基于超声波技术的汽车防撞系统模型报告.docx
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基于超声波技术的汽车防撞系统模型报告
基于超声波技术的汽车
防撞系统模型
设计报告
题目-------------------------------------------------------------------------1
目录-------------------------------------------------------------------------2
内容摘要---------------------------------------------------------------------3
引言-------------------------------------------------------------------------4
正文-------------------------------------------------------------------------5
总体方案设计-------------------------------------------------------6
单元模块设计-------------------------------------------------------------------
软件设计--------------------------------------------------------------------
参考文献----------------------------------------------------------------------
附录--------------------------------------------------------------------------
2009年2月
摘要
本防撞系统以自制小车为模型，利用小车上的超声波发射头和接收头，采用渡越时间法准确地测出两车或车与物体之间的相对距离和相对速度并通过综合多方面因素（？
）来判断小车是否安全。
采用温度传感实时提取周围环境温度信息，进行超声波温度补偿，采用无线模块对小车进行控制，如前进、转弯、加速等来模拟司机的驾驶，减少实际的误报、冗报等问题。
小车车身带有液晶显示屏，实时显示前后障碍物的距离，通过液晶显示屏可清楚的得知小车当时所处的状况（？
）。
关键词：
超声波渡越时间法模型防撞温度补偿
引言
随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展，电子智能化控制以渗透到各个领域之中。
而汽车数量日益增多，车速愈来愈高，汽车交通事故也随之增多。
汽车相撞、撞人、撞障碍物等时有发生。
尤其高速公路上一旦出现撞车就会造成多车相撞。
此外，汽车倒车时司机不能准确观察车后情况，也往往造成撞人或撞上障碍物。
分析撞车原因，大致有：
驾驶不慎，能见度不高，车速过快，车距过小或汽车本身故障等。
针对上述问题,我们设计一个基于超声波技术的汽车防撞系统能以声音和直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、起动车辆、行使等前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊（能见度低）的缺陷，提高了安全性。
本制作是基于ATmega16单片机控制的超声波技术的汽车防撞系统小车模型，通过单片机控制超声波换能器的发射与接收，利用计算收发时间差算出各障碍物具体距离加以显示及自动控制小车减速或停车功能，快速准确地实现自动测量显示与智能控制。
超声波对外界光线和电磁场不敏感，可以用于黑暗、有灰尘、烟雾、强电磁干扰等参杂环境中，使得系统抗干扰能力、测量精度能力增强。
我国是交通大国，交通驾驶安全事故频频发生，此防撞控制系统的研究将有利于交通驾驶智能控制的发展，可以使得交通事故大幅度下降。
该系统由单片机控制，体积小巧，安装灵活方便，具有一定的应用前景。
1总体方案设计
1.1传感器的选择
智能测距主要有红外收发测距、超声波测距。
红外收发测距是利用红外线的发射与接收进行测量。
其特点是外围电路简便。
但是存在受外界干扰大，测量距离范围小等不足。
超声波测距是利用超声波传感器进行发射接收。
超声波传感器的外围电路设计较复杂，但其干扰能力强，不受空间电磁波干扰，也不受一般机械振动的干扰，穿透性好，可在浓雾、风沙、阴雨、污染环境中工作，适合大型车辆的行驶测距。
经过对比，考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较长测距能力，我们选用了超声波传感器作为此方案的主要技术扩展。
1.2系统原理框图
系统原理框图如图1。
图1系统原理框图
2单元模块设计
2.1超声波收发电路
1）本系统采用收/发分立的超声波传感器（send:
TCT40-10F1、Receive：
TCT40-10S1），其谐振频率为40KHz为宜。
渡越时间法原理：
周期性的发送间断的40KHz超声波信号，并计算出在一个周期内接收到的超声波回波信号时间与发送时间的时间差值；利用这个差值结合超声波在空气中的传输速率就可得出距离值。
那么测量最大值就是以一个周期为时间差的距离值。
一般公式为:
d=v×t/2最大值为：
dmax＝v×T/2（T为周期）
假设室温下声波在空气中的传播速度是335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒，则距离D可以由下列公式计算：
D=33550（cm/s）×t（s）
因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离d应该是D/2。
如图2所示为超声波收发电路示意图。
图2超声波收发原理框图
40KHz的方波信号由单片机的定时器T1周期性产生，经过驱动电路推挽超声波发射头向外发出。
由于在外界中存在很多的干扰，接收回来的微弱信号的波形将类似正弦波，但含有很多的杂波。
我们必须报这个接收回来点波送进带通滤波器，还原出较好的波形，然后进行放大，再送进电压比较器得到较好的方波，进入单片机进行中断。
单片机中断后，计算出发射到接收的时间。
2）该模块电路的各个单元电路设计。
超声波发射电路：
先由单片机产生T1产生40KHz的方波，并通过I\O接口传送到模组的74ALS04六反相缓冲器。
74ALS04六反相缓冲器作用是对40KHz频率信号进行推挽放大，以使超声波传感器产生更强的谐振功率。
发射电路如图3：
图3超声波发射电路
超声波接收电路：
由于接收回来的信号非常微小且包含大量的杂波，因此在接收电路必须滤波、放大、整形后才能给单片机产生中断。
放大电路如图4所示：
图4超声波接收电路Cx20106A
2.2液晶显示电路
液晶显示电路采用LCD1602集成液晶显示模块。
其电路连接如图8所示：
图7液晶显示LCD1602接口
此电路可以将实时信号采集计算过后的实际距离数据通过单片机I\O口输送到液晶显示屏中，这样有利于操作者直观的观察到障碍物距离的实时信息。
2.4报警电路
图8语音报警电路
该电路在整个系统中的主要作用是：
结合超声波测距所得距离的数据分析，当测得距离小于安全距离时，语音电路能产生语音报警信号提醒司机做出相应的应急措施。
该电路主要有两种语音提示信号：
状况一：
当小车车距小于安全距离时，语音模块提示音“车辆车距过近，请适当调整”。
状况二：
当小车车距小于最小安全距离时，语音模块提示音“车辆车距危险，马上刹车”。
2.5电机驱动电路
图9电机驱动模块电路
小车电机装有减速齿轮组，这里采用市面易购的电机驱动芯片L293D，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。
L293D是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V。
下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系（电路按图9连接）：
表2L293D控制端分布
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运行情况
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2（IN4）
同IN1（IN3）
快速停止
L
X
X
停止
2．6温度检测补偿电路
超声波对温度比较敏感，当温度改变时，超声波传感器受温度改变而产生误差（不同温度下的超声波声速表表3）。
在电路中进行了温度补偿，提高了系统的测量及控制精度。
这里采用温度传感器DS18B20对环境温度进行实时的采集，起到对误差差错的实时调整功能。
其接口电路如图11所示：
图10温度补偿电路
表3不同温度下的超声波声速表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
本数字温度计设计采用了美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测量范围为-55~125℃，最高分辨率可达0.0625℃。
DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
2．7无线模拟控制
本模块电路采用比较常用的编码遥控芯片PT2262/2272来实现无线模控制小车，以模拟司机在特殊的情况下是否做出了相应的动作。
本系统若检测到有不安全的情况发生时，会先判断司机是否做出了解决改危险的操作，如果司机已经有了正确的操作，则放弃这次危险信号的报警。
PT2262/2272遥控模块是比较常用的控制芯片，以其制作方便、简单、传输距离较远，容易实现而广为设计者使用。
其电路如图11。
图11无线发射和接收电路
3软件设计
3.1小车自动控制构思
本作品采用前、后两路进行超声波测距判断，为了达到自动控制目的对各个方向作用构思如下：
前方超声波测距：
用于行驶速度过快而靠近前方车辆或驶近前方静止物体时导致车距过短而减速或者完全停止。
采用这个思路可以导出下式：
d2”>d1>d1’>0
响应报警，实时调整车速（3-1）
d1’>d1>0
自动刹车（3-2）
（3-1）式表示，当前方距离d1大于设定值d1’（安全值）时，下时刻的速度函数是距离d1的倒数于前时刻速度之积。
参数A的设置可以加大或减缓减加速的快慢。
（3-2）式表示，当前方距离d1小于设定值d1’时，小车处于危险状态，应该紧急刹车。
这里安全值d1’可以根据刹车的安全距离来设定。
后方超声波测距：
当汽车倒车时速度相对较慢，可以用于防止车辆撞上后方静止物体。
当汽车行驶过程中，后方有车辆距离太近时也可产生报警信号提示驾驶员。
采用这个思路导出下式：
d2”>d2>d2’>0
响应报警（3-3）
d2’>d2>0
自动停止小车行驶（3-4）
（3-3）式表示，当车辆倒车显示距离d2于设定值范围内时，小车保持原速度，但会产生报警信号。
（3-4）式表示，当车辆倒车显示距离d2小于设定最小值d2’时，小车自动停止，防止后部撞上物体。
根据以上自动控制思路可以明确几个方向上超声波测距的分工。
这样对于接下来的单片机软件程序设计就能较为明确。
3.2软件主程序设计
3.2．1小车控制主程序设计
图12小车控制主程序
小车控制主程序采用循环程序进行连续的实时控制。
控制的主要过程是将前后的分别进行测距并存储进数据单元中。
再在集合控制子程序中将储存的两个方向数据提取出来进行数据分析，实现实时控制的效果。
3.2．2测距子程序设计
图13测距子程序
测距子程序是两个方向前、后分别进行测距时的主要程序流程。
要驱动超声波发射信号需要发射40KHz的矩形波信号。
当发射信号的同时，开启单片机内部计时器进行计时。
在接收到信号的同时关闭计时器，再将记得的时间值储存进设定好的单元中。
此程序的作用再于实时采集前、后方向的距离数值。
而难点在于需要解决这两个方向上的超声波信号回声相互影响的问题。
本作品采用两种方法解决这一难点。
一个是从硬件入手，采用电压比较器在数据采集放大器与单片机接收I\O口之间。
由于信号经过多次回声撞击后能量相对减少，所以将比较电压设定在一定范围内就可以将回波干扰减少。
同时，电压比较器也使得超声波测距的范围相对固定。
另一个方法是从软件入手。
本作品单片机控制软件采用分时采集各个方向数据的方式，使得各个方向上信号的发射与接收尽量减少干扰。
但这样也使得扫描测距的时间相对延长。
3.2．3集合控制子程序设计流程图
图14集合控制子程序流程图
集合控制子程序是将原先采集的前、后、左、右四个方向的数据汇总进行数据分析控制。
从子程序图中可以看出。
集合控制子程序采用的数据分析主要靠一系列的判断分析进行。
集合控制子程序的设计主要利用“3.1小车自动控制构思”中的控制思路进行设计。
所以，读者可以结合“3.1小车自动控制构思”分析了解此流程图。
4系统调试
1）整机焊接完毕，首先对硬件进行检查连线有无错误，再逐步对各模块进行调试。
2）写入电机控制小程序，控制其正反转，停机均正常。
3）加入液晶显示子程序，查看液晶显示正常，调整可调电阻控制液晶显示明暗程度达最佳效果。
液晶显示状况可以参照附件二中图片一。
4）加入40KHz频率输出，用示波器查看频率输出端以及超声波传感器输出探头是否输出正确。
调试波形见附件三中的示波器显示图。
5）接着用示波器检测超声波传感器接收探头信号进行检测看是否有回波接收。
有接收信号后继续用示波器检测信号放大模块和电压比较器的波形看是否正常。
显示图形可以参照附件三中图片。
6）加入语音控制信号子程序，检查语音模块是否工作，是否有语音提示输出。
7）整机综合调试，上电后对系统进行初始化。
8）烧录整套主程序，上电检测电路运行情况。
与预期效果进行比较，逐步改进程序，使电路功能逐步完善。
5系统功能
本设计以自制小车为模型，通过安装在小车的超声波系统来提高小车行使的安全性。
该系统通过对前后两组超声波的发射和接收，采用渡越时间法则准确地测出两车之间的相对距离和相对速度并通过综合多方面因素来判断小车是否需要进行报警以提醒司机注意。
采用无线模块对小车进行控制如前进、转弯、加速等来模拟司机的驾驶，防撞系统通过对小车外部变化的检测来减少误报、冗报等。
由于超声波对温度比较敏感，在电路中还进行了温度补偿，提高了系统的测量及控制精度。
其主要功能说明如下：
1）手持无线电路能对小车进行控制，使小车做相应的动作，以模拟驾驶员的驾驶效果。
2）当两车（或车和物）之间的距离小于设定安全距离时，而司机没有作相应的操作（如刹车等）时小车将发出警报。
但当两车（或车和物）之间的距离小于最小安全距离时，系统则自动将小车停车。
3）两车（或车和物）之间的距离小于设定安全距离，但司机已经做出了相应的操作时，则系统会将安全距离减少，防撞系统关闭报警。
但当两车（或车和物）之间的距离小于最小安全距离时，系统则自动将小车停车
4）当小车速度很慢或小车转弯、制动时会将前进或转弯方向的安全距离减小，以减少冗报。
5）是液晶屏上显示安全距离、现在两车相对距离。
系统能播报报警语音。
6设计总结
本设计采用的超声波传感技术是无线测距中灵敏度较高的一种测距方式，但制作起来也是相当吃力。
在设计制作过程中必然难关重重。
整机的设计焊接是最快的一个阶段，差不多用了一周的时间完成。
但是要经过后期的调试检测硬件以及软件设计整合是最难攻克的阶段。
由于得一边上课一边抽空制作，所以这个整合调试阶段用了将近两个月的时间。
在这段时间内，我们努力奋斗，团结一心将一个个难关攻下。
这个时期，我们的知识、耐心、责任心等等等都得到了很大程度上的提高。
设计制作这个作品用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片微型计算机技术以及电子测量技术等多项电子专业知识。
这是对于我们这两年大学学习知识的一项考验，也是我们去真正认识电子技术魅力的机会。
通过这次的设计制作，我们更加了解了理论知识与实践运用的总要性。
在以后的学习工作中，我们会把握更多机会，设计制作出更多的优秀作品。
7参考文献：
[1]刘守义．单片机应用技术．西安：
西安电子科技大学出版社，2002
[2]李义府．模拟电子技术基础．长沙：
国防科技大学出版社，2004
[3]李朝青．单片机原理及接口技术．北京：
北京航空航天大学出版社，1994
[4]王新贤.通用集成电路速查手册.济南：
山东科学技术出版社，2002.9
附件三：
本制作相关图片
1）小车显示面板：
2）超声波发射波形
3）超声波接收波形
4）接收放大后波形
5）回波经过电压比较器后的波形
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