倒車測距自動警報(bào)器

衢州學(xué)院倒車測距自動警報(bào)器設(shè)計(jì)說明書課題名稱：倒車測距自動警報(bào)器專業(yè)名稱：10電氣自動化學(xué)生班級：2學(xué)生姓名：吳承恩陳杰陳連波指導(dǎo)教師：徐進(jìn)顧能華 目錄1摘要2方案設(shè)計(jì)和選擇2.1超聲波測距的原理2.2單片機(jī)STC89C522.3超聲波傳感器3硬件電路設(shè)計(jì)3.1整體電路設(shè)計(jì)3.2超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3顯示電路設(shè)計(jì) 3.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)3.5硬件電路設(shè)計(jì)優(yōu)化4軟件設(shè)計(jì)4.1程序完成的功能4.2程語言的選擇4.3主要局部程序流程圖4.4實(shí)現(xiàn)重要功能的程序的分析5結(jié)束語參考文獻(xiàn)致謝摘要超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩局部，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括單片機(jī)電路、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路，另外還有復(fù)位電路等。我采用以STC89C52單片機(jī)為核心的低本錢、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路。整個(gè)系統(tǒng)的功能是當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于20CM時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，紅燈亮。大于20CM小于1M時(shí)，綠燈亮。1M關(guān)鍵詞：STC89C52；超聲波；測距2方案設(shè)計(jì)和選擇根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，方案的選擇應(yīng)力求實(shí)用性強(qiáng)，性價(jià)比高，使用簡單。2.1超聲波測距的根本原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖鼓勵下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。2.1.1為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。2.1.2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)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。2.1.3超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(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，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是根本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的根本原理。如圖3-1所示：超聲波發(fā)射障礙物SHθ超聲波接收圖3-1超聲波的測距原理〔3-1〕〔3-2〕式中:L---兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為:(3-3)式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.將〔3—2〕、〔3—3〕代入〔3-1〕中得：(3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(3—4)變?yōu)?(3-5)所以,只要需要測量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測量的距離H.2.2單片機(jī)STC89C單片機(jī)一詞最初源于“Single-ChipMicrocomputer〞，簡稱“SCM〞。單片機(jī)也叫做“微控制器〞或者“嵌入式微控制器〞。它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片〔芯片也稱為集成電路塊，它是1958年9月12日，在RobertNoyce的領(lǐng)導(dǎo)下，科研小組創(chuàng)造集成電路后開始出現(xiàn)的一個(gè)名稱〕，而是把一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格廉價(jià)，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。近年來，微處理器已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，尤其是在智能儀器儀表中的應(yīng)用更是如此，這不僅引起了產(chǎn)品本身的變革，也深深地影響設(shè)計(jì)的理念的變革。智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，其核心在于微處理器?；谖⑻幚砥鞯闹悄芟到y(tǒng)設(shè)計(jì)，已成為目前電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。智能系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，一般包含微處理器、按鍵與顯示人機(jī)界面、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等根本功能部件，同時(shí)也包含與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的其他特殊部件。智能系統(tǒng)一般需要在惡劣的環(huán)境下長期連續(xù)地工作，因此在滿足功能的根底上，其可靠性也是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)方面，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于通信、雷達(dá)、遙控和自動控制等各個(gè)領(lǐng)域中。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我選用的是AT89S52單片機(jī)。STC89C52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的STC892.2.1STC89CSTC89C此外，STC89C2.2.2表3-1STC89C參數(shù)額定值單位操作溫度0～+70或-40～+85°C儲存溫度范圍-65～+150°CEA/Vpp腳相對于Vss的電壓0～+13.0V其他任何腳相對于Vss的電壓-0.5～+6.5V每個(gè)IO腳的最大IOL15mA2.3超聲波傳感器實(shí)物圖2.3.1超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取整數(shù)為20000赫茲)時(shí)，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超〞聲。人的聽覺范圍如圖2-5所示。圖3-5人的聽覺范圍超聲波的特性有：〔1〕束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)外表反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差異愈大，則折射率也愈大?！?〕吸收特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的局部能量。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比擬弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的?！?〕超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個(gè)工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢?因?yàn)楫?dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率—樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供應(yīng)物質(zhì)分子足夠大的功率?！?〕超聲波的聲壓特性當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時(shí),由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。2.3.2完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭〔縱波〕、斜探頭〔橫波〕、外表波探頭〔外表波〕、蘭姆波探頭〔蘭姆波〕、雙探頭〔一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收〕等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：〔1〕工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

〔2〕工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比擬高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比擬低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比擬高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。

〔3〕靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。共振板gon壓電晶片電極電極圖3-6超聲波傳感器結(jié)構(gòu)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)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。如圖4-4所示。3硬件電路設(shè)計(jì)介紹了本設(shè)計(jì)方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設(shè)計(jì)方案來完成具體的電路設(shè)計(jì)。3.1整體電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進(jìn)行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠到達(dá)要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路與溫度測量電路等幾局部模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要參加放大電路。在發(fā)射后把信號放大，接收前也要把還再次放大。整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。圖4-1超聲波測距原理圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LCD顯示。圖4-2超聲波發(fā)送原理圖3.2超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測距法。存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：〔1〕超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角的影響；〔2〕超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；〔3〕超聲波傳播速度對測距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。〔4〕由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可防止地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為：〔4-1〕實(shí)際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45°。接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。3.2.2超聲波測距技術(shù)經(jīng)過幾年的研究和開展，已經(jīng)有了很多比擬成熟的技術(shù)和設(shè)計(jì)方案，使本次設(shè)計(jì)能有很多可借鑒的資料，從中學(xué)到了很多珍貴的知識。對自己設(shè)計(jì)電路有很大幫助。超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，發(fā)射距離大于1.5米，電路力求簡單實(shí)用。我參考電路圖如圖4-3,4-4,4-5,4-6。吸取幾個(gè)圖的優(yōu)點(diǎn)而防止他們的缺點(diǎn)，然后結(jié)合分析設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射與接收電路。40kHZ超聲波發(fā)射電路之一，電路中晶體管VT1、VT2組成強(qiáng)反響穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反響耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開關(guān)，按一下S，便能驅(qū)動T40-16發(fā)射出一串40kHZ超聲波信號。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。電路不需調(diào)試即可工作。這樣電路很簡單與實(shí)用。圖4-340khz超聲波發(fā)射電路40kHZ超聲波發(fā)射電路之二，由VT1、VT2組成正反響回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反響元件的T40-16，其諧振頻率為40kHZ±2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由T40-16作為換能器發(fā)出40kHZ的超聲波信號。電感L1與電容C2調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應(yīng)電壓較寬〔3~12V〕，且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH。整機(jī)工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。圖4-440khz超聲波發(fā)射電路40kHZ超聲波發(fā)射電路之三，它主要由四與非門電路完成振蕩及驅(qū)動功能，通過超聲換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收機(jī)。其中門YF1與門YF2組成可控振蕩器，當(dāng)S按下時(shí)，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩頻率，應(yīng)為40kHZ。振蕩信號分別控制由YF4、YF3組成的差相驅(qū)動器工作，當(dāng)YF3輸出高電平時(shí)，YF4一定輸出低電平；YF3輸出低電平時(shí)，YF4輸出高電平。此電平控制T40-16換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路中YF1~YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門電路，該電路特點(diǎn)是輸出驅(qū)動電流大〔大于15mA〕，效率高等。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲波信號大于10m。圖4-540khz超聲波發(fā)射電路40kHZ超聲波發(fā)射電路之四，由LM555時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成40kHZ多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅(qū)動超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號。電路簡單易制。電路工作電壓9V，工作電流40~50mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的考慮和分析，本人選擇使用NE555加外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，再經(jīng)過整形放大后來驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。NE555是一種用途很廣的時(shí)基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，可在4.5～18V范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動電流可達(dá)200mA。NE555的內(nèi)部中心電路是三極管Q15和Q17加正反響組成的RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復(fù)位Reset端，通過比擬器A1，復(fù)位控制端的TH、比擬器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。利用NE555可以組成相當(dāng)多的應(yīng)用電路，甚至多達(dá)數(shù)百種應(yīng)用電路，在各類書刊中均有介紹，例如家用電器控制裝置、門鈴、報(bào)警器、信號發(fā)生器、電路檢測儀器、元器件測量儀、定時(shí)器、壓頻轉(zhuǎn)換電路、電源應(yīng)用電路、自動控制裝置及其它應(yīng)用電路都有著廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)镹E555巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起的緣故。圖4-640khz超聲波發(fā)射電路圖4-7555內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳本次設(shè)計(jì)中NE555電路的工作原理是：單片機(jī)TXD口發(fā)出低電平，三極管Q5為PNP管所以導(dǎo)通，C極向外輸出高電平。555芯片8腳接到高電平開始工作，4腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當(dāng)接到單片機(jī)的低電平信號后振蕩器開始工作。Vcc經(jīng)外接電阻R1和R2向電容C充電，當(dāng)C上的電壓Vc上升到2Vcc/3時(shí)，反相比擬器A1翻轉(zhuǎn)輸出低電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，即V＝0，3腳輸出為“0”，則三極管導(dǎo)通，C經(jīng)三極管和P1放電，當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，同相比擬器A2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即S＝0，RS觸發(fā)器置位，3腳輸出變?yōu)椤?圖4-8方波產(chǎn)生電路為了使40KHz的方波信號更為可靠，要對其進(jìn)行整形及放大。信號由NE555的3腳向外輸出，經(jīng)過二極管D2整形，濾去低于低電平的局部，只保存零電平以上局部。整形后的信號經(jīng)由三極管Q1、Q2放大，此時(shí)的信號已經(jīng)很可靠，可以滿足本次設(shè)計(jì)的需要。信號由OUT口輸出，送入超聲波探頭中。此外在超聲波發(fā)射電路中還參加了消除余振局部以保證電路可以更好的為超聲波發(fā)射器提供信號，也使測量結(jié)果更為精確。因?yàn)槌暡ㄌ筋^是一個(gè)感性元件，在一定程度上會表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。所以當(dāng)發(fā)射電路停止向其輸入脈沖信號后，如果沒有適宜的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內(nèi)部振蕩仍會持續(xù)一段時(shí)間，仍然發(fā)射超聲波，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。參加這個(gè)電路就是為了在停止發(fā)送超聲波的時(shí)候?qū)l(fā)射器內(nèi)部的能量釋放到地，使其立即停止工作。單片機(jī)控制發(fā)送超聲波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制兩個(gè)管腳輸出相同的電平。在TXD口為高電平時(shí)停止發(fā)射超聲波，此時(shí)INT0口也為高電平，使得三極管Q3導(dǎo)通，即翻開消除余振功能，將剩余的能量接地。兩個(gè)動作幾乎是同時(shí)的，可以提高此后計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。電路如圖4-9所示。圖4-9方波消除余波電路圖4-10發(fā)射電路模塊3.2.3在本次設(shè)計(jì)中選擇了前置放大電路＋帶通濾波電路＋后級放大電路的類似電路。通過波形整形，積分器，檢波器，帶通濾波，限幅放大和前置放大等實(shí)現(xiàn)接收超聲波的功能。如圖4-11所示：由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右。如圖4-11所示電路有三級放大：前兩級種放大100倍，采用高速精密放大器LM318，其帶寬為15MHz，放大倍數(shù)為100倍時(shí)，能充分滿足要求；第三級采用LF353運(yùn)算放大器，帶寬為4MHz，對于62倍的放大倍數(shù)，能充分滿足條件。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比擬器，比擬器的作用是將交流信號整形輸出一個(gè)方波信號，此方波信號上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請。在中斷效勞程序中，讀取時(shí)間計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并結(jié)合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離如圖4-12所示：圖4-1140KHz超聲波接收電路圖4-1240KHz超聲波接收電路圖4-12所示電路為雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機(jī)電路，由VT5、VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)VT4每導(dǎo)通一次〔發(fā)射機(jī)工作一次〕，觸發(fā)信號經(jīng)C7、C8向雙穩(wěn)電路送進(jìn)一個(gè)觸發(fā)脈沖，VT5、VT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)VT6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，VD5截止，VT7截止，繼電器K釋放；當(dāng)再來一個(gè)觸發(fā)信號時(shí)，VT6由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，VD5導(dǎo)通，VT7導(dǎo)通，繼電器K吸合......由于增加了雙穩(wěn)電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現(xiàn)實(shí)。調(diào)試時(shí)，在a點(diǎn)與+16V〔電源〕之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合〔或釋放〕，再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放〔或吸合〕，如果繼電器無反響，請檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。再加上設(shè)計(jì)中所選用的超聲波探頭里已經(jīng)集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。為了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于超聲波探頭接收到的信號同樣需要進(jìn)行處理。探頭收到的回波信號經(jīng)OUT口回到電路中，經(jīng)過電容C10耦合，只保存測距需要的交流信號。電路中參加二極管D1同樣是因?yàn)樯厦嫣岬降奶筋^的感性。由于感性的存在，在停止發(fā)送超聲波的那一刻，OUT口會出現(xiàn)一個(gè)反向電動勢，即電位低于地電位。這樣，如果沒有二極管保護(hù)，這個(gè)反向電動勢將會全部加在三極管Q4的b-e結(jié)上，如果探頭的感性比擬強(qiáng)，其反向電動勢足以將b-e結(jié)擊穿。二極管D1提供了一個(gè)電流的瀉放電路，也可以說是將反向電動勢降到最小〔0.7V左右〕，保護(hù)三極管及其他電路。電容C9對經(jīng)過三極管的信號進(jìn)一步整形，去掉信號波形中的毛刺，使波形更好。電阻R5起一個(gè)上拉電阻的作用，因?yàn)榛夭ㄐ盘柦?jīng)過濾波后很可能會衰減的很嚴(yán)重，所以利用R5將其幅度上拉到5V，以便單片機(jī)更好的檢測回波信號。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、本錢低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz比擬接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。圖4-13超聲波回波信號整形電路圖4-1440KHz超聲波接收電路3.3顯示電路設(shè)計(jì)3.3.1LCD1602液晶顯示原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄，適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動，易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母，數(shù)字，符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它有假設(shè)干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱藳]所以不能顯示圖形。1602LCD是指顯示的內(nèi)容是16*2，即可顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊〔顯示字符和數(shù)字〕。3.3.21602LCD的根本參數(shù)及引腳功能1602LCD主要技術(shù)參數(shù)顯示容量：16*2個(gè)字符芯片工作電壓：4.5—5.5V工作電流：2.0mA(5.0V)模塊最正確工作電壓：5.0V字符尺寸：2.95*4.35〔W*H〕mm引腳功能說明：1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳〔無背光〕或16腳〔帶背光〕接口，各引腳接口如下表第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：VL為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源比照度最弱，接地時(shí)比照度最高，比照度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影〞，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度。第4腳：RS為存放器選擇，高電平是選擇數(shù)據(jù)存放器，低電平是選擇指令存放器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平是進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7~14腳：D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。3.3.3根本操作時(shí)序表讀寫操作時(shí)序如圖2-6和2-7所示：圖2-6讀操作時(shí)序圖圖2-7寫操作時(shí)序圖1602的數(shù)據(jù)位由單片機(jī)P0口控制，首先初始化，然后根據(jù)時(shí)序圖寫程序開啟1602.原理圖如下列圖2-8：圖2-81602LCD顯示電路1602特性〔1〕+5V電壓，比照度可調(diào)〔2〕內(nèi)含復(fù)位電路〔3〕提供各種控制命令：如清屏，字符閃爍，光標(biāo)閃爍，顯示移位等多種功能(4)有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM〔5〕內(nèi)建有160個(gè)5*7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器CGROM〔6〕8個(gè)可由用戶自定義的5*7的字符發(fā)生器CGRAM3.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路采用的是PNP三極管驅(qū)動的蜂鳴器，雖然蜂鳴器想起來使人厭煩，但是根本功能實(shí)現(xiàn)了。當(dāng)距離小于20CM時(shí)，單片機(jī)P3^5口輸出低電平，蜂鳴器響起以用來警示危險(xiǎn)！3.5硬件電路設(shè)計(jì)優(yōu)化3.5.1由于空氣對超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來測距的超聲波的頻率不能很高。另一方面，頻率越低，波長越長，測量的絕對誤差就越大。所以，40Kz的超聲波單頻測距的范圍只有5～6米，無法滿足我們的要求。為了解決測量范圍和測量精度之間的矛盾，我們采用雙頻測距的方法。其測距原理是：控制器現(xiàn)發(fā)出一串頻率為fH的超聲波，串長度可以有10～16個(gè)完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。這種在時(shí)域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標(biāo)反射后，形成回波，回波經(jīng)由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。由于高頻聲波先發(fā)出，對于同一個(gè)目標(biāo)，其回波EchoH先到達(dá)CPU，因此，對于較近的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測。當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，接收器接收到的回波中只有低頻超聲波EchoL。由于該裝置在距離較遠(yuǎn)時(shí)對精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測。如圖4-17所示：圖4-17雙頻超聲波測距工作時(shí)序圖t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開始時(shí)間，t2、t3為高、低超聲波回波到達(dá)的時(shí)間，所測得的距離分別為：D1=c(t2-t0)/2(4-1)D2=c(t3-t1)/2(4-2)經(jīng)試驗(yàn)可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可到達(dá)25m。3.5.2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。這樣，就有效的防止了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區(qū)〞。超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有：〔1〕擴(kuò)散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱?！?〕散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋！?〕粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一局部聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏局部之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波屢次反射的次數(shù)來表示。這種方法僅能粗略地比擬聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比擬嚴(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來表示聲波的衰減。4軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)局部十分的重要，距離的換算與顯示，就連局部硬件電路不能完成的濾波也要靠程序來完成。而且程序的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。4.1程序完成的功能本次設(shè)計(jì)的程序需要完成的功能有：〔1〕超聲波的發(fā)射和接受控制〔2〕消除余振〔3〕對回波信號的檢測〔4〕距離的換算〔5〕距離的顯示〔6〕對距離進(jìn)行判斷〔7〕距離的提示4.2編程語言的選擇在編程語言的選擇上，我主要考慮使用我所學(xué)過的匯編語言和C語言。下面將對匯編語言與C語言的特點(diǎn)進(jìn)行比擬。匯編語言是一種面向機(jī)器的低級的程序設(shè)計(jì)語言。它直接利用機(jī)器提供的指令系統(tǒng)編寫程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機(jī)器語言程序的指令一一對應(yīng)的。匯編語言由于是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，與具體的計(jì)算機(jī)硬件有著密切的關(guān)系，因此，可移植性差。但由于匯編指令與機(jī)器語言指令一一對應(yīng)，即一條匯編語言的可執(zhí)行指令對應(yīng)著一條機(jī)器語言指令，反之亦然。因此，匯編語言可直接利用機(jī)器硬件系統(tǒng)的許多特性，如存放器、標(biāo)志位以及一些特殊指令等，具有執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少等優(yōu)點(diǎn)。匯編語言的缺點(diǎn)是程序的通用性和可移植性差；程序比擬繁瑣，調(diào)試?yán)щy；目標(biāo)程序比擬龐大，運(yùn)行速度慢。C語言是一種編譯型的程序設(shè)計(jì)語言，它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)，運(yùn)算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)語言，支持支持由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。C語言的模塊化程序結(jié)構(gòu)可以使程序模塊實(shí)現(xiàn)共享。在C語言的可讀性方面更容易借鑒前人的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提高程序的開發(fā)水平。C語言應(yīng)用于單片機(jī)編程出了上述特點(diǎn)外，還有以下突出特點(diǎn)：編譯器可以自動完成變量存儲單元的分配，省去了分配和紀(jì)錄存儲單元的繁瑣；不必對單片機(jī)