【正文】 時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子超聲波傳感器)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發(fā)出警告。所設計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報警檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。 超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。 測距的公式表示為：L=CT 式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。 超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式L=CT，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=340m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距時間誤差△t() ≈ 。 在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。由于本方案設計只用到八位數(shù)據(jù)傳輸，因此測量誤并主要體現(xiàn)在傳送數(shù)據(jù)上。5米定時計數(shù)器的最大值為72E3H,左移一位后的高八位為E5H,轉化成十進制后是229，測量誤差為5m/229=。 課題設計的任務和要求(1) 超聲測距卡能發(fā)射超聲波并檢測被障礙物反射回來的聲波，測量出兩者的時間差，然后根據(jù)聲音在空氣中傳播的速度，計算出障礙物與機器人之間的距離。在機器人比賽中可對周圍環(huán)境進行探測，確定對手所在的方位。(2)Protel格式的電路原理圖和印刷電路板圖各一張。(3)自制的無線通訊模塊一塊。(4)。 方案設計比較 方案一：。超聲波的發(fā)射電路由LM555定時器構成40KHz的多諧振蕩器。 LM555第3引腳輸出端經(jīng)過功率放大后驅動超聲波傳感器TR4016，使之發(fā)射出超聲波信號。電路工作電壓12V。 方案一的超聲波發(fā)射電電路超聲波接收電路超聲波接收電路主要由接收換能器、功率放大電路、比較及控制等環(huán)節(jié)組成。9當超聲波遇到障礙物返回時，超聲波接收傳感器TR4016接收由于回波電壓的數(shù)量級在毫伏量級,并且在距離較遠的情況下，回波更弱，因而必須將信號放大。 如圖2所示,設計中采用高速精密放大器 LM318。其帶寬為15M,第1級放大50倍，第2級電路接可變電阻，理論放大倍數(shù)50倍這樣兩級放大倍數(shù)最大可達到2500倍，能充分滿足 因為較遠距離傳播而變得相當微弱的信號得到足夠增益。然后由L M5 6 7(音頻檢測器芯片)來完成信號的濾波、檢波、選頻等功能。 方案一的超聲波接收電路該方案優(yōu)點：接收電路具有濾波功能，能最大幅度地減小干擾的影響，發(fā)射電路由555定時器上的可調(diào)電阻可以很方便地調(diào)整發(fā)射頻率。該方案缺點：該方案使用集成元件較多，體積較大。 方案二：發(fā)射電路 方案二的發(fā)射電路。單片機信號經(jīng)與非門后經(jīng)過三極管放大，直接傳送到超聲波發(fā)射傳感器。 方案二的超聲波接收電路，接收過來的信號經(jīng)兩級放大后直傳入單片機。優(yōu)點：發(fā)射接收電路簡單，成本低，制作方便。缺點：發(fā)射頻率不能夠調(diào)整，在機器人足球比賽當中若每個機器人的發(fā)射頻率相同，則容易互相干擾，因此測距可靠性要差一些。接收電路沒有濾波過程，容易形成干擾。綜合兩種方案的優(yōu)缺點，本設計選擇使用第一種方案。第3章 系統(tǒng)硬件結構設計 系統(tǒng)主要結構超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器LM555音頻選擇器AT89C51ASBUS 系統(tǒng)的主要構成 51系列單片機功能結構特點5l系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時/計數(shù)器TO和T1，4個8b的I/O端：P0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。單片機與一般的微型機比較有如下優(yōu)點。體積小由于單片機內(nèi)部包含了計算機的基本功能部件，能滿足很多應用領域對硬件功能的基本要求。因此單片機組成的就用系統(tǒng)結構簡單，小而全?？煽啃愿邌纹瑱C內(nèi)CPU訪問存儲器、I/O接口的信息傳輸線(即總線)大多數(shù)在芯片內(nèi)部，因此不易受外界的干擾：另一方面，由于單片機體積小，在應用環(huán)境比較差的情況下，容易采取對系統(tǒng)進行電磁屏蔽等措施。所以單片機應用系統(tǒng)的可靠性比一般的微機系統(tǒng)高得多?？刂乒δ軓妴纹瑱C面向控制，它的實時控制功能特別強。CPU可以直接對I/O口進行各種操作，運算速度高，時鐘可達16MHz以上。對實時事件的響應和處理速度快。使用方便由于單片機內(nèi)部功能強，系統(tǒng)擴展方便，因此應用系統(tǒng)的硬件設計非常簡單，又因為市場上提供多種多樣的單片機開發(fā)工具，它們具有很強的軟硬件調(diào)試功能和輔助設計功能。性價比高由于單片機功能強，價格便宜，其應用系統(tǒng)的印板小，接插件少，安裝調(diào)試簡單等一系列原因，使單片機應用系統(tǒng)的性能價格比高于一般的微機系統(tǒng)。 AR89C51的引腳示意圖。5l系列單片機提供以下功能：4 KB存儲器；256B RAM；32條I/O線；2個16b定時/計數(shù)器；5個2級中斷源；1個雙向的串行口以及時鐘電路。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。 AT89C51的引腳介紹以下只對在本設計當中就用到的引腳作簡要介紹。RST/VPD(9腳)復位信號時鐘電路工作后芯片內(nèi)部進行初始復位，復位后P0P3口輸出高電平，初值07H寫入堆棧指針SP，清0程序計數(shù)器PC和其他特殊功能寄存器。EA/Vpp(31引腳)片外程序存儲器地址選擇信號若EA接地，則不使用內(nèi)部程序存儲器，不管地址大小，取指時總是訪問外部程序存儲器。本超聲波測距擴展卡并不需要外部存儲器，故該引腳直接接高電平。AT89C51的I/O口AT89C51單片機有4個雙向位I/O口P0P3，P0為三態(tài)雙向口，負載能力為8個LSTTL門電路，P1P3為準雙向口，負載能力為4個LSTTL門電路。P3口作第二功能口使用時實際上際上是系統(tǒng)具有控制功能的控制線。 AT89C51的定時計數(shù)系統(tǒng)一般單片機內(nèi)部都設有定時計數(shù)器，因為有的測控系統(tǒng)是按時間間隔定時控制的，如定時對物理過程的采樣等。雖然可以通過延時程序實現(xiàn)定時，但這會降低CPU的工作效率。如果能利用一個可編程的實時時鐘獲得延時定時，就可以提高CPU的工作效率。另外，也有一些測控系統(tǒng)是根據(jù)外部信號的計數(shù)結果來實現(xiàn)控制的。必須對外部隨機事件進行計數(shù)。因此，單片機內(nèi)部一般都設置可編程的定時計數(shù)器，以簡化系統(tǒng)設計，提高系統(tǒng)功能。AT89C51內(nèi)部有兩個定時計數(shù)器，分別稱為定時計數(shù)器0和定時計數(shù)器1簡稱T0、T1，它們都具備定時計數(shù)功能，有4種工作方式可以選擇。在超聲波測距擴展卡的設計中我們需要定時計數(shù)器的定時功能，定時功能的工作方式是對芯片內(nèi)的機器周期計數(shù)，或者說計數(shù)脈沖來自芯片內(nèi)部，每來一個機器周期，計數(shù)器加1，直到計數(shù)器滿，再來一個機器周期，定時計數(shù)器全部回0，這就是溢出。每個機器周期的時固定(振為12MHz，機器周期為1μs，晶振為6MHz，機器周期為2μs)。與定時計數(shù)器有關的控制寄存器共有4個，分別是TCON,TMOD,IE,IP特殊功能寄存器。根據(jù)TMOD寄存器中的M1和M0位的設定，定時計數(shù)器可選擇4種不同的工作方式。根據(jù)超聲測距的要求我們選擇工作方式1。方式1是16位計數(shù)結構，定時器計數(shù)器由TH的全部高8位和TL的全部低8位組成。 AT89C51的中斷系統(tǒng)計算機工作時由于系統(tǒng)內(nèi)外某種原因而發(fā)生的隨機事件，計算機必須盡可