汽车的测速及倒车提示系统分析毕业论文Word文档下载推荐.doc
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S1、S2
进入倒车状态
（4）显示功能。
该系统具备显示功能，显示内容有正常运行的转速及倒车状态时障碍物与汽车尾部的距离，其显示精度为1cm。
2.2测速及倒车提示系统设计方案论证
2.2.1发射与接收模块
方案一：
采用后视摄像进行倒车
这种方法可以获得障碍物的直观图像，但无法测得准确的距离；
虽然其可靠性高但是价格较高，得不到普遍的推广使用；
这种方法还存在一些其他的缺陷，如其在夜间会受到影响，无法重现图像，使其在晚间如同虚设，不仅如此，它还会受到天气的影响，在阴雨、雾雪天气，后视摄像这种方法同样起不到效果。
方案二：
采用超声波倒车
超声测距一般采用40KHz的脉冲信号。
常用有CX20106集成芯片，使用方便简单，只需在外围电路加常见的反向驱动集成块74LS04，使用起来效果很明显而且价格合理。
超声波测距虽然没有清晰的图像，但是其可以测得准确的距离，让使用者无论是在白天还是在晚上都能明确的了解到其后边的障碍物。
超声测距也存在缺点，就是对车后的路坑、山崖、凸出的某些障碍物无法感应。
在此设计属于模拟系统，
所以采用方案二比较经济合理。
2.2.2转速检测电路模块
霍尔式轮速检测
霍尔轮速传感器由磁钢、霍尔元件及电平转换电路组成，霍尔轮速传感器核心为霍尔元件,霍尔元件通过齿轮的运动输出mV级的准正弦波电压,选用UGN3019开关型集成霍尔元件,可实现将准正弦波电压转为标准脉冲电压。
霍尔轮速传感器输出的脉冲信号频率与转速成正比关系,对脉冲信号可采用多种方法进行处理分析。
开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，但是对于该模拟系统，不需要这么高精度的检测。
方案二：
光电式轮速检测
光电式轮速传感器由光源、转动圆盘、光敏元件及有关电路组成。
转动圆盘被安装在转轴上,转动圆盘边缘开有等距离的孔,光源发出的光通过圆盘小孔照射到光敏元件上。
当测速盘旋转切割光开关时,光敏检测元件输出一串脉冲信号,脉冲频率与转速成正比。
转速n与脉冲频率f关系为:
n=60*f/p（r/min）,其中p为圆盘开孔总数。
若取p=60,则f=n,即轮速传感器输出信号频率便是车轮每分（钟）转数。
通过以上分析采用方案二实现了高精度、宽范围的测量，比较符合要求。
2.2.3控制器
采用PLC控制
PLC控制有编程简单方便、硬件维护方便、可靠性高适用性强等优点，但是它最常见的是用来控制强电，而像这种12V以下的弱电控制就不适宜了，而且成本高。
采用单片机芯片控制
该系统设计电路以AT89S52单片机为控制核心。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
与AT89C51比AT89S52拥有3个定时计数器和支持在线编程,ISP在线编程功能优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是个强大易用的功能。
AT89S52的性能可以满足电路的要求，其市场上很普遍，价格便宜。
所以选择AT89S52为控制器的控制核心。
2.2.4显示模块
采用LCD液晶显示
该模拟系统只需要对车速或倒车时的距离进行显示，若采用液晶显示，虽然不需要外接驱动电路，也不会占用单片机的I/O口，而且软件编写简单，节约了CPU资源，但是液晶显示增加了成本，对四位数据的显示根不需要这么浪费，所以这部分的显示，根据实际情况的需要用LCD液晶显示不合理。
数码管显示
采用数码管显示，需要外加驱动电路，但是简单的三极管就可以驱动，所以外加的驱动电路并不复杂。
因为显示的内容简单，仅四位数字，对于I/O口的占用也不是很多，数码管价格便宜。
对该显示电路来说采用数码管显示很合理。
2.2.5直流电机控制电路模块
串电阻调速系统。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后，因此搁置不用。
静止可控整流器。
简称V-M系统。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。
最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
方案三：
脉宽调速系统。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。
本设计采用了可逆PWM变换器。
可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。
我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。
控制电路
直流电机控制
提示音发生器
倒车检测电路
转速检测电路
综上所述，本设计方案如图2.1所示：
图2.1测速及倒车提示原理方框图
倒车检测--------超声波检测；
转速检测--------光电式传感器检测；
控制器--------AT89S52单片机；
显示模块--------数码管显示；
直流电机--------脉宽调速系统。
3硬件电路的设计
3.1超声波测距电路
超声波测距原理简单、成本低、制作方便，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。
基于单片机的超声波测距设计，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。
超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。
如图3.1所示：
数字显示
功能键
单片机
发射驱动
接受处理
图3.1发射与接收原理框图
3.1.1主要芯片介绍
（1）发射电路----六反向器74LS04
74LS04内部集成了六个反向器（输入与输出相位相反的电子电路），即1A输入高电平，1Y输出高电平同时具有放大的功能。
74LS04的管脚如图3.2：
图3.274LS04的管脚图
因为它的输入与输出相位相反，所以我们得到它的真值表，如表3-1所示：
表3-174LS02的真值表
Input
Output
A
Y
H
L
（2）接收电路----红外线检波接收芯片CX20106A
CX20106A是红外遥感接收前置放大双极型集成电路，内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收专用芯片，考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz较为接近，用其制作超声波检测接收电路。
引脚排列及其功能如图3.3所示和表3-2所列。
图3.3CX20106A引脚图
表3-2CX20160A引脚符号及功能
引脚号
符号
功能
1
IN
遥控信号输入端（此脚与地之间接红外线接收二极管）
2
C1
前置放大器频率特性和增益设定（此脚与地之间接RC串联电路）
3
C2
接检波电容
4
GND
接地
5
F0
设定带通滤波器的中心频率（此脚与电源之间接电阻）
6
C3
外接积分电容
7
OUT
遥控指令输出端
8
VCC
外接电源
CX20106A技术特点：
·
低电压供电，典型值为5V。
功耗低，VCC=5V时，其典型功耗9mW。
带通滤波器的中心频率可通过改变5脚和电源之间的电阻进行调节，其调节范围为30—60KHZ。
由于未使用电感，不受磁场干扰，所以抗干扰能力强。
能与PIN光电二极管直接连接。
集电极开路输出，能直接驱动TTL或COMS电路。
8脚单列直插式塑料封装。
超声波检测接收电路如图3.6所示，该电路以CX20106A为核心，将超声接收器输入的超波电信号进行放大、整形、输出。
用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平）具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当的更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
（3）超声波探头----T/R-40-18
超声波测距常用的两种方法——强度法和反射时间法。
该模拟系统采用的是利用测量脉冲反射时间法，反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离的。
如图3.4所示：
图3.4超声波测距原理示意图
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率的超声波探头多用于探测。
它有许多不同的结构，可分为直探头（纵波）、斜探头（纵波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲；
控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；
实现波型转换；
控制工作频率；
适用于不同的工作条件。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片，构成晶片的材料、晶片大小不同则探头的性能也不同。
超声波传感器的主要性能指标有工作频率、工作温度、灵敏度。
基于这三点的考虑我选用的探头型号为T/R-40-18。
该超声波传感器分为发射和接收两种，发射器的型号为T-40-18，接收器的型号为R-40-18。
它们适用于以空气作为传播媒介的遥感发射、接收电路中使用。
T/R-40-18电气参数如表3-3所示:
表3-3T/R-40-18电气参数：
项目
电气参数
声压电平
>
115dB
工作频率
40KHz
接收灵敏度最小值
-67dB
发送宽带最小值
6/103dB
接收宽带最小值
6/-71dB
（4）超声波测距算法
超声波测距：
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。
这样只要测出发射和接收的时间差t，然后按式3.1即可求出距离：
（3.1）
式（3.1）中的d为汽车尾部与障碍物间的距离、s表示超声波发射与接收的距离、c为超声波在空气中的传播速度、t表示超声波行驶s距离的时间。
在测距过程中，设超声波的声速为340m/s，经计算可得超声波传播1cm需要30us。
又因为，所以障碍物与车体的距离为1cm时，超声波要传播2cm，即定时时间为60us。
在超声波发射时就启动定时器T1，到接受超声波时再关闭定时器，这段时间有多少个60us则车体与障碍物的距离就是多少厘米。
所以在软件编程中有定时60us，时间到了就会自动对超声波测量的距离进行刷新显示。
3.1.2超声波测距的原理分析
超声波测距的具体原理分析如图3.5所示：
当开关S1、S2闭合时，利用单片机的定时计数器T0（P3.4）产生40KHz的矩形波，该矩形波的频率f=40KHz，所以其周期为t0=25us，因为是方波所以t=12.5us；
由于晶振为12MHz，所以机器周期为T=1us,那么该定时计数器的初值计算：
N=t/T=12.5/1=12.5
X=2^16-N=65536-12.5=65524=FFF4H
所以送入定时计数器的初值为：
TH0=0FFH,TL0=0F4H
40KHz的矩形波由P3.4端口输出，经过74LS04六反向器由发射探头T-40-18发射出去，如果遇到障碍物就会及时的反射回来，再由超声波接收探头R-40-18接收，经过CX20160A处理送到外部中断0处理。
提示音发生电路的工作是这样的，当MOSI端接高电平时，继电器JK1得电相应触点闭合，整个电路开始工作，由555集成芯片组成的施密特触发器产生驱动波形驱动LS3工作，即发出警报。
发射电路主要由U1（74LS04）和超声波发生换能器组成，单片机端口P3.4输出40KHz方波信号一路经一级反向器后送超声波发生换能器T的一个电极，另一路经两级反向器后送超声波发生换能器T的另一个电极。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波发生换能器T的两端，可以提高超声波发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R1、R2一方面可以提高74LS04输出高电平的驱动能力；
另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，以缩短其自由震荡时间。
图3.5超声波测距原理图
3.2转速检测电路
红外测距仪由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。
测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如本设计中采用0.1米），精度根据电动车控制的需要确定。
测距轮安装在车轮上，这样能使记数值准确一些。
3.2.1转速检测原理介绍
槽型光电耦合器
四个缺口
图3.6转速检测的实物图
如图3.6所示：
遮光盘有四个缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。
遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。
由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到四个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。
3.2.2芯片简介
光电耦合器是一种把红外发射器和红外光接收器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。
当输入电信号加到输入端发光器件LED上,LED发光，光接受器件接收光信号并转换成电信号然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就实现了“电-光-电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。
图3.7光电耦合器
如图3.7：
光电耦合器结构简单，由一个发光二极管和一个光敏二极管组成，常用于50Hz以下工作频率的装置中。
其工作时信号加至输入端，使发光二极管发光，光敏元件接收发光二极管的光辐射在输出端输出光电流，从而实现电—光—电的转换，并实现了输入端与输出端的耦合。
在光电耦合器件输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电-光-电的转换。
其基本特性有：
（1）共模抑制比高
在光电耦合器内部由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比高。
（2）输入特性
a）正向工作电流If：
If是指LED正常发光时所流过的正向电流值，不同的LED所允许流过的最大电流值也不一样。
b）正向脉冲工作电流Ifp：
Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值，为了保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED。
c）正向工作电压Vf：
Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。
d）反向电压Vr：
是指LED所能承受的最大反向压降。
e）反向电流Ir:
通常是指在最大反向电压情况下，流过LED的反向电流。
f）允许功耗Pd：
LED所能承受的最大功耗。
（3）输出特性
a）集电极电流Ic：
光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示最大值。
b）集电极-发射极电压Vceo：
集电极发射极所能承受的电压。
c）发射极-集电极电压Veco：
发射极集电极所能承受的电压。
d）反向截止电流Iceo:
发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。
e）C-E饱和电压Vcd：
发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF<
=CTR时，集电极与发射极之间的电压降。
3.2.3电路原理分析
图3.8转速检测电路
检测电路如图3.8所示，电机DJ1带动安装在电机上的转盘转动，由于转盘装在光电开关器U7槽中，且转盘中带有孔，转盘在转动过程中，U7一端发出的光线穿过孔，光线间歇通过并送到U7的另一端，使光电开关器U7输出一串脉冲并送回单片机U2的“13”（/INT0）脚，由单片机U2进行计数，并由数码显示管DS1直接显示数字为电机DJ1的转速。
当检测到有信号输入时，光敏晶体管的基极，接受不到发光二极管的光照，则集电极正偏、发射极反偏，即光敏晶体管截止，高电平VCC经具有反相功能的Q11，输出低电平，送至CPU的P3.2口产生中断。
由于遮光板有四个孔，所以在P3.2端口来四个脉冲时，转盘才转一圈。
在1s中之内记录转盘转动的圈数，并送至数码管显示（速度的显示就是对转盘转每秒转动的圈数进行的显示。
），然后定时100ms，100ms之后对速度进行显示，即数码管的显示刷新时间为100ms。
其中电路中的R40、R41、R34是限流电阻，在电路中起保护作用。
电阻R45是三极管Q11的基极偏置电压保护作用。
3.3控制电路
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
3.3.1AT89S52的功能简介
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器,2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
3.3.2AT89S52部分引脚简介
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入；
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用；
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用；
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）如图3.9所示：
图3.9AT89S52的引脚图
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-4所示：
表3-4P3口的第二功能使用表
第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器写选通）
3.3.3AT89S52定时/计数器的介绍
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低4位用于T0，高4位用于T1。
GATE：
门控位。
GATE=0时，只要用软件使TCON中的TR0或TR1位1，就可以启动定时/计数器工作；
GATE=1时，要用软件使TR0或TR1位1，同时外部中断引脚/INT0或/INT1也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。
即此时定时器的启动条件，加上了/INT0或/INT1引脚为高电平这一条件。
工作方式TMOD寄存器见表3-5所示：
表
升级会员 