基于超声波的汽车防撞系统设计

. . 摘 要 随着中国工业经济的不断高速发展，汽车行业成为了促进中国经济发展的不可 或缺的一部分，近年来我国高速公路追尾碰撞事故频繁发生，而车载追尾碰撞预警 系统在解决高速公路行车安全中具有良好的前景，科学技术的快速发展使得超声波 技术在汽车领域中的应用越来越广泛。本文对超声波汽车防撞系统进行了理论分析， 利用模拟电子、数字电子、微机接口技术、超声波换能器、以及超声波在介质中的 传播特性等知识，采用以 stc89c51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字 显示超声波测距的硬件电路和软件电路设计方法在此基础上设计了系统的总体方案， 最后通过硬件个软件实现各个功能模块。 该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声 光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法 以及软件结构。超声波发射模块中采用 555 定时器构成的时基电路，接收电路使用 SONY 公司的 CX20106A 红外检测专用芯片，该芯片常用于 38kHz 的检波电路， 文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对 40kHz 超声波检波的硬 件电路，并且增益可调，与传统超声波检波电路相比，电路变得精简，调试变得相 对容易。测距器使用数码管显示目标物的距离。 为了保证超声波汽车防撞系统的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。 就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射装置、接收装置、 超声微弱信号放大、波形整形、速度变换电路及系统功能软件等做了详细说明.实 现障碍物的测距、显示和报警，超声波测距范围 0.6-2.0 米，精度在 10 厘米左右。 关键词：汽车防撞报警系统、STC89C51、传感器、LED 显示、测量距离 . . Abstract With the rapid development of China industrial economy, the automotive industry has become an indispensable part of China promote economic development in recent years, the rear end collision accidents occur frequently in China, and the vehicle rear end collision warning system in the settlement of expressway traffic safety has a good prospect, the rapid development of science and technology makes the ultrasonic technology applied in automotive more widely in the field of. This paper analyses the theory of ultrasonic wave automotive collision avoidance system, the use of analog electronics, digital electronics, computer interface technology, ultrasonic transducer, and the ultrasonic propagation in the medium of knowledge, using low cost, using STC89C51 microcontroller as the core of the hardware circuit and software design method of the circuit of high precision, miniaturization digital display ultrasonic ranging in on the basis of the overall system design, the hardware software implementation of each functional module. The design is composed of ultrasonic transmitting module, the signal receiving module, microcontroller module, digital display and sound and light alarm display module and other components, this paper introduces in detail the range of hardware devices, measuring principle, method and structure of software. The time base circuit module 555 timer used a special chip CX20106A, ultrasonic, infrared detection receiving circuit using the SONY company, the chip used in the detector circuit 38kHz, careful analysis of the internal circuit in this paper, the hardware circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection, and adjustable gain, compared with the traditional ultrasonic detection circuit, the circuit is simplified, the debugging easier. The range finder using digital tube display distance of object. . . In order to ensure that the ultrasonic wave automotive collision avoidance system reliability and stability, take the corresponding anti-interference measures. On the ultrasonic propagation characteristics, job characteristics, the ultrasonic transducer ultrasonic transmitting device, receiving device, ultrasonic signal amplification and waveform shaping, speed converter circuit and system function of software in detail. The ranging, obstacle of display and alarm, ultrasonic distance measurement range of 0.6-2.0 meters, the accuracy of about 10 cm. Keywords: anti-collision alarm system, STC89C51, sensor, LED display, measuring the distance of car 目 录 摘 要 .I Abstract.II 第 1章 绪论 .1 1.1 课题研究现状及其发展意义 .1 1.2 汽车防撞系统的发展过程 .2 1.3 超声波简介 .3 1.4 本课题的主要研究内容 .4 第 2章 总体设计方案.4 2.1 设计总体思路概况 .4 2.2 超声波发生器 .4 2.3 超声波测距原理 .4 2.4 超声波传感器 .5 2.5 控制系统方框图 .5 2.6 超声波发射部分的设计 .6 2.7 超声波接收器的设计 .6 . . 2.8 影响精度的因素分析 .8 2.9 提高精度的方案及系统设计 .8 2.10 温度补偿 .9 2.11 显示电路的设计 .11 2.12 本章小结 .9 第 3章 系统的硬件的设计和制作 .12 3.1 芯片的功能及其测距原理 .12 3.1.1 AT89C51 单片机的功能特点 .12 3.1.2 CX20106功能特点 .13 3.1.3 AT89C51 单片机实现测距原理 .12 3.1.4 系统的特点 .13 3.2 超声波测距系统的硬件电路设计 .13 3.3 PCB 板制作 .14 3.4 本章小结 .13 第 4章 系统的软件设计 .18 4.1 软件设计 .18 4.2 超声波测距仪 的算法设计 .19 4.3 主程序流程图 .20 4.4 超声波发生子程序和超声波中断程序 .22 4.5 显示部分 .23 4.6 系统的硬件的调试 .23 4.7 系统的软件的调试 .23 4.8 本章小结 .23 结 论 .24 参考文献 .26 致 谢 .28 . . 附 录 .29 第一章 绪论 曾几何时，汽车对很多家庭来说是不敢想象的。但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，2009 年的保有量为 6300 万辆，2010 年达到 7400 多万辆。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。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 课题研究现状及其发展意义 随着社会经济发展的不断进步，汽车的数量逐年增加，汽车拥挤的现状不可避 免，而在汽车拥挤的情况下，恶性事故屡屡发生，时刻威胁着人们的安全。我国交 通事故的年死亡人数远高于他国，分别是美国的 2.3 倍、德国的 18.4 倍、日本的 . . 13.4 倍。当现代家庭充分的享受汽车带来方便的同时，也为此付出了沉重的代价。 据统计，我国自 2010 年至 2010 年，已有 150 多万人死于道路交通事故，其中大 部分的道路交通事故为汽车追尾碰撞事故。面对当今这种现状，设计出一种反应快， 稳定性好而且经济实用的汽车防撞报警系统势在必行。 防撞预警自动测量的技术应运而生，尤其非接触式测量技术发展卓越。在大多 情况下，测量与障碍物之间的距离是不能够接触到障碍物的，在这种时候就会用到 非接触式测量设备。在物理学中人们发现了电子学技术产生的超声波后，从此超声 波技术在测量领域得到了广泛的运用，尤其是在超声波测距方面，结合了其他技术， 用超声波测距变得十分常用。 超声波在介质中传播的距离较远，分辨力较高，且能量消耗小，利用超声波测 距比较方便而且速度快计算简单，容易做到实时控制，并且测量精度好，都能够达 到工业测量的需要。因此超声测距广泛应用于当今生活中，特别是应用于超声波测 距方面。超声波测距利用的是声波反射原理，声波在空气中传播避免了与介质接触。 与其它测距方式相比，超声测距不受颜色、光线和电、磁场的影响，使他受到 干扰的可能大幅度减少。它还具有可靠性能高、结构简单、价格便宜、安装方便等 优点。也能够测量处于黑暗、烟雾、有灰尘、电磁干扰等恶劣环境中的障碍物。但 由于超声波传播时温度对声速影响比较大，使超声测距的精确度到了影响，在这里 可以采用温度补偿进行校正，能够消除温度对其的影响。 1.2 汽车防撞系统的发展过程 国际上对汽车防撞的研究开始于二十世纪六十年代，以德、美、日为代表的西 方国家内开始研究，与众多汽车制造厂商合作，制造出世界上第一批汽车防撞报警 器。但局限于当时器件的发展水平和单片机成本过高，导致报警器难以做到体积轻 巧、结构简单、价格便宜。些外，报警器的干扰因素很多，在实验室制造的样机， 对许多干扰因素考虑不全面，使在实际得应用中，防撞效果并不让众多研究者满意。 二十世纪末，奔驰公司组织，计划将组合通信、传感器、智能技术结合于于一 个系统中，改进了汽车的经济性、安全性和有效性，在这次研究中研制出了性能优 . . 良的汽车防撞报警器，能够帮助驾驶员避免发生交通事故。使得制造出低成主本、 高性能的汽车防撞雷达成为可能。 欧盟 RadarNet研究项目整合己有研究成果，研制新型多功能汽车防撞雷达。 其中，德国的汽车生产厂商奔驰公司和英国的电子生产厂商劳伦斯电子公司强强连 和，成功研制出了超声波频率为 35G赫兹可报警距离为 150米的汽车防撞报警雷达， 系统能够智能计算出汽车与前方障碍物的距离和两者之间的相对运行速度，并且根 据自身行驶速度计算出汽车与障碍物之间的安全距离，当汽车与障碍物之间或与前 车之间的距离小于计算出的安全距离时，预警系统便会发出声音报警信号，提醒司 机避开障碍物或者紧急停车。这种预警雷达适合于在轿车、客车上使用，应用了汽 车防撞预警系统能够对于恶性交通事故的发生起到了较好的预防作用。 1.3 超声波简介 众所周知，当物体在振动的时候就能够发出声音。但是人类耳朵只能听到频率 为 2020000 赫兹的声波。当声波的振动频率不在这个范围时的声音人类是听不见 的。根据这种情况，人们规定把声波频率高于 20KHZ的声波称为“超声波” 。由于 超声波具有方向性好，抗干扰能力强，穿透能力强等优点。在现实生活中有着不可 替代的作用它常用于清洗，测距，测速等。 实际测试发现,相同振幅下, 振动频率和物体振动的能量是成正比的,当超声波 传播时,声波振动频率很高,物体的震动能量也很大。在现实生活中我们充分的利用 了这些能量，例如超声波加湿器，它是把超声波发射到水罐中,物体震动的巨大能 量能够使水罐中的水升华成雾气,在把雾气吹入到空气中,这样就使空气的湿度增加。 除此之外应用超声波还可以做很多方便现实生活的实用工具，本文介绍的汽车防撞 装置也是应用超声波的原理制成的。 超声波是声波大家族中的一员。声波指的是物体在机械振动下，物质的质点在 其平衡位置进行的往返运动状态。例如鼓经过敲打之后，鼓面就会上下振动，振动 通过空气向四面八方进行传播，这就是声波。超声波就使频率很高的声波。超声波 在现实生活中能够光泛应用，是因为超声波有以下几种特性，它能够在气体、固体、 液体、等介质中进行传播，能够传递巨大的能量，能够发生反射、干涉和共振的现 象，并且超声波在液体中进行传播时，可以产生剧烈的空化和冲击的现象。 . . 虽然人类的耳朵听不见超声波，但是不少动物却拥有此项能力。他们就是利用 超声波来捕捉猎物，并且能够避开障碍物。好多人们疑问为什么蝙蝠能够在完全黑 暗的情况下还能够分析在哪能够捕食和避开障碍物。其实蝙蝠就是利用它听到的超 声波而进行在黑暗中自己定位的。蝙蝠通过自己的嗓子发出超声波，超声波发出之 后四面八方的发射出去，当超声波遇到障碍物之后发生反射，这种反射回来的超声 波进入到蝙蝠的耳朵中，蝙蝠听到超声波后，就能自己判断出障碍物或者猎物的位 置。然后快速的判断出来从而能够自在的在空中飞翔。 国内的超声波研究照比其它国家起步较晚，人们在发现正压电效应和逆压电效 应之后，超声波才逐渐应用于电子行业、清洗机械器件、军事、塑料焊接、金属焊 接、医学等等领域。尤其在医学方面的应用尤为广泛，超声波在人体里传播时，当 超声波在人体内的传播时如果遇到障碍物，超声波便会发生反射和折射。由于每个 人的组织结构都是不同的所以他们对于超声波的吸收能力也不同。这种差别在通过 仪器设备把他们显示出来，医生便能通过这种差别便能够判断出身体是否发出病变。 1.4 本课题的主要研究内容 （1）研究国内外汽车防撞系统研究现状及发展历史，理解本课题研究的意义； （2）分析各种汽车防撞系统的基本原理和优缺点； （3）提出改进汽车防撞系统的对策 （4）设计一种新型的汽车防撞系统，给出设计电路图。 第二章 总体设计方案 汽车防撞预警系统是指在汽车行驶过程中防止汽车发生碰撞障碍物的一种智能 报警装置。它能自动发现可能与汽车发生碰撞的障碍物体，并且同时检测汽车与障 碍物之间的距离，到达极限距离时发出报警信号以避免碰撞的发生。根据题目要求， 汽车防撞报警器的功能主要有两个：判断汽车与障碍物之间的距离和当汽车与障碍 物之间的距离到达临界距离时发出报警信号。 . . 2. 1 设计总体思路概况 汽车防撞预警系统的原理是利用超声波的发射和接收，用计时器计出超声波从 发射到接收到遇到障碍物后反射声波的时间通过公式计算出汽车与障碍物之间的距 离。在实际生活中常用的测距方法主要有两种，一种是在被测距离的两端，一端设 置发射装置，一端设置接收装置，利用公式 S = vt 得出测量的距离。这种测量方 式特别适用于测量身高；另一种是本次设计采用的方式，利用超声波遇到障碍物后 反射得出距离。 汽车防撞系统硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路和超声波 检测接收电路及显示电路三部分。单片机采用的是 AT89C51 系列。为了获得较稳 定时钟频率而采用了高精度的晶振，这样极大的减小测量距离的误差。用单片机 P1.0 端口输出超声波发射器所需要的 40kHz 的方波信号，使用外中断 0 口检测接 收超声波的反射信号。显示电路装置用了结构简单价格便宜的 4 位 LED 数码管来 显示距离。 超声波的发射装置主要是由反相器 74LS04 和发射传感器构成。AT89C51 单片 机 P1.0引脚输出 40k 赫兹的间断方波信号分成 2 路，一路信号经过一个反向器后 到达 TCT40 一个引脚，另一路通过两个反向器后到 TCT40 的另一个引脚，用这种 形式将 P1.0 发出的单片机 P1.0 端口发出的间断方波信号加到 TCT40 的两端上， 用这种推换形式将间断的方波信号连接到超声波传感器的两个引脚上，这样能够增 强超声波的发射强度。在加载反波信号时使用两个 74LS04 并联，是它的驱动能力 得到了很大的提高。而电阻 R11、R12 增大超声波传感器的阻尼效果，缩短了震荡 时间，使超声波传感器输出高电平的能力大大增加。 超声波接收采用 CX20106A 集成电路模块，根据电路图可以看出，集成芯片 CX20106在接收装置电路中的作用很大。CX20106 是一款红外线检波接收的芯片， 他常用于现实生活中，而且价格便宜。由于红外线波的频率为 38 kHz，与测距使 用的超声波频率接近。并且 CX20106 芯片的内部设置比较好，由于设计中芯片的 f5 角连接了一个外接电阻，此电阻使他滤波器的中心频率能够调节，当 R21 的阻 值越大滤波器的中心频率就越低，变化范围在 3060 kHz 之间。此次设计证明用 CX20106A 接收超声波信号具有优秀的灵敏特性和较强的抗干扰能力。 . . 超声波测距预警系统主要包括主程序、发射子程序、温度采集子程序、外部中 断子程序和数码显示子程序等。超声波测距预计能够系统主程序第一步是对系统进 行初始化，初始化定时器 T0 为 16 位定时计数器的工作模式。全局中断打开并给 显示端口清 0。在调用超声波的发生子程序发出一个超声波脉冲，在发射过程中延 时约 0.1 ms，避免声波信号从发射器发出后直接传送到接收器而引起直射波触发， 然后在使用外中断接收遇到物体后返回声波信号。我采用了 12 MHz 的晶振，计数 器每次计数间隔是 1s，当主程序接收到成功的信号后，将计数器 T0 中的数计算， 即得出与障碍物之间的距离，测出距离后将结果送往 LED 显示，这就是超声波测 距的过程。 在系统调试方面，由于设计的电路由很多集成电路构成。外围元件很少，所以 调试不太难。只要焊接的电路没有错误，简单调试一下就能够正常使用了。电路设 计中除了集成电路，对其它电子元件也没专业要求。可以根据测量距离的差异，调 整与接收换能器滤波电容就能得到适合灵敏度和超声波抗干扰能力。 2. 2 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. 3 超声波测距原理 超声波测距是通过检测超声波发射后遇到障碍物所反射回来的回波，从而测出 超声波发射和接收的时间差 T,然后根据公司 S =CT / 2，即可算出汽车与被测物 体的距离。S 为汽车与障碍物之间的距离,C 为超声波在空气中的传播速度。因为声 速 C受温度的影响很大，我们采用温度补偿的方法减小误差。表 3-1中列出了不同 . . 温度下的超声波声速。T 为超声波发射到接收到超声波所用时间，计时是由单片机 的定时功能计出从超声波的发射到检测到超声波信号得的时间。 表 3-1 超声波波速与温度的关系表 温度 -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速 313 319 325 323 338 344 349 386 利用超声波的测距的原理图如框图 3-1 所示，单片机发出 40kHZ 的信号，经 放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大， 用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进 行判别、计算，得出距离数。 2. 4 超声波传感器 为了利用超声波方便人们的生活，科研机构已经设计制做了很多的超声波传感 器。超声传感器指的是在超声频率范围内将交变电信号转换成声波信号或将外界的 声波信号转换成电信号的转换器件。 超声波是声波中的一种。超声波就使频率很高的声波。超声波在现实生活中能 够光泛应用，是因为超声波有以下几种特性，它能够在气体、固体、液体、等介质 中进行传播，能够传递巨大的能量，能够发生反射、干涉和共振的现象。这些优点 使超声波换能器的研究势在必行。 大体上讲，超声波的发生器可分为两类：一类是用机械方式产生超声波，一类 是用电气方式产生超声波。两种方式产生的超声波功率、频率和声波的特性都不相 同，因此不同的用途采用不同的方式产生超声波。而我在此次设计中采用电气方式 产生超声波，使用目前在理论研究和实际生活中最为常用的压电式超声波发生器。 压电式超声波传感器装置是根据声电转换原理制成的，他又称超声波探头或者 超声波换能器。超声波换能器有两种，一种是超声波发射换能器，另一种是超声波 接收换能器。压电式超声波换能器的原理是依靠压电晶体的谐振来进行工作的。超 声波换能器的内部由一个换能板和两个压电晶片构成。这种超声换能器需要的压电 材料很少并且价格便宜，并且很适用于气体介质中。当压电晶片受到发射电脉冲激 励后即可产生振动，发射声波脉冲，是逆压电效应。逆压电效应用于超声波的发射。 . . 当外界的超声波作用于压电晶片时，晶片被迫发生振动引起形变转换成电信号，这 是正压电效应。正压电效应应用于超声波的接收。 在换能器的两极引脚加上大小和方向不断变化的交流电压，就能使压电晶片产 生机械变形，当引脚的频率和压电晶片上的振荡频率相同时，就能带动共振板发生 共振产生超声波。 超声波换能器的工作原理是把 40kHz的间断方波信号分成 2路，一路经一级反 向器后到达 TCT40一个电极，另一路通过两级反向器后到 TCT40的另一个电极，用 这种形式将 P1.0发出的方波信号加到 TCT40的两端上，然后产生谐振后经辐射器 将振动信号向四面八法传播出去。当超声波信号经过传播后如果遇到障碍物之后就 会发生光波折射，在传播回来，由接收换能器进行接收。 2. 5 控制系统方框图 超声波防撞控制系统图如框图 3-2 所示。该系统全部都由单片机进行控制， 单盘机发出 40Hz 的方波脉冲，经过超声波发射电路发射出超声波。超声波在遇到 障碍物之后反射射回来再由接收电路接收反射声波信号送入单片机进行分析，计算 出汽车与障碍物之间的距离，将处理后的结果送入显示电路经过数码显示管显示出 距离，如果距离达到安全的极限距离着由报警电路通过蜂鸣器发车报警，提示司机 躲避障碍物。 图 2.3 超声波汽车防撞控制系统方框图 . . 2. 6 超声波发射装置的设计 超声波发射器包括两个部分：超声波产生电路部分和超声波发射控制电路部分。 超声波探头采用 TCT40。 单片机 P1.0端口输出 40KHz的超声波信号，此时定时器开始计时。通过输出 引脚输入，经驱动后推动发射探头产生超声波，此方法充分利用了软件控制，灵活 性好。超声波发射电路设计图如图 3-3所示。 图 3-3 超声波发射装置设计图 本次设计采用的是压电式超声波传感器，它是根据声电转换原理制成的。超声 波换能器有两种类型，一种是超声波发射换能器，另一种则是超声波接收换能器。 压电式超声波换能器的原理是依靠压电晶体的谐振来进行工作的。超声波换能器的 内部由一个换能板和两个压电晶片构成。这种超声换能器需要的压电材料很少而且 它的价格便宜经济实用，还很适用于气体介质中使用。当压电晶片受到发射电脉冲 . . 激励后即可产生振动，发射声波脉冲，是逆压电效应，逆压电效应用于超声波的发 射。正压电效应和逆压电效应正好相反，当外界的超声波的声波信号作用于超声波 换能器的压电晶片时，晶片将会被迫发生振动而引起形变转换成电信号，这个过程 就是正压电效应，正压电效应应用于超声波的接收。 超声波的发射电路主要由反相器 74LS04 和发射换能器构成。AT89C51 单片机 P1.0口输出的 40kHz 的间断方波信号分成 2 路，一路经一级反向器后到达 TCT40 一个电极，另一路通过两级反向器后到 TCT40 的另一个电极，用这种形式将 P1.0 发出的方波信号加到 TCT40 的两端上，这样能够增强超声波的发射强度。在加载 反波信号时使用两个 74LS04 并联，可以提高驱动能力。而电阻 R11、R12 可以增 加超声波换能器的阻尼效果，缩短了震荡时间，还可以提高换能器输出高电平的驱 动能力。 2. 7 超声波接收装置的设计 超声波接收器包括接收发射探头、信号放大电路和波形变换电路三个部分。 超声波探头采用 RCT40。按照超声波原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻。 接收装置的设计可用 CX20106A来完成。在空气中传播超声波的其能量的衰减与距 离是成正比的，距离越小、衰减越少，距离越大、衰减越多，通常都在 1V之内。 . . 图 3-4 超声波接收装置设计图 超声波的接收装置如图 3-4超声波接收装置图所示。超声波接收采用 CX20106A集成电路模块，根据电路图可以看出，集成芯片 CX20106在接收装置电 路中的作用很大。CX20106 是一款红外线检波接收的芯片，他常用于现实生活中， 而且价格便宜。由于红外线波的频率为 38 kHz，与测距使用的超声波频率接近。 ， 并且 CX20106芯片的内部设置比较好，由于设计中芯片的 f5角连接了一个外接电 阻，此电阻使他滤波器的中心频率能够调节，当 R21的阻值越大滤波器的中心频率 就越低，变化范围在 3060 kHz 之间。 CX20106对收到的信号进行放大、滤波的作用。当接收到的声波信号经由放大 器，调整信号的频率，然后滤波消除干扰信号，最后再经过整形，输出到 CX20106 的 7脚输出。当接收到的声波信号与 CX20106的中心频率相符时，它的 7脚就会低 电平输出，而 7脚接到 INT0引脚上，这样就会中断。若频率和 CX20106的中心频 率不同时，即可调节 R21，使滤波器的中心频率与超声波测距的频率相符。 . . CX20106有 8个引脚管脚 1是超声波信号输入端；管脚 2的电阻和电容决定接 收换能器的总增益，通过增大或者减小电阻电容，确定放大倍数。管脚 3与 GND之 间连接的电容起到检波作用；管脚 5上的连接一个，这个电阻用来设置滤波器的中 心频率；管脚 6与 GND之间接入一个电容，该电容确定探测距离；管脚 7是集电极 开路输出端：管脚 8接电源正极。 2. 8 影响精度的因素分析 1） 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度 是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减， 其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为： （2-1）kt+et+20AcosAcos 由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越 快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能 十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号 进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 2）当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大 气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： （2-2）sRTCM 由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气 温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的 公式如下： （2-3）0C1T273 . . 式中 C0=331.4m/s ； T 为绝对温度，单位 K 。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或 者下降 1oC, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相 当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 对于 时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的 准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外， 当要求测距误差小于 1 mm 时，假定超声波速度 C=344 ms(20室温)，忽略声速 的传播误差。则测距误差 st0.000 002 907 s，即 2.907 ms。根据以上过计算可知， 在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距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 1 mm 的误差。使用的 12 MHz 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 AT89S51 的定一 时器能保证时间误差在 1 mm 的测量范围内。 超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，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。由此可见，测量精度与温 度有着直接的关系，本文采用 DS18B20 温度传感器，对外界温度进行测量，并在 软件中实现温度补偿。 2. 9 提高精度的方案及系统设计 1）温度校正的方法提高测距精度 由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 求出当地声 速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用 热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 总线专 利技术，能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电） ， 极大的方便了使用者的调试使用，而且其在 10oC 85oC 的工作环境下可 以保持 . . 2. 10 温度补偿 温度对超声波的影响是很大的，如果能够知道温度，则可求出超声波的声速， 从而能够得到较高的精度。而问题在于用什么方法获得温度数据。为了方便对温度 信号进行采集和处理，我用了 DALASS 公司的 DS18B20 集成温度传感器对超声波的 传播速度进行温度补偿。DS18B20 采用了 1-WIRE 总线技术，能够只占单片机一个 I/O 接口的情况下进行工作，方便了使用者对其的调试使用，而且它在零下十摄氏 度到八十五摄氏度的工作环境下能够保持 0.005 的精度，足以为超声波测距装 置提供精度范围。 图 3-5 所示为温度补偿设计图。两个按键开关用于控制测量的开始与结束之 间的切换。DS18B20 硬件性能稳定，接口简单，只需一根接口线就能连接起来。 DS18B20 温度传感器里面有两个晶振，低温度系数晶振和高温度系数晶振。低 温度系数晶振的振荡频率随外界温度的变化基本上没有影响，所以低温度系数的晶 振产生的信号是固定频率的，这样便把它产生信号发送给计数器 1。高温度系数晶 振和低温度系数晶振正好相反，它在温度变化很大的时候,它的振荡频率随着温度 发生很大的变化，所以计数器 2 的脉冲输入信号我们使用高温度系数的信号输入。 由于计数器 1 对低温度系数晶振的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的值减少 到 0 时，温度寄存器的数值就加 1，计数器 1 的数值就回重新装入，计数器 1 在 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，这样一直循环，一直到计数 器 2 计数到 0 时，停止对温度寄存器数值的累加，这时温度寄存器中的数值即为 所测温度。 . . 图 3-5 温度补偿电路设计图 2. 11 显示电路的设计 显示电路中显示测量距离我使用的是 4位共阳的 LED数码管，它简单实用并且 价格便宜。段码使用 74LS245芯片驱动，位码使用四个 PNP三极管来驱动，显示电 路设计图如图 3-6显示电路设计图所示。 74LS245 芯片是我们新是生活中最为常用的芯片。它是 8 路同相三态双向总 线的收发器，它可以用来驱动数码管或者一些其他的设备。它具有双向的三态功能， 这使他能够双向的传输数据，既可以输入数据，也可以输出数据。 . . 图 3-6 显示电路设计图 在 74LS245 芯片 CE 端低电平有效时，当 DIR=“0”时，信号由 B 向 A 传输； 当 DIR=“1”时，信号由 A 向 B 传输；当 CE 为高电平时，A、B 两端均为高阻态。 在生活中最常见到的 LED 数码管是八段和七段的，八段式原理图的如图 3-8 所示。本次设计中采用的是八段式的数码管。八段式的与七段式的相比，他们各部 分结构大体相同，八段只比七段式的多了一个小数点。数码管里都是由 LED 发光 二极管发光单片机控制 LED 的灭亮显示出不同的形状从而显示出数字，八段式的 数码管与七段式的主要区别就在于八段式的数码管中有八个发光二极管，而七段式 的数码管中有七个发光二极管，两种之间只差一个点。 数码管又分为两种类型，共阳极型和共阴极型。原理图如图 3-7 共阳极型和共阴 极 . . 型原理图所示。共阳极型就是将数码管中发光二极管的阳极都接在一起并且接到电 源上，连接好之后把其中任何哪个发光二极管的阴极接到地线上，它就会发光。共 阴极型则是将数码管中发光二极管的阴极都接在一起并且接到地线上，连接好之后 把其中任何哪个发光二极管的阳极接到电源上，它就会发光。 3-7 共阴极型和共阳极图型原理图 . . 图 3-8 数码显示管引脚图 如图 3-8 数码显示管引脚图所示，把两个 COM 引脚连接起来，作为数码管的 公共端，数码管共阴端要接地，共阳端接电源。一个二极管是一位，八个管子 a,b,c,d,e,f,g还有 dp，拼成个 8 字列在一起就构成了一个 8 位的数码显示管。 一个八段式的数码显示管的每个显示管连在一起，每个二极管的公共端称为位选线。 在数码管显示数字是，一个二极管对应一条直线，a 对应的是首位，dp 对应最后 位。例如，当数码管显示管显示数字 0 时，那么共阴极数码显示管的编码就为 00111111，十六进制数为 0 x3f，而共阳极的数码显示管的编码就是 11000000，十 六进制数为 0 xc0。通过这个例子可以看的出来共阴极数码显示管和共阳极数码显 示管的编码各个位事相反的。 2. 12 本章小结 通过确定系统的总体结构和工作原理，在数学建模的理论基础之上对汽车防碰 撞系统的安全车距模型进行了分析，结合汽车追尾事故的起因，以数学模型的形式 设计出了合理的安全车距模型。 . . 第三章 硬件的设计和制作 硬件电路的设计主要包括三部分：单片机系统、显示电路、超声波的发射和检 测接收电路。在本次设计中单片机采用 AT89C51。还采用了 12MHz高精度的晶振， 以减小测量误的差。用 AT89C51的 P1.0端口输出所需的 40kHz的方波信号，采用 AT89C51实现对 TCT40超声波转换模块和