開放性實(shí)驗(yàn)論文-超聲波預(yù)警系統(tǒng)

1、開放性實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí) 驗(yàn) 名 稱 超聲波預(yù)警系統(tǒng) 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 系 、專 業(yè) 電氣工程系 指 導(dǎo) 教 師 2014年12月16日摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣。本文對(duì)超聲波傳感器測距和測速的可能性進(jìn)行了理論分析，利用模擬電子、數(shù)字電子、微機(jī)接口、超聲波換能器、以及超聲波在介質(zhì)的傳播特性等知識(shí)，采用以STC89C52單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。為了保證超聲波測距傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，采取了相應(yīng)的抗干擾措施。就超聲波的傳播特性，超聲波換能

2、器的工作特性、超聲波發(fā)射、接收、超聲微弱信號(hào)放大、波形整形、速度變換、語音提示電路及系統(tǒng)功能軟件等做了詳細(xì)說明.實(shí)現(xiàn)障礙物的距離測試、顯示和報(bào)警，超聲波測距范圍30CM-300CM，精度在一厘米左右。這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)，可以用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：測量液位、井深、管道長度等場合?？梢詮V泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)檢查、日常生活、無人駕駛汽車、自動(dòng)作業(yè)現(xiàn)場的自動(dòng)引導(dǎo)小車、機(jī)器人、液位計(jì)等。關(guān)鍵詞: STC89C52，超聲波，LCD，距離測量，速度測量 目 錄1 引 言11.1 課題背景11.2 課題設(shè)計(jì)的意義：11.3 超聲波

3、測距在汽車上應(yīng)用的介紹：12 課題的方案設(shè)計(jì)與論證32.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.2 設(shè)計(jì)方案的論證53 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63.1 單片機(jī)的選擇63.2 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)73.3 接收電路的設(shè)計(jì)84 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)94.1 超聲波汽車防撞電路的算法設(shè)計(jì) 104.2 主程序流程圖104.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序115 調(diào)試12總 結(jié)14參考文獻(xiàn)16附錄：17 1 引 言1.1 課題背景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與汽車科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化和駕駛員非職業(yè)化的趨勢。同時(shí)，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的產(chǎn)量和保有量都在急劇增加。但公路發(fā)展、交通管理卻相對(duì)落后，導(dǎo)

4、致了交通事故與日劇增，城市里尤其突出。智能交通系統(tǒng)ITS是目前世界上交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)的前沿技術(shù)，它在充分發(fā)揮現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，提高運(yùn)輸效率，保障交通安全，緩解交通賭塞，改善城市環(huán)境等方面的卓越效能，已得到各國政府的廣泛關(guān)注。中國政府也高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用。汽車防撞系統(tǒng)作為ITS發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)，它的成功與否對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著很大的作用。從傳統(tǒng)上說，汽車的安全可以分為兩個(gè)主要研究方向:一是主動(dòng)式安全技術(shù)，即防止事故的發(fā)生，該種方式是目前汽車安全研究的最終目的;二是被動(dòng)式安全技術(shù)，即事故發(fā)生后的乘員保護(hù)。目前汽車安全領(lǐng)域被動(dòng)安全研究較多，主要從安全氣囊、ABS(防抱死系統(tǒng))和懸架等

5、方面著手，以保證駕乘人員的安全。從經(jīng)濟(jì)性和安全性兩方面來說，這些被動(dòng)安全措施是在事故發(fā)生時(shí)刻對(duì)車輛和人員進(jìn)行保護(hù)，有很大的局限性，因而車輛的主動(dòng)安全研究尤為重要，引出了本文研究的基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是一種可向司機(jī)預(yù)先發(fā)出視聽語音信號(hào)的探測裝置。它安裝在汽車上，能探測企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物;能向司機(jī)及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險(xiǎn)的信號(hào)，促使司機(jī)采取應(yīng)急措施來應(yīng)付特殊險(xiǎn)情，避免損失。1.2 課題設(shè)計(jì)的意義隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化程的發(fā)展，汽車這一交通工具正為越來越多的人所用，但是隨之而來的問題也顯而易見，那就是隨著車輛的增多，交通事故的頻繁發(fā)生，由此導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失

6、數(shù)目驚人。對(duì)于公路交通事故的分析表明，80%以上的車禍?zhǔn)掠捎隈{駛員反應(yīng)不及所引起的，超過65%的車輛相撞屬于追尾相撞，其余則屬于側(cè)面相撞。奔馳汽車公司對(duì)各類交通事故的研究表明：若駕駛員能夠提早1S意識(shí)到有事故危險(xiǎn)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。因此，大力研究開發(fā)如汽車防撞裝置等主動(dòng)式汽車輔助安全裝置，減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯(cuò)誤，對(duì)于提高交通安全將起到重要的作用。顯然，此類產(chǎn)品的研究開發(fā)具有極大的實(shí)現(xiàn)意義和廣闊的應(yīng)用前景。1.3 超聲波測距在汽車上應(yīng)用的介紹： 超聲波倒車測距儀( 俗稱電子眼)是汽車倒車防撞安全輔助裝置 ,能以聲音或者更為直觀的數(shù)字形式動(dòng)態(tài)顯示周圍障礙物的情

7、況。其較早的產(chǎn)品是用蜂鳴器報(bào)警 ,蜂鳴聲越急 ,表示車輛離障礙物越近。后繼的產(chǎn)品可以顯示車后障礙物離車體的距離。其大多數(shù)產(chǎn)品探測范圍在0.41.5 m,有的產(chǎn)品能達(dá)到 0.352.5 m,并有距離顯示、聲響報(bào)警、區(qū)域警示和方位指示 ,有些產(chǎn)品還具備開機(jī)自檢功能。目前市場上還出現(xiàn)了具有語音報(bào)警功能的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品存在的主要問題是測量盲區(qū)大 ,報(bào)警滯后 ,未考慮汽車制動(dòng)時(shí)的慣性因素 ,使駕駛者制動(dòng)滯后 ,抗干擾能力不強(qiáng) ,誤報(bào)也較多。汽車防撞雷達(dá)之所以能實(shí)現(xiàn)防撞報(bào)警功能, 主要有超聲波這把無形尺子, 它測量最近障礙物的距離, 并告訴給車主。其實(shí)超聲測距原理簡單: 它發(fā)射超聲波并接收反射回波, 通過

8、單片機(jī)計(jì)數(shù)器獲得兩者時(shí)間差t, 利用公式S=Ct /2計(jì)算距離, 其中S為汽車與障礙物之間的距離, C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 本文介紹的超聲測距系統(tǒng)共有2只超聲波換能器( 俗稱探頭) , 分別布置在汽車的后左、后右2個(gè)位置上。能檢測前進(jìn)和倒車方向障礙物距離, 通過后視鏡內(nèi)置的顯示單元顯示距離和方位, 發(fā)出一定的聲響, 起到提示和警戒的作用。系統(tǒng)采用一片STC89C52單片機(jī)對(duì)兩路超聲波信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集。超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收

9、器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(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 。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測

10、量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：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。本設(shè)計(jì)屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)單元。利用超聲波測距的工作，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。其主要有三種測距方法： （1）相位檢測法，相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限； （2）聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響； （3）渡越時(shí)間檢測法

11、，渡越時(shí)間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。 本設(shè)計(jì)的超聲波測距就是使用了渡越時(shí)間檢測法。在移動(dòng)車輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時(shí)間差和傳播速度，計(jì)算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。2 課題的方案設(shè)計(jì)與論證 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖 構(gòu)成超聲測距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路。采取收發(fā)分離方

12、式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號(hào)不會(huì)混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?hào)；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路檢波電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器報(bào)警系統(tǒng)圖2-1 超聲波汽車防撞原理框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測距傳感器 TCT4016T/R（T 表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測距離為 6m，發(fā)射擴(kuò)散角為 60度。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當(dāng)它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖) , 若其頻率等于晶片的固有頻率時(shí),壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振,并

13、帶動(dòng)共振板振動(dòng),從而產(chǎn)生超聲波。相反, 電極間未加電壓,則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí),將壓迫兩壓電晶片振動(dòng),從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào),此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。超聲波傳感器用來分析共振頻率附近的超聲波換能器的特性:換能器的器械能用Qm ;電能用Qe 表示。Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的Q 值。設(shè)換能器在空載( Z1 = 0) 和有載( Z1 = R1) 時(shí)的Q 值分別為Qm

14、0 、Qm ,則有超聲波換能器的工作效率為相臨兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)，以使前后金屬蓋板與同一極性的電極相連，否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的增大，兩芯片之間，芯片與金屬蓋板間通常以薄黃銅片（厚度小于0.1mm），作為焊接電極引線用；芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠膠合，在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸與圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。在電聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置的幾個(gè)開口，使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。目前市面上出售的超聲波傳感器種類

15、有通用型，拓寬型，寬帶域型，防水型和高頻型等這幾類。雖然通用型超聲波傳感器有頻率帶寬較窄的缺點(diǎn)，但是卻可以換來高靈敏度，抗噪聲干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。超聲波基本應(yīng)用電路主要分為三類： 1）直射型，主要用于遙控及報(bào)警電路 2）分離反射型，主要用于測距，料位測量等電路3）反射型，主要用于材料的探傷，測厚電路。鑒于成本的考慮，選用了普通的T/R-40系列的超聲波發(fā)射/接收傳感器。T/R-40系列超聲波傳感器典型的工作頻率為（39-41）KHZ，其具體參數(shù)見表2.1 表2.1 外形尺寸（T/R-4XX中的“XX”表示傳感器的外徑尺寸）型號(hào)A(mm)B(mm)C(mm)D（mm）T/R-40-1212.79.56

16、.28.5T/R-40-1616.212.29.210.0T/R-40-18A18.014.210.811.8T.R-40-24A23.814.610.211.8 傳感器位置 由于是測距系統(tǒng)是采用超聲波發(fā)射和接收分離反射型結(jié)構(gòu)，所以發(fā)射頭和接收頭應(yīng)該在同一平行直線上。出于距離和發(fā)射夾角所引起的誤差以及超聲波信號(hào)在傳播過程中衰減問題的考慮，發(fā)射和接收探頭距離不可以太遠(yuǎn)，而又為了避免發(fā)射頭對(duì)接收頭接收信號(hào)產(chǎn)生的干擾，二者也不能間隔太近。經(jīng)過參考前人的經(jīng)驗(yàn)以及調(diào)試時(shí)的實(shí)際情況，應(yīng)保持超聲波發(fā)射頭和接收頭中心軸線平行并相距4-8cm即可。2.2 設(shè)計(jì)方案的論證超聲波探測技術(shù)主要用于中程測距、結(jié)構(gòu)探傷、

17、智能控制等領(lǐng)域，超聲波換能器是其核心部件，換能器按其工作介質(zhì)可分為氣相、液相和固相換能器；按其發(fā)射波束寬度可分為寬波束和窄波束換能器；按其工作頻率又可分為38KHz、40KHz等不同等級(jí)。本設(shè)計(jì)選用氣相、窄波束、40KHz的超聲波換能器。當(dāng)利用超聲波探測器測距時(shí)常用兩種方法強(qiáng)度法和反射時(shí)間法，強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測量被測物的距離，被測物越遠(yuǎn)其反射信號(hào)越弱，根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱就可以知道被測物的遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時(shí)由于換能器之間的直接耦合信號(hào)很難消除，在放大器增益較高時(shí)這一直接耦合信號(hào)就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效，由于直接耦合信號(hào)的影響強(qiáng)度法測距只適合較短距離的且精度要

18、求不高的場合。反射時(shí)間法其原理是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時(shí)間來測量距離，對(duì)于距離較短和要求不高的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時(shí)間T利用公式S=V×（T/2）(其中S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（）計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過設(shè)置“時(shí)間門”來加以克服，因此這種方法非常適合較遠(yuǎn)距離的測距，如果對(duì)聲速進(jìn)行溫度修訂，其精度還可進(jìn)一步提高，本設(shè)計(jì)中選用此方法。而超聲波傳感器一般要在40KHZ才能得到最大的震蕩，超聲波才能傳的更遠(yuǎn)，而要產(chǎn)生40KHZ的方波可以直接通過單片機(jī)輸出PWM信號(hào)或通過外部震蕩電路來

19、產(chǎn)生，這里我采用的是52單片機(jī)，沒有多余的資源完成這么多工作，故摒棄了由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM信號(hào)的方式，而采用了外部電路產(chǎn)生。單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測距原理 40KHZ的發(fā)射頻率由NE555提供給軟件進(jìn)行處理控制發(fā)射及停止，回波經(jīng)過STC89C52對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理后，被測的距離在LCD上顯示，顯示部分采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。滿足顯示精度；若該距離小于預(yù)置的汽車低速安全剎車范圍(如：1m或0.5m)，報(bào)警電路發(fā)出適當(dāng)?shù)木嫣崾疽?，由P2.4口的蜂鳴器輸出控制報(bào)警電路的工作。 3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)的選擇在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能否成功完成設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵，而作為控制系

20、統(tǒng)核心的單片機(jī)的選擇更是重中之重。目前各半導(dǎo)體公司、電氣商都向市場上推出了形形色色的單片機(jī)，并提供了良好的開發(fā)環(huán)境。選擇好合適的單片機(jī)可以最大地簡化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，而且功能優(yōu)異，可靠性好，成本低廉，具有較強(qiáng)的競爭力。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。 STC89系列單片機(jī)是MCS-51系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品。它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)完全兼容，DIP40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容。STC89系列單片機(jī)高速(最高時(shí)鐘頻率90MHz)，低功耗，在系統(tǒng)/在應(yīng)用可編程(ISP，IAP),不占用戶資源。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇STC

21、89C52單片機(jī)， 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如下圖3-6所示： 圖 3-6 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 3.2 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用一個(gè)稍加變化的555多諧振蕩器電路來產(chǎn)生40KHZ的方波。并由單片機(jī)I/O口來控制其發(fā)送與否。它具有占空比連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，電路如下圖所示。為了能連續(xù)調(diào)節(jié)占空比并能調(diào)節(jié)振蕩頻率，在555的第6腳和第7腳之間接有W1、W2、R2組成的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)C1充電時(shí)，電流是通過R1、W2、和W1，放電時(shí)，通過W1、W2、和R2。當(dāng)R1R2，W2調(diào)到中心點(diǎn)或不用W2時(shí)，因充放電時(shí)間基本相等，其占空比約為50%，此時(shí)調(diào)節(jié)W1僅改變頻率，占空比不變。如W2調(diào)節(jié)偏離中心點(diǎn)，再調(diào)節(jié)W1，不僅振蕩

22、頻率改變了，而對(duì)占空比也有影響。W1不變，調(diào)節(jié)W2時(shí)，僅可改變占空比而對(duì)頻率無影響。因此，使用電路時(shí)，應(yīng)首先調(diào)節(jié)W1，使頻率至規(guī)定值，再調(diào)節(jié)W2以獲得合適的占空比。為保證驅(qū)動(dòng)能力，又為了在低電壓下工作，故采用來放大信號(hào)，提高發(fā)射功率。輸出40KHZ波形如圖3-7。圖 3-7 輸出波形圖發(fā)射電路圖 38圖3-8 超聲波發(fā)射電路 3.3 接收電路的設(shè)計(jì) 集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ較為接近，可以利用它做超聲波的檢測接收電路。下面對(duì)紅外遙控接收器集成電路CX20106A做一個(gè)簡要

23、的介紹。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列8腳直插式，超小型封裝。CX20106A的基本性能如下：(1）電源電壓典型值5V，最大17V。(2）電源電流1.12.5mA(典型值為1.8mA)。(3）輸出低電平0.2V。(4）電壓增益7779dB。(5）輸入阻抗為27k。(6）濾波器中心頻率f0為3060kHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖3-10所示。 圖3-10 CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-11 聲波接收電路3.4 顯示報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，液

24、晶顯示模塊的應(yīng)用前景將更加廣闊。本系統(tǒng)選用LCD液晶ts128643顯示器做為顯示模塊。參考ts12864-3與的單片機(jī)的引腳功能畫出它們連接的原理圖3-12 如下：圖3-12 12864與單片機(jī)的連接圖4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)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)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音，顯示報(bào)警程序。當(dāng)測得距離小于預(yù)置距離時(shí)，聲音，顯示報(bào)警程序被調(diào)用。 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初

25、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，為了避免超聲波從發(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01 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，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。超聲波汽車防撞電路的軟件設(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。我們知道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效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)）

26、，所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。 4.1 超聲波汽車防撞電路的算法設(shè)計(jì)      超聲波測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=(c×t)/2  其中，d為被測物與測距儀的距離，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)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器

27、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。 4.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。 超聲波測距時(shí)工作過程如下：（1） 由單片機(jī)發(fā)出控制NE555產(chǎn)生40KHZ脈沖信號(hào)。（2） 脈沖信號(hào)通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。（

28、3） 單片機(jī)在發(fā)送脈沖時(shí)刻開始計(jì)時(shí)。（4） 超聲波遇到障礙物后回波被超聲波換能器接收。（5） 讀取T0口計(jì)數(shù)值。（6） 數(shù)據(jù)計(jì)算。（7） 顯示報(bào)警。主程序首先是對(duì)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P1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，為了避免超聲波從發(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，才打開外中斷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1s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即

29、超聲波來回所用的時(shí)間）按式（2）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20時(shí)的聲速為344 m/s則有： d=(c×t)/2=172T0/10000cm (2) 其中，T0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LCD顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語言編寫。4.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序   超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送脈沖信號(hào)控制555芯片超聲波的發(fā)射（頻率約40kHz的方波）占空比不一定為50%，脈沖寬度為1

30、2s左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。 （1）使用外部中斷INT0來檢測回波，使其工作于下降沿觸發(fā)方式（IT0=1）。當(dāng)檢測到回波信號(hào)，觸發(fā)并進(jìn)入中斷，同時(shí)停止發(fā)射超聲波和停止計(jì)時(shí)器T0，在中斷服務(wù)程序中讀取T1的值，并計(jì)算測量結(jié)果。（2）使用T0作為計(jì)時(shí)器，工作方式為方式1。發(fā)射超聲波的同時(shí)開定時(shí)器T1。如果定時(shí)時(shí)間結(jié)束仍沒有接收到回波信號(hào)，則進(jìn)入T1溢出中斷服務(wù)程序，關(guān)閉外部中斷INT0和T1溢出中斷，重新開始新的一輪測試。由于T0工作方式為方式1時(shí)，最大可定時(shí)65ms,即在理想情況下可測最大距離為0.065*3

31、24/2=10.5m。而考慮實(shí)際情況下并不需測這么遠(yuǎn)的距離或系統(tǒng)很難探測到這么遠(yuǎn)的距離.但為了方便計(jì)算，所以初值賦為0. 超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測距不成功。 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、右測距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P1.4接

32、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。 5 調(diào)試 由于本設(shè)計(jì)涉及的模塊比較多，包括了超聲波測距模塊，單片機(jī)模塊，顯示報(bào)警，所以調(diào)試起來比較費(fèi)力，設(shè)計(jì)的不定因素也比較多，所以，調(diào)試的時(shí)候采用了分塊調(diào)試的方法，排除了各個(gè)模塊的干擾。在電路安裝完畢后，不要急于通電測試，而首先必須做好以下調(diào)試前的檢查工作。 檢查連線情況：經(jīng)常碰到的有錯(cuò)接（即連線的一端正確，而另一端誤接）、少接（指安裝時(shí)漏接的線）及多接（指在電路上完全是多余的連線），等連線錯(cuò)誤。檢查連線可以直接對(duì)照電路原理圖進(jìn)行，但若電路中布線較多，則可以以元器件（如運(yùn)放、三極管）為中心，依次檢察查其引腳的有關(guān)連線，

33、這樣不僅可以查出錯(cuò)接或少接的線，而且也較易發(fā)現(xiàn)多余的線。 為確保連線的可靠，在查線的同時(shí)，還可以用萬用表電阻檔對(duì)接線作連通檢查，而且最好在器件外引線處測量，這樣有可能查出某些“虛焊”的隱患。 檢查元器件安裝情況：元器件的檢查，重點(diǎn)要查集成運(yùn)放、三極管、二極管、電解電容等外引線與極性有否接錯(cuò)，以及外引線間有否短路，同時(shí)還須檢查元器件焊接處是否可靠。這里需要指出，在焊接前，必須對(duì)元器件進(jìn)行檢測，確保元器件能正常工作，以免給調(diào)試帶來不必要的麻煩。 檢查電源輸入端與公共接地端間有否短路在通電前，還需用萬用表檢查電源輸入端與地之間是否存短路，若有則須進(jìn)一步檢查其原因。 在完成了以上各項(xiàng)檢查并確認(rèn)無誤后，

34、才可通電調(diào)試，但此時(shí)應(yīng)注意電源的正、負(fù)極性不能接反。在檢查超聲波發(fā)射電路時(shí)，在未加單片機(jī)使能控制的情況下，通電待系統(tǒng)工作后，用示波器觀察NE555芯片的3腳。若輸出波形不符合要求，可通過調(diào)節(jié)R9和R10來調(diào)節(jié)輸出波形，直到得到要求的占空比為50%的40KHZ方波。調(diào)好發(fā)射電路后，啟用接收電路。在超聲波接收探頭未接收到信號(hào)的情況下，用示波器觀察其兩引腳，測得最大干擾電壓波形為40KHZ的正弦波，幅值20mv。在超聲波接收探頭接收信號(hào)的情況下，起初測得信號(hào)放大電路的一級(jí)放大輸出為幅值5V的正弦波，但是二級(jí)輸出不論接收探頭有否接收到信號(hào)，恒輸出一11V高電平。檢查電路參數(shù)后認(rèn)為是NE555放大倍數(shù)過

35、大，形成自激振蕩，所以把原來100*100的放大倍數(shù)降為100*10。再測二級(jí)輸出，在探測距離較近時(shí)輸出波形近似方波，調(diào)試成功。超聲波這個(gè)部分相對(duì)來說比較復(fù)雜，特別是涉及到了傳感器，受天氣和溫度的干擾比較大，電路內(nèi)部的干擾控制也是一個(gè)難點(diǎn)，所以我選擇了另外用了一塊擴(kuò)展板來制作這部分電路，而且用電感來隔離各部分的干擾?？紤]到本設(shè)計(jì)只是一次學(xué)習(xí)過程，對(duì)性能要求不是很高，所以采用了干電池供電這樣的方法，再有就是測距的時(shí)候容易受到地面的漫反射干擾，所以增益電阻不能取得太小，這樣測距的靈敏度會(huì)受到一定影響，不過經(jīng)過多次調(diào)試，測距精度方面誤差基本上能控制在5厘米以內(nèi)，測距距離大概3-4米。調(diào)試過程把燒錄好

36、的芯片放置在電路中，接上電源，檢驗(yàn)程序是否如自己所設(shè)計(jì)的那樣可以實(shí)現(xiàn)所要求的功能。如果電路板上的結(jié)果和設(shè)想的不同，由于在硬件檢查部分已經(jīng)確定了硬件沒問題。則應(yīng)該是軟件部分即程序方面的問題。需要檢查程序。首先檢查紅外接收部分，用示波器檢查紅外接收管的輸出口或是INT0口的波形是否正確。紅外接收部分沒有問題后再調(diào)試電機(jī)部分，看電機(jī)是否能按照遙控要求那樣轉(zhuǎn)動(dòng)。然后是超聲波部分，主要看數(shù)碼管的現(xiàn)實(shí)是否正常，還有就是控制按鈕是否按要求控制。因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)確定硬件沒有問題了，所以，在軟件調(diào)試的時(shí)候可以結(jié)合硬件來在線調(diào)試，這樣很直觀，而且發(fā)現(xiàn)問題也很容易。表51 測試結(jié)果真實(shí)距離（m）0.200.501.00

37、2.00測得距離(m)0.210.520.982.03總結(jié)由于時(shí)間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計(jì)沒有做出溫度補(bǔ)償。但是對(duì)設(shè)計(jì)有一個(gè)很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測距模塊能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。并通過蜂鳴器，指示燈進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)

38、計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示報(bào)警電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用STC89C52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波的控制信號(hào)，并通過NE555芯片產(chǎn)生。利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送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，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)

39、度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、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，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用