机动车防撞击系统设计

摘 要

由于技术的快速发展和人们的生活质量不断提高，超声波测距在很多方面都有了广泛的应用。超声波测距仪具有定位精度高、测距范围大的特点。目前汽车的拥有率越来越高，由汽车撞击引发的交通事故率居高不下。为了有效的避免机动车撞击事故的发生，特别是在速度过快的情况下，驾驶人来不及做出正确的反应。为了降低危险系数，本文将机动车和超声波传感器紧密的结合，设计了机动车防撞击系统。
该系统利用超声波传输中距离与时间的关系和超声波的特点与优势，将超声波的测距系统与STC89C51单片机结合于一体，具有模块化与多用化的特点。系统采用软、硬件结合的方式，硬件部分主要是由单片机硬件接口电路与超声波发射电路、超声波接收电路与液晶屏显示电路、电源电路与报警电路组成的，软件部分主要是由主程序和超声波发射接收中断程序、距离计算子程序和显示报警子程序等部分组成。
结果表明，安装有机动车防撞击系统的机动车，在遇到障碍物时，机动车自动避开障碍物，有效的避免了机动车撞击事故的发生，极大地提高了机动车行驶时候的安全性。

关键词：单片机； 超声波； 防撞报警； 测距

1.1系统方案设计

机动车防撞击系统可以通过如下两种方案来实现：
方案一：激光测距。
激光测距主要分为两种方法用于测量距离，包括：脉冲法和相位法。脉冲测距过程：首先，将激光测距仪激光发射。当激光束击中要测量的对象时，它会被反射回来。反射的激光放光电转换元件中，通过所述往返时间的长度由激光测距仪接收。激光传递的速度和往返时间一半的乘积就是需要测量的距离。相位法的过程：用无线频段的频率调制激光束的振幅，测量线上光的来回调制产生的相位延迟。然后，根据调制光的波长，转换由相位延迟表示的距离，即间接测量光通过测量线所需的时间[4]。激光测距适用于长距离测距，短距离测距精度较低。
方案二：超声波测距。
超声波测距的原理是：只要知道超声波在空气中的传播时间，而且超声波在空气中的传播速度是固定的，就可以把距离计算出来。超声波传感器发出超声波，超声波遇到障碍物反射回来。通过这种方法，可以根据超声波接收和发射的时间差来计算距离，这与雷达测距的原理类似。
从以上两种方案，很容易得出，方案二相对简单，精确度高，故本设计采用方案二。

1.2电路总体方案

图1.1是电路总体框图，包括51单片机晶振电路、复位电路，HC-SR04超声波测距模块，LCD1602液晶屏显示电路，报警电路，电机驱动电路。

图1.1 电路基本框图

2 硬件设计

2.1 超声波测距模块

采用超声波模块进行测距，以此来判定小车和前方障碍物的距离。

2.1.1 HC-SR04超声波测距原理

超声波测距的原理是基于发出超声波和接收到的超声波的时间差和超声波在空气中传播的速度是固定的进行实现的，假如超声波从发射到接收的往返时间是t，超声波在空气中的传播速度是c，因此从小车距离障碍物的距离通过：D=ct/2。其系统框图如图2.1所示。

图2.1 系统框图
基本原理：通过超声波的发射器可以发出长度大约为6mm，频率是40KHZ的信号。这个信号是有物体反射回来的，并通过超声波的接收头进行接收，这种接收的本质是压电效应的换能器[5]。当接收到发射器发出的信号后产生一种微弱的电压信号。

2.1.2 超声波传感器介绍

超声波具有方向性好、频率比较高、波长较短且传播距离比较远等优点，在工业与医学行业会经常使用超声波进行距离的测量，比如液位物体检测。超声波测距具有广泛的应用，比如医疗方面、液体测距、日常生活、工业等很多方面。
超声波传感器是将超声波信号转换为电信号的传感器，超声波传感器主要分为两种类型：电声传感器和压电传感器。（1）电声传感器主要包括：压电传感器、二阶磁致伸缩传感器、静电传感器。由于频率和用途的不一样，可以将超声波传感器分为很多种，有着不同的称呼。例如在医学中超声经常被应用在对病人的诊断和检测当中，通常被我们称之为超声波传感器的探头。（2）压电传感器属于电声型传感器的一种，在声能和电能相互转换的检测过程中，会经常被用到。芯片、连接器、楔块等元器件组成了探头，压电材料按照类型可大致分为两大种类，第一类是像石英、硫酸铜这样的晶体；第二类是像硫酸钡、钛酸铅锆等这样的压电陶瓷。当压电陶瓷在电场的作用下，会产生一定的作用力；当然，如果压电陶瓷在由其他作用力作用时，也会在作用力的某些方向产生电场。因此，只要电场作用在这种材料上，引起超声波振动。因此，超声波传感器可以用这种材料制成[6]。

图2.2压电式超声波传感器结构图
压电陶瓷芯片、金属丝网罩、锥型辐射喇叭、引线端子、匹配器、锥型共振盘、外壳等组成传感器的内部结构。其中，压电陶瓷芯片是传感器中最关键的部分。锥型辐射喇叭主要是把发射过程和接收过程中的能量集中在一起，不是四处发散的状况，这样有助于使传感器具有方向性。金属丝网罩和外壳可以防止传感器的核心——压电陶瓷芯片被破坏，对超声波的传送和接收并不会被阻碍，只是起到了一定的保护作用[7]。

3系统程序的设计

系统程序主要包括主程序、显示数据子程序、报警子程序、驱动电路子程序。

3.1主程序

主程序的主要功能是：测量小车和障碍物之间的距离，并将结果通过单片机传递给LCD1602液晶显示屏，当测量出的结果超过预先设定的数值，蜂鸣器进行报警，小车躲避障碍物。主程序流程图如图3.1所示。

图3.1主流程图

4 电路调试及性能分析

4.1 元器件的焊接

在制作电子类产品的时候，焊接电路也是成功的关键之一，如果焊接电路的质量得不到保证，即使设计的在完美的电子产品也不能够达到预想的效果。
对焊接的基本要求：
（1）既要有正确的焊接技术，还要保证待焊接面是干净的，这样才能保证防止不良焊点的出现。如果待焊接面不干净，需要将其清理干净，才可以重新进行焊接。
（2）在焊接的时候,检擦焊点是否合格的标准之一就是能够有导电性,要注意焊点、元器件、板子之间完全连接在一起,元器件才能工作。如果出现虚焊、假焊等情况,会导致焊点不通电[16]。也要注意脱焊这种现象的发生。
（3）在焊接的时候要严格按照元器件的原理图和手册进行焊接,同时也要对板子上的元器件位置安排好,让走线更加美观。因为板子相对较小,元器件引脚比较多,在焊接时要注意焊点要小,以防和其他引脚相连造成短路[17]。

4.2 电路调试与分析

首先要电源部分用万用表进行检测，以确保系统可以正常的运行，检测得出电源的输出电压是9V。超声波测距模块是这个设计的关键，为了确保满足实际的要求，对相应端口的引脚进行了测量，得出信号的频率接近中心频率40KHZ，满足要求。在这个过程中也要注意，超声波传感器的引脚很软，在不用的时候轻轻拔下来，放在安全的地方，引脚很容易坏。在检测时候发现元器件不好使，要及时进行更换。同时也要对板子各个元器件之间的引脚进行检查，有没有连错线的这种情况发生。在排除这种情况之后，也要检查每一部分能不能正常工作，引脚有无焊接问题。

图4.1 实物展示图

5 结 论

本文通过分析了汽车行业对于发生危险事故保护乘车人员的基础上，阐述了防撞击系统在汽车安全领域的重要性。详细介绍了超声波测距的基本原理，在这个理论的基础上，利用单片机控制超声波模块、LCD1602液晶屏、蜂鸣器报警、电机驱动进行设计，同时对设计电路做出了分析。掌握了系统的主程序、驱动子程序、显示子程序、报警子程序。
机动车防撞击系统能够应用在很多的场合，通过显示程序，能够告知驾驶者与前方物体的距离，让驾驶者能够及时的作出反应，躲避有危险的障碍物和行人，能够减低事故的发生率，在很多场合有着很强的实用性。
这次的设计分为多步，首先在硬件的过程首先要注意焊接的问题，焊接是整个设计的基础。同时也要注意各个元器件的引脚是否好用，避免在焊接结束时，在上电的时候出现不工作这种现象。最后还要注意板子的布线，要设计的美观一些，同时也要防止出现虚连的这种情况。为了使本次的毕设可以完成得更好，需要把成本、性能、外观都要进行考虑，选出一套最合适的方案。我将这次设计进行划分，分为好多个模块，逐一的完成，完成之后，进行统一的拼装。每个模块都要进行资料的搜集，相应的元器件引脚的功能都要熟悉掌握，画好原理图库，这样可以在以后的电路板焊接过程、原理图绘制的过程中减少错误的出现。可以节省成本，在最短的时间内取得更好的效果。在这段的过程中，熟悉掌握了很多元器件的优缺点、在焊接时候怎样可以焊接的更完美、PCB的布线怎样才能美观耐看。在软件编程中，每一行的代码进行仔细的研究，能够找到自己之前的不足，使自己所学的知识更加的充分、不局限。