汽車倒車防撞警報器的設(shè)計說明

1、 .PAGE28 / NUMPAGES28中國地質(zhì)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）職業(yè)大學(xué)教學(xué)（站）點課題名稱： 汽車倒車防撞報警器的設(shè)計 學(xué)生： 濤 學(xué)號： 2010020124 指導(dǎo)老師： 黃明 評閱老師：時間2012年12月 目錄摘要2一、引言3二、正文 31、本設(shè)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(xiàn)24成績評定25摘要針對我國交通安全的需要，以與國外汽車電子技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，綜合汽車

2、工程學(xué)、汽車電子技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)等多學(xué)科理論，從必要性、可行性、實用性和經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(yīng)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)展與基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理與特性。對于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)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(shè)計方案比較，得出了最佳設(shè)計方案，并對系統(tǒng)各個設(shè)計單元的原理進(jìn)行了介紹。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進(jìn)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。

3、最后，通過對系統(tǒng)的誤差分析，給出了系統(tǒng)的改進(jìn)方案。關(guān)鍵字：超聲波；汽車倒車；防撞；報警器；傳感器一、引言本次設(shè)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(jìn)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(jī)，執(zhí)行主控制器命令，控制小車的前進(jìn)、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(jì)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(yán)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(jì)損失，針對這種情況，設(shè)計一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)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?/p>

4、本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當(dāng)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，并利用指示燈與蜂鳴器把車輛到障礙物的距離與位置與時通知駕駛?cè)藛T，起到安全的作用。二、正文（1） 本設(shè)計的目的本設(shè)計可望成為駕駛員特別是貨車以與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、倒車入庫以與進(jìn)入停車場停車到位，甚至還能防止盜賊扒車，本設(shè)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

5、是最常見的一種距離測距方法，應(yīng)用于汽車停車的前后左右防撞的近距離，低速狀況，以與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?，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當(dāng)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，并利用指示燈與蜂鳴器把車輛到障礙物的距離與位置通知駕駛?cè)藛T，起到安全的作用（2）條件超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械與材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一。超聲技術(shù)是通過超聲波產(chǎn)生、傳播與接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向與反射、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(guān)，在使用時，如果溫度變化不大

6、，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)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(jī)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

7、，障礙物到汽車的距離以與障礙物的位置。當(dāng)車后無障礙物時，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，可以判斷檢測圍有無障礙物。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(guān)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(jī)組件置于貨艙，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(jī)組件之間采用屏蔽線相連，因此消除了外部與外部傳入的干擾.超聲波測距的基本原理同聲納回聲定位法的原理是基本一樣的，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

8、提供一個短脈沖。超聲波接收器則在接受到所發(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

9、度。則C= 2-2對于理想氣體，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(guān)，若溫度不變，則聲音在空氣中的速率與氣壓無關(guān)。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(rèn)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

10、-30-30變化為313-349m/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(yuǎn)，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(shè)計由發(fā)射部分、接收部分、與報警部分組成（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)送器與發(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

11、回路、雙穩(wěn)回路組成。接收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(jìn)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)器與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(kuò)展部分（虛線部分）當(dāng)電源電壓偏低時，同樣使報警電路導(dǎo)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、譯碼器與顯示器組成。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(jìn)入計數(shù)器被計數(shù)，一旦接收到反射波信號，即關(guān)閉閘門，

12、數(shù)據(jù)被鎖存，經(jīng)譯碼后通過顯示器顯示出來。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(dāng)物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W(xué)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(dāng)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(yīng)用在多種技術(shù)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

13、有關(guān)。聲波是物體機(jī)械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運動。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機(jī)械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。超聲波具有以下的特點：（1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 （2） 超聲波可傳遞很強的能量。 （3） 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 （4） 超聲波在液體介質(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)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波

14、發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不一樣，因而用途也各不一樣。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器部結(jié)構(gòu)，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信

15、號，這時它就成為超聲波接收器了。5.3超聲波測距原理在超聲波探測電路中, 發(fā)射端輸出一系列脈沖方波, 其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔, 被測物距越遠(yuǎn), 脈沖寬度越大, 輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲波測距的方法有多種, 如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高, 但檢測圍有限可檢測到汽車倒車中, 其障礙物與汽車的距離；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法, 其測量原理圖如圖1所示。圖2.1 超聲波測距原理圖其原理為: 在超聲波發(fā)射器兩端輸入40KHZ 脈沖串, 脈沖信號經(jīng)過超聲波部振子, 振蕩產(chǎn)生機(jī)械波, 并通過空氣介質(zhì)

16、傳播到被測面, 由被測面反射到超聲波接收器接收, 在超聲波接收器兩端, 信號是毫伏級的正弦波信號, 超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間, 即為往返時間。超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法,其中常用脈沖回波法測距。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 ,其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波, 超聲波在空氣中傳播至障礙物, 經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖, 測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間, 再乘以超聲波在空氣中的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離, 即： L=ct/2 (1)式（1）中, L為超聲傳感器與被測障礙物之間的距離, c為超聲波在介質(zhì)(空氣)中的傳輸速率, t為超聲波從發(fā)射到接收的時間

17、。超聲波在空氣中的傳播速度為:, 其中T為絕對溫度數(shù)值, ,。在測量精度不是很高的情況下, 一般可以認(rèn)為c為常數(shù)340m/s。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波又很難精確捕捉,致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素是使用超聲測距引起誤差的原因。(6)超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=ct/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。溫度誤差由于超聲波也是一種聲波。其聲速C與溫度有關(guān)。表1列出了幾種不同溫度下的聲速這是超聲波的溫度效應(yīng)特性，超聲波的傳播速度“C”可以用公式(2)表示：C331.50.607t（m/s）,式

18、中t=溫度（）。因此要精確測量與某個物體之間的距離時，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。時間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差st2/3 VCC1/3 VCC0導(dǎo)通11.3VCC不變不變1X2/3 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(dāng)TR1/3VCC時，使VA1=1，VA2=0，Q=1，放電管VT截止。維持功能： 當(dāng)TR2/3VCC時，TR1/3VCC，使VA1=1，VA2=1，Q狀態(tài)維持不變?nèi)绻陔妷嚎刂贫耍?腳）施加一個外加電壓（其值在0VCC之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應(yīng)的閥值、觸發(fā)電平也將隨之變化，并進(jìn)而影響電路的工作狀態(tài)。NE555管腳如圖12：的瓷雙列直插或金屬外殼的封裝形式，有八個管腳，1腳（GND0為地，2腳（TR）為觸發(fā)端，3腳（OUT）為輸出，4腳（RD）為復(fù)位端，5腳（K）為控制端，6腳（TH）為閥值端，7腳（D）為放電端，8腳（VCC）為電源正端。 NE