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1、继续教育学院毕业论文（设计）课题名称： 汽车倒车防撞报警器的设计 学生姓名： 学 号： 指导老师： 评阅老师： 时间 2012 年 12 月 目录摘要 2一、引言 3二、正文 3 1、本设计的目的 3 2、条件 43、模型的建立64、原理框图65、工作原理76、超声波测距误差分析97、影响超声波探测的因素10三、元件选择清单13四、实验安装14五、系统调试16六、实验结果17七、小结18元器件介绍19结束语24参考文献 24成绩评定25摘要针对我国交通安全的需要，以及国内外汽车电子技术的应用现状和发展趋势，综合汽车工程学、汽车电子技术、通讯技术和控制技术等多学科理论，从必要性、可行性、实用性和
2、经济性等角度出发，提出开发研制汽车防撞报警系统。目的在于当行车处于危险状态时，发出报警，提醒驾驶员或自动采用相应措施，从而减少或避免高速公路碰撞事故的生。 论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。关键字：超声波；汽车倒车；防撞
3、；报警器；传感器一、引言本次设计的汽车倒车防撞系统，它是以STC89C52作为主控制器，用超声波模块对距离进行距离测试，并将信号发给主控制器。用L298芯片驱动直流电机，执行主控制器命令，控制小车的前进、减速、停止。LED和蜂鸣器报告检测出汽车后方有障碍物。随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退
4、时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置及时通知驾驶人员，起到安全的作用。二、正文（1） 本设计的目的本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，甚至还能防止盗贼扒车，本设计成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义。超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及
5、在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用（2）条件超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正
6、。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 超声波距离传感器采用压电元件锆钛化铅，一般称为RZT，这种传感器的特点在于具有方向性，传感器用蜂鸣器的纸盒为椭圆形，目的是使传感器的水平特性宽，而且垂直方向受到限制。超声波距离传感器是利用“回声”现象制成汽车所用的倒车声纳系统，倒车时想车辆后方发射超声波，测定超声波遇到障碍物后返回的时间，再把这一时间置换成距离再加以显示。超声波比人耳能听到的声波频率要高，具有方向性，并且只能检测车辆后方的障碍物。它的功能是判定和显示车辆后方有无障碍物，障碍物到汽车的距离以及障碍物的位置。当车后无障碍物时，随着距离的增加，超声波逐
7、渐衰减，也就是说根据向车后发射的超声波是否返回，可以判断检测范围内有无障碍物。向车后发射的超声波遇到障碍物返回时，测定所需的时间，根据时间与距离成正比的关系，就可以判断车到障碍物的距离。此外，车辆后方划分为左中右三个区域，就可以判断出障碍物在何处，四个超声波发生器置于后减震器中，微机组件置于货舱内，驾驶人员回头时即可看到障碍物的显示。超声波距离传感器和微机组件之间采用屏蔽线相连，因此消除了外部及外部传入的干扰.超声波测距的基本原理同声纳回声定位法的原理是基本相同的，超声波发生器不断发射出40kHz超声波，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接受到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波
8、后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲，再利用双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。方脉冲的宽度即为两个短脉冲之间的时间间隔。测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。根据测量出输出脉冲的宽度。即测得发射超声波的时间间隔，从而就可求出汽车与障碍物之间的距离S：S=1/2（Ct） 2-1式中C超声波音速由于超声波也是声波，故C即为音速。音速为C=式中 气体的绝缘体积系数（空气为1.4） P气体的气压（海平面为1.013*108Pa） 0气体的密度（空气为1.29kg/m3） 对于1ml空气，质量为m，体积为V，密度。则 C= = 2-2对于理想气体，有 PV=RT 2-3式中 R摩
9、尔气体常数 T绝对温度因此C=由于、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气压无关。在0的空气中，C0=331.45m/s。对于任意温度下，有Ci/C0= / ,即Ci=331.45/在某一地区使用，因温度变化不大，可以认为声速是基本恒定不变的。确定了声速，只要测得超声波信号往返的时间，即可求得距离。（3）模型的建立超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低，但其作为高速行驶车辆上的测距传感仪不可取，只要有两方面的原因：一是超声波的速度C受外界环境变化影响较大。在不同的温度下，声速是不同的，在-30-30变化为313-349m/s，而且声速C还随雨、雾、
10、雪等天气的变化而变化，不能精确测距。二是由于超声波能量是与距离的平方成正比而衰减的，故距离越远，反射回的超声波越少，灵敏度下降很快，从而使得超声波测距方式只适用于较短距离。发射电路接收电路低频调制器时钟振荡双稳计数器显示电路障碍物 （4）声光报警器的电路原理框图本设计由发射部分、接收部分、及报警部分组成（见图2）。a.发射部分 由低频调制器、双稳回路、40kHz振荡器、功率发送器及发射探头等组成。40kHz振荡器受双稳态贿赂控制断续送出经低频调制器的信号，经功率放大器放大，由超声探头向车后发射。b.接收部分 由接收探头、放大电路、整形回路、双稳回路组成。接收探头接收到反射信号由放大器放大后，再
11、送入施密特触发器进行整形，然后输入报警部分。c.报警部分 由近距检测、平滑电路、触发器及声光报警器电路组成。因探测到的反射波信号是一组脉冲信号，将其平滑后送入触发器，一旦超过触发阀值报警电路就接通，发出声光报警。扩展部分（虚线部分）当电源电压偏低时，同样使报警电路导通发出声光报警。另外在接通电源的同时接通语言报警电路，不断放出：倒车，请注意“的语言报警声。数字显示部分（虚线部分）由时钟振荡器、计数器、译码器及显示器组成。时钟振荡器一接通电源即开始振荡，但只有计数器的闸门打开时，它才能进入计数器被计数，一旦接收到反射波信号，即关闭闸门，数据被锁存，经译码后通过显示器显示出来。发射 振荡接收放大低
12、调滤波双稳平滑计数器时钟振荡译码显示触发稳压生光报警障碍物电压监视语音报警电源 图4 汽车倒车防撞测距报警器原理（5）工作原理5.1超声波我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。人类耳朵能听到的声波频率为2020，000HZ。当声波的振动频率大于20000HZ或小于20HZ时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000HZ的声波称为“超声波”。超声波广泛地应用在多种技术中。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动
13、是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波具有以下的特点：（1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 （2） 超声波可传递很强的能量。 （3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 （4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象5.2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
14、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。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，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，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，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。5.3超声波测距原理
15、在超声波探测电路中, 发射端输出一系列脉冲方波, 其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔, 被测物距越远, 脉冲宽度越大, 输出脉冲个数与被测距离成正比。超声波测距的方法有多种, 如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高, 但检测范围有限可检测到汽车倒车中, 其障碍物与汽车的距离；声波幅值检测法易受反射波的影响。本文硬件设计采用超声波往返时间检测法, 其测量原理图如图1所示。图2.1 超声波测距原理图其原理为: 在超声波发射器两端输入40KHZ 脉冲串, 脉冲信号经过超声波内部振子, 振荡产生机械波, 并通过空气介质传播到被测面, 由被测面反射到超声波接收器接收,
16、 在超声波接收器两端, 信号是毫伏级的正弦波信号, 超声波经气体介质的传播到接收器的时间, 即为往返时间。超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法,其中常用脉冲回波法测距。超声波测距的原理一般采用渡越时间法 ,其原理是超声传感器发射超声波, 超声波在空气中传播至障碍物, 经反射后由超声传感器接收反射脉冲, 测量出超声脉冲从发射到接收的时间, 再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离, 即： L=ct/2 (1)式（1）中, L为超声传感器与被测障碍物之间的距离, c为超声波在介质(空气)中的传输速率, t为超声波从发射到接收的时间。超声波在空气中的传播速度为: , 其中T为绝对
17、温度数值, ,。在测量精度不是很高的情况下, 一般可以认为c为常数340m/s。由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波又很难精确捕捉,致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素是使用超声测距引起误差的原因。(6)超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=ct/2，可知测距的误差是由超声波的温度误差、传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。温度误差由于超声波也是一种声波。其声速C与温度有关。表1列出了几种不同温度下的声速这是超声波的温度效应特性，超声波的传播速度“C”可以用公式(2)表示：C331.50.607t（m/s）,式中t=温度（）。因此要精确测量与某个物体之间的
18、距离时，则应通过温度补偿的方法加以校正。时间误差 当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st2/3 VCC1/3 VCC0导通11.3VCC不变不变1X2/3 VCC时，触发输入端TR1/3Vcc，使VAI=0。VA2=1，则Q=1。放电管VT截止。置位功能 ： 当TR1/3VCC时，使VA1=1，VA2=0，Q=1，放电管VT截止。维持功能： 当TR2/3VCC时，TR1/3VCC，使VA1=1，VA2=1，Q状态维持不变如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0VCC之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阀
19、值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。NE555管脚如图12：的陶瓷双列直插或金属外壳的封装形式，有八个管脚，1脚（GND0为地，2脚（TR）为触发端，3脚（OUT）为输出，4脚（RD）为复位端，5脚（K）为控制端，6脚（TH）为阀值端，7脚（D）为放电端，8脚（VCC）为电源正端。 NE5551 图13 NE555管脚5.CA3140特点：该系列为MOS/FET输入双极性运算放大器。该器件在单片上结合了高压PMOS晶体管和双极晶体管的优点。由于输入采用了PMOS场效应管晶体管，使该器件具有输入阻抗和很低的输入电流，转换效率也很高，引脚排列如图14： CA31401 图14：CA
20、3140管脚结束语毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次汽车防撞系统的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力。从对基础知识认识的空白，到顺利如期的完成本次毕业设计，这也给了我很大的鼓舞和信心，让我明白了一个道理：世上无难事，只要肯登攀，遇到任何困难都不可怕，坚定信心，努力钻研，就有解决的办法。所以尽管本次设计中还有很多需要完善的地方，比如实际硬件电路的不稳定，排线布局的不合理等，但我想，随着自己专业知识的不断加强、综合能力的不断提高，这些问题最终是可以解决的。前方的路依然漫长，但立足本设计，我会更加努力！参考文献1传感器及遥测技术 丁镇生编 电子工业出版社 2传感器的应用及电路设计 赵继文编 科学出版社 3现代汽车专用传感器检修技术 李东江、宋良玉编 机械工业出版社鄂州职业大学毕业（论文）成绩评定表指导教师批阅指导教师签名：指导教师职称：年 月 日评阅组评阅指导教师签名：评阅指导教师职称：年 月 日教研室审查意见教研室负责人签名 年 月 日系部意见系部负责人签名 年 月 日
