高等职业学校
毕业设计
姓名：
学号：
系部：
专业：机电一体化
设计题目：单片机控制鸡雏恒温孵化器
指导教师：
职称：高级讲师
2012 年 5月
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
任务书
系部专业年级学生姓名
任务下达日期：2011年 12 月 19日
毕业设计日期： 2011 年 12月19日至 2012 年 5月19日
毕业设计题目：单片机控制鸡雏恒温孵化器
毕业设计专题题目：单片机控制鸡雏恒温孵化器
毕业设计主要内容和要求：
本设计的内容是恒温控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。随着电究所子技术的发展，微处理器、集成电路不断更新、发展，温度是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关，因此，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。
系主
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摘要
研究了基于单片机的超声测距倒车雷达。它主要是为了降低汽车倒车时的碰撞事故。根据渡越时间测距原理，采用Atmega8单片机为主控制器，并对测距误差进行了分析，雷达测距范围为0.2~5.0米，最大测量误差不超过8cm，它能增加汽车的后视能力，有效的减少交通事故，具有重要的现实意义。
关键词：超声测距；单片机；倒车雷达
目录
1 引言.................................................................................................................................................................................................. １
2 超声波倒车雷达简介 ............................................................................................................................................................... ２
2.1倒车雷达................................................................................................................................................................................ ２
2.2超声波..................................................................................................................................................................................... ２
2.3超声波测距的原理 ............................................................................................................................................................ ２
2.4倒车雷达性能指标 ............................................................................................................................................................ ３
2.5影响倒车雷达性能的因素 .............................................................................................................................................. ３
2.5.1 测量精度....................................................................................................................................................................... ３
2.5.2 探测范围....................................................................................................................................................................... ４
3 倒车雷达的电路结构 ............................................................................................................................................................... ５
3.1超声波发送模块 ................................................................................................................................................................. ５
3.2超声波接收模块 ................................................................................................................................................................. ５
3.3语音电路设计...................................................................................................................................................................... ６
4 倒车雷达的电路实现 ............................................................................................................................................................... ７
4.1超声传感器的参数选择 ................................................................................................................................................... ７
4.2总体结构................................................................................................................................................................................ ７
4.3基于单片机的硬件实现................................................................................................................................................... ８
4.3.1 超声波发射电路 ........................................................................................................................................................ ８
4.3.2超声波接收电路..................................................................................................................................................... １０
4.3.3 温度测量电路 ........................................................................................................................................................ １１
4.3.4 显示及报警电路 ................................................................................................................................................... １２
4.4超声波测距的倒车雷达软件设计.......................................................................................................................... １３
5 倒车雷达超声测距的误差分析....................................................................................................................................... １６
6 结论............................................................................................................................................................................................. １７致谢.................................................................................................................................................................................................. １８参考文献........................................................................................................................................................................................ １９
1 引言
近年来，随着汽车产业的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国汽车数量正在逐年增加，即使在世界经济危机的阴影下，国内汽车的销售也并未遭受过多影响。而这其中，非职业的驾驶员比例也在不断提高。在公路、街道、停车场、车库等拥挤狭窄的空间倒车时，汽车的碰撞事故发生概率也大比例增加。因此增加汽车的后视能力，研制汽车尾部障碍探测的倒车雷达成为近年来汽车销售市场的一块蛋糕，竞争激烈。安全避免与障碍物碰撞的前提是快速准确的测量汽车与障碍物的距离。
超声波测距是利用声波特性来实现非接触式距离测量，其应用范围很广，如检测、定位、探伤等。超声波由于不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，并且由于其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等特点在各测距方面已经有了广泛应用。
本文首先介绍超声波测距的原理，然后给出基于Atmega8单片机的电路软硬件设计，并对其进行测距误差分析，然后给出结论。
2 超声波倒车雷达简介
2.1 倒车雷达
倒车雷达（Car Reversing Aid Systems ）的全称是“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，只需在汽车倒车时工作，将汽车后方的信息及时反馈给驾驶员，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊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视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。
2.2 超声波
超声波是频率高于20KHz 的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射一系列连续脉冲，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。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受空气影响较大，不能精确测距。另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。
2.3 超声波测距的原理
由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。利用单片机产生40Hz 的工作频率，经过超声波发射器发射，遇到障碍物返回被超声波接收器接收后，经过接受检测装置对接收信号进行处理，由单片机计算超声波发射器到障碍物之间的距离，将计算结果送至显示器显示，并驱动蜂鸣器按距离的远近发出不同的节拍提示音。
目前，超声测距有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现。故超声波测距原理一般采用渡越时间法。其原理是超声波传感器发射超声波，超声波在空气中传播至障碍物，经反射后由超声波传感器接受反射脉冲，测出超声脉冲从发射到接收的时间，再乘以超声波在空气中的速度就得到2倍于声源和障碍物之间的距离，即：
D=c.t/2
本式中，D 为超声传感器与障碍之间的距离，c 为超声波在空气中的传播速度,t 为超声波从发射到接收所经过的时间，t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。超声波在空气中的传播速度为c o O
T c T =?。
其中T为绝对温度值，
T=273.15k, 0c=331.4m/s。在测量精度不是很高的情况
下,一般可以认为c为常数。由于温度影响超声波在空气中的传播速度;超声波反射回波又很难精确捕捉,致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素是使用超声测距引起误差的原因。
2.4 倒车雷达性能指标
通常衡量倒车雷达性能的指标有以下几个方面：一是衡量精度，不仅要求倒车雷达具有高的分辨率，而且还要有低的衡量误差；二是探测范围，好的倒车雷达探测盲区少，探测范围宽；三是响应时间，这要求倒车雷达能够快速的测量出障碍物的距离，及时地提醒驾驶员障碍物的方位和距离。
2.5影响倒车雷达性能的因素
2.5.1 测量精度
影响超声波测距精度通常有以下几个方面：
（1）温度的影响
在超声波测距中，声速是测量的基准。而在空气介质中，声速受温度、湿度、大气压等因素的影响，其中温度影响最大，因此应对其进行补偿，补偿公式为c=331.5+0.60T。式中：c—声速，m/s；T—环境摄氏温度，℃。
（2）回波包络起伏影响
由于障碍物的远近、超声的入射角度、反射介质等方面的不同，使得接收换能器所获得的回波幅度相差非常大。例如同样的障碍物，位于接受探头0.2m和2m，其回波包络的幅度要相差上百倍；或者相同距离、相同材质的障碍物，由于有效反射面积的不同，其回波幅度也会相差很大。使用单一电平阀值时，若设置的阀值过高，则可能使较微弱回波漏触发；若阀值过低，则可能出现测量误差。
为了克服回波包络起伏带来的不利影响，可以采用可变阀值或归一化回波包络的方法来解决。这种方法分两步来实现：第一步，首先发射一段超声波，然后测量回波包络的幅度，并记录下回波包络的最大峰值；第二步，再发射一段超声波，然后接收回波，利用上一步记录的回波峰值乘以一个比例因子后，作为本次测量的触发电平阀值，这样就可以保证每次测量的触发时刻位于回波的相同位置。或者在第二次接收回波的过程中，利用第一次记录的回波峰值去控制接收放大电路的自动增益控制电路（AGC），使得第二次接收回波的幅度保持基本恒定，这样在触发电平阀值固定的情况下，也能保证每次测量触发时刻的一致性。由于这种方法需要测量回波的峰值，不仅使得测量电路变得复杂、增加了成本，而且，在障碍物较近时，回
波峰值测量的误差很大，甚至无法测量。这是因为，倒车雷达为了保证足够远的探测范围，在超声波发射时，都以最大的功率进行发射，以便远处障碍物也能有足够的回波强度。但在障碍物较近时，由于回波强度大大增加，使得经放大后的回波信号处于严重的饱和与截止状态，这样就无法测量回波的峰值大小。
2.5.2 探测范围
影响倒车雷达探测范围的因素有环境噪声、超声发射部分和接收部分。由于汽车使用环境的复杂性，所以环境噪声我们无法控制。因此我们只有通过控制超声波的发射和接收来扩展雷达的探测范围。
提高接收电路的灵敏度可以增加探测范围，但是灵敏度的提高收到环境噪声的限制，如果灵敏度过高，那么环境噪声和汽车本身的各种噪声会造成接收电路无法正常工作。加大发射功率能够增加探测距离，但发射功率的增加收到超声探头及成本的限制。当障碍物较近时，大的发射功率使得超声波在汽车和障碍物之间来回多次反射，不仅使近处的障碍物无法测量，而且会干扰其他通道的测量，此外使得探测近端的盲区增加。
另外，还可以通过双频超声波测距法来增加探测范围，该方法利用两组探头来扩展探测范围。一组探头工作在高频小功率条件下，用来探测近距离障碍物；另一组探头工作在低频大功率条件下，用来探测远距离障碍物，显然这种双探头法增加了电路的复杂性，也给实际工程应用带来了不便。
3 倒车雷达的电路结构
Atmega8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款AVR单片机。在AVR家族中，Atmega8是一款非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了大容量的寄存器和丰富的硬件接口电路，采用小引脚封装，价格却与低档单片机相当，同时具有在线编程性能，是AVR高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性价比最好的品种。
3.1 超声波发送模块
为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头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40K Hz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在100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用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，但缺乏灵活性。
3.2 超声波接收模块
超声波接收器包括超声波接受探头、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，关键是频率必须一致，否则将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放大。正弦波信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。
超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在1mV-1V之间。不同接收探头的输出信号强度存在差异。由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：一是放大增益要大，以适应小信号时的需要；二是放大增益能变化，以适应信号变化范围大的需要。另外，由于输入信号为正弦波，因此必须将放大电路设计成交流放大电路。
3.3 语音电路设计
语音报警是指当倒车雷达探测到的距离小于所设定的安全值时，发出声音提醒驾驶员，语音电路设计如图所示。M3720是单一闪灯报警音效集成电路，芯片中存储一种报警音效，可直接驱动蜂鸣器放音，同时还能驱动一只LED闪烁。
4 倒车雷达的电路实现
4.1超声传感器的参数选择
由超声波在空气中传播的波动方程
)2cos()2cos()(),(2x t e A x t x A t x A x o λπωλπωα-?=-?=-
可以看出：超声波在空气中的传播距离达到12α时,超声波的振幅衰减为原来的1e 。超声波频率越高，衰减越严重，可检测的距离范围越小。另外,超声波频率增高会产生较多的旁瓣,引起近场的干涉。但是,超声波频率越高,发射的超声波扩散角越小,波束越细,指向性越好。根据超声波的传播特性、倒车测距的距离范围要求、以及可购买到的传感器的性价比等因素,我们一般选择40～50KHz 频率，带宽为1KHz 的超声传感器,波束角一般不大于30度。发射头的最大余震时间为0.5～1.2ms 。另外,也要考虑传感器的结构、车载的特点、易于安装、可靠性好等因素。
4.2 总体结构
由以上的分析可得，用固定的超声发射功率来获得高的测量精度，同时又要有足够宽的探测范围，是有一定难度的。实际上我们可以主动的控制超声波的发射功率：对于距离远或反射能力小的障碍物，增加发射功率，反之减小发射功率。通过适当的发射功率控制，使得回波经放大电路放大后，其幅值稳定在一定的数值上。这样，采用固定的触发电平阀值，就可以保证测量触发时刻的一致性，从而保证了测量精度，这样就避免了可变阀值法或归一化回波包络法的缺点。
超声波测距倒车雷达的组成结构如图4.1所示。单片机产生40kHz 的5V 脉冲信号，然后由幅度控制电路将其衰减到适当的幅度，最后经过功率放大与阻抗匹配后送到超声波发射电路发送出去。超声波遇到障碍物后产生回波，经超声传感器接收，再经过包络检波电路送入滤波放大器，放大后的信号与电压比较后由单片机进行检测，单片机将检测结果作为下一次超声波发射幅度控制的依据，同时计算障碍物距离并显示输出结果。
发射超声波测量延迟及脉宽
开始接收回波脉
冲？置脉宽为0，
延迟为最大
大于期望脉
宽？
减小发射功率
设置数字电位器
增加发射功率
初始化，设初值
N Y Y
N
图4.1 超声测距电路原理图
4.3 基于单片机的硬件实现
倒车雷达系统主要是由超声波发射电路、超声波接收电路、温度测量电路及显示报警电路构成。
4.3.1 超声波发射电路
超声波发送脉冲如图4.2所示，40KHz 的超声波发送脉冲信号由单片机Atmega8的PB0口送出。其脉冲宽度及脉冲间隔均由软件控制。脉冲宽度约为125us ～200us ，即在一个调剂脉冲内包含5～8个40KHz 的方波，脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统由四路测距通道，采用分时工作，按左、中、右的顺序循环测距。若在有效测距范围内有被测物的话，
则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发出的反射波，否则认为前一路无被测物。因此按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔送时间。例如：最大测距范围为5m 时，脉冲间隔时间t=2s/v=2*5/340=30ms ，实际应取t>30ms 。
图4.2 超声波发射波形图
在单片机控制下，使脉冲发生器输出超声波，脉冲发生器由555构成，其结构由图4.3所示。Ra=R1+Ra`,Ra=R2+Rb`。且T1=0.693RaC,T2=0.693RaC。通过调节Ra和Rb的阻值，实现输出波形的占空比的可调。但是，这里需要50%占空比的方波，因此调节滑动变阻器，使T1=T2，频率的计算公式为f=1.443/(Ra+Rb)C。合理选择R、C可使超声波获得40kHz的输出脉冲。
图4.3 占空比可调的脉冲振荡电路
该超声测距电路的关键是超声波的发射功率能够根据使用环境进行自动调整，也就是说发射信号的幅度是可控的。幅度控制电路是由美信公司的数字电位器MAX5407来实现，如图4.4所示。
图4.4 幅度控制电路
MAX5407为对数型数字电位器，衰减步长为1dB，电位器的H、L和W分别为
电位器电阻的高端、低端和滑动端，CS和U/D为电位器的滑动抽头控制引脚，由单片机的PD6和PD7控制。单片机产生的40kHz、5V脉冲信号由PD5输出，该信号加在数字电位器电阻高端，数字电位器的低端搭铁，滑动抽头为衰减信号输出，衰减后的信号经电压跟随器缓冲后形成信号CLK_OUT，该信号作为下一级功率放大器的输入信号。
4.3.2超声波接收电路
因为超声波测距只适用于近距离，当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号也相对比较微弱，因此接收端应先设置一个放大电路，然后通过检波电路对其输出信号进行解调，最后对检波输出信号进行比较整形。超声波接收电路需要考虑以下几个方面：
（1）环境噪声、干扰、温度等影响
由于超声回波信号非常微弱并含有噪声，信噪比较小。为了增加接收电路的稳定性、提高信噪比，接收电路使用了2级滤波放大。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，2级滤波放大电路采用相同的结构，其电路结构如图4.5所示。
图4.5 滤波放大电路
（2）比较整形
图4.6示出比较整形电路，首先在静态下测量距离等于5m，检波器的输出电压
值（该电压同样是经过放大检波电路得到的），并以此电压值作为比较器的参考电压Ua，比较器选用LM339，具有失调电压小、电源电压范围宽的优点。其单电源电压为2～36V，双电源电压为-18V～+18V，而且对比较信号源的内阻限制较宽。对于LM339来说，当两个输入端电压差大于10mV时，就能确保其输出从一种状态可靠的转换到另一种状态。因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。一般情况下，比较电路的输出波形的上升沿和下降沿都有延时，可在其后面加一个与门，以改善输出特性。将比较整形电路的输出送到单片机，对脉冲计数，得到渡越时间。
图4.6 整形电路
4.3.3 温度测量电路
目前，大多数温度测控系统在检测温度时，都采用温度传感器将温度化为电量，经信号放大电路放大到适当的范围，再由A/D转换器转换成数字量来完成。这种电路结构复杂，调试繁杂，精度易受元器件参数的影响。为此，利用一线性数字温度计即集成温度传感器DS18B20和单片机，构成一个高精度的数字温度检测系统。DS18B20数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直接读出被测温度值，并且可以根据实际要求，通过简单的编程，实现9～12位的A/D转换，因而使用DS18B20可使系统结构更简单，同时可靠性更高，可保证高的测量精度。
图4.7 DS18B20温度检测电路
4.3.4 显示及报警电路
语音报警电路是指当当车雷达探测到的距离小于所设定的安全值时，发出声音提醒驾驶员，语音电路的设计如图 4.8所示。M3720是单声一闪灯报警音效集成电路，芯片内存储一种报警音效，可直接驱动蜂鸣器发声或经外接功放三极管推动扬声器放音，同时还能驱动一只LED闪烁。该芯片各引脚功能为：5脚VDD，1脚VSS 分别接电源输入端与负端，VDD电压为3～3.5V；8脚X和7脚Y分别为芯片外接震荡电阻器；6脚TG为触发控制端，低电平触发有效；3脚BZ和2脚BB分别为报警器音效输出端，可直接外接压电陶瓷蜂鸣器，如果驱动扬声器则由3脚BZ端引出；4脚L为闪灯输出端，可直接驱动LED发光。
图4.8 显示及报警电路
4.4 超声波测距的倒车雷达软件设计
在软件上，单片机需要进行一定的运算来计算障碍物的距离，更重要的是要准确地控制数字电位器来改变超声波的发射功率，而控制的依据是回波包络的幅度。当然可以通过A/D转换器来测量回波的幅度，但是这样需要对回波包络进行连续的采样，并且在回波幅度过大时，也无法得到回波幅度的准确值。
实际上，我们并不需要知道回波幅度的准确值，只需知道回波的幅度比期望的值是大了还是小了，以便下次减小或增加发射功率。由图6可以看到，当触发电平阀值一定时，回波脉冲的有效脉宽（回波幅度大于电平阀值的持续时间）与回波幅度成正比关系，这样只需要测量回波的脉宽，就能知道上一次发射的超声波功率是大了还是小了，因此可以把脉冲宽度作为调整发射功率的依据。
采用自动功率控制的另一个好处是：不仅能够测量障碍物的距离，而且还能大致判断回波的强度。因为在距离相同的条件下，如果需要的发射功率小，说明目标的反射强度就越大。通常目标的有效反射面积越大、质地越坚硬，其反射强度越大，这样的障碍物对汽车的损伤也越大。因此在测量结果输出方面，不仅给出了障碍物的距离，同时还给出了超声波发射功率。这样驾驶员能够得到更多的信息，以便更准确地判断障碍物的特性。
通常的倒车雷达具有四个探头，由单片机控制4个测量通道轮回进行工作，其中一个测量通道的程序主要流程如图4.9所示。