基于超聲波的障礙物檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1、基于超聲波的障礙物檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)哈爾濱工程大學(xué)背景：背景：n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?？傮w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；目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器；通常用于小距離檢測、障礙物檢測等。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小距離測距、機(jī)器人檢測、車輛倒車?yán)走_(dá)以及家居安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。背景：背景：n聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間

2、可以測量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波。背景：背景：n假設(shè)室溫下聲波在空氣中的傳播速度是335.5m/s，測量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間是t秒，距離d可以由下列公式計(jì)算：nd=33550(cm/s)*t(s)n因?yàn)槁暡ń?jīng)過的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該是d/2。目的：目的：n1、了解單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n2、了解單片機(jī)串行通信模塊的設(shè)計(jì)n3、熟悉超聲波發(fā)射、接受的工作原理n4、熟悉集成芯片CX20106A、7404的工作原理n5、熟悉數(shù)碼管顯示原理。任務(wù)及要求：任務(wù)及

3、要求：n結(jié)合單片機(jī)最小系統(tǒng)、7404、CX20106A等模塊電路共同設(shè)計(jì)一個(gè)基于超聲波的障礙物檢測系統(tǒng)，能夠檢測前方一米左右處是否有障礙，并用指示燈表示出來。1、焊接并調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng)板2、焊接并調(diào)試7404、CX20106A等功能電路3、各電路聯(lián)機(jī)調(diào)試，檢測前方一米左右處是否有障礙，并用指示燈或揚(yáng)聲器指示4、用數(shù)碼管顯示障礙物的精確距離，精度10%以內(nèi)，最大距離2.0米總體框圖：或或LEDLED燈燈硬件部分：n主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用STC89C51來實(shí)現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和7404的控制。單片機(jī)通過引腳經(jīng)7404來控制超聲

4、波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路：單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路：單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路：超聲波發(fā)射電路原理圖：n壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖所示，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，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就

5、成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。超聲波發(fā)射電路原理圖：超聲波檢測接收電路n電路采用集成電路CX20106A，這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]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。超聲波檢測接收電路n信號送到CX20106的腳，CX20106的總放大增益約為80dB，其腳輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.55V范圍內(nèi)?？傇鲆娲笮∮赡_外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。但取值過大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，C1為1uF。采用峰值檢波方式檢波電容C2為3.3uF。

6、R2為帶通濾波器中心頻率f0的外部電阻。積分電容C3取330pF。經(jīng)CX20106處理后的脈沖信號由腳輸出。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)n超聲波測距軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。下面對超聲波測距器的算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。超聲波測距器的算法設(shè)計(jì)n超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出的一個(gè)超聲波信號，當(dāng)超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接受。這樣只要計(jì)算出發(fā)生信號到接受返回信號所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。超聲波測距器的算法設(shè)計(jì)n距離計(jì)算公式：d=s/2=(c*t)/2nd為被測物與測距器的

7、距離，s為聲波的來回路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間不同溫度下的超聲波聲速表 主程序主程序n主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這也就是測距器會有一個(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。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us,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)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測得被測物體與測距儀之間的距離,取20時(shí)的聲速為344m/s則有：nd=(C*T0)/2=172T0/10000cm（其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）n測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程?？傮w框圖超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序n超聲波發(fā)生子程序的作用是通過端口發(fā)送2個(gè)左右的超聲波信號頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波