《超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例》3400字

超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u30646超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例綜述 1244191.1控制方案的選擇 1229901.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 136901.3所用硬件的選型 272741.1.1控制器的選擇 2267861.1.2超聲波傳感器的選擇 3297611.1.3溫度補(bǔ)償模塊選擇 4183651.1.4蜂鳴器報(bào)警模塊選擇 4216811.4單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 462191.5單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 619466圖1.10單片機(jī)部分引腳示意圖 7151941.5.1溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì) 7315381.5.2超聲傳感電路設(shè)計(jì) 7189401.5.3報(bào)警電路設(shè)計(jì) 8193551.6單片機(jī)與外圍電路整體設(shè)計(jì) 81.1控制方案的選擇我們通常對超聲波測距技術(shù)的研究主要是有以下三種方案：（1）一般我們在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用的是單片機(jī)控制單個(gè)傳感器的方法，但是由于單片機(jī)控制的傳感器的數(shù)量相對較少，所以測量出來結(jié)果相對比較單一，無法滿足設(shè)計(jì)要求。（2）還有一種方法就是利用計(jì)算機(jī)等一些大型的設(shè)備控制傳感器進(jìn)行相應(yīng)的工作，這種方法雖然說操作起來簡單一些，結(jié)果更為直觀。但是其結(jié)構(gòu)相對其他的系統(tǒng)來說就比較大，不方便安裝，因此這種方法一般不在我們的考慮范圍內(nèi)。（3）為了考慮到設(shè)計(jì)的方便可行性，我們選擇單片機(jī)控制傳感器的方法。出于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性、誤差可消除性等多方面因素的考慮，實(shí)驗(yàn)過程中我們用的最多的方法就是增加傳感器的數(shù)量來擴(kuò)大測量范圍，然后我們根據(jù)傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)判斷出目標(biāo)障礙物的位置。本設(shè)計(jì)主要是研究一個(gè)輔助工具作為我們?nèi)粘５管囘^程中的防撞報(bào)警器。研究的主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)超聲波測距以及蜂鳴器報(bào)警功能。由于駕駛者在倒車時(shí)，車輛周圍及后方的障礙物不容易被直接發(fā)現(xiàn)，就容易發(fā)生事故，因此該系統(tǒng)提醒駕駛者注意后方障礙物的主要作用就得以體現(xiàn)。所以，我們的超聲波倒車防撞系統(tǒng)需要擁有以下幾項(xiàng)功能：(1)系統(tǒng)能夠指揮超聲波模塊發(fā)出聲波。(2)系統(tǒng)能夠處理超聲波模塊反饋回來的信息。(3)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對周圍環(huán)境溫度的測量，并進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。(4)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出我們需要的距離，并且系統(tǒng)能夠在我們期望的距離范圍內(nèi)報(bào)警。1.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)結(jié)合我們上述所需要的要求，我們需要設(shè)計(jì)的單元有超聲波模塊組成的測距單元、溫度傳感器組成的溫度補(bǔ)償單元、電源單元、數(shù)據(jù)設(shè)置單元、由蜂鳴器構(gòu)成的報(bào)警單元、以及由核心控制器構(gòu)成的單片機(jī)控制單元。圖1.1所展示的就是本設(shè)計(jì)整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖具體工作原理如下：當(dāng)汽車駕駛員掛倒擋進(jìn)行倒車的時(shí)候,整個(gè)的倒車防撞系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，超聲波裝置直接向遠(yuǎn)處發(fā)射超聲波，然后當(dāng)超聲波在傳播過程中路途不通暢也就是遇到障礙物的時(shí)候原路返回，返回來的信號被送到超聲波接收裝置，由單片機(jī)的定時(shí)器記錄整個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間。在這個(gè)過程中，溫度補(bǔ)償模塊對當(dāng)前溫度進(jìn)行測量并且讀取當(dāng)前溫度送給單片機(jī)，單片機(jī)需要根據(jù)相關(guān)的公式進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算，從而得出當(dāng)前溫度下實(shí)際的測量距離。然后，單片機(jī)還需要將計(jì)算得到的距離值與我們設(shè)定好的距離閾值進(jìn)行比較，決定是否發(fā)出報(bào)警REF_Ref24051\r\h[10]。1.3所用硬件的選型經(jīng)過多種測距方法的比較，我們選擇對車輛與障礙物之間距離的探測方法用渡越時(shí)間法。本設(shè)計(jì)主要包含的單元有單片機(jī)組成的主控制單元，超聲波模塊構(gòu)成的測距單元，型號傳感器構(gòu)成的溫度補(bǔ)償單元，以及以蜂鳴器為主要器件的報(bào)警模塊。1.1.1控制器的選擇考慮到價(jià)格、操作難易程度、性價(jià)比等因素，本設(shè)計(jì)選擇使用型號單片機(jī)開發(fā)板作為核心控制器。開發(fā)板簡介：這一種型號的控制器功能較為豐富，構(gòu)造相對比較簡單。擁有一個(gè)電源指示燈以及兩個(gè)狀態(tài)指示燈；還設(shè)有用于通信功能的接口；裝備了一個(gè)為內(nèi)部提供電源的電池座以及一個(gè)用于幫助進(jìn)行復(fù)位的復(fù)位按鈕；還包含了一個(gè)5伏一個(gè)1.3伏的電源接口，一個(gè)接地的接口；最有特點(diǎn)的是，所有的口全部引出（晶振的口除外），為我們連接外設(shè)提供了方便。我們采用的開發(fā)板如圖1.2所示。圖1.2開發(fā)板實(shí)物圖1.1.2超聲波傳感器的選擇在我們設(shè)計(jì)的過程中為了使電路簡單明了，直接選擇簡單而又實(shí)用的型號超聲波傳感器組成我們的測距單元。該型號的傳感器精度、價(jià)錢、測量范圍比其他型號的傳感器更適合我們的設(shè)計(jì)。只需要給其一個(gè)脈沖信號就可以正常工作，而且功耗還不大。我們選擇的超聲波模塊如圖1.3所示。圖1.3實(shí)物圖我們使用的模塊包含了電源（）、接地（）、控制端（）以及接收端（）等四個(gè)接口。需要完成測距功能的時(shí)候只需要將控制端與接收端連接到單片機(jī)上。單片機(jī)給傳感器控制端一個(gè)超過十微秒的高電平信號，該模塊就會產(chǎn)生超聲波向前發(fā)射，而超聲波發(fā)送完的同時(shí)模塊的接收端會轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。模塊發(fā)出去的超聲波當(dāng)遇到前方的阻礙物時(shí)，信號將會返回，反饋到我們測距模塊接收器的時(shí)候，接收端的電平信號由高電平變更為低電平。而接收端高電平所持續(xù)的時(shí)間就是我們聲波信號在空氣中的傳播所經(jīng)歷的往返時(shí)間。根據(jù)相關(guān)的公式計(jì)算出測距模塊與障礙物之間的實(shí)際距離。1.1.3溫度補(bǔ)償模塊選擇 種種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超聲波的實(shí)際傳播速度受到了其周圍環(huán)境的嚴(yán)重影響?？紤]到溫度變化對我們實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性等方面的影響，我們需要加入溫度補(bǔ)償這一環(huán)節(jié)來保證結(jié)果的可靠性，當(dāng)超聲波模塊在工作的時(shí)候我們需要引入一個(gè)溫度傳感器對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。本設(shè)計(jì)選取性價(jià)比高操作簡單的型號的傳感器對溫度進(jìn)行檢測。其實(shí)際構(gòu)造如圖1.4所示。圖1.4傳感器實(shí)物圖該型號的溫度傳感器測溫步驟非常簡單。連接好線路后先對其進(jìn)行復(fù)位，回到初始狀態(tài)；然后對其下達(dá)溫度轉(zhuǎn)換的指令并將溫度轉(zhuǎn)換命令編譯到內(nèi)存中；最后讀取內(nèi)存中我們所需要的數(shù)據(jù)即可。1.1.4蜂鳴器報(bào)警模塊選擇常見的蜂鳴器種類并不多，其最主要的區(qū)別就是有源型或者是無源型。但是兩種蜂鳴器相比較而言，有源蜂鳴器優(yōu)點(diǎn)眾多。首先，這種蜂鳴器構(gòu)造極其簡單，方便上手；只要給其引腳一個(gè)脈沖信號，該蜂鳴器就可以正常工作發(fā)出聲音，并且這種聲音的頻率可由我們?nèi)藶椴倏?，所以就更適合用在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中。尤其是在本文這種測距系統(tǒng)的研究中，利用有源蜂鳴器聲音頻率可控的特性，當(dāng)車輛與障礙物的距離由遠(yuǎn)及近的時(shí)候，蜂鳴器報(bào)警的頻率便可以設(shè)計(jì)為由慢到快。有源蜂鳴器非常簡單，只需要一路信號即可，而且單片機(jī)控制系統(tǒng)只需要使用信號就可以讓蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能，并且通過改變占空比的方式來控制蜂鳴器報(bào)警聲音的頻率。電路連接方便且控制效果較好。有源蜂鳴器具體構(gòu)造如圖1.5所示。圖1.5蜂鳴器實(shí)物圖1.4單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)1.4.1啟動(dòng)電路在系統(tǒng)復(fù)位后，我們可以通過對引腳引腳狀態(tài)的改變選擇系統(tǒng)在復(fù)位之后的啟動(dòng)模式。我設(shè)計(jì)的單片機(jī)啟動(dòng)電路如圖1.6所示。圖1.6啟動(dòng)電路1.4.2晶振電路單片機(jī)在復(fù)位后使用的是頻率為8的外部晶振，并且通過倍頻后可使得時(shí)鐘達(dá)到72。我設(shè)計(jì)的單片機(jī)晶振電路如圖1.7所示。圖1.7晶振電路1.4.3復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位功能就是讓我們的系統(tǒng)回到初始值狀態(tài)，然后整個(gè)系統(tǒng)程序從頭開始運(yùn)行，將內(nèi)部寄存器、存儲單元等各部分的數(shù)據(jù)恢復(fù)到默認(rèn)的初始值。圖1.8所示就是單片機(jī)復(fù)位電路。圖1.8復(fù)位電路1.4.4電源電路我們選擇的這個(gè)型號的單片機(jī)使用的是1.3伏的電壓，當(dāng)我們給單片機(jī)接通電源后，通過穩(wěn)壓器等各個(gè)部分的處理，穩(wěn)定的電壓被輸送到單片機(jī)內(nèi)部。我們使用的單片機(jī)的電源電路如圖1.9所示。圖1.9電源電路1.5單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)我們在本設(shè)計(jì)中所使用的單片機(jī)為,在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中與外圍電路連接需要用到的引腳如圖1.10所示。圖1.10單片機(jī)部分引腳示意圖1.5.1溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)我們在設(shè)計(jì)中用到的溫度補(bǔ)償器是，其電路原理圖如圖1.11所示。圖1.11原理圖溫度傳感器三個(gè)引腳的具體連接方法如表1.1所示。表1.1溫度傳感器引腳連接數(shù)據(jù)1.5.2超聲傳感電路設(shè)計(jì)我們選用的超聲波傳感器是三個(gè)相同的模塊，這個(gè)模塊和單片機(jī)電路連接的地方的原理圖如圖1.12所示。圖1.12原理圖超聲波模塊各個(gè)引腳的具體連接方法如表1.3所示。表1.3超聲波傳感器引腳連接數(shù)據(jù)1.5.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中選擇有源型蜂鳴器構(gòu)造我們的報(bào)警模塊，其與單片機(jī)的連接如圖1.13所示。圖1.13蜂鳴器原理圖蜂鳴器的各個(gè)引腳的連接方法如表1.4所示。表1.4蜂鳴器引腳數(shù)據(jù)1.6單片機(jī)與外圍電路整體設(shè)計(jì)將我們整個(gè)設(shè)計(jì)需要的個(gè)部分電路圖通過軟件設(shè)計(jì)出來，然后按照我們設(shè)計(jì)所需要的要求對電路進(jìn)行連接，最后構(gòu)成了我們系統(tǒng)的整體電路圖REF_Ref3008\r\h[11]，其整體電路圖如圖1.14所示。圖1.