《汽车防撞预警系统毕业设计论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车防撞预警系统毕业设计论文.doc（62页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、 学号： * 毕业论文汽车防撞报警系统设计Automotive collision avoidance alarm system design学院 计算机与电子信息学院 专业 电子信息科学与技术 班级 电子09-1 学生 * 指导教师（职称） 刘利民（讲师）完成时间 2013年03月25日至2013年06月15日11摘 要随着经济的高速发展和居民生活水平的不断提高，我国汽车数量逐年递增，各类交通事故频发, 其中多为汽车碰撞事故。为此本文设计了一种以超声波测距和AT89C51 单片机为核心的汽车防撞报警系统，以期提高汽车运行的安全性，减少交通事故。该系统根据超声波测距原理，以AT89C51为核心
2、，设计了汽车防撞报警系统，主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来，通过编写的Keil C51“.C”文件来实现测量距离，当距离小于阈值时，发出报警。本设计的核心是超声波测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器。该系统可提高汽车行进过程中的安全性，构建汽车安全空间。关键词：超声波传感器； 测距； 防撞； 报警； AT89C51ABSTRACTWith the high-speed development of economy and people life level unceasing enhancem
3、ent, car ownership in China increasing every year, all kinds of frequent traffic accidents, mostly car collision accident. This paper designed a kind of ultrasonic ranging and AT89C51 as the core of automotive anti-collision alarm system, so as to enhance the safety of vehicle running, reduce traffi
4、c accidents. According to the principle of ultrasonic ranging, this system usesUSES AT89C51 as the core, the design of the automotive anti-collision alarm system, the main is the single-chip microcomputer control module, ultrasonic distance measuring module, a buzzer alarm module, the four digital t
5、ube display module that combines several modules, written by Keil C51. C files to achieve the measurement distance, when the distance is less than the threshold, issued a report to the police. This design is the core of the ultrasonic ranging module, on the basis of other related modules are in the
6、range expansion, ranging module is to use ultrasonic sensors. The system can improve the safety of vehicles in the process of marching, build space of automotive safety.Keywords ：ultrasonic sensor; distance measurement; avoiding collision; give an alarm; AT89C51目 录摘 要2ABSTRACT3目 录4第一章 绪 论61.1课题研究背景及
7、意义61.2国内外安全防撞预警系统的研究现状91.2.1国外安全防撞预警系统的研究现状91.2.2国内安全防撞预警系统的研究现状101.3 论文的主要内容和章节安排11第二章 防撞预警系统安全距离模型、决策系统122.1行车安全距离122.2汽车制动距离122.3 驾驶员预估模型报警算法12本章小结14第三章 超声波及其工作原理153.1超声波传感器介绍153.2超声波传感器的特性163.3超声波测距的工作原理及实现173.4 测距系统的主要参数19本章小结20第四章 防撞预警系统的总体方案214.1 设计方案214.1.1测距传感器214.1.2 超声波时序图224.2 系统总方案23本章小
8、结24第五章 防撞预警系统硬件电路设计255.1 单片机系统设计255.1.1 单片机的选择255.1.2 单片机引脚功能265.1.3 单片机最小系统305.2 超声波发射和接收电路设计315.2.1 超声波发射电路设计315.2.2 超声波接收电路设计325.3 显示报警模块设计345.3.1 显示电路的方案比较345.3.2 数码管显示模块设计355.3.3 报警模块设计365.4 系统整体电路37本章小结37第六章 防撞预警系统的软件设计386.1 主程序设计386.2 中断处理程序396.3 显示模块设计406.4 报警模块设计41本章小结42第七章 系统调试及展望437.1 Kei
9、l C51系统调试界面和程序调试437.2 仿真447.3 系统误差分析457.4结论及展望46致 谢47参 考 文 献48附 录50第一章 绪 论第一章 绪 论1.1课题研究背景及意义随着我国经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，各种交通工具得到了极大的发展。汽车为现代社会的发展和生活条件的改善做出了重大贡献，在生活和生产方面带来的变化越来越显著，给人们创造了更便捷、更高效和更舒适的出行方式和工作方式。汽车经过一个世纪的发展，已经成为人们日常生活中不可或缺的组成部分。但是，随着交通运输总量的迅速增加，交通安全的问题越来越严重。尤其在公路交通领域，随着大幅增长的汽车数量，由交通事故的导致的各种
10、损害也在不断地增加。交通安全对生命财产安全具有深刻地影响，而目前我国己经成为世界上因交通事故死亡人数最多的国家。从二十世纪八十年代末中国交通事故年死亡人数首次超过五万人开始，中国(未包括港澳台地区)每年发生交通事故50万起左右，因交通事故而死亡的人数年均超过10万人，已经连续十余年为位居世界第一。据中新网报道，在2009年我国总共发生了道路交通事故238351起，造成67759人死亡、275125人受伤，直接导致财产损失了9.1亿元。按照国际惯例，国民收入每增加1%，机动车拥有量就会增加1.02%到1.95%，人均国民收入达到1000美元至2000美元时，小汽车拥有量增长进入高峰期。随着我国经
11、济的持续快速地发展，国民所拥有的车辆数量的逐年飞速增加，行车空间逐渐减小，非职业驾驶人员的人数逐渐增多，其中很多是刚刚拿到驾照的新手，这些都将导致交通事故的频繁发生，因此交通事故己经成为危害人类社会安全的主要方面。如果不进行解决交通安全的问题，那么随着交通事故频频发生，特别是一些发生的重特大事故，对国家利益和人民生命财产安全造成了严重危害，将会成为社会新的不安定因素，所以，世界各国共同面临着交通安全保障这一具有紧迫性和挑战性的问题。交通事故是在特定的交通环境下，由于人、车、道路、环境各要素配合失调而偶尔发生的。一般来讲，单纯由其中单个因素，引起的道路交通事故非常少，通常都是由几个因素共同作用的
12、结果。影响道路交通安全的因素主要包括“人、车、路”，其中，人是保证道路交通安全最重要的因素，如驾驶员精神状态和驾驶技术、酒后驾车、超速行驶和判断失误等人为因素可以直接诱发各类交通事故。图1-1描述了造成交通事故的几种主要原因。 图1-1 造成交通事故的主要原因从图1-1中可以发现驾驶员的个人因素在所有造成事故发生的因素中占有很大比重。另据统计数据表明，汽车驾驶员反应迟缓造成的各类交通事故占到交通事故总量的80%以上的，追尾相撞占到车辆相撞类事故的65%以上；在追尾事故中，由于驾驶员未能清除查看前方车辆而导致的事故占到了45%左右，有30%左右的事故是由于未能及时觉察到危险而导致事故无法避免。特
13、别是在高速公路上行车时，由于行驶车辆的车速都很快，从而留给驾驶员的反应时间短，另外，长时间在高速公路驾驶会使驾驶员产生疲劳导致反应迟缓;当遇到雨、雪、雾等天气时，行车路面较滑、能见度较低，发生事故概率将会增大。表1-1列出了在交通故障总量中各种类型交通事故的比重。表1-1 各种类型交通事故所占的比例交通事故类型所占百分比（%）交通事故类型所占百分比（%）车辆间事故接触事故4.0%52.3%单独车辆事故翻车事故 8.0%46.3%追尾事故33.4%冲撞防护栏28.3%其他14.9%其他10.0%其他事故1.4%合计100% 德国奔驰汽车公司通过对各类交通事故进行统计研究得出的结论为:如果驾驶员能
14、够及时的提前感知到危险并提一前0.5秒钟采取处理措施，30%左右的正面相撞类事故、50%左右路面状况相关的事故和60%追尾事故的可避免发生；果驾驶员能够及时的提前感知到危险并提前1秒采取处理措施，大约90%的交通事故发生可避免发生。图1-2给出了反应时间与避免事故发生概率之间关系的直方图。 反应时间（S） 图1-2反映时间与事故避免率对比关系 提高驾驶员的驾驶水平和危险感知能力，可以减少交通事故的发生，所以，一方面开展对驾驶员的交通安全法规的教育，另一方面开发汽车安全防撞预警系统以提高驾驶员尽早对危险路况的感知能力，提高行车的安全性。提高车辆安全性能有两种途径：即主动安全(Active Saf
15、ety)措施和被动安全(Passive Safety)措施。汽车安全一般包括主动安全、被动安全、事故后安全性等。汽车的主动安全性是指事故将要发生时操纵制动或者转向系，防止事故发生的能力，以及汽车正常行驶时保证其动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性的能力。汽车被动安全性是指事故发生时保护车内乘员和车外步行者，使人员伤亡和直接经济损失降到最小的能力，可分为车外部安全性、车内部安全性。事故后安全性，是指汽车能减轻事故后果的能力和能否迅速消除事故后果，并避免新的事故发生的能力。在现阶段，若想从根本上降低碰撞事故发生率，必须开展汽车防撞系统的研究。在公路交通领域，汽车安全防撞预警系统依靠车载距离探测设备探测目
16、标对象的运动参数，根据目标对象的位置信息结合一定的评判准则及计算方法，如果汽车处于危险状况下，向驾驶员发出报警信号或者自动采取危险规避措施，从而可以实现根据需求状况控制汽车行驶之间的距离，既满足行车的速度要求，又可保持安全车距。特别是能够开发出稳定、可靠、有效、价格低廉、适应性强的汽车安全防撞预警系统，减少交通事故的发生，提高公路交通安全水平，是急需解决的社会安全性问题。所以，研究汽车安全防撞系统是一个具有实际应用意义而非常重要的课题。1.2国内外安全防撞预警系统的研究现状汽车防撞系统即为 Car Collision Avoidance System，简称是CCAS，该系统是智能型汽车不可或缺
17、的一部分，CCAS 可以进行思考并利用计算机系统进行运算分析，一旦遇到危险状况即可发送警报提醒前方有汽车或行人及障碍物等，这样可以使驾驶员提前采取措施如减速、制动等来有效避免事故发生。一般这种智能汽车防撞系统包括以下三个系统：（1）信号采集系统；（2）数据处理系统；（3）执行指令系统。汽车防撞雷达将声、光、电等多方面的高端技术结合在一起，而且智能识别处理机的反应速度是远远超过人类的大脑的反应速度，适用于所有类型的车辆。随着汽车的普及近年来各国车祸事件日驱严重，所以CCAS的研究与发展势在必行，但由于装置的高智能、高集成、高适应性，其高昂的成本而未得到广泛的应用。1.2.1国外安全防撞预警系统的
18、研究现状汽车安全防撞预警系统是指在汽车行驶过程中，利用车载探测设备对汽车周围的障碍物进行检测，如果汽车与障碍物有可能发生碰撞，系统发出声光报警信号，提醒驾驶员及时感知危险信息以及当前危险的程度，可以使驾驶员提前采取相应的处理措施，避免发生追尾、侧滑等交通事故。早在20世纪60年代，德国、美国和日本等发达国家都致力于对汽车安全防撞系统的研究，由于受到技术水平、硬件成本高等因素的制约，该系统的研究一直没有取得突破性进展。1986年，德国奔驰公司发起了“普罗米修斯”计划，很多机构都开始参与研究雷达防撞报警系统。由于微波器件和集成技术的快速发展，防撞预警系统在汽车运用领域中的应用有了较快的发展。奔驰、
19、宝马等著名的汽车生产厂商选用的雷达类型为调频毫米波雷达FMew(FrequeneyModulati。neontinuousWaVe)，选择的频段主要为76一77GHz。如奔驰公司和英国劳伦斯电子公司一起研发的一款汽车安全防撞预警系统的有效探测距离可以达到巧O米，该系统可以提供声光报警信号，己经在各类轿车、客车和卡车上应用了很多年，其性能良好自l。20世纪90年代，日本运输省提出的一个先进安全汽车ASV(AdvancedSafetyVehicle)计划，该计划中明确提出了研究智能汽车和安全驾驶支持系统是实现交通安全的关键技术之一。2000年，丰田汽车公司研发了一款主动预防安全系统;三菱和日立公司
20、研发的防撞报警系统中选用的雷达类型为FMCW，中心频率为60一61GHz或76一77GHz，有效探测距离为120米;尼桑公司为4lLVZ车型配备了一款自适应巡航控制系统，该系统的探测传感器采用毫米波雷达，能够提供巡航驾驶时所需信息。福特公司研发的一款汽车防撞系统，其正常工作频率为24GHz，有效探测距离为106米，能够根据车辆转弯角度信息适应弯道情况，使系统只对本车道内的车辆进行探测，避免受到其他车道上目标物的干扰。美国高级波导公司研发了一款红外激光全方位双回转汽车防撞系统，该系统通过扫描360度范围内的障碍物，并将信号经过处理后转换为视频，能够准确给出障碍物的方位、距离、将要碰撞时间等参数，
21、还可以提供预警信号，但该系统的虚警率和价格偏高，目前还没有实际应用。2008年，美国罗斯特拉精确控制公司研制了一款可以安装在汽车尾部防撞杠内的微波防撞感应器，该感应器采用了微波技术，可穿透塑胶类防撞杠、雨雪等物体其有效监测范围为汽车后方及左右两侧4米。1.2.2国内安全防撞预警系统的研究现状20世纪90年代中期以来，我国开始跟踪研究国际上智能交通系统ITs(IntelligentTransPortationSystem)的发展状况。目前，国内的一此大型汽车企业和科研院所也开展了关于汽车安全防撞技术的研究工作，如:长春一汽、L海大众、东风汽车、交通部科学研究院、武汉汽车研究所、清华大学汽车系、北
22、京理工大学机械系、长安大学汽车学院、吉林大学和东南大学等。但都只是探索性的研究，尚无可以批量生产的产品。我国开展汽车安全防撞系统的研究时间较晚。经过多年的不懈研究也取得了一些成果。其中北京泰远汽车自动防撞器制造有限公司研制出了我国第一台全智能化的汽车自动防撞器。该防撞器能够识别出汽车前方可能对自车安全构成威胁的障碍物时实现自动制动、自动减速、自动报警，使汽车保持一个安全距离。该系统在自动制动时能提前点亮刹车灯，可以提醒后车小心追尾。除了以上的功能，该自动防撞系统还安装了远红外设备，防撞器系统在夜晚或者隧道里行驶一可以如同自大一样工作。虽然汽车安全防撞系统研究己经取得了许多的成果，而且这些成果实
23、际应用情况也不错。但是，汽车安全防撞系统在硬件和软件上存在了许多不足，具有很大的改进空间。关于硬件方面需要改进的地方有：l)降低设备成本，实现普及应用。目前市面上的汽车安全防撞系统产品成本非常高，导致售价不菲。虽然汽车安全防撞系统具有很大的市场需求量，但目前只有少数的高档汽车(主要是进口车系)才能具有这种系统，其实际太原理工大学硕士研究生学位论文应用范围并不广泛。2)增强系统硬件的对恶劣环境的使用性。目前汽车安全防撞系统适应性非常差，只能在理想情况下发挥作用。在雨天、雾天、黑夜等恶劣天气以及坎坷不平的道路或拥挤的马路等糟糕的路况时，汽车安全防撞系统很难发挥作用，而此时恰恰应该是最需要它发挥作用
24、的时候。汽车安全防撞系统软件方面需要改进的地方是系统算法处理程序，需要充分考虑路面情况(积雪、积水等)。1.3 论文的主要内容和章节安排本次设计主要内容是设计一种基于单片机汽车防撞报警系统，主要利用单片机对超声波传感器采集的模拟数据处理及存储。当超声波传感器检测到汽车前方障碍物与汽车距离小于阈值时，系统快速地进行声光报警。实时采集汽车与前方障碍物距离变化，及时了解当前所处情况是否处于安全环境。通过超声波传感器检测障碍物距离，通过单片机接收到数据进行处理，在数码管上显示与障碍物距离，保证能够准确地接收信息，当检测距离小于阈值，蜂鸣器同时工作。论文构成主要由以下部分组成： 第1章 主要介绍了本课题
25、的背景意义和相关技术在国内外的研究现状。第2章 主要介绍防撞预警系统安全距离模型、决策系统以及与路面附着系数。第3章 介绍超声波工作原理，超声波传感器特性以及测距系统的主要参数。第4章 介绍的是汽车防装的总体方案设计。首先介绍汽车防撞系统的设计要求，然后分别对测距传感器的选择和显示报警系统的方案设计做了介绍，最后提出本系统的总体的设计方案，为硬件系统的设计打下了基础。 第5章 对硬件的设计进行了介绍。首先对单片机的选择选择及功能做了介绍，对超声波传感器的工作原理进行了分析，然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路的硬件设计，最后介绍了显示模块电路和蜂鸣器报警电路的设计。第
26、6章 对系统的软件设计进行了介绍。在软件设计中采用不同模块不同编程进行设计的，本设计分别对系统的主程序模块、中断子程序模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块和数码管的显示模块的各个程序进行了设计。 第7章 对系统进行调试，用软件protues 7.8仿真，并指明了系统设计的不足之处，以及对系统误差进行分析、总结和展望。 第二章 防撞预警系统安全距离模型、决策系统第二章 防撞预警系统安全距离模型、决策系统2.1行车安全距离l)行车安全距离的概念在行驶过程中，各车辆之间保持一定的安全间距，如果安个间距过小，则易发生汽车碰撞类事故;如果安全间距过大，又会影响道路的通行能力。2)行车安全距离的法律基础高
27、速公路交通管理办法第十五条规:机动车在高速公路上正常行驶时，同一车道的后车与前车必须保持足够的行车间距。正常情况下，当行驶时速在100Km小，行车间距为100米以上;时速70Km月1，行车间距为70米以上。遇上风、雨、雪、雾天或者路面结冰时应当减速行驶。中华人民共和国道路交通安全法中第六十七条法规规定:高速公路的限速标志标明车辆的最高时速不得超过12Km/h。2.2汽车制动距离当两辆车公路上同向行驶时，若后车速度大于前车速度，则两车之间的距离将不断缩小，如果前车的驾驶员不采取提速措施，则可能引发车辆追尾事故。车辆同向行驶在道路上，为了避免前后车辆相撞，就需要对前后车辆的纵向相对的实际距离实时检
28、测，并判断其是否为安全距离。车辆的制动距离与车辆的纵向安全距离的确定有着密切联系。所以在建立汽车纵向安全距离模型之前，必须搞清楚汽车制动距离的概念，通常制动距离是指在某一时刻汽车以某一速度正常行驶(包含空档)时，从驾驶员踩住制动踏板开始到汽车完全停住这段时间内汽车所驶过的所有距离，这个距离就被称为汽车的制动距离。2.3 驾驶员预估模型报警算法驾驶员预估模型报警算法是根据驾驶员预估行为确定安全距离的方法。首先，驾驶员先预估现有的行车相对速度和相对距离，然后预测在短时间内的运动状态，若时间后，达到自己能容忍的最小距离，则系统报警，当前距离称为临界报警距离。式中:为前后车的相对速度，为本车减速度，驾
29、驶员判断示意图如图2.1所示。图2.1 驾驶员判断示意图在本算法中，前车运动状态的判别方法有以下几点: ( 1) 当测量出的车间距离值不变或增大，则可判定前车相对后车为静止或加速状态，不会发生纵向碰撞；（2）当测量出的两车间距离变小，且相对速度等于后车速度，则说明前车处于静止状态。(3) 若相对速度大于后车速度，则认为前车位于对面车道上，则不进行目标危险性判断，否则，则认为前车相对后车为减速。基于驾驶员预估模型的预警算法相对比较合理，下面分析参数和的确定。1. 时间参数若确定时间参数，首先需要对车辆的制动过程进行分析。一个典型的车辆制动过程可以描述为: 驾驶员意识到前方发生紧急情况，迅速踩踏制
30、动踏板，汽车减速直至停止的过程，如图2.2所示，这个过程可以描述成三个阶段。图2.2 车辆制动过程第一阶段为驾驶员反应阶段: 即驾驶员发现紧急情况到采取制动措施阶段，这个时间可以分为两部分，反应时间和动作时间。第二阶段为减速度增长阶段: 这个阶段也可以分为两个部分，制动协调时间和减速度增长阶段。第三阶段为制动减速度达到最大后直至汽车停止的阶段。汽车在各阶段的行驶状态为: ( t1 t2) 匀速，( t3 t4) 匀速+ 变速，t5匀减速。根据运动学知识可以推导出，制动距离为:反应时间t1和动作时间t2是驾驶员辨认前方情况并采取制动的反应时间，这个值与驾驶员的年龄、性别、情绪、身体状况、车速以及
31、目标的状态等因素的不同差异较大，因此很难准确确定。t1和t2这两个值的和被称为临界反应时间，这段时间一般为08 13 s，此值不宜取太小，避免造成驾驶员发现报警引起恐慌，模型中选择临界反应时间为12 s，t3和t4均取02 s。2附着系数加速度取值的选择会直接影响模型的理论值的大小，实际计算表明主要取决于路面的附着系数，汽车在路面上的制动受路面与轮胎之间的附着条件的影响，地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力F，在硬路面上它与驱动轮法向作用力成正比。因此轮胎与地面间的附着系数可以表示为。在某一特定的模型中，为了简化计算，取两车与路面的附着系数相同，附着系数的大小如表2.1所示。表2.1 附着
32、系数参照表天气状况附着系数水泥沥青积雪干燥0.60.750.550.700.200.35潮湿0.450.650.400.65本章小结 本章主要对行车安全距离、行车制动距离介绍，进行预估算法，驾驶员先预估现有的行车相对速度和相对距离，然后预测在短时间内的运动状态，若时间后，达到自己能容忍的最小距离，即临界报警距离，则系统报警，临界报警距离。23第三章 超声波及其工作原理第三章 超声波及其工作原理人耳的听音范围是20Hz20KHz , 超声波是人耳听不到的一种声波, 是一种频率高于20 kHz 的声波，通常频率高于20 kHz 的超声波不仅波长短、方向性好、能够成射线定向传播、纵向分辨率比较高、对
33、色彩和光照度不敏感、对外界光线和电磁场不敏感, 碰到界面就会有显著反射, 而且能在有灰尘、烟雾、有毒等各种环境中稳定工作。这些特性都有利于选取超声波作为媒介, 测定物体的位置、距离甚至形状等。经综合比较, 基于超声波的汽车防撞报警系统的设计中, 采用的是超声波频率为40 kHz 的超声波传感器。3.1超声波传感器介绍超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用
34、目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同。在汽车倒车防撞系统中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。压电传感器探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波测距装置的重要组成部分。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶
35、瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。图3.1压电式超声波传感器结构图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3.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲
36、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，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。图3.2为分离式反射型超声波传感器的基本工作方式。图3.2 超声波传感器的基本工作方式3.2超声波传感器的特性（1） 在自身特性谐振点40 kHz 附近可获得较高的灵敏度；（2） 谐振带宽、波束角可以通过制作控制得很窄, 有利于抗声波干扰设计；（3） 不受无线电频谱的资源限制, 易于进行抗电磁干扰设计；（4） 超声波系统成本低、性能稳定，应用前景好。超声波传感器的基本特性有频率
37、特性和指向特性，这里以T/R40 超声波传感器为例进行说明。图3.3 T/R40型超声波传感器频率特性曲线从图3.3可看出，其中，f040KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 f0处所产生的超声声压能级最高。而在 f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率f0的交流电压来激励。 另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在 f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声波接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻
38、R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果 R 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。3.3超声波测距的工作原理及实现超声波测距的工作原理是超声波发射探头不断地发射出40 kH z 超声波, 遇到障碍物后反射回反射波, 超声波接收探头接收到反射波信号, 并将其转变为电讯号。测出发射和接收回波的时间差t , 然后求出距离s.在已知速度c 的情况下, 求s=ct /2。式子中, c为超声波音速, 由于超声波也是声波
39、, 故c即为音速。音速为c= 。式中, r为气体的绝热体积系数；P 为气体的气压(海平面气压为1 0 13 x l 0 6 Pa)；为气体密度(空气密度为1.29 kg/)。 对于lm L 的空气, 质量为m , 体积为v , 则密度= m / V，故c= = ,对于理想气体, 有p V = R T , 式中,R 为摩尔气体常数；T 为绝对温度。因此, c= , 由于r、R、m均为已知常数, 故声速C 仅与温度T 有关, 若温度不变, 则声音在空气中的速率与压强无关。在0的空气中, = 331.5m/s , 对于任何温度下 , 有 今/ = , 即= 331.5,通过对上式的实际分析得, 温度
40、每升高一度, 声速增加约为0.607m/s , 故可以得出声速与现场温度T 的经验公式: c=331.5 + 0.607 T 。只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及现场温度T，就可以精确计算出从发射点到障碍物之间的距离。 图3.4 超声波测距原理框图 图3.4所示，超声波测距基本原理：经发射器发射出长约6mm，频率为40KHZ的超声波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。 超声波测距方法主要有三种：1） 相位检测法：精度高，但检测范围有限；2） 声波幅值检测法：易受反射波的影响；3） 渡越时间法：工作方式简单，
41、直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其图3.5 渡越时间法测距原理原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离s。设s为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有s=ct/2。综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。渡越时间法测距原理如图3.5所示。其中，t就是所谓的渡越时间。由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表3.1列出了几种不同温度下的声速。 表3.1 声速与温度关系表温度（）-30-20-100102030100声速（m/s）313319325323338344349386 由于我国大部分地区四季温差不超
42、过40（-10到30）摄氏度，且本系统测距范围（车前4到5米）比较小，单片机以微秒计时，故温度影响可以不予考虑。可以看出主要部分有： (1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）；(2) 使接收和发射隔离的开关部分；(3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；(4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；(6) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。3.4 测距系统的主要参数（1）测距仪的工作频率 由文献知，空气
43、中超声波的衰减系数为=as=Af2+Bf4。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑： 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。 工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识
44、清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比。虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。（2） 声速声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为c=331.40.607T(m/s) 式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在
45、空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 m/s。（3）发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。本设计最终选定11us的发射脉冲宽度。（4） 测量盲区在测距时, 传感器用一段时间发射一串超声波来作为测量的载体, 因此只有待发送结束后才能启动接收, 设发送波束的时间为t , 则在t 时间内从物体反射回的信号就无法捕捉。另外超声波传感器有一定的惯性, 即有一个从受
46、迫振动到平衡振动再到阻尼振动的过程, 故发送结束后还有一定的余振, 这种余振经换能器同样产生电压信号, 这种电压信号叠加到回波信号上, 使电路鉴别不出真正的回波, 从而扰乱了系统捕捉返回信号工作。因此在余振未消失以前, 还不能启动系统进行回波接收。以上两个原因造成了超声波传感器具有一定的测量范围, 即存在所谓的盲区。本章小结本章主要对超声波传感器、超声波测距原理介绍，f040KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强， 检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，通过公式s=ct /2求出距离s。第四章 防撞预警系统的总体方案第四章 防撞预警系统的总体方案本设计主要是进行距离的测量和报警，