毕业论文-基于超声波的汽车防撞系统设计

毕业论文-基于超声波的汽车防撞系统设计内容摘要：

作环境恶劣，干扰因素众多，科研工作者在实验室制造样机时，对许多因素考虑并不全面，造成在实际应用中，防撞雷达的工作效果并不理想。 1986年，奔驰公司发起，包括遍及欧洲的 17家主要汽车生产厂和 50多个研究所，制订了 “Promtheus”计 划，将组合传感器、通信、人工智能技术于一个系统中，其目的是改进汽车的安全性、经济性和有效性，其中研制出的性能优良的汽车防撞雷达，帮助驾驶员避免发生交通事故，是该计划的一个重要组成部份，该计划，随着微波器件及其集成技术的高速发展，以及微处理器性能价格比的突飞猛进，使得制造出低成主本、高性能的汽车防撞雷达成为可能，进入 90年代后，德国在这方面的研究工作处于领先地位。 20世纪 90年代中期以后，一些公司开始将注意力转向汽车的新型防撞雷达，这种新型防撞雷达应用于高速公路，称为 “AICC，即自主智能巡航控制。 是汽车雷达发展的高级阶段，就实际情况看，国际上研制出的用于高速公路的防撞达基本上都只需完黑 龙江工程学院本科生毕业设计 3 成向驾驶员提供危险警报功能，为驾驶员争取一定的反映时间。 欧盟 RadarNet研究项目整合己有研究成果，研制新型多功能汽车防撞雷达，其中，德国奔驰公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞雷达工作于 35GHz，探测距离 150米，信号处理系统可以计算出前方车辆或障碍物的距离及相对速度，并根据后车速度计算出必要的安全距离，当两车距离小于安全距离时发出灯光和声音报警信号，安装在轿车、客车上试用，效果较好。 美国防撞技术研究起步较晚，但目前已处于世界领先水平。 主要代表有福特和Eaton }orad公 司开发的汽车防撞雷达系统，其前方探测距离 106米，可在探测范围内跟踪 20多个目标，工作频率 ，雷达功 率 SmW a国 内对汽车防撞装置的研究相对比较晚，整体水平也相对较低。 具有代表性是有 :上海汽车电子工程中心研制的SAE100型毫米波汽车防撞雷达样机，采用 LFMCW制式，工作频率 35GHz，测距范围大于 100米，测速范围大于 100km/h采用增益为 26dB的喇叭天线，发射功率 405mW，以DSP为中 央处理器。 本课题的主要研究内容 （ 1）研究国内外汽车防撞系统研究现状及发展历史，理解本课题研究的意义； （ 2）分析各种汽车防撞系统 的基本原理和优缺点 ； （ 3）提出改进汽车防撞系统 的对策 （ 4）设计一种新型的汽车防撞系统 ，给出设计电路图。 黑 龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 系统的总体设计与分析 超声波测距原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t,然后求出距离 S=Ct/2，式中的 C 为超声波波速。 由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度 有关，表 1 列出了几种不同温度下的声速。 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。 如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 这就是超声波测距仪的机理。 图 即为超声波测距的具体流程图。 图 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一 类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。 它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。 目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波发生器内部结构如图 1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便定时器 显示器 振荡器 调制器 接收检测器 电声换能器 计时器 控制 电声换能器 黑 龙江工程学院本科生毕业设计 5 产生超声波。 反之，如果 两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 测量与控制方法 声波在其传播介质中被定义为纵波。 当声波受到尺寸大于其波长的目标物体 阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。 假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。 这就是本系统的测量原理。 超声波传感器的结构如图 所示 图 超声波传感器结构 控制系统方框图 超声波汽车防撞控制系统方框图如图 所示。 该系统全部由单片机控制，超声波发射电路能在单片机的控制下发出超声波。 接收电路接收到信号之后送入单片机进行处理，算出车尾与障碍物之间的距离，将处理结果送入显示电路进行显示，再按照技术指标的要求由声光报警电路进行报警。 图 超声波汽车防撞控制系统方框图 黑 龙江工程学院本科生毕业设计 6 超声波发射部分的设计 超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头的型号选用 CSB40T，采用软件发生法产生 40Kz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，这种方法充分利用软件，灵活性好。 超声波发送器设计 图如图。 图 超声波发送电路图 超声波接收器的设计 超声波接收器包括超声波接受探头，信号放大电路及波形变换电路 3部分。 超声波接收器设计图如图。 按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。 接收电路的设计可采用通用电路来实现。 超声波在空气中传播时，其能量的衰 减程度与距离成正比，距离越近、信号越强，距离越远、信号越弱，通常在 lmv～ 1V之间。 放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用一片 HD74HC04P通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。 为满足交流信号的需要，每一级放大器均采用电容电路进行电平偏移，对交流信号而言，电容为短路，前三级放大电路的放大增益均为 10。 实验中发现，距离较近时，两级放大的增益能输出足够强度的信号，在第 3级有可能出现信号饱和，但距离较远时，必须采用三级放大电路。 合理调节电位器R10，选择比较基准电压，使测量更加准确和稳定。 实验证明，比较参考电压的选取黑 龙江工程学院本科生毕业设计 7 非常关键，它与测量灵敏度、系统鲁棒性都有关联。 选小可提高测量灵敏度，但鲁棒性下降，容易出现虚假回波被捕捉的情况，选大则情况相反 图 2. 8 理论计算 图 测距的原理 T 2 T 1 黑 龙江工程学院本科生毕业设计 8 如 图 所示为反射时间 ，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的 时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式 2TCS  （ 21） 其中， S 为被 测距离、 V 为空气中声速、 T 为回波时间， 21 TTT  （ 22） 可以计算出路程 ，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置 “时间门 ”来加以 克服。 这样可以求出距离：  2 21 TTCS  （ 23） 本次设计是用 555 时基电路振荡产生 40Hz 的超声波信号。 其振荡频率计算公式如下：   5109 2 CRRf  （ 24） 影响精度的因素分析 1） 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。 对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为：       kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s （ 25） 由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 2）当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。 超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： 黑 龙江工程学院本科生毕业设计 9 s RTC M （ 26） 由上式知， 在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。 工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下：   0C C 1 T 273 （ 27） 式中 C0=； T 为绝对温度，单位 K。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。 实际情况下，温度每上升或者下降 1oC, 声速将增加或者减少 /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。 因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 对于时间误 差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。 此外，当要求测距误差小于 1 mm 时，假定超声波速度 C=344 m／ s(20℃ 室温 )，忽略声速的传播误差。 则测距误差 s△ t 002 907 s，即 ms。 根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于 1 mm 的误差。 使用的 12 MHz 晶体作时钟基准的 89C51 单片机定时器能方便的计数到 1μs 的精度，因此系统采用 AT89S51 的定一时器能保证时间误差在 1 mm 的测量范围内。 超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。 由此可见，测量精度与温度有着直接的关系，本文采用 DS18B20 温度传感器，对外界温度进行测量，并在软件中实现温度补偿。 提高精度的方案及系统设计 1）温度校正的方法提高测距精度 由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 ⑷ 求出当地声速，从而能够获得较高的测量精 度。 而问题的关键在于获得温度数据的方法。 采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1WIRE 总线专利技术，能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电），极大的方便了使用者的调试使用，而且其在－ 10oC ～＋ 85oC 的工作环境下可以保持 177。 黑 龙江工程学院本科生毕业设计 10 % 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供 足够的精度范围。 通过 DS18B20 芯片获得的数据信号经由 1WIRE 总线传至 MCU ，由软件进行声速换算。 为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 单片机实现超声波测距的各项功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持 48MHz 前提下能够实现 1 个时钟 / 机械周期 运行速度。 由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有 效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪 设计要 求。 2）标杆校正的方法提高测距精度 在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。 标杆校正的示意图如图 所示。 图 标杆校正的示意图 超声波测距装置首先测量距离已知为 h 的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离 h 根据公式 ⑷ 求出当地声速。 通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器 测量温度所带来的麻烦。 因此，只用为测距设备设定 “标定 ”和 “测量 ”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。 本章小结 通过确定系统的总体结构和工作原理，在数。