據(jù)被鎖存，經(jīng)譯碼后通過

12、顯示器顯示出來。發(fā)射 振蕩接收放大低調(diào)濾波雙穩(wěn)平滑計數(shù)器時鐘振蕩譯碼顯示觸發(fā)穩(wěn)壓生光報警障礙物電壓監(jiān)視語音報警電源 圖4 汽車倒車防撞測距報警器原理（5）工作原理5.1超聲波我們知道，當物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。人類耳朵能聽到的聲波頻率為2020，000HZ。當聲波的振動頻率大于20000HZ或小于20HZ時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000HZ的聲波稱為“超聲波”。超聲波廣泛地應用在多種技術中。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。由于超聲波也是一種聲波，超聲波在媒質(zhì)中傳播的速度和媒質(zhì)的特性有關。（4） 超聲波在

13、液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象5.2超聲波發(fā)生器5.3超聲波測距原理(6)超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=c·t/2，可知測距的誤差是由超聲波的溫度誤差、傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。溫度誤差 (7) 影響超聲波探測的因素三、元件選擇清單型號名稱數(shù)量備注MA40EIS超聲波發(fā)射器1MA40EIR超聲波接收器1CX20106紅外線接收模塊1單列，八腳CD40106六施密特觸發(fā)器1CD4013雙D觸發(fā)器1NE555定時器2LED發(fā)光二極管1CA3410運算放大器1揚聲器12N4181二極管2電阻4.7，240，620，300，100，47K，2

14、2K，10K（3），180K，200K，30K，8.2K電位器22K，10K電容0.1F（3），1000pF，0.01F（4），330pF，250pF，電解電容1F（1）, 47F, 100F, 2.3F四、實驗安裝 在實驗初期，把電路元件安裝在數(shù)字實驗箱上進行模擬實驗，40kHz超聲波發(fā)射電路是實驗最主要的一部分，只有調(diào)制出這個40kHz超聲波才可以做后續(xù)實驗，超聲波的發(fā)射電路見圖5：圖5 40Hz超聲波發(fā)射電路在實驗的過程中，電阻R5的大小影響輸出波形的范圍：當R5 為47K時，頻率從10.868kHz-26.050kHz; 改變到8.2 K時，調(diào)節(jié)范圍增大到21.243 kHz -70.

15、183 kHz，改變滑動觸頭則可調(diào)到40KHz，波形見圖6：圖6 發(fā)射信號波形（f=40.124kHz）實驗箱上模擬在示波器上顯示出如上信號的方波，然后將后續(xù)接受電路安裝上，進行下一步實驗，低頻調(diào)制信號見圖7：由CD40106的4引腳出來的信號見圖8： CD4013的一腳出來信號見圖9 報警部分的電路圖如圖10： 聲光報警器的電路五、系統(tǒng)安裝與調(diào)試實驗焊接完畢后就應該根據(jù)設計線路圖進行調(diào)試，以便檢測其實際的性能。 調(diào)試過程是利用符合指標要求的各種電子測量儀器，對安裝好的電路或電子裝置進行調(diào)整和測量，以保證電路或裝置正常工作。因此調(diào)試必須按一定的方法和步驟進行。 不通電檢查電路安裝。認真檢查接線

16、是否正確，如多線，少線或錯線，尤其是電源線不能接錯或接反。查線方法：按照設計電路接線圖檢查安裝電路，在安裝好的電路中按電路圖一一對照檢查連線，在檢查中要對已經(jīng)檢查過的連線做標記，使用萬用表對檢查連線很有幫助。 直觀檢查電源，地線，信號線，元器件接線端之間有無短路，聯(lián)線處有無接觸不良，有極性元器件引線短有無接錯，反接等，集成塊是否插對。 通電觀察。把經(jīng)過準確測量的電源電壓加入電路，但暫不接入信號源信號。電源接通后，首先觀察有無異?，F(xiàn)象，包括有無冒煙，異常氣味。觸摸元件是否發(fā)燙，電源是否短路等。如果出現(xiàn)異常，應立即切斷電源，排除故障后，才可重新通電。 調(diào)試過程中，不但要認真觀察和測量，還要認真記錄

17、。包括記錄觀察的現(xiàn)象，測量的數(shù)據(jù)，波形及相位關系。必要時在記錄中應附加說明，尤其是那些和設計不符的現(xiàn)象更是記錄的重點。依據(jù)記錄的數(shù)據(jù)才能把實際觀察到的現(xiàn)象和理論預見的結(jié)果加以定量比較，從中發(fā)現(xiàn)問題，加以改進，最終完善設計方案。通過收集第一手資料，可以幫助自己積累實際經(jīng)驗，切不可低估記錄的重要作用。六、實驗結(jié)果 數(shù)據(jù)記錄分析處理連續(xù)測量十次數(shù)據(jù)分別是：L1=2.1m，L2=1.9m，L3=2.0m，L4=1.8m，L5=1.9m，L6=2.1m，L7=2.3m，L8=2.1m，L9=2.3m，L10=2.2m求其平均數(shù)數(shù)為：L=2.07 mL1=0.03m，L2=-0.17m，L3=-0.07m

18、，L4=-0.27m，L5=-0.17m，L6=0.03m，L7=0.23m，L8=0.03m，L9=0.23m，L10=0.17m。均方差S2 （L）= S2(L)/10=0.003七、小結(jié)本文設計的汽車倒車防撞報警器吸取了國內(nèi)外各種報警器結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、造價低廉等部分特點，并結(jié)合汽車電子工業(yè)發(fā)展方向而設計的，它具有以下功能： a.倒車時能自動測出車尾與最近障礙物間的距離。 b.倒車至極限安全距離2米時，發(fā)出報警聲提醒駕駛員注意剎車。 c.在倒車過程中，實現(xiàn)實時報警。 但由于實驗時間短暫和某些芯片的原因，實驗結(jié)果不是很理想，報警距離有所增加，在2米左右的時候就開始報警，而且距離越進則聲音

19、越急促，響聲不連續(xù)，實時報警未能實現(xiàn)。智能化的信息融合技術是當今智能汽車的發(fā)展前景,它使得車輛能夠利用多傳感器集成技術以及融合技術,結(jié)合環(huán)境信息、交通狀況信息做出一個最優(yōu)決策,實現(xiàn)車輛自動感知前方的障礙物,及時采進行避讓;通過對前方信號的識別,自動停車或運行;通過對路標的自動識別,避免違章行為等,從而可以大大降低車輛事故的發(fā)生,同時減輕司機駕駛的負擔,盡量降低司機疲勞駕駛的可能性。當然，智能汽車的發(fā)展還有很長的路要走，但是未來交通必然是由智能車主宰，再配合上智能交通系統(tǒng)，人們的夢想高速安全便捷的交通運輸將不再是夢。集成電路芯片及電路元件的介紹1.1 元件參數(shù)單列8腳封裝,電源電壓=17V,輸入

20、電壓=5Vp-p,低電平輸出電壓=0.2V,電源增益=79dB,靜態(tài)工作電流=1.8mA,功耗=0.6W,工作溫度=-2075,貯存溫=-551501.2 CX20106A其引腳功能如下：1)信號輸入端2)調(diào)整預放大器增益及頻率特性3)連接檢波電容4)接地5)調(diào)整中心頻率6)連接噪聲濾波電容器7)信號輸出8)電源電壓外形如圖10：圖10 CX20106A管腳單列直插8腳或圓筒8腳封裝，電源電壓±2-±18V，開環(huán)電壓100dB，輸入偏置電流5pA，轉(zhuǎn)換速率9V，輸出電壓13 V。2.超聲波傳感器原理：發(fā)射發(fā)射器中壓電陶瓷和諧振片組成的振子，當交變電信號從引線加到發(fā)射器中，振

21、子彎曲振動，驅(qū)動錐形口發(fā)出超聲波。2.1 MA40EIS/EIR超聲波發(fā)射/接收傳感器超聲波是一種彈性介質(zhì)種的機械振蕩，它兩種形式；橫向振蕩波和縱向振蕩波。超聲波可以在氣體，液體，固體物質(zhì)中傳播，但是其傳播速度不同。它也有折射，反射現(xiàn)象，且在傳播過程中椰油衰減，在氣體中傳播時衰減快，傳播距離近；在液體固體中傳播衰減慢，傳播距離遠。常見在空氣中的傳播頻率為幾十千赫茲，而在液體和固體中傳播頻率相對較高。由于超聲波具有功率大，穿透力強，傳播定向性好等優(yōu)點，因此可以應用于很對領域，可實現(xiàn)加熱，清洗，霧化，測距，遙控許多功能，利用超聲波的的特點，可以做成各種超聲波傳感器.2.2 外形電路符號以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

22、 外形 符號 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖9 超聲波傳感器外形、符號、內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1、2為雙壓電晶片振子，3、4為兩極，5為圓錐共振板）2.3 電氣參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值工作中心頻率40KHz±1 KHz聲壓電平(距離30CM,輸入電壓10V)在中心頻率時大于106dB帶寬（MA40EIS）在100dB時大于1.5 KHz帶寬（MA40EIR）在-80dB時大于2.0 KHz靈敏度（MA40EIS）大于100dB靈敏度（MA40EIR）-74dB電容（pF）（2200±20）%（在1 KHz時）發(fā)送器最大輸入20V接收器接收角度約為60°溫度特性-30+80范圍內(nèi)靈敏度變化在-10dB以

23、內(nèi)表2 電氣參數(shù)和特性2.4 工作原理及應用當施加與超聲波傳感器兩極上40KHz的振蕩脈沖時，發(fā)射器的工作腔內(nèi)發(fā)生振蕩效應,產(chǎn)生40KHz的超聲波振蕩機械波向空中輻射，接收傳感器回收到40KHz的超聲波振蕩波時，接收器中的諧振腔和外部40KHz的超聲波發(fā)生共振，將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號去控制電子電路工作，從而達到遙控目的。由于超聲波換能器收發(fā)信號均是40KHz頻率，所以只有40KHz的超聲波產(chǎn)生即可被接收器接收。此類遙控接收器基本工作應用電路類型分為三種：a直射型，應用于遙測以及報警電路b分離反射型，主要應用于測距，料位測量電路c 反射型，應用于材料的探傷，測厚電路3.CD40133.1 基本工作

24、方式CD4013是CMOS雙D觸發(fā)器，其管腳排列如圖，內(nèi)部有兩個完全相同的D觸發(fā)器FF1和FF2。D 為輸入端，CP為時鐘脈沖輸入端，Q和Q為互補的輸出端，S 為置位端，R復位，VDD和VSS分別為電源正負端。功能表如下，有表可見，當R=S=0時，在CP 上升沿作用下，Q與D狀態(tài)相同。也就是將D端數(shù)據(jù)置入觸發(fā)器，當R=S=1時，Q=1；R=1，S=0時，Q=0稱為直接置1，和直接0，無需CP 和D配合。CPDRSQn+101001000x00Qnxx100xx011表3 CD4013功能表 FF2FF1 圖11 CD4013 管腳排列4.NE5554.1 基本工作原理它是一種時基電路，能在4.

25、5-18V電源下工作，輸出電平可與TTL，CMOS，HTL邏輯電路兼容，振蕩精度與外接元件特性有關，具有200MA的吸收或供出電流，可直接推動揚聲器，電感等低電阻負載。555定時器是一種應用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555、5G555 、C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時電路具有底功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的

26、負載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為516V，最大負載電流可達200MA；CMOS定時器電源電壓為318V，最大負載電流在4MA以下。555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化原理圖12如下： 圖12 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)它由3個阻值為5K的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器A1和A2、基本RS觸發(fā)器、放電BJTT以及緩沖器組成。定時器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJTT的狀態(tài)，輸出VO為低電平。因此，在正常工作時，應將其接高電平。當5腳懸空時，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3VCC和1/3VCC。555定時器的功能如表4：PDTHTROUTVT0XX0導通1>2/3 VCC>1/3 VCC0導通1<2/3 VCC>1.3VCC不變不變1X<1/3VCC0截止表4 NE555邏輯功能真值邏輯功能表述：直接復位功能 ： 當復位端RD=0時，不管其他輸入狀態(tài)如何，輸出Q=0，放電管VT導通。當直復位端不用時，應使RD=1，這時可執(zhí)行復位功能，置位功能，維持功能。復位功能 ： 當閥值輸入端TH>2/3 VCC時，觸發(fā)輸入端TR1/3Vcc，使VAI=0。VA2=1，則Q=1。放電管VT截止。置位功能 ： 當TR<1/3VCC時，使VA1=1，VA2=0，Q=1，放電管