【正文】 發(fā)聲電路根據(jù)距離遠(yuǎn)近情況發(fā)出警告聲。本文研究的汽車防撞控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，它通過超聲波對(duì)車輛行駛過程中的各種對(duì)車輛有危險(xiǎn)的障礙物進(jìn)行探測(cè)，通過控制單元對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)碰撞做出相應(yīng)的判斷并實(shí)長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2施報(bào)警，以幫助駕駛員處理行駛過程中所遇到的危險(xiǎn)碰撞問題。確保了防撞控制的可靠性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的距離測(cè)量裝置安裝到了汽車上，先后出現(xiàn)了機(jī)器視覺、激光雷達(dá)、紅外線及超聲波等測(cè)距方式，這些傳感器均可對(duì)周邊的環(huán)境進(jìn)行非接觸探測(cè)，以獲取周邊其他車輛或障礙物的距離、速度等信息。 ]7[1）機(jī)器視覺測(cè)距用視頻成像系統(tǒng)是以 CCD(Charge Coupled Device 電荷耦合器件)攝像機(jī)觀測(cè)物體移動(dòng)為基礎(chǔ)的。通常物體上需要有給圖象處理軟件提供物體行蹤的可視條(如白色十字)。它主要的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣、檢測(cè)信息量大、能夠遙測(cè)等，但是計(jì)算量大、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，易受環(huán)境、氣候影響、無法獲得深度信息。由于成本高，對(duì)外界環(huán)境敏感，故在許多場(chǎng)合都不可能采用此項(xiàng)技術(shù)。脈沖式激光雷達(dá)采用短的、大功率紅外光脈沖，根據(jù)光脈沖所需的傳播時(shí)間確定被測(cè)距離。脈沖激光雷達(dá)信號(hào)處理比較容易，其應(yīng)用也最為普遍。激光雷達(dá)量程大、方向強(qiáng)且響應(yīng)時(shí)間快，但成本高，易受外界環(huán)境(如能見度低、傳感器表面有泥土等)影響。3）紅外線紅外線對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，體積小，重量輕，功耗低。響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)使駕駛員得到的提前報(bào)警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車輛碰撞報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用。紅外線測(cè)距跟其它長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4測(cè)距原理相同，都是根據(jù)發(fā)射波和反射波的總時(shí)間來確定障礙物的距離的，相比之下，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)距系統(tǒng)的成本也比較低廉。本文開發(fā)的是適應(yīng)能力強(qiáng)，能受到大眾普遍接受的智能汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)，考慮到高速公路上霧天和雨天發(fā)生的交通事故比較多，所選用的距離傳感器必須在雨天、霧天和晴天都能夠全天候的工作。超聲波是指頻率在 20kHz 以上的機(jī)械振動(dòng)波，它是針對(duì)障礙物測(cè)距的特殊要求而發(fā)展起來的一種測(cè)距方法。測(cè)量發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖至接收到反射信號(hào)所用的時(shí)間間隔，便可簡(jiǎn)單地估計(jì)出被測(cè)物體的距離。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。所以用超聲波測(cè)距完全符合我們的要求。在整個(gè)系統(tǒng)中精確地測(cè)量汽車的轉(zhuǎn)速是提高系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)大小的不同，可以采用不同方法將結(jié)果給單片機(jī)。模擬式采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是模擬電壓量。由于此系統(tǒng)的車速傳感器的工作條件十分惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱源、汽油、水、電火花放射以及其它的電磁波形成的電氣環(huán)境較差，光電式、光碼器、圓光柵易受到干擾，穩(wěn)定性變差。長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5霍爾集成元件作為傳感器具有精度高、靈敏度高、線性度好、體積小、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、無觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故其測(cè)量變速器的轉(zhuǎn)速是合適的。根據(jù)霍爾效應(yīng)，在控制電流恒定條件下，當(dāng)傳感器輸入軸上的每個(gè)磁鋼經(jīng)過霍爾感應(yīng)元件時(shí)，由于改變了磁通密度，便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，將變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖序列。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后，可得到變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)以AT89C2051 作為系統(tǒng)的主要控制單元，完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理。本系統(tǒng)采用單片機(jī)通過計(jì)算測(cè)量模型提醒報(bào)警距離與實(shí)測(cè)距離進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)測(cè)距離值長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6小于報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。在這兩種情況下，同時(shí)顯示屏顯示自車與前方障礙物的距離和自車的速度。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎時(shí)，頻繁的報(bào)警會(huì)引起駕駛員的厭煩。已采取制動(dòng)時(shí)，事故的可能性己大大地減少，出現(xiàn)惡性事故的可能性更小，因而上述三種情況應(yīng)抑制報(bào)警。 在每個(gè)測(cè)量周期中，單片機(jī)根據(jù)設(shè)置的輸入信號(hào)處理參數(shù)值，評(píng)估每次測(cè)量是否合理，有問題的測(cè)量結(jié)果將被剔除，并用上一次周期的測(cè)量結(jié)果替代，在每一次測(cè)量周期結(jié)束后，CPU 處于等待狀態(tài)直至下一個(gè)測(cè)量周期的到來。系統(tǒng)檢測(cè)距離的原理是通過單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的方波串后，檢測(cè)接收端是否接收遇障礙物反射的回波，同時(shí)利用單片機(jī)計(jì)算出收到回波所用的時(shí)間 和確定超聲波在空中傳播的速t度 。長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7為了能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地測(cè)出障礙物到汽車的距離，盡量減少誤差，采取算法為：兩對(duì)超聲波收發(fā)傳感器分別安裝在車前，兩者相隔 ，如圖 22 所示， 、 分別代表兩對(duì)超聲波AB收發(fā)器， = 假設(shè) 代表障礙物，聲波的傳播速為 ，由于聲波傳播是來回反射的，ABFv則 ， ，也就是只要把時(shí)間 與 確定下來就可以計(jì)算出 與2tFv??12tv??1t2 F，然后利用海倫公式，設(shè) ，有()ABFL?，這就可以求出 的面積為 ，則 其()()SLABF??A?S2SEAB?中 就是汽車前方與障礙物之間的距離。例如利用超聲波技術(shù)的自動(dòng)測(cè)距照相機(jī)、建筑上使用的手持式墻面測(cè)距儀。由于這樣的儀器功能不強(qiáng)，現(xiàn)在已逐漸淡出人們的生產(chǎn)生活中。有了微處理器不僅使測(cè)距的精度大為提高，而且為超聲波測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用開辟更大的空間。但有些場(chǎng)合，只裝備單個(gè)傳感器系統(tǒng)已不能滿足人們的需要了，于是就有了多個(gè)傳感器組成的列陣。國內(nèi)的科研單位也在進(jìn)行這方面的科研工作。而這些系統(tǒng)大多是為自主移動(dòng)機(jī)器人而開發(fā)的。 超聲波測(cè)距的工作方式大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文超聲波發(fā)生器主要包括兩大類，一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生，包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛。超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。圖 31 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。發(fā)射超聲波時(shí)，壓電傳感器中的壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。 ]1[ 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理是，通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差 ，然后求出距離 ，其中， 為超聲波波速。 ]8[在超聲波測(cè)距中，雖然可以通過分析波形頻率、相位等特征通過數(shù)學(xué)關(guān)系來得到要測(cè)量的距離值，但更為一般的是通過分析發(fā)射波與回波的時(shí)間差來獲取距離值，這也就是一般所說的聲納原理。換能晶片在系統(tǒng)控制單元送出的 40 KHz 信號(hào)起振，推動(dòng)空氣發(fā)出超聲波，超聲波能在固體、液體和氣體類的彈性介質(zhì)中傳播，因而具有不怕雨、水和塵等，能在空氣中穩(wěn)定傳播，且不易受外界聲音的干擾等特性。在超聲波傳感器發(fā)出的聲波碰到障礙物后反射到換能晶片，在壓電反應(yīng)下產(chǎn)生一振蕩電壓送運(yùn)算放大器電路進(jìn)行運(yùn)算放大并整形后送主機(jī)控制單元，主機(jī)根據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)的時(shí)間差及相應(yīng)的那個(gè) US 回波，就能得出距離。t對(duì)上式進(jìn)行全微分，得到如下關(guān)系式： 12S??（ tv+t） ]7[由此可以知道，由于速率的變化或者測(cè)量誤差、時(shí)間的測(cè)量誤差都會(huì)給所測(cè)得的距離帶來誤差，其中， 是由于速率的變化引起的誤差，而 則是由于計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確引起的誤差。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，單片機(jī)是主要的智能單元，控制方案通過軟件來實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)參數(shù)。 單片機(jī)的選擇 ]1[單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集器的核心，因此單片機(jī)的選型很重要。從 1980 年以來，Intel 公司在 MCS48 系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上又推出了MCS518 位的高檔單片機(jī)以及今天的 MCS96 系列及各種 CMOS 系列，使單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善。目前世界各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的 4位、8 位、16 位、32 位通用型以及衍生出的五花/又門的系列及型號(hào)，使單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用己達(dá)到了無孔不入的地步。目前世界各生產(chǎn)單片機(jī)的公司都在努力提高時(shí)鐘頻率，以提高單片機(jī)速度；精簡(jiǎn)指令，采用多級(jí)流水線操作方式以提高指令的執(zhí)行速度，擴(kuò)大尋址能力。面向應(yīng)用對(duì)象的多功能多品種的增強(qiáng)型單片機(jī)將不斷出現(xiàn)。充分運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部資源，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)速、顯示和串口通信進(jìn)行了研究。工作電壓范圍 ～，工作頻率取 12MHz。AT89C2051 明細(xì)如圖 41 所示。P1 口引腳 ～ 提供內(nèi)部上拉電阻。 和 還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。當(dāng) P1 口引腳寫入“1”時(shí)，其可用作輸入端。P1 口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為通用 I/O 引腳而不可訪問。當(dāng) P3 口引腳寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。此外 P3 口還用于實(shí)現(xiàn)ILAT89C2051 的功能：長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13：RXD(串行輸入端口)：TXD(串行輸出端口)：INT0(外中斷 0)：INT1(外中斷 1)：TO(定時(shí)器 0 外部輸入)：T1(定時(shí)器 1 外部輸入)5. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。從上述引腳說明可看出，AT89C2051 沒有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)，因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。一般設(shè)計(jì)原則是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)(采用功能較強(qiáng)的芯片以簡(jiǎn)化電路，增強(qiáng)可靠性)。以軟代硬( 在速度允許的條件下，能用軟件的盡量不用硬件) ，如用軟件低通濾波代替硬件低通濾波，用軟件中斷代替硬件中斷等。在硬件電路的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量的軟件可使系統(tǒng)的性能大大地提高，其中包含:中斷控制、定時(shí)、顯示、數(shù)碼轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、處理、輸出等程序。 較多的使用軟件來完成一些功能，則可以降低成本，簡(jiǎn)化電路，但是增加了編程的工作量。 ]1[ 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路由 NE555 時(shí)基電路和超聲波發(fā)射探頭組成。利用超聲波測(cè)距具有以下特點(diǎn)：測(cè)量靈敏度高，穿透力強(qiáng)，測(cè)量速度快，測(cè)量角度大，可對(duì)較大范圍內(nèi)的物體進(jìn)行檢測(cè)。 ]18[長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14TRIG2OUT 3RST4CVOLT5 THR6DISC 7VCC 8GND1U1NE555VCC224C4C2103C1103104C11224C322μC22510R2VCCVCC3 2U2ACD4049UB/FP5 4CD4049UB/FP7 6CD4049UB/FP9 10CD4049UB/FP14 15CD4049UB/FP11 12CD4049UB/FPPLUS_ENUS1SuperSound_112 WAVEWAVEU2BU2CU2DU2EU2F18KR1 160KR19 圖 42 超聲波發(fā)射電路原理圖用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40KHz 的方波由一片 NE555 搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的 PLUS_EN 信號(hào)（即 AT89C2051 的 引腳） ；40KHz 的方波經(jīng) CD4049（驅(qū)動(dòng)功能的反相器）調(diào)理后，成為振幅 18V 的方波，提高發(fā)射功率。由障礙物反射回來的超聲波經(jīng)接收探頭，變換為電脈沖信號(hào)，再由放大器、整形器放大和整形后送入到單片機(jī)AT89C2051 的 引腳。其原理圖如圖 43 所示。經(jīng)放大后的波形送入，LM311 比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波，可送給AT89C2051 的 引腳。一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有 5cm 的距離。 門控電路（ 觸發(fā)器）設(shè)計(jì)RS]6[為了在本超聲波測(cè)距電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，必須在電路中加入門控電路。由 2vtS?式中 是所測(cè)得的距離， 是超聲波在空氣中的傳播速度， 是超聲波從發(fā)射到接收到Svt第一個(gè)回波經(jīng)過的時(shí)間。閘門信號(hào)與已知脈沖信CT號(hào)的關(guān)系如圖 44 所示。當(dāng) 時(shí)復(fù)位，即 ； 時(shí)置位，即 ,在原理分析中，就)0(1?SR0?Q)0(11?Q利用它的這一特性。 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)報(bào)警電路由語音集成電路、放大電路和揚(yáng)聲器組成。原理圖如圖 45 所示。該信號(hào)經(jīng)過芯片處理后從 以低電平信號(hào)輸出，三級(jí)管導(dǎo)通，語音集成電路（HFC5214）開始工作，然后再經(jīng)過 LM386，LM386 是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過放大后由揚(yáng)聲器發(fā)出“嘟嘟，請(qǐng)注意！” 的語言提示！同時(shí)二極管發(fā)光，實(shí)現(xiàn)聲光同時(shí)報(bào)警提示！ 測(cè)速電路設(shè)計(jì)測(cè)速電路由傳感器、倍頻電路組成。轉(zhuǎn)速傳感器由霍爾開關(guān)元件，帶磁鋼圓盤（裝在汽車車軸上的）及電平轉(zhuǎn)換電路組成。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁塊與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化，磁塊靠近霍爾元件時(shí)，磁場(chǎng)增強(qiáng)，霍爾元件輸出低電平，相反則輸出高電平，因此車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號(hào)，通過整形送單片機(jī)，根據(jù)具體要求進(jìn)行信號(hào)處理計(jì)算。它尺寸小，有靈敏的磁特性，響應(yīng)速度快，工作頻率從 0～100kHz，完全滿足采樣時(shí)間的要求。長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17 圖 46 測(cè)速原理框圖轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的硬件包括脈沖發(fā)生部分以及脈沖信號(hào)與微機(jī)的接口電路兩部分。車輪