【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，電子器件的集成度還很低，這導(dǎo)致硬件系統(tǒng)體積大成本高。由于沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這使得各國(guó)的汽車防撞系統(tǒng)在功能上良莠不齊。 到了80年代中期 ，隨著超聲波理論及微處理器性能的不斷提升，汽車防撞系統(tǒng)研究性能不斷提升而價(jià)格逐漸降低。德國(guó)奔馳公司發(fā)起并集中歐洲各國(guó)的力量共同研制汽車防撞系統(tǒng)，并首次提出將傳感器和人工智能技術(shù)融于汽車防撞系統(tǒng)中，以用于改善了汽車的安全性，加強(qiáng)駕駛員對(duì)汽車的有效控制，幫助駕駛員避免了交通事故的發(fā)生。在之后的二十世紀(jì)九十年代里，歐洲一些汽車制造企業(yè)開(kāi)始研究新型的汽車防撞雷達(dá)。并制作出一款可以計(jì)算出與車前障礙物距離，并根據(jù)后車的車速提醒駕駛員留出必要的安全距離。若駕駛員駕駛失誤超出安全距離時(shí)，車載防撞系統(tǒng)會(huì)發(fā)出燈光和語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)以提醒駕駛員合理駕駛。與此同時(shí)美國(guó)也開(kāi)始著力研究防撞技術(shù)，雖然起步晚于歐洲各國(guó)，但目前汽車防撞技術(shù)卻是美國(guó)領(lǐng)先于世界。國(guó)內(nèi)汽車防撞系統(tǒng)才剛剛起步，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合對(duì)汽車防撞系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，但大多數(shù)都處于理論向?qū)嵺`過(guò)度的階段。防撞系統(tǒng)的性能與國(guó)外還有很大差距，距離實(shí)現(xiàn)專業(yè)化和實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用還要一段時(shí)間發(fā)展。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容本論文章節(jié)內(nèi)容安排如下：第一章緒論部分主要分析國(guó)內(nèi)和國(guó)際的研究現(xiàn)狀及超聲防撞系統(tǒng)發(fā)展階段，充分理解對(duì)其進(jìn)行研究的價(jià)值和意義。第二章主要介紹超聲波基礎(chǔ)理論以及其測(cè)距功能的原理，給出詳盡的系統(tǒng)框圖。3第 3 頁(yè)第三章主要介紹單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)以及輔助電路系統(tǒng)，了解整個(gè)系統(tǒng)的整體構(gòu)架。第四章主要介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，分析各種超聲波發(fā)射和接收電路的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定使用方案。第五章主要介紹系統(tǒng)軟件組成，著重講解語(yǔ)音模塊在系統(tǒng)中的應(yīng)用。第六章介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與流程，并給出聲波發(fā)射和接收中斷子程序。4第 4 頁(yè)第二章 超聲波測(cè)距的原理 超聲波的基本理論超聲波是一門通用于各行各業(yè)的技術(shù)，在電子技術(shù)、機(jī)械應(yīng)用、以及材料科學(xué)方面都有著廣泛應(yīng)用。該技術(shù)在工業(yè)和生活中，對(duì)方便人們生活、提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全有很大潛力。超聲技術(shù)從產(chǎn)生聲波再通過(guò)發(fā)射電路發(fā)送最后被接收器接收來(lái)完成這個(gè)物理過(guò)程。在介質(zhì)中傳播的超聲波具有透、反射介質(zhì)及能夠聚束和定向等傳輸特性。按振動(dòng)和輻射不同的可將聲波種類分為功率超聲和檢測(cè)超聲。 超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度是表示聲波在介質(zhì)中傳播快慢的物理量，超聲波在介質(zhì)中傳播可以根據(jù)其傳播方向的不同，分為三種不同的振蕩波：橫波、縱波、表面波。三種波由于性質(zhì)不同所能傳播的介質(zhì)也不同，橫波在固體介質(zhì)中才能傳播，縱波在固液氣三態(tài)中都可以有效的傳播，表面波傳播會(huì)因?yàn)閭鞑ド疃鹊脑黾?，而?dǎo)致速度慢慢減小。超聲波具有一般聲波的固有特性，其在不同密度的介質(zhì)中傳播速度也會(huì)有所差異。 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波在介質(zhì)內(nèi)部傳播運(yùn)動(dòng)會(huì)引起介質(zhì)緊縮與擴(kuò)張，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部壓力的驟變引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)引起其內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)，盡管運(yùn)動(dòng)幅度和速率很小，但由于超聲波振動(dòng)的頻率與質(zhì)點(diǎn)加速度的平方成正比關(guān)系，這導(dǎo)致很小的振動(dòng)頻率也會(huì)有很大的加速度。有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(2) 空化作用根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)可知，存在于液體中的微氣泡會(huì)由于聲場(chǎng)的變化而發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)聲場(chǎng)壓強(qiáng)到達(dá)必需額值時(shí)，氣泡會(huì)發(fā)生擴(kuò)張、合攏的運(yùn)動(dòng)，在氣泡合攏運(yùn)動(dòng)的同時(shí)時(shí)會(huì)發(fā)生沖擊波。這一系列動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)過(guò)程被稱為空化。(3) 熱學(xué)作用超聲波在介質(zhì)內(nèi)部傳輸會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生熱量，在介質(zhì)吸收超聲波的同時(shí)也會(huì)將熱量吸收，這事實(shí)上也就是介質(zhì)的能量吸收過(guò)程。從根本上講，是由于超聲波在介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部的粒子互相摩擦產(chǎn)生熱量。這一5第 5 頁(yè)熱量的產(chǎn)生過(guò)程被稱為熱學(xué)作用。 超聲波傳感器超聲波傳感器是根據(jù)超聲波發(fā)射接收特性而制成的一種傳感器，其主要由發(fā)送和接收部分、供電和控制電路部分共同組成。其最主要的超聲波探頭則是用壓電晶片制作而成，能夠控制超聲波的發(fā)射與接收。一個(gè)好的探頭是超聲波傳感器必不可少的。超聲波傳感器大部分是由壓電晶體或者鎳鐵鋁合金制作而成，由于兩種制作材料的不同就產(chǎn)生了兩種不同的特性：磁致、電致伸縮特性。其中由壓電晶體制成的傳感器更加優(yōu)越，能夠在機(jī)械能與電能之間互相轉(zhuǎn)換，具有很強(qiáng)的可逆特性。也就是說(shuō)，用壓電晶體制成的是一種可逆的傳感器。如果在壓電晶片兩端加額定頻率的電壓時(shí)，晶體自身就會(huì)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，時(shí)而也會(huì)發(fā)出聲音。因此，本次設(shè)計(jì)采用壓電晶體制成的傳感器。傳感器構(gòu)造如下圖 21,22： 圖 21 超聲波外部結(jié)構(gòu) 圖 22 元件外部結(jié)構(gòu) 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理在超聲檢測(cè)電路中，發(fā)射端發(fā)送一串固定間隔的方波脈沖，用以確定聲波來(lái)回傳輸?shù)臅r(shí)間間距。其方波的脈沖寬度是根據(jù)與被測(cè)物的距離來(lái)決定的，不同的距離其寬度也不相同，脈沖寬度與發(fā)射端距被測(cè)物的距離成正比例關(guān)系。超聲測(cè)距大致有以下方法：① 根據(jù)電壓與距離成正比例關(guān)系，可以先取輸出脈沖的平均值電壓值，從而推算測(cè)得距離；② 測(cè)量超聲波從發(fā)射到被接收端接收的時(shí)間間隔 t，由于聲波在空氣中具有固定的速度，可根據(jù) S=1／2vt 測(cè)得距離。由于超聲波的傳輸速度與溫度高低變化有關(guān)，在溫度變化不大的情況下，我們6第 6 頁(yè)可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為聲波速度是不變 。但如果測(cè)量距離在精度上的要求很高，那么我們必須通過(guò)采取溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量誤差加以糾正。 測(cè)量與控制方法超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì): 已知超聲波在空氣中具有固定的速度 t，其中 t 為340m/s。假設(shè) t1 是超聲波從發(fā)射到被接收到的時(shí)間，t2 是超聲波開(kāi)始發(fā)射的時(shí)間，則由 t1t2 可得出超聲波從發(fā)射到被接收器接收到的往返時(shí)間差。假定 S 為超聲波從發(fā)射端到障礙物的往返距離，從發(fā)射到接收的往返時(shí)間為 T／s，在空氣中的傳播速度為 V／ms－1，則發(fā)射端到障礙物的距離可由關(guān)系式 (241)測(cè)得： S=VT／2 (241)若在系統(tǒng)對(duì)測(cè)距精度要求很高，則需要關(guān)注外界環(huán)境溫度對(duì)傳播速度的直接影響，需按式(24)進(jìn)行溫度補(bǔ)償對(duì)超聲波速度予以校正： V=340+0．607T (242) 控制系統(tǒng)方框圖超聲波測(cè)距器由硬件控制和軟件控制組成，如下圖（23）：7第 7 頁(yè)顯示器按鍵啟動(dòng)復(fù)位電路電源電路STC89C51超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)圖 23 系統(tǒng)框圖8第 8 頁(yè)第三章 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路本次設(shè)計(jì)我們計(jì)劃使用 STC89C51 單片機(jī)，其主要特點(diǎn)如下：1. 采用的 STC89C51 單片機(jī)是以 8051 為內(nèi)核，又能夠很好與 MCS51 系列單片機(jī)相互兼容。2. 采用的 STC89C51 系列單片機(jī)有可編程閃爍存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)可以反復(fù)擦寫。3. 采用的 STC89C51 可以在全靜態(tài)下工作，在電能消耗方面很低。4. 采用的 STC89C51 的晶振頻率高達(dá) 24M，在運(yùn)行時(shí)速度更快。5．采用 STC89C51 是因其價(jià)格便宜，集成度及可靠性高。圖 31 STC89C51各個(gè)引腳的功能：P0 口是用來(lái)將顯示信號(hào)數(shù)據(jù)送入給 LCD 顯示器，P20~P22 口是將控制命令送給 LCD 以達(dá)到控制顯示方式的目的。P34 口是為了將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的端口。P10 口是控制系統(tǒng)按鍵的端口。9第 9 頁(yè) 復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位的方法有多種，一般在只要 RESET 端加一個(gè)正脈沖信號(hào)就可以很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，單片機(jī)復(fù)位一般分為：自動(dòng)和手動(dòng)兩種,如圖 32 手動(dòng)復(fù)位電路。系統(tǒng)想要實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，只需在 RST 端口加一個(gè)正脈沖信號(hào)，只要這個(gè)正脈沖信號(hào)足夠?qū)捑湍軡M足復(fù)位的條件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。一般要求脈沖信號(hào)為： ms。其中20??RC? 圖 32 手動(dòng)復(fù)位電路 R 1 ，C 22uF。?K 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位的另一種人為方法只需要手動(dòng)按一下 S1 按鍵，是電容器 C1快速的通過(guò) R1 釋放出電流，等 S1 手動(dòng)彈起復(fù)位后，電容再次實(shí)現(xiàn)充電。這樣系統(tǒng)究完整的實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)復(fù)位功能，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，一般要求 R1= 200 。3. 3 時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘電路是用來(lái)配合外部晶振實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)振蕩的電路，單片機(jī)內(nèi)部則是由許多觸發(fā)器構(gòu)成的時(shí)序電路組成?？傊畷r(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。如果我們要使用單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路，必須先將XATL1 和 XATL2 兩端先使用石英晶體或者微調(diào)電容連接起來(lái)才能正常使用?？梢哉f(shuō)如果沒(méi)有時(shí)鐘電路來(lái)驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)單片機(jī)，那么單片機(jī)就不能實(shí)現(xiàn)正常的工作。沒(méi)有這個(gè)時(shí)鐘電路，單片機(jī)也就不能實(shí)現(xiàn)定時(shí)和進(jìn)行與時(shí)間有關(guān)的功能操作了。STC89C5110第 10 頁(yè)圖 33 時(shí)鐘電路3. 4 按鍵電路每一個(gè)系統(tǒng)都有其必不可少的按鍵電路，有其最基本的開(kāi)關(guān)控制按鍵。本次設(shè)計(jì)我們通過(guò)檢測(cè) 為 1 為 0 以辨別系統(tǒng)是否被啟動(dòng)，如果定義按下按鍵時(shí) 為高電平，那么當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到高電平時(shí)系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)始測(cè)量距離。當(dāng)松開(kāi)按鍵時(shí)也就是為低電平時(shí)，則系統(tǒng)停止測(cè)量。按鍵電路圖如圖 34 所示： 在人為按鍵的同時(shí)可能會(huì)造成機(jī)械抖動(dòng)，從而影響系統(tǒng)對(duì)電平的檢測(cè)。因此，我們必須通過(guò)軟件延時(shí)的方式，去除抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響。圖 34 按鍵電路3. 5 蜂鳴器電路蜂鳴器是一種被廣泛使用的元器件，它主要被人們用于提示、報(bào)警等場(chǎng)合。由晶片構(gòu)成的蜂鳴器，只要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的供電（即將 5V 的直流電流加在其兩端上）就能夠?qū)崿F(xiàn)鳴響功能，用于對(duì)目標(biāo)人群的提醒。設(shè)計(jì)目的是通過(guò)蜂鳴STC89C5111第 11 頁(yè)器聲音來(lái)告知使用者按鈕已按下，目前正準(zhǔn)備使用單片機(jī)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)距。蜂鳴器電路如下圖 35 所示：