毕业论文-天车防撞系统的设计(2)

本科生课程设计（论文）

第2章 方案论证

2.1 总方案框图

如2.1系统方框图所示单片机作为主控制模块。超声波发生器发射超声波，之后接收模块接收到反馈信号。利用发射与接收的时间差t，来计算出天车的距离，利用单片机进行数据处理判断。 并进行距离显示。当单片机判断为警报距离时，光报警模块便会启动。以提醒天车驾驶员注意，同时控制模块控制三相电机减速。当单片机检测到危险距离时，单片机会强制输出停止指令，令电动机马上停止。从而保证了人员安全。只有距离大于危险距离时，电机才能前进。

图2.1 系统方框图

超声波接收传感器 超声波发生器 LCD显示 主控制模块 声光报警 模块 控制模块 电源 交流电机2.2 主控制模块的选择

单片机的结构及其采用的半导体工艺，使之具有显著的特点，优异的性价比。大大降低了控制成本。

单片机的体积小，可靠性高，其内部采用总线式结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力，可以用于恶劣的环境下工作。单片机的控制能力强大能满足设计要求单片机指令系统中均含有丰富的转移指令、I/O接口指令及位处理功能。单片机的逻辑控制功能均高于同一档次的微机。因此选用单片机作为主控制器。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含

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4K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PERONM)和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域

2.3 测距模块的选择

本文涉及到距离的检测。可有2种方案供选择。 其一是激光测距，其二是超声波测距。 由于题目要求的测距范围是80m以下因此激光的波速太快其往返时间太短，接收系统很难捕捉到反射信号。而且在工厂中，油污粉尘比较大。而激光的衍射能力弱，激光发射器探头极易受到油污的干扰。因此不能选择激光测距系统。

经过多方面研究调查，选用超声波发生器最为合适。因为超声波的波速慢。因此80米的距离往返时间比较大。接收器更容易捕捉到反射信号。

为了以超声波作为检测手段必须产生超生波和接收超声波。因此我们需要设计使用超声波发送器和接收器。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。防撞报警系统主要是利用超声波的特点和优势，所以选择超声波方案。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即S=VT.

超声波接收器使用CX20106芯片。使用CX20106集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。该芯片接受信号后直接进行处理分析。输出数字信号可直接输入单片机。不需要模数转换，可以大大的简化了电路设计。从而降低设计成本。

该题目的重点是距离检测。因次选择设计一个好的超声波传感器就显得尤为重要。下面介绍一下压电式传感器的原理和设计思路。

压电式超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波发生器内部结构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。

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

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动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了，如图2.2：

图2.2 超声波接收器

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器特性为例子。

图2.3超声波传感器的升压能级和灵敏度

如图2.3所示是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz处为超声发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在40KHz处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并目在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并目最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏

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度。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f = 40kHz ,波长λ = 0. 85cm。

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表而上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球而波(子波)，这些子波没有一指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果(衍射)，却有一指向性。图2.4是电路中选用的发射传感器的指向图。

图2.4 超声波传感器指向特性及结构

超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40到80度，课题要求发射传感器的指向角为60度。

综上所述选择恒隆达GH-311RT超声波模块。论文基于AT89C51单片机天车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的天车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。

2.4显示模块的选择

单片机应用系统中，常用的显示器件有LED和LCD。这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。LCD每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。而且体积小、重量轻。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。LCD功耗低。相对而言，LCD的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

因此根据本设计的要求对天车距离进行显示选择LCD显示，且由于需要显

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示的内容不多，所以选择LCD显示模块。在液晶(LCD)方面，从选型角度，我们将常见液晶分为以下几类：段式（也称8字）、字符型和图形点阵。

常见段式液晶的每字为8段组成，即8字和一点，只能显示数字和部分字母，如果必须显示其 …… 此处隐藏：2281字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……