基于超声波测距的倒车报警设计.docx
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基于超声波测距的倒车报警设计
摘要
在汽车倒车时,测距报警装置可以有效提醒驾驶员后方一定距离内是否有障碍物,从而帮助驾驶员安全倒车。
基于超声波的测距报警装置准确、可靠、成本低,是制造倒车后方测距报警的首选方法。
本毕业设计就是根据发送超声波和遇障碍物反射的传输时间来用单片机计算传输距离,从而测量出障碍物与超声波发送装置间的距离,并设置在小于一定距离时报警提醒驾驶员。
本设计中主控制器是AT89C51的单片机,接收电路则由CX20106A组成的芯片以及红外线接收芯片共同组成。
单片机控制发射超声波,超声波接收电路接收到超声波后将脉冲信号输入单片机,单片机计算距离,并数字显示该距离。
当障碍物的距离小于设置的距离时发出报警。
本毕业设计完成了硬件电路设计制作和软件设计,经过多次调试、实验,实现了测距报警功能。
最后分析了测距误差的主要原因。
本超声波测距仪可以应用到汽车倒车测距报警,有效帮助驾驶员进行倒车。
关键词:
测距;超声波;单片机;倒车;报警
Abstract
Tobackacar,adistancemeasuringwarningdevicecaneffectivelyreminddriverswhethertherearebarrierswithinacertaindistanceatthebackofthecarsothatdriversareabletoreversethecarsafely.Thedevicewhichonthebasisofultrasonicwaveisaccurate,reliableandlowcost,soitisthefirstchoiceforsettlingthebackwardmeasuringbeaconingissueswhenbackinganautomobile.
Thisgraduationprojectaimstocalculatethetransmissiondistancebetweentheultrasonicwavedispatchingdeviceandobstacleswithsingle-chipmicrocontrollerbasingonthetransmissiontimebetweenthemandhaveitalertthedriverifthedistanceislessthanasettingpoint.Intheproject,AT89C51single-chipprocessoristhemaincontroller,inwhichultrasonicreceivingprobeandinfraredreceivingchipCX20106Aconstituteultrasonictestingandreceivingcircuit.Namely,single-chipmicrocontrollerdeliversultrasonicwave,whichisreceivedbyultrasonicwavecircuitthatsendsbackpulsesignal,countingdistancethatisdisplayedbyfigureswhichwillgiveoutalarmingifthedistanceislessthanagivingamount.
Thegraduationprojecthasfinishedtheproductionofhardwarecircuitdesignandsoftwaredesign,achievingrangingalarmingfunctionwithmanytimesdebuggingandexperimenting,analyzingthemaincausesofdistance-measuringerroratlast.Itturnsoutthattheultrasonicrangefindercanbeappliedtoreverserangingalarmingincarsandthusgiveahandtodriverstobackcars.
Keywords:
distancemeasurement;ultrasonicwave;single-chipmicrocontroller;backacar;giveanalarm
第1章绪论
1.1研究背景与意义
日益增长的汽车数量给我国带来了许多问题,既影响着交通安全,也威胁着人身安全。
如今面临的一个突出问题是停车场无法满足汽车的需求,出现停车场资源短缺的现象,因而出现了司机需在狭窄的停车位置上倒车的困难,车辆之间、车辆与障碍物之间都成为了司机倒车的难题,倒车成为了司机极需具备的能力。
据调查显示,每年发生的汽车事故中,有20%多是由于倒车造成的,又倒车引起的交通纠纷也不少,造成的损失也主要是与其他车刮擦、碰碎自己的车尾灯、车轮掉到沟里等,这些只是小小损失。
曾有新闻报道,一位爸爸因在倒车的过程中没有留意自己的女儿,车子从女儿的身上碾过,这是一场因倒车而发生的悲剧。
《道路交通管理条例》规定:
机动车倒车时,须查明车后情况,确认安全后,方可倒车。
这就明确规定要求司机在倒车时,要注意车和行人的安全。
为了避免因倒车引起的交通事故,应该做到:
倒车前,驾驶员要认真地查看周围的情况;倒车过程中,驾驶员更要留意来往车辆的方向,才能更好地避免因倒车引发的交通事故。
根据当地交通事故发生概率的统计显示,其中由倒车导致交通事故约占总交通事故发生率的44%,如表1-1的数据所示。
表1-1车辆动作统计事故
车辆动作
数量
百分比(%)
前进
1639
46
进入车位
1211
34
离开车位
355
10
转弯
352
10
总计
3557
100
为了能够安全、迅速地完成倒车,司机必须小心翼翼、瞻前顾后,避免撞上障碍物。
为此,驾驶员在平时要多加练习倒车技巧,在倒车的时候多留意身边的情况。
另外一方面,可以借助倒车安全辅助产品来减少意外的发生。
人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求,希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便,消除驾驶中的不安全因素,可将车快速准确地停放到指定的位置[1]。
为此,汽车倒车测距仪是驾驶员必不可少的倒车仪器,可以称为驾驶员的“后视眼”,自从产品推出以后受到广泛驾驶员的喜爱。
为了能够更好地提高汽车倒车的安全性,本文进行了基于超声波的倒车测距报警器设计,利用超声波测距的原理,当小于一定距离时,车尾上装置的超声波传感器会发射出超声波,在遇到障碍物之后就会发出警报,并计算出实际距离,提醒司机注意周围的情况,有利于降低因倒车造成的安全事故。
同时,随着电子技术的不断快速发展,基于超声波的倒车测距报警器就应运而生。
1.2国内外研究成果
在国际方面,早在19世纪末就开始对超声波进行研究,超声波技术的发展也逐渐突显。
刚开始的时候,超声波是运用在军事上,在1917年,一位名叫朗之万的科学家利用超声转换器成功探测水下的潜艇。
超声波不仅用于军事领域上,从1942年开始,应用于医学领域上,超声治疗已成为相当成熟的技术。
在我国,对超声波的研究比西方发达国家要晚很多,最开始的时候是将超声波运用到医疗上。
如今,超声波在国内与国际上,超声治疗在各个领域的应用非常广泛,在治疗学、工程学、生物学等领域都发挥着非常重要的作用,尤其是在当代医疗技术上占据着非常重要的位置。
当初,基于超声波测距的倒车警报是一项很重要的防撞项目,也受到社会各界的重视和研究。
汽车倒车测距报警器是有四种的,第一种,嘀嘀声加闪光;第二种,音乐声加闪光;第三种,语音声加闪光;第四种,本人正在研究与设计的超声波倒车测距报警器,每当汽车在倒车时与障碍物的距离越来越少时,只要达到设置值,就会发出报警声。
由于超声波在介质中传播的距离是比较远的,超声波在距离测量方面应用得非常多,操作比较方便、计算也比较简单、容易做到实时控制,不需要与被测量物体直接接触,能达到工业实用的要求。
因此,超声波原理得到了广泛的应用,主要应用在测距、碎石、测速等方面。
如今,随着汽车行业的不断发展,超声波已经应用到汽车倒车测距技术上。
消费者对汽车的需求不断上升,作为辅助倒车的测距报警器深受大众的欢迎。
在国外,美国、日本等发达国家在这方面的技术已经相当成熟,其汽车辅助产品占据着主要的市场份额,凭借创新的汽车信息技术达到了相当高的发展水平。
但是,我国的起步比较晚,难以达到国外的发展水平,在倒车产品领域上无法生产出质量相同的产品。
目前,要想得到测量精度是毫米级的要求,在我们国内还不能达到,而厘米级的测量精度还是可以做到的,超声波测距的专用集成电路就能够达到要求。
如今,利用超声波测距的原理对倒车测距报警器进行设计引起了大家的兴趣。
超声波测距技术已被广泛应用于工业控制、勘探测量、海洋测量等领域,而关于超声波测距系统的研究也在不断发展[2]。
1.3课题研究与论文章节安排
本文的研究课题是以超声波测距技术为原理,通过超声波的产生、传播、反射与接收完成的,并将超声波测距技术应用到倒车防撞报警器上,实现汽车的安全倒车。
现将本文的主要章节作出简单介绍:
1、研究背景与意义,国内外的研究状况
2、超声波测距的原理
3、系统总体设计
4、硬件电路设计
5、软件模块设计
6、软硬件调试与误差分析
7、总结
1.4本章小结
本章主要是对课题“基于超声波的倒车测距报警器”的设计与研究进行了初步的认识,以及阐述了课题研究的目的、意义、当前关于超声波与汽车倒车测距仪的研究成果,目的在于为系统设计做好充分的准备。
第2章超声波的测距原理
2.1超声波的特点
人类的听觉范围是20HZ—20KHZ之间,当声音的频率不在该范围时,凡是高于20KHZ或者低于20HZ的声音,人耳就会听不到这种声音的存在,人的听觉范围如图2-1所示:
图2-1人的听觉范围
这种超过人类听觉范围的声音就称为“超声”。
超声波是指频率高于20KHZ的声波。
超声波的主要特点是:
第一,具有束射性,即是能够反射、折射、聚焦;第二,具有吸收性,即是声波的强度会随着传播距离的增加而减弱;第三,沿直线传播,声波是可以穿过障碍物的,是沿着某一方向直线传播的。
也是因为超声波具有直线传播的特点,才被更好地应用到测距方面的技术当中。
第四,超声波的在有效传播介质里的传播速度是比较远的,与其他介质相比,超声波在水中的传播距离是特别远的。
由此可见,超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小,反射能力较强等优点,它不受光线、被测物颜色等影响,在恶劣工作环境下具有一定的适应能力,广泛应用于非接触式检测[3]。
2.2超声波测距原理
超声波测距的基本原理与雷达测距的原理大致一样的,是一种非触摸式的测距方法。
超声波测距的原理就是:
超声波发生器发射声波开始后,从开始的时刻启动计时,在超声波遇到障碍物之后就会立刻返回,超声波接收器接到反射回来的超声波后,就会立刻停止计时。
超声波可以在液体、固体和气体中传播的,而且超声波在空气中的传播速度是可以知道的,可以记为c,若记录的时间就是t,t是超声波在发射和接收所用的时间差,根据公式s=ct/2,就可以计算出距离(s),这种计算方法就是时间差测距法。
温度会影响着超声波的声速,如果温度的变化不明显,那么声速可以认为是不变的。
如果测距的要求比较高,就需要温度补偿的方法对系统进行校正。
如果温度上升1℃,那么声速就会增加0.607m/s。
由此可以得出结论,只要能够准确地测得超声波往返的时间,根据声速与温度的关系,确定超声波的传播速度,发射点与障碍物之间的距离就可以根据距离公式求得。
总而言之,超声波测距原理就是回声反射原理,可运用到汽车倒车测距中。
表2-1,是关于声速与温度之间的关系。
表2-1声速与温度关系表
温度(度)
-20
-10
-5
0
5
10
20
声速(米/秒)
315
322
328
330
337
345
350
2.3超声波测距方法
目前,超声波测距的方法主要有三种,分别为幅值检测法、渡越时间法、相位检测法。
现在来比较一下这三种方法的优缺点。
首先,相位检测法由于存在检测距离有限的缺点,而未能达到本论文设计的要求,但它的检测精度是比较高的。
然后,幅值检测法的检测结果不够稳定,精度也会受到不同程度的约束,因此本文的研究也不适合运此方法。
最后,渡越时间法工作原理简单,电路容易实现,比较适合本设计的课题研究要求。
2.4本章小结
本章主要是阐述了超声波的特点、超声波测距的原理、超声波的测距方法,是对课题研究的前期了解。
第3章方案拟定与系统整体设计
图3-1系统框图
3.1课题要求
(1)测量范围在0.10-5.00m之间,测量精度是1cm。
(2)测量时不可直接接触被测物。
(3)能够清晰、稳定地显示测量结果。
3.2方案拟定
1、硬件选择
(1)单片机的选择
选择好的单片机会影响到系统的精度、稳定性,而且还有利于降低系统成本。
综合各方面的因素,根据系统设计的要求和总体设计的思路,采用AT89C51作为单片机是最合适的,它是采用ATMEL高密度与非易失存储器技术来制造的,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
它的主要特征包括:
·与MCS-51兼容、
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命达到1000写/擦循环
·数据保留时间为10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
单片机AT89C51的引脚如图3-2所示。
图3-2单片机AT89C51
(2)超声波接收芯片
CX20106A是超声波接收处理的电路,它会对接收探头收到的信号进行放大和滤波。
当CX20106A接收到40KHz的信号时,第7脚就会产生一个低电平下降脉冲,这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入,也就是说它必须要接收40KHZ的信号,否则就没有办法进行调出。
CX20106A的优点就是电路比较简单,容易使用,调试程序也比不麻烦。
CX20106A的内部电路如图3-3所示。
图3-3CX20106A内部电路
(3)其他元器件的选择
显示是采用七段四位数码管,控制段选码74LS138控制位选信号。
发射部分超声波探头的选用TCT40-16TR1,报警电路选用蜂鸣器。
2、软件设计
系统软件设计主要包括主程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。
主程序首先要完成系统的初始化,还包括控制超声波发射、接收和数据显示等工作。
中断程序是指定时中断服务子程序和外部中断服务子程序,最后完成距离计算及报警等程序。
3.3设计方案实施
1、系统整体设计框图
图3-4系统组成框图
本设计以AT89C51单片机为核心,由超声波传感器发出40KHz的超声波方波信号,由定时器T0产生方波驱动信号,同时启动计数器T1,用来计数时间,也就是测算方波发射到接收所需要的时间。
由超声波接收器接收反射信号,计时器会在接收到该信号后关闭,并记下此时的时间,转入执行计算距离子程序,由子程序计算距离,并启动LED显示其数值,同时,当到达危险距离时发出滴答滴答的响声。
超声波汽车倒车测距报警器系统的总体框图如图3-4所示。
2、系统工作原理设计
该系统的主要组成部件是单片机、超声波发射电路、超声波接收电路等。
为了提高实验的准确性,降低误差,决定采用单片机AT89C51和超声波传感器构成系统的核心部分,实现对CX20106A超声波接收芯片的控制,同时用动态扫描实现LCD数字显示。
即是在单片机AT89C51的控制下,利用超声测距的原理,计算并显示出车尾与障碍物之间的距离,当小于安全距离时,就会发出警报声音。
3、方案实施
(1)超声波发射方案
超声波发射传感器采用的是T40-16,超声波发射电路主要由振荡器,和放大电路构成。
只要在超声波振荡器的外接电路两端产生振荡,超声波发射探头才能够发射超声波。
(2)超声波接收方案
根据实际需要,超声波的接收方案决定采用CX20106A来作为超声波检测接收,CX20106A专用集成芯片是属于红外线检波接收的,当它没有接收到信号时输出为高电平,当它接收相近频率的信号时输出为低电平。
这种方法灵敏度高,抗干扰能力强,适用于超声波测距设计中。
(3)显示方案
本设计采用LED数码管的动态显示,动态显示就是给LED通以脉冲电流,轮流控制各个显示器的COM端,使各个显示器轮流点亮,从而达到动态的效果。
LED动态显示的优点在于它使用的电压低,在小电流的条件下都能够发光。
(4)报警方案
报警电路的设计只需控制蜂鸣器发声即可,系统只需控制并提供简单的嘀嘀声,达到发出报警信号的功能即可。
(5)温度补偿方案
声速与温度是有着密切的关系,如果温度变化不大,可认为声速基本不变的,如果对精确度要求比较高的,必须进行温度补偿。
温度补偿的方法是采用测温电路来实现的,由测温专用芯片来测定,单片机就会根据温度变化将声速作相应得处理。
具体的温度补偿方法是:
根据当时的环境温度,和已经建立的温度--声速关系表取得当前声速,然后按照公式:
s=c·△t/2,进行距离计算,这种方法的程序比较简单,但精度不高。
但是,由于倒车测距报警器对精度的要求不高,故可以不进行温度补偿方案。
3.4本章小结
本章主要介绍了运用到的主要元器件,由这些元器件组成的系统结构,分析了该系统的主要工作原理,加深了对超声波测距的理解,由于倒车测距对测量的精确度要求不高,所以不采取温度补偿的方法。
第4章硬件电路设计
倒车测距仪用到的主要元器件有:
主控制器、超声波接收器、超声波发射器和显示与报警器等,因此,系统的硬件电路设计是由超声波发射电路、超声波接收电路、蜂鸣器报警电路、数码管显示电路这几个主要部分构成。
汽车倒车测距报警器就是由震荡电路发射超声波信号,通过超声波传感器将信号发射出去,超声波信号遇到障碍物之后发送到接收探头里,接着单片机会中断并进行数据分析,由数码管显示计算出来的距离,并由蜂鸣器进行提醒。
由此可以看出,超声波是一种非接触式的测距方法,非常适用于汽车倒车测距
4.1主控制器
本设计采用的主控制器是AT89C51,它被称为超声波测距系统的“心脏”,是保证完成测距的关键。
它是单片机工作的必要组成部分,又称为单片机最小系统。
它是测距系统的控制中枢,也是整个系统的核心部分[4]。
单片机AT89C51是8位单片机,可反复擦写1000多次,的主要作用是控制超声波发射、处理收到的信号、时间与距离的转化的数据处理、动态显示等;同时也具有低电压、低能耗、低成本、内含Flash存储器的优势。
其设计原理图如图4-1所示:
图4-1单片机的设计原理
4.2超声波发射电路
超声波发射电路的元器件采用的是T40-16,是一种固有频率为40KHZ的元器件,超声波发射电路主要由振荡器,和放大电路构成。
其原理图如图4-2所示。
只要在超声波振荡器的外接电路两端产生振荡,超声波发射探头才能够发射超声波。
图4-2超声波发射电路
4.3超声波接收电路
超声波接收探头、红外线接收芯片电路构成了超声波接收器的两大组成部分,其中红外线接收芯片采用CX20106A,该产品是8脚直插式,+5V供电,是彩电专收器,主要是应用到空调、视频等遥控信号接收电路中。
由超声波接收器接收到信号之后,超声波信号会被转化为电信号,电信号会被红外线接收芯片接收,并对接收到的信号进行识别。
超声波接收电路如图4-3所示:
图4-3超声波接收电路
本设计超声波接收电路选用集成电路CX20106A,它是典型应用电路。
它具有信号的放大、滤波、峰值检测和波形整形等功能,CX20106A接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力,可以满足超声波接收电路的要求。
同时集成电路也可以减少干扰。
4.4显示电路
显示器是属于典型的输出设备,电子产品都是需要使用显示器的。
综合所选用的单片机的要求,采用LED驱动输出设备。
LED数码管的显示方法有静态显示和动态扫描显示。
其中,静态显示驱动,就是给要点亮的LED通以恒定的电流,单片机只需要把要显示数字的段码发送到接口电路并保持不变即可,但是成本会比较大,所需的器件和连线会随着显示的位数的增加而增加。
因此,综合各方面的因素,本设计的显示电路采用动态方式,动态显示就是给LED通以脉冲电流,轮流控制各个显示器的COM端,使各个显示器轮流点亮。
因此,LED数码管是轮流工作的,依次点亮数码显示管,达到动态的效果。
LED数码管是4位共阳,段码是从P0口输出的,74LS244是一个共用的驱动器,它是由七段这样的线段组成的,每一个线段都是发光的二极管。
显示电路如图4-4所示:
图4-4显示电路
4.5报警电路
由于本设计是关于倒车测距的报警器,系统只需提供简单的嘀嘀声,达到发出报警信号的功能即可。
因此,在报警电路的设计就不需要过于复杂,只需用三极管控制蜂鸣器发声即可,具体电路如图4-5所示。
图4-5报警电路
4.6本章小结
本章主要是阐述了系统的硬件电路设计,硬件电路设计主要是包括超声波发射与接收电路、显示电路、报警电路等,这些电路设计是系统的核心部分,缺一不可,通过这些电路组合实现测距的实施。
由此可见,硬件设计对整个系统设计有很大的帮助。
第5章软件设计
系统软件设计是根据模块化的技术来进行编写程序的,软件设计主要是由主程序模块、超声波发生子程序、超声波接收中断程序和显示子程序构成的。
系统软件设计主要是利用单片机AT89C2051对整个系统进行控制,其主要作用是完成数据的处理。
由于超声波测距的程序在计算距离时需要精确地计算运行的时间和距离,这就需要系统做到精确和迅速才能满足复杂的计算要求。
因此,超声波测距的控制程序采用C语言和汇编语言编程,原因在于C语言程序有利于实现复杂的算法,汇编语言程序容易准确计算程序运行的时间。
5.1主程序设计
图5-1系统主程序的流程图图5-2数据处理子程序流程图
主程序是对单片机初始化、超声波的发射和接收的控制,计算超声波发射点与超声波在空气传播过程中遇到的障碍物之间的距离,还有对数码管的显示与蜂鸣器的报警。
首先,进行系统的初始化设置,完成整个单片机的初始设置之后,接着就是设置定时器的工作模式,启动定时器,然后调用超声波发生子程序发出一个超声波脉冲,为了避免超声波在发射器传送到接收器时引起的直射波触发,需要延时0.1ms,延时之后外中断程序被打开,接收返回的超声波信号,定时器会记录所用的时间,即是超声波来回所用的时间,根据公式就可以计算出超声波发射点与障碍物之间的距离。
记录的距离会通过子程序以十进制的形式传送到数码管上,数码管显示距离,最后声音处理程序会控制蜂鸣器发出警报的声音。
接收到回波信号之后,主程序就会返回到初始端。
这样就可以循环不断地实现系统的运行,实现循环测距的作用。
所以,根据上述的论述,可以得到系统主程序的流程图,如图5-1
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