基于超声测距的汽车防撞系统本科毕业论文(编辑修改稿)

基于超声测距的汽车防撞系统本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

首次提出将传感器和人工智能技术融于汽车防撞系统中，以用于改善了汽车的安全性，加强驾驶员对汽车的有效控制，帮助驾驶员避免了交通事故的发生。 在之后的二十世纪九十年代里，欧洲一些汽车制造企业开始研究新型的汽车防撞雷达。 并制作出一款可以计算出与车前障碍物距离，并根据后车的车速提醒驾驶员留出必要的安全距离。 若驾驶员驾驶失误超出安全距离时，车载防撞系统会发出灯光和语音报警信号以提醒驾驶员合理驾驶。 与此同时美国也开始着力研究防撞技术，虽然起步晚于欧洲各国，但目前汽车防撞技术却是美国领先于世界。 国内汽车防撞系统才刚刚起步，许多大学和研究机构联合对汽车防撞系统进行深入研究，但大多数都处于理论向实践过度的阶段。 防撞系统的性能与国外还有很大差距，距离实现专业化和实现实际应用还要一段时间发展。 本课题的主要研究内容 本论文章节内容安排如下： 第一章绪论部分主要分析国内和国际的研究现状及超 声防撞系统发展阶段，充分理解对其进行研究的价值和意义。 第二章主要介绍超声波基础理论以及其测距功能的原理，给出详尽的系统框图。 第三章主要介绍单片机主机系统以及辅助电路系统，了解整个系统的整体构 3 第 3 页 架。 第四章主要介绍系统硬件设计，分析各种超声波发射和接收电路的优缺点，最终确定使用方案。 第五章主要介绍系统软件组成，着重讲解语音模块在系统中的应用。 第六章介绍系统的软件设计的结构与流程，并给出声波发射和接收中断子程序。 4 第 4 页 第二章 超声波测距的原理 超声波的基本理论 超声波是一门通用于各行各业的技术，在 电子技术、机械应用、以及材料科学方面都有着广泛应用。 该技术在工业和生活中，对方便人们生活、提高生产效率、保障生产安全有很大潜力。 超声技术从产生声波再通过发射电路发送最后被接收器接收来完成这个物理过程。 在介质中传播的超声波具有透、反射介质及能够聚束和定向等传输特性。 按振动和辐射不同的可将声波种类分为功率超声和检测超声。 超声波的传播速度 超声波的传播速度是表示声波在介质中传播快慢的物理量，超声波在介质中传播可以根据其传播方向的不同，分为三种不同的振荡波：横波、纵波、表面波。 三种波由于性质不同所能传 播的介质也不同，横波在固体介质中才能传播，纵波在固液气三态中都可以有效的传播，表面波传播会因为传播深度的增加，而导致速度慢慢减小。 超声波具有一般声波的固有特性，其在不同密度的介质中传播速度也会有所差异。 超声波对声场产生的作用 (1) 机械作用 超声波在介质内部传播运动会引起介质紧缩与扩张，导致介质内部压力的骤变引起机械效应。 超声波在介质中传播会引起其内部颗粒的运动，尽管运动幅度和速率很小，但由于超声波振动的频率与质点加速度的平方成正比关系，这导致很小的振动频率也会有很大的加速度。 有时足以达到破 坏介质的程度。 (2) 空化作用 根据流体动力学可知，存在于液体中的微气泡会由于声场的变化而发生振动。 当声场压强到达必需额值时，气泡会发生扩张、合拢的运动，在气泡合拢运动的同时时会发生冲击波。 这一系列动力学运动过程被称为空化。 (3) 热学作用 超声波在介质内部传输会导致介质产生热量，在介质吸收超声波的同时也会将热量吸收，这事实上也就是介质的能量吸收过程。 从根本上讲，是由于超声波在介质内部发生强烈振动，导致介质内部的粒子互相摩擦产生热量。 这一热量的 5 第 5 页 产生过程被称为热学作用。 超声波传感器 超声波传感器 是根据超声波发射接收特性而制成的一种传感器，其主要由发送和接收部分、供电和控制电路部分共同组成。 其最主要的超声波探头则是用压电晶片制作而成，能够控制超声波的发射与接收。 一个好的探头是超声波传感器必不可少的。 超声波传感器大部分是由压电晶体或者镍铁铝合金制作而成，由于两种制作材料的不同就产生了两种不同的特性：磁致、电致伸缩特性。 其中由压电晶体制成的传感器更加优越，能够在机械能与电能之间互相转换，具有很强的可逆特性。 也就是说，用压电晶体制成的是一种可逆的传感器。 如果在压电晶片两端加额定频率的电压时，晶体自身就会 发生机械振动，时而也会发出声音。 因此，本次设计采用压电晶体制成的传感器。 传感器构造如下图 21,22： 图 21 超声波外部结构 图 22 元件外部结构 超声波测距系统原理 在超声检测电路中，发射端发送一串固定间隔的方波脉冲，用以确定声波来回传输的时间间距。 其方波的脉冲宽度是根据与被测物的距离来决定的，不同的距离其宽度也不相同，脉冲宽度与发射端距被测物的距离成正比例关系。 超声测距大致有以下方法：① 根据电压与距离成正比例关系，可以先取输出脉冲的平均值电压值，从而推算测得距离；② 测量超声波从发射到被接收端接收的时间间隔 t，由于声波在空气中具有固定的速度，可根据 S=1／ 2vt 测得距离。 由于超声波的传输速度与温度高低变化有关，在温度变化不大的情况下，我们可以简 6 第 6 页 单的认为声波速度是不变。 但如果测量距离在精度上的要求很高，那么我们必须通过采取温度补偿的方法对测量误差加以纠正。 测量与控制方法 超声波测距的算法设计 : 已知超声波在空气中具有固定的速度 t，其中 t 为340m/s。 假设 t1 是超声波从发射到被接收到的时间， t2 是超声波开始发射的时间，则由 t1t2 可得出超声波从发射到被接收器接收到的往返时间差。 假定 S 为超声波从发射端到障碍物的往返距离，从发射到接收的往返时间为 T／ s，在空气中的传播速度为 V／ m s－ 1，则发射端到障碍物的距离可由关系式 (241)测得： S=VT／ 2 (241) 若在系统对测距精度要求很高，则需要关注外界环境温度对传播速度的直接影响，需按式 (24)进行温度补偿对超声波速度予以校正： V=340+0． 607T (242) 控制系统方框图 超声波测距器由硬件控制和软件控制组成，如下图 （ 23） ： 7 第 7 页 图 23 系统框图 显示器 按键 启动 复位 电路 电源 电路 STC89C51 超声波 发射电路 超声波 接收电路 语音 报警系统 8 第 8 页 第三章 单片机主机系统电路 单片机主电路 本次设计我们计划使用 STC89C51 单片机，其主要特点如下： 1. 采用的 STC89C51 单片机是以 8051 为内核，又能够很好与 MCS51 系列单片机相互兼容。 2. 采用的 STC89C51 系列单片机有可编程闪烁存储器，在 系统开发时可以反复擦写。 3. 采用的 STC89C51 可以在全静态下工作，在电能消耗方面很低。 4. 采用的 STC89C51 的晶振频率高达 24M，在运行时速度更快。 5．采用 STC89C51 是因其价格便宜，集成度及可靠性高。 图 31 STC89C51 各个引脚的功能： P0 口是用来将显示信号数据送入给 LCD 显示器， P20~P22口是将控制命令送给 LCD 以达到控制显示方式的目的。 P34 口是为了将采集到的温度数据传输到单片机的端口。 P10 口是控制系统按键的端口。 9 第 9 页 复位电路 实现单片机复位的方法 有多种，一般在只要 RESET 端加一个正脉冲信号就可以很简单的实现复位功能， 单片机复位一般分为：自动和手动两种 ,如图 32 手动复位电路。 系统想要实现上电复位，只需在 RST 端口加一个正脉冲信号，只要这个正脉冲信号足够宽就能满足复位的条件实现系统自动复位。 一般要求脉冲信号为： 20RC ms。 其中 图 32 手动复位电路 R 1 K ， C 22uF。 系统实现复位的另一种人为方法只需要手动按一下 S1 按键，是电容器 C1 快速的通过 R1 释放出电流，等 S1 手动弹起复位后，电容再次实现充电。 这样系统究完整的实现了手动复位功能，实现手动复位，一般要求 R1= 200。 3. 3 时钟电路 单片机时钟电路是用来配合外部晶振实现系统振荡的电路，单片机内部则是由许多触发器构成的时序电路组成。 总之时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的 工作节奏。 如果我们要使用单片机内部的时钟电路，必须先将 XATL1 和XATL2 两端先使用石英晶体或者微调电容连接起来才能正常使用。 可以说如果没有时钟电路来驱动和调节单片机，那么单片机就不能实现正常的工作。 没有这个时钟电路，单片机也就不能实现定时和进行与时间有关的功能操作了。 STC89C51 10 第 10 页 图 33 时钟电路 3. 4 按键电路 每一个系统都有其必不可少的按键电路，有其最基本的开关控制按键。 本次设计我们通过检测 为 1 为 0 以辨别系统是否被启动，如果定义按下按键时 为高电平，那么当单片机检测到高电平时系统就 会开始测量距离。 当松开按键时也就是为低电平时，则系统停止测量。 按键电路图如图 34 所示： 在人为按键的同时可能会造成机械抖动，从而影响系统对电平的检测。 因此，我们必须通过软件延时的方式，去除抖动对系统测量的影响。 图 34 按键电路 3. 5 蜂鸣器电路 蜂鸣器是一种被广泛使用的元器件，它主要被人们用于提示、报警等场合。 由晶片构成的蜂鸣器，只要对其进行简单的供电（即将 5V 的直流电流加在其两端上）就能够实现鸣响功能，用于对目标人群的提醒。 设计目的是通过蜂鸣器声STC89C51 11 第 11 页 音来告知使用者按钮已按下，目前 正准备使用单片机对被测物进行测距。 蜂鸣器电路如下图 35 所示： 图 35 蜂鸣器电路 12 第 12 页 第四章 系统主要硬件设计 方案论证与比较 单片机采用 ATMEL 公司的 STC89C51 单片机作为控制核心，而常用的超声波发射和接收电路有如下： 超声波发射电路 : （ 1）分立元件组成的发射电路，如下图 41（ a)、 41（ b). 图 41（ a） 发射电路 图 41（ b）发射电路 图 41 是采用两个通用的小功率三极。