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倒车雷达论文

摘要

随着社会的发展，汽车走了进我们的生活。

它的出现给人们的生活带来了很多便利，同时人们也越来越依赖机动车。

本文介绍的是一种简易的避障系统，它可以使汽车具有避障功能。

避障功能是由超声波发射、接收来实现的，利用超声波测距的原理以实现避障。

使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体（目标）后必有反射回来的声波（回波）作用于换能器上。

若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。

在危险距离时进行报警。

这样汽车就可以在特定的环境、地点按照人的指示避免相撞。

关键词超声波；超声波测距；自动停止

Abstract

Withthedevelopmentofsociety,carscomeintoourlives.Itsappearancebroughtalotofconveniencetopeople'slives,peoplehavebecomeincreasinglydependentonthecar.Thispaperpresentsasummaryofthesystemforobstacleavoidance.Itcancontrolcarobstacleavoidancefunction.Ultrasonicobstacleavoidancefunctionisfiredbythereceivingcircuittotheradar.Causesthetransducertothemediumlaunchsoundpulse,afterthesoundwavetomeetwasmeasuredtheobject（goal）musthavethesoundwavewhichreflects（echo）toaffectonthetransducer.Iftheknownmediumsonicspeedisc,thefirstechoarrivestimeandthelaunchpulsetimedifferenceist,thenpressesbetweenthetypes=ct/2computationtransducerandthegoaldistance.Whendangerdistancecarriesonreportstothepolice.Thiscontrolcarcanoperateinaspecificenvironment,inaccordancewiththeinstructionslocationtasks.

KeywordsUltrasonicwave;Ultrasonicranging;Autostop

目录

摘要…………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论…………………………………………………………………1

1.1课题背景………………………………………………………1

1.2课题目的及意义………………………………………………………1

1.3主要技术指标…………………………………………………1

1.4设计功能………………………………………………………1

1.5中外文献综述…………………………………………………………2

第2章设计方案选择………………………………………………………3

2.1设计方案的论证………………………………………………………3

2.1.1测距方式………………………………………………………4

2.1.2超声波发射电路………………………………………………4

2.1.3超声波接收电路………………………………………………4

2.1.4数据显示………………………………………………………5

2.2方案比较……………………………………………………………5

2.2.1测距方式………………………………………………………5

2.2.2超声波发射电路………………………………………………5

2.2.3超声波接受电路………………………………………………6

2.2.4显示电路………………………………………………………6

2.3电路框图……………………………………………………………6

2.4本章小结………………………………………………………………7

第3章单元电路组成与设计………………………………………………8

3.1超声波测距原理………………………………………………………8

3.1.1超声波传感器…………………………………………………8

3.2单元电路设计…………………………………………………………10

3.2.1超声波发射电路…………………………………………………10

3.2.2超声波接收电路…………………………………………………11

3.2.3计数和显示电路…………………………………………………13

3.2.4电机控制电路……………………………………………………14

3.3集成电路结构…………………………………………………………14

3.3.1555振荡器…………………………………………………………14

3.3.2CD4011与非门……………………………………………………20

3.3.3CD4069与非门……………………………………………………21

3.3.4LM833双运放……………………………………………………21

3.3.5MC14553计数电路………………………………………………21

3.3.6HEF4511译码器…………………………………………………22

3.4本章小结………………………………………………………………23

第4章整机电路及工作原理……………………………………………24

4.1整机原理………………………………………………………………24

4.2本章小结………………………………………………………………26

第5章电路安装调试与误差分析…………………………………………27

5.1电路的组装……………………………………………………………27

5.2发射与接收电路的调试与测量………………………………………27

5.3显示距离的校对………………………………………………………27

5.4实验中所遇到的问题…………………………………………………27

5.4.1关于短距离测量……………………………………………………27

5.4.2关于长距离测量……………………………………………………27

5.5本章小结………………………………………………………………28

结论………………………………………………………………………29

收获和体会…………………………………………………………………30

致谢………………………………………………………………………31

参考文献……………………………………………………………………32

附录1电路原理图…………………………………………………………33

附录2主要元器件清单……………………………………………………34

附录3参考文献……………………………………………………………35

附录4参考文献译文………………………………………………………37

附录5系统框图……………………………………………………………38

第1章绪论

1.1课题背景

随着我国汽车产业的高速发展，尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。

汽车驾驶员也日渐担心车的安全了，其中倒车就是一个典型。

所以，倒车雷达便应时而生。

本次设计的倒车雷达系统主要针对的是汽车倒车时，人无法目测到车尾的障碍物。

这如同给汽车安装了一双眼睛。

让驾驶员倒车时再无后顾之忧。

同时，倒车雷达的应用范围不仅仅限制于倒车，还可以用于检测汽车的各个方向是否有障碍物，用于其它方位的防撞或避让系统。

另外这项技术的核心是超声波测距，还可以应用于某些特定场合。

1.2课题目的及意义

为了让驾驶员和乘客们更加安全的享受汽车给人们带来得便捷，安装倒车雷达是十分重要得。

因此，我的设计目的十分明确，就是使车上的人们更安全，避免不必要得危险发生。

1.3主要技术指标

名称：

简易倒车雷达系统。

指标：

1.危险距离1米时自动停止。

2.显示功能。

3.测试距离大于3米，最远5米。

1.4设计功能

利用超声波测距原理设计小车防撞系统，电路可以显示出到障该物的距离，在危险距离时停止运动并报警。

利用声波在介质中的传播速度乘以时间差，则可计算出小车与障碍物之间的距离。

电路可以比较准确地显示出车与障碍物的距离，在距离障碍物1米时控制电机停止，并进行声光报警。

1.5中外文献综述

本次设计中参考了许多的中外文献。

主要是为了查找有关超声波的一系列知识，和各种芯片的功能与使用。

其中包括:

刘亦松.编著的数字电路逻辑设计;孟立凡,郑宾.编著的传感器原理及技术.

第2章设计方案选择

利用超声波测距原理，小车具有遇到障碍物自动停止的功能，用超声波发射、接收电路来实现避障的功能。

设计中一共包含四大部分的电路，它们是：

超声波发射、接受部分，距离测量部分，显示部分。

然而这些电路的形式非常多，下面就各部分进行分析。

2.1设计方案的论证

2.1.1测距方式

2.1.1.1方案一利用超声波回波的强度来确定到障碍物的距离，优点是电路结构简单，但是回波强度不仅和距离有关系，障碍物的反射能力及其它因素都会影响回波强度，所以这种方式不能准确测量。

2.1.1.2方案二利用超声波发射和回波之间的时间差来计算出距离，优点是测量精确，但是电路复杂，对环境要求高。

2.1.2超声波发射电路

2.1.2.1方案一为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

如图2-1电路中的Q1、Q2组成正反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器的共振频率40KHz。

但是频率不可调、频率稳定性差、抗干扰性差。

图2-1晶体管震荡电路

2.1.2.2方案二由555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。

由555第3脚输出，电路简单易制、稳定性较高。

图2-2555震荡电路

2.1.3超声波接收电路

2.1.3.1方案一电路中由晶体管进行放大，VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，以送给计时电路计算，此电路稳定性差、抗干扰性不佳。

图2-3超声波接收电路

（一）

2.1.3.2方案二集成式超声波接收器电路：

超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，送入集成电路组成的高通放大器检测并放大。

电路稳定性好，灵敏度高。

图2-4超声波接收电路

（二）

2.1.4数据的显示

2.1.4.1方案一采用LED发光管分段表示。

电路简单，价格便宜，但是无法准确显示距离，不直观。

2.1.4.2方案二采用数码管显示，可以准确显示出距离，简单易懂，电路略微复杂，耗电量较高。

2.2方案的比较

2.2.1测距方式

两种测距方式中，方案一利用测量回波强度的方法不准确，而且可能的干扰因素过多。

而方案二利用超声波发射及回波的时间差测量比较准确，可能的干扰因素较少，所以采用测量时间差的方式来测量。

2.2.2超声波发射电路

两种超声波发射电路中，由NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。

电路简单易制、稳定性较高。

所以发射电路采用NE555式发射电路。

2.2.3超声波接收电路

方案一的超声波接收电路是使用晶体管进行放大并整形的，电路复杂且不稳定。

方案二是用集成运算电路处理信号，放大倍数高而且稳定，根据我所要实现的功能所以选用方案二集成运算接收电路。

2.2.4显示电路

方案一的方式简单，但是无法显示具体数值，不直观。

，而方案二是使用数码管来显示距离，比较直观，根据我所要实现的功能所以选用数码管显示电路。

2.3电路框图

图2-5倒车雷达系统框图

根据前几小节对不同方案的论证及比较，先确定出电路的框图，如图2-5所示，电路系统包括：

超声波发生及驱动电路﹑超声波接收整形电路﹑时间测量电路﹑计时电路﹑显示电路﹑电机驱动译码电路及电源。

其中超声波发射及接收是此电路的主要部分，超声波信号发生器用来产生已调制的超声波脉冲，驱动电路用来放大脉冲以驱动发射头，放大电路用来放大超声波接收头接受到的信号，放大后经比较器整形后，送入时间测量电路，经过计数译码送入显示电路，显示出距离，同时送入电机控制电路以控制电机运转。

2.4本章小结

本章对几部分的不同方案进行了对比论证，并且从中选择出了比较合适的电路，说明了它们的优、缺点。

确定了最终的电路组成，绘出了方框图。

第3章单元电路组成与设计

3.1超声波测距原理

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由于介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。

超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。

超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。

发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。

利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。

超声波发生/接收器：

为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。

这里采用压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电势伸缩现象,即压电效应。

超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。

考虑到实际测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。

超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。

发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。

超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离不要过近否则过于靠近易产生干扰。

超声测距原理：

常用的超声测距方法是回声探测法。

其工作原理是：

使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体（目标）后必有反射回来的声波（回波）作用于换能器上。

若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。

声波的速度c与温度T有关。

如果环境温度变化显著,则必须考虑温度补偿问题。

3.1.1超声波传感器

常用的超声传感器有T40-XX和R40-XX系列、UCM-40T、UCM-40R等。

其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，它们都是成对使用的。

db声压能级T/R40-16

120

110

100

4043KHz

图3-1T/R40-16声压能级

db

灵敏度T/R40-16

-50

-60

-70

4043KHz

图3-2T/R40-16灵敏度

从图3-1以及图3-2中可以得知，它的声压能级、灵敏度在40kHz时最大，所以电路一般选用40kHz作为传感器的使用频率，这个系列的超声传感器电性能参数如表3-1所示：

表3-1超生传感器电性能参数表

型号

T/R40-12

T/R40-16

T/R40-18A

T/R40-24A

单位

中心频率

40

1

kHz

发射声压最小

电平

112

115

115

115

dB

接收最小灵敏度

-67

-64

-64

-64

dB

最小

带宽

发射头

5/100

6/103

6/100

6/103

kHz/dB

接收头

5/-75

6/-71

6/-71

6/-71

kHz/dB

电容

2500±25%

2400±25%

2400±25%

2400±25%

pF

3.2单元电路设计

3.2.1超声波发射电路

超声波发射电路的组成：

如图3-3由NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路。

然后加到超声波发射头的两极，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。

发射出的超声波向前沿直线传播，遇有障碍物后它可以发生反射。

图3-3超声波发射电路

如图3-4首先由IC1组成超声波检测脉冲信号发生器，TL=1MSTH=64MS。

IC2组成频率约为40KHZ，占空比为50%超声波载波信号发生器。

再经4069放大来驱动超声波发送器使之发生40KHz超声波并以疏密波的形式向外传播。

3-4超声波发射电路波形简图

工作信号见图3-5，详细计算方法见芯片介绍一节。

图3-5

3.2.2超声波接收电路

如图3-6所示为超声波接收电路，由超声波接收头和前两级运放完成超声波信号的检测及放大，一般运算放大器需要正负对称电源，为保证其可靠工作，这利用R27和R28进行分压，这是通向段有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号质量，不至于产生失真。

反射回来的信号经第一级放大100倍（40dB）,再被第二级放大10倍（20dB）,进入由电容及二极管组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送入比较器进行处理。

图3-6超声波接收电路

在比较器的相同端接有电容和二极管，用来防止误检测而设置。

在实际测量时，在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测，为避免这种情况，这里引入检测脉冲适当提高比较器的门限转换电压，由于电容的放电保持作用，可以防止由于检测脉冲本身的干扰而形成的误检测。

当然由于防止误检测的作用，近距离测量会受影响，根据图示参数最小测量距离在40cm左右。

图3-7RS触发点路

如图3-7这里由与非门构成的R-S触发器构成时间测量电路，在发出检测脉冲时，即A端为高电平时，D端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，C端由高变低，此时D端变成低电平，故输出端得高电平即为测试脉冲往返时间。

3.2.3计数和显示电路

计数和显示电路由CD4069,MC14553,HEF4511组成。

如图3-7所示，计数电路脉冲发生器由非门组成其工作频率为1/（2.2×C×R）

图3-8计数和显示电路

电路频率设计在17.2KHz左右。

这个频率是在环境温度为20摄氏度时的传播速度为343.5m/s确定的。

实际上，在不同环境温度下，只要测试标准距离1m,然后调节电位器，即改变脉冲发生器的频率，使计数电路显示为100即可校准。

图中MC14553为摩托罗拉公司产的三数字BCD计数器，HEF4511为BCD-锁存/七段译码/驱动器，计数器的清零及数据锁存信号由脉冲的上升沿及下降沿在相关电路的作用下产生。

有关计数以及译码集成电路的详细资料请见下一小节。

3.2.4电机控制电路

电机控制电路设计得十分简单，如图3-9所示，电机的动作由继电器控制，而控制信号由74138集成电路对BCD码进行译码得到十进制码以控制电机。

图3-9电机控制电路

当继电器动作时电机停止，同时报警灯点亮，蜂鸣器报警。

3.3集成电路结构

3.3.1555振荡器

3.3.1.1基本555电路简介555电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。

它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555／556时基电路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。

图3-9中显示出了555时基电路的内部等效电路图。

鉴于各种双极型的555集成块的内部电路大同小异，下面我们以NE555为例分析其内部电路和原理。

从NE555时基电路的内部等效电路图中可看到，VTl～VT4、VT5、VT7组成上比较器Al，VT7的基极电位接在由三个5kΩ电阻组成的分压器的上端，电压为⅔VDD；VT9～VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电位为⅓VDD。

在电路设计时，要求组成分压器的三个5kΩ电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位⅓VDD和⅔VDD。

VTl4～VTl7与一个4.7kΩ的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。

VTl8～VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。

VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。

双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。

555时基电路的工作过程如下：

当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于⅓VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces箝制VTl5的基极处于低电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。

因此，输出端3脚输出高电平。

此时，不管6端（阈值电压）为何种电平，由于双稳态触发器（VTl4～VTl7）中的4．7kΩ电阻的正反馈作用（VTl5的基极电流是通过该电阻提供的），3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于VDD的电平为止。

当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的电位高于VDD，则VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过4.7kΩ电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。

同时，VTl8的截止使VT6也截止。

当触发信号加到6脚时，且电位高于⅔VDD时，则VTl、VT2、VT3皆导通。

此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2。

都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。

当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。

此时，若2脚仍无触发信号，则VTl5通过4.7kΩ电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。

同时，VTl8的导通，使放电级VT6饱和导通。

通过上面两种状态的分析，可以发现：

只要2脚的电位低于VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。

4脚为复位端。

当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。

此时，不管2脚