畢業設計說明書題目:TCT20-12T/R超聲波傳感器高速車距檢測產品設計工藝設計方案設計√類型：學生姓名：學號：學院：電子信息工程學院專業：機電一體化班級：學校指導教師：企業指導教師：________________________2015年11月19日摘要高速公路交通系統在我國的興起，正改變著我國陸上交通的格局。然而近年來，道路交通安全形勢越來越嚴峻，交通事故給家庭、集體和國家都帶來了巨大的損失，已成為世界性的嚴重問題。這其中自高速公路投入使用以來，事故頻發，已嚴重影響人們對使用高速公路的信心，據有關統計資料表明，在眾多的高速公路交通事故中，追尾碰撞引起的事故占最多數，因此，研發一種高性能的汽車測距防撞預警系統成為迫切的需要.本論文是運用超聲波測距原理，利用超聲波傳感器進行車距信息的采集，然后由單片機所組成的硬件進行信息的分析，如果發現兩車的距離進入了危險距離，則會發生報警來提醒車主，從而讓車主有提前的反應時間，來減少事故的發生。關鍵詞：測距；安全行車距；高速路；能見度；報警目錄1.前言 前言選題背景及意義汽車作為現代人類的交通工具，改變了人們的生活方式，推動了社會經濟的發展和人類文化的進步，給人們的生活帶來了極大的便利，但同時也帶來了嚴重的交通安全問題。由于人類的視力容易受到外界的干擾，所以用超聲波傳感器來代替，可以解決能見度的問題，解決一系列不良天氣的影響。而超聲波傳感器的遠距離也可以讓駕駛者有提前準備的時間。從而減少高速路的行車事故的發生。保障人們的人生安全，幸福的生活。1.2論文的主要內容汽車測距報警系統是一項融合汽車電子技術和信號處理裝置與通信技術等多學科的綜合性課題，雖然國際上已經研究了很多年，但在我國這項技術還是相對落后。所以本論文僅在汽車測距報警方面進行了研究。主要類容有：分析汽車追尾事故過程及原因分析，對如何防止高速路追尾系統提出要求。1）針對系統要求，選擇合適的傳感器進行信號的采集。2）設計相應的A/D轉換電路，報警電路。3）對實驗結果進行分析，結合相關資料進行驗證。1.3論文的研究方法與組織結構本論文為理論研究，先從各環節的元件配置開始，理論分析，并與相應專業資料相互驗證，得到較有效的理論依據。硬件方面：探討各種傳感器的優缺點，根據實際需求選擇合適的測距傳感器，并再此基礎上選擇合適的單片機和傳感器相匹配。軟件方面：在探討行車信息采集與處理方法的基礎上，進行編程調試以及理論驗證，根據分析所得的數據提出合理的配置方案，并給出方案的元器件工作原理與相關的邏輯電路圖，對報警模塊進行優化，最終確定高速路車距檢測報警系統的整體方案。基于系統功能的需求可以確定系統的相關結構，它是以微控制器為基礎的控制系統，是單片機技術，系統控制技術，和傳感器技術以及通訊技術相結合的產物。本文在總體設計中的傳感器系統如圖2.1圖2.1汽車測距報警系統的目標與總體設計2.1高速路汽車事故分析駕駛員反應模式在道路上行駛的汽車系統中，駕駛員是關鍵因數，對行車安全起著主導作用。根據對人體行為的“刺激—機體—反應”經典模式，駕駛汽車可分為三個階段，即感知階段—判斷階段—執行階段，如圖1.2所示：圖1.2感知階段。感知階段主要通過視覺與聽覺及觸覺來獲取道路環和車身的運行狀況信息，這一階段主要由感覺器官完成。在感知階段，駕駛員對已存在的道路交通信息的判斷和正確理解，是隨后合理進行動作的基礎。對于駕駛員來說，如果沒有完全和準確的駕駛信息和運行狀態的獲得，極有可能導致判斷失誤和動作失誤。因此，駕駛狀態意識在駕駛行為中相當重要。（2）判斷決策階段。判斷決策階段是駕駛員在感知信息的基礎上，結合自己的駕駛員經驗和技能，經過分析，做出判斷，確定有利于安全行駛的措施，這一階段主要由人的大腦完成。在汽車行駛時，駕駛員需要知道其他車輛和障礙物在哪里，以及它們的運動狀態和運動特性。駕駛員可以從道路環境，車內顯示板或直接感官來識別道路交通狀態的要素與特征。（3）執行階段。執行階段是駕駛員依據判斷決策所得出的實際反應和行動，具體指手和腳對汽車實施的控制，如加速，減速，制動，轉向等。這一階段主要由運動器官完成。這樣，駕駛行為不僅式信息感知，判斷，執行三個階段不間斷的多次組合，而且也是三者的連鎖反應。這就要求駕駛員式在非常短的時間內，根據綜合判斷的結果及協調動作。[1]2.2駕駛安全事故分析引起高速公路汽車發生安全事故的原因是多方面的，除眾所周知的如車速高，制動安全區擴大，氣候條件差等易于誘發安全事故外，還有以下幾個方面的原因。在安全事故發生的錢一刻時間，駕駛員獲得道路環境信息。當速度，相對速度和兩車之間的距離超越了安全距離的邁界式，就引起了交通事故。根據前面的分析，我們可以找出安全事故產生在三個不同的階段的原因[2]。（1）在感知階段駕駛員需要知道前方車輛的運動狀況和自車的運動狀況，如果通過感覺器官獲得的信息部準確，或者不能獲得完整的所需的信息，那么就只有依靠經驗來駕駛。但是駕駛員在高速駕駛的條件下生理特征會發生變化：汽車駕駛員通過視覺機能從交通環境中獲得80%以上的交通信息，從而實施駕駛操作。[3].（2）在判斷決策階段，駕駛員根據所獲的的距離，相對熟讀以及自車速度的信息，得出安全跟車距離。并把當時相對距離與經驗駕駛的安全距離項比較，如果當前距離大于安全跟車距離時，汽車保持原有的運動狀態或采取加速狀態。如果當前距離小于安全跟車距離式，采用減速或制動的操作。這一階段，如果叛國準確，則可以避免安全事故的發生。（3）在執行階段。駕駛員根據所做出的決策進行正確操作，如果操作無誤，并且決策準確，那么就可避免事故發生。如果在緊急情況下，或者駕駛員來不及反應，就會引起誤操作，從而導致安全事故的發生。在高速公路上行駛，前車變速式，后車會做出相應的反應，當前車減速式，后車也隨之減速，但經過延遲一段時間，這時前車加速，但此時前車也許已保持勻速行駛，這樣兩車間距隨時間不斷變化。2.3系統設計要求綜合以上對高速路汽車安全事故原因的分析可知，要設計高性能的高速路汽車測距傳感報警系統必須從駕駛員的感知，判斷，和操作三方面來全面考慮。具體設計要求如下：（1）雷達傳感器對各種天氣狀況的適應性好（2）選取合適的傳感器探測汽車的車距（3）采用功能強大，性能優良的信號處理器對傳感器信號進行處理，變成可感知的信號（4）系統抗干擾的能力要強，可靠性好，抗震性強2.4系統總體設計汽車車距檢測報警系統屬于汽車計算機控制系統，一般有探測信號的傳感器，以計算機為核心的控制單元和實現控制意圖的執行器三部分構成。傳感器的系統中的信號輸入部分，它用于感測系統外部的信息，并將得到的信息轉化為電信號后傳給控制單元，輸入信息是引起控制系統發生變化的原因，在汽車車距檢測系統中，測距傳感器式把所測到的行車環境信息傳遞給控制單元，它通過處理，分析和計算所的的信息形成控制指令，并將控制指令傳達給顯示模塊。危險式發出信息給執行單元，實現預報警。綜合分析系統的設計要求，可以得到的高性能的車距檢測報警系統包括以下幾個部分：1）電源管理模塊，負責不同電路之間的轉換，對整個系統進行供電。2）信息采集處理模塊，負責對汽車外界的狀況和車距進行采集處理。3）聲光報警模塊，負責行車狀態的顯示及危險狀態時進行聲光報警。4）主控制模塊，負責整個系統的信息處理及控制。系統的及時報警能對駕駛員起到良好的警示作用，但如果系統的可靠性差，頻繁的報警會對駕駛員麻痹而導致忽視往后的報警，影響系統作用的發揮，考慮到汽車行駛環境的復雜性，參考前人的研究經驗，確定以下場合對系統采取抑制報警：（1）駕駛員在采取制動時，駕駛員在采取制動時說明已經意識到了行車的危險狀況，所以這時抑制報警。（2）低速行駛，車輛在低速行駛式發生交通事故的可能性很小，所以當車速低于一定值式（定為30km/h）時，對報警進行抑制。（3）轉彎行駛，車輛轉彎式，雷達把道路兩旁的路障或格擋物當成目標，錯誤判段為危險狀態，進行虛報，所以對警報進行抑制。系統硬件設計本論文的汽車車距檢測報警系統主要硬件基本組成包括測距傳感器，控制單元和執行器（及報警模塊）。3.1超聲測距原理超聲波是換能晶片在電壓激勵下發生震動而產生頻率高于20kHz的聲波。超聲波具有頻率高，波長短，方向性好，定向傳播，繞射現象小的特點，在工業，生物醫學等方面超聲波都具有廣泛應用。因為具有很好的指向性和能量衰減緩慢的有點，超聲波經常被用于距離測量。超聲波的頻率越高，傳播距離越短。表2.2列舉部分工作頻率的超聲波傳播距離對應表。2.2根據表2.2，因為式高速公路車距檢測，所以超聲波選取的頻率為20kHz，超聲波傳感器就是利用超聲波特性而制成的傳感器，習慣上也叫做超聲波換能或者超聲波探頭。3.1.1超聲波探測器的功能要求對于超聲波探測器的功能來說，要滿足對駕駛員的心理和生理的需求，對于駕駛員來說，準確，安全，不會感到厭煩這都是要考慮的，根據以上所述，超聲波車距傳感器應具有以下功能：1）可靠的信息接收處理功能2）LED數碼顯示器實時顯示功能3）報警功能4）通信功能綜上所述功能要求，設計了一種超聲波車距檢測報警系統。3.2LED顯示器 LED顯示器是由發光二級管構成，其在單片機中的應用非常廣泛。1）LED顯示器的結構及分類A．LED顯示器的引腳通常所說的LED顯示器由七個發光二極管組成，稱為七段LED顯示器，此外顯示器中還有一個圓點型發光二極管，用于顯示器顯示小數點。通過七段發光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數字，字母以及其他符號。B.LED顯示器中的發光二極管的兩種接法：共陽極接法：把發光二極管的陽極連在一起構成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，這樣陰極端輸入低電平的發光二極管就導通點亮，而輸入高電平的則不點亮。共陰極接法:把發光二極管的陰極連在一起形成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發光二極管就導通點亮，而輸入低電平則不點亮。[5]。2）LED顯示器的顯示分類LED顯示器的顯示方式為靜態顯示靜態顯示方式：所謂靜態顯示就是每一個LED顯示器各筆伐段都要占用一條具有鎖存功能輸出線。CPU把要顯示的字型代碼送到輸出口上，通過鎖存后使顯示器顯示出所需的數字或符號，之后CPU不用在送字形代碼，顯示內容也會一直保留。直到CPU送新的字形代碼。3.3超聲波測距模塊電路車距檢測模塊是車位檢測報警系統的核心，其硬件設計包括超聲波發射器電路，超聲波接收電路，指示燈電路和報警電路。3.3.1信號發射模塊超聲波發射電路包括發射脈沖，超聲波驅動電路和超聲波發射傳感器。20KHz的發射脈沖有兩種產生方式；硬件方式和軟件方式。其中硬件方式可以用555時基電路震蕩產生，但需要額外增加元器件。采用555震蕩電路原理圖如圖3.1所示：圖3.1555震蕩電路原理圖3.3.2信號接收模塊超聲波接收電路包括超聲波接收器，信號放大電路和比較電路。超聲波在發射之后在空氣中傳播，發射，在傳播，其能量會在這一過程中逐漸衰減，電壓比較器輸出的方波信號直接送入INT0中斷口，單片機根據此信號產生中斷，在中斷程序中結束計算，計算出超聲波傳播時間。1）放大電路電路采用兩級放大電路，芯片選用運算放大器LM358.LM358內部包括兩個獨立的，高增益，內部頻率補償的雙運算放大器。單位增益頻帶寬為1MHz，能保證在20KHz時提供充分的增益。電源電壓范圍很寬，單電源3-30V。考慮到現場電源供給問題，這里采用單電源12V供電。圖3.2為信號放大電路圖圖3.2信號放大電控制單元4.1硬件結構中主要部件和特殊部件說明（1）CPU單片機具有超小型化，功能強，可靠性高，價格低，性價比高和功耗低等一系列優點，因此在汽車的實時控制中得到了廣泛的應用。（2）雙端口SRAMDS16091）仲裁操作DS1609有一個特別的存儲單元結構設計，允許從兩個端口同時對存儲單元進行訪問。由此就不需要通常雙端口儲存器周期中不可缺少的仲裁邏輯。當兩個端口同時對一個儲存單元進行操作時，肯定引起亞穩態的儲存單元競爭問題。這些組的數據可以安排一些校驗和字節保證正確的傳送。每個端口可以安排特定的一個字節的寫狀態信息，允許其他端口可以讀出這個寫狀態信息。這個狀態信息向正在讀操作的端口表明其他操作是否正在進行，并指示該操作什么時候發生。2)單芯片錄音/回放裝置ISD2560ISD2560負責報警聲音的錄入與回放。信息存儲器件ISD2560是一種單片，高質量的錄音播放回路。采用CMOS工藝，內部包含片上時鐘，麥克前置放大器，自動增益控制，帶通濾波器，平滑濾波器和功率放大器，可以實現高質量的語音復制（3）LED顯示器顯示方式1）測距信息輸入電路4.1測距信息輸入電路圖2）語音報警輸出電路語音報警輸出電路3）車距顯示電路4.3車距顯示電路5系統軟件設計5.1儲存器配置存儲器在物理結構上分程序存儲空間和數據存儲空間，共有四個存儲器空間，片內程序存儲器和片外程序存儲器空間以及片內數據存儲器空間和片外數據存儲器空間。5.2單片機的中斷系統8751單片機是一個動中斷的微機，有三類五個中斷源，分別叫做外部中斷兩個，定時中斷兩個和串行中斷一個。外部中斷是由外部原因引起的，共有兩個中斷源，即外部中斷0和外部中斷1。它們的中斷請求信號分別有引腳INT0和INT1引起。[8].定時中斷是為滿足定時或計時的需要設置的。為單片機芯片內部有兩種定時器，以對其中的計數結構進行計數的方法。來實現定時或計數功能。中斷控制是通過單片機設置一些控制存儲器，作為提供給用戶使用的中斷控制手段。與中斷控制有關的存儲器共兩個，即定時器控制，中斷允許控制存儲器，中斷優先控制存儲器以及串行口控制存儲器。5.3程序設計方案由于采用的是雙CPU結構，要對兩個CPU進行分開編程，CPU主要負責收集轉向和車速信息，先根據轉向情況判斷所收到的數據是否異常，如果沒有異常則繼續進行車速信息的收集，然后根據CPU2傳過來的相對速度信息計算出前車的車速，車間距離進行比較，若安全則重新計算，判斷。若不安全則報警輸出；CPU2主要負責收集車間距離信息，兩車相對車速計算，鍵盤操作與顯示車間距離。6結論自接傳感器以來，一直覺得傳感器非常難，這次的課程設計我開始是以老師布置題目為主要選擇對象的，但是后面發現，像超聲波傳感器在我腦海中根本沒得一點意象，上網搜了很多資料，也感覺不怎么很懂，于是問老師怎么弄，后面發現老師的意見和我的原本的電路和圖只有幾個地方不同，突然感覺超聲波傳感器的特性非常適合車距的檢測，避免應天氣等原因而導致的交通事故的發生。在此，還是非常感謝我們的指導老師，她是一位很負責和很細心的老師，謝謝她的輔導和鼓勵，