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1、2012届毕业生毕业设计说明书题 目: 基于AVR单片机的汽车倒车防撞装置设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自动F0805 学生： 建伟 学 号： 6 指导教师： 臧 义 教师职称： 副教授 2012 年 05 月 29 日目 次第1章 引 言11.1 课题设计的背景及意义11.2 课题设计的研究现状1第2章 系统分析22.1 超声波测距技术简介22.2 本设计系统方案22.3本文主要工作3第3章 系统硬件电路设计43.1 核心控制器43.2 电源电路43.3 超声波发射与接收电路53.3.1 发射驱动电路53.3.2 接收电路63.4 信号放大及选频电路73.4.1信号放大电路73
2、.4.2 由带通虑波器构成的信号选频电路83.5 检波电路103.6 显示器电路113.7 报警电路123.8 系统PCB设计与制作133.9 本章总结14第4章 系统软件设计154.1 超声波测距程序设计154.2 显示程序设计164.3 蜂鸣器报警程序设计184.4 本章小结20第5章 系统调试与结果分析215.1 硬件调试215.2 软件调试215.3 综合调试225.4 本章小结22第6章 结束语24第7章 致 25参考文献26附录A：系统电路原理图27附录B：实物图28第1章 引 言1.1 课题设计的背景及意义随着人们生活水平的提高及生活节奏的加快，私家汽车越来越在大众家庭普及，汽车
3、行业的兴起必然会带动与之相关行业的发展。在目前市场，汽车安全电子和汽车娱乐电子正在蓬勃发展。因此，研究以汽车为核心的汽车安全电子、汽车娱乐电子等电子产品的设计，必定会成为人们所追崇的行业。1.2 课题设计的研究现状目前市场上使用较多的测距技术主要是非接触式测距技术。超声波测距属于非接触式测距技术，类似的非接触式测距技术还有雷达测距、激光测距和CCD 探测等。其中，CCD 探测具有能够获得大量场景信息、不需要信号发射源、使用方便等优点，但是，由于通过视觉效果不能够目测出物体距离探头的具体距离位置，因此，其测量效果不是太好。而雷达测距具有不受雨雾天气影响的特点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有快速
4、、准确、稳定的特点，但其成本太高、数据处理相对复杂。综合比较这几种测距方式，超声波测距技术具有成本低、使用围广、实时性强等优点。在近距离围，可以用来直接测量目标，并且不受光线、烟雾、电磁干扰等因素的影响，且覆盖面较大，纵向分辨率高，方向性强。目前，超声波测距已经普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景比较广阔。第2章 系统分析2.1 超声波测距技术简介目前，基于超声波技术的测距方法主要有三种：渡越时间检测法、声波幅值检测法和相位检测法。渡越时间检测法相对比较简单，它是根据超声波从发射到接收所用的时间t（即渡越时间）来计算距离的，距离，其中为声速，该方法在软、硬件上都比较容易实现
5、。假设超声波探头在X1时刻发射超声波，经过反射物反射后被超声波探头接收到的时刻为X2，则（X2-X1）/2得出的是超声波从发射器到反射物的单程传播时间，假设X2-X1=0.06S，则距离为340m/s x 0.03S=10.2米。这就是超声波探头与反射物体之间的单程距离。测距原理图如图2.1所示。图2.1 超声波测距原理图2.2 本设计系统方案本设计的系统方框图如图2.2所示，其系统主要由超声波发射、回波信号接收、信号放大与选频、LED显示和报警等模块构成。整个系统由Atmega48单片机控制，软件产生40KHZ的超声波信号经过超声波发射器发射后在空气中传播，遇到障碍物后发生反射，反射波再按原
6、路返回给超声波接收器并装换成相应的电信号，经滤波、放大、整形后，将所得到的模拟信号输入到单片机的A/D转换端口进行AD转换，之后将A/D转换值与设定的A/D比较值进行比较，若A/D转换值大于A/D比较值，即采集到有效反射波信号，此时产生中断，计数器停止计数。此时假设单片机计数器记得的脉冲数为N，则通过单片机程序算法计算出对应的测量时间t，再由 (c为声速)求出所得障碍物距离。图2.2 系统方框图2.3本文主要工作本文主要任务是根据超声波测距原理构建基于AVR单片机的汽车倒车防撞装置，研究汽车倒车雷达系统的稳定性、测量准确度和测量精确度的提高方法，改进系统部分电路，提高系统的综合性能。本文主要容
7、如下：(1) 研究超声波发射原理，设计超声波发射电路，提出改进传统超射波发射电路中发射功率不够的方案。(2) 研究信号放大与信号选频的原理，设计模拟信号放大电路及信号选频电路，提出改进措施。(3) 编写相应程序，实现基本的超声波测距功能，并对相应程序进行改进优化，使整个系统达到工作可靠、测距准确、使用方便的性能。(4) 对全文进行总结，并分析本设计的后续研究方向，做出进一步的探讨。第3章 系统硬件电路设计通过前两章的介绍，我们已经知道本设计所要解决的问题以及通过本设计所要实现的功能。本章将主要介绍系统的设计方案以及各模块元件的选型。3.1 核心控制器本设计中选用了AVR系列微控制器中的ATme
8、ga48作为其核心控制器件。ATmega48 控制器最小系统由电源、退偶电路、控制器系统复位电路、振荡电路和调试接口电路组成，如图3.1所示。图3.1 微控制器最小系统ATmega48采用低电平复位，上电的瞬间，电容C12对地短路，ATmega48复位引脚通过R2接地实现低电平复位。之后随着电容C2的充电结束，电容C2对地断开，ATmega48复位引脚通过R1、R2接电源高电平，完成复位。3.2 电源电路电源电路主要是为系统提供电压稳定的电源，使用较多的是集成稳压电路。本设计选用最常用的集成稳压电源电路，它具有工作性能稳定、可靠的特点，满足本系统设计的要求。电源电路IC选用最大输出电流为0.5
9、A的集成稳压器LM7808和LM7805作为稳压芯片，如图3.2所示。图3.2 电源电路图中C2，C5，C6，C3，C4，C7为滤波电容。以LM7808为例，C2，C3用以抑制过电压，进一步减小输入电压纹波，抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡；C4，C5用以改善负载的瞬态响应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。C3，C4，C7一般选涤纶电容，容量为0.1F至几F。3.3 超声波发射与接收电路超声波发射与接收原理示意图如图3.3所示：图3.3 超声波发射与接收原理示意图3.3.1 发射驱动电路为了提高超声波测量的距离，必须增加发射驱动电路来提高发射功率。以往资料中的发射
10、电路的设计直接用非门构成发射驱动电路，如图3.4所示：图3.4 由非门构成的发射驱动电路由于由非门构成的驱动电路属于电流驱动，导致发射功率受限，反射波信号随距离的增大衰减过快，当测量较大距离（大于2米）时，反射波信号几乎衰减至零。因此，为了减少信号衰减，解决发射功率不够的问题，本设计中的超声波驱动电路采用中周变压器来提高发射功率。设计电路如图3.5所示。图3.5 超声波发射与接收电路其中，Q1在发射超声波时导通，使中周的初级线圈对地短路，从而产生较大的电流，Q1通过单片机PB0脚进行控制。在发射电路中，变压器的次级线圈与超声波发射探头（发射探头为容性，一般为左右）构成谐振回路，这样提高了超声波
11、发射器的发射效率，但是由于发射超声波后线圈持续振荡引起的余波时间较长，导致近距离的回波信号被淹没，这段时间由于无法检测超声波传播距离，从而出现盲区。因此，为了减小盲区，即尽快让余振衰减到零或足够小，在中周变压器次级线圈处并联一个阻尼电R3，阻值不能太小，导致衰减效果不明显，一般为几千到几十千欧姆，本设计选为10K。本设计中所采用的中周变压器T1的升压比为1:12，在发射40KHZ波的时候，中周变压器的初级线圈所加直流电压为8V，经过升压后，次级线圈所得到的电压峰峰值可以达到100V以上。在本设计中由于采用的是收发同体的超声波传感器，所以在发射40KHZ波的时候，发射信号也会通过过渡电阻R4到达
12、第一级三极管放大电路进行信号放大。电阻R4将第一级放大电路中三极管基极的信号幅值限制在安全围以，同时又不能影响接收到的反射波信号的传输。R4一般选为1K到30K之间，本设计选为10K。3.3.2 接收电路大多数资料中接收电路通常采用红外线检波接收的专用芯片CX20106，如图3.6所示：图3.6 基于CX20106的接收电路基于CX20106芯片的超声波接收电路具有硬件电路接法简单、使用方便的特点，但是该芯片不具有通用性。考虑到芯片及电路的通用性、性价比等各方面的综合因素，本设计信号放大与信号选频电路采用常用的运放电路构成，接收电路选用收发同体的超声波探头，如3.3.1节中图3.5所示。在接收
13、电路中，电阻R3和中周T1的次级线圈构成了LR选频电路。J2处的超声波探头接收到反射波后，传感器部的两压电晶片会产生共振，输出振幅微小的正弦波。对于只有-70分贝的回波小信号，超声传感器也能产生感应，所以感应产生的电压也是很小的，只有微伏级，一般的测量工具（如示波器）是看不出来的。反射波信号通过LR选频后，通过电阻R4传输给下一级放大电路进行放大。3.4 信号放大及选频电路通过接收电路接收到的反射波信号是振幅极其微小的正弦波信号。一般的测量工具是看不出来的。这么小的电压信号，必须经过放大后才能被后面单片机采集到，本设计采用了三级放大，分别为三极管放大和运放电路放大，第三级采用带通滤波器主要用于
14、信号选频，三级放大电路理论放大倍数约为2030万倍。信号放大及选频电路如3.4.2节图3.9所示。3.4.1信号放大电路信号放大电路的第一级选用NPN型三极管（C945）对反射波信号进行初级放大，如图3.7所示。由C945组成最基本的具有电压负反馈的共射极放大电路，其中C945的放大倍数，R8为电压负反馈电阻。在第一级放大电路中引入负反馈网络，能够有效地抑制信号形成自激震荡。D3为续流二极管，防止三极管C945基极电压过低导致三极管发射结反相击穿。调节发射极的可调电阻R35，可以抑制温漂。图3.7 第一级放大电路3.4.2 由带通虑波器构成的信号选频电路带通滤波器是一种专门设计的数字、电子或机
15、械系统，它可以抑制一定频带间隔外的所有信号，而频带的信息通过时基本上不改变。标准带通滤波器电路如图3.8所示。图3.8 标准带通滤波器电路该电路的中心频率：0 = (3.1)中心频率处的电压增益：H = (3.2)电路的品质因数： Q = (3.3)Q值越大,电路的选频特性越明显。本设计中的信号放大与选频电路设计如图3.9所示。由于单片机的A/D转换引脚采集信号时所需的信号电压围为05V，所以为了使反射波信号能够完全精确地被单片机引脚采集到，在设计电路的时候，需对图3.8标准带通滤波器电路进行改进，使信号从运放的反相输入端输入，同相输入端接2.5V基准电压，这样就保证了所采集到的信号电压在2.5V基准电压的基础上变化，如图3.9所示。根据第3.4.2节中的公式（3.1）、（3.2）、（3.3）可计算出本设计中带通滤波器的中心频率、中心频率处的电压增益及品质因数。图3.9 放大与选频电路
