TCT20-12TR超聲波傳感器高速車距檢測畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題目:TCT20-12T/R超聲波傳感器高速車距檢測產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)√類型：學(xué)生姓名：學(xué)號：學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)電一體化班級：學(xué)校指導(dǎo)教師：企業(yè)指導(dǎo)教師：________________________2015年11月19日摘要高速公路交通系統(tǒng)在我國的興起，正改變著我國陸上交通的格局。然而近年來，道路交通安全形勢越來越嚴(yán)峻，交通事故給家庭、集體和國家都帶來了巨大的損失，已成為世界性的嚴(yán)重問題。這其中自高速公路投入使用以來，事故頻發(fā)，已嚴(yán)重影響人們對使用高速公路的信心，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，在眾多的高速公路交通事故中，追尾碰撞引起的事故占最多數(shù)，因此，研發(fā)一種高性能的汽車測距防撞預(yù)警系統(tǒng)成為迫切的需要.本論文是運(yùn)用超聲波測距原理，利用超聲波傳感器進(jìn)行車距信息的采集，然后由單片機(jī)所組成的硬件進(jìn)行信息的分析，如果發(fā)現(xiàn)兩車的距離進(jìn)入了危險(xiǎn)距離，則會發(fā)生報(bào)警來提醒車主，從而讓車主有提前的反應(yīng)時(shí)間，來減少事故的發(fā)生。關(guān)鍵詞：測距；安全行車距；高速路；能見度；報(bào)警目錄1.前言 前言選題背景及意義汽車作為現(xiàn)代人類的交通工具，改變了人們的生活方式，推動了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類文化的進(jìn)步，給人們的生活帶來了極大的便利，但同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的交通安全問題。由于人類的視力容易受到外界的干擾，所以用超聲波傳感器來代替，可以解決能見度的問題，解決一系列不良天氣的影響。而超聲波傳感器的遠(yuǎn)距離也可以讓駕駛者有提前準(zhǔn)備的時(shí)間。從而減少高速路的行車事故的發(fā)生。保障人們的人生安全，幸福的生活。1.2論文的主要內(nèi)容汽車測距報(bào)警系統(tǒng)是一項(xiàng)融合汽車電子技術(shù)和信號處理裝置與通信技術(shù)等多學(xué)科的綜合性課題，雖然國際上已經(jīng)研究了很多年，但在我國這項(xiàng)技術(shù)還是相對落后。所以本論文僅在汽車測距報(bào)警方面進(jìn)行了研究。主要類容有：分析汽車追尾事故過程及原因分析，對如何防止高速路追尾系統(tǒng)提出要求。1）針對系統(tǒng)要求，選擇合適的傳感器進(jìn)行信號的采集。2）設(shè)計(jì)相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電路，報(bào)警電路。3）對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行驗(yàn)證。1.3論文的研究方法與組織結(jié)構(gòu)本論文為理論研究，先從各環(huán)節(jié)的元件配置開始，理論分析，并與相應(yīng)專業(yè)資料相互驗(yàn)證，得到較有效的理論依據(jù)。硬件方面：探討各種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的測距傳感器，并再此基礎(chǔ)上選擇合適的單片機(jī)和傳感器相匹配。軟件方面：在探討行車信息采集與處理方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行編程調(diào)試以及理論驗(yàn)證，根據(jù)分析所得的數(shù)據(jù)提出合理的配置方案，并給出方案的元器件工作原理與相關(guān)的邏輯電路圖，對報(bào)警模塊進(jìn)行優(yōu)化，最終確定高速路車距檢測報(bào)警系統(tǒng)的整體方案。基于系統(tǒng)功能的需求可以確定系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)，它是以微控制器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，是單片機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)控制技術(shù)，和傳感器技術(shù)以及通訊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本文在總體設(shè)計(jì)中的傳感器系統(tǒng)如圖2.1圖2.1汽車測距報(bào)警系統(tǒng)的目標(biāo)與總體設(shè)計(jì)2.1高速路汽車事故分析駕駛員反應(yīng)模式在道路上行駛的汽車系統(tǒng)中，駕駛員是關(guān)鍵因數(shù)，對行車安全起著主導(dǎo)作用。根據(jù)對人體行為的“刺激—機(jī)體—反應(yīng)”經(jīng)典模式，駕駛汽車可分為三個(gè)階段，即感知階段—判斷階段—執(zhí)行階段，如圖1.2所示：圖1.2感知階段。感知階段主要通過視覺與聽覺及觸覺來獲取道路環(huán)和車身的運(yùn)行狀況信息，這一階段主要由感覺器官完成。在感知階段，駕駛員對已存在的道路交通信息的判斷和正確理解，是隨后合理進(jìn)行動作的基礎(chǔ)。對于駕駛員來說，如果沒有完全和準(zhǔn)確的駕駛信息和運(yùn)行狀態(tài)的獲得，極有可能導(dǎo)致判斷失誤和動作失誤。因此，駕駛狀態(tài)意識在駕駛行為中相當(dāng)重要。（2）判斷決策階段。判斷決策階段是駕駛員在感知信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的駕駛員經(jīng)驗(yàn)和技能，經(jīng)過分析，做出判斷，確定有利于安全行駛的措施，這一階段主要由人的大腦完成。在汽車行駛時(shí)，駕駛員需要知道其他車輛和障礙物在哪里，以及它們的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動特性。駕駛員可以從道路環(huán)境，車內(nèi)顯示板或直接感官來識別道路交通狀態(tài)的要素與特征。（3）執(zhí)行階段。執(zhí)行階段是駕駛員依據(jù)判斷決策所得出的實(shí)際反應(yīng)和行動，具體指手和腳對汽車實(shí)施的控制，如加速，減速，制動，轉(zhuǎn)向等。這一階段主要由運(yùn)動器官完成。這樣，駕駛行為不僅式信息感知，判斷，執(zhí)行三個(gè)階段不間斷的多次組合，而且也是三者的連鎖反應(yīng)。這就要求駕駛員式在非常短的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)綜合判斷的結(jié)果及協(xié)調(diào)動作。[1]2.2駕駛安全事故分析引起高速公路汽車發(fā)生安全事故的原因是多方面的，除眾所周知的如車速高，制動安全區(qū)擴(kuò)大，氣候條件差等易于誘發(fā)安全事故外，還有以下幾個(gè)方面的原因。在安全事故發(fā)生的錢一刻時(shí)間，駕駛員獲得道路環(huán)境信息。當(dāng)速度，相對速度和兩車之間的距離超越了安全距離的邁界式，就引起了交通事故。根據(jù)前面的分析，我們可以找出安全事故產(chǎn)生在三個(gè)不同的階段的原因[2]。（1）在感知階段駕駛員需要知道前方車輛的運(yùn)動狀況和自車的運(yùn)動狀況，如果通過感覺器官獲得的信息部準(zhǔn)確，或者不能獲得完整的所需的信息，那么就只有依靠經(jīng)驗(yàn)來駕駛。但是駕駛員在高速駕駛的條件下生理特征會發(fā)生變化：汽車駕駛員通過視覺機(jī)能從交通環(huán)境中獲得80%以上的交通信息，從而實(shí)施駕駛操作。[3].（2）在判斷決策階段，駕駛員根據(jù)所獲的的距離，相對熟讀以及自車速度的信息，得出安全跟車距離。并把當(dāng)時(shí)相對距離與經(jīng)驗(yàn)駕駛的安全距離項(xiàng)比較，如果當(dāng)前距離大于安全跟車距離時(shí)，汽車保持原有的運(yùn)動狀態(tài)或采取加速狀態(tài)。如果當(dāng)前距離小于安全跟車距離式，采用減速或制動的操作。這一階段，如果叛國準(zhǔn)確，則可以避免安全事故的發(fā)生。（3）在執(zhí)行階段。駕駛員根據(jù)所做出的決策進(jìn)行正確操作，如果操作無誤，并且決策準(zhǔn)確，那么就可避免事故發(fā)生。如果在緊急情況下，或者駕駛員來不及反應(yīng)，就會引起誤操作，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。在高速公路上行駛，前車變速式，后車會做出相應(yīng)的反應(yīng)，當(dāng)前車減速式，后車也隨之減速，但經(jīng)過延遲一段時(shí)間，這時(shí)前車加速，但此時(shí)前車也許已保持勻速行駛，這樣兩車間距隨時(shí)間不斷變化。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求綜合以上對高速路汽車安全事故原因的分析可知，要設(shè)計(jì)高性能的高速路汽車測距傳感報(bào)警系統(tǒng)必須從駕駛員的感知，判斷，和操作三方面來全面考慮。具體設(shè)計(jì)要求如下：（1）雷達(dá)傳感器對各種天氣狀況的適應(yīng)性好（2）選取合適的傳感器探測汽車的車距（3）采用功能強(qiáng)大，性能優(yōu)良的信號處理器對傳感器信號進(jìn)行處理，變成可感知的信號（4）系統(tǒng)抗干擾的能力要強(qiáng)，可靠性好，抗震性強(qiáng)2.4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)汽車車距檢測報(bào)警系統(tǒng)屬于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一般有探測信號的傳感器，以計(jì)算機(jī)為核心的控制單元和實(shí)現(xiàn)控制意圖的執(zhí)行器三部分構(gòu)成。傳感器的系統(tǒng)中的信號輸入部分，它用于感測系統(tǒng)外部的信息，并將得到的信息轉(zhuǎn)化為電信號后傳給控制單元，輸入信息是引起控制系統(tǒng)發(fā)生變化的原因，在汽車車距檢測系統(tǒng)中，測距傳感器式把所測到的行車環(huán)境信息傳遞給控制單元，它通過處理，分析和計(jì)算所的的信息形成控制指令，并將控制指令傳達(dá)給顯示模塊。危險(xiǎn)式發(fā)出信息給執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警。綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可以得到的高性能的車距檢測報(bào)警系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：1）電源管理模塊，負(fù)責(zé)不同電路之間的轉(zhuǎn)換，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。2）信息采集處理模塊，負(fù)責(zé)對汽車外界的狀況和車距進(jìn)行采集處理。3）聲光報(bào)警模塊，負(fù)責(zé)行車狀態(tài)的顯示及危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。4）主控制模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信息處理及控制。系統(tǒng)的及時(shí)報(bào)警能對駕駛員起到良好的警示作用，但如果系統(tǒng)的可靠性差，頻繁的報(bào)警會對駕駛員麻痹而導(dǎo)致忽視往后的報(bào)警，影響系統(tǒng)作用的發(fā)揮，考慮到汽車行駛環(huán)境的復(fù)雜性，參考前人的研究經(jīng)驗(yàn)，確定以下場合對系統(tǒng)采取抑制報(bào)警：（1）駕駛員在采取制動時(shí)，駕駛員在采取制動時(shí)說明已經(jīng)意識到了行車的危險(xiǎn)狀況，所以這時(shí)抑制報(bào)警。（2）低速行駛，車輛在低速行駛式發(fā)生交通事故的可能性很小，所以當(dāng)車速低于一定值式（定為30km/h）時(shí)，對報(bào)警進(jìn)行抑制。（3）轉(zhuǎn)彎行駛，車輛轉(zhuǎn)彎式，雷達(dá)把道路兩旁的路障或格擋物當(dāng)成目標(biāo)，錯(cuò)誤判段為危險(xiǎn)狀態(tài)，進(jìn)行虛報(bào)，所以對警報(bào)進(jìn)行抑制。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本論文的汽車車距檢測報(bào)警系統(tǒng)主要硬件基本組成包括測距傳感器，控制單元和執(zhí)行器（及報(bào)警模塊）。3.1超聲測距原理超聲波是換能晶片在電壓激勵(lì)下發(fā)生震動而產(chǎn)生頻率高于20kHz的聲波。超聲波具有頻率高，波長短，方向性好，定向傳播，繞射現(xiàn)象小的特點(diǎn)，在工業(yè)，生物醫(yī)學(xué)等方面超聲波都具有廣泛應(yīng)用。因?yàn)榫哂泻芎玫闹赶蛐院湍芰克p緩慢的有點(diǎn)，超聲波經(jīng)常被用于距離測量。超聲波的頻率越高，傳播距離越短。表2.2列舉部分工作頻率的超聲波傳播距離對應(yīng)表。2.2根據(jù)表2.2，因?yàn)槭礁咚俟奋嚲鄼z測，所以超聲波選取的頻率為20kHz，超聲波傳感器就是利用超聲波特性而制成的傳感器，習(xí)慣上也叫做超聲波換能或者超聲波探頭。3.1.1超聲波探測器的功能要求對于超聲波探測器的功能來說，要滿足對駕駛員的心理和生理的需求，對于駕駛員來說，準(zhǔn)確，安全，不會感到厭煩這都是要考慮的，根據(jù)以上所述，超聲波車距傳感器應(yīng)具有以下功能：1）可靠的信息接收處理功能2）LED數(shù)碼顯示器實(shí)時(shí)顯示功能3）報(bào)警功能4）通信功能綜上所述功能要求，設(shè)計(jì)了一種超聲波車距檢測報(bào)警系統(tǒng)。3.2LED顯示器 LED顯示器是由發(fā)光二級管構(gòu)成，其在單片機(jī)中的應(yīng)用非常廣泛。1）LED顯示器的結(jié)構(gòu)及分類A．LED顯示器的引腳通常所說的LED顯示器由七個(gè)發(fā)光二極管組成，稱為七段LED顯示器，此外顯示器中還有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示器顯示小數(shù)點(diǎn)。通過七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字，字母以及其他符號。B.LED顯示器中的發(fā)光二極管的兩種接法：共陽極接法：把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時(shí)公共陽極接+5V，這樣陰極端輸入低電平的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平的則不點(diǎn)亮。共陰極接法:把發(fā)光二極管的陰極連在一起形成公共陰極。使用時(shí)公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平則不點(diǎn)亮。[5]。2）LED顯示器的顯示分類LED顯示器的顯示方式為靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示方式：所謂靜態(tài)顯示就是每一個(gè)LED顯示器各筆伐段都要占用一條具有鎖存功能輸出線。CPU把要顯示的字型代碼送到輸出口上，通過鎖存后使顯示器顯示出所需的數(shù)字或符號，之后CPU不用在送字形代碼，顯示內(nèi)容也會一直保留。直到CPU送新的字形代碼。3.3超聲波測距模塊電路車距檢測模塊是車位檢測報(bào)警系統(tǒng)的核心，其硬件設(shè)計(jì)包括超聲波發(fā)射器電路，超聲波接收電路，指示燈電路和報(bào)警電路。3.3.1信號發(fā)射模塊超聲波發(fā)射電路包括發(fā)射脈沖，超聲波驅(qū)動電路和超聲波發(fā)射傳感器。20KHz的發(fā)射脈沖有兩種產(chǎn)生方式；硬件方式和軟件方式。其中硬件方式可以用555時(shí)基電路震蕩產(chǎn)生，但需要額外增加元器件。采用555震蕩電路原理圖如圖3.1所示：圖3.1555震蕩電路原理圖3.3.2信號接收模塊超聲波接收電路包括超聲波接收器，信號放大電路和比較電路。超聲波在發(fā)射之后在空氣中傳播，發(fā)射，在傳播，其能量會在這一過程中逐漸衰減，電壓比較器輸出的方波信號直接送入INT0中斷口，單片機(jī)根據(jù)此信號產(chǎn)生中斷，在中斷程序中結(jié)束計(jì)算，計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間。1）放大電路電路采用兩級放大電路，芯片選用運(yùn)算放大器LM358.LM358內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。單位增益頻帶寬為1MHz，能保證在20KHz時(shí)提供充分的增益。電源電壓范圍很寬，單電源3-30V?？紤]到現(xiàn)場電源供給問題，這里采用單電源12V供電。圖3.2為信號放大電路圖圖3.2信號放大電控制單元4.1硬件結(jié)構(gòu)中主要部件和特殊部件說明（1）CPU單片機(jī)具有超小型化，功能強(qiáng)，可靠性高，價(jià)格低，性價(jià)比高和功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車的實(shí)時(shí)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。（2）雙端口SRAMDS16091）仲裁操作DS1609有一個(gè)特別的存儲單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，允許從兩個(gè)端口同時(shí)對存儲單元進(jìn)行訪問。由此就不需要通常雙端口儲存器周期中不可缺少的仲裁邏輯。當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)對一個(gè)儲存單元進(jìn)行操作時(shí)，肯定引起亞穩(wěn)態(tài)的儲存單元競爭問題。這些組的數(shù)據(jù)可以安排一些校驗(yàn)和字節(jié)保證正確的傳送。每個(gè)端口可以安排特定的一個(gè)字節(jié)的寫狀態(tài)信息，允許其他端口可以讀出這個(gè)寫狀態(tài)信息。這個(gè)狀態(tài)信息向正在讀操作的端口表明其他操作是否正在進(jìn)行，并指示該操作什么時(shí)候發(fā)生。2)單芯片錄音/回放裝置ISD2560ISD2560負(fù)責(zé)報(bào)警聲音的錄入與回放。信息存儲器件ISD2560是一種單片，高質(zhì)量的錄音播放回路。采用CMOS工藝，內(nèi)部包含片上時(shí)鐘，麥克前置放大器，自動增益控制，帶通濾波器，平滑濾波器和功率放大器，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的語音復(fù)制（3）LED顯示器顯示方式1）測距信息輸入電路4.1測距信息輸入電路圖2）語音報(bào)警輸出電路語音報(bào)警輸出電路3）車距顯示電路4.3車距顯示電路5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1儲存器配置存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間，共有四個(gè)存儲器空間，片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器空間以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間和片外數(shù)據(jù)存儲器空間。5.2單片機(jī)的中斷系統(tǒng)8751單片機(jī)是一個(gè)動中斷的微機(jī)，有三類五個(gè)中斷源，分別叫做外部中斷兩個(gè)，定時(shí)中斷兩個(gè)和串行中斷一個(gè)。外部中斷是由外部原因引起的，共有兩個(gè)中斷源，即外部中斷0和外部中斷1。它們的中斷請求信號分別有引腳INT0和INT1引起。[8].定時(shí)中斷是為滿足定時(shí)或計(jì)時(shí)的需要設(shè)置的。為單片機(jī)芯片內(nèi)部有兩種定時(shí)器，以對其中的計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法。來實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能。中斷控制是通過單片機(jī)設(shè)置一些控制存儲器，作為提供給用戶使用的中斷控制手段。與中斷控制有關(guān)的存儲器共兩個(gè)，即定時(shí)器控制，中斷允許控制存儲器，中斷優(yōu)先控制存儲器以及串行口控制存儲器。5.3程序設(shè)計(jì)方案由于采用的是雙CPU結(jié)構(gòu)，要對兩個(gè)CPU進(jìn)行分開編程，CPU主要負(fù)責(zé)收集轉(zhuǎn)向和車速信息，先根據(jù)轉(zhuǎn)向情況判斷所收到的數(shù)據(jù)是否異常，如果沒有異常則繼續(xù)進(jìn)行車速信息的收集，然后根據(jù)CPU2傳過來的相對速度信息計(jì)算出前車的車速，車間距離進(jìn)行比較，若安全則重新計(jì)算，判斷。若不安全則報(bào)警輸出；CPU2主要負(fù)責(zé)收集車間距離信息，兩車相對車速計(jì)算，鍵盤操作與顯示車間距離。6結(jié)論自接傳感器以來，一直覺得傳感器非常難，這次的課程設(shè)計(jì)我開始是以老師布置題目為主要選擇對象的，但是后面發(fā)現(xiàn)，像超聲波傳感器在我腦海中根本沒得一點(diǎn)意象，上網(wǎng)搜了很多資料，也感覺不怎么很懂，于是問老師怎么弄，后面發(fā)現(xiàn)老師的意見和我的原本的電路和圖只有幾個(gè)地方不同，突然感覺超聲波傳感器的特性非常適合車距的檢測，避免應(yīng)天氣等原因而導(dǎo)致的交通事故的發(fā)生。在此，還是非常感謝我們的指導(dǎo)老師，她是一位很負(fù)責(zé)和很細(xì)心的老師，謝謝她的輔導(dǎo)和鼓勵(lì)，