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1、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 I 本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)論文 汽車防碰撞報警系統(tǒng)研究汽車防碰撞報警系統(tǒng)研究 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 II 摘摘 要要 隨著汽車工業(yè)的不斷進步,行駛在道路的車輛越來越多,而現(xiàn)代生活 節(jié)奏的加快，交通事故發(fā)生的頻率也不斷增加。為提高汽車運行的安全 性和降低碰撞發(fā)生的可能,本文講述一種主動型汽車防碰撞報警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)裝置將單片機的實時控制及數(shù)據(jù)處理功能，與毫米波雷達的測距 技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，可檢測汽車運行中前方、后方障礙物與汽車 的距離及汽車車速，通過數(shù)顯裝置顯示距離，

2、并由發(fā)聲電路根據(jù)距離遠 近情況發(fā)出警告聲。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：單片機，毫米波，防撞雷達，霍爾集成傳感器，報警器 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 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 conti

3、nue 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 rangi

4、ng 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:

5、 : microcontroller; ; Millimeter wave; Anti- collision radar; integrated Hall unit; alarm 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 i 目目 錄錄 前前 言言.1 1 1 汽車安全系統(tǒng)汽車安全系統(tǒng).3 1.11.1 汽車汽車安安全系統(tǒng)簡介全系統(tǒng)簡介 .3 1.1.11.1.1 被動安全被動安全3 1.1.21.1.2 主動安全主動安全3 1.21.2 汽車安全系統(tǒng)的發(fā)展汽車安全系統(tǒng)的發(fā)展 .5 2 2 汽車防碰撞報警系統(tǒng)汽車防碰撞報警系統(tǒng).8 2.12.1 系統(tǒng)設(shè)計思想及簡

6、介系統(tǒng)設(shè)計思想及簡介 .8 2.1.12.1.1 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：測距系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：測距8 2.22.2 系統(tǒng)原理及硬件組成系統(tǒng)原理及硬件組成.12 2.2.22.2.2 AT89C2051AT89C2051 單片機的性能及特點單片機的性能及特點.17 2.2.32.2.3 霍爾集成器件測速原理霍爾集成器件測速原理.23 2.2.42.2.4 報警發(fā)聲電路報警發(fā)聲電路.36 2.32.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計.37 結(jié)束語結(jié)束語38 致致 謝謝39 參考文獻參考文獻41 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 1 前前 言言 現(xiàn)代社會高速公路的迅猛發(fā)展和

7、汽車制造水平的快速提高，導(dǎo)致了 汽車的行駛速度不斷上升?，F(xiàn)在，各種汽車在高速公路上每小時跑上 100-120 公里，己經(jīng)是很平常的事了。但是自然界中的惡劣氣候及駕駛 員的疲勞不適等諸多因素，隨時都有可能引發(fā)各種意外交通事故。而高 速公路上一旦發(fā)生意外交通事故，恐怕就會出現(xiàn)類似于“多米諾骨牌” 的效應(yīng),數(shù)輛甚至是數(shù)十輛汽車高速的碰撞在一起，彼此碰的殘頭破面、 支離破碎。而這時最為可怕的卻還是車內(nèi)的乘員，因為他們要以自己的 血肉之驅(qū)去和如此巨大的鋼鐵撞擊相抗?fàn)?。而能夠生還的希望往往卻是 非常的渺茫！ 據(jù)來自公安部門的數(shù)據(jù)表明：2005 年內(nèi)，全國發(fā)生交通事故 450254 起, 因車禍造成 987

8、38 人死亡，傷殘人 469911 數(shù)人，直接財 產(chǎn)損失 18.8 億元。其中下午至晚間時段交通死亡事故多發(fā)；下午至晚 間時段（14:0022:00）發(fā)生交通死亡事故比例較高，共死亡 44835 人， 占總數(shù)的 45.4%。主要原因是機動車駕駛超速行駛、疲勞駕駛等。對公 路交通事故的分析表明：80%以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及所引起 的追尾相撞、側(cè)面相撞。對各類交通事故的研究表明:若駕駛員能夠提 早 1s 意識到有事故危險并采取相應(yīng)的正確措施,則絕大多數(shù)的交通事 故都可以避免。 此外，還有相當(dāng)一部分駕駛員在倒車時，由于視線不良，很容易發(fā) 生危險。老駕駛員們可憑數(shù)年的經(jīng)驗，憑感覺進行倒車。但對

9、新手，倒 車就不是件容易的事了。倒車時不易抓住倒車距離，左右后方不易抓住 倒車角度；行李箱太高，擋住倒車視線；夜間、下雨或有霧等天氣及狹 窄空間停車，都會給倒車帶來煩惱。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 2 因此，本系統(tǒng)的根本之目的，就是要充分利用各種先進的高新科學(xué) 技術(shù)和手段，對運行中各種型號的汽車實施主動性的測速、測距分析和 報警，要把各種汽車撞車事故和車禍盡可能的防患于未然，消除在無形 之中。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 3 1 1 汽車安全系統(tǒng)汽車安全系統(tǒng) 1.11.1 汽車安全系統(tǒng)簡介汽車安全系統(tǒng)

10、簡介 汽車的安全駕駛系統(tǒng)可分為主動安全與被動安全兩大方面。 1.1.11.1.1 被動安全被動安全 所謂被動安全是指當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時對乘客及行人的保護能力，是 通過設(shè)置安全帶、安全氣囊、保險杠等,在事故發(fā)生時保障人員的安全。 如今這一保護的概念以及延伸到車內(nèi)外所有的人甚至物體，越來越強 調(diào)安全設(shè)計的重要性的。 （1） 被動安全之“軟防護派” 發(fā)生碰撞事故時車體通過預(yù)先設(shè)定的褶皺永久變形，能夠吸收外力 沖擊的大部分，車內(nèi)乘員的保護主要通過車體結(jié)構(gòu)的潰縮實現(xiàn)，被稱為 的“軟防護派”。 （2） 被動安全之“硬防護派” 認為車身鋼板越厚越硬、車室結(jié)構(gòu)越堅固，在發(fā)生事故時變形量也 就會越小，安全性自然更

11、高的成為“硬防護派”。 （3） 被動安全之“設(shè)備派” 通過采用智能安全氣囊、鋼化玻璃與夾層玻璃結(jié)合的安全玻璃、預(yù) 緊式安全帶、乘員頭頸保護系統(tǒng)等來有效保護乘員的安全。 1.1.21.1.2 主動安全主動安全 主動安全則是利用智能視野增強系統(tǒng)、全方位車輛防撞、避撞系統(tǒng) 及智能路線控制系統(tǒng)等技術(shù),擴展駕駛者感知環(huán)境和控制車輛的能力,將 保護提前到事故發(fā)生之前,在保護的基礎(chǔ)上更注重預(yù)防。這樣的汽車， 有著比較高的避免事故能力，尤其在突發(fā)情況的條件下保證汽車和車內(nèi) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 4 人員的安全?，F(xiàn)代科技的發(fā)展，使得一些設(shè)備能夠幫助汽車日常的制

12、動 或者驅(qū)動系統(tǒng)，以提高車輛主動安全性： 防鎖死制動系統(tǒng)（ABS）：ABS 是 Anti-lock Braking System 縮寫。 目前大多數(shù)轎車都裝有 ABS。在遇到緊急剎車時，經(jīng)常需要汽車立刻停 下來，但大力剎車容易發(fā)生車輪鎖死的狀況如前輪鎖死引起汽車失 去轉(zhuǎn)彎能力，后輪鎖死容易發(fā)生甩尾事故等等。安裝 ABS 就是為解決剎 車時車輪鎖死的問題，從而提高剎車時汽車的穩(wěn)定性及較差路面條件下 的汽車制動性能。 電子制動力分配系統(tǒng)(EBD)：EBD 能夠在汽車制動時自動調(diào)節(jié)前、 后軸的制動力分配比例，并配合 ABS 提高制動穩(wěn)定性。汽車在制動時， 四只輪胎與地面的摩擦力不一樣，容易造成打滑、

13、傾斜和車輛側(cè)翻事故。 EBD 用高速計算機分別對四只輪胎附著的不同地面進行感應(yīng)與計算，根 據(jù)不同的情況用不同的方式和力量制動，并不斷調(diào)整，保證車輛的平穩(wěn)、 安全。 牽引力控制系統(tǒng)（TCS）：TCS 又稱循跡控制系統(tǒng)。汽車在光滑路 面制動時，車輪會打滑，甚至使方向失控。同樣，汽車在起步或急加速 時，驅(qū)動輪也有可能打滑，在冰雪等光滑路面上還會使方向失控而出危 險。TCS 依靠電子傳感器探測車輪驅(qū)動情況，不斷調(diào)節(jié)動力的輸出，從 而使車輪不再打滑，提高加速性與爬坡能力。 電子穩(wěn)定裝置（ESP）：電子穩(wěn)定裝置（Electronic Stability Program）是一種牽引力控制系統(tǒng)，不但控制驅(qū)動輪

14、，而且可以控制從 動輪。如后輪驅(qū)動汽車常出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向過度的情況，此時后輪會失控而甩 尾，ESP 便會通過對外側(cè)的前輪的適度制動來穩(wěn)定車輛。轉(zhuǎn)向不足時， 為了校正循跡方向，ESP 則會對內(nèi)后輪制動，從而校正行駛方向。 隨著近年電子科技的發(fā)展，各種汽車防撞報警系統(tǒng)也開始發(fā)展起來， 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 5 主要是通過由傳感器和單片機組成的“車輛防碰撞報警系統(tǒng)”，對行車 時的危險進行判斷并幫助駕車者進行處理，這一系統(tǒng)能夠在汽車與其它 物體發(fā)生撞前的瞬間，進行提前預(yù)警以保證安全。 1.21.2 汽車安全系統(tǒng)的發(fā)展汽車安全系統(tǒng)的發(fā)展 隨著全球汽車保有量的

15、不斷增加，汽車“公害“問題也日益突出。降 低汽車交通事故的發(fā)生率，尤其是減少車禍人員傷亡，成為世界汽車工 業(yè)的重要課題。這要求汽車廠商和零部件供應(yīng)商不斷的開發(fā)出先進技術(shù)， 創(chuàng)造更安全的車輛。 傳統(tǒng)上，車輛的安全系統(tǒng)分為主動安全和被動安全兩個系統(tǒng)。簡單 來說，主動安全的職責(zé)是有效支持駕駛者在行駛中的操作，最大限度地 防止事故發(fā)生。底盤、轉(zhuǎn)向、防抱死裝置(ABS)、車輛穩(wěn)定性控制 (Vehicle Stability Control)都屬于主動安全系統(tǒng)。而被動安全系統(tǒng) （也稱乘員安全系統(tǒng)）在事故發(fā)生時最大限度降低對人員的傷害。安全 帶、安全氣囊、各種安全電子裝置即具有這樣的防護作用。 目前，主動與

16、被動安全系統(tǒng)的集成是一股勢不可擋的趨勢。復(fù)雜的 整合技術(shù)將近距離雷達、遠程雷達、影像傳感、轉(zhuǎn)向及翻滾角度傳感、 穩(wěn)定控制電子傳感等諸多技術(shù)結(jié)合在一起，對駕駛環(huán)境實施全面監(jiān)控， 集中比較、分析多方面的數(shù)據(jù)，在必要時啟動最適當(dāng)?shù)南乱患壪到y(tǒng)，自 動地或輔助駕駛者采取正確的防護措施。集成的主、被動系統(tǒng)能實現(xiàn)更 強的安全性能，最大程度地保護車輛、乘員乃至行人的安全，其價值遠 遠超過了各自獨立、互不相干的防護系統(tǒng)。 事實上，主、被動安全系統(tǒng)的技術(shù)整合和運用早已開始。以預(yù)警安 全系統(tǒng)為例，在發(fā)生意外時，在剎車片上施加足夠的壓力能啟動制動輔 助（Brake Assist）系統(tǒng)或車身穩(wěn)定控制（VSC）系統(tǒng)。感知

17、汽車嚴重 打滑，預(yù)警安全系統(tǒng)則會自動激活電控的座椅安全帶預(yù)張緊器（即 TRW 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 6 主動控制牽引器，ACR） ，隨之把前座椅移至最佳的安全位置。 在前座 椅置于安全氣囊保護的最佳距離的同時，ACR 自動收緊座椅安全帶以加 強乘員保護。 該階段的技術(shù)整合所采用的制動輔助系統(tǒng)，在潛在碰撞 發(fā)生前啟動安全防護措施。TRW 的 ACR 技術(shù)也具可逆轉(zhuǎn)性，如果實際碰 撞并未發(fā)生，ACR 在幾秒鐘內(nèi)會調(diào)整至初始狀態(tài)。相比之下，其它碰撞 驅(qū)動型座椅安全帶預(yù)張緊器裝置在啟動后無法自動回復(fù)初始狀態(tài)，必須 重新裝置。 預(yù)警駕駛輔助在集成化的第

18、二階段，安全技術(shù)發(fā)展到具有一定的先 知先覺能力。這樣的系統(tǒng)能無須駕駛員的操作自動運行，監(jiān)控駕駛環(huán)境。 預(yù)警技術(shù)一般建立在傳感技術(shù)（如雷達、實時攝像）基礎(chǔ)之上，傳感 裝置隨時監(jiān)控相關(guān)駕駛環(huán)境。TRW 一直努力研發(fā)一系列基于雷達技術(shù)的 傳感系統(tǒng)，如自適性巡航控制 (Adaptive Cruise Control) 該系統(tǒng) 已被應(yīng)用于德國大眾的一部分歐洲和北美的車型上。 這些通常也被稱 為駕駛輔助系統(tǒng)。早期，駕駛輔助主要提供駕駛便利，而在今后將逐步 發(fā)展成為主動安全技術(shù)中不可或缺的部分。 以車道引導(dǎo)(Lane Guide )系統(tǒng)為例，當(dāng)系統(tǒng)感知車輛在車道上蜿 蜒蛇行或偏離道路時，會為駕駛者提供相應(yīng)的

19、矯正輔助。包括 ACR 在 內(nèi)的各種保護裝置相應(yīng)啟動，一是警示駕駛者；二是確保駕駛者處于安 全氣囊保護的最理想位置；同時電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供觸覺傳感反饋，引導(dǎo) 駕駛者回到正確的車道上。 智能化反饋好的預(yù)警系統(tǒng)是“善解人意“的。它能為駕駛者提供適當(dāng) 類型及程度的反饋，既提高安全性又不分散注意力、妨礙駕駛。TRW 設(shè) 計的安全裝置一般情況下是在不知不覺中為駕駛者提供保護的；而只有 比較嚴重的情況發(fā)生時，如車輛偏離車道或駛離道路時，音頻、視頻等 明顯的反饋裝置才會發(fā)揮作用。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 7 將來，結(jié)合智能化傳輸系統(tǒng)，主動和被動安全系統(tǒng)都將與車

20、輛外部 環(huán)境保持更緊密的聯(lián)系。全球定位系統(tǒng) （Global Positioning System）和智能化道路都屬于智能化傳輸系統(tǒng)。 以智能化道路為例，這種系統(tǒng)利用傳感器和衛(wèi)星數(shù)據(jù)追蹤汽車位置， 并在潛在意外發(fā)生前如臨近交叉路口時及時提醒駕駛者注意路況。 全方位保護 高度集成的安全系統(tǒng)除了有效控制車輛、保護乘員， 還兼顧車輛外部人員。在歐洲和日本，政府非常重視保護行人免受嚴重 或致命傷害的立法。TRW 行人保護系統(tǒng)能有效降低人車相撞的機率，或 在碰撞在所難免時保護駕駛者和行人的安全。首先，基于雷達或攝像的 感知系統(tǒng)能察覺道路上肉眼不易察覺的物體，比如突然出現(xiàn)的行人。在 感知系統(tǒng)及時提醒駕駛者的

21、同時，制動助力系統(tǒng)、電子液壓制動等系統(tǒng) 同時起動，自動降低車速，從而防止碰撞發(fā)生或降低碰撞嚴重性。 如 果人車相撞不幸發(fā)生，TRW 研發(fā)的行人安全氣囊會從發(fā)動機罩下瞬間充 氣展開，減小車輛碰撞人體的力度。 兼?zhèn)湓趥鞲衅鳌Ⅰ{駛輔助、制動、轉(zhuǎn)向、防滑、乘員安全等各領(lǐng)域 的技術(shù)專長，才真正有條件整合主、被動安全技術(shù)、全面提高未來汽車 的舒適性和安全性。作為汽車行業(yè)內(nèi)眾多的安全產(chǎn)品研發(fā)者和供應(yīng)商， 多個大型汽車集團正在以開發(fā)先進傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，走向驅(qū)動汽車安全 集成化的進程。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 8 2 2 汽車防碰撞報警系統(tǒng)汽車防碰撞報警系統(tǒng) 2

22、.12.1 系統(tǒng)設(shè)計思想及簡介系統(tǒng)設(shè)計思想及簡介 在高速公路上行駛的車輛速度快，在能見度很低的天氣或駕駛疲勞 的情況下，將影響駕駛員對目標(biāo)的識別。采用汽車雷達檢測前方障礙物 的相對距離和速度，提前預(yù)警，可有效降低交通事故的發(fā)生。因此，一 種響應(yīng)快、可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)十分必要，而該系 統(tǒng)的核心在于快速、準(zhǔn)確地測量出汽車與障礙物間的距離，為駕駛?cè)藛T 提供準(zhǔn)確的判斷信息，避免汽車追尾碰撞。 本文介紹的汽車防碰撞報警系統(tǒng)是關(guān)于汽車安全系統(tǒng)的主動安全方 面，利用安裝在汽車前保險杠上的雷達傳感器測量自車與前方目標(biāo)物間 的距離和相對速度, 通過霍爾集成傳感器來實現(xiàn)自車車速的測量，再由 主控

23、單元對采集的車輛實時信息進行分析并判斷當(dāng)前的行車安全狀態(tài), 采取相應(yīng)的報警方式，警示當(dāng)前的行車狀況，使駕駛員提前采取相應(yīng)的 措施，提高駕駛安全性。 系統(tǒng)采用兩次報警的方式，當(dāng)實際測量距離大于提醒報警距離時, 系統(tǒng)綠燈亮、無報警音，即為安全行車狀況；當(dāng)實際測量距離小于提醒 報警距離而大于危險報警距離時，系統(tǒng)黃燈閃爍，產(chǎn)生間隔報警音，即 為提醒報警狀態(tài)，提醒駕駛員需要松開油門踏板；當(dāng)實際測量距離小于 危險報警距離時，系統(tǒng)紅燈閃爍，產(chǎn)生短間隔報警音，即為危險報警狀 態(tài)，要求駕駛員必須緊急制動。 2.1.12.1.1 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：測距系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：測距 20 世紀90 年代以來，智能交通系統(tǒng)在全

24、世界范圍內(nèi)得到了前所未 有的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用也越來越受到各方面的關(guān)注。汽車智能防撞技術(shù) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 9 關(guān)鍵在于智能實時的測出汽車之間的距離。當(dāng)汽車之間的距離小于設(shè)定 的安全距離時，防撞系統(tǒng)就應(yīng)該自動報警并采取制動措施。以高準(zhǔn)確度 和最低的錯誤報警概率監(jiān)視汽車前方的交通區(qū)域，因此相應(yīng)提出了很多 方案，諸如超聲波、微波、激光、紅外、GPS、 攝像系統(tǒng)測距等技術(shù)， 這幾種測距方式各有其特點。 （1） 超聲波測距 超聲波是指諧振頻率在20KHZ以上的機械波。超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射超 聲波信號，遇到障礙物(汽車) 后反射回來，超聲波接收器接收

25、到信號， 測出與發(fā)射信號的時間差，因為超聲波的速度是已知的，所以距離就很 容易求出。超聲波測距的方法很多, 如相位檢測法, 聲波幅值檢測法和 渡越時間檢測法等 渡越時間檢測法, 即測距時超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射超聲波, 遇到障 礙物(即被檢測對象) 后反射回來, 通過超聲波接收器接收到反射波信 號, 并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘? 測出從發(fā)射超聲波至接收到反射波的時間差 (渡越時間,t)。t 與超聲波傳播速度c 相乘可求出被測距離s, 即 ： s = ct /2 超聲波特點是對雨、霧、雪的穿透能力強，傳輸過程能量衰減較小， 反射能力較強。因此汽車聲納雷達能夠在雨、霧、雪等惡劣天氣條件下 工作。超聲波測距原理

26、簡單，制作方便，成本低。其缺點是: 超聲波速度受外界風(fēng)速和溫度的影響較大； 超聲波能量與距離的平方成正比衰減，距離越遠，衰減越嚴重， 反射回的聲波越少，靈敏度下降快，只適合于測低速較短的距 離 如果車速太快或者距離太遠，測量誤差很大。 因此，作為高速行駛車輛上的測距傳感儀器不可取，日本研制成功 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 10 了樣機，但沒有投入使用。 （2）激光測距 目前在汽車上應(yīng)用較廣的激光測距系統(tǒng)可分為非成像式激光雷達和 成像式激光雷達。 非成像式激光雷達根據(jù)激光束傳播時間確定距離。它的工作原理是:從 高功率窄脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)發(fā)射物

27、鏡聚焦成一定形狀的光束 后,用掃描鏡左右掃描,向空間發(fā)射, 照射在前方車輛或其他目標(biāo)上,其 反射光經(jīng)掃描鏡、接收物鏡及回輸光纖,被導(dǎo)入到信號處理裝置內(nèi)光電 二極管,利用計數(shù)器計數(shù)激光二極管啟動脈沖與光電二極管的接收脈沖 間的時間差,即可求得目標(biāo)距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測器測定 反射鏡的角度即可測出目標(biāo)的方位。 成像式激光雷達又可分為掃描成像激光雷達和非掃描成像激光雷達。 掃描成像激光雷達把激光雷達同二維光學(xué)掃描鏡結(jié)合起來,利用掃描器 控制激光的射出方向, 通過對整個視場進行逐點掃描測量, 即可獲得視 場內(nèi)目標(biāo)的三維信息。非掃描成像式激光雷達將光源發(fā)出的經(jīng)過強度調(diào) 制的激光經(jīng)分束器系統(tǒng)分為

28、多束光后沿不同方向射出,照射待測區(qū)域。 由于非掃描成像激光雷達測點數(shù)目大大減少, 從而提高了系統(tǒng)三維成像 速度。 激光測距是一種光學(xué)雷達系統(tǒng)，它具有測量時間短，量程大，測距 精度很高，車道分辨率高等優(yōu)點。利用激光雷達測距技術(shù)，可以制成防 止追尾撞車的裝置。缺點是：由于光波束很窄；掃描速度比較慢，必須 采取特殊的技術(shù)措施，才能覆蓋車道，另外受各種光源、天氣的影響比 較大。 （3） 微波雷達測距 雷達是利用目標(biāo)對電磁波的反射來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置的。工作 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 11 頻率從3MHZ到3OGHZ的范圍內(nèi)。微波雷達是利用發(fā)射的電磁波信

29、號，當(dāng) 遇到前方障礙物(汽車) 后反射回來，接收裝置收到回波信號，測得發(fā) 射信號與接收信號之間的時間差,微處理器可以計算出兩車之間距離。 微波汽車防撞雷達,各國已經(jīng)有成熟技術(shù)，如德國不倫瑞克工業(yè)大學(xué)研 制了樣機已試驗成功,但推廣起來存在一些問題,如波束較寬,易受干擾、 造價也偏高,如果目標(biāo)車的材料不是金屬、反射信號會很弱,給測距帶來 困難。 工作頻率在3OGHz以上的雷達稱為毫米波雷達。作為車載雷達，一 般選擇60GHz，120GHZ，180GHZ波段，其對應(yīng)波長為毫米級，故稱為毫 米波雷達。毫米波雷達分辨率高，穿透力強，受大氣絮流和能見度低的 天氣影響較小，同時毫米波多譜勒頻移大，可測量目標(biāo)

30、的相對距離和速 度，是有發(fā)展?jié)摿Φ钠嚪雷怖走_。用毫米波雷達測距的優(yōu)點有: 檢測障礙物時對環(huán)境的變化有很強的穩(wěn)定性，與光學(xué)式相比，它 不易受對象表面形狀和顏色影響; 是環(huán)境適應(yīng)性能好，受雨、雪、霧、污穢、陽光的干擾小，探測 性能下降小。 缺點是：存在電磁波干擾問題，雷達彼此之間的電磁波或者其他通信電 磁波都可能成為干擾因素。 （4） 紅外測距 紅外測距的工作原理也與上述測距方案相似：紅外線在它的傳播 路徑上遇到物體就反射回來,測量從發(fā)射時刻到反射光返回到發(fā)射點所 經(jīng)過的時間,便可計算出物體的距離。 紅外線發(fā)射器不斷發(fā)射出紅外線，經(jīng)前方汽車反射，紅外線接收 器接收到反射波信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?/p>

31、。測出發(fā)射波與接收到反射 波的時間差T，即可求出距離：S=0.5cT式中，c為光速度，一般取 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 12 310e8m/s。其基本原理是：紅外線發(fā)射器始終處于發(fā)射紅外線的狀態(tài)， 當(dāng)紅外接收器第一次接收到前方汽車反射回的紅外線時，經(jīng)電路處理單 片機給出一個計數(shù)啟動信號，計算機的計數(shù)器開始以一定頻率計數(shù)；當(dāng) 紅外線接收器第二次接收到反射回的紅外線時，經(jīng)電路處理單片機給出 一個停止計數(shù)脈沖，計數(shù)器停止計數(shù)。通過編程，計算機自動處理，用 脈沖的周期t 乘以脈沖數(shù)n 就得到發(fā)射紅外線到接收紅外線的時間差 T， 即：T=nt 將其代入上式

32、就得測量距離S，同樣該方案也存在缺點， 比如受溫 度的影響比較大,對霧的穿透性不強等。 （5）攝像系統(tǒng)測距 攝像系統(tǒng)指電荷藕合器件CCD常用攝像系統(tǒng)。CCD攝像機是一種用來 模擬人眼的光電探測器，具有尺寸小，質(zhì)量輕、功耗小、噪聲低、動態(tài) 范圍大、光計量準(zhǔn)確等特點。優(yōu)點是采用雙目攝像系統(tǒng)模擬人體視覺原 理，測量精度高。缺點是需要高速的處理芯片,圖象處理算法復(fù)雜, 成 像速度慢，目前價格高，同時受到軟件和硬件的限制。且在環(huán)境比較惡 劣的條件下(如大霧、大雨等) ,視覺傳感器會失效。 綜合以上優(yōu)缺點，考慮性能價格比，本系統(tǒng)采用毫米波雷達測距技 術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)。 2.22.2系統(tǒng)原理及硬件組成系統(tǒng)原理

33、及硬件組成 汽車防撞報警系統(tǒng)的原理:利用安裝在汽車前保險杠上的毫米波雷 達傳感器,實時測量自車與前方目標(biāo)物間的距離和相對速度等信息,再由 主控單元判斷當(dāng)前的行車安全狀態(tài),采取相應(yīng)的報警方式。 本系統(tǒng)以單片機AT89C2051作為系統(tǒng)的控制器，利用其實時控制和數(shù) 據(jù)處理功能, 完成系統(tǒng)的控制；用毫米波雷達作為測距技術(shù)，用集成霍爾 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 13 元件實現(xiàn)對本車的測速,用發(fā)聲器件構(gòu)成報警電路，系統(tǒng)的硬件原理框圖 如2-1所示： 發(fā)射 接收 發(fā)聲報警裝 置 單片機 AT89C2051 集成霍爾 元件測速裝置 毫米波雷達 測距測速裝置 圖

34、2-1 系統(tǒng)的硬件原理框圖 能充分發(fā)揮AT89C2051的數(shù)據(jù)處理和實時控制功能，使系統(tǒng)工作于 最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的靈敏度。該報警器基于單片機設(shè)計，從而具有體 積小、使用方便的特點。若將安全距離設(shè)為05m，就可作為汽車倒車 報警器，提高汽車倒車時的安全性。 2.2.12.2.1 毫米波雷達原理毫米波雷達原理 （1） 毫米波簡介 毫米波是介于微波與光波之間的電磁波,通常毫米波頻段是指 30300GHz,相應(yīng)波長為 110mm ，毫米波波長位于微波與遠紅外波相 交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點。各自的理論和技術(shù)分別是 微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。毫米波波長介于厘米波和光波 之間，因此

35、毫米波雷達制導(dǎo)兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點。同厘米波 導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。 與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 14 塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。另外，毫米波導(dǎo) 引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭。 與較低頻段的微波相比，優(yōu)點是： 可利用的頻譜范圍寬，信息容量大。 易實現(xiàn)窄波束和高增益的天線，因而分辨率高，抗干擾性好。 穿透等離子體的能力強。 多普勒頻移大，測速靈敏度高。 缺點是： 大氣中傳播衰減嚴重。 器件加工精度要

36、求高。 與光波相比，它們利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播 時，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時的 衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。為此，它們在通信、雷達、制導(dǎo)、 遙感技術(shù)、射電天文學(xué)和波譜學(xué)方面都有重大的意義。 目前絕大多數(shù)的應(yīng)用研究集中在幾個“窗口”頻率,包括 35、45、94、140、220GHz 和三個吸收峰(60、120、200GHz 頻率上)。 毫米波電子系統(tǒng)具有如下特性: 小天線孔徑具有較高的天線增益; 高跟蹤精度和制導(dǎo)精度; 不易受電子干擾; 低角跟蹤時多徑效應(yīng)和地雜波干擾小; 多目標(biāo)鑒別性能好; 雷達分辨率高; 大氣衰減“諧振點”可作保密傳輸

37、。 利用大氣窗口的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 15 中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現(xiàn)低仰角精密跟 蹤雷達和成像雷達。在遠程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時，需采用能順利 穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計適用 于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠鏡探測宇宙空 間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。用在軍事領(lǐng)域比較多比如在雷 達、制導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略通信、電子對抗、遙感、輻射測量等。 （2） 毫米波的接受與發(fā)射 發(fā)射接收技術(shù)是毫米波雷達的另一項關(guān)鍵技術(shù)。 毫米波發(fā)

38、射系統(tǒng)的射頻源大致可分為三類：第一類是電真空器件構(gòu) 成的源：第二類是固態(tài)器件構(gòu)成的源；第三類是其他方式產(chǎn)生的源，例 如光導(dǎo)毫米波源等。在電真空器件中，已得到成熟發(fā)展的是回旋管。目 前回旋管毫米波源的效率可達 40，60GHz 頻率上源的連續(xù)功率達 200kW。俄羅斯和美國已經(jīng)采用回旋管器件裝備雷達和制導(dǎo)系統(tǒng)。在目 前研制出來的各類固態(tài)器件中。雪崩二極管(IMPATT)和耿氏二極管 (Gunn)是最適合做毫米波射頻源的。準(zhǔn)光學(xué)功率合成是美國提出的一種 具有很好的應(yīng)用前景的功率合成技術(shù)，利用它能制造出更為緊湊的毫米 波導(dǎo)引頭。準(zhǔn)光學(xué)合成利用天線和透鏡在空間將微波及毫米波固態(tài)器件 的功率組合在一起來

39、實現(xiàn)。將光學(xué)導(dǎo)電效應(yīng)用來控制毫米波固態(tài)器件時。 其寬帶寬、損耗低、在控制和被控制元件之間幾乎完全隔離、抗電磁干 擾性好、質(zhì)量小、緊湊、響應(yīng)迅速且可單片集成。 近年來，毫米波接收機技術(shù)已取得相當(dāng)?shù)倪M展，非冷卻式毫米波外 差接收機的性能水平已達到可與微波頻段的水平相比較的程度。實踐證 明，在這些接收機中采用梁式引線的砷化鎵半導(dǎo)體器件，對于頻率在 30100GHz 范圍內(nèi)的接收機設(shè)計也是很合適的。隨著毫米波集成電路 技術(shù)的發(fā)展，通常把振蕩、放大、混頻和其他控制器件集成為一個子系 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 16 統(tǒng)，這樣接收機發(fā)射機集成在一起，能大幅度降

40、低尺寸和質(zhì)量，同時 也降低了成本。目前，頻率高達 94GHz 的集成振蕩器、放大器、混頻器、 衰減器和相移器已批量生產(chǎn)。特別是在利用光學(xué)外差作用產(chǎn)生精確的毫 米波信號，準(zhǔn)光學(xué)極化處理、濾波、功率合成、收發(fā)雙工、控制放大器 增益。毫米波檢波和下變頻，光電轉(zhuǎn)換等方面具有獨特的優(yōu)點?？梢源?大提高毫米波導(dǎo)引頭的性能。 信號處理器是導(dǎo)引頭的核心部件。它要完成許多重要的工作，例如 控制發(fā)射機的工作射頻和脈沖重復(fù)頻率，多普勒頻率跟蹤，目標(biāo)識別和 抗干擾，末制導(dǎo)指令計算，導(dǎo)彈自檢和導(dǎo)引頭工作邏輯控制等。厘米波 雷達中已廣泛采用的信號處理技術(shù)，諸如脈沖壓縮、視頻積累、極化分 集、動目標(biāo)顯示(MTI)、擴頻、頻

41、率捷變、極化捷變和合成孔徑以及線 性預(yù)測法、Capon 型法、信號子空間法、參量目標(biāo)模型濾波法等這些超 分辨技術(shù)都已經(jīng)在毫米波雷達中得到應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)、光學(xué)技術(shù) 以及毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，采用光學(xué)互連的極高速信號處理器正受到 技術(shù)先進國家的重視。美國國防高級研究項目局于 2002 年啟動了一項 模擬光學(xué)信號處理技術(shù)研究計劃，旨在研究工作頻段在 20MHz100GHz 頻段范圍內(nèi)的光學(xué)信號處理技術(shù) （3） 毫米波雷達測距原理 毫米波雷達向外發(fā)射的頻率隨時間線性變化，若有目標(biāo)時反射回波， 將發(fā)射波和回波信號混頻，從混頻器輸出，再從頻譜信號中提取含目標(biāo) 相對距離和速度信息。對FMCW（調(diào)頻連續(xù)

42、波）汽車雷達，發(fā)射波頻率按 周期性三角波變化，設(shè)發(fā)射波和回波時間差td，則： 2RCtd (1) 式中：R 為目標(biāo)距離；C 為光速。根據(jù)多譜勒效應(yīng)原理，當(dāng)發(fā)射物體和 反射物體相對運動時，將產(chǎn)生頻移fd，并且以下公式成立： 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 17 V(C*fd)/2f0 (2) 圖2-2 發(fā)射波與回波波形 如圖2-2，設(shè)發(fā)射信號上升和下降階段分別為f(t+)、f(t-)，K 為斜率， 則： f(t+)fmin+kt (3) f(t-)fmax-kt (4) 對應(yīng)回波信號為fb(t+)、fb(t-)： fb(t+)fmin+k(t-)+fd

43、(5) fb(t-)fmin-k(t-)+fd (6) 混頻后輸出的差拍信號為： fe (t + ) = f (t + ) fb(t +)= k * t - fd (7) fe (t - ) = f (t - ) fb(t -)= k * t + fd (8) 計算出目標(biāo)的相對距離R 和相對速度V 為： R = C*Tfe (t- ) + fe (t+ )/（4F） V = C*fe(t-) - fe(t+)/（4f0） F 為發(fā)射波帶寬，f0 為發(fā)射波中心頻率。 2.2.22.2.2 AT89C2051AT89C2051 單片機的性能及特點單片機的性能及特點 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南

44、理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 18 AT89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一種小型單片機。其主要特點為 采用 Flash 存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與 MCS-51 完 全兼容，可以很快被中國廣大用戶接受，其程序的可擦寫特性，使得開 發(fā)與試驗比較容易。 (1) 引腳 AT89C2051 的共有 20 條引腳，引腳如圖 2-3 所示： 圖 2-3 AT89C2051 引腳圖 引腳功能說明： Vcc:電源端 GND:接地端 P1 口: P1 口共 8 腳，準(zhǔn)雙向端口。P1 口是一 8 位雙向 I/O 口。 引腳 P1.2P1.7 提供內(nèi)部上拉電阻。P1.0 和

45、P1.1 還分別作為 片內(nèi)精密模擬比較器的通向輸入（AIN0）和反相輸入（AIN1） 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 19 P1 口輸出緩沖器可吸收 20mA 的電流，并能直接驅(qū)動 LED 顯示。 當(dāng) P1 口引腳寫入“1”時，可用作輸入端。當(dāng)引腳 P1.2P1.7 用作輸入端并被外部拉低時，將因內(nèi)部的上拉電阻而輸出電流 （IIL）。P1 口還在 Flash 編程和程序校驗期間接收代碼數(shù)據(jù)。 P3 口：P3 口的 P3.0P3.5,P3.7 是帶有上拉電阻的 7 個雙向 I/O 引腳。P3.6 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸入信號，并且作 為一通用 I/O

46、 引腳而不訪問。P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。 當(dāng) P3 口引腳寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作 輸入端。用作輸出端時，被外部拉底的 P3 口引腳將用上拉電阻 而輸出電流（IIL）。 P3 口還用于實現(xiàn) AT89C2051 的各種功能，如表 1-1 所示 表 1-1 AT89C2051 引腳 P3 的各種功能 端口/引腳功能 P3.0 RXD(串行輸入端口) P3.1 TXD(串行輸出端口) P3.2 INT0(外中斷 0) P3.3 INT1(外中斷 1) P3.4 T0(定時器 0 外部輸入) P3.5 T1(定時器 1 外部輸入) P3 口還接收一些用于 Flash

47、存儲器編程和程序校驗控制信號。 P3.0P3.6 共 7 腳，準(zhǔn)雙向端口，并且保留了全部的 P3 的第二 功能，如 P3.0、P31 的串行通訊功能，P3.2、P33 的中斷輸入 功能,P3.4、P3.5 的定時器輸入功能。 RST：復(fù)位輸入。RST 一旦變成高電平所有的 I/O 引腳復(fù)位到 “1”。當(dāng)振蕩器正在運行時，持續(xù)給 RST 引腳的兩個機器周期 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 20 需要 12 個振蕩器和時鐘周期。 XTAL1:作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 XTAL2:作為振蕩器反相放大輸出。 在引腳的驅(qū)動能力上面，AT

48、89C2051 具有很強的下拉能力，P1,P3 口的 下拉能力均可達到 20mA。相比之下，AT89C51/AT87C51 的端口下拉能力 每腳最大為 15mA。但是限定 9 腳電流之和小于 71mA。這樣，引腳的平 均電流只 9mA。AT89C2051 驅(qū)動能力的增強，使得它可以直接驅(qū)動 LED 數(shù)碼管。 為了增加對模擬量的輸入功能，2051 在內(nèi)部構(gòu)造了一個模擬信號比較 器，其輸入端連到 P1.0 和 P1.1 口，比較結(jié)果存入 P3.6 對應(yīng)寄存器， （P3.6 在 2051 外部無引腳） ，原理見圖 2-4。 圖 2-4 比較器圖 圖 2-5 為測量示意圖。其中，R 用于測量門限的調(diào)節(jié)

49、，IN 端接輸入模擬 信號。 VOC R 圖 2-5 測量示意圖 (2) 電源 內(nèi)部寄存器 P1.0 P1.1 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 21 AT89C2051 有很寬的工作電源電壓，可為 2.76V,當(dāng)工作在 3V 時， 電流相當(dāng)于 6V 工作時的 1/4。89C2051 工作于 12Hz 時，動態(tài)電流為 5.5mA，空閑態(tài)為 1mA,掉電態(tài)僅為 20nA。這樣小的功耗很適合于電池供 電的小型控制系統(tǒng)。 （3） 存儲器 AT89C2051 片內(nèi)含有 2k 字節(jié)的 Flash 程序存儲器，128 字節(jié)的片內(nèi) RAM,與 80C31 內(nèi)部完全類似

50、。由于 2051 內(nèi)部設(shè)計全靜態(tài)工作，所以允 許工作的時鐘為 020MHz,也就是說，允許在低速工作時，不破壞 RAM 內(nèi)容。相比之下，一般 8031 對最低工作時鐘限制為 3.5MHz，因為其內(nèi) 部的 RAM 是動態(tài)刷新的。89C2051 不允許構(gòu)造外部總線來擴充程序/數(shù) 據(jù)存儲器，所以它也不需要 ALEPSEN、RD、WR 一類的引腳。 （4） 內(nèi)部 I/O 控制 AT89C2051 在內(nèi)部 I/O 控制上繼承了 MCS51 的特性：5 路 2 級優(yōu)待 中斷，串等口，2 路定時器/計數(shù)器，內(nèi)部組成參見圖 2-6 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 22

51、 圖 2-6 AT89C2051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 AT89C2051 是一個低功耗、高性能的 CMOS 8 位微處理器, 與 MCS251 系列指令集和引腳兼容, 具有以下特點: 128 bytes 內(nèi)部 RAM , 2K bytes EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程 ROM） , 15 根 IO 線, 2 個 16 位定時計數(shù)器, 5 個兩級中斷源, 1 個全雙工串行 口, 一個片內(nèi)精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器, 低功耗的閑置和掉電模式。 工作電壓范圍 4.25V 5.5V , 工作頻率取 12MHz。AT89C2051 中的兩 個 16 位定時計數(shù)器寄

52、存器 T0 和 T1, 作定時器時, 可計數(shù)機器周期, 計數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/12; 作計數(shù)器時, 可對外部輸入引腳 P3.4T0 和 P3.5T1 上出現(xiàn)從 1 至 0 的變化時增 1, 計數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/24。 2.2.32.2.3 霍爾集成器件測速原理霍爾集成器件測速原理 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 23 （1） 霍爾效應(yīng) 1879 年，美國物理學(xué)家 Edwin Herbert Hall 在研究金屬的導(dǎo)電機 構(gòu)時發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向 電位差；當(dāng)電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，

53、則 金屬箔片兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差的物理現(xiàn)象，這就是霍爾效應(yīng)，霍爾 效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種。 半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫 度以下將呈現(xiàn)極強的霍爾效應(yīng)。 將一塊半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿 Z 方向加以磁場B ，沿 X 方向通以工 作電流 I，則在 Y 方向產(chǎn)生出電動勢H V ，如圖 2-7 所示，這現(xiàn)象稱為 霍爾效應(yīng)。H V 稱為霍爾電壓。 + - 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) 圖 2-7 霍爾效應(yīng)原理圖 實驗表明，在磁場不太強時，電位差H V 與電流強度 I 和磁感應(yīng)強

54、度 B 成正比，與板的厚度 d 成反比，即 d IB RV HH (1) 或 IBKV HH (2) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 24 式（1）中H R 稱為霍爾系數(shù)，式（2）中H K 稱為霍爾元件的靈敏度， 單位為 mv / (mAT)。產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是形成電流的作定向運動 的帶電粒子即載流子（N 型半導(dǎo)體中的載流子是帶負電荷的電子，P 型 半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中所受到的洛侖茲力作用 而產(chǎn)生的。 如圖 2-7（a）所示，一快長為l、寬為 b、厚為 d 的 N 型單晶薄片， 置于沿 Z 軸方向的磁場B 中，在 X 軸方向通以

55、電流 I，則其中的載流子 電子所受到的洛侖茲力為 jeVBBVeBVqFm (3) 式中V 為電子的漂移運動速度，其方向沿 X 軸的負方向。e為電子 的電荷量。 m F 指向 Y 軸的負方向。自由電子受力偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，向 A 側(cè) 面積聚，同時在 B 側(cè)面上出現(xiàn)同數(shù)量的正電荷，在兩側(cè)面間形成一個沿 Y 軸負方向上的橫向電場H E （即霍爾電場） ，使運動電子受到一個沿 Y 軸正方向的電場力 e F ，A、B 面之間的電位差為H V （即霍爾電壓） ，則 j b V ejeEEeEqF H HHHe (4) 將阻礙電荷的積聚，最后達穩(wěn)定狀態(tài)時有 0 em FF 0j b V ejeVB H 即 b

56、V eeVB H 得 VBbVH (5) 此時 B 端電位高于 A 端電位。 若 N 型單晶中的電子濃度為 n，則流過樣片橫截面的電流 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 25 I=nebdV 得 nebd I V (6) 將(6)式代入(5)式得 IBK d IB RIB ned V HHH 1 (7) 式中ne RH 1 稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大?。?ned KH 1 稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說，H K 愈大愈好，以便獲 得較大的霍爾電壓H V 。因H K 和載流子濃度 n 成反比，而半導(dǎo)體的載流 子濃度遠比金屬的載流子濃度小，

57、所以采用半導(dǎo)體材料作霍爾元件靈敏 度較高。又因H K 和樣品厚度 d 成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般 d0.2mm。 上面討論的是 N 型半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)，B 側(cè)面電位比 A 側(cè) 面高；對于 P 型半導(dǎo)體樣品，由于形成電流的載流子是帶正電荷的空穴， 與 N 型半導(dǎo)體的情況相反，A 側(cè)面積累正電荷，B 側(cè)面積累負電荷，如 圖 2-7（b）所示，此時，A 側(cè)面電位比 B 側(cè)面高。由此可知，根據(jù) A、B 兩端電位的高低，就可以判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型是 P 型還是 N 型。 由（7）式可知，如果霍爾元件的靈敏度H R 已知，測得了控制電流 I 和產(chǎn)生的霍爾電壓H V ，則可測定霍爾元件所

58、在處的磁感應(yīng)強度為： H H IK V B 。 高斯計就是利用霍爾效應(yīng)來測定磁感應(yīng)強度 B 值的儀器。它是選定 霍爾元件，即H K 已確定，保持控制電流 I 不變，則霍爾電壓H V 與被測 磁感應(yīng)強度 B 成正比。如按照霍爾電壓的大小，預(yù)先在儀器面板上標(biāo)定 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 26 出高斯刻度，則使用時由指針示值就可直接讀出磁感應(yīng)強度 B 值。 由（7）式知 IB dV R H H 因此將待測的厚度為 d 的半導(dǎo)體樣品，放在均勻磁場中，通以控制 電流 I，測出霍爾電壓H V ，再用高斯計測出磁感應(yīng)強度 B 值，就可測 定樣品的霍爾系數(shù)H R

59、 。又因ne RH 1 （或 pe 1 ） ，故可以通過測定霍爾 系數(shù)來確定半導(dǎo)體材料的載流子濃度 n（或 p） （n 和 p 分別為電子濃度 和空穴濃度） 。 嚴格地說，在半導(dǎo)體中載流子的漂移運動速度并不完全相同，考慮 到載流子速度的統(tǒng)計分布，并認為多數(shù)載流子的濃度與遷移率之積遠大 于少數(shù)載流子的濃度與遷移率之積，可得半導(dǎo)體霍爾系數(shù)的公式中還應(yīng) 引入一個霍爾因子H r ，即 )( pe r ne r R HH H 或 普通物理實驗中常用 N 型 Si、N 型 Ge、InSb 和 InAs 等半導(dǎo)體材料 的霍爾元件在室溫下測量，霍爾因子 18.1 8 3 H r ，所以 ne RH 1 8 3

60、 式中， 19 10602 . 1 e 庫侖 （2）霍爾效應(yīng)的副效應(yīng) 上述推導(dǎo)是從理想情況出發(fā)的，實際情況要復(fù)雜得多，在產(chǎn)生霍爾 電壓H V 的同時，還伴生有四種副效應(yīng)，副效應(yīng)產(chǎn)生的電壓疊加在霍爾 電壓上，造成系統(tǒng)誤差。為便于說明，畫一簡圖如圖 2-8 所示。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 27 x y z I 1 2 I 4 3 B 圖 2-8 在磁場中的霍爾元件 厄廷豪森（Eting hausen）效應(yīng)引起的 電勢差E V 。由于電子實際上并非以同一速度 v 沿 X 軸負向運動，速度 大的電子回轉(zhuǎn)半徑大，能較快地到達接點 3 的側(cè)面，從而導(dǎo)致 3

61、 側(cè)面較 4 側(cè)面集中較多能量高的電子，結(jié)果 3、4 側(cè)面出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生溫差電 動勢E V ?？梢宰C明 IBVE 。容易理解E V 的正負與 I 和 B 的方向有關(guān)。 能斯特（Nernst）效應(yīng)引起的電勢差 N V 。焊點 1、2 間接觸電 阻可能不同，通電發(fā)熱程度不同，故 1、2 兩點間溫度可能不同，于是 引起熱擴散電流。與霍爾效應(yīng)類似，該熱流也會在 3、4 點間形成電勢 差 N V 。若只考慮接觸電阻的差異，則 N V 的方向僅與 B 的方向有關(guān)。 里紀勒杜克（RighiLeduc）效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差R V 。在能 斯特效應(yīng)的熱擴散電流的載流子由于速度不同，一樣具有厄廷豪森效應(yīng)， 又會在 3

62、、4 點間形成溫差電動勢R V 。R V 的正負僅與 B 的方向有關(guān)，而 與 I 的方向無關(guān)。 不等電勢效應(yīng)引起的電勢差 0 V 。由于制造上困難及材料的不均 勻性，3、4 兩點實際上不可能在同一條等勢線上。因此，即使未加磁 場，當(dāng) I 流過時，3、4 兩點也會出現(xiàn)電勢差 0 V 。 0 V 的正負只與電流方 向 I 有關(guān)，而與 B 的方向無關(guān)。 （3）霍爾效應(yīng)的應(yīng)用 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 28 1879 年，美國物理學(xué)家 Edwin Herbert Hall 發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，此 后，霍爾技術(shù)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。進入 20 世

63、紀 80 年代，隨著電子元器件制造技術(shù)的發(fā)展，霍爾電流電壓傳感器的眭 能有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流電壓傳感器的研制成功，大大擴 展了該產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域?；魻栐?yīng)用十分廣泛大致可分為以下幾個方 向。 測量載流子濃度 根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外加磁場中測量的霍爾電壓可以 判斷傳導(dǎo)載流子的極性與濃度，這種方式被廣泛的利用于半導(dǎo)體中摻雜 載體的性質(zhì)與濃度的測量上。只要測出霍爾電壓，即可算出磁 場的大小；并且若知載流子類型型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為電子，型 半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴，則由的正負可測出磁場方向，反之， 若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。 測量磁場強度 霍爾效應(yīng)是霍爾器件的理論基礎(chǔ)。如圖

64、 2-9 所示，當(dāng)把通有小電流 的半導(dǎo)體薄片置于磁場中時，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用而發(fā) 生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓 U，這個 U 電壓與磁感應(yīng)強度 B 及控制電流 I 成正比，經(jīng)過理論推算得到如下等式 關(guān)系： U=（RH/d）*B*I (1) 式中，U 為霍爾電壓；B 為磁感應(yīng)強度；I 為控制電流；RH 為霍爾系數(shù)： d 為半導(dǎo)體片的厚度。在式(1)中：若保持控制電流 I 不變，在一定條 件下。可通過測量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強度的大小，由此建立了磁場 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 29 與電壓信號的聯(lián)系；根據(jù)這一關(guān)系

65、式。人們研制了用于測量磁場的半導(dǎo) 體器件即霍爾器件。 圖 2-9 測量電流強度 將圖 2-10 中霍爾器件的輸出（必要時可進行放大）送到經(jīng)校準(zhǔn)的 顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式 的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y直流、交流 和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種 應(yīng)用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強度。 電流增大后，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、 磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當(dāng)然，也可 采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強度高的磁芯 材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。這類霍爾電 流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應(yīng)用， 國內(nèi)外已有許多廠家生產(chǎn)。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論畢業(yè)論文文 30 圖 2-10 閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核