曾丹+4120144124203+汽车行车车距检测系统分析及仿真

1、 汽车行车测距检测系统分析及写真汽车与交通学院课程大作业课 程 名 称: 汽车电子控制技术（实践） 课 程 代 码: 04913 题 目： 汽车排放颗粒物检测系统分析及仿真 年级/专业/班: 2014级汽车运用工程 学 生 姓 名: 曾丹 学 号: 018115301753 开 始 时 间: 2016 年 01 月 20 日完 成 时 间: 2016 年 02 月 20 日课程大作业成绩：学习态度及平时成绩（30）技术水平与实际能力（20）创新（5）说明书（计算书、图纸、分析报告）撰写质量（45）总 分（100）指导教师签名： 年 月 日目录摘要- 2 -1引言- 3 -1.1问题的提出- 3

2、 -1.2问题的分析- 3 -2.超声波测距的工作原理及误差分析- 4 -2.1工作原理- 4 -2.2误差分析- 6 -3超声波测距系统的电路设计- 7 -4超声波传感器- 9 -4.1超声波传感器的主要运用- 10 -4.2系统软件设计- 11 -4.3超声相控阵自动测距系统的设定- 12 -5系统仿真分析- 14 -5.1功能总结- 15 -5.2超声波测距系统的改进- 16 -结 论- 17 -致 谢- 18 -参考文献- 19 -摘要本论文是基于AT89C51单片机为核心的汽车行车车距检测系统分析及仿真，该系统是利用超声波测距原理的高性价比的行车系统。随着汽车工业的发展，汽车的数量更

3、是逐年增加，造成公路、高速、街道、停车场等越来越拥挤，安全问题愈来愈值得人们的关注。本文设计了一种超声波测距系统，并证明了能够在高速时提高驾驶员和汽车的安全系数。超声波测距原理是通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。 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）关键词：ATC 超声波 测距 仿真1引言1.1

4、问题的提出随着社会进步,经济发展,人民生活水平的不断提高,拥有汽车的家庭逐渐增多,高速交通问题也随之出现,尤其在雨雪天气及夜间行驶时驾驶员视线模糊,对驾驶员的反应速度有很大的要求。许多汽车驾驶员更希望能有一种汽车测距报警器,在高速雨天夜间时不断测量汽车前方与尾部的距离。1.2问题的分析汽车测距报警器是一种汽车测距报警系统，其特征在于它由激光发射器、激光接收器、单片机处理器、速度传感器、语音报警器、 尾灯、车体构成。所述车体头部设有一组激光发射器和激光接收器，车体尾部也设有一组激光发射器和激光接收器，且车体头部和尾部设有的两组激光发射器和激光 接收器均用导线与单片机处理器相连接，两组设备不互相干

5、扰。相当大的程度上解决了因距离问题而出现的安全隐患和交通事故。2.超声波测距的工作原理及误差分析2.1工作原理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。2、压电式超声波发生器原理 图1 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

6、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。、3.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

7、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

8、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。超声波测距原理图2.2误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st<(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距

9、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1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，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，如表1所示。已知超声波速度与温度的关系如下：式中： r 气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R 气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，M气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

10、T 绝对温度，273K+T。近似公式为：C=C0+0.607×T式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度()。对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。3超声波测距系统的电路设计本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所

11、示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。PUZEL： MOV 14H, #12H；超声波发射持续200msHERE： CPL P1.0 ；输出40kHz方波NOP ；NOP ；NOP ；DJNZ 14H，HERE；RET前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的

12、脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。2、超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC

13、3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下：RECEIVE1：PUSH PSWPUSH ACCCLR EX1 ；关外部中断1JNB P1.1, RIGHT ；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序JNB P1.2, LEFT ；P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序RETURN：SETB EX1；开外部中断14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

14、，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。基于超声波特性研制的传感器称为“超声波传感器”，广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器原理图4.1超声波传感器的主要运用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其 超声波传感器 最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方

15、法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在

16、未来的超声波传感器应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。4.2系统软件设计首先是对系统初始化。端口p10、P33置0；设置堆栈，中断允许总控制位EA允许中断(EA=1)；允许外部中断0中断(EX0=1)，采用边沿触发方式(IT0=1)；设置定时器T0允许中断(ET0=1)，以16位工作方式定时约56 ms；设置定时器T1以16位工作方式定时计数，计数初值0000H，然后启动T0定时。设置显示数据初值为三位BCD码999(cm)，对应字形段码显示“-”。四路探测处理完毕后，将四组数据中的最小值送入显示缓冲区，通过LED数码管显示。同时该值与设

17、定的100 cm值比较，若四组数据中的最小值小于100 ，P37端口置0，Q2三极管导通，有源蜂鸣器得电发出报警声。由于单片机采用12 MHz的晶振，1个机器周期为1s，所以计数器每计一个数就是1s，定时器T1工作模式设置为16位定时计数器模式，则其最大定时65536 ms。由于定时器T0每56 ms产生中断，执行T0中断服务程序时停止T1计时，所以T1计时不会产生溢出中断。一轮四路探测处理完毕所用时间大约是56 ms×4=224 ms，用时很短，而倒车速度又比较慢，所以可以做到实时动态显示。4.3超声相控阵自动测距系统的设定由于超声波指向性强,能量消耗缓慢并且不易受电磁波、粉尘等干

18、扰,超声波技术越来越广泛的应用于非接触式近距离测距,如液位的测量、工业现场测距、汽车防撞雷达等。而超声波相控阵技术可以灵活有效地控制声束聚焦,并且聚焦区域的声场强度也大于常规的超声波技术,因而超声相控阵技术可以实现远距离区域自动扫描测距。本文采用超声相控阵技术对前方障碍物进行测距,并分析了超声相控阵指向性特性,构建了以STM32F407单片机为控制核心的超声相控阵自动测距系统。 本文的绪论部分首先介绍了超声波技术以及超声波测距的相关知识。文中主要介绍除了超声波测距外，非接触式检测技术还有电磁波测距、红外测距、激光测距、CCD测距等。通过分析以上几种测距手段的优缺点，得到本文所提出设计的基本思路

19、和研究方向。 接下来文中介绍了超声相控阵技术的基本原理，概述了超声相控阵在不同位置聚焦的实现方法。另外还介绍了超声相控阵在各个领域的发展应用，以及超声相控阵测距相对普通超声传感器测距所具有的优势。 本文的第三部分简要介绍了系统的各个组成部分。系统采用基于Cortex-M4的意法半导体公司(STMicroelectronics,ST)的32位高性能微控制器STM32F407为主控制器。超声阵列是由10个超声换能器按照一定的规则组成的，其中8个超声换能器呈24排列的2维矩形阵列为超声发射阵列，另外2个超声换能器分别安置在发射阵列面的两个长边旁附近作为接收超声回波传感器。超声阵列、主控芯片、外围电路

20、共同完成超声信号的发送、超声回波信号的接收、处理等一系列过程，最终将采集处理后的数据送至上位机显示。 本文的重点在第四部分。这部分详细介绍了系统的各个部分的硬件电路的设计，包括超声相控阵的设计，超声波信号发射电路，超声回波信号的接收以及预处理电路。其中信号处理电路主要对接收的超声回波信号进行前置放大、滤波、包络检波等一系列信号处理。 接下来的第五章也重点介绍了系统的软件模块化设计：主程序、温度测量子程序、确定焦点位置的算法、显示子程序、A/D中断服务子程序等，其中主程序主要完成系统的初始化工作、各个超声换能器阵元的电激励脉冲延迟信号的发射、A/D转换的启动和停止等任务，A/D中断服务子程序主要

21、用来完成对超声波回波信号的采集、转换等任务。这章的最后还重点介绍了最小均方时延估计LMSTDE算法的实现。接下来是对整个超声相控阵自动测距系统的测试及结果的分析。最后对本文做了总结和下一步工作的展望。5系统仿真分析摘要以测量超声波发射与反射时间差作为测距的基本原理,设计并实现可自动测距系统.将系统分为超声波发射、超声波接收、计时电路等若干部分,分别进行设计,并进行适当优化.每一部分均使用Multisim软件进行仿真及验证.相比以往的测距电路,本系统不仅能给出测出的距离,还增加了报警系统的设计.实验结果表明,本系统具有稳定、灵敏度强、测量精度高的特点,并具备一定的应用和推广价值.关键词：超声波测

22、量 测距系统 报警系统 Multisim仿真 声波发射 设计 发射电路 接收电路 震荡器 测距电路A sensor is placed on the rear bumper of the car, which is capable of both emitting and detecting ultrasound. As it pulses, a computer measures the time it takes for the sound it emits to be heard again. Parking sensors operate at a close range and so

23、me sensors have a minimum operating range. When the user set distance threshold is passed, the sensor will emit an audible sound alerting the driver that it is getting close to an object. The distance threshold is useful for those who may want to leave more room behind their vehicles, and those who

24、like to squeeze in as tight as possible. Some more expensive models may also have an extra unit inside the carwhich can also visually alert the driver. LimitationsThe ultrasonic parking sensor is considered the cheapest form of a parking sensor, thus it comes with several problems which other techno

25、logies address. The first is that it can miss small objects or objects which lay below the sensor's cone-shaped operating range and sometimes requires multiple sensors to be attached to the bumper to get full coverage on both sides of the car. The sensors can also be mis-triggered on steep slope

26、s when the ground itself is "seen" by the system and wrongly considered to be an obstacle. Camera-based sensors address these problems by simply displaying visually what is behind the car. These, however, are much more expensive.5.1功能总结有源超声波测距：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频

27、率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头,适合需要非接触测量场合,超声波测厚,超声波汽车测距告警装置等.，如机器人等。有源主动红外测距主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施测距.如主动红外夜视技术是通过观察的夜视技术，对应装备为主动红外夜视仪。被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标。其装备为热像仪。热成像仪具有不同于其它夜视仪的独特优点，如可在雾、雨、雪的天气下工作，作用距离远，能识别伪装和抗干扰等，已成国外夜视装备的发展重点，并将在一定成度上取代微光夜视仪。但其成本也非常高

28、。红外夜视技术先后经历了早期的主动红外夜视成像技术和现在的被动红外(热成像)技术。红外探测器最早是用单元探测器,后来为了提高灵敏度和分辩率而发展为多元线列探测器,现已向多元面阵红外探测器发展。也适合机器人应用.如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备应用等.5.2超声波测距系统的改进在现代工业生产过程中，利用超声波进行近距离非接触式测量越来越广泛，例如液位的测量、煤层的测厚、机器人定位、辅助视觉系统、车辆的定位与导航、汽车防撞雷达、井深及管道长度测量等方面。根据超声波纵向分辨力高、对色彩和光照度不敏感、抗电磁干扰能力强等特点，可以设计出精度较高的超声波测距系统，

29、应用于漫反射差和有毒等恶劣环境中。但传统的超声波测距仪由于采用固定阈值的比较器比较输出，测量精度普遍较低。本文从回波信号处理的角度出发，分析了超声波回波曲线的特性，利用回波包络的峰值检测以确定回波到达时刻的方法，并介绍一种以89C52单片机为核心、具有自动增益控制和峰值包络检测、高精度的收发一体式超声波测距系统的硬件电路和软件设计。本测距系统软件包括主程序、温度采集子程序、发射子程序、计算子程序、数码显示子程序、外部中断子程序和定时器中断子程序。主程序完成初始化后调用发射子程序，由P1.0口发射1个脉冲，驱动超声波传感器发射超声波，并关外部中断，计数器T0、T1同时开始计时；为防止虚假回波的干

30、扰，在延时一段时间后，开中断，此时判断计数器T1有否溢出中断，单片机根据不同的时间，以查表的方式设置自动增益控制电路的增益；当有外部中断信号时，单片机就停止T0的计时，计算出渡越时间t并存储到E2PROM中；然后调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速c，存储到E2PROM巾；单片机再调用计算子程序，计算出传感器到目标物体之间的距离，最后把测量结果存储并通过数码管电路显示出来，完成一次测量。主程序流程如图7。木超声波测距系统采用新的设计方法，并在实验室环境中进行测量，测量精度较高。由于采用收发一体式的测距电路，换能器振子必须在余震消除后才能进行接收，因此该测距系统有很大的

31、盲区。因为电路的延迟及包络峰值点后移，导致测量计时有所增大，进而导致测量数据的偏大。本系统采用前置放大器、AGC电路、过零检测等电路对接收信号进行处理，取得了良好的效果。在近距离测量范围内，这种方法可以达到厘米级。超声波测距系统的改进结 论现如今，汽车越来越多。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：(1) 超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。(2) 超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、

32、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。(3) 超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。所以，运用超声波测距技术应该更快的发展起来。致 谢从论文选题到搜集资料，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心情是如此复杂。如今，伴随着这篇论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。那种感觉就宛如在一场盛大的颁奖晚会上，我在晚会现场看着其他人一个接着一个上台领奖，自己却始终未能被念到名字，经过了很长很长的时间后，终于有位嘉宾高喊我的大名，这时我忘记了先前漫长的无聊的等待时间，欣喜万分地走向舞台，然后迫不及待地开始抒发自己的心情，发表自己的感想。这篇论文的就是我的舞台，以下的言语便是有点成就感后在舞台上发表的发自肺腑的诚挚谢