TCT20-12TR超声波传感器高速车距检测毕业设计说明书

毕业设计说明书题目:TCT20-12T/R超声波传感器高速车距检测产品设计工艺设计方案设计√类型：学生姓名：学号：学院：电子信息工程学院专业：机电一体化班级：学校指导教师：企业指导教师：________________________2015年11月19日摘要高速公路交通系统在我国的兴起，正改变着我国陆上交通的格局。然而近年来，道路交通安全形势越来越严峻，交通事故给家庭、集体和国家都带来了巨大的损失，已成为世界性的严重问题。这其中自高速公路投入使用以来，事故频发，已严重影响人们对使用高速公路的信心，据有关统计资料表明，在众多的高速公路交通事故中，追尾碰撞引起的事故占最多数，因此，研发一种高性能的汽车测距防撞预警系统成为迫切的需要.本论文是运用超声波测距原理，利用超声波传感器进行车距信息的采集，然后由单片机所组成的硬件进行信息的分析，如果发现两车的距离进入了危险距离，则会发生报警来提醒车主，从而让车主有提前的反应时间，来减少事故的发生。关键词：测距；安全行车距；高速路；能见度；报警目录1.前言 前言选题背景及意义汽车作为现代人类的交通工具，改变了人们的生活方式，推动了社会经济的发展和人类文化的进步，给人们的生活带来了极大的便利，但同时也带来了严重的交通安全问题。由于人类的视力容易受到外界的干扰，所以用超声波传感器来代替，可以解决能见度的问题，解决一系列不良天气的影响。而超声波传感器的远距离也可以让驾驶者有提前准备的时间。从而减少高速路的行车事故的发生。保障人们的人生安全，幸福的生活。1.2论文的主要内容汽车测距报警系统是一项融合汽车电子技术和信号处理装置与通信技术等多学科的综合性课题，虽然国际上已经研究了很多年，但在我国这项技术还是相对落后。所以本论文仅在汽车测距报警方面进行了研究。主要类容有：分析汽车追尾事故过程及原因分析，对如何防止高速路追尾系统提出要求。1）针对系统要求，选择合适的传感器进行信号的采集。2）设计相应的A/D转换电路，报警电路。3）对实验结果进行分析，结合相关资料进行验证。1.3论文的研究方法与组织结构本论文为理论研究，先从各环节的元件配置开始，理论分析，并与相应专业资料相互验证，得到较有效的理论依据。硬件方面：探讨各种传感器的优缺点，根据实际需求选择合适的测距传感器，并再此基础上选择合适的单片机和传感器相匹配。软件方面：在探讨行车信息采集与处理方法的基础上，进行编程调试以及理论验证，根据分析所得的数据提出合理的配置方案，并给出方案的元器件工作原理与相关的逻辑电路图，对报警模块进行优化，最终确定高速路车距检测报警系统的整体方案。基于系统功能的需求可以确定系统的相关结构，它是以微控制器为基础的控制系统，是单片机技术，系统控制技术，和传感器技术以及通讯技术相结合的产物。本文在总体设计中的传感器系统如图2.1图2.1汽车测距报警系统的目标与总体设计2.1高速路汽车事故分析驾驶员反应模式在道路上行驶的汽车系统中，驾驶员是关键因数，对行车安全起着主导作用。根据对人体行为的“刺激—机体—反应”经典模式，驾驶汽车可分为三个阶段，即感知阶段—判断阶段—执行阶段，如图1.2所示：图1.2感知阶段。感知阶段主要通过视觉与听觉及触觉来获取道路环和车身的运行状况信息，这一阶段主要由感觉器官完成。在感知阶段，驾驶员对已存在的道路交通信息的判断和正确理解，是随后合理进行动作的基础。对于驾驶员来说，如果没有完全和准确的驾驶信息和运行状态的获得，极有可能导致判断失误和动作失误。因此，驾驶状态意识在驾驶行为中相当重要。（2）判断决策阶段。判断决策阶段是驾驶员在感知信息的基础上，结合自己的驾驶员经验和技能，经过分析，做出判断，确定有利于安全行驶的措施，这一阶段主要由人的大脑完成。在汽车行驶时，驾驶员需要知道其他车辆和障碍物在哪里，以及它们的运动状态和运动特性。驾驶员可以从道路环境，车内显示板或直接感官来识别道路交通状态的要素与特征。（3）执行阶段。执行阶段是驾驶员依据判断决策所得出的实际反应和行动，具体指手和脚对汽车实施的控制，如加速，减速，制动，转向等。这一阶段主要由运动器官完成。这样，驾驶行为不仅式信息感知，判断，执行三个阶段不间断的多次组合，而且也是三者的连锁反应。这就要求驾驶员式在非常短的时间内，根据综合判断的结果及协调动作。[1]2.2驾驶安全事故分析引起高速公路汽车发生安全事故的原因是多方面的，除众所周知的如车速高，制动安全区扩大，气候条件差等易于诱发安全事故外，还有以下几个方面的原因。在安全事故发生的钱一刻时间，驾驶员获得道路环境信息。当速度，相对速度和两车之间的距离超越了安全距离的迈界式，就引起了交通事故。根据前面的分析，我们可以找出安全事故产生在三个不同的阶段的原因[2]。（1）在感知阶段驾驶员需要知道前方车辆的运动状况和自车的运动状况，如果通过感觉器官获得的信息部准确，或者不能获得完整的所需的信息，那么就只有依靠经验来驾驶。但是驾驶员在高速驾驶的条件下生理特征会发生变化：汽车驾驶员通过视觉机能从交通环境中获得80%以上的交通信息，从而实施驾驶操作。[3].（2）在判断决策阶段，驾驶员根据所获的的距离，相对熟读以及自车速度的信息，得出安全跟车距离。并把当时相对距离与经验驾驶的安全距离项比较，如果当前距离大于安全跟车距离时，汽车保持原有的运动状态或采取加速状态。如果当前距离小于安全跟车距离式，采用减速或制动的操作。这一阶段，如果叛国准确，则可以避免安全事故的发生。（3）在执行阶段。驾驶员根据所做出的决策进行正确操作，如果操作无误，并且决策准确，那么就可避免事故发生。如果在紧急情况下，或者驾驶员来不及反应，就会引起误操作，从而导致安全事故的发生。在高速公路上行驶，前车变速式，后车会做出相应的反应，当前车减速式，后车也随之减速，但经过延迟一段时间，这时前车加速，但此时前车也许已保持匀速行驶，这样两车间距随时间不断变化。2.3系统设计要求综合以上对高速路汽车安全事故原因的分析可知，要设计高性能的高速路汽车测距传感报警系统必须从驾驶员的感知，判断，和操作三方面来全面考虑。具体设计要求如下：（1）雷达传感器对各种天气状况的适应性好（2）选取合适的传感器探测汽车的车距（3）采用功能强大，性能优良的信号处理器对传感器信号进行处理，变成可感知的信号（4）系统抗干扰的能力要强，可靠性好，抗震性强2.4系统总体设计汽车车距检测报警系统属于汽车计算机控制系统，一般有探测信号的传感器，以计算机为核心的控制单元和实现控制意图的执行器三部分构成。传感器的系统中的信号输入部分，它用于感测系统外部的信息，并将得到的信息转化为电信号后传给控制单元，输入信息是引起控制系统发生变化的原因，在汽车车距检测系统中，测距传感器式把所测到的行车环境信息传递给控制单元，它通过处理，分析和计算所的的信息形成控制指令，并将控制指令传达给显示模块。危险式发出信息给执行单元，实现预报警。综合分析系统的设计要求，可以得到的高性能的车距检测报警系统包括以下几个部分：1）电源管理模块，负责不同电路之间的转换，对整个系统进行供电。2）信息采集处理模块，负责对汽车外界的状况和车距进行采集处理。3）声光报警模块，负责行车状态的显示及危险状态时进行声光报警。4）主控制模块，负责整个系统的信息处理及控制。系统的及时报警能对驾驶员起到良好的警示作用，但如果系统的可靠性差，频繁的报警会对驾驶员麻痹而导致忽视往后的报警，影响系统作用的发挥，考虑到汽车行驶环境的复杂性，参考前人的研究经验，确定以下场合对系统采取抑制报警：（1）驾驶员在采取制动时，驾驶员在采取制动时说明已经意识到了行车的危险状况，所以这时抑制报警。（2）低速行驶，车辆在低速行驶式发生交通事故的可能性很小，所以当车速低于一定值式（定为30km/h）时，对报警进行抑制。（3）转弯行驶，车辆转弯式，雷达把道路两旁的路障或格挡物当成目标，错误判段为危险状态，进行虚报，所以对警报进行抑制。系统硬件设计本论文的汽车车距检测报警系统主要硬件基本组成包括测距传感器，控制单元和执行器（及报警模块）。3.1超声测距原理超声波是换能晶片在电压激励下发生震动而产生频率高于20kHz的声波。超声波具有频率高，波长短，方向性好，定向传播，绕射现象小的特点，在工业，生物医学等方面超声波都具有广泛应用。因为具有很好的指向性和能量衰减缓慢的有点，超声波经常被用于距离测量。超声波的频率越高，传播距离越短。表2.2列举部分工作频率的超声波传播距离对应表。2.2根据表2.2，因为式高速公路车距检测，所以超声波选取的频率为20kHz，超声波传感器就是利用超声波特性而制成的传感器，习惯上也叫做超声波换能或者超声波探头。3.1.1超声波探测器的功能要求对于超声波探测器的功能来说，要满足对驾驶员的心理和生理的需求，对于驾驶员来说，准确，安全，不会感到厌烦这都是要考虑的，根据以上所述，超声波车距传感器应具有以下功能：1）可靠的信息接收处理功能2）LED数码显示器实时显示功能3）报警功能4）通信功能综上所述功能要求，设计了一种超声波车距检测报警系统。3.2LED显示器 LED显示器是由发光二级管构成，其在单片机中的应用非常广泛。1）LED显示器的结构及分类A．LED显示器的引脚通常所说的LED显示器由七个发光二极管组成，称为七段LED显示器，此外显示器中还有一个圆点型发光二极管，用于显示器显示小数点。通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字，字母以及其他符号。B.LED显示器中的发光二极管的两种接法：共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，这样阴极端输入低电平的发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。共阴极接法:把发光二极管的阴极连在一起形成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平则不点亮。[5]。2）LED显示器的显示分类LED显示器的显示方式为静态显示静态显示方式：所谓静态显示就是每一个LED显示器各笔伐段都要占用一条具有锁存功能输出线。CPU把要显示的字型代码送到输出口上，通过锁存后使显示器显示出所需的数字或符号，之后CPU不用在送字形代码，显示内容也会一直保留。直到CPU送新的字形代码。3.3超声波测距模块电路车距检测模块是车位检测报警系统的核心，其硬件设计包括超声波发射器电路，超声波接收电路，指示灯电路和报警电路。3.3.1信号发射模块超声波发射电路包括发射脉冲，超声波驱动电路和超声波发射传感器。20KHz的发射脉冲有两种产生方式；硬件方式和软件方式。其中硬件方式可以用555时基电路震荡产生，但需要额外增加元器件。采用555震荡电路原理图如图3.1所示：图3.1555震荡电路原理图3.3.2信号接收模块超声波接收电路包括超声波接收器，信号放大电路和比较电路。超声波在发射之后在空气中传播，发射，在传播，其能量会在这一过程中逐渐衰减，电压比较器输出的方波信号直接送入INT0中断口，单片机根据此信号产生中断，在中断程序中结束计算，计算出超声波传播时间。1）放大电路电路采用两级放大电路，芯片选用运算放大器LM358.LM358内部包括两个独立的，高增益，内部频率补偿的双运算放大器。单位增益频带宽为1MHz，能保证在20KHz时提供充分的增益。电源电压范围很宽，单电源3-30V。考虑到现场电源供给问题，这里采用单电源12V供电。图3.2为信号放大电路图图3.2信号放大电控制单元4.1硬件结构中主要部件和特殊部件说明（1）CPU单片机具有超小型化，功能强，可靠性高，价格低，性价比高和功耗低等一系列优点，因此在汽车的实时控制中得到了广泛的应用。（2）双端口SRAMDS16091）仲裁操作DS1609有一个特别的存储单元结构设计，允许从两个端口同时对存储单元进行访问。由此就不需要通常双端口储存器周期中不可缺少的仲裁逻辑。当两个端口同时对一个储存单元进行操作时，肯定引起亚稳态的储存单元竞争问题。这些组的数据可以安排一些校验和字节保证正确的传送。每个端口可以安排特定的一个字节的写状态信息，允许其他端口可以读出这个写状态信息。这个状态信息向正在读操作的端口表明其他操作是否正在进行，并指示该操作什么时候发生。2)单芯片录音/回放装置ISD2560ISD2560负责报警声音的录入与回放。信息存储器件ISD2560是一种单片，高质量的录音播放回路。采用CMOS工艺，内部包含片上时钟，麦克前置放大器，自动增益控制，带通滤波器，平滑滤波器和功率放大器，可以实现高质量的语音复制（3）LED显示器显示方式1）测距信息输入电路4.1测距信息输入电路图2）语音报警输出电路语音报警输出电路3）车距显示电路4.3车距显示电路5系统软件设计5.1储存器配置存储器在物理结构上分程序存储空间和数据存储空间，共有四个存储器空间，片内程序存储器和片外程序存储器空间以及片内数据存储器空间和片外数据存储器空间。5.2单片机的中断系统8751单片机是一个动中断的微机，有三类五个中断源，分别叫做外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个。外部中断是由外部原因引起的，共有两个中断源，即外部中断0和外部中断1。它们的中断请求信号分别有引脚INT0和INT1引起。[8].定时中断是为满足定时或计时的需要设置的。为单片机芯片内部有两种定时器，以对其中的计数结构进行计数的方法。来实现定时或计数功能。中断控制是通过单片机设置一些控制存储器，作为提供给用户使用的中断控制手段。与中断控制有关的存储器共两个，即定时器控制，中断允许控制存储器，中断优先控制存储器以及串行口控制存储器。5.3程序设计方案由于采用的是双CPU结构，要对两个CPU进行分开编程，CPU主要负责收集转向和车速信息，先根据转向情况判断所收到的数据是否异常，如果没有异常则继续进行车速信息的收集，然后根据CPU2传过来的相对速度信息计算出前车的车速，车间距离进行比较，若安全则重新计算，判断。若不安全则报警输出；CPU2主要负责收集车间距离信息，两车相对车速计算，键盘操作与显示车间距离。6结论自接传感器以来，一直觉得传感器非常难，这次的课程设计我开始是以老师布置题目为主要选择对象的，但是后面发现，像超声波传感器在我脑海中根本没得一点意象，上网搜了很多资料，也感觉不怎么很懂，于是问老师怎么弄，后面发现老师的意见和我的原本的电路和图只有几个地方不同，突然感觉超声波传感器的特性非常适合车距的检测，避免应天气等原因而导致的交通事故的发生。在此，还是非常感谢我们的指导老师，她是一位很负责和很细心的老师，谢谢她的辅导和鼓励，