机动车防撞击系统设计 .doc
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1、本科论文目 录摘 要IAbstractII引 言11控制系统设计31.1系统方案设计31.2电路总体方案32 硬件设计42.1 超声波测距模块42.1.1 HC-SR04超声波测距原理42.1.2 超声波传感器介绍42.1.3 HC-SR04超声波测距模块的性能特点52.1.4 管脚简介62.1.5 HC-SR04的电气参数62.1.6超声波时序图72.2单片机最小系统72.2.1 STC89C5182.2.2复位电路82.2.3晶振电路92.3显示电路和报警电路102.3.1 LCD1602显示电路102.3.2 蜂鸣器报警112.4 L298N驱动电路123系统程序的设计143.1主程序1
2、43.2显示数据子程序143.3报警子程序153.4驱动子程序164 电路调试及性能分析174.1 元器件的焊接174.2 电路调试与分析17结 论19参考文献20附录1 原理图22附录2 源程序清单23致 谢27本科论文摘 要由于技术的快速发展和人们的生活质量不断提高,超声波测距在很多方面都有了广泛的应用。超声波测距仪具有定位精度高、测距范围大的特点。目前汽车的拥有率越来越高,由汽车撞击引发的交通事故率居高不下。为了有效的避免机动车撞击事故的发生,特别是在速度过快的情况下,驾驶人来不及做出正确的反应。为了降低危险系数,本文将机动车和超声波传感器紧密的结合,设计了机动车防撞击系统。该系统利用超
3、声波传输中距离与时间的关系和超声波的特点与优势,将超声波的测距系统与STC89C51单片机结合于一体,具有模块化与多用化的特点。系统采用软、硬件结合的方式,硬件部分主要是由单片机硬件接口电路与超声波发射电路、超声波接收电路与液晶屏显示电路、电源电路与报警电路组成的,软件部分主要是由主程序和超声波发射接收中断程序、距离计算子程序和显示报警子程序等部分组成。结果表明,安装有机动车防撞击系统的机动车,在遇到障碍物时,机动车自动避开障碍物,有效的避免了机动车撞击事故的发生,极大地提高了机动车行驶时候的安全性。关键词:单片机; 超声波; 防撞报警; 测距 AbstractDue to the rapid
4、 development of technology and the continuous improvement of peoples quality of life, ultrasonic ranging has been widely used in many aspects. The ultrasonic rangefinder has the characteristics of high positioning accuracy and large ranging range. At present, the car ownership rate is higher and hig
5、her, and the traffic accident rate caused by car crash is still high. In order to effectively avoid the occurrence of motor vehicle crash, especially in the case of too fast speed, the driver has no time to make the correct response. In order to reduce the risk factor, this paper combines the vehicl
6、e and ultrasonic sensor closely, and designs the vehicle anti-collision system.This system uses the relationship between distance and time in ultrasonic transmission and the characteristics and advantages of ultrasonic. It combines the ultrasonic ranging system with STC89C51 single chip microcompute
7、r, and has the characteristics of modularity and versatility. The system adopts the combination of software and hardware. The hardware part is mainly composed of MCU hardware interface circuit and ultrasonic transmitting circuit, ultrasonic receiving circuit and LCD display circuit, power supply cir
8、cuit and alarm circuit. The software part is mainly composed of main program and ultrasonic transmitting and receiving interruption program, distance calculation subprogram and display alarm subprogram.The results show that the vehicle equipped with the anti-collision system can avoid obstacles auto
9、matically when encountering obstacles, effectively avoid the occurrence of vehicle collision accidents, and greatly improve the safety of vehicle driving.Keywords: Single-chip computer; Ultrasonic wave; Collision Alarm; Ranging引 言汽车业和电子业的规模越来越大,已经成为世界工业上的两大关键型产业。科技的变革越来越迅猛,也有越来越多的新技术应用在汽车领域,汽车逐渐趋近于电
10、子化、智能化,而且程度越来越高。今天,汽车技术逐步进入汽车一体化,电子类产品却在汽车的配件中占据关键的位置,汽车电子技术在汽车技术行业已经发展成为一门独立的学科。因此这门学科起到很大的作用,这一性能的优劣性对汽车的动力性、可靠稳定性、舒适安全性等方面有着直接的影响1。在汽车领域,电子技术最初应用在汽油消耗、尾气进化、尾气排放,通过在这些方面的应用来提高驾驶时的安全稳定性、便捷舒适性等其他方面。随着科学技术的逐渐发展,电子控制技术又逐渐应用在驾驶汽车的安全可靠性和导航等方面。为了增加汽车行驶过程中的舒适安全性、可靠稳定性等,逐渐的在汽车安全控制系统上应用电子技术。主要包括:雨刷、空调、座椅调节、
11、车灯和电源的控制、中央控制门锁、充电器等很多方面。近几年中,根据人们的需求越来越多,汽车上的保护系统也在逐渐增多,比如速度监控系统、导航定位系统、防撞击系统等。在过去几十年中,人们主要研究如何减轻汽车碰撞带来的伤害,因此人们会在汽车的前方和后方安装保险杠、车座的相关位置会安装安全带、驾驶位置安装安全气囊、汽车四周安装某种弹性材料等很多方面花费很多精力。防撞保险杠没有办法消除驾驶人和乘车人带来的伤害,只是在某种程度上减轻了汽车在碰撞时对汽车本身造成的损失;另外,在发生交通事故的时候,安全气囊并不能消除对人体的伤害,只是在一定程度上减轻了。因此,目前所有的这些措施并没有真正的解决在发生危险时保护驾
12、驶人和乘车人员不受伤害的问题,为了从提高汽车行驶过程中的安全性,预防撞车事故发生的角度来考虑,则可在汽车安全性领域有较大的突破2。因此汽车在行驶的过程中两者之间没有相对合适的距离,汽车本身的速度又太高。因此,为了避免发生以上这种情况,就要一直监控着汽车的速度,以及汽车与前方物体的距离,只有在距离合适、安全车速行驶,才可以尽可能多的减少车祸的发生,提高汽车在行驶过程中的安全稳定性。在汽车的这些智能操作系统中,防撞击技术有着尤为重要的意义。因为人们在遇到紧急的情况时,并不能够及时的做出正确的反应,就会导致事故的发生率逐渐增多。根据数据显示,当发生紧急事情的时候,如果给驾驶员留出的时间在增加半秒钟,
13、同样的事故发生率会变得更少,在很大程度上减少人员的伤亡。为了防止碰撞类交通事故的发生,就需要得知和前方物体之间的距离,并且这个距离要是及时的反馈给司机。在危急情况发生的时候,及时的通过报警系统来提醒驾驶员注意和前方的距离,来避免因为自己的疏忽、疲劳驾驶等情况没有做出反应,导致事故的发生。通过以上分析,对于提高汽车的防撞击技术的关键是车辆与障碍物之间的距离。汽车防撞击系统采用9V的稳压直流电源对系统进行供电,并且由STC89C51单片机的最小系统、驱动电路、显示电路、报警模块和超声波测距模块组成。距离的测量将选用HC-SR04模块,并将测量的结果送到由单片机控制的LCD1602液晶屏进行显示。本
14、文主要阐述了超声波的测距工作原理与方法。在片面上来看,本课题的研究解决了驾驶员在近距离接触造成伤害的问题,从而在很大程度上降低了在行驶过程中发生的事故。从整体方面来看,在工业、交通行业、建筑等方面,超声波测距都越来越普遍。同时也介绍了单片机硬件和软件的设计及其实现。主要突出了以单片机和超声波测距为中心的防撞报警系统在汽车安全方面的突破和进展,对驾驶者起到了至关重要的作用3。本文的主要工作:1、对主要硬件电路设计、制作实物时拟解决的关键问题是:声音的发射和接收时间的计算;2、将通过软件编程的方法实现超声波测距;3、解决超声波测距时存在的死区问题。1控制系统设计1.1系统方案设计机动车防撞击系统可
15、以通过如下两种方案来实现:方案一:激光测距。激光测距主要分为两种方法用于测量距离,包括:脉冲法和相位法。脉冲测距过程:首先,将激光测距仪激光发射。当激光束击中要测量的对象时,它会被反射回来。反射的激光放光电转换元件中,通过所述往返时间的长度由激光测距仪接收。激光传递的速度和往返时间一半的乘积就是需要测量的距离。相位法的过程:用无线频段的频率调制激光束的振幅,测量线上光的来回调制产生的相位延迟。然后,根据调制光的波长,转换由相位延迟表示的距离,即间接测量光通过测量线所需的时间4。激光测距适用于长距离测距,短距离测距精度较低。方案二:超声波测距。超声波测距的原理是:只要知道超声波在空气中的传播时间
16、,而且超声波在空气中的传播速度是固定的,就可以把距离计算出来。超声波传感器发出超声波,超声波遇到障碍物反射回来。通过这种方法,可以根据超声波接收和发射的时间差来计算距离,这与雷达测距的原理类似。从以上两种方案,很容易得出,方案二相对简单,精确度高,故本设计采用方案二。1.2电路总体方案图1.1是电路总体框图,包括51单片机晶振电路、复位电路,HC-SR04超声波测距模块,LCD1602液晶屏显示电路,报警电路,电机驱动电路。图1.1 电路基本框图2 硬件设计2.1 超声波测距模块采用超声波模块进行测距,以此来判定小车和前方障碍物的距离。2.1.1 HC-SR04超声波测距原理超声波测距的原理是
17、基于发出超声波和接收到的超声波的时间差和超声波在空气中传播的速度是固定的进行实现的,假如超声波从发射到接收的往返时间是t,超声波在空气中的传播速度是c,因此从小车距离障碍物的距离通过:D=ct/2。其系统框图如图2.1所示。定时器控制计算传输调制40振荡超声波发射计时增益放大超声波接收障碍物图2.1 系统框图基本原理:通过超声波的发射器可以发出长度大约为6mm,频率是40KHZ的信号。这个信号是有物体反射回来的,并通过超声波的接收头进行接收,这种接收的本质是压电效应的换能器5。当接收到发射器发出的信号后产生一种微弱的电压信号。2.1.2 超声波传感器介绍超声波具有方向性好、频率比较高、波长较短
18、且传播距离比较远等优点,在工业与医学行业会经常使用超声波进行距离的测量,比如液位物体检测。超声波测距具有广泛的应用,比如医疗方面、液体测距、日常生活、工业等很多方面。超声波传感器是将超声波信号转换为电信号的传感器,超声波传感器主要分为两种类型:电声传感器和压电传感器。(1)电声传感器主要包括:压电传感器、二阶磁致伸缩传感器、静电传感器。由于频率和用途的不一样,可以将超声波传感器分为很多种,有着不同的称呼。例如在医学中超声经常被应用在对病人的诊断和检测当中,通常被我们称之为超声波传感器的探头。(2)压电传感器属于电声型传感器的一种,在声能和电能相互转换的检测过程中,会经常被用到。芯片、连接器、楔
19、块等元器件组成了探头,压电材料按照类型可大致分为两大种类,第一类是像石英、硫酸铜这样的晶体;第二类是像硫酸钡、钛酸铅锆等这样的压电陶瓷。当压电陶瓷在电场的作用下,会产生一定的作用力;当然,如果压电陶瓷在由其他作用力作用时,也会在作用力的某些方向产生电场。因此,只要电场作用在这种材料上,引起超声波振动。因此,超声波传感器可以用这种材料制成6。图2.2压电式超声波传感器结构图压电陶瓷芯片、金属丝网罩、锥型辐射喇叭、引线端子、匹配器、锥型共振盘、外壳等组成传感器的内部结构。其中,压电陶瓷芯片是传感器中最关键的部分。锥型辐射喇叭主要是把发射过程和接收过程中的能量集中在一起,不是四处发散的状况,这样有助
20、于使传感器具有方向性。金属丝网罩和外壳可以防止传感器的核心压电陶瓷芯片被破坏,对超声波的传送和接收并不会被阻碍,只是起到了一定的保护作用7。2.1.3 HC-SR04超声波测距模块的性能特点超声波发射器、控制电路、超声波接收器构成HC-SR04超声波测距模块,其测距模块测量精度高,可精确到大约3mm,同时可以进行2cm-4m的非接触测量。基本工作原理如下:(1)触发控制信号进行距离的测量,测量的结果会送到传感器的内部,同时传感器上的高电平持续时间应大于10s;(2)发射部分会发射8个周期,频率为40Khz的方波,发射的超声波在返回的时候,传感器会自动的进行检测,查看有无信号返回;(3)当传感器
21、检测到有信号返回来时,就会有一个高电平作用在回响信号输出端,设高电平的持续时间T,就是超声波从发射到返回的时间,测试距离S,声速为V,则;(4)触发控制信号从低电平变成高电平时,系统会检测到这个信号发生跳变,主控制板根据这个反应,进行启动。在这个时间持续大于10ms的时候,回响信号输出端没有检测到有一个低电平的信号,并且持续时间没有150s,这种情况就表示前方安全,可以正常的前行。超声波测距模块具有稳定性高、测距精确,能够减少误差,其主要优点:(1)体积很小,接收头所占的面积已经很小了,不能缩小,这种情况就相当于有两个发射头;(2)在测距的过程中,盲区很小很小,可以当作无盲区进行处理;(3)反
22、应速度灵敏快速,及时测量需要持续10ms的时间,也不会轻易的把运动速度过快的目标弄丢了;(4)发射端和接收端连接紧密,紧靠在一起,在进行测距时,和测量目标几乎是在一条直线上;(5)在超声波的模块上有指示灯,在进行工作时很容易观察。2.1.4 管脚简介HC-SR04的外形及管脚排列如图2.3所示。(1)VCC为5V电源;(2)GND为地线;(3)TRIG触发控制信号输入;(4)ECH0回响信号输出。图2.3外形及管脚排列图2.1.5 HC-SR04的电气参数HC-SR04的电气参数如表2.1所示:表2.1 电气参数表电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC 5V工作电流15mA工作频率40H
23、z最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号,与射程成比例规格尺寸45*20*15mm2.1.6超声波时序图图2.4超声波时序图图2.4的时序图,可以看出:当在10s的高电平信号持续时间内,8个连续的频率为40Khz的方波将在模块的内部发出。当检测器信号的回波信号输出的,就可以根据高电平的持续时间将距离计算出来,因为在超声波测距时,两者之间成正比例。通过从发射信号到检测到返回信号的时间差,就可以计算出测量的距离。设距离为S,高电平持续时间为T,声速为V,则距离;在测量的过程中,测量的周期要大于60ms,如果周期过短,发射信号和回响信号
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