超聲波測距應(yīng)用

1、摘要分析了汽車倒車防撞系統(tǒng)的根本設(shè)計(jì)原理以及目前國內(nèi)外此類防撞系統(tǒng)存在的 問題， 較詳細(xì)的介紹超聲波測距系統(tǒng)以及根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、方法和步驟，研制的 汽車倒車防撞報(bào)警器。這種報(bào)警器在汽車倒車過程中到達(dá)極限位置的時(shí)候，能自動(dòng)檢 測車尾障礙物的距離并發(fā)出聲光警報(bào)，提醒司機(jī)剎車。本設(shè)計(jì)利用超聲波傳感器進(jìn)行 信號(hào)的發(fā)射和接收，包括發(fā)射、接受以及報(bào)警電路三個(gè)局部。超聲傳感器的主要元件 是采用壓電元件錯(cuò)鈦化鉛，具有很強(qiáng)的方向性，報(bào)警電路局部是利用聲光報(bào)警器，將 信號(hào)傳遞之后，可實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警，本設(shè)計(jì)利用國內(nèi)生產(chǎn)假的通用元件，本錢低，性能 可靠。有利于推廣。關(guān)鍵字：超聲波，防撞，汽車倒車，報(bào)警器，傳感器。目

2、錄第1章緒論.31.1超聲波檢測技術(shù)開展綜術(shù) .31.2研究的目的及意義 .3第2章超聲波測距.42.1超聲波傳感器的介紹.42.2超聲波測距的原理及實(shí)現(xiàn) .5第3章單片機(jī)的測距系統(tǒng) .63.1單片機(jī)的選擇.63.2超聲波發(fā)射與接受電路設(shè)計(jì) .73.3顯示與報(bào)警單元方案設(shè)計(jì) .173.3.1系統(tǒng)顯示電路 .173.3.2系統(tǒng)才艮警電路 .183.4單片機(jī)復(fù)位電路 .193.5穩(wěn)壓電源.20第4章 系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì) .214.1單片機(jī)AT89C51介紹.214.2運(yùn)算放大器 .244.3探頭UCM介紹.254.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).254.5主程序.27第5章系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化.305.1發(fā)射器探頭對

3、接收器探頭的影響 .305.2補(bǔ)償溫度.30.5.3相關(guān)優(yōu)化.31第6章參考文獻(xiàn).32第1章 緒論1.1超聲波檢測技術(shù)開展綜述眾所周知，關(guān)于超聲波的研究起始于1876年，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波， 這些年來，隨著超聲波技術(shù)的不斷深入，再加上其具有高精度，無損， 非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及，多年來已在一些領(lǐng)域的要應(yīng)用，而用于汽車防裝卻是 近年的事情。這主要原因是傳統(tǒng)的超聲波傳感器不能到達(dá)汽車行業(yè)的特殊要求。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視的生物作為防御以及捕捉獵物的 生存手段，也就是有生物體發(fā)出而不被人們所聽到的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播由被 呆捕捉的獵物或障礙物反射回

4、來的時(shí)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性 質(zhì)或障礙物位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小得多，其傳播時(shí)間就比擬 容易檢測，并且易于定位發(fā)射，方向性好，輕度好控制，因而人類采用仿真技能利用 超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非 接觸式距離測量的方法。汽車倒車防撞測距報(bào)警器，是我國八五期間需重點(diǎn)開發(fā)的重大科研工程之一，也是汽車六大類汽車電子產(chǎn)品中的一種。以往的汽車倒車報(bào)警器可分為四大類，即嘀嘀聲加閃光,音樂聲加閃光，語言聲加閃光和倒車至危險(xiǎn)距離如015m時(shí)發(fā)出報(bào)警聲的超聲波 倒車報(bào)警器。本研究綜合了第3、4類報(bào)警器各功能，并將第4類報(bào)警器加以改良

5、、發(fā)展,使其不僅可發(fā)出警告行人的語言聲，而且還能在整個(gè)倒車過程中自動(dòng)測量車尾與最近障礙物之間的距離，并用數(shù)字顯示出來，在倒車至極限平安距離如016m時(shí)，會(huì)發(fā)出急 促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車。另外當(dāng)蓄電池電壓過低時(shí)，還會(huì)發(fā)出聲光警告，提醒駕駛員及時(shí)充電，以保證儀器及汽車正常工作。1.2研究的目的及意義本產(chǎn)品一旦問世，可望成為駕駛員，特別是貨及公共汽車駕駛員的好幫手，可有效地減少或防止些后視野不良的大型汽車的如冷藏車、集裝廂車、圾車、食品車、載貨汽 車、公共汽車等倒車交通事另外還特別適于夜間輔助倒車、倒車入庫及進(jìn)入停場停車 到位，甚至還能防止盜賊扒車。由于本儀器能多，本錢低廉，性能優(yōu)良，目前處

6、于國內(nèi)領(lǐng)先水又是國家八五重點(diǎn)開發(fā)工程，市場極其廣闊，對高我國汽車電子工業(yè)水平 ，具有較大的實(shí)際意義。第2章超聲波測距2.1超聲波傳感器的介紹超聲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)變同 頻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)力型中 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，例如在超聲檢測和診斷中習(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“哨或“笛。壓電傳感器屬于超聲傳

7、感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組 成，是超聲檢測中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測 裝置的重要組成局部。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鋸酸 鋰等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)鈦酸鉛，鈦酸徹等。其具有以下的特性：把這種材料置于 電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，那么由于產(chǎn)生了應(yīng)變就 會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，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。傳感器的主要組成局部是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖鼓勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)， 即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)

8、。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

9、，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)。圖圖2. 1壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩極外加信號(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，并共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之， 如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接超聲波時(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)它就成為波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率f0。發(fā)射超聲波時(shí)，在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧

10、振頻率一致。這樣，超聲傳感器較高的靈敏度。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 不影響與接收超聲波。2.2超聲波測距原理及實(shí)現(xiàn)超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，遇到障礙物后反射效率高，是測距的良好載體。測距時(shí)由安裝在同一位置的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波

11、的發(fā)射與接收，由定時(shí)器計(jì)時(shí)。首先由發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在介質(zhì)傳 播途中一旦遇到障礙物后就被反射回來，當(dāng)接收器收到反射波后立即停止計(jì)時(shí)。這樣,定時(shí)器就記錄下了超聲波自發(fā)射點(diǎn)至障礙物之間往返傳播經(jīng)歷的時(shí)間t(s)。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s,所以發(fā)射點(diǎn)距障礙物之間的距離為：S=340 t/2=170 t(1)由于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上是對機(jī)器周期T機(jī)的計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率fosc取12MHz,設(shè)計(jì)數(shù)值N,那么壓電晶片T機(jī)=12/fosc=1卬s,t=N T機(jī)=N X 10-6(s) S=170 X N X T機(jī)=170 X N/106

12、(m)或S=17X N/103(cm)(2)程序中按式(2)計(jì)算距離。 可以看出主要局部有： 供給電能的脈沖發(fā)生器(發(fā)射電路) ； 使接收和發(fā)射隔離的開關(guān)局部；(3)轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；(4)接收反射聲能(回波)和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)的接收傳感器；(5)接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè) 備；記錄/控制設(shè)備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的

13、超聲波。目前超聲波測 量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內(nèi)測量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收 器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。距離測量系統(tǒng)常用的頻率范圍為25KHz300KHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)， 或者兩個(gè)是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩局部組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度 的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號(hào)以便 記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，接收放大器要有足夠的 頻帶寬度；收/發(fā)隔離那么使接收裝置避開強(qiáng)大的發(fā)射信號(hào)；記錄 /控制局部啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)

14、，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。第3章單片機(jī)的測距系統(tǒng).3.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)種類很多，根據(jù)本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，及夠用、好用的原那么，本文選擇功耗低、 性能高的A T89C51單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)含4 kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ) 器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。其具有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入輸出I O端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口,2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。 在編程方面,A T89C51既可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微 處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的F la sh存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成

15、本。汽車倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2超聲波發(fā)射與接受電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要局部，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系 整個(gè)系統(tǒng)的精確性和平安可靠性。本文通過多種方案比擬，以到達(dá)最正確方案確定。設(shè)計(jì)方案一:信號(hào)返回發(fā)射接收電踏單片機(jī)控制器它啟動(dòng)振蕩器，輸出40KHz的高頻信號(hào)，經(jīng)整形及功放電路，加至發(fā)射換能器，發(fā)出40kHz的超聲波。接收電路主要由回波放大接收及比擬控制電路組成，如圖3.1所示。圖3.1接收控制及接口電路初始，比擬器A1同相端已經(jīng)通過調(diào)整Rr,使其電壓略高于2.5V。因此A1應(yīng)輸出高 電平，但由于D1相位作用，A1輸出低電平，即RS觸發(fā)器的S =0, Q=1，亍=1,

16、 INT、=0。當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，在A點(diǎn)形成正脈沖，經(jīng)N1反相，耳=0, D1相位釋放，X =1 , Q=0，函而=1正跳，T0計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。脈沖過后，5=1 ,五=1,Q=0 ,=1?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)放大濾波，送至比擬器AI的反相端，它是疊加在2.5V電壓上的交變40kHz的信號(hào)。它的前沿使A1輸出低電平。石=0，后=1 , Q=1，爪70 =0負(fù)跳，即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷，T0計(jì)數(shù)停，計(jì)數(shù)值N1送存RAM。由于發(fā)射探頭和接收探頭都是平行放置且距離較近，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)，接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)， 因此必須將其隱去。 當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信號(hào)，主控同步 脈沖加至比擬器A2時(shí)

17、，A2輸出一個(gè)遠(yuǎn)大于2.5V的電壓，經(jīng)過D2降壓后約為7.5V左 右，加至A1同相端，又C2的延退作用，A1同相端產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，它的幅度和寬度均大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器的端仍為高電平，這樣串?dāng)_由施密特振蕩器和數(shù)字功放電路組成，由P1.0口發(fā)出的同步脈沖信號(hào)如圖3.1。信號(hào)將被隱去。這段時(shí)間稱為盲區(qū)，約2mso設(shè)計(jì)方案二：40KHz的超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由單片機(jī)的P1.0口送出，發(fā)出一系列的脈沖群，每一個(gè)脈沖群的持續(xù)時(shí)間大約為0.5ms左右。信號(hào)經(jīng)過三極管放大，再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器變壓器輸入輸出比為1: 10后，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部

18、的壓電晶片開始震動(dòng)，經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出40kHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射波，發(fā)射波返回到超聲波傳感器上，盡 管發(fā)射局部的脈沖電壓比擬高，但是由回波引起的接受壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度 近距離有幾毫伏，遠(yuǎn)距離還不到幾毫伏，由于在較遠(yuǎn)距離的情況下，聲的回波很弱， 因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也很小， 為此要求將信號(hào)放大6000倍左右。信號(hào)經(jīng)過放大整形電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。在接收端第一級(jí)，要求其放大倍數(shù)為了C945這62倍左右，所以選擇只三極管，到達(dá)了放大倍數(shù)。第二三級(jí)選用了一枚集成放大器NE5532,它集成了兩個(gè)放大器，可到達(dá)預(yù)定放大倍數(shù)。 、rr、r 設(shè)計(jì)萬

19、案二：1、 發(fā)射電路發(fā)射電路由555多諧振蕩器和數(shù)字功率放大器組成。采用555多諧振蕩器可以實(shí)現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設(shè)計(jì)簡單占用面積小。如圖4.2所示，由單片機(jī).P1.口發(fā)出同步脈沖信號(hào)，該同步脈沖啟動(dòng)多諧振蕩器，使其輸出20KHz的高頻電壓信號(hào)，經(jīng)過整形及功放電路加至超聲波換能器探頭，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，產(chǎn) 生振動(dòng)頻率為20KHz的超聲波。2、 接收電路接收電路主要由回波放大接收電路及比擬電路組成。如圖3.3所示，首先調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使比擬器A1同相端電位高于2.5V。由于D1輸出低電平，而反相器N輸出高電平，所以 有RS觸發(fā)器的=0, =1,Q=1, =0當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)如圖3.2中

20、的1所示經(jīng)過微 分電路形成的同步脈沖信號(hào)通過反相器N的反相功能，=0, D1箝位釋放=1, Q=0, =1正跳變，T0計(jì)數(shù)器開始記數(shù)，脈沖經(jīng)過之后=1, Q=0, =1?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過放大濾波送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V上的頻率為20KHz的高頻電壓信號(hào)。如圖3.2中的3所示，其前上升沿使A1輸出低電平，=0, =1 , Q=1, =0(負(fù)跳變)即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷請求，使T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，記數(shù)值N送存RAM3、盲區(qū)干擾信號(hào)的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)接收換能器接收到的第一個(gè)波是串?dāng)_直通波，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣

21、或通過繞射由發(fā)射換能器直接到達(dá)接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)。所以必須將其隱去，當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信息，同步脈沖加至比擬器A2時(shí)，A2輸出一遠(yuǎn)大于2.5V的電壓，經(jīng)D2降壓后大約等于7.5V,加至A1同相端，由于C1延退作用，A1同相端將產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，如圖3.2中的(4)所示。它的寬度和幅度都大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去，這段時(shí)間稱為盲 區(qū)，約2毫秒。- $- FLOWit同步信號(hào)同步信號(hào)(1)-(2) - N-同步脈沖信號(hào)同步脈沖信號(hào)13) -0-姍卜-同跋悟號(hào)同跋悟號(hào)U 2ms Y-(4) - - -

22、AJ同相端盲區(qū)消慰信號(hào)同相端盲區(qū)消慰信號(hào)r-SS-5) -爪冗爪冗 信號(hào)信號(hào)_. ._ _圖3.2測距脈沖圖圖3.3超聲波回波接收電路設(shè)計(jì)方案四：1、 發(fā)射電路發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī)P1.1口控制其是否工作。其電路圖如圖3.4所示。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳 感器。其中，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應(yīng)盡量提供脈 沖變壓器副邊電壓幅值。2、 接收電路接收電路的主要任務(wù)是檢測回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè) 計(jì)的好壞直接影響超聲波在

23、空氣中傳播時(shí)間的測量。接收局部電路由檢波電路、濾波 放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大；整形 電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請中斷以停止計(jì)時(shí)。 接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。其電路如圖3.5所示。圖3.5中，R11、R12、C13、C14、R15和運(yùn)算放大器AmplA組成了一級(jí)濾波放大電路；R21、R22、C23、C24、R25和運(yùn)算放大器Amp1B組成了二級(jí)濾波放

24、大電路。圖3.4發(fā)射局部電路圖3.5一次和二次濾波放大電路發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的各種問題：發(fā)射波形如圖3.6,傳感器的振蕩波形要經(jīng)過一段時(shí)間才能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，理論上信號(hào)的幅度時(shí)指數(shù)上升的，Q各周期后到達(dá)滿幅度的95%, 1.5Q個(gè)周期后到達(dá)99%。為提高傳感器的靈敏度，Q值一般不能太低，為使傳感器充分振蕩起來，發(fā)射脈寬要求不能小于Q個(gè)振蕩周期，才能使發(fā)射幅度根本到達(dá)最大。考慮到測量“盲區(qū)，這里選 擇脈寬為120 s,包含5個(gè)調(diào)制的44KHz的方波信號(hào)。暫態(tài)-息態(tài)一鼓勵(lì)階段-減幅振蕩圖3.6發(fā)射波形由文獻(xiàn)3知，測距儀的發(fā)射波形如圖3.6,在規(guī)定時(shí)刻將一持續(xù)時(shí)間為c的正弦 波加到傳感器上，然后關(guān)閉

25、發(fā)射電路，翻開接收通道，接收來自障礙物的反射波。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失，接收預(yù) 放大單元的作用是對有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而到達(dá)最大 信噪比，以利檢測單元的正確檢測。如何到達(dá)信號(hào)的最正確接收關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和平安性，所以也應(yīng)考慮到影響接收信號(hào)的各方面問題。在傳感器接收到的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混 有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。室內(nèi)環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，遠(yuǎn)離回波信號(hào)頻 率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪聲決定，其功率譜寬度遠(yuǎn)大于接收

26、 機(jī)的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識(shí)，輸入為信號(hào) 加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配濾波器具有以下特點(diǎn)：(1)輸出最大信噪比與信號(hào)波形無關(guān)(2)匹配濾波器對信號(hào)的幅度和時(shí)延具有適應(yīng)性， 即對只有幅度和出現(xiàn)時(shí)間不同的信 號(hào)，它們的匹配濾波器是相同的。(3)匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性。實(shí)際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個(gè)射頻脈沖的頻譜是連續(xù)的，用普通的窄帶濾波器就能把其主峰局部(w附近)濾波出來，適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器的通帶寬度就能取得與匹配濾波器相差不多的效果?？刂贫?A1A0圖3.7信號(hào)放大器原理圖接收放大器的作用是放大有用信號(hào)， 并抑止其它噪

27、聲與干擾， 從而到達(dá)最大的信噪 比， 以利于檢測電路的正確檢測。放大器組成框圖如圖3.7,采用三級(jí)放大電路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使輸入信號(hào)功率最大。帶通放大器選 擇最正確時(shí)間帶寬積，以到達(dá)匹配濾波的效果。模擬開關(guān)起收發(fā)隔離的作用。在測量近 距離時(shí)，模擬開關(guān)閉合，發(fā)射信號(hào)可以進(jìn)入接收通道；測量遠(yuǎn)距離時(shí)，模擬開關(guān)斷開，發(fā)射信號(hào)不可以進(jìn)入接收通道。程控放大器分為2檔，分別放大10倍和100倍，由控制端A1 , A0控制。綜合以上四種方案比擬，最后確定超聲波發(fā)射接收電路如圖3.8所示。該電路簡單實(shí)用，通過兩極放大，增強(qiáng)接收信號(hào)，比擬適合本設(shè)計(jì)需要。測距 系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器

28、，他的工作電壓是40kHZ的脈沖信號(hào)，前方測距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行程序后，在P1.0端口輸出一個(gè)40kHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHZ的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200 s。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，原理和前方測距相同。圖3.8基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射接收電路由AT89C51單片機(jī)編程，執(zhí)行程序后P1.0口產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)三極 管放大后來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T ,產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器兩級(jí)

29、放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567 ,內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)解R8在發(fā)射的載頻上，貝U LM567輸入信 號(hào)大于25mv ,輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信?hào)， 送至單片機(jī)處理。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(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INTO或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)， 單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求， 執(zhí)行外部中斷效勞子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。發(fā)射電路電路圖如圖3.9所示:圖3.9

30、系統(tǒng)發(fā)射電路9V的電源，R1=3.6K歐,R2=360歐,三極管T一個(gè)，鼓勵(lì)換能器T40-16圖3.10流程圖當(dāng)單片機(jī)AT89C51,通過P1.0這個(gè)I/O口,發(fā)送一系列的脈沖經(jīng)過三極，從而使T40-16這個(gè)鼓勵(lì)換能器發(fā)射出超聲波。此電路由一個(gè)個(gè)。其流程圖如圖AT89C51單片機(jī)發(fā)射電路原理:管T進(jìn)行放大3.10所示:接收電路如3.11所示:圖3.12原理框圖此系統(tǒng)為了全方位測距，故有左、右、中三個(gè)測距電路，其電路都相同。3.3顯示與報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)顯示報(bào)警單元是經(jīng)過超聲波發(fā)射接收電路及單片機(jī)AT89C51處理后把信號(hào)轉(zhuǎn)化為人為可以知覺的數(shù)字顯示和報(bào)警響應(yīng)，以進(jìn)一步防止事故發(fā)生。顯示報(bào)警電路由

31、顯示和報(bào)警兩局部電路組成，主要實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下的顯示報(bào)警功能，以此提醒駕駛員。3.3.1系統(tǒng)顯示電路顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差異僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示的LED驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。由于全程顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，用3個(gè)LED數(shù)碼管表示距離的cm數(shù)值。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器 常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)

32、動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)圖3.11接收電路圖其原理框圖如下：怪收蹈rK阿波E10-1GX_蕓大二尊器音黑謹(jǐn)四麻成&T豚5 I 單 片機(jī)亮的LED通以恒定的電流即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能 的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如 果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU開銷小， 但這種驅(qū)動(dòng)方法需要存放器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，本錢也增加。而所謂動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的LED通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)

33、顯示器輪流點(diǎn)亮，這時(shí)LED的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。本設(shè)計(jì)選用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的I/O口。8155的P口作為LED的字形輸出口，為提高顯示亮度，采用8路反相驅(qū)動(dòng)器74LS244驅(qū)動(dòng)PC口作為LED的位選控制口，采用共陽極的LED顯示器，由于8段全亮?xí)r位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，采用6路反相驅(qū)動(dòng)器74LS06以提高驅(qū)動(dòng)能力。圖3.13系統(tǒng)顯示電路3.3.2系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)喇叭組成。R25的阻值為1K,R26的阻值為10K。對于二級(jí)運(yùn)算放大，都采用F007芯片.兩級(jí)放大電路均是負(fù)反應(yīng)接 法,即反相比

34、例運(yùn)算電路.而反相比例運(yùn)算電路中，輸入信號(hào)從反相輸入端輸入，同相輸入端接地.根據(jù)虛短和虛斷的特點(diǎn)， 即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所謂虛短 是由于理想集成運(yùn)放Au。-0。所以可以認(rèn)為兩個(gè)輸入端之間的差模電壓近似為零， 即Uid=u_=u+0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于兩個(gè)輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱為“虛短。而“虛斷是由于理想集成運(yùn)放的輸入電阻Rid-/,故可以認(rèn)為輸入端不取電流，即i_=i+M.這樣，輸入端相當(dāng)于斷路，而又不是斷開，稱為“虛斷。而電路中，反相輸入端與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況稱為“虛地。it!fU母母所以iI= S,iF=的，=

35、Rf，因?yàn)閕_=0,iI=if,那么可得u0=-晝.uI故可將信號(hào)進(jìn)行放大。F6圖3.14系統(tǒng)報(bào)警電路 當(dāng)單片機(jī)AT89C51通過P1.0, P1.1, P1.2三個(gè)I/O口，發(fā)射出超聲波的信號(hào)，即輸出 一個(gè)高電平給這三個(gè)I/O口，大約5V的電壓，同時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0開始計(jì)時(shí)。那么信號(hào)經(jīng)過三極管T1 , T2, T3進(jìn)行放大。使電流到達(dá)T40-16的工作電流，從而發(fā)射出超 聲波。當(dāng)T40-16發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來，這時(shí)接收器R40-16便會(huì)將反射回來的超聲波接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器的兩極放大，將信 號(hào)送給LM567的輸入端，當(dāng)LM567的輸入端電流大于25mA時(shí)

36、，其8號(hào)輸出引腳會(huì) 產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，使得單片機(jī)AT89C51產(chǎn)生一個(gè)中斷。這樣，計(jì)數(shù)器便停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)把計(jì)得的時(shí)間差進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)S=170*t這個(gè)公式來計(jì)算車與障礙物的距離，并把 運(yùn)算結(jié)果以十進(jìn)制的方式送到七段LED顯示電路去顯示。如果距離小于0.5m,那么單片機(jī)AT89C51便給P1.5口一個(gè)信號(hào)，使得報(bào)警電路工作，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。Fl.53.4單片機(jī)復(fù)位電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出 錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要

37、在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保 證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST保持高電平。只要RST保 持高電平，那么單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位電路通常采用以下幾種方式：a、上電自動(dòng)復(fù)位在通電瞬間，由于R2C電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機(jī)復(fù)位。切CC圖3.15上電復(fù)位電路b、按鍵電平復(fù)位通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的。c、系統(tǒng)復(fù)位在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這特別適合于應(yīng)用現(xiàn)場干擾大、電 壓波動(dòng)大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系

38、統(tǒng)有多個(gè)復(fù)位端時(shí)，能保證可靠地同步復(fù)位 考慮本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，干擾小，故采用上電自動(dòng)復(fù)位。3.5穩(wěn)壓電源大局部的電子電路與電子設(shè)備都需要有一個(gè)穩(wěn)定的直流電源提供能量， 而且對于我們 通常所接觸的控制器而言，一般都是利用電網(wǎng)提供的交流電源，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn) 壓后，濾去其不穩(wěn)定的脈動(dòng)、干擾成分，提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，來使電子電路與 電子設(shè)備保持正常的工作。并且，我們目前絕大局部電子電路與電子設(shè)備都是使用線 性電源，即通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的直流電壓給電子電路及芯片工 作的。固定式三端穩(wěn)壓電源(7805)是由輸出腳Vo,輸入腳Vi和接地腳GND組成，它的 穩(wěn)壓值為+5V,它屬于CW7

39、8xx系列的穩(wěn)壓器，輸入端接電容可以進(jìn)一步的濾波，輸出端也要接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響，此電路的穩(wěn)定性也比擬好。由于固定式三端穩(wěn)壓電源(7805)的輸出電流有1.5A，而本次設(shè)計(jì)電路電流在1A到2A之間，考慮到電 路的一般余量在2倍到3倍左右。故本次設(shè)計(jì)電源電路需要采用擴(kuò)流電路，如圖3-17。Fl ICtsf圖3-17第4章系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)AT89C51介紹AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kB的可反復(fù)擦寫 的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-

40、51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)本錢。I/O端口的編程實(shí)際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對I/O存放器進(jìn)行編程。具體步驟如下：(1)根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些I/O端口，用EQ

41、U偽指令定義其相應(yīng)的存放器；(2)初始化端口的數(shù)據(jù)輸出存放器，應(yīng)防止端口作為輸出時(shí)的開始階段出現(xiàn)不確定狀 態(tài)，影響外圍電路正常工作；(3)根據(jù)外圍電路功能，確定I/O端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向存放器。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因?yàn)镮/O的復(fù)位缺省值為輸入；(4)用作輸入的I/O管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能存放器為其內(nèi)部配置上拉 電阻；(5)最后對I/O端口進(jìn)行輸出(寫數(shù)據(jù)輸出存放器)和輸入(讀端口)編程，完成對外圍 電路的相應(yīng)功能。INT0:產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。INT1:產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。P1.3:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。P1.4

42、:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級(jí)的判斷。P0.0:用于顯示輸出，接顯示器。P0.1:用于顯示輸出，接顯示器。P0.2:用于顯示輸出，接顯示器。P0.3:用于顯示輸出，接顯示器。P0.4:用于顯示輸出，接顯示器。P0.5:用于顯示輸出，接顯示器。P0.6:用于顯示輸出，接顯示器。P0.7:用于顯示輸出，接顯示器。P2.7:接報(bào)警電路P2.0:接報(bào)警電路F=1 _O CZFM . 1 匚 Pl任 LPl .3 己 戶S L：Ri S U i JBEZ R1 .7 LFIST 匚廠廠i L F3.1 A3WP-33尸3.4 F*3,B MaJB P3.740g4g34a93OMWTO1 13,08

43、13，14ST1 悴理勃1 TleNN伍20ND圖4.1 AT89C51單片機(jī)芯片根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，各接口功能如下:P1.0:產(chǎn)生輸出一個(gè)P1.1:產(chǎn)生輸出一個(gè)P1.2:產(chǎn)生輸出一個(gè)40KHZ的脈沖信號(hào)40KHZ的脈沖信號(hào)40KHZ的脈沖信號(hào)用于前方測距電路用于右側(cè)測距電路用于左側(cè)測距電路nnnnnnnnnnnnnnn=171 Al 1 )P N IO) Pa.1 (A9)-AN JO 70dB/V/ubar70dB/V/ubar外形尺寸爭爭16mm322.5mm爭爭16mm322.5mm溫度范圍20C +60 C20C +60 C相對濕度20 5C時(shí)達(dá)98%20 5 C時(shí)達(dá)98%使用考前須知

44、：兩接線腳焊接時(shí)間不宜過長，以免器件內(nèi)之焊點(diǎn)溶化脫焊及造成底座與接線腳之間松動(dòng)。不宜與腐蝕性物質(zhì)接觸。4.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)汽車倒車防撞系統(tǒng)根據(jù)超聲測距原理用AT89C51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊 組成。根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有以下功能：(1)控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài)。傳感器的工作狀態(tài)因行駛方向的不同而不同，而且，探測距離時(shí)發(fā)射傳感器還要依次輪流工作，這些功能需靠軟件程序來實(shí)現(xiàn)。(2)根據(jù)汽車的行駛速度計(jì)算出倒車避撞的平安距離和報(bào)警距離。平安距離就是汽車自由停下所需的距離，這時(shí)需要的距離必然小于根據(jù)車速

45、確定的平安距離。比平安距離稍遠(yuǎn)些的是報(bào)警距離，設(shè)計(jì)的報(bào)警距離比平安距離長出1米。通過報(bào)警來減少不必要的停車。(3)測出超聲波信號(hào)的往返時(shí)間，來計(jì)算出最近的障礙物與平臺(tái)車的距離。 超聲波從發(fā) 射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時(shí)間 ，需要通過軟件定時(shí)器來記錄。 根據(jù)這個(gè)時(shí)間 才能計(jì)算出障礙物的距離。軟件設(shè)計(jì)的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報(bào)警等功能編成獨(dú)立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當(dāng)按下控制鍵后，在一定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個(gè)模 塊，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測量的結(jié)果進(jìn)行 分析處理，根據(jù)處理結(jié)果斷定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報(bào)警程序。當(dāng)測得

46、距離小于預(yù)置距離時(shí)，聲音報(bào)警程序被調(diào)用。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模 式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序 送出一個(gè)超聲波脈沖，為了防止超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms(這也就是超聲波測距儀會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因)后，才翻開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12 MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1 s，當(dāng)主程序檢測到接收成 功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器TO中的數(shù)(即超聲波來回所用的時(shí)間)按式(3)計(jì)算，即可得被測 物體與測距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20C時(shí)的聲速為34

47、4 m/S那么有：d=(cxt)/2=172To/10000cm其中,To為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。4.5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)用了子程序及中斷效勞程序。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)束都會(huì)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 判斷程序得流程。流程圖如圖定用程序入口定用程序入口外部中斷子程序外部中斷子程序停止發(fā)射停止發(fā)射.-

48、4-f,_ !t_、圖4.6主程序流程圖、40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射在脈沖產(chǎn)生前先對定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行初始化，在這里選擇的是工作方式1定時(shí)器模式，所以TMOD應(yīng)該設(shè)定為01H。接著用STEB TR0指令開啟T0,在開啟T0的同時(shí)開發(fā)發(fā)射超聲波脈沖。測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電40kHz的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。PUZEL : MOV 14H,#12H ;超聲波發(fā)射持續(xù)200msHERE : CPLP1.0;輸出40kHz方波NOPNOP升始升始定時(shí)器初始化定時(shí)器初始化發(fā)射捋聲波發(fā)射捋聲波1方臼呈方臼呈3YNOPDJZN 14H ,

49、HERERET前方測距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，P1.0端口 輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T,發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測距電路相同。這里省略，只研究正對方向的障礙物。二、超聲波的接收與處理超聲波的接受是由外部中斷口INT0是否有中斷脈沖產(chǎn)生來判斷的。定時(shí)子程序轉(zhuǎn)回來的時(shí)候，要對中斷進(jìn)行初始化。選定的是INT0口，工作方式為脈沖方式。STEB EA;中斷總允許STEBEX0 ; INT0中斷允許STEBPX0 ;設(shè)置INT0

50、為高優(yōu)先級(jí)中斷STEB IT0;設(shè)置INT0為脈沖方式HERE : JMP$;等待中斷接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R ,將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)經(jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上， 貝ULM567輸入信號(hào)大于25mV,輸出端8腳高電平躍變?yōu)榈碗?平， 作為中斷請求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。前方測距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，同時(shí)單片機(jī)P1.3和P

51、1接到IC3A的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷 優(yōu)先級(jí)為先右后左局部源程序如下：RECEIVE: PUSH PSWPUSTACCCLRACCJNB P1.1,RIGHT;P1.1引腳為0,轉(zhuǎn)至右測距電路中斷效勞程序JNB P1.2 , LEFT;P1.2弓|腳為0,轉(zhuǎn)至左測距電路中斷效勞程序RETURN:SETB EX1;開夕卜部中斷INT1POP PSWRET1三、數(shù)據(jù)讀取和儲(chǔ)存為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出T0計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后儲(chǔ)在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理RECEIVE0 : PUSH PSWPUSHACCCLREX0 ;

52、關(guān)外部中斷0MOV R7,TH0;讀取時(shí)間值MOV R6,TL0?CL R CMOV A,R6SUBB A,#0BBH ;計(jì)算時(shí)間差MOV 31H,A ;存儲(chǔ)結(jié)果MOVA,R7SUBB A,#3CHMOV30H,ASETBEX0 ;開外部中斷0POPACCPOPPSWRETI四、計(jì)算超聲波傳播時(shí)間T0中讀取出來的時(shí)間差數(shù)據(jù)并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)闀r(shí)間差值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：S=0.5*V*T。其中，V為聲音在常溫下的傳播速度，T為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，在這個(gè)局部中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換 算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。第5章系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比

53、擬簡單，安裝時(shí)探頭時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線POPACC平行并相距48cm,其余元件無特殊要求。 假設(shè)能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來 那么可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電 容C的大小，以獲得適宜的接收靈敏度和抗干擾能力。系統(tǒng)調(diào)試完后對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行屢次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其到達(dá)實(shí)際使用的測量要求。5.1發(fā)射器探頭對接收器探頭的影響超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有局部波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送局部與接受局部的直接串?dāng)_問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在 從發(fā)射開始到虛假反射波結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。 這樣,就有效的防止了干擾，但另一 方面也形成了20cm的“盲區(qū)。此“盲區(qū)很小，對本系統(tǒng)沒有影響。5.2溫度的補(bǔ)償由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，那么可認(rèn)為聲速是根本不變的。如果測距精度要求很高，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有對抗壓縮和擴(kuò)張的 彈性模量，氣體對抗壓縮