基于单片机的汽车防碰撞报警器的设计

基于单片机的汽车防碰撞报警器的设计内容摘要：

地位极为重要，正在汽车技术领域发展成为一门独立的分支学科，其性能的优劣直接影响到汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、排放干净、及舒适性等。 电子控制技术在汽车上，首先应用于发动机燃油消耗控制与排放进化与排放控制，接 着被应用于底盘部分的控制，以提高行驶的稳定性、安全性、与舒适性等。 随着交通运输向高密度发展，电子控制技术又进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航等方面。 电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全、舒适和方便。 应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。 近年来汽车的自动调速系统，主动式汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用。 在过去 20～ 30 年中，人们主要把 精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。 安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员的安全。 所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。 如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全性领域有较大的突破。 汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（如汽车、行人或其他障碍物）的距离与汽车本身的车速不相称造成的，即距离近而相对速度又太高。 为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车的车速就要根据与前方物体的距离变化由执行机构进行控制，使汽车始终在安全车速下行驶。 这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。 发展汽车防撞技术，对提高汽车智能化水平有重要意义。 据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的 30%，路面相关事故的 50%，迎面撞车事故的 60%； 1 秒钟的预警时间可防止 90%的 追尾碰撞和 60%的迎头碰撞。 理论上，汽车防撞装置可在任何天气、任何车速状态下探测出将要发生的危险情况并及时提醒司机及早采取措施安徽理工大学毕业设计 2 或自动紧急制动，避免严重事故发生。 汽车防撞装置是借助于遥测技术监视汽车前方和后方的车辆、障碍物，并根据当时的车速自动判断是否达到危险距离，及时向司机发出警告，必要时还可进行自动关车、自动紧急刹车。 汽车要避撞就必须凭借一定的装备测量前方障碍物的距离，并迅速反馈给汽车，以在危急的情况下，通过报警或自动进行某项预设定操作如紧急制动等，来避免由于驾驶员疲劳、疏忽、错误判断所造成的交通事故。 目前，大家都将防撞技术的关键点着眼于车辆测距技术。 测距传感器的分类 超声波测距传感器原理 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 因此超声波检测广泛应用在工业 、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。 完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 激光测距传感器工作原理 激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。 经目标反射后激光向各方向散射。 部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。 雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。 记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。 激光传感器必须极其精确地测定传 输时间，因为光速太快。 红外线测距传感器工作原理 红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。 红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。 安徽理工大学毕业设计 3 超声波 超声波的简介 我们知道，当物体振动时会发出声音。 科学家们 将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。 我们人类耳朵能听到的声波频率为 20～ 20K 赫兹。 当声波的振动频率大于 20K 赫兹或小于 20 赫兹时，我们便听不见了。 因此，我们把频率高于 20K 赫兹的声波称为 “超声波 ”。 通常用于医学诊断的超声波频率为 1～ 5 兆赫兹。 超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。 可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。 在医学 ，军事 ， 工业 ， 农业上有很多的应用。 理论研究表明 ， 在振幅相同的条件下 ， 一个物体振动的能量与振动频率成正比 ， 超声波在介质中传播时 ， 介质 质点振动的频率很高 ， 因而能量很大。 在我国北方干燥的冬季 ， 如果把超声波通入水罐中 ， 剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴 ， 再用小风扇把雾滴吹入室内 ， 就可以增加室内空气湿度 ， 这就是超声波加湿器的原理。 咽喉炎 ， 气管炎等疾病 ， 呼唤斤年时斤百，很难血流到达患病的部位。 利用加湿器的原理 ， 把药液雾化 ,让病人吸入 ， 能够提高疗效。 利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。 超声波的产生 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。 所谓振动是指物质的质点在其平衡位 置附近进行的往返运动。 譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20kHz 以上的 ， 其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（ 20kHz） ，人们将这种听不见的声波叫做超声波。 超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 2～ 5 兆 Hz 之间，常用为 3～ 兆 Hz（每秒振动 1 次为 1Hz， 1 兆 Hz=10^6Hz,即每秒振动 100 万次，可闻波的频率在 16－ 20kHz 之间）。 超声波的特点 超声波具有如下特性： （ 1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播； （ 2）超声波可传递很强的能量， 方向性强，能量易于集中 ； 安徽理工大学毕业设计 4 （ 3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象， 超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息 ； （ 4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声波的各种效应 ： 1．机械效应： 超声在介质中前进时所产生的效应。 （超声在介质中传播是由反射而产生的机械效应）它可引起机体若干反应。 超声振动可引起组织细胞内物质运动，由于超声的细微按摩，使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦、从而产生细胞按摩的作用，也称为 “ 内按摩 ” 这是超声波治疗所独有的特性，可以改变细胞膜的通透性，刺激细胞半透膜的弥散过程，促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态，改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等。 使细胞内部结构发生变化，导致细胞的功能变化，使坚硬的结缔组织延伸，松软。 超声波的机械作用可软化组织，增 强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。 2．温热效应：人体组织对超声能量有比较大的吸收本领，因此当超声波在人体组织中传播过程中，其能量不断地被组织吸收而变成热量，其结果是组织的自身温度升高。 产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。 即内生热。 超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。 一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。 3．理化效应：超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。 实践证 明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。 超声波 的 应用 现在，人们利用超声波来为飞机、轮船导航，寻找地下的宝藏。 超声波就像一位无声的功臣，广泛地应用于工业、农业、医疗和军事等领域。 超声波具体应用有： 1. 超声波焊接： 应用超声波可以对热塑性工件使用熔接、铆焊、成形焊或点焊等多种方法进行焊接。 超声波焊接设备既可以独立操作，也可以用于自动化生产环境。 那些内置精密电子组件的塑料工件，如微型开关等，就适合使用超声波对其进行焊接。 同时，不止一种方法可能被用来对成品进行加工，如焊接软盘和卡带的内部使用铆焊 方式，而对其外部的焊接则使用熔接法 （ 1）超声波塑料焊接机原理： 当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。 又由于塑料导热性差，一时还安徽理工大学毕业设计 5 不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。 当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。 超声波塑料焊接的好坏取决于换 能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。 这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。 这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每 1mm 的最佳压力之积。 （ 2） 超声波金属焊接的原理 ： 超声波金属焊接是 19 世纪 30 年代偶然发现的。 当时在作电流点焊电极加超声振动试验时，发现不通电流也能焊接上，因而发展了超声金属冷焊技术。 超声波焊接虽然发现较早，但是到目前为止，其作用机理还不是很清楚。 它类似于摩擦焊，但有区别，超声焊接时间很短，温度低于再结晶；它与压力焊也不相同，因为所加的静压力比压力焊小的多。 一般认为在超声波焊接过程中的初始阶段，切向振动出去金属表面的氧化物，并是粗糙表面的突出部分产生反复的微焊和破坏的过程而使接触面积增大，同时使焊区温度升高，在焊件交界面产生塑性变形。 这样在接触压力的作用下，相互接近到原子引力能够发生作用的距离时，即形成焊点。 焊接时间过长，或超声波振幅过大会使焊接强度下降，甚至破坏。 2． 超声波制药 ： 超声波医学方面的应用，不仅包括扫描探测领域，而且在制药领域也有 非常重要的作用，具体包括： （ 1）注射用医药物质的分散 ： 将磷脂类与胆固醇混合用适当方法与药物混合在水溶液中，经超声分散，可以得到更小粒子（ 左右）供静脉注射。 （ 2）草药提取 ： 利用超声分散破坏植物组织，加速溶剂穿透组织作用，提高中草药有效成分提取率。 如金鸡纳树皮中全部生物碱用一般方法侵出需 5 小时以上，采用超声分散只要半小时即可完成。 （ 3）制备混悬剂 ： 在超声空化和强烈搅拌下，将一种固体药物分散在含有表面活性剂的水溶液中，可以形成 1um 左右口服或静脉注射混悬剂。 （如 “ 静注喜树碱混悬剂 ”，“ 肝脏造影剂 ” ， “ 硫酸钡混悬剂 ” ）。 （ 4）制备疫苗 ： 将细胞或病毒借助于超声分散将其杀死以后，再用适当方法制成疫苗。 3. 超声波清洗 ： 由于超声波清洗速度快、质量好，又能大大降低环境污染，因此，超声波清洗技术正在越来越多的工业部门中得到应用。 安徽理工大学毕业设计 6 （ 1） 超声波在电子行业的应用 电子行业是超声波清洗应用最早，最为普及的行业。 a． 电子零件的清洗：电子零件，如半导体管的壳座、 IC 的壳座、晶体的壳座、继电器的壳座、电子管座等。 b． 电子元器件的基体清洗：电子元器件的基体是由半导体材料制成并封装在金属或塑 料壳座中形成的，在封装前，不但对壳座必须清洗，而且也必须对基体进行清洗，如 IC 芯片、电阻、晶体、半导体、原膜电路等。 c． PCB 板的清洗：我国电子行业中，绝大多数企业都在使用 PCB， PCB 组件焊接采用的助焊剂分为水溶型、松香型和免清洗型三类，使用较多的为前两种，多采用超声波清洗（也有不少是采用酒精刷洗），免清洗型原则上应该不清洗，但是，目前世界各国的大多数厂家即使采用免清洗型焊剂焊接组件，仍需要清洗。 特别是高密度 PCB 以及高密度 IC 出脚不清洗或不采用超声波清洗，必将导致高密度线路之间和 IC 出脚之间吸附尘埃 ，一旦环境湿度大，极易发生高密度线间和脚间短路而出现故障，而一旦环境干燥，短路故障又自行消失，这类故障又不易查找。 所以世界各国的电子整机厂均坚持对 PCB 板作超声波清洗。 接插件、连接件、转接器等器件的生产中，电镀和组装前也必须清洗，否则吸附在这些组装零件上的灰尘、油污必将影响其导电和绝缘性能，特别是一些复杂的多芯连接器尤其如此。 d． 电子材料加工成型后的清洗：如晶片、硅片、压电陶瓷片等电子材料是供给元器件厂家的产品，其产品出厂前必须清洗，特别是作出口业务的厂家，其产品清洗成为一大难题，超声波清洗是最有效的途 径。 (2) 超声波清洗在机电行业中的应用 机电行业中，从机械零件到机械部件，从电器零件到电器部件都有清洗的要求，如齿轮、曲轴乃至齿轮箱，又如电器零件上机械和电器的组合件，还有一些精密机械零件和电器零件，这些都离不开清洗，大多数企业采用的是传统的清洗方法，诸如浸润清洗、喷淋清洗。 这种清洗方法不但劳动强度大，而且易造成环境污染和水资源浪费。 目前，不少企业开始进行技术改造，采用超声波清洗以消除传统清洗的弊端，特别是一些形状复杂的机械零件，是传统清洗所无能为力的。 (3) 超声波清洗在轻纺行业中的应用 轻工行业，如空调、冷柜、冰箱中的压缩机；钟表零件、手表元件等；纺织行业，如精密纺织器材、喷丝嘴等；珠宝行业，如金银首饰、珠宝玉器等，都需要清洗，有些零件、部件和组件，如压缩机、喷丝嘴等或形状复杂，或盲孔、微孔，只能由超声波清洗，有些规模生产厂甚至采用超声波链式或升降式成套设备。 4． 超声波测距 ： 安徽理工大学毕业设计 7 （ 1）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。 （ 2） 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。 超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s)，即： s=340t/2。 这就是所谓的时间差测距法。 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。 由此可见，超声 波测距原理与雷达原理是一样的。 测距的公式表示为： L=C T 式中 L 为测量的距离长度； C 为超声波在空气中的传播速度； T 为测量距离传播的时间差 (T 为发射到接收时间数值的一半 )。 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。 由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。 在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘 米级的测量精度。 通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用 LM92 温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 安徽理工大学毕业设计 8 （ 3）超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 超声波碰到杂质或分界面会 产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。