基于超声波汽车防撞系统终极版

1、华北科技学院毕业设计汽车防撞系统控制电路设计设计总说明 随着现代社会程度的高度发展,交通安全问题已成为各国亟待解决的重大课题。汽车的诞生，给人类生活带来了种种方便，同时车祸也给人类带来了很多阴影。交通事故已经成为现代社会的第一公害。根据戴姆勒一克莱斯勒公司的研究，如果驾驶员有 0.5 秒的额外警告时间，大约60%的后端碰撞事故是可以避免的，而提前 1 秒的警告则会避免 90%的后端碰撞事故。因而车辆防撞系统 (Collision Avoidance System，简称 CAS)有着重要的研究意义和应用空间。为了充分利用汽车为人类带来的种种方便，同时尽可能多的避免车祸带来的惨剧，研究和推广汽车防

2、撞装置日益显得重要和迫切。针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行。因此本文设计了一种以超声波测距和 AT89C51 单片机为核心的汽车防撞报警系统，以期提高汽车运行的安全性，减少交通事故。 本系统将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波测距技术、传感器技术相结合，较好的实现了汽车在运行过程中的障碍防撞，并可通过数码管显示距离，将障碍物距离和汽车在不同车速段的安全距离相比较，可发出声光警报。依据超声波测距原理，以 AT89C51 单片机为核心，设计了汽车防撞报警系统。 该系统将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波测距技术、传感器技术相结合，以超声波发射和接受

3、电路、声光报警电路、测速电路等硬件电路为载体，通过编写的处理软件来实现测量距离。利用一片AT89C51单片机对超声波信号循环不断地进行采集。这个设计的汽车防撞系统能够连续测距，数据经过单片机的处理后，用4位数码管显示所测量得到的距离显示测量距离，当距离小于警戒阀值时，可发出声光报警信号。该系统可用于提高汽车在行进过程中与倒车时的安全性，构建汽车行进的安全空间。论文利用单片机AT89C51作为控制器,基于超声波测距原理和霍尔传感器CS3020测速的原理,设计了一个汽车防撞控制报警电路,并编写了对应的测速、测距，预警警告等程序。论文主要包括一下几个部分: （1）调研了国内外汽车防撞系统的现状以及发

4、展情况,提出了汽车防撞系统电路的总体设计方案。(2) 研究了单片机AT89C51的电路结构、引脚功能和工作原理,设计了基于单片机I(3) AT89C51的汽车测速、超声波的接收与发射、LED显示与声光报警的控制电路。 （3）利用渡越时间法进行超声波测距的基本原理，分析了影响超声波测距精度的几个重要因素，提出了采用 40kHz 的超声波作为测距载体和对系统测量误差影响较大的环境温度进行补偿的方案，提高了系统的测量精度和量程，设计制作了超声波测距的发射和接收两个模块。其中超声波发射电路主要由超声波换能器和反相器 74LS04 构成，单片机 P1.0 端口输出 40 kHz 间断方波。超声波接收电路

5、采用 SONY 公司的 CX20106A 为核心，对接收探头收到的信号进行放大、滤波。（4）显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，用于显示车与障碍物的距离，由单片机P0.0P0.6接LED的ag七个笔段，P2.4P2.7接四位三极管的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。（5）利用霍尔传感器CS3020测车速。霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点。（6）声光报警电路由 NE555 电路、发光二极管、扬声器组成。汽车与障碍物之间的距离小于其车速段的安全距离时，AT89C51 单片机的P2.2 管

6、脚输出低电平， 经反相器到达 NE555 的 4 管脚时为高电平，NE555 开始振荡，发光二极管经三极管驱动点亮，同时，电容耦合滤除直流分量使扬声器发出报警声音。（7）对系统的软件设计进行介绍。在软件设计中采用不同模块不同编程进行设计的，设计分别对系统的主程序模块、中断子程序模块、超声波测距模块、声光报警模块。测速模块和数码管的显示模块的各个程序进行了设计。（8)利用Altium Designer进行原理图绘画和PCB板制作。 关键词：汽车防撞；超声波测距；AT89C51；测速；声光报警IIIInstructionWith the rapid development of modern so

7、ciety, the problems of traffic safety has become a major issue to be solved in the world. The birth of the car, brings convenience to human life, at the same time the accident also brought to mankind a lot of shadow. The traffic accident has become the first pollution in modern society. Based on the

8、 Daimler Chrysler, if the driver is 0.5 seconds of extra warning time, rear end collision accident about 60% can be avoided, and 1 seconds early warning will avoid rear-end collision accident 90%. Thus the vehicle collision avoidance system (referred to as CAS) has important research significance an

9、d application space. In order to make full use of a variety of convenient vehicle for mankind, at the same time as much as possible to avoid the accident caused the tragedy, anti-collision device research and promotion of car is becoming more and more important and urgent. In view of this situation,

10、 design a fast response, high reliability and a more economical vehicle collision warning system to be imperative. Therefore, this paper designed the collision warning system to an ultrasonic ranging and AT89C51 microcontroller as the core of the car, in order to improve the security of the automobi

11、le, reduce traffic accidents. The system computer real-time control and data processing functions and ultrasonic ranging technology, sensor technology, better implementation of the obstacles in the operation process of the automobile collision, and can display the distance through the digital tube,

12、the obstacle distance and vehicle at a safe distance from the different speed are compared, can send out audible and visual alarm. According to the principle of ultrasonic distance measurement, based on AT89C51 microcontroller as the core, design the anti-collision alarm system of automobile. The si

13、ngle chip real-time control and data processing and ultrasonic ranging technology, sensor technology combined with ultrasonic transmitting and receiving circuit, measuring circuit, an acousto-optic alarm circuit, hardware circuit as the carrier, through processing software to achieve the measurement

14、 distance. Circulating continuously to collect ultrasonic signal by using a AT89C51 single chip microcomputer. The design of the automobile anti-collision system capable of continuous measurement, data through the MCU after processing, the measured distance display measuring distance with 4 digital

15、tube display, IIIwhen the distance is less than the warning threshold, can send out audible and visual alarm signal. The system can be used to improve the car in the process of running and the safety of the car when the safety car, construction of space travel.The paper uses AT89C51 MCU as a control

16、ler, the principle of ultrasonic ranging principle and Holzer velocity measurement based on CS3020 sensor, the design of a vehicle anti-collision control alarm circuit, and compiled the corresponding velocity, distance, warning warning program. The author of this paper mainly relates to the data inc

17、luding:(1) Investigation of the current situation of domestic and foreign automobile collision avoidance system and the development of the situation, the overall design scheme of circuit for automobile collision avoidance system.Research on AT89C51 MCU circuit structure, pins function and the princi

18、ple of design, the vehicle speed, ultrasonic chip AT89C51 of transmitter and receiver, LED display control circuit and sound and light alarm based on.(3)The basic principle of ultrasonic distance measurement by time-of-flight method, analyses several important factors that affect the precision of ul

19、trasonic distance measurement is proposed, using 40kHz as carrier of ultrasonic ranging and greater environmental temperature effect on the measurement error compensation scheme, to improve the accuracy of measurement and measuring system, the design of ultrasonic ranging the transmitting and receiv

20、ing module two. The ultrasonic transmitting circuit mainly by the ultrasonic transducer and the inverter, 74LS04, SCM P1.0 port output 40 kHz continuous wave. Ultrasonic receiving circuit using the SONY company's CX20106A as the core, amplification, filtering of signal receiving probe received.(

21、4) The display circuit uses 4 common anode LED digital tube display is simple and practical, for the car and the obstacle distance, by the single chip P0.0 - P0.6 LED ag seven segment, P2.4P2.7 public access terminal four triode, through software with dynamic scanning display.(5) Measuring speed by

22、Holzer sensor CS3020. Holzer speed sensor is a kind of Vmagnetic sensor based on the Holzer effect of the magnetic field, has high sensitivity, stable output signal, the frequency response characteristics of high, strong electromagnetic interference resistance, simple structure, convenient use etc.(

23、6)The sound and light alarm circuit, NE555 circuit, light emitting diode, a loudspeaker. The safety distance between the car and the obstacle distance is less than the speed of the AT89C51 microcontroller, P2.2 pin output low level, high level through the inverter to reach 4 of NE555 pins, NE555 sta

24、rts to oscillate, LED tube driving light, the pole at the same time, the capacitive coupling filtering decaying DC component of the loudspeaker alarm sound.(7) The introduction of the system software design. The different modules and different programming design in the design of the software, design

25、 of system main program module, interrupt module, ultrasonic distance measuring module, sound-light alarm module. The speed measuring module and digital tube display modules are designed.(8) By using Keil C programming and schematic drawing and PCB plate produced by Altium Designer. Keywords: Automo

26、bile anti-collision; Ultrasonic ranging; AT89C51; Measurement; Sound and light alarmV目录设计总说明IInstructionIII第1章 绪论11.1课题研究意义及背景11.2国内外研究的现状21.3 论文主要研究内容和章节安排3第2章 总体设计方案4第3章 超声测距原理63.1超声波传感器63.2超声波及超声的传播速度73.3超声测距基本原理83.3.1相位检测法83.3.2声波幅值检测法93.3.3渡越时间检测法93.4测距系统的主要参数93.4.2 声速103.4.3 发射脉冲宽度103.4.4 测量盲区

27、11第4章 硬件系统设计124.1单片机控制模块设计124.1.1单片机的选择124.1.2 AT89C51单片机的原理及工作特点144.1.3 单片机引脚功能144.1.4 单片机最小系统174.2 超声波测距模块设计184.2.1超声波发射模块184.2.2 超声波接收模块204.2.3 温度补偿电路234.3显示电路设计244.4 报警模块设计254.5 稳压电源电路274.6 测速电路284.7 辅助模块设计294.7.1按键电路294.7.2 通信模块294.8 PCB制图31第5章 软件设计335.1 主程序345.2 超声波发送及接收中断365.3 距离计算子程序375.4 DS

28、18B20温度采集程序39第6章 总结426.1 系统所存在的不足426.2 结论与展望42参考文献44附录A 汽车防撞控制系统45附录B PCB板46致 谢47第1章 绪论 随着社会生产力的发展和经济水平的大幅度提高，让百姓的收入日益鼓胀，解决了温饱问题的家庭开始走向小康，表现得最明显的是交通工具的升级换代上：一些家庭开始购买汽车作为自己的代步工具。近几年我国汽车保有量逐年增加，按保守估计，未来国内汽车保有量能够达到4.9亿辆左右，即大约350辆/千人。对于汽车数量的大副度攀升，尽管国家在公路设施上不断地改进，但道路上的车辆仍然还是越来越多，尤其在上下班时段完全避免不了公路上汽车拥挤的现状。

29、再加上在汽车设计上车速的不断提高，虽然公路上各路段都有限速，但撞车事件仍然在广大人民的生活中屡屡发生，给人们带来了巨大的人身伤亡和社会财产的损失。针对汽车拥挤的现状，设计一种反应快，稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统对当今现状是势在必行的。汽车防撞系统是一种向司机的报警装置，此防撞报警系统能将在汽车行驶和倒车过程中自动检测障碍物，然后通过超声波测距原理测出汽车与障碍物之间的距离，并将距离显示出来，当汽车与障碍物之间的距离达到极限时。系统发出声光报警，达到提醒司机防止撞车的目的。1.1课题研究意义及背景近二十年来,电子技术的发展也促进了非接触测距方式的发展,先后出现了激光、微波雷达、红外线及

30、超声波测距方式。其中,激光测距的测量精度较高,操作相对简单,但它受环境的影响比较大,成本比较高,并且后期维护非常不便,所以一般在军事领域应用广泛。而使用微波雷达测距技术,电路部分造价昂贵,现在几乎没有开拓民用市场,只为军事和某些工业开发采用。红外测距的优点是便宜,易制,安全,缺点是精度低,方向性差。超声测距作为一种非接触测量技术,是电磁波测距技术的一种,所以除了与电磁波相似的一面外,又有其独特的一些特点。超声可以在气体、液体、固体或它们的混合物中以横波、纵波、表面波、薄板波等各种各样的传播方式传播,也可在生物体和金属中传播,这是其他光所不能投射的,所以,超声波检测技术成为探测物质内部的有效手段

31、。与电磁波相比,超声波的传播速度较慢,相同频率的情况下,波长比较短,所以有益于测量分辨率的提高。并且由于超声波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所以,反过来也可以通过超声波在介质中的传播的情况来探知物质的状态。距离的实时测量非常必要,在很多控制和应用场合中都至关重要。因为超声波方向性好,传播性强且受传播介质的影响比较容易量化,且电路实现较简单,制造成本较低,所以,超声波测距方式受到了应有的重视。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性,特别是在特定的工作环境下,如何提高超声波测距精度、减小测量盲区和扩大范围等方面需要深入研宄,这对于超声波检测技术的发展具有重要的应用意义。精

32、确检测超声波回波前沿的到达时刻是超声波测距的核心部分。 本文设计了一种以超声波测距和 AT89C51 单片机为核心的汽车防撞报警系统，以期提高汽车运行的安全性，减少交通事故。 本系统将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波测距技术、传感器技术相结合，较好的实现了汽车在运行过程中的障碍防撞，并可通过数码管显示距离，将障碍物距离和汽车在不同车速段的安全距离相比较，可发出声光警报。大大减少汽车驾驶员在行车时候的顾虑和对距离判断的失误，从而能够避免碰撞的安全问题的发生，故此装置对于提高交通安全将起到重要的作用。所以，本课题所要求设计的基于单片机的汽车防撞装置将具有极大的现实意义和市场。1.2国内外研究

33、的现状国际上先进国家自80年代末开始研究汽车防撞系统。90年代初,美国、德国、日本相继报道在民用汽车上装备防撞预警系统。我国在这一领域起步较晚,目前由于存在报警系统本身的可靠性或误报警等问题,尚未见到有批量化生产和装备汽车的报道。防撞有微波、激光和超声等多种方法。微波系统测距范围较远,由于采用相控阵天线成像技术,已达到了实用化的程度,只是目前成本居高不下。国内已有公司设计出激光汽车防撞系统样品,但由于激光波束较窄、路障报告率偏低而暂时不能推广。声波的发射和接收是自然界中的普遍现象。频率低于20KHz的声波人耳可辨,进行着各式各样、错综复杂的自然声音传递,因背景复杂而不利做测试媒体使用。频率高于

34、20kHz的超声波不仅波长短、方向性好、能够呈射线定向传播,而且碰到界面就会有显著反射。这些特性有利于选用超声波做媒体,测定物体的位置、距离甚至形状等。超声波传感器的特性:1、在自身特性谐振点40kHz附近可获得较高的灵敏度；2、谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄,有利于抗声波干扰设计；3、不受无线电频谱资源限制,易于抗电磁干扰设计。另外,超声系统成本低、性能稳定可靠,应用前景好。1.3 论文主要研究内容和章节安排论文构成主要由以下部分组成： 第1章 主要介绍了本课题的背景意义和相关技术在国内外的研究现状。 第2章介绍的是汽车防撞系统的总体方案设计。首先介绍汽车防撞系统的设计要求，然后

35、提出本系统的总体的设计方案，为硬件系统的设计打下了基础。 第3章主要介绍超声波传感器以及其传感特性、超声波测距原理及其实现、超声波及超声波的传播速度和传感系统的一些主要参数。第4章对硬件系统的设计进行了介绍。首先对超声波传感器的工作原理进行了分析，以及单片机的介绍然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路和其他的的一些模块的硬件设计，最后介绍了显示模块电路和声光报警电路的设计以及辅助模块的设计还有PCB的绘制。 第5章主要是对系统的软件设计进行了介绍。在软件设计中采用不同模块不同编程进行设计的，本设计分别对系统的主程序模块、中断子程序模块、超声波测距模块、声光报警模块和数码

36、管的显示模块的各个程序进行了设计。 第6章是对本设计的误差分析、总结和展望。最后对全文进行了总结，并指明了系统设计的不足之处，最后也对本系统发展前景进行了展望。第2章 总体设计方案本系统硬件电路部分由 AT89C51 单片机控制器的电源电路、复位电路、振荡电路，以及按键电路、超声波发射电路、超声波接收电路、测速电路、声光报警电路、LED 显示电路组成。 AT89C51 单片机控制器的电源电路等附属电路较为简单，在此不作详细说明。本文论述的汽车防撞报警系统选用 AT89C51 单片机作为控制器，其具体工作过程如下：系统采用超声波测距的方法对障碍物进行测距，首先由超声波发射电路发出信号， 刺激超声

37、波发生器发出超声波，当超声波遇到障碍物后，立即产生反射波；然后超声波接收探头接收到超声波，激励超声波接收电路向单片机传输信号。 系统利用霍尔传感器测量车轮的转速，通过内部程序计算汽车的行进速度。单片机控制器内部程序将该汽车时速下的距离计算出来，利用数码管组显示给用户， 另外还将此距离和安全距离相比较，如果小于安全距离则利用警示灯或蜂鸣器进行声光报警；如果大于安全距离则只显示距离，不报警。汽车防撞报警系统的工作原理和详细结构组成如图2.1所示。测速电路超声波接收显示电路单片机控制器AT89C51超声波发射声光报警温度传感器 图2.1 总体框图结合各方面的因素考虑，依据设计的要求，查阅相关数据资料

38、，选择了超声波测距传感器TR40-16（其中T表示超声波发射探头，R表示超声波接收探头）。超声波模块的最大探测距离为5 m，精度可以达到0.3 cm，盲区为2 cm，而且发射扩散角不大于15°，更有利于测距的准确性。而且，此模块的工作频率范围为39 kHz41 kHz左右，完全能在40 kHz工作频率工作。由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的，所以发射探头和接收探头必须在同一条水平行直线上，这样才能准确地接收反射的回波。而由于测量的距离不同和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传播的过程中的超声波衰减问题，发射探头和接收探头距离不可以太远，而且还要避免发射探头对接收探头在

39、接收信号时产生的干扰，所以二者又不能靠得太近。根据对相关资料查阅，将两探头之间的距离定在5 cm8 cm最为合适。第3章 超声测距原理3.1超声波传感器 超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同。在汽车倒车防撞系统中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。图3.1 压电式超声波传感器结构图压电传感器

40、探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波测距装置的重要组成部分。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加

41、电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。图3.2为分离式反射型超声波传感器的基本工作方式。图3.2 超声波传感器的基本工作方式3.2超声波及超声的传播速度声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。现代声学已经涵盖了从Hz的频率范围，相当于从大约3小时振动一次的次声波到波长短

42、于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了量级的宽广频段。振动频率在之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于加kHz的机械波，称为超声波，而高于100MHZ的机械波，则称之为特超声波。由于人耳听阀有限，所以在自然界中似乎超声不存在，其实超声是广泛存在的。人耳听到的声音只是自然界声音的一部分，即可听声部分，而即使是可听声部分的声音，有时仍然含有超声成分，只是人耳听不到。人类从18世纪开始就开始研究它，一直延续至今，并利用仿生学的原理制造出雷达等探测工具。在我国,解放前超声的研究是个空白。解放后不久，出现了很少量的超声学研究。大规模的超声研究开始于1965年。目前，

43、我国在超声学的各个领域都开展了研究和应用，有不少的研究成果处于国际较好水平。声速在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说超声的传播速度与可听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声具有更好的指向性，并且可以穿透不透明物质。超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传播理论己教成熟。在常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中的传播速度为:，式中M为气体的摩尔质量;r为气体的定压比热与定容比热之比；R为摩尔气体常数;T为热力学温度。对于一定的气体r、R、M为定值。由公式可知：声速与热力学温度的平方根成正比。在温度

44、T=273.16K、气压为标准大气压情况下，空气中声速的实验值为：。在其他条件保持稳定，计算不同温度时，空气中的声速可用下式计算:，式中，。这样，在实际测量中，我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿。其声速C与温度有关，表3.1列出了几种不同温度下的声速。表3.1 声速与温度的关系温度（）-30-20-100102030100声速（m/s）3133193253233383443493863.3超声测距基本原理超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。 3.3.1相位检测法 将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输

45、出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器前方目标反射回来的信号，而相关函数峰值出现的时刻就是射程时间。由此可见,相关估计法（也称为匹配滤波）既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如超声波信号经目标反射后所产生的回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么用互相关函数法的时延估计精度将高于与其它时延估计法。这种算法虽然精度高,但算法较复杂，单片机运行起来速度慢，测距实时性不好。 3.3.2声波幅值检测法 这种方法是根据超声波在空气中传播不断衰减的特性，检测回波信号的幅值，对延迟时间作出一个判断，但是声波

46、幅值检测法易受反射波的影响,测距精度不高。 3.3.3渡越时间检测法 渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。超声测距最常用的是渡越时间检测法。其原理为:超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射波，并转化为电信号，测量出发射和接收信号之间的时间差t，即渡越时间。利用，即可算得传感器与反射点间的距离S，测距原理如图所示，由图可知，测量距离，若时，则；如果设种采用/发同体传感器或使发射、接收传感器非常接近时，则。目 标hds图3.3 测距原理其中，d为超声波发射器到被测物体之间的距离；v为超声波在媒体中传播的速度；t为从发射超声波到

47、接收超声波之间的时间差。3.4测距系统的主要参数3.4.1测距仪的工作频率 由文献知，空气中超声波的衰减系数为=s+a（dB/cm,NP/cm）。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑： 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。 工作频率越高，对相同尺寸

48、的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。 3.4.2 声速 声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为V=331.40.60

49、7T(mm/ms) 式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 mm/ms。 3.4.3 发射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。本设计最终选定11us的发射脉冲宽度。 3.4.4 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也

50、进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区。第4章 硬件系统设计 汽车防撞装置主要由单片机、超声波发射探头、超声波接收探头、4位共阳极数码管、测速电路和光电报警电路组成。汽车防撞系统的测距是利用超声波测距的原理，在单片机内部程序的控制下，根据车速由超声波发射探头发射超声波，在超声波遇到障碍物

51、时反射到超声波接收探头，由此回应到单片机，由单片机进行中断处理和数据的处理，计算出距离，由数码管显示距离，并由蜂鸣器报警提示。本设计的硬件电路分为五部分：单片机系统设计、超声波发射和接收电路、显示报警电路、数码管显示其他辅助电路和稳压电源设计。4.1单片机控制模块设计 4.1.1单片机的选择 一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能

52、方面也是各自有各自的特点。在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有： （1）单片机最基本性能参数指标。例如：执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。 （2）单片机的某些增强的功能。 （3）单片机的存储介质。例如：对于程序存储器来说，最好选用的是Flash的存储器。 （4）单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如：双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。 （5）单片机对工作的温度范围的要求。例如：在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。 （6）单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几mA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这

53、个时候选用STC的单片机是最合适的。 （7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。 （8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。 （9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面与标准的52系列的单片机可以完全的兼容。51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90 MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户的资源。根据本系统设计的实际要求，选择AT89C51单片机做为本设计的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS 8位单

54、片机。89C51单片机具有以下几个性能特点：4 k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。单片机的引脚图如图4.1所示：图4.1 AT89C51芯片引脚 4.1.2 AT89C51单片机的原理及工作特点5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时/计数器T0和T1，4个8 b的I/O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行

55、通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条I/O线；2个16b定时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善

56、的超声波测距系统。 4.1.3 单片机引脚功能（1）电源引脚 Vcc（40脚）：正电源的引脚，工作电压是5 V。 GND（20脚）：接地端。（2） 晶振电路的引脚XTAL1和XTAL2图4.2 晶振电路 为了产生时钟信号，在89C51单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端 。单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12 MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。单片机晶振提供的时钟频率

57、越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。时钟信号电路如图 4.2所示。 （3）复位RST（9脚）在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位键重新启动。所以，系统的复位电路必须精确、可靠地工作。单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如图4.1.3.2。在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位。当人按下按钮RST时，使电容C1通过R12迅速放电，待RST弹起后，C1再次充电，实现手动复位。运行时，只要有有两个机器周期即24