倒车雷达分析报告

倒车雷达分析

1 倒车雷达的意义和要求

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。

2 总体方案

该设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在2.5米左右。单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，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LED显示电路显示，并进行声光报警[1]。

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40KHz，使其工作在谐振频率，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（AT89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

2.1 超声波测距

2.1.1 超声波测距原理

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t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，在不同温度下的声速也不相同。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。图2-2即为超声波测距的具体流程图。

2.1.2、测量与控制方法

声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。

由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择就以自动选择功能来实现.

2.1.3、理论计算

如图2-3所示为反射时间，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：

2T

C S ?=

其中，S 为被测距离、V 为空气中声速、T 为回波时间，

21T T T +=

测距的原理

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：

()

221T T C S -=

555时基电路振荡产生40Hz 的超声波信号。其振荡频率计算公式如下：

()()5109243

.1C R R f ??+=

2.2 超声波传感器

2.2.1超声波传感器的特性

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SZW-S40-12M 发射型超声波传感器的特性为例加以说明。

（1） 频率特性

图是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz处为超声波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。其频率特性如图2-7所示。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，输出电信号的振幅最大，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 = 40KHz，波长λ = 0.85cm。

3 硬件设计

该系统设计有超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、温度补偿电路、声报警电路、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AT89C51单片机，下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。

3.1 超声波发射电路

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，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40KHz的超声波信号，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100mA以上的驱动电路。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。40KHz的超声波是利用LC震荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下：

脉冲发射采用软件方式，利用AT89S51的P1.0口发射40 kHz的方波信号，经过74HC04放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于LSTTL逻辑IC，它的功耗减少很多。对于HC类型，其工作电压为2～6 V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS 逻辑输入等特点。本系统将40 KHz方波信号分成两路，分别由74LS04经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3-1所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40KHz方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R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输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。

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。

3.2 超声波检测接收电路

3.2.1 集成电路CX20106A

集成电路CX20106A 是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38khz 与测距的40khz 较为相近，可以利用它来做接收电路。适当的改变C3的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。

CX20106A(国内同类产品型号为D20106A)是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IC 性能优越，封装形式及体积与许多遥控信号接收器IC 相同或相似，故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。CX20106A 可用来完成遥控信号，CX20106A 是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38KHz 红外载波信号中，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(CPU)进行处理，以实现遥控操作功能，其具体引脚图如图所示。

集成电路CX20106A 内部结构图

CX20106A 的引脚注释：

（1） l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k Ω。

（2） 2脚：该脚与GND 之间连接RC 串联网络，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=4.7Ω，C=3.3μF。

（3）3脚：该脚与GND之间连接检波电容，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3.3μF。

（4）4脚：接地端。

（5）5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38KHz。

（6）6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，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22kΩ，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，4.5V～5V。

3.2.2 超声波接收电路

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CX20106A，这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。

（1）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。

（2）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。