超声波测距技术的汽车防撞系统的设计制作
一、引言 1
二 、总体方案论证 1
(一)设计方案论证 1
(二)系统方案 2
(三)超声波测距原理 2
三、硬件电路设计 3
(一)单片机系统的设计 3
1、单片机的选择 3
2、单片机最小系统 3
(二)超声波发送模块 4
(三)超声波接收电路 4
(四)显示电路 7
(五)USB电源及下载接口 7
四、软件设计 8
(一)主程序 8
(二)子程序 8
1、中断处理程序 8
2、显示模块设计 9
3、报警模块设计 9
4、初始化操作 9
五、硬件组装及性能调试 10
(一)组装及调试 10
(二)程序烧录 10
(三)实物调试 11
总结 12
谢辞 13
参考文献 14
附录 15
附录一 电路原理图 15
附录二 程序代码 16
附录三 实物图 23
附录四 超声波发射接收电路的PCB图 24
一、引言
随着社会经济的不断发展，人们对交通工具汽车的依赖性也越来越大，导致车辆日益增加，给城市交通不断施加压力，引发了行车的安全问题。一些由驾驶员反应不够迅速而导致的汽碰擦，从而发生事故。为了避免交通事故发生的主动安全系统和在发生事故时的防护安全，所以，主动安全系统的研究更为重要。而本设计的汽车防撞装置就是主动安全系统，通过对汽车与障碍物之间距离的提示报警避免汽车与障碍物之间的擦碰。本设计要求设计的汽车防撞装置能减少驾 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
驶员的驾驶压力和判断错误，使驾驶员泊车倒车更加安全便捷，本设计将对提高交通安全起到重要作用。
本设计的设计电路简单，能实现测距2cm—400cm的非接触式距离测量功能，测距精度达到3mm的功能。当测量距离小于20cm时，进行声音和灯光报警。调试方便，灵活性高，能满足驾驶员泊车时的需要，解除驾驶员在倒车过程中的顾虑和困扰，提高泊车的安全。
汽车防撞装置大大减少汽车驾驶员在倒车的时候顾虑和对距离判断的失误，从而能够避免倒车的安全问题的发生，因此这种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要求。
本次设计的汽车防撞装置由单片机控制电路、超声波测距模块、蜂鸣器报警电路及LCD1602显示电路等构成，装置运用单片机和传感器的知识，实现超声波测距及蜂鸣器报警提示的功能。
二 、总体方案论证
本次设计从系统方案等一些方面来进行论证分析。主要是进行距离的测量和报警功能，由单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块、LCD1602显示电路这几个模块结合起来。而本设计的主要核心之一就是超声波测距模块，测距模块是利用超声波传感器，之后如何选择合适单片机芯片，就从以下相关方面来论述的。
(一)设计方案论证
a.激光测距传感器
激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，遇到障碍物向各个方向散射，部分散射光返回仍会回到接收传感器，接受其微弱的光信号，从而记录所经历的时间计算测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点为测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，制作复杂、成本较高。
b. 红外线测距传感器
红外线测距传感器就是利用红外线信号在遇到障碍物其距离的不同有不同的反射强度，以这个特点进行测量障碍物的距离的远近。它的优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性差，只能测量近距离。
c. 超声波传感器
超声波是一种频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。将电能和超声波相互转化，即在发射超声波时将电能转化，发射超声波；而在接受回波时，则将超声振动转化为电信号。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好等优点。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格昂贵。但从安全性、成本、方向性等方面考虑来看，超声波传感器更适合设计的要求。根据对以上三种传感器性能的比较，明显能看出来激光传感器是比较理想的选择，但价格却比较高，且安全度不够高。汽车在行驶的过程中超声波传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。
(二)系统方案
此方案以AT89C52单片机作为控制核心，所测得的距离数值由LCD1602液晶显示器显示，与障碍物之间的不同距离利用蜂鸣器频率的不同报警声提示，超声波发射与接收，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，综合考虑设计的要求出于简便角度，选用了发射和接收在同一模块上的US-100超声波集成模块。此超声波模块具有发送和接收双重作用。结构简单，方便实用。报警系统由蜂鸣器电路构成。本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很好的提高系统的可靠性。本设计的汽车防撞装置的系统框图如图2-1所示。
图2-1 汽车防撞装置的系统框图
(三)超声波测距原理
超声波测距一般采用渡越时间法TOF(Time Of Flight)，也称回波探测法。即超声波向某一方向发射超声波，在发射时记录开始计时，但超声波在介质中传播时遇到障碍物便会返回，这时就停止计时。根据传声介质的不同，分为液介质、固介质、气介质。当温度为(20℃)的情况下，超声波传播的速度为340m/s，根据计时器记录的时间就可以计算出发射点与障碍物之间的距离，计算公式为S=340* T /2。
三、硬件电路设计
汽车防撞系统由AT89C52单片机、超声波发射探头及接收探头、液晶显示屏、蜂鸣器等组成。系统采用超声波测距原理，在单片机内部程序控制下，超声波探头发射超声波，在遇到障碍物时反射回来，回到单片机，此时在由单片机进行中断处理和数据处理，最后再显示屏上显示距离，并使蜂鸣器报警。本电路硬件部分由单片机最小系统、超声波发射和接收电路、蜂鸣器报警电路和液晶显示电路组成。
(一)单片机系统的设计
1、单片机的选择
在本系统中，单片机为核心器件，所以选择一个合适的非常重要。如果选择了合适的单片机的话可以简化系统的操作，可靠性高。在市场上有很多类型的单片机，选择时应考虑单片机的一些因数，如：性能参数指标、存储介质、封装形式、对温度范围的要求、功耗、以及抗干扰能力等等。综合各个因数，本设计选用高性能单片机STC89C52或兼容系列，其管脚如下图所示。
(三)超声波接收电路
接收电路采用CX20106A芯片，由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大。CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、峰值检波、带通滤波、比较等功能，比较完之后，超声波接收电路输出一个低电平到单片机去进行请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制功能，测量近距离时，放大器不会过载；反之测量较远时候，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片电路本身还具有很高的抗干扰能力，且灵敏度较高，所以，可以满足本设计的要求。下面为超声波接收电路。
二 、总体方案论证 1
(一)设计方案论证 1
(二)系统方案 2
(三)超声波测距原理 2
三、硬件电路设计 3
(一)单片机系统的设计 3
1、单片机的选择 3
2、单片机最小系统 3
(二)超声波发送模块 4
(三)超声波接收电路 4
(四)显示电路 7
(五)USB电源及下载接口 7
四、软件设计 8
(一)主程序 8
(二)子程序 8
1、中断处理程序 8
2、显示模块设计 9
3、报警模块设计 9
4、初始化操作 9
五、硬件组装及性能调试 10
(一)组装及调试 10
(二)程序烧录 10
(三)实物调试 11
总结 12
谢辞 13
参考文献 14
附录 15
附录一 电路原理图 15
附录二 程序代码 16
附录三 实物图 23
附录四 超声波发射接收电路的PCB图 24
一、引言
随着社会经济的不断发展，人们对交通工具汽车的依赖性也越来越大，导致车辆日益增加，给城市交通不断施加压力，引发了行车的安全问题。一些由驾驶员反应不够迅速而导致的汽碰擦，从而发生事故。为了避免交通事故发生的主动安全系统和在发生事故时的防护安全，所以，主动安全系统的研究更为重要。而本设计的汽车防撞装置就是主动安全系统，通过对汽车与障碍物之间距离的提示报警避免汽车与障碍物之间的擦碰。本设计要求设计的汽车防撞装置能减少驾 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
驶员的驾驶压力和判断错误，使驾驶员泊车倒车更加安全便捷，本设计将对提高交通安全起到重要作用。
本设计的设计电路简单，能实现测距2cm—400cm的非接触式距离测量功能，测距精度达到3mm的功能。当测量距离小于20cm时，进行声音和灯光报警。调试方便，灵活性高，能满足驾驶员泊车时的需要，解除驾驶员在倒车过程中的顾虑和困扰，提高泊车的安全。
汽车防撞装置大大减少汽车驾驶员在倒车的时候顾虑和对距离判断的失误，从而能够避免倒车的安全问题的发生，因此这种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要求。
本次设计的汽车防撞装置由单片机控制电路、超声波测距模块、蜂鸣器报警电路及LCD1602显示电路等构成，装置运用单片机和传感器的知识，实现超声波测距及蜂鸣器报警提示的功能。
二 、总体方案论证
本次设计从系统方案等一些方面来进行论证分析。主要是进行距离的测量和报警功能，由单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块、LCD1602显示电路这几个模块结合起来。而本设计的主要核心之一就是超声波测距模块，测距模块是利用超声波传感器，之后如何选择合适单片机芯片，就从以下相关方面来论述的。
(一)设计方案论证
a.激光测距传感器
激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，遇到障碍物向各个方向散射，部分散射光返回仍会回到接收传感器，接受其微弱的光信号，从而记录所经历的时间计算测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点为测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，制作复杂、成本较高。
b. 红外线测距传感器
红外线测距传感器就是利用红外线信号在遇到障碍物其距离的不同有不同的反射强度，以这个特点进行测量障碍物的距离的远近。它的优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性差，只能测量近距离。
c. 超声波传感器
超声波是一种频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。将电能和超声波相互转化，即在发射超声波时将电能转化，发射超声波；而在接受回波时，则将超声振动转化为电信号。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好等优点。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格昂贵。但从安全性、成本、方向性等方面考虑来看，超声波传感器更适合设计的要求。根据对以上三种传感器性能的比较，明显能看出来激光传感器是比较理想的选择，但价格却比较高，且安全度不够高。汽车在行驶的过程中超声波传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。
(二)系统方案
此方案以AT89C52单片机作为控制核心，所测得的距离数值由LCD1602液晶显示器显示，与障碍物之间的不同距离利用蜂鸣器频率的不同报警声提示，超声波发射与接收，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，综合考虑设计的要求出于简便角度，选用了发射和接收在同一模块上的US-100超声波集成模块。此超声波模块具有发送和接收双重作用。结构简单，方便实用。报警系统由蜂鸣器电路构成。本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠，从而能避免干扰，可以很好的提高系统的可靠性。本设计的汽车防撞装置的系统框图如图2-1所示。
图2-1 汽车防撞装置的系统框图
(三)超声波测距原理
超声波测距一般采用渡越时间法TOF(Time Of Flight)，也称回波探测法。即超声波向某一方向发射超声波，在发射时记录开始计时，但超声波在介质中传播时遇到障碍物便会返回，这时就停止计时。根据传声介质的不同，分为液介质、固介质、气介质。当温度为(20℃)的情况下，超声波传播的速度为340m/s，根据计时器记录的时间就可以计算出发射点与障碍物之间的距离，计算公式为S=340* T /2。
三、硬件电路设计
汽车防撞系统由AT89C52单片机、超声波发射探头及接收探头、液晶显示屏、蜂鸣器等组成。系统采用超声波测距原理，在单片机内部程序控制下，超声波探头发射超声波，在遇到障碍物时反射回来，回到单片机，此时在由单片机进行中断处理和数据处理，最后再显示屏上显示距离，并使蜂鸣器报警。本电路硬件部分由单片机最小系统、超声波发射和接收电路、蜂鸣器报警电路和液晶显示电路组成。
(一)单片机系统的设计
1、单片机的选择
在本系统中，单片机为核心器件，所以选择一个合适的非常重要。如果选择了合适的单片机的话可以简化系统的操作，可靠性高。在市场上有很多类型的单片机，选择时应考虑单片机的一些因数，如：性能参数指标、存储介质、封装形式、对温度范围的要求、功耗、以及抗干扰能力等等。综合各个因数，本设计选用高性能单片机STC89C52或兼容系列，其管脚如下图所示。
(三)超声波接收电路
接收电路采用CX20106A芯片，由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大。CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、峰值检波、带通滤波、比较等功能，比较完之后，超声波接收电路输出一个低电平到单片机去进行请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制功能，测量近距离时，放大器不会过载；反之测量较远时候，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片电路本身还具有很高的抗干扰能力，且灵敏度较高，所以，可以满足本设计的要求。下面为超声波接收电路。
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