【QC139】基于单片机的汽车倒车雷达的设计与实现【开题报告】
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【QC139】基于单片机的汽车倒车雷达的设计与实现【开题报告】,qc139,基于,单片机,汽车,倒车,雷达,设计,实现,开题,报告,讲演,呈文
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本科生毕业设计 基于单片机的 汽车 倒车雷达 设计 与实现 系部名称 ： 汽车 与交通 工程 学院 专业班级 ： 车辆工程 学生姓名 ： 何天宇 指导教师 ： 范德会 职 称 ： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院 二 一一 年六月 s of 0111 毕业设计（论文） 开题报告 设计（论文）题目 : 基于单片机的汽车倒车雷达的设计与实现 院 系 名 称 : 汽车与交通工程系 专 业 班 级 : 车辆 学 生 姓 名 : 何天宇 导 师 姓 名 : 范德会 开 题 时 间 : 指导委员会 审查意见： 签字 ： 年 月 日 开题报告撰写要求 一、“开题报告”参考提纲 1. 课题研究 目的 和意义 ； 2. 文献综述（ 课题研究 现状 及分析 ） ； 3. 基本内容 、 拟解决的主要问题 ； 4. 技术路线 或研究方法 ； 5. 进度安排 ； 6. 主要参考文献。 二、“开题报告” 撰写规范 请参照黑龙江工程学院本科生毕业设计说明书及毕业论文撰写规范 要求 。 字数 应在 4000 字 以上 ， 文字要精练通顺，条理分 明，文字图表要工整清楚。 毕业设计（论文） 开题报告 学生姓名 何天宇 系部 汽车与交通工程系 专业、班级 车辆 07导教师姓名 范德会 职称 副教授 从事 专业 是否 外聘 是否 题目名称 基于单片机的汽车倒车雷达的设计与实现 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 我国倒车雷达从 2000 年开始起步，从最处只是奔驰，宝马等高档车的专利，发展到现在成为许多轿车的标准配置。经过多年的发展，倒车雷达系统已经历经了六代技术改良 第一代：倒车时通过喇叭提醒。 “倒车倒车请注意！”，想必不少人还记得这个声音。这就是倒车雷达的一代产品，现在只有小部分商用车还在使用， 只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真 正的倒车雷达。 第二代：采用蜂鸣器产生不同声音来提示驾驶员。 这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后 处有障碍物，轰鸣器就会开始工作。轰鸣声越 急， 表示车辆离障碍物越近 。 第三代：数码波段显示的倒车雷达系统。 比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在 开始显 示；如果是人，在 左右的距离开始显示 。 第四代：液晶荧屏动态显示。 这一代产品有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离 。 第五代：魔幻镜倒车雷达。 结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知 2 米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员 。 魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气 污染 显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前 市面上最先进的倒车雷达系统 。 第六代：整合影音系统。 全新无线液晶倒车雷达，融无线连接、 倒车雷达、彩色液晶显示、 一体。由于普通倒车雷达安装时，从车后雷达主机到车前仪表台上显示器要布一条线，这样要拆装车内的装饰板、胶条等，非常不方便。现在最新推出的第六代无线液晶倒车雷达，一举解决此问题，车后主机和显示器之间无线连接，方便快捷。更可在大最新推出的第六代无线液晶倒车雷达，一举解决此问题，车后主机和显示器之间无线连接，方便快捷。更可在大 巴、卡车等车身长的车上使用，使安装更容易 根据资料分析 ,倒 车雷达市场前景很好 ,需求量 越来越大。 （ 1） 汽车销量增加。据报道， 2006 年我国汽车的销量分别超过 700 万辆，增幅达到 25%。保守考虑， 2007 年汽车市场需求量将在 800 万辆左右，有望达到美国销量的一般，并有可能超过德国，成为仅次于美国的全球第二大汽车市场。汽车销量的增加，必然导致倒车雷达需求量的增加。 （ 2） 车位少，停车难。单位和个人拥有车辆的增加使得市区和住宅小区停车位的紧张，停车越来越困难，碰撞时有发生。倒车雷达的使用有助于减少停车碰撞事件的发生。 （ 3） 女性驾驶员的增多。多数女性驾驶员由于个子小或是胆子小，停车时会非 常紧张，因此越来越多的女性驾驶员开始喜欢上倒车雷达 （ 4） 城市街道交通拥挤。随着汽车市场的繁荣，城市街道的行车越来越拥挤，倒车雷达，尤其是多探头倒车雷达不仅能在倒车，泊车时提供倒车信息，还可以在行驶时提供前后左右的 信息，有助于安全驾驶 迄今为止，在倒车雷达的研究中，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。目前测定汽车安全距离的技术主要有超声波测距、激光测距、微波雷达测距以及 像系统测距等几种方式。超声波测距是利用其反射特性来实现的，激光测距对外界自然环境敏感，具体的测距方式有连续波和脉冲波两种，微波雷达 测距是利用目标对电磁波的反射特性来发现目标并测定其位置的，容易受电磁环境干扰 综上所述，由于超声波测距主要用于短距离测量，且超声波传感器的成本较低，环境适应性好，所以目前的倒车雷达一般采用超声波测距方式。 目前越来越多的汽车装有驾驶辅助装置一倒车雷达。开始的倒车防撞仪可以测得车后一定距离范围的障碍物从而发出警报，后来发展到根据距离分段报警 。 前两个阶段的倒车雷达一般功能较简单，随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要前两个 阶段的倒车雷达一般功能较简单，随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性， 不仅要求能连续测距并显示障 碍物距离，而且要求它采用不同的声音报警来提示 ， 驾驶员，以使驾驶员全神贯注地注视场景。超声波测距是倒车雷达所采用的主要方式。超声波频率越高，其衰减越快， 倒车雷达能够在驾驶员视野的死角处，通过声音、数据、图像等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围障碍物的情况，使驾驶员能够更清楚的了解周围障碍物的情况，对驾驶员的起步、泊车、倒车等环节有很大帮助，提高了驾驶的安全性。因此，研究高性能的汽车倒车雷达是 有其现实的意义 。 二、 设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 为避免汽车在倒车过程中发生碰撞，设计了一种基于单片机 的倒车雷达系统。介绍了超声测距的基本原理，阐述了倒车雷达系统的结构组成、硬件电路设计以及软件设计，倒车距离采用 通过报警电路做出提示。 该系统由单片机控制电路、超声波发射和接收电路、 示电路以及报警电路等几部分组成。 单片机是整个系统的核心部件，协调各部分电路的工作。 单片机在超声波信号发射的同时开始计时，超声波信号在空气中传播，遇到障碍物后发生发射，反射的回波信号经过处理后 输入到单片机的外部中断口产生中断，单片机停止计时。通过单片 机可得到超声通过单片机可得到超声即可求得车体与障碍物之间的距离。 系统配置了两路超声波电路，保证两路超声波信号同时发射，分别用两个中断口来接收回波信号，从而分别测出两路倒车距离。倒车距离显示的是两路测距值中的最小值，在达到设计要求的最小距离 时 系统产生报警。 三、 技术路线（研究方法） 汽车倒车雷达系统结构框图 硬件设计和软件设计两部分。硬件系统主要由单片机控制电路、超 声波和接收电路、 示电路及 报警电路等五部分组成。系统应用软件采用模块化设计思想，可对各子程序分别进行设计和调试，然后 将调试好的子程序 块链接起来进行统调。系统软件模块划分为 超声波测距模块、示模块和 报警模块等几大功能模块。系统主控制器单片机实现如下基本功能： 1、控制超声波的收发 2、实时的 示 3、语音报警功能 汽车倒车雷达的程序： 1、 示模板：包括初始化子程序、写入子程序以及读入子程序等部分 2、超声波测距模块：分为温度补偿子程序、超声波发射子程序、超声波链接子程序以及距离计算子程序等部分 3、 报警模块：录音子程序、放音子程序以及停止子程序等部分 4、主模块：包括系统的初始化以及各子 程序的调度管理等部分 本系统的主要技术指标如下： (1)测距范围： 小于 350 (2)距离显示分辨率： 1 (3)测距误差：小于 5； (4)实时显示倒车距离； (5)蜂鸣器 报警功能： 四、 进度安排 阅文献、撰写开题报告 统总体设计 统硬件设计 统软件设计 统测试 写系统设计说明书 五、 参考文献 1 胡凤忠 ,赵广复 片机的汽车倒车雷达设计 J2010,18(5): 11742 王锦坚 ,洪添胜 线的倒车雷达系统的设计与实现 J2010,(5):583 黄丽萍 ,和军平 ,倪龙 ,林廖军 J2010,18 (1):1504 陈烁华 ,冯桑 . 倒车辅助系统的技术发展 J,2009,(10):365 高旭 ,朱军 . 基于 片机的超声波倒车雷达系统的设计 J 2010,(01):60、备注 指导教师意见： 签字 ： 年 月 日 声波黑龙江工程学院本科生毕业设计 摘 要 近年来，我国的汽车数量正逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车 时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。因此 ,增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量 距离为 1m 5 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于 片机的超声波倒车雷达 。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模 块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了倒车雷达 的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。超声波接收电路使用 司的 外检测专用芯片，该芯片常用于 38中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对 40声波检波的硬件电路， 倒车 雷达 使用数码管显示目标物的距离。 关键词 ： 车雷达；超声波传感器；测距 黑龙江工程学院本科生毕业设计 n s of is a of as to on of of in a of to of to a on of by a be In is to of so to a At at in of 5 m, in 8of of 0of of 龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 计的研究现状 . 1 计的目的和意义 . 1 前国内倒车雷达的研究现状 . 1 要研究问题 . 3 第 2 章 倒车雷达总体设计方案 . 4 声波测距 . 5 声波测距原理 . 5 论计算 . 5 章小结 . 6 第 3 章 倒车雷达 的硬件设计 . 7 声波发射模块 . 7 声波接收模块 . 8 片机实现测距原理 . 10 盘控制电路 . 11 声波传感器的特性 . 11 声波传感器的频率特性 . 11 声波传感器的指向特性 . 12 片机的选择 . 13 简介 . 13 主要性能参数和特点 . 13 声波传 感器的选择 . 13 声波传感器的简介 . 13 声波传感器的技术参数 . 14 章小结 . 14 黑龙江工程学院本科生毕业设计 第 4 章 倒车雷达 的软件设计 . 15 件 总体结构框图 . 15 件各程序 的简介 . 15 件设计要求 . 16 程序 . 16 射和接收模块中断程序 . 18 示子程序和蜂鸣报警子程序 . 18 章小结 . 19 第 5 章 测试结果与分析 . 20 试结果 . 20 差分析 . 21 试过程 . 21 验目的 . 21 验原理 . 21 验过程 . 22 验结果 . 22 验结论 . 22 章小结 . 22 结论 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 25 附录 1 . 26 附录 2 . 41 黑龙江工程学院本科生毕业设计 第 1 章 绪 论 题的研究现状 随着我国汽车产业的迅速发展，我国开始进入了私家车时代，汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个隐患。本文所设计的倒车雷达主要是针对汽车倒车时无法目测到车尾与障碍物的距离而设计开发的。 超声波测距由于其能够 进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所重视。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。由此可见，超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发展作出重要贡献。 超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等 部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。 计的目的和意义 随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的都存在一个后视盲区。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告 知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了使用死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。 前国内倒车雷达的研究现状 经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。经过这几年的发展，倒车雷达系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品各有特点，使用较多的是数码显示、荧光显示和魔幻镜倒车雷达这三种 。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 第一代：倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意”！想必不少人还 记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有少部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品 。 第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后 有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 第三代：数码波段显示具体距离或者距离 范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在 始显示；如果是人，右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由 3 种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物距离有 色代表警告距离，表示障碍物距离只有 色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到 须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。 第四代：液晶屏动态显示。这一代有一个质的飞跃，特别是荧 屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过 示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过 示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。 第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采 用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知 2m 以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 第六代：专为高档轿车配置的。第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从 功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看 像。 要研究问题 （ 1） 超声波测距范围小于 350离显示分辨率 1距误差小于 5%； （ 2） 超声波在传播中距离的计算 ； （ 3）超声波 的发射和接受能否顺利完成，达到实时显示倒车距离，倒车距离显示的是测距值的最小值，在达到设计要求的最小距离时系统产生报警。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 倒车雷达 总体设计方案 该设计的应用背景是基于 超声信号检测的。因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在 左右。单片机（ 出短暂的 40号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到 示电路显示 ，进行蜂鸣报警 。 其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率有调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由 压电晶片的固定参数决定，频带较宽。将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率 40其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。 发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压 不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是有两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（ 够识别的中断信号作为回波到达的标志。 图 车雷达系统总 设计方案 该系统又单片机控制电路、超声波发射和接受电路、显示电路以及报警电路等几部分组成。单片机是整个系统的核心部件，协调各部分电路的工作。 单片机在超声波信号发射的同时开始计时，超声波信号在 空气中传播，遇到障碍物后发生反射，反射的声波信号经过处理后输入到单片机的外部中断口产生中断，单片机停止计时。通超声波发射 单 片 机 键盘控制 超声波接收 放大 比较 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 过单片机可得到超声波信号的往返所需要的时间，即可求得车体与障碍物之间的距离。在达到技术要求的情况下产生报警。 声波测距 声波测距原理 超声波测距的原理一般采用回波探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计 时。 图 图 距的原理 论计算 如图 反射时间，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式： 2 其中， S 为被测距离、 V 为空气中声速、 T 为回波时间， 21 可以计算出路程，这种 方 法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离： 2 21 555 时基电路振荡产生 40超声波信号。其振荡频率计算公式如下： 5109 2 超声波测距的原理：即为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这T 2 T 1 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为 ： 22 其中， d 为被测物与测距仪的距离， s 为声波的来回的路程， c 为声速， t 为声波来回所用的时间。 超声波的指向性强，能量消耗缓慢，遇到障碍物后反射效率高，是测距的良好载体。测距时有安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，有定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波咋介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来，当接收器收到发射波立即停止计时。这样，定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间 t 。由于常温下超声 波在空气中的传播数的约为 340m/s。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 在使 用时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。 章小结 本章分析了超声波测距的原理，以及理论的计算，对于系统的总体设计方案做了详细的介绍。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 第 3 章 倒车雷达 的硬件设计 该系统设计 有超声波发射电路、超声波接收电路、键盘控制电路、单片机硬件接口电路及显示报警电路组成，该系统的核心部分采用性能较好的 面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。 声波发射模块 超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分， 超声波 探头（又称“超声波换能器”）选用压电式，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生 40超声波信号，通过输出引脚输入 至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流 100上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无需驱动电路，但缺点是灵活性低。本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。 40超声波是利用 荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下： 脉冲发射采用软件方式，利用 发射 40 方波信号，经过 74大后输出到超声波换能器 ，产生超声波。 74一个高速 反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于 辑 的功耗减少很多。对于 型，其工作电压为 2 6 V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入 辑信号和 辑输入等特点。本系统将 40 波信号分成两路，分别由 74两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。电路图如图 示。发射电路主要由反向器 74超声波换能器构成，单片机 口输出 40波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一 个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻 方面可以提高反向器 74出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这 时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 U 4 L S 04 U 4 L S 04U 4 L S 04U 4 L S 04U 4 L S 04L S 1T X (F ) 0图 声波发射电路 声波接收模块 超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用与发射端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探 头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路进行放大。 超声波接收部分采用集成芯片 是一款红外线检波接收的专用芯片。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路 。 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很大的变化。为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。通过 反馈将放大器设定于适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。 限度放大器：当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅，同时也可消除寄生调幅干扰 。 宽频带滤波器：其频率范围为 300中心频率可调。 检测器：将返回的超声波的包络解调回来。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 积分滤波器与整形电路：检测器输出的信号经积分滤波器送到整形电路，输出较好的矩形波。 接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。 7C X 201 06 3R X (S )R 1 4 +C 1 7 10 5 0V+C 1 0 10 5 0 520 0 620 03 0 P 3 2超声波接收电路图 声波 接收电路图 集成电路 成电路 一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。常用的载波频率 38测距的 40为相近，可以利用它来做接收电路。适当的改变大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 内同类产品型号为 日本索尼公司生产的在红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路。它还可广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。这种 能优越 ， 封装形式及体积与许多遥控信号接收器 同或相似 ， 故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。 用来完成遥控信号， 日本索尼公司生产的红外解调集成电路，采用 8 脚单列直插式塑料 超小型 封装， +5v 供电， 内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、通带摅波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路 。 其主要功能是从 38外载波信号中，将编码信号解调出来，并加以放大和整形，然后再送到微处理器 (行处理，以实现遥控操作功能，其具体引脚图如图 示 ： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 图 集成电路 部结构 图 引脚注释： （ 1） l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40 （ 2） 2 脚：该脚与 间连接 联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻 R 或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为 R= C=。 （ 3） 3 脚：该脚与 间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检 波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为 。 （ 4） 4 脚：接地端 。 （ 5） 5 脚：该脚与电源端 入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率值越大，中心频率越低。例如，取 R=200， 42取 R=220则中心频率 38 （ 6） 6 脚： 该脚与 间接入一个积分电容，标准值为 330果该电容取得太大，会使探测距离变短 。 （ 7） 7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 22没有 接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降 。 （ 8） 8 脚： 电源正极， 5V。 片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 后求出距离 S ，式中的 C 为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 波换能器分别作为多 路超声波发射 /接收的设计方法。 盘控制电路 此键盘 与单片机 于对报警距离进行设定。其中 定”按键； 一”； 一”、 不同位置进行选择。驾驶员可以根据自身要求对报警距离进行设定，从而大大提高了驾驶的安全系数。 声波传感器的特性 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 。 声波传感器的频率特性 图 声波传感器的升压能级和灵敏度 图 中， 40为超声波发射传感器的中心频率，在 40，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40所产生的超声声压能级最高。而在 40侧，声压能级迅速衰减。其频率特性如图 此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 40交流电压来激励 。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 图 声发射传感器频率特性 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 40出电信号的振幅 最大，即在 40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，并且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且有较宽的带宽，同时灵敏度以随之降低。并且最大灵敏的向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率 f = 40长 = 超声波传感器的指向 特性 实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡器，辐射出一个半球而波（子波）， 这些子波没有指向性。但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。 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度到 80度，本设计要求传感器的指向角为 75度。图 图 声波传感器指向特性及结构 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 片机的选择 本系统中所用到 的单片机为 下是对其功能与结构的简单介绍。 051内核的单片机，是高速低功耗的新一代 8051单片机， 12时钟机器周期和 6时钟周期可反复设置 。 1 增强型 6时钟机器周期， 12时钟机器周期， 8051 2 工作电压： 3 工作频率范围： 0 40 当于普通 8051的 0 80 际工作 频率可达 48 4 用户应用程序空间 4K/8K/16K/20K/32K/64K 字节 。 5 片上集成 512字节 /1280字节 6 通用 I/0口（ 32/36个），复位后为： 2/4是准双向口 /弱上拉（普通 8051传统 I/0口） 是开漏输入，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 7 系统可编程） /应用可编程），无需专用编程器可通过串口（ 直接下载用户程序， 8K 程序 3秒即可完成一 片 。 8 能 。 9看门狗 。 10内部集成 D 版本才有 0）外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路 。 11共 3个 16位定时器 /计数器 。 12外部中断 2路，下降沿中断或电平触发中断， 式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 。 13通用异步串行口（ 。 14工作温度范围 :0+85 。 超声波传感器的选择 声波传感器的简介 超声波传感器选择的是 声波测距模块，可提供 非接触式距离感测功能，包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理为给予此超声波测距模块触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 输出回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、 波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面 。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收 ）等。 声波传感器的技术参数 1 工作电压： 2 静态电流：小于 2 3 电平输出：高 5V； 4 电平输出：低 0V； 5 感应角度：不大于 15 度 ； 6 感应距离： 4 7 高精度： 章小结 本章介绍了系统硬件的设计，对硬件的选择做了介绍和分析，以及硬件个部分的组成，对硬件部分的搭建做了充分的准备 。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 第 4 章 倒车雷达 的软件设计 件总体结构框图 超声波倒车雷达系统的软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、 声波接收中断程序及显示子程序四个主要模块组成。软件设计的总体结构框图如图 序总体框图 件设计各程序简介 （ 1） 系统初始化模块：即系统刚上电的时候对系统的各个引脚的电平分配和对各寄存器的初值赋值。 （ 2） 数码管显示模块：通过该模块的设计能够让所测得的距离显示在数码管上。 （ 3） 按键扫描模块：此模块用来通过键盘控制倒车雷达的工作。 （ 4） 发射 接收控制
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