1、同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。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。安全避免障碍物的前提是快速准确地测量障碍物与汽车的距离。在超过安全距离的时候发出报警，提醒驾驶员小心倒车。为此设计了以超声波来实现无接触测量的倒车报警系统。1.4设计内容本设计是以超声波原理为依据的倒车警示器。电路有超声波发射部分，超声波接收部分，锁相环电路，语音提示电路，功率放大电路五部分组成。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而
2、超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波发射与接收，信号放大，该设计方案具有简单易懂，实用性强，价格便宜等优点。第2章 方案比较与选择倒车警示系统可以分为很多不同的种类。低级的只能发出警示的声音，高级一点的可以报出障碍物在车尾的那个方位及与车尾的距离，驾驶员可以从显示器上看到障碍物的位置距离。做到倒车时心中有数。方案一：以单片机为核心的倒车警示器以单片机为核心的倒车警示器具有数字显示功能。在车尾距障碍物较近的时候不仅能发出警报，还能显示出车尾距障碍物的距离，净障碍物的方位。语音不报不仅仅局限于传统的“倒车，请注意。”他还可以报出障碍物的方位。如“左后方，右
3、后方”等。集成度高，安装方便。单片机输入程序，不易受外界环境因素的影响，精度高。价格比较便宜。在现在比较高级一点的车上得到广泛的应用。方案二：电磁感应倒车雷达最近在欧美又出现了一种电磁感应倒车雷达。 在一线路套上一环型的感应圈（此线圈贴 在后保险杠的内侧，车外表完全看不出有此装置），以感应车后物体的有无。此种装置价格 中等， 并且完全隐密， 算是一种好产品， 但可惜的是， 安装困难（必须卸下保险杠贴在内侧）， 而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任 何物体都不被认可。换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停止再启动后，此装置 并不会告知驾驶者后方有
4、物品贴在保险杠，此车不能再后退等。因此，实用性也相当有限。 日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波 雷达、CCD 摄像机、GPS 和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。一般消费者很难接受它的价格。图2-1 方案2的结构图方案三：传统的超声波倒车警示器传统的超声波语音播报倒车警示器，在车尾距障碍物较近时，发出“倒车，请注意”的提醒。他没有数字显示部分。依靠超声波的发射与接收来判断出车尾与障碍物的距离。及时做出报警。工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收遇到障碍 物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到遇到障碍物反射返回的时间
5、，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离。作为一种非接触式的检测方式，和红外、激光、无线电 测距相比，由于超声波具有穿透性较强、空气传播衰减小、反射能力强的特点，所以超声波测距具有在近距离范围内不受光线和雨雪雾的影响、结构简单、制作方便、成本低等优点。现已是大多数汽车上已经安装的倒车警示系统。方案一是现今已经流行起来的倒车警示器，若具有一定的条件，是一个不错的方案，但由于个人对单片机的学习不精，对于方案一的设计有相当的难度。方案二中的倒车警示器只在国外开发的很高档的车上具有，价格是大多数人不能接受的。考虑到我国还处于发展阶段，能拥有像外国人那样的高档车的人还是少数的。所以该方案的设计对于我
6、们来说实用意义不太大。方案三结构简单，安装方便，价格也为大多数消费者所接受，且是现今大多数车上安装的系统。故该设计选择方案三。所选方案框图图2-2为方案3的结构图超声波发射电路：主要作用是发射超声波信号，探测车后障碍物的距离。超声波接收电路：主要作用是接收反射回来的超声波信号，并转变为相应的电压信号。锁相环电路：将输入信号处理后输出信号供后面电路使用语音提示电路：主要作用是在探测无距车尾在安全范围外时，发出报警信号提醒驾驶员注意倒车。功率放大电路;其主要作用是放大报警信号，使报警声音更大。第3章 超声波测距原理3.1 超声波的原理及应用超声波的定义波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式
7、传播或传输到其他点上。 声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉机械波频率在 20Hz 一 20KHz，超声波是频率大于 20KHz 的机械波。在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 3.1.1超声波的物理特性1.超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象， 也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同，通常情况下，声波在空气中的传播速度约为 344m/s。2.超声波的波长很短，与发射器、接收器
8、的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体。3.能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲 极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍（如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的），超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器。4.功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。3.1.2超声
9、波的衰减从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面:1.由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大， 因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。2.由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。3.由介质的吸收引起的衰减超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏
10、部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。3.1.3超声波的波形 由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，这就可产生不同类型的声波，超声波的波形主要有以下几种。1.纵波： 当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时，此种超声波为纵波波型，以 L 表示。任何介质，当其体积发生交替变化时均产生纵波。由于纵波的产生和接收都较容易，所以纵波在超声波检测中得到了广泛应用。2.横波： 当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时，此种超声波为横波波型，以 T 表示。因为液体和气体中缺乏横向运动的弹性力，所
11、以横波不能存在，只有纵波才能存在，但在固体中纵波和横波都能存在。3.表面波：瑞利于1887年首先研究和证实了表面波的存在，因此称为瑞利波，用字母R表示。表面波是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性的波。其振动质点的轨迹为一椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向，随着深度增加很快衰减，离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅很微弱。表面波的传播速度，只与介质的弹性性质有关，与频率无关。4.板波： 板波亦称拉姆波，板波只产生在大约一个波长的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度。薄板两表面的质点振动是纵波和横波成 分之和，运动轨迹为椭圆形，长轴于
12、短轴的比例取决于材料的性质。板波可以分为对称型和非对称型两种。3.2 测距原理3.2.1超声波的传播速度 声波的传输需要一种媒质，声波在媒质中的传播速度，称为声速。由声波产生的物理过程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形式和能量的传递，并不把在各自平衡位置附近振动的媒质点传走。某种媒质中的声速主要取决于该媒质的密度和温度。由于空气没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中声波的传播形式只能是纵波。也就是说，在声扰动下，气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动，形成稠密和稀疏依次交替的传递过程，而且质点运动的方向与声波传播的方向一致。声波在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说
13、超声波的传播速度听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声波具有更好的定向性，并且可以穿透不透明物质。在空气中超声波传播速度主要与温度有关，在空气中的传播速度 C为: C=331.4* 1+ T/273 式中，T 为环境温度。3.2.2超声波的测距原理 图3-1超声波测量距离原理示意图超声波测量距离的原理可用上图示意，简单描述为：超声波发射器定期发送超声波，超声波经接收器接收并转化为电信号，测量声波在遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式表示为：L=C（T /2 ）
14、（1）L为被测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T/2为发射到接收之间时间数值的一半）。这样只要测出发射和接受之间的时间差T，即可求出距离。3.3超声波传感器1.超声波传感器的特性：在自身特性谐振点40KHZ附近可获得较高的灵敏度。谐振带宽，波束角可以通过制作工艺获得很窄，有利于抗声波干扰设计。不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰设计。超声系统成本低，性能稳定可靠，应用前景好。2. 超声波传感器组成超声波传感器由发送传感器（或称超声波发送器），接收传感器（或称超声波接收器），控制部分与电源部分组成。发送传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器
15、组成,发送传感器的陶瓷振子也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子.控制部分主要对发送器发出脉冲链频率，占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。图3-2超声波传送过程倒车捡测障碍系统超声换能器的工作方式为反射式,即发送传感器换能器发射40KHz频率的超声波,遇到障碍后反射被接收传感器的换能器接收并转换成电信号,见图所示. 其传播介质为空气.第4章 超声波发射电路4.1超声波发射电路工作原理 4.1.1 工作原理 该电路中的超声波发射器B1发射超声波经一个晶体管V1（该晶体管选用硅NPN型晶体管，如S9013，S8050等型号）放大发出，遇到障碍物就反射给超声波接收器B2。B1上面接一个电位器RP
16、，调节电位器RP的值，可以改变超声波发射器件的辐射功率，改变车后障碍物的检测距离。 超声波发射器要想发射出超声波信号必须有一个振荡器来产生振荡信号。所以IC2与其5脚、6脚外接的阻容元件R4和C4组成4OkHz振荡器，产生的振荡信号从lC2的6脚输出，经Vl放大后，推动超声波发射器Bl辐发射出超声波信号。4.1.2 压电原理 压电元件：是利用压电效应制成的电子元件，常见的如石英晶体，声光表面波滤波器，陶瓷滤波器，陶瓷陷波器等等。这些元件的共同特点是：体积小，重量轻，频带宽，抗干扰性好且不用调整。压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表
17、面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。图4-1 超声波发射电路4.2元件选择4.2.1 UCM-T40K1简介 UCMT40K1 压电陶瓷超声波传感器1.压电陶瓷超声波换能器（超声波传感器）体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电
18、产品、电子玩具加速更新 换代，提高市场竞争能力。2.技术参数灵敏度：70dB / V / ubar谐振频率：40KHZ1KHZ（UCMT40K1发射用） 频 带 宽：2KHZ0.5KHZ外形尺寸：16mm22.5mm3.使用环境 温 度：20 + 60 相对湿度：20 5时达98%4.使用注意事项两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动。不宜与腐蚀性物质接触4.2.2 LM567简介LM567 为通用锁相环电路音调译码器各引脚功能：1、2脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。2脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带
19、宽越窄。1脚所接电容的容量应至少是2脚电容的2倍。3脚是输入端，要求输入信号25mV。 5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f21/1.1RC。 8脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。 LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。图4-2LM567引脚示意图LM567总体功能：其功能有很多，主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。而在这里只用到了振荡：当LM567的3脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，8脚由高电平变成低电平，2脚
20、输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的2脚输入音频信号，则在5脚输出受2脚输入调制信号调制的调频方波信号。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要参数：工作温度范围:0C to +70C SVHC（高度关注物质）:No SVHC （18-Jun-2010） 封装类型:SOP 电源电压 最大:9V 电源电压 最小:4.75V 表面安装器件:表面安装 封装形式:最高频率:500kHz 电源电流:10mA 输入电压 最大:9V 输出数:1 输出电压 最大:1V 输出电流 最大:0.1A 针脚数:8 4.2.3 S9013简介 S9013是NPN型三极管，放大倍数分为六级，在三极管上有标识
21、：D级：64-91E级：78-112F级：96-135G级：112-166H级：144-220I级：190-300第5章 超声波接收电路5.1超声波接收原理 当在车后方无车辆及其他障碍物（指距车尾部5m左右的范围内）时，超声波接收器B2接收不到超声波信号，IC1的3脚大于2脚，这时IC1相当于比较器，IC1的6脚输出低电平，IC2的3脚输入低电平，IC2的8脚输出高电平。当在车后方无车辆及其他障碍物时，超声波接收器接收到超声波信号，经过R1IC1的2脚大于3脚，这时IC1是一个放大器，IC1为负反馈放大，放大倍数为输出电压与输入电压的比值。IC1的6脚输出高电平，IC2的3脚输入高电平，IC2
22、的1脚和2脚上的电容把这个信号滤波，经IC2内部电路译码处理后，IC2的8脚输出低电平；IC2与其5脚与6脚外接的阻容元件R与C组成40KHZ的振荡器，产生的振荡信号从IC2的6脚输出，经V1放大后，推动超声波发射器B1辐射出超声波信号。图5-1超声波接收电路图超声波接收电路包括超声波接收器和锁相环两部分。5.2元器件选择B2选用两只超声波专用接收器件UCMR40K1（并联使用 UCMR40K1 压电陶瓷超声波传感器一、压电陶瓷超声波换能器（超声波传感器）体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加
23、速更新 换代，提高市场竞争能力。二、技术参数38KHZ1KHZ（UCMR40K1接收用） 三、使用环境温 度： 四、使用注意事项不宜与腐蚀性物质接触。运算放大集成电路IC1选用A741 图5-2 A741引脚示意图它是八脚双列直插式组件，脚和脚为反相和同相输入端，脚为输出端，脚和脚为正、负电源端，脚和脚为失调调零端，脚之间可接入一只几十k的电位器并将滑动触头接到负电源端。 脚为空脚。说明：为提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器rw，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器rw，用直流电压表测量输出电
24、压u0，细心调节rw，使u0为零（即失调电压为零）。5.3 锁相环电路部分图5-3 锁相环电路5.3.1锁相环电路介绍锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同
25、一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地 80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面：第一 信号的调制和解调；第二 信号的调频和解调；第三信号频率合成电路。5.3.2锁相环的工作原理：压控振荡器的输出经过采集并分频,和基准信号同时输入鉴相器；鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压,控制VCO，使它的频率改变；这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入
26、信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率FV进行自由振荡。当有频率为FR的参考信号输入时，UR 和UW同时加到鉴相器进行鉴相。如果FR和FV相差不大，鉴相器对进行鉴相的结果，输出一个与UR和UV的相位差成正比的误差电压Ud，再经过环路滤波器滤去Ud中的高频成分，输出一个控制电压UC，UC将使压控振荡器的频率FV（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使FV=FR ，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。环路的锁定状态是对输入信号的频
27、率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。5.4元器件选择 锁相环电路选用LM567或NE567，NE567的引脚功能在前面已经介绍，NE567基本可以用LM567代替。NE567是具有同步调幅锁定捡测和功率输出性能的高稳定性锁相环电路 。它的主要功能是一旦输入信号的频率在它检测范围内时能驱动负载它的带宽中心频率和输出延时可由四个外围元件独立确定。NE567的基本组成：锁相环、直角相位检波器（正交鉴相器）、放大器和一个输出晶体管。锁相环内则包含一个电流控制振荡器（ CC0）
28、、一个鉴相器和一个反馈滤波器。对双列直插式8脚封装的锁相环NE567，它的典型连结固如图所示。 第6章 语音提示电路61电路工作原理当V2截止时，IC3的5脚没有工作电压而不能工作，IC3的4脚输出低电平，IC4的3脚输入为低电平， 5脚输出为低电平，扬声器BL不响；当V2导通时，电流经过稳压管VS稳压，然后IC3的5脚获得工作电压而进入工作状态，IC3的4脚输出语言电信号，经IC4放大后，通过扬声器BL发出响亮的“嘟嘟，请注意。”的语音提示声。图6-1 语音提示电路6.2电路组成语音提示电路由晶体管V2，语言集成电路IC3，音频功率放大集成电路IC4和有关外围元件组成。V2选用硅PNP型晶体管。如S9015，C8550等型号。6.3 元器件选择6.3.1 LM386介绍IC4选用LM386集成功率放大器，LM386的外形和引脚的排列如图所示。
