1、本科毕业论文（20 届）汽车防撞自动报警设计与实现所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要为提高汽车在行进和倒车过程中的安全系数，减少并避免汽车碰撞事故的发生，本文主要介绍了一项用超声波测量距离作为基础，用 AT89S51 单片机作为核心的汽车防撞自动报警系统。在中短距离的测量中，超声波测距模块是一类高效的、精确的非接触式测距法，经过了对发射出去的超声波被障碍物所反射而接收得到的回波的不断监测，既而得到从发射波到接收波的时间间隔，从而求出汽车此时与障碍物之间的距离，来与设置的报警距离比较大小。超声波是声波，而声速受温度影响，所以温度是产生误差的主要原
2、因。系统中多加了一个作为温度补偿的温度传感器，以减小误差来提高精度。液晶显示屏用来显示环境温度、报警距离和检测距离，在移动过程中，显示的检测距离小于报警距离时，产生声光报警；检测距离大于报警距离时，报警停止。为使系统有更高的灵活性，可通过增加按键来设置报警距离的值。本设计系统由主控芯片 AT89S51 单片机与超声波测距仪、温度传感器、液晶显示器、蜂鸣报警器、按键、电源等硬件组成，通过软件编写进一步实现测距报警的功能。关键词：AT89S51 单片机；超声波测距；温度补偿AbstractIn order to improve auto safety factor in the process o
3、f moving forward and back up, reduce and avoid the accident of vehicle crash, this article is mainly about an auto anti-collision automatic alarm system which is based on ultrasonic ranging and AT89S51 microcontroller as core. In the short distance measurement, ultrasonic ranging module is an effici
4、ent and precise non-contact range finder. It can launch ultrasonic and constantly detect the echo which is reflected by barrier, so that it can calculate the time difference between launching and receiving the ultrasonic in order to calculate the distance between the barriers and make a contrast wit
5、h the alarm distance value. Ultrasonic is a sound wave, and the speed of sound is influenced by temperature, so the temperature is the main reason for the error. The system adds a temperature sensor as temperature compensation to reduce the error in order that improve the accuracy. LCD is used for d
6、isplaying the temperature, alarm distance and detection distance. During the process of moving, it will generate sound and light alarm when the detection distance is less than the alarm distance. When the detection distance is more than the alarm distance, the alarm will stop. In order to make the s
7、ystem more flexibility, adding buttons to set the alarm value of the distance.This system is consist of the main control chip AT89S51 microcontroller, ultrasonic range finder, temperature sensor, LCD(Liquid Crystal Display), buzzer alarm, button, power supply and so on hardware, realize the function
8、 to measure the distance and alarm by the program.Keywords: AT89S51 microcontroller; ultrasonic ranging; temperature compensation目录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外发展现状 .21.3 本文研究内容和章节安排 .2第 2 章 防撞自动报警系统测距原理 .42.1 超声波技术 .42.1.1 超声波定义 .42.1.2 超声波的传播 .42.1.3 超声波的衰减 .52.2 超声波传感器 .62.2.1 压电效应 .62.2.2 超
9、声波传感器的性能指标及工作原理 .72.2.3 超声波传感器的选取 .72.3 超声波测距分析 .82.3.1 超声波测距的基本原理 .82.3.2 超声波测距的技术难点 .82.4 本章小结 .8第 3 章 硬件实现及单元电路设计 .103.1 系统设计总方案 .103.2 电源模块 .103.3 超声波发射接收模块 .113.4AT89S51 单片机系统 .123.5 声光报警电路设计 .133.6 温度补偿模块 .143.7 液晶显示模块 .153.8 本章小结 .15第 4 章 软件设计 .164.1 编程语言及开发平台 .164.2 主程序设计 .164.3 子程序设计 .174.3
10、.1 超声波测距子程序 .174.3.2 温度测量子程序 .184.3 本章小结 .19第 5 章 成品展示及实验分析 .205.1 试验 .205.2 误差分析 .235.3 本章小结 .24结论 .25参考文献 .26致谢 .27汽车防撞自动报警设计与实现1汽车防撞自动报警设计与实现第 1 章绪论1.1 课题研究背景及意义在当今二十一世纪，经济的发展飞速提升，伴随着持续提高的居民生活水平和生活节奏，汽车几乎成为了每个家庭不可或缺的交通工具，人们越来越离不开汽车，以车来代步已经成为我们生活中重要的一部分。2015 年 1 月 12 日，根据中国汽车工业协会在北京召开的信息发布会提供的数据：我
11、国在 2014 年汽车销量达到了 2349.19 万辆，同比增长 6.86%，比上年净增 150.81 万辆，再一次创下了历史新高，连续六年获得世界第一，其中，乘用车的销量为 1970.06 万辆，同比增长 9.89%，比上年净增 177.30 万辆，并预测这一情况在 2015 年仍将延续 1。越来越多的汽车被居民拥有，汽车的功能也从最基本的单纯驾驶发展到了汽车的舒适性、安全性的严格要求，在有限的空间内，车辆在道路上变得越来越拥挤，停车场的需求量也大大增加。随着不断增长的汽车穿行、拐弯、倒车的次数，加上驾驶员有限的视野，就很容易产生汽车间的碰撞、追尾等交通事故，尤其在恶劣天气下如雨、雪、雾天及
12、夜间时，能见度较低，事故就更容易发生，若在高速公路上，车速快、车辆多，危险系数增加，驾驶员稍有疏忽就可能发生碰撞或追尾，一旦发生，经常是很多辆相互碰撞到一起，几十辆，甚至可能几百辆，损失巨大。驾驶员们希望可以有一种车辆测距报警装置，在车辆运行的过程中可以持续不断的检测车头和车尾与前后车或障碍物之间的距离，还可以在车内的仪表盘上显示，并且在不同的警戒距离内发出声光信号报警，为减少碰撞追尾这样事故的发生，提高驾驶安全性。本文便设计了一种基于超声波的汽车防撞自动报警系统。超声波首次有效产生于 1876 年，近年来，伴随超声波技术持续的深入研究，以及其拥有高精度，非接触等的独特性能，它在信息科学领域中
13、的应用也越来越广泛。利用超声波测距，它的优势是它是一类很有效的非接触式测距法，能够适用于不同的要求测量距离的环境，例如建筑工地、车辆导航、工业现场等。因此，超声波测距技术是一个有无限美好前景的产业领域。根据超声波测量距离系统，从而给出了一种汽车测距防撞报警系统的设计，该设计系统可以在车辆前进及倒车过程中不断地自动测量车辆与最近障碍物（或与行进中的车辆）之间的距离，并且经过显示器显示给驾驶员，当距离小于驾驶员设置的距离时，系统可以发出声光报警信号，从而警示驾驶员防止撞车等情况。该研究系统可用于增大车辆行驶过程与倒车时的安全系数，为车与车之间建立一汽车防撞自动报警设计与实现2定的安全空间，具备广阔
14、的推广前景和高实用价值。1.2 国内外发展现状随着汽车数量的急剧增多，交通安全、交通堵塞以及环境污染已成为交通领域的三大难题，从而逐步发展起来的智能交通系统（Intelligent Transportation System, ITS）改善了这些现象，同时引领着交通未来的发展走向 2。由于智能防撞报警系统是一种高经济，高社会价值的体系，世界各地均投入丰富的人力物力，因此将其纳入 ITS 进行研究，车辆智能防撞报警的研发已被标为世界性课题。目前来看，各国对车辆智能防撞报警系统的研究方向不尽相同。上世纪日本丰田公司开发了一种汽车防撞报警系统，利用毫米波雷达和 CCD 摄像机测量前车与本车的距离，车
15、距过小时才能报警。韩国在 2013 年期间开发了一种道路识别报警装置，利用摄像头识别车辆的运行轨迹判断是否报警。最开始研制出防撞雷达的是德国，车上安装了距离自动控制雷达，通过车速知道与邻车的距离，并增加自动减速达到防撞 3。近几年来，德国的奔驰、日本雷克萨等的高端豪华车型采用的是自适应巡航系统（Adaptive Cruise Control, ACC）,在血行控制技术基础上发展智能化，运用雷达不断检测与前方距离大小，运用轮速传感器检测车速，并把采集到的信息传给 ACC 系统，当检测距离过小时，ACC 控制模块作用于制动系统、发动机控制系统，使车减速，在需要大幅度减速时会发生声光报警提醒驾驶员进
16、行相应操作，由于价格高和技术复杂性使其应用面变得局限性 4。我国的汽车安全控制系统发展较外国慢，差距较大。我国的航空工业公司利用激光测距原理研制了汽车防撞系统，对于该装置的局限性是要在良好天气下才可以准确测量，且所测距离较短，价格还偏高。基于对以上防撞系统的现状分析，可以发现，他们的共同点是利用测距来进行防撞报警，共同的不足是价格高，技术复杂。因此本课题提出了基于超声波测距的汽车防撞报警系统的设计，超声波具有的非接触、高准确度、无害、不受电磁、尘埃等影响的特点，实现简单方便，成本低。1.3 本文研究内容和章节安排本文针对交通安全问题，设计并实现了基于超声波的汽车防撞自动报警系统。该研究成果能够
17、有效、准确判断跟车距离，实现声光报警。全文结构安排如下。第一章，首先介绍了课题的研究背景与研究意义，进而通过查阅资料和文献分析，对国内外反战和研究现状进行了综述，说明了本课题研究的必要性。最后给出论文主要研究内容和全文章节安排。第二章，初步介绍了超声波技术，然后针对测距方向，给出了超声波传感器的工作原理与性能参数，最后说明了超声波测距的原理与技术难点，为后面章节进行设计和实现奠定理论基础。汽车防撞自动报警设计与实现3第三章，首先按照本次想要实现的目标给出了系统硬件设计的总方案，进而根据需求，详细阐述了各个子模块的硬件设计电路，为系统设计奠定了基础。第四章，首先介绍了编程语言及开发平台，然后进行
18、主程序设计，针对主程序的要求，给出了每一个子模块程序的详细分析和介绍，为系统设计打下基础。第五章，首先按照本设计要求通过编程和调试，实现系统的硬件开发，然后对成品进行试验，查看现象，验证其实际应用方面是否符合设计目标，最后记录数据并加以分析，产生误差的原因。最后给出本文结论，并对未来研究工作进行展望。汽车防撞自动报警设计与实现4第 2 章 防撞自动报警系统测距原理本测距系统的基本工作原理，就是使超声波传感器发射并且接收回波，通过连接单片机来进行时间记录和计算从而得到距离，在通过单片机控制声光报警器等模块来控制是否报警，超声波在本系统设计中扮演着至关重要的角色。因此，本章主要介绍了有关超声波的知
19、识：首先简单介绍一下超声波技术，包括超声波的定义、传播和衰减；然后针对距离测量方向，详细说明了超声波传感器的工作原理和性能指标，进而知道选取何种类的超声波传感器；最后介绍了超声波测距系统的原理与技术难点。2.1 超声波技术2.1.1 超声波定义所谓声波，是声音的传播形式，它是一种机械波，即由物体的机械振动产生，物体每秒钟振动的次数称之为声波的频率，单位赫兹（Hz） ，声波的不同频率范围将其分类，人耳通常可以听到的声波频率在 20Hz 到 20kHz 之间，频率小于20Hz 的叫做次声波，超声波即是频率大于 20kHz 的声波，这两类是人们听不到的。声波的频率越高，它的波长就会越短，所以高频波就
20、会具有很好的方向性，可以反射、折射、聚焦；一个物体在振幅不变时，能量正比于振动频率的平方，所以超声波的能量非常高；穿透能力强，所以传播过程中能量损失少，传播距离长于一般的声波。且超声波在不同媒质中传播的能量衰减系数不等，传播距离有长有短，因为不一样的物质对声波的阻力不等，例如它在水中的传播距离就比较远，所以在应用超声波工作时要注意这一点。声学是物理学中的一个分支学科，人们想要研究声波传播的一些性质，定义了如声压、声速、声阻等一连串的变量 5，原理上这些物理量均可适用于超声波，但是由于超声波具有的频率高、强度大等奇异的特性，某些物理量值就会相应的改变。2.1.2 超声波的传播超声波在媒介传播过程
21、中会像光线一样，会发生反射现象，即超声波在传播时，若碰到障碍物时，就会被阻挡并反射回来。我们要研究超声波测距，传播速度是一个重要的参量，声速即是超声波的传播速度。根据物理学得知，声速由媒介的弹性模量和密度决定，不一样的媒介，这两个变量是不等的，所以同一频率的超声波，在不同媒介中的声速不等。声速的表达式如下：vP汽车防撞自动报警设计与实现5（2.1）等式中, 是媒介的绝热体积系数，P 是介质压强， 是介质密度，空气中 ，标准大气压强 Pa， 空气中密度 ，参1.402 p1.031050oC01.293kg/m3数代入可得声速为 m/s。对于 1ml 空气，质量为 m，体积为 V，则空气v03.
22、5密度表达式如下：mv（2.2）根据理想气体状态方程：PVmMRT（2.3）将式（2.1）和式（2.2）代入式（2.3）可得：vRTM（2.4）式中 R 是摩尔气体常数，M 是摩尔气体质量。由于 、 R、 M 都是已知常数，所以变量 v 只与温度 T 有关。以声速在温度为零度时刻为基准，得知任何温度 T时刻的声速与温度关系公式：v31.T273（2.5）经实践分析得知，温度每升高 ，声速约增加 0.607m/s，则可得出声速与1OC温度的最终公式：v31.50.67T（2.6）经以上分析，我们可以了解到空气中超声波传播的速度会受到湿度、温度、大气压强等外界因素的影响，而温度的影响最明显，不可忽略 5。2.1.3 超声波的衰减超声波在空气中传播时，其能量逐渐随着距离的增加而减弱，振幅也随之减小，这种现象我们称为超声波的衰减，其衰减主要取决于声波的扩散、散射和吸收三方面因素。1.扩散衰减声波在介质传播过程中，声束会随着距离的增加而不断地扩大，便使得了能量在单位面积是变得稀疏，这种现象就是超声波的扩散衰减 6。
