汽车防碰撞报警系统研本科毕业论文究.doc

河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 I 本科毕业论文本科毕业论文 汽车防碰撞报警系统研究汽车防碰撞报警系统研究 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 II 摘摘 要要 随着汽车工业的不断进步,行驶在道路的车辆越来越多,而现代生活 节奏的加快，交通事故发生的频率也不断增加。为提高汽车运行的安全 性和降低碰撞发生的可能,本文讲述一种主动型汽车防碰撞报警系统。 该系统装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与毫米波雷达的测距 技术、传感器技术相结合，可检测汽车运行中前方、后方障碍物与汽车 的距离及汽车车速，通过数显装置显示距离，并由发声电路根据距离远 近情况发出警告声。 关键词：关键词：单片机，毫米波，防撞雷达，霍尔集成传感器，报警器 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 III AbstractAbstract With the continuous progress of the automotive industry, vehicles traveling on the road more and more, and the modern pace of life speeds up, the frequency of traffic accidents also continue to increase. In order to enhance the safety of cars and reduce the possibility of a collision, the paper about a pro-active anti-vehicle collision warning system. The system will be installed real-time control of the microcontroller and data processing functions, and millimeter- wave radar ranging technology, sensor technology, could be detected in the vehicle running in front, the rear vehicle barriers and the distance and vehicle speed, through the significant number of Device shows that distance by distance voice circuits based on the situation issued a warning sound. KeyKey wordswords: : microcontroller; ; Millimeter wave; Anti- collision radar; integrated Hall unit; alarm 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 i 目目 录录 前前 言言.1 1 1 汽车安全系统汽车安全系统.3 1.11.1 汽车汽车安安全系统简介全系统简介 .3 1.1.11.1.1 被动安全被动安全3 1.1.21.1.2 主动安全主动安全3 1.21.2 汽车安全系统的发展汽车安全系统的发展 .5 2 2 汽车防碰撞报警系统汽车防碰撞报警系统.8 2.12.1 系统设计思想及简介系统设计思想及简介 .8 2.1.12.1.1 系统的关键技术：测距系统的关键技术：测距8 2.22.2 系统原理及硬件组成系统原理及硬件组成.12 2.2.22.2.2 AT89C2051AT89C2051 单片机的性能及特点单片机的性能及特点.17 2.2.32.2.3 霍尔集成器件测速原理霍尔集成器件测速原理.23 2.2.42.2.4 报警发声电路报警发声电路.36 2.32.3 系统软件设计系统软件设计.37 结束语结束语38 致致 谢谢39 参考文献参考文献41 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 1 前前 言言 现代社会高速公路的迅猛发展和汽车制造水平的快速提高，导致了 汽车的行驶速度不断上升。现在，各种汽车在高速公路上每小时跑上 100-120 公里，己经是很平常的事了。但是自然界中的恶劣气候及驾驶 员的疲劳不适等诸多因素，随时都有可能引发各种意外交通事故。而高 速公路上一旦发生意外交通事故，恐怕就会出现类似于“多米诺骨牌” 的效应,数辆甚至是数十辆汽车高速的碰撞在一起，彼此碰的残头破面、 支离破碎。而这时最为可怕的却还是车内的乘员，因为他们要以自己的 血肉之驱去和如此巨大的钢铁撞击相抗争。而能够生还的希望往往却是 非常的渺茫！ 据来自公安部门的数据表明：2005 年内，全国发生交通事故 450254 起, 因车祸造成 98738 人死亡，伤残人 469911 数人，直接财 产损失 18.8 亿元。其中下午至晚间时段交通死亡事故多发；下午至晚 间时段（14:0022:00）发生交通死亡事故比例较高，共死亡 44835 人， 占总数的 45.4%。主要原因是机动车驾驶超速行驶、疲劳驾驶等。对公 路交通事故的分析表明：80%以上的车祸是由于驾驶员反应不及所引起 的追尾相撞、侧面相撞。对各类交通事故的研究表明:若驾驶员能够提 早 1s 意识到有事故危险并采取相应的正确措施,则绝大多数的交通事 故都可以避免。 此外，还有相当一部分驾驶员在倒车时，由于视线不良，很容易发 生危险。老驾驶员们可凭数年的经验，凭感觉进行倒车。但对新手，倒 车就不是件容易的事了。倒车时不易抓住倒车距离，左右后方不易抓住 倒车角度；行李箱太高，挡住倒车视线；夜间、下雨或有雾等天气及狭 窄空间停车，都会给倒车带来烦恼。 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 2 因此，本系统的根本之目的，就是要充分利用各种先进的高新科学 技术和手段，对运行中各种型号的汽车实施主动性的测速、测距分析和 报警，要把各种汽车撞车事故和车祸尽可能的防患于未然，消除在无形 之中。 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 3 1 1 汽车安全系统汽车安全系统 1.11.1 汽车安全系统简介汽车安全系统简介 汽车的安全驾驶系统可分为主动安全与被动安全两大方面。 1.1.11.1.1 被动安全被动安全 所谓被动安全是指当车辆发生碰撞时对乘客及行人的保护能力，是 通过设置安全带、安全气囊、保险杠等,在事故发生时保障人员的安全。 如今这一保护的概念以及延伸到车内外所有的人甚至物体，越来越强 调安全设计的重要性的。 （1） 被动安全之“软防护派” 发生碰撞事故时车体通过预先设定的褶皱永久变形，能够吸收外力 冲击的大部分，车内乘员的保护主要通过车体结构的溃缩实现，被称为 的“软防护派”。 （2） 被动安全之“硬防护派” 认为车身钢板越厚越硬、车室结构越坚固，在发生事故时变形量也 就会越小，安全性自然更高的成为“硬防护派”。 （3） 被动安全之“设备派” 通过采用智能安全气囊、钢化玻璃与夹层玻璃结合的安全玻璃、预 紧式安全带、乘员头颈保护系统等来有效保护乘员的安全。 1.1.21.1.2 主动安全主动安全 主动安全则是利用智能视野增强系统、全方位车辆防撞、避撞系统 及智能路线控制系统等技术,扩展驾驶者感知环境和控制车辆的能力,将 保护提前到事故发生之前,在保护的基础上更注重预防。这样的汽车， 有着比较高的避免事故能力，尤其在突发情况的条件下保证汽车和车内 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 4 人员的安全。现代科技的发展，使得一些设备能够帮助汽车日常的制动 或者驱动系统，以提高车辆主动安全性： 防锁死制动系统（ABS）：ABS 是 Anti-lock Braking System 缩写。 目前大多数轿车都装有 ABS。在遇到紧急刹车时，经常需要汽车立刻停 下来，但大力刹车容易发生车轮锁死的状况如前轮锁死引起汽车失 去转弯能力，后轮锁死容易发生甩尾事故等等。安装 ABS 就是为解决刹 车时车轮锁死的问题，从而提高刹车时汽车的稳定性及较差路面条件下 的汽车制动性能。 电子制动力分配系统(EBD)：EBD 能够在汽车制动时自动调节前、 后轴的制动力分配比例，并配合 ABS 提高制动稳定性。汽车在制动时， 四只轮胎与地面的摩擦力不一样，容易造成打滑、倾斜和车辆侧翻事故。 EBD 用高速计算机分别对四只轮胎附着的不同地面进行感应与计算，根 据不同的情况用不同的方式和力量制动，并不断调整，保证车辆的平稳、 安全。 牵引力控制系统（TCS）：TCS 又称循迹控制系统。汽车在光滑路 面制动时，车轮会打滑，甚至使方向失控。同样，汽车在起步或急加速 时，驱动轮也有可能打滑，在冰雪等光滑路面上还会使方向失控而出危 险。TCS 依靠电子传感器探测车轮驱动情况，不断调节动力的输出，从 而使车轮不再打滑，提高加速性与爬坡能力。 电子稳定装置（ESP）：电子稳定装置（Electronic Stability Program）是一种牵引力控制系统，不但控制驱动轮，而且可以控制从 动轮。如后轮驱动汽车常出现的转向过度的情况，此时后轮会失控而甩 尾，ESP 便会通过对外侧的前轮的适度制动来稳定车辆。转向不足时， 为了校正循迹方向，ESP 则会对内后轮制动，从而校正行驶方向。 随着近年电子科技的发展，各种汽车防撞报警系统也开始发展起来， 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 5 主要是通过由传感器和单片机组成的“车辆防碰撞报警系统”，对行车 时的危险进行判断并帮助驾车者进行处理，这一系统能够在汽车与其它 物体发生撞前的瞬间，进行提前预警以保证安全。 1.21.2 汽车安全系统的发展汽车安全系统的发展 随着全球汽车保有量的不断增加，汽车“公害“问题也日益突出。降 低汽车交通事故的发生率，尤其是减少车祸人员伤亡，成为世界汽车工 业的重要课题。这要求汽车厂商和零部件供应商不断的开发出先进技术， 创造更安全的车辆。 传统上，车辆的安全系统分为主动安全和被动安全两个系统。简单 来说，主动安全的职责是有效支持驾驶者在行驶中的操作，最大限度地 防止事故发生。底盘、转向、防抱死装置(ABS)、车辆稳定性控制 (Vehicle Stability Control)都属于主动安全系统。而被动安全系统 （也称乘员安全系统）在事故发生时最大限度降低对人员的伤害。安全 带、安全气囊、各种安全电子装置即具有这样的防护作用。 目前，主动与被动安全系统的集成是一股势不可挡的趋势。复杂的 整合技术将近距离雷达、远程雷达、影像传感、转向及翻滚角度传感、 稳定控制电子传感等诸多技术结合在一起，对驾驶环境实施全面监控， 集中比较、分析多方面的数据，在必要时启动最适当的下一级系统，自 动地或辅助驾驶者采取正确的防护措施。集成的主、被动系统能实现更 强的安全性能，最大程度地保护车辆、乘员乃至行人的安全，其价值远 远超过了各自独立、互不相干的防护系统。 事实上，主、被动安全系统的技术整合和运用早已开始。以预警安 全系统为例，在发生意外时，在刹车片上施加足够的压力能启动制动辅 助（Brake Assist）系统或车身稳定控制（VSC）系统。感知汽车严重 打滑，预警安全系统则会自动激活电控的座椅安全带预张紧器（即 TRW 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 6 主动控制牵引器，ACR） ，随之把前座椅移至最佳的安全位置。 在前座 椅置于安全气囊保护的最佳距离的同时，ACR 自动收紧座椅安全带以加 强乘员保护。 该阶段的技术整合所采用的制动辅助系统，在潜在碰撞 发生前启动安全防护措施。TRW 的 ACR 技术也具可逆转性，如果实际碰 撞并未发生，ACR 在几秒钟内会调整至初始状态。相比之下，其它碰撞 驱动型座椅安全带预张紧器装置在启动后无法自动回复初始状态，必须 重新装置。 预警驾驶辅助在集成化的第二阶段，安全技术发展到具有一定的先 知先觉能力。这样的系统能无须驾驶员的操作自动运行，监控驾驶环境。 预警技术一般建立在传感技术（如雷达、实时摄像）基础之上，传感 装置随时监控相关驾驶环境。TRW 一直努力研发一系列基于雷达技术的 传感系统，如自适性巡航控制 (Adaptive Cruise Control) 该系统 已被应用于德国大众的一部分欧洲和北美的车型上。 这些通常也被称 为驾驶辅助系统。早期，驾驶辅助主要提供驾驶便利，而在今后将逐步 发展成为主动安全技术中不可或缺的部分。 以车道引导(Lane Guide )系统为例，当系统感知车辆在车道上蜿 蜒蛇行或偏离道路时，会为驾驶者提供相应的矫正辅助。包括 ACR 在 内的各种保护装置相应启动，一是警示驾驶者；二是确保驾驶者处于安 全气囊保护的最理想位置；同时电子转向系统提供触觉传感反馈，引导 驾驶者回到正确的车道上。 智能化反馈好的预警系统是“善解人意“的。它能为驾驶者提供适当 类型及程度的反馈，既提高安全性又不分散注意力、妨碍驾驶。TRW 设 计的安全装置一般情况下是在不知不觉中为驾驶者提供保护的；而只有 比较严重的情况发生时，如车辆偏离车道或驶离道路时，音频、视频等 明显的反馈装置才会发挥作用。 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 7 将来，结合智能化传输系统，主动和被动安全系统都将与车辆外部 环境保持更紧密的联系。全球定位系统 （Global Positioning System）和智能化道路都属于智能化传输系统。 以智能化道路为例，这种系统利用传感器和卫星数据追踪汽车位置， 并在潜在意外发生前如临近交叉路口时及时提醒驾驶者注意路况。 全方位保护 高度集成的安全系统除了有效控制车辆、保护乘员， 还兼顾车辆外部人员。在欧洲和日本，政府非常重视保护行人免受严重 或致命伤害的立法。TRW 行人保护系统能有效降低人车相撞的机率，或 在碰撞在所难免时保护驾驶者和行人的安全。首先，基于雷达或摄像的 感知系统能察觉道路上肉眼不易察觉的物体，比如突然出现的行人。在 感知系统及时提醒驾驶者的同时，制动助力系统、电子液压制动等系统 同时起动，自动降低车速，从而防止碰撞发生或降低碰撞严重性。 如 果人车相撞不幸发生，TRW 研发的行人安全气囊会从发动机罩下瞬间充 气展开，减小车辆碰撞人体的力度。 兼备在传感器、驾驶辅助、制动、转向、防滑、乘员安全等各领域 的技术专长，才真正有条件整合主、被动安全技术、全面提高未来汽车 的舒适性和安全性。作为汽车行业内众多的安全产品研发者和供应商， 多个大型汽车集团正在以开发先进传感技术为基础，走向驱动汽车安全 集成化的进程。 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 8 2 2 汽车防碰撞报警系统汽车防碰撞报警系统 2.12.1 系统设计思想及简介系统设计思想及简介 在高速公路上行驶的车辆速度快，在能见度很低的天气或驾驶疲劳 的情况下，将影响驾驶员对目标的识别。采用汽车雷达检测前方障碍物 的相对距离和速度，提前预警，可有效降低交通事故的发生。因此，一 种响应快、可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统十分必要，而该系 统的核心在于快速、准确地测量出汽车与障碍物间的距离，为驾驶人员 提供准确的判断信息，避免汽车追尾碰撞。 本文介绍的汽车防碰撞报警系统是关于汽车安全系统的主动安全方 面，利用安装在汽车前保险杠上的雷达传感器测量自车与前方目标物间 的距离和相对速度, 通过霍尔集成传感器来实现自车车速的测量，再由 主控单元对采集的车辆实时信息进行分析并判断当前的行车安全状态, 采取相应的报警方式，警示当前的行车状况，使驾驶员提前采取相应的 措施，提高驾驶安全性。 系统采用两次报警的方式，当实际测量距离大于提醒报警距离时, 系统绿灯亮、无报警音，即为安全行车状况；当实际测量距离小于提醒 报警距离而大于危险报警距离时，系统黄灯闪烁，产生间隔报警音，即 为提醒报警状态，提醒驾驶员需要松开油门踏板；当实际测量距离小于 危险报警距离时，系统红灯闪烁，产生短间隔报警音，即为危险报警状 态，要求驾驶员必须紧急制动。 2.1.12.1.1 系统的关键技术：测距系统的关键技术：测距 20 世纪90 年代以来，智能交通系统在全世界范围内得到了前所未 有的发展，其广泛应用也越来越受到各方面的关注。汽车智能防撞技术 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 9 关键在于智能实时的测出汽车之间的距离。当汽车之间的距离小于设定 的安全距离时，防撞系统就应该自动报警并采取制动措施。以高准确度 和最低的错误报警概率监视汽车前方的交通区域，因此相应提出了很多 方案，诸如超声波、微波、激光、红外、GPS、 摄像系统测距等技术， 这几种测距方式各有其特点。 （1） 超声波测距 超声波是指谐振频率在20KHZ以上的机械波。超声波发射器不断发射超 声波信号，遇到障碍物(汽车) 后反射回来，超声波接收器接收到信号， 测出与发射信号的时间差，因为超声波的速度是已知的，所以距离就很 容易求出。超声波测距的方法很多, 如相位检测法, 声波幅值检测法和 渡越时间检测法等 渡越时间检测法, 即测距时超声波发射器不断发射超声波, 遇到障 碍物(即被检测对象) 后反射回来, 通过超声波接收器接收到反射波信 号, 并将其转变为电信号, 测出从发射超声波至接收到反射波的时间差 (渡越时间,t)。t 与超声波传播速度c 相乘可求出被测距离s, 即 ： s = ct /2 超声波特点是对雨、雾、雪的穿透能力强，传输过程能量衰减较小， 反射能力较强。因此汽车声纳雷达能够在雨、雾、雪等恶劣天气条件下 工作。超声波测距原理简单，制作方便，成本低。其缺点是: 超声波速度受外界风速和温度的影响较大； 超声波能量与距离的平方成正比衰减，距离越远，衰减越严重， 反射回的声波越少，灵敏度下降快，只适合于测低速较短的距 离 如果车速太快或者距离太远，测量误差很大。 因此，作为高速行驶车辆上的测距传感仪器不可取，日本研制成功 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 10 了样机，但没有投入使用。 （2）激光测距 目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和 成像式激光雷达。 非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是:从 高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束 后,用扫描镜左右扫描,向空间发射, 照射在前方车辆或其他目标上,其 反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤,被导入到信号处理装置内光电 二极管,利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲 间的时间差,即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定 反射镜的角度即可测出目标的方位。 成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。 扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来,利用扫描器 控制激光的射出方向, 通过对整个视场进行逐点扫描测量, 即可获得视 场内目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调 制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出,照射待测区域。 由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少, 从而提高了系统三维成像 速度。 激光测距是一种光学雷达系统，它具有测量时间短，量程大，测距 精度很高，车道分辨率高等优点。利用激光雷达测距技术，可以制成防 止追尾撞车的装置。缺点是：由于光波束很窄；扫描速度比较慢，必须 采取特殊的技术措施，才能覆盖车道，另外受各种光源、天气的影响比 较大。 （3） 微波雷达测距 雷达是利用目标对电磁波的反射来发现目标并测定其位置的。工作 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 11 频率从3MHZ到3OGHZ的范围内。微波雷达是利用发射的电磁波信号，当 遇到前方障碍物(汽车) 后反射回来，接收装置收到回波信号，测得发 射信号与接收信号之间的时间差,微处理器可以计算出两车之间距离。 微波汽车防撞雷达,各国已经有成熟技术，如德国不伦瑞克工业大学研 制了样机已试验成功,但推广起来存在一些问题,如波束较宽,易受干扰、 造价也偏高,如果目标车的材料不是金属、反射信号会很弱,给测距带来 困难。 工作频率在3OGHz以上的雷达称为毫米波雷达。作为车载雷达，一 般选择60GHz，120GHZ，180GHZ波段，其对应波长为毫米级，故称为毫 米波雷达。毫米波雷达分辨率高，穿透力强，受大气絮流和能见度低的 天气影响较小，同时毫米波多谱勒频移大，可测量目标的相对距离和速 度，是有发展潜力的汽车防撞雷达。用毫米波雷达测距的优点有: 检测障碍物时对环境的变化有很强的稳定性，与光学式相比，它 不易受对象表面形状和颜色影响; 是环境适应性能好，受雨、雪、雾、污秽、阳光的干扰小，探测 性能下降小。 缺点是：存在电磁波干扰问题，雷达彼此之间的电磁波或者其他通信电 磁波都可能成为干扰因素。 （4） 红外测距 红外测距的工作原理也与上述测距方案相似：红外线在它的传播 路径上遇到物体就反射回来,测量从发射时刻到反射光返回到发射点所 经过的时间,便可计算出物体的距离。 红外线发射器不断发射出红外线，经前方汽车反射，红外线接收 器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射 波的时间差T，即可求出距离：S=0.5cT式中，c为光速度，一般取 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 12 310e8m/s。其基本原理是：红外线发射器始终处于发射红外线的状态， 当红外接收器第一次接收到前方汽车反射回的红外线时，经电路处理单 片机给出一个计数启动信号，计算机的计数器开始以一定频率计数；当 红外线接收器第二次接收到反射回的红外线时，经电路处理单片机给出 一个停止计数脉冲，计数器停止计数。通过编程，计算机自动处理，用 脉冲的周期t 乘以脉冲数n 就得到发射红外线到接收红外线的时间差 T， 即：T=nt 将其代入上式就得测量距离S，同样该方案也存在缺点， 比如受温 度的影响比较大,对雾的穿透性不强等。 （5）摄像系统测距 摄像系统指电荷藕合器件CCD常用摄像系统。CCD摄像机是一种用来 模拟人眼的光电探测器，具有尺寸小，质量轻、功耗小、噪声低、动态 范围大、光计量准确等特点。优点是采用双目摄像系统模拟人体视觉原 理，测量精度高。缺点是需要高速的处理芯片,图象处理算法复杂, 成 像速度慢，目前价格高，同时受到软件和硬件的限制。且在环境比较恶 劣的条件下(如大雾、大雨等) ,视觉传感器会失效。 综合以上优缺点，考虑性能价格比，本系统采用毫米波雷达测距技 术作为关键技术。 2.22.2系统原理及硬件组成系统原理及硬件组成 汽车防撞报警系统的原理:利用安装在汽车前保险杠上的毫米波雷 达传感器,实时测量自车与前方目标物间的距离和相对速度等信息,再由 主控单元判断当前的行车安全状态,采取相应的报警方式。 本系统以单片机AT89C2051作为系统的控制器，利用其实时控制和数 据处理功能, 完成系统的控制；用毫米波雷达作为测距技术，用集成霍尔 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 13 元件实现对本车的测速,用发声器件构成报警电路，系统的硬件原理框图 如2-1所示： 发射 接收 发声报警装 置 单片机 AT89C2051 集成霍尔 元件测速装置 毫米波雷达 测距测速装置 图2-1 系统的硬件原理框图 能充分发挥AT89C2051的数据处理和实时控制功能，使系统工作于 最佳状态，提高系统的灵敏度。该报警器基于单片机设计，从而具有体 积小、使用方便的特点。若将安全距离设为05m，就可作为汽车倒车 报警器，提高汽车倒车时的安全性。 2.2.12.2.1 毫米波雷达原理毫米波雷达原理 （1） 毫米波简介 毫米波是介于微波与光波之间的电磁波,通常毫米波频段是指 30300GHz,相应波长为 110mm ，毫米波波长位于微波与远红外波相 交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。各自的理论和技术分别是 微波向高频的延伸和光波向低频的发展。毫米波波长介于厘米波和光波 之间，因此毫米波雷达制导兼有微波制导和光电制导的优点。同厘米波 导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。 与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 14 尘的能力强，具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。另外，毫米波导 引头的抗干扰、反隐身能力也优于其他微波导引头。 与较低频段的微波相比，优点是： 可利用的频谱范围宽，信息容量大。 易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。 穿透等离子体的能力强。 多普勒频移大，测速灵敏度高。 缺点是： 大气中传播衰减严重。 器件加工精度要求高。 与光波相比，它们利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播 时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的 衰减小，受自然光和热辐射源影响小。为此，它们在通信、雷达、制导、 遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。 目前绝大多数的应用研究集中在几个“窗口”频率,包括 35、45、94、140、220GHz 和三个吸收峰(60、120、200GHz 频率上)。 毫米波电子系统具有如下特性: 小天线孔径具有较高的天线增益; 高跟踪精度和制导精度; 不易受电子干扰; 低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小; 多目标鉴别性能好; 雷达分辨率高; 大气衰减“谐振点”可作保密传输。 利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 15 中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟 踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利 穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用 于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空 间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。用在军事领域比较多比如在雷 达、制导、战术和战略通信、电子对抗、遥感、辐射测量等。 （2） 毫米波的接受与发射 发射接收技术是毫米波雷达的另一项关键技术。 毫米波发射系统的射频源大致可分为三类：第一类是电真空器件构 成的源：第二类是固态器件构成的源；第三类是其他方式产生的源，例 如光导毫米波源等。在电真空器件中，已得到成熟发展的是回旋管。目 前回旋管毫米波源的效率可达 40，60GHz 频率上源的连续功率达 200kW。俄罗斯和美国已经采用回旋管器件装备雷达和制导系统。在目 前研制出来的各类固态器件中。雪崩二极管(IMPATT)和耿氏二极管 (Gunn)是最适合做毫米波射频源的。准光学功率合成是美国提出的一种 具有很好的应用前景的功率合成技术，利用它能制造出更为紧凑的毫米 波导引头。准光学合成利用天线和透镜在空间将微波及毫米波固态器件 的功率组合在一起来实现。将光学导电效应用来控制毫米波固态器件时。 其宽带宽、损耗低、在控制和被控制元件之间几乎完全隔离、抗电磁干 扰性好、质量小、紧凑、响应迅速且可单片集成。 近年来，毫米波接收机技术已取得相当的进展，非冷却式毫米波外 差接收机的性能水平已达到可与微波频段的水平相比较的程度。实践证 明，在这些接收机中采用梁式引线的砷化镓半导体器件，对于频率在 30100GHz 范围内的接收机设计也是很合适的。随着毫米波集成电路 技术的发展，通常把振荡、放大、混频和其他控制器件集成为一个子系 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 16 统，这样接收机发射机集成在一起，能大幅度降低尺寸和质量，同时 也降低了成本。目前，频率高达 94GHz 的集成振荡器、放大器、混频器、 衰减器和相移器已批量生产。特别是在利用光学外差作用产生精确的毫 米波信号，准光学极化处理、滤波、功率合成、收发双工、控制放大器 增益。毫米波检波和下变频，光电转换等方面具有独特的优点。可以大 大提高毫米波导引头的性能。 信号处理器是导引头的核心部件。它要完成许多重要的工作，例如 控制发射机的工作射频和脉冲重复频率，多普勒频率跟踪，目标识别和 抗干扰，末制导指令计算，导弹自检和导引头工作逻辑控制等。厘米波 雷达中已广泛采用的信号处理技术，诸如脉冲压缩、视频积累、极化分 集、动目标显示(MTI)、扩频、频率捷变、极化捷变和合成孔径以及线 性预测法、Capon 型法、信号子空间法、参量目标模型滤波法等这些超 分辨技术都已经在毫米波雷达中得到应用。随着计算机技术、光学技术 以及毫米波技术的不断发展，采用光学互连的极高速信号处理器正受到 技术先进国家的重视。美国国防高级研究项目局于 2002 年启动了一项 模拟光学信号处理技术研究计划，旨在研究工作频段在 20MHz100GHz 频段范围内的光学信号处理技术 （3） 毫米波雷达测距原理 毫米波雷达向外发射的频率随时间线性变化，若有目标时反射回波， 将发射波和回波信号混频，从混频器输出，再从频谱信号中提取含目标 相对距离和速度信息。对FMCW（调频连续波）汽车雷达，发射波频率按 周期性三角波变化，设发射波和回波时间差td，则： 2RCtd (1) 式中：R 为目标距离；C 为光速。根据多谱勒效应原理，当发射物体和 反射物体相对运动时，将产生频移fd，并且以下公式成立： 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 17 V(C*fd)/2f0 (2) 图2-2 发射波与回波波形 如图2-2，设发射信号上升和下降阶段分别为f(t+)、f(t-)，K 为斜率， 则： f(t+)fmin+kt (3) f(t-)fmax-kt (4) 对应回波信号为fb(t+)、fb(t-)： fb(t+)fmin+k(t-)+fd (5) fb(t-)fmin-k(t-)+fd (6) 混频后输出的差拍信号为： fe (t + ) = f (t + ) fb(t +)= k * t - fd (7) fe (t - ) = f (t - ) fb(t -)= k * t + fd (8) 计算出目标的相对距离R 和相对速度V 为： R = C*Tfe (t- ) + fe (t+ )/（4F） V = C*fe(t-) - fe(t+)/（4f0） F 为发射波带宽，f0 为发射波中心频率。 2.2.22.2.2 AT89C2051AT89C2051 单片机的性能及特点单片机的性能及特点 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 18 AT89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一种小型单片机。其主要特点为 采用 Flash 存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与 MCS-51 完 全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的可擦写特性，使得开 发与试验比较容易。 (1) 引脚 AT89C2051 的共有 20 条引脚，引脚如图 2-3 所示： 图 2-3 AT89C2051 引脚图 引脚功能说明： Vcc:电源端 GND:接地端 P1 口: P1 口共 8 脚，准双向端口。P1 口是一 8 位双向 I/O 口。 引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉电阻。P1.0 和 P1.1 还分别作为 片内精密模拟比较器的通向输入（AIN0）和反相输入（AIN1） 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 19 P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 的电流，并能直接驱动 LED 显示。 当 P1 口引脚写入“1”时，可用作输入端。当引脚 P1.2P1.7 用作输入端并被外部拉低时，将因内部的上拉电阻而输出电流 （IIL）。P1 口还在 Flash 编程和程序校验期间接收代码数据。 P3 口：P3 口的 P3.0P3.5,P3.7 是带有上拉电阻的 7 个双向 I/O 引脚。P3.6 用于固定输入片内比较器的输入信号，并且作 为一通用 I/O 引脚而不访问。P3 口缓冲器可吸收 20mA 电流。 当 P3 口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作 输入端。用作输出端时，被外部拉底的 P3 口引脚将用上拉电阻 而输出电流（IIL）。 P3 口还用于实现 AT89C2051 的各种功能，如表 1-1 所示 表 1-1 AT89C2051 引脚 P3 的各种功能 端口/引脚功能 P3.0 RXD(串行输入端口) P3.1 TXD(串行输出端口) P3.2 INT0(外中断 0) P3.3 INT1(外中断 1) P3.4 T0(定时器 0 外部输入) P3.5 T1(定时器 1 外部输入) P3 口还接收一些用于 Flash 存储器编程和程序校验控制信号。 P3.0P3.6 共 7 脚，准双向端口，并且保留了全部的 P3 的第二 功能，如 P3.0、P31 的串行通讯功能，P3.2、P33 的中断输入 功能,P3.4、P3.5 的定时器输入功能。 RST：复位输入。RST 一旦变成高电平所有的 I/O 引脚复位到 “1”。当振荡器正在运行时，持续给 RST 引脚的两个机器周期 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 20 需要 12 个振荡器和时钟周期。 XTAL1:作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 XTAL2:作为振荡器反相放大输出。 在引脚的驱动能力上面，AT89C2051 具有很强的下拉能力，P1,P3 口的 下拉能力均可达到 20mA。相比之下，AT89C51/AT87C51 的端口下拉能力 每脚最大为 15mA。但是限定 9 脚电流之和小于 71mA。这样，引脚的平 均电流只 9mA。AT89C2051 驱动能力的增强，使得它可以直接驱动 LED 数码管。 为了增加对模拟量的输入功能，2051 在内部构造了一个模拟信号比较 器，其输入端连到 P1.0 和 P1.1 口，比较结果存入 P3.6 对应寄存器， （P3.6 在 2051 外部无引脚） ，原理见图 2-4。 图 2-4 比较器图 图 2-5 为测量示意图。其中，R 用于测量门限的调节，IN 端接输入模拟 信号。 VOC R 图 2-5 测量示意图 (2) 电源 内部寄存器 P1.0 P1.1 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 21 AT89C2051 有很宽的工作电源电压，可为 2.76V,当工作在 3V 时， 电流相当于 6V 工作时的 1/4。89C2051 工作于 12Hz 时，动态电流为 5.5mA，空闲态为 1mA,掉电态仅为 20nA。这样小的功耗很适合于电池供 电的小型控制系统。 （3） 存储器 AT89C2051 片内含有 2k 字节的 Flash 程序存储器，128 字节的片内 RAM,与 80C31 内部完全类似。由于 2051 内部设计全静态工作，所以允 许工作的时钟为 020MHz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏 RAM 内容。相比之下，一般 8031 对最低工作时钟限制为 3.5MHz，因为其内 部的 RAM 是动态刷新的。89C2051 不允许构造外部总线来扩充程序/数 据存储器，所以它也不需要 ALEPSEN、RD、WR 一类的引脚。 （4） 内部 I/O 控制 AT89C2051 在内部 I/O 控制上继承了 MCS51 的特性：5 路 2 级优待 中断，串等口，2 路定时器/计数器，内部组成参见图 2-6 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 22 图 2-6 AT89C2051 内部结构图 AT89C2051 是一个低功耗、高性能的 CMOS 8 位微处理器, 与 MCS251 系列指令集和引脚兼容, 具有以下特点: 128 bytes 内部 RAM , 2K bytes EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程 ROM） , 15 根 IO 线, 2 个 16 位定时计数器, 5 个两级中断源, 1 个全双工串行 口, 一个片内精密模拟比较器和片内振荡器, 低功耗的闲置和掉电模式。 工作电压范围 4.25V 5.5V , 工作频率取 12MHz。AT89C2051 中的两 个 16 位定时计数器寄存器 T0 和 T1, 作定时器时, 可计数机器周期, 计数频率为振荡频率的 1/12; 作计数器时, 可对外部输入引脚 P3.4T0 和 P3.5T1 上出现从 1 至 0 的变化时增 1, 计数频率为振荡频率的 1/24。 2.2.32.2.3 霍尔集成器件测速原理霍尔集成器件测速原理 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 23 （1） 霍尔效应 1879 年，美国物理学家 Edwin Herbert Hall 在研究金属的导电机 构时发现当磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向 电位差；当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则 金属箔片两侧面会出现横向电位差的物理现象，这就是霍尔效应，霍尔 效应是磁电效应的一种。 半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温 度以下将呈现极强的霍尔效应。 将一块半导体或导体材料，沿 Z 方向加以磁场B ，沿 X 方向通以工 作电流 I，则在 Y 方向产生出电动势H V ，如图 2-7 所示，这现象称为 霍尔效应。H V 称为霍尔电压。 + - VH EH e F mF b I d B A B Z X Y + - VH EH Fm Fe B b I dA B (a) (b) 图 2-7 霍尔效应原理图 实验表明，在磁场不太强时，电位差H V 与电流强度 I 和磁感应强度 B 成正比，与板的厚度 d 成反比，即 d IB RV HH (1) 或 IBKV HH (2) 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 24 式（1）中H R 称为霍尔系数，式（2）中H K 称为霍尔元件的灵敏度， 单位为 mv / (mAT)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动 的带电粒子即载流子（N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P 型 半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用 而产生的。 如图 2-7（a）所示，一快长为l、宽为 b、厚为 d 的 N 型单晶薄片， 置于沿 Z 轴方向的磁场B 中，在 X 轴方向通以电流 I，则其中的载流子 电子所受到的洛仑兹力为 jeVBBVeBVqFm (3) 式中V 为电子的漂移运动速度，其方向沿 X 轴的负方向。e为电子 的电荷量。 m F 指向 Y 轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向 A 侧 面积聚，同时在 B 侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿 Y 轴负方向上的横向电场H E （即霍尔电场） ，使运动电子受到一个沿 Y 轴正方向的电场力 e F ，A、B 面之间的电位差为H V （即霍尔电压） ，则 j b V ejeEEeEqF H HHHe (4) 将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 0 em FF 0j b V ejeVB H 即 b V eeVB H 得 VBbVH (5) 此时 B 端电位高于 A 端电位。 若 N 型单晶中的电子浓度为 n，则流过样片横截面的电流 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 25 I=nebdV 得 nebd I V (6) 将(6)式代入(5)式得 IBK d IB RIB ned V HHH 1 (7) 式中ne RH 1 称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小； ned KH 1 称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，H K 愈大愈好，以便获 得较大的霍尔电压H V 。因H K 和载流子浓度 n 成反比，而半导体的载流 子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏 度较高。又因H K 和样品厚度 d 成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般 d0.2mm。 上面讨论的是 N 型半导体样品产生的霍尔效应，B 侧面电位比 A 侧 面高；对于 P 型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴， 与 N 型半导体的情况相反，A 侧面积累正电荷，B 侧面积累负电荷，如 图 2-7（b）所示，此时，A 侧面电位比 B 侧面高。由此可知，根据 A、B 两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是 P 型还是 N 型。 由（7）式可知，如果霍尔元件的灵敏度H R 已知，测得了控制电流 I 和产生的霍尔电压H V ，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为： H H IK V B 。 高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度 B 值的仪器。它是选定 霍尔元件，即H K 已确定，保持控制电流 I 不变，则霍尔电压H V 与被测 磁感应强度 B 成正比。如按照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 26 出高斯刻度，则使用时由指针示值就可直接读出磁感应强度 B 值。 由（7）式知 IB dV R H H 因此将待测的厚度为 d 的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制 电流 I，测出霍尔电压H V ，再用高斯计测出磁感应强度 B 值，就可测 定样品的霍尔系数H R 。又因ne RH 1 （或 pe 1 ） ，故可以通过测定霍尔 系数来确定半导体材料的载流子浓度 n（或 p） （n 和 p 分别为电子浓度 和空穴浓度） 。 严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑 到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大 于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应 引入一个霍尔因子H r ，即 )( pe r ne r R HH H 或 普通物理实验中常用 N 型 Si、N 型 Ge、InSb 和 InAs 等半导体材料 的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子 18.1 8 3 H r ，所以 ne RH 1 8 3 式中， 19 10602 . 1 e 库仑 （2）霍尔效应的副效应 上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔 电压H V 的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔 电压上，造成系统误差。为便于说明，画一简图如图 2-8 所示。 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 27 x y z I 1 2 I 4 3 B 图 2-8 在磁场中的霍尔元件 厄廷豪森（Eting hausen）效应引起的 电势差E V 。由于电子实际上并非以同一速度 v 沿 X 轴负向运动，速度 大的电子回转半径大，能较快地到达接点 3 的侧面，从而导致 3 侧面较 4 侧面集中较多能量高的电子，结果 3、4 侧面出现温差，产生温差电 动势E V 。可以证明 IBVE 。容易理解E V 的正负与 I 和 B 的方向有关。 能斯特（Nernst）效应引起的电势差 N V 。焊点 1、2 间接触电 阻可能不同，通电发热程度不同，故 1、2 两点间温度可能不同，于是 引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热流也会在 3、4 点间形成电势 差 N V 。若只考虑接触电阻的差异，则 N V 的方向仅与 B 的方向有关。 里纪勒杜克（RighiLeduc）效应产生的电势差R V 。在能 斯特效应的热扩散电流的载流子由于速度不同，一样具有厄廷豪森效应， 又会在 3、4 点间形成温差电动势R V 。R V 的正负仅与 B 的方向有关，而 与 I 的方向无关。 不等电势效应引起的电势差 0 V 。由于制造上困难及材料的不均 匀性，3、4 两点实际上不可能在同一条等势线上。因此，即使未加磁 场，当 I 流过时，3、4 两点也会出现电势差 0 V 。 0 V 的正负只与电流方 向 I 有关，而与 B 的方向无关。 （3）霍尔效应的应用 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 28 1879 年，美国物理学家 Edwin Herbert Hall 发现了霍尔效应，此 后，霍尔技术越来越多地应用于工业控制的各个领域。进入 20 世纪 80 年代，随着电子元器件制造技术的发展，霍尔电流电压传感器的眭 能有很大提高，特别是闭环霍尔电流电压传感器的研制成功，大大扩 展了该产品的应用领域。霍尔元件应用十分广泛大致可分为以下几个方 向。 测量载流子浓度 根据霍尔电压产生的公式，以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以 判断传导载流子的极性与浓度，这种方式被广泛的利用于半导体中掺杂 载体的性质与浓度的测量上。只要测出霍尔电压，即可算出磁 场的大小；并且若知载流子类型型半导体多数载流子为电子，型 半导体多数载流子为空穴，则由的正负可测出磁场方向，反之， 若已知磁场方向，则可判断载流子类型。 测量磁场强度 霍尔效应是霍尔器件的理论基础。如图 2-9 所示，当把通有小电流 的半导体薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用而发 生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压 U，这个 U 电压与磁感应强度 B 及控制电流 I 成正比，经过理论推算得到如下等式 关系： U=（RH/d）*B*I (1) 式中，U 为霍尔电压；B 为磁感应强度；I 为控制电流；RH 为霍尔系数： d 为半导体片的厚度。在式(1)中：若保持控制电流 I 不变，在一定条 件下。可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 29 与电压信号的联系；根据这一关系式。人们研制了用于测量磁场的半导 体器件即霍尔器件。 图 2-9 测量电流强度 将图 2-10 中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的 显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式 的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流 和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种 应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。 电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、 磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可 采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯 材料；制成多层磁芯；采用多个霍尔元件来进行检测等等。这类霍尔电 流传感器的价格也相对便宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用， 国内外已有许多厂家生产。 河南理工大学万方科技学院本科河南理工大学万方科技学院本科毕业论毕业论文文 30 图 2-10 闭环霍尔电流传感器是用霍尔器件作为核