基于超聲波測(cè)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘 要本論文闡述的是基于超聲波檢測(cè)的倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)。本課題利用超聲波檢測(cè)、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種汽車倒車?yán)走_(dá)，并能將汽車與障礙物的距離用led實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)對(duì)特定的距離進(jìn)行聲光報(bào)警。本系統(tǒng)由兩部分組成，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)利用超聲波發(fā)生電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號(hào)，再由超聲波接收探頭接收經(jīng)障礙物反射回的超聲波信號(hào)，并通過接收電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，再將調(diào)理后的信號(hào)傳入單片機(jī)系統(tǒng)，然后單片機(jī)系統(tǒng)將信號(hào)經(jīng)過處理送顯示，并且在規(guī)定的距離進(jìn)行聲光報(bào)警。軟件系統(tǒng)用匯編語言進(jìn)行編程，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。該系統(tǒng)通過聯(lián)調(diào)后，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期各種功能，符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：倒車?yán)走_(dá) 超聲波傳感器 單片機(jī) l

2、ed顯示abstractthis paper introduces the design of car reversing radar based on the ultrasonic testing .the task uses ultrasonic testing andsingle chip micyoco(scm) syetem to design a kind of car reversing radar .the distance between car and barrier can be displayed on led real time ,and at the same ti

3、me ,the sound ang light alarming can be given at appointed distance. the syetem consist of two parts: hardware system and software system. in the hardware system , ultrasonic sound generating circuit drives emitting probe to send out ultrasonic signal and the receiving probe receives ultrasonic sign

4、al that is reflected from barrier . the received electrical signl is conditioned by the receiving circuit and put into scm system after conditioning , where the signal is processed , then displayed , and the sound and light alarming will be given at the appointed distance. assemble language is used

5、in the software system and modularization design idea is adopted. this system realizes all desired functions and coincides with demand after system debugging.keywords: reversing radar ultrasonic sensor single chip micyoco led display目 錄第一章 緒言1第二章 總體方案2第一節(jié) 模塊構(gòu)建2第二節(jié) 超聲波測(cè)距的原理2第三節(jié) 超聲波傳感器3第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)6第一節(jié)

6、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)6第二節(jié) at89c51單片機(jī)簡(jiǎn)介6第三節(jié) 電源電路9第四節(jié) 控制電路10第五節(jié) 超聲波發(fā)射和接收電路11第六節(jié) led顯示電路15第七節(jié) 報(bào)警電路16第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)18第一節(jié) 軟件設(shè)計(jì)要求18第二節(jié) 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)18第三節(jié) 主程序18第四節(jié) 超聲波發(fā)送、接收中斷程序19第五節(jié) 顯示程序、報(bào)警程序20結(jié) 論22致 謝23參考文獻(xiàn)24第一章 緒言隨著社會(huì)的進(jìn)步和生活的需求，越來越多的家庭擁有了汽車。交通擁擠狀況也隨之出現(xiàn)，撞車事件也是經(jīng)常發(fā)生，人們?cè)谙硎芷噹淼臉啡ず头奖愕耐瑫r(shí)，更加注重的是汽車的安全性，許多“追尾”事故都與車距有著密切的關(guān)系。為了解決這個(gè)安全問

7、題，設(shè)計(jì)一種汽車測(cè)距防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單。所以超聲波測(cè)距法是一種非常簡(jiǎn)單常見的方法，應(yīng)用在汽車停車的前后左右防撞的近距離測(cè)量，以及在汽車倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)中，超聲波作為一種特殊的聲波，具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦哉凵洌瓷?，干涉，衍射，散射。超聲波測(cè)距是利用其反射特性，當(dāng)車輛后退時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器利用超聲波檢測(cè)車輛后方的障礙物位置，并利用led顯示出來，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定距離時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出報(bào)警聲，從而提醒駕駛?cè)藛T，起到安全的左右。

8、通過本課題的研究，將所學(xué)到的知識(shí)用在實(shí)踐中并有所創(chuàng)新和進(jìn)步。該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用在生活、軍事、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，它需要設(shè)計(jì)者有較好的數(shù)電、模電知識(shí)，并且有一定的編程能力，綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射與接收信號(hào)進(jìn)行控制，通過單片機(jī)程序?qū)Τ暡ㄐ盘?hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析、計(jì)算、處理最后顯示在led數(shù)碼管上。第二章 總體方案第一節(jié) 模塊構(gòu)建按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，超聲波倒車測(cè)距儀由硬件和軟件兩部分組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化思想。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為三個(gè)主要部分：測(cè)距部分、控制部分和顯示報(bào)警部分。軟件部分按不同功能模塊分別進(jìn)行編程，便于調(diào)試和移植。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)“回波測(cè)距”的原理設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1

9、倒車測(cè)距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖該設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景是基于at89c51的超聲信號(hào)檢測(cè)的，因此單片機(jī)選擇為at89c51 單片機(jī)（at89c51）發(fā)出短暫的40khz信號(hào)，反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此型號(hào)進(jìn)行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送到led顯示電路顯示，并進(jìn)行聲光報(bào)警。第二節(jié) 超聲波測(cè)距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計(jì)時(shí)。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，如圖2.2所示: 圖2.2 超聲波測(cè)距原理圖2.2中被測(cè)距離為h，兩

10、探頭中心距離的一半用m表示，超聲波單程所走過的距離用表示，由圖可得： (1) (2)將式(2)帶入式(1)得： (3)在整個(gè)傳播過程中，超聲波所走過的距離為： (4)式中：為超聲波的傳播速度，為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。將式(4)帶入式(3)可得： (5)當(dāng)被測(cè)距離h遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m時(shí)，式(5)變?yōu)椋?(6)這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離2。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得

11、到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。第三節(jié) 超聲波傳感器一、超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動(dòng)力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超

12、聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”活“笛”。壓電式傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器5

13、。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空

14、氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振類工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.3 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖它有兩個(gè)壓電晶片的一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩級(jí)外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板的振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩級(jí)間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻

15、率，即中心頻率f0。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。24第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)基于超聲波反

16、射原理利用單片機(jī)控制器產(chǎn)生40khz的方波信號(hào)，通過發(fā)送模塊對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，發(fā)射40k超聲波。超聲波信號(hào)在空氣中傳播至障礙物后發(fā)生反射，反射回波經(jīng)空氣傳播給超聲波接收換能器并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)接收模塊濾波、放大、整形后，輸入到微控制器的外部中斷口，產(chǎn)生中斷，通過相應(yīng)的公式計(jì)算出距離，然后將距離值通過led顯示出來。為了減少不同環(huán)境下，系統(tǒng)都能達(dá)到測(cè)量精度的要求，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而本系統(tǒng)采用數(shù)字化溫度傳感器ds18b20進(jìn)行溫度取樣，用算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。如圖3.1所示為系統(tǒng)總體框圖。圖3.1 系統(tǒng)總體框圖第二節(jié) at89c51單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心

17、元件，它負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作，記錄超聲波發(fā)送到遇障礙物后反射回來的時(shí)間差，并將這個(gè)時(shí)間差轉(zhuǎn)化為距離，然后通過led顯示模塊把距離顯示出來。at89c51是一種帶4kb字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。（1）主要特性：與mcs-51

18、兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部ram32可編程i/o線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （2）at89c51引腳如圖3.2管腳說明：vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。圖3.

19、2 at89c51引腳圖p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八

20、位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳 備選功能p3.0 rxd（串行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（外部中斷1）p3.

21、4 t0（記時(shí)器0外部輸入）p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。（3）振蕩器特性：xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的

22、寬度。（4）芯片擦除：整個(gè)perom陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，at89c51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。第三節(jié) 電源電路在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一的能量來源，穩(wěn)壓電源的主要任

23、務(wù)是將50hz 的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負(fù)載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。其電路圖圖3.3所示。其中，變壓器將交流電源（220v/50hz）變換為符合整流電路所需要的交流電壓；整流電路是具有單方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷?，將交流電壓整流成單方向脈動(dòng)的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動(dòng)直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負(fù)載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，通過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定7。圖3.3 電源電路220v交流電通過電源變壓器變換成交流低壓電源，再經(jīng)過橋式整流電路d1d4和濾波電容的整理和濾波，在固定

24、式三端穩(wěn)壓器lm7805的vin和gnd兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過lm7805的穩(wěn)壓和電容濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直接輸出電壓。如3.3所示的電路為輸出電壓為+5v、輸出的電流1.5a的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器，橋式整流電路d1d4，濾波電容c4、c5，防止自激電容c10、c11和一只固定式三端穩(wěn)壓器（7805）組成。第四節(jié) 控制電路主控制器主要由單片機(jī)at89c51、振蕩器和復(fù)位電路三部分組成，它是單片機(jī)工作的必要組成部分，又稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。其中xtal1和xtal2外接一個(gè)晶體振蕩器，采用12mhz的晶振以獲得穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小誤差。r

25、st外接一個(gè)復(fù)位電路，晶體振蕩電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘控制信號(hào)。復(fù)位電路采用上電復(fù)位方式。電路圖如圖3.4所示。圖3.4 控制電路 第五節(jié) 超聲波發(fā)射和接收電路一、超聲波發(fā)射部分超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個(gè)部分，超聲波換能器選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40khz的超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需驅(qū)動(dòng)電路，但缺點(diǎn)是靈活性低。本設(shè)計(jì)采用第一種方法產(chǎn)生

26、超聲波發(fā)射信號(hào)。利用at89c51的p1.0口發(fā)射40khz的方波信號(hào)后經(jīng)過74ls04三級(jí)放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。74ls04是一個(gè)高速cmos六反相器，具有放大作用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于lsttl邏輯ic，它的功耗減少很多。對(duì)于hc類型，其工作電壓為26 v，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入lsttl邏輯信號(hào)和cmos邏輯輸入等特點(diǎn)。本系統(tǒng)將40khz方波信號(hào)分成兩路，分別由74ls04經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大。發(fā)射電路主要由反向器74ls04和超聲波換能器構(gòu)成，如圖3.7所示。單片機(jī)p1.0端口輸出40khz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送

27、到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻r10、r11一方面可以提高反向器74ls04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。圖3.5 超聲波發(fā)射電路二、超聲波接收電路超聲波接收包括接收探頭，信號(hào)放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號(hào)，否則可能導(dǎo)致接收效果不好甚至不能接收。由于超聲波接收探頭的信號(hào)非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必

28、須經(jīng)過波形變換。本次設(shè)計(jì)為了降低調(diào)試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，所以我們采用了一種用在彩色電視機(jī)上面的一種紅外接收檢波芯片cx20106，由于紅外遙控的中心頻率在38khz，和超聲波的40khz很接近，所以可以用來做接收電路。cx20106是日本索尼公司的產(chǎn)品，采用單列8引腳的直插式封裝，內(nèi)部包含自動(dòng)偏置控制電路、前置放大電路、帶通濾波、峰值檢波、積分比較器、斯密特整形輸出電路，配合少量外接元件就可以對(duì)38khz左右的信號(hào)的接收與處理，該芯片內(nèi)部如下圖3.6所示： 圖3.6 cx20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)前置放大器：它是高增益的放大器，由于超聲波在空氣中直線傳輸時(shí)，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，

29、故反射回來的超聲波信號(hào)的幅值會(huì)有很大的變化。為了不使放大器的輸出信號(hào)過強(qiáng)而產(chǎn)生失真，集成塊內(nèi)部有自動(dòng)電平限制電路，對(duì)前置放大器的增益進(jìn)行自動(dòng)限制。通過反饋將放大器設(shè)定于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進(jìn)行自動(dòng)控制。限度放大器：當(dāng)信號(hào)太強(qiáng)時(shí)為了防止放大器過載，限制高電平振幅，同時(shí)也可消除寄生調(diào)幅干擾。寬頻帶濾波器：其頻率范圍為30hz60hz，其中心頻率可調(diào)。檢測(cè)器：將返回的超聲波的包絡(luò)解調(diào)回來。積分濾波器與整形電路：檢測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰

30、值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。x20106構(gòu)成本次設(shè)計(jì)接收電路如下圖3.7： 圖 3.7 超聲波接收電路使用cx20106a集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是cx20106a的引腳注釋10。1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與地之間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r18或減小c12,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但c12的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為r18=4.7，c12=10f。

31、3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為10f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取r=200k時(shí)，f042khz，若取r=220k，則中心頻率f038khz。6腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pf，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為200k，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)

32、時(shí)則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.55v。第六節(jié) led顯示電路圖3.8 led顯示電路超聲波測(cè)距儀顯示控制模塊電路如圖3.10所示。通過單片機(jī)的25、26、27、28四個(gè)管腳的信號(hào)控制四位三極管的b極，利用三極管的開關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。采用led 動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過pic 芯片的計(jì)算后傳到led上，顯示精度是厘米。單片機(jī)用p1.0端口輸出超聲波換能器所需的40khz方波信號(hào)，利用外中斷0口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽led數(shù)碼管，用于顯示障礙物的距離，由單片機(jī)p0.0p0.6接led的ag七個(gè)筆段，p2.4p2.7接四位8550的公

33、共端，通過軟件以動(dòng)態(tài)掃描方式顯示。段碼用74ls244驅(qū)動(dòng)，位碼用pnp三極管8550驅(qū)動(dòng)。第七節(jié) 報(bào)警電路isd1700系列錄放芯片是一種高集成度，高性能的芯片。它可以多段錄音，采樣率在4k至12k間調(diào)節(jié)，供電范圍可以在2.4v至5.5v之間。isd1700系列錄放芯片可工作于獨(dú)立按鍵模式和spi控制模式。芯片內(nèi)有存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來管理多段語音，這樣在獨(dú)立按鍵模式下也能進(jìn)行多段語音錄放。此芯片內(nèi)有振蕩器，可通過外部電阻來調(diào)節(jié)其振蕩頻率；還有帶自動(dòng)增益控制(agc)的話筒運(yùn)放，模擬線路輸入，抗鋸齒濾波器，多級(jí)存儲(chǔ)陣列，平滑濾波器，音量控制，直接驅(qū)動(dòng)喇叭的pwm輸出與接外部功放的電流/電壓輸出。is

34、d1700還有有新錄音提示功能，當(dāng)有新的錄音后，led回每秒閃一次來提示用戶有新的錄音。此外還有4種音效來提示用戶的操作結(jié)果，如開始錄音、停止錄音、擦除、下一曲和全部擦除等。錄音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片的flash內(nèi)，沒有經(jīng)過任何壓縮，所以有較好的音質(zhì)和斷電存儲(chǔ)。芯片有兩路獨(dú)立的語音信號(hào)輸入通道，話筒輸入與模擬信號(hào)輸入。在獨(dú)立按鍵模式下，當(dāng)某功能操作完成后芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掉電模式來降低功耗。在spi模式下，用戶可對(duì)芯片進(jìn)行更多功能操作。如對(duì)任意存儲(chǔ)地址進(jìn)行錄放，對(duì)模擬通道配置寄存器（apc）進(jìn)行讀寫。isd1700語音芯片具有以下特點(diǎn)：（1）可錄、放音十萬次，存儲(chǔ)內(nèi)容可以斷電保留一百年（2）兩種控制方式，

35、兩種錄音輸入方式，兩種放音輸出方式。（3）可處理多達(dá) 159 段以上信息。（4）有豐富樣的工作狀態(tài)提示。（5）多種采樣頻率對(duì)應(yīng)多種錄放時(shí)間。（6）音質(zhì)好，電壓范圍寬，應(yīng)用靈活。（7）用戶可利用震蕩電阻來自定芯片的采樣頻率，從而決定芯片的錄放時(shí)間和錄放音質(zhì)。isd1700電氣特性如下：（1）工作電壓：2.4v-5.5v，最高不能超過 6v（2）靜態(tài)電流istb：0.5a - 1a.（3）工作電流iop：20ma.本系統(tǒng)采用spi控制模式，通過外接1k電阻來設(shè)定芯片的采樣率為6.4khz。如圖3.9 所示為實(shí)時(shí)播報(bào)電路：圖3.9 實(shí)時(shí)播報(bào)部分電路原理圖值得注意的，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意料之外的錄

36、音過程，而這個(gè)意外的錄音過程會(huì)妨礙以前的聲音回放，一個(gè)偽eom標(biāo)記會(huì)出現(xiàn)在存儲(chǔ)空間的開始部分。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在控制端rec和vcc之間并聯(lián)一個(gè)電容（大約為0.001uf即可。它使控制端的電壓同步拉起，一旦電壓變高，電壓上拉部分將保持高電平直到人為地使電壓變低，從而防止偽eom標(biāo)記的產(chǎn)生。當(dāng)然這種異?，F(xiàn)象與印刷線路板的電容有關(guān)，因此不是每個(gè)人都會(huì)遇到這種情況。但為了使電路穩(wěn)定工作，這個(gè)電容是必須的。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第一節(jié) 軟件設(shè)計(jì)要求 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。c語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的

37、效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，在超聲波測(cè)距儀的程序設(shè)計(jì)中,計(jì)算距離時(shí)較為復(fù)雜，程序運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算又較為精細(xì)，控制程序的編程只使用一種語言編寫并不理想,所以該程序采用c語言和匯編語言混合編程。第二節(jié) 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器t在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器r所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：d=s/2=(ct)/2 其中，d為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟

38、動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器t0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在int0或int1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。第三節(jié) 主程序主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。程序首先完成初始化過程，然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號(hào)的過程，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都很判斷在發(fā)射信號(hào)后延時(shí)等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序的流程。主程序流程圖如圖4.1：開

39、始初始化發(fā)射超聲波啟動(dòng)定時(shí)開中斷testok=1計(jì)算距離開報(bào)警關(guān)報(bào)警顯示距離testok=2tstok=0ny顯示off顯示距離s1.0m圖4.1 主程序流程圖工作時(shí)，微處理器at89c51先把p1.0置0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器t0開始計(jì)時(shí)。要檢測(cè)返回信號(hào)必須在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)后1.4ms才可以檢測(cè)，這樣就可以抑制輸出的干擾。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描int0引腳，如果int0接收的信號(hào)有高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。然后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)

40、行聲光報(bào)警。第四節(jié) 超聲波發(fā)送、接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過p1.0端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40khz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器t0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。主程序利用為中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（int0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器t0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1即testok=1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出是還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器t0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2，及testok=2以表示此次測(cè)距失敗。超聲波發(fā)射程序比較簡(jiǎn)單，主要包括t0中斷服務(wù)程序和超聲波接收中斷服務(wù)程序。第五節(jié) 顯示程序、報(bào)警程序先進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示初始化將指針指向緩沖區(qū)首地址，然后去顯示位指針，取要顯示的數(shù)，再將數(shù)變成段碼，然后將段碼送段控制器，位碼送位控制器，在延時(shí)，然后判斷是否是最后一位，是否顯示完畢，沒有的話修改該緩沖區(qū)指