【正文】 ........ 19 結(jié)論 ............................................................... 20 參考文獻 ........................................................... 21 附錄 A：電路原理圖 ................................................. 22 附錄 B：部分源程序 ................................................. 23 致 謝 .............................................................. 34 III 基于單片機的超聲波倒車測距儀 設計 摘 要 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。 此設計為一個基于單 片機并有顯示警報模塊的系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為五大模塊：主控模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、距離計算模塊、顯示模塊。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應用。 （ 3）超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 由于社會不斷進步發(fā)展 ， 許多 傳統(tǒng)的測距方法 已經(jīng) 無法滿足 我們 的需求，例如在井深，液位，管道長度等場合。而且超聲波傳播速度在相當大范圍內(nèi)與頻率無關。此外，在材料科學，醫(yī)學，生物科學等領 域中也占具重要地位。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，所以測距就成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。該系統(tǒng)使測量精度提高，電路實現(xiàn)容易。這種方法的特點是無需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。 顯 示 單 元 單片機處理單元 發(fā)射 單元 接收 單元 物體 警報器 倒車檔 3 接收模塊 超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。常用的波形變換的方法有三種 ： 方案一：采用集成鎖相環(huán) LM567 對放大后的信號進行頻率監(jiān)視和控制。當輸入信號的電壓大于基準電壓時，輸出為“ 1”；當輸入信號的電壓小于基準電壓時，輸出為“ 0”；這樣就取到對輸入信號進行變換的 目的 [5]。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＫ话闶怯?DS18B20 測溫專用芯 片來測定 [6]。其特點是可采用事先得到溫度 聲速二維表，將之固化到系統(tǒng)程序中，然后直接使用查表法得到聲速值，這樣程序?qū)崿F(xiàn)比較簡單，但精度沒有方案一高。 方案二 ： 采用 LCD 液晶顯示 。 這種電源 與 前者 相比較為 復雜，但是其帶載能力明顯強于前者，在單片機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 。綜合考慮 75 kHz、40 kHz、 25 kHz ， 取 40 kHz 可以較好地解決這個矛盾。超聲波傳感器由兩個壓電晶片和一個共振板組成，當壓電晶片的兩極加上頻率等于其固有諧振頻率的脈沖信號時，壓電晶片產(chǎn)生共振，并帶動共振板產(chǎn)生振動，同時帶動壓電晶片也一起振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，稱為超聲波接收器。這里僅介紹小型超聲波傳感器，其結(jié)構如圖 12 所示，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為2325KHZ 及 4045KHZ。 圖 12 T R40 外觀 （ 2）波形變換：本系統(tǒng)采用先用兩級放大，再用鎖相器，這樣綜合了幾個方案的優(yōu)點。 （ 6）電源的選用：結(jié)合電源模塊方案一和方案二的優(yōu)缺點，本設計電源采用 9V 電池，再經(jīng)過電源電路供電。 AT89C51 將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為很多嵌入式控制提供了靈活性高且價格低廉的方案。 RST：復位輸入。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為 振蕩器頻率的 1/6。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。其電路如圖 23所示。 R1，因此 SRT為高電平， CPU進入復位狀態(tài)，松 手后，電容 C3開始充電，RST端 電位下降， CPU脫離復位狀態(tài)。 單片機外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器（ AT89C51中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益的反相放大器）的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。 超聲波發(fā)射接收電路 超聲波 發(fā)射 電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 24 所示。 圖 24 超聲波發(fā)射電路原理圖 10 超聲波接收電路 超聲波接收電路由超聲波傳感器、兩級放大電路和鎖相環(huán)電路組成。由于發(fā)送的超聲波頻率為 40kHz，幫調(diào)整相關元件使鎖相環(huán)的中心頻率為 40kHz， 只響應該頻率的信號，避免了其他頻率信號的干擾。當溫度從 0～ 40℃ 變化時，將會產(chǎn)生大約 7%的聲速變化。℃ 。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩率明顯改變，所產(chǎn)生信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入。 DS18B20利用單線控制信號在總線上與單片機進行通信。 LED是電源指示燈，通電后發(fā)光。這樣用戶不僅可以很快的判斷出障礙物的大概距離，還可以清楚的知道詳細距離。根據(jù)單片機控制 555電路測量結(jié)果，使報警電路發(fā)出不同長短報警聲。根據(jù)頻率 等于周期的倒數(shù)， 經(jīng)過計算，確定 R19＝ 2K， R17=8K， C9=。當距離測量結(jié)束并調(diào)用顯示程序，就會顯示距離大小，顯示兩位小數(shù)。 14 3 軟件設計 主程序流程 我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 系統(tǒng)上電后，首先系統(tǒng)初始化，不斷掃描按鍵 k1，若按鍵 k1 按下，則開始測量空氣溫度，然后將 置位，使定時器 T0 開始定時，控 制超聲波傳感器發(fā)出超聲波，同時使定時器 T1 開始定時。 最后檢測按鍵 k2，若 k2 閉合，則調(diào)用 溫度顯示子程序， LED 顯示溫度（溫度并非測量距離時用于補償?shù)臏囟?，而是當前溫度?5s 后恢復 顯示本次測量距離；若按鍵 k2 沒 有閉合，則顯示器恒定顯示最新一次的測量。 然后根據(jù)溫度和傳輸時間計算距離，溫度補償措施使測量精度有了明顯提高，計算出距離后調(diào)用距離顯示子程序， LED 顯示距離。 軟件采用模塊化設計方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。 13 圖 29 顯示電路 本章小結(jié) 本章是論文的核心部分，主要闡述的是課題的系統(tǒng)硬件設計部分，其中包括系統(tǒng)構成、工作原理、主控制器（ AT89C51 單片機的特點、時鐘振 蕩器、復位電路）、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路、報警電路和電源系統(tǒng)。 圖 28 報警 電圖設計圖 顯示電路 顯示電路如圖 29，四位 LED 組成動態(tài)掃描電路，由 AT89C51 的 P0 口輸出。 根據(jù) 555 定時器原理， 輸出沖正脈寬度 如式 22 所示： t1=(R19+R17)C9 (22) 由電容 C9 充電時間決定； t2=(R17)C9 (23) 由電容 C9 放電時間決定，振蕩周期 T 則由兩式相加得來。 B段：測量距離為 50cm～ 100cm擴音器以相應較高的頻率的報警提示； C段：測量距離為 100cm～ 150cm擴音器以相應較低的頻率報警提示；距離大于 150cm報警器則關閉。 倒車探測器在其偵測區(qū)內(nèi)檢測到障礙物時，擴音器會 根據(jù)車與障礙物的距離發(fā)出警告聲。 圖 26 溫度補償電路 其它 外圍電路 電源電路 電源電路如圖 27 所示。計數(shù) 11 器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 1的預置值減到 0時，溫度寄存器的值將加 1攝氏度，計數(shù)器 1的預置將重新被裝入，計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)至計數(shù)器 2計數(shù)到 0，停止溫度寄存器累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 DS18B20溫度傳感器有兩個晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。 DS18B20是 DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，電路連接非常簡單，但是必須保證時序與單片機嚴格同步。超聲波接收電路如圖25 所示。鎖相環(huán)電路接收 到頻率符合要求的信號后向單片機發(fā)出中斷請求。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，這里電容使用 30pF177。 在多機系統(tǒng)中，單片機只作為一個功能模塊使用時，為了節(jié)省硬件和同意系統(tǒng)的時鐘 信號，常采用外時鐘源。其復位過 程為：接通電源瞬間，電容上的電壓很小， RST端上的電壓接近電源電壓，在電容充電過程中， RST端電位逐漸下降，當 RST端電位小于某一數(shù)值后， CPU脫離復位狀態(tài)；當按鈕按下時，電容通過 R1放電，當電容放完電后， RST端的電位由 R R2分壓比決定。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。作為輸入， 由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高 ，且作為輸入。在 FIASH 編 程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 AT89C51 引腳功能如下圖 22 所示。硬件電路方框圖如圖 21 所示 。 （ 4）警報方式： 本方案采用 555 定時器 和擴音器 組成電路驅(qū)動擴音器。該種有 T/R4016， T/R4012 等（其中 T 表示發(fā)送，R 表示接收， 40 表示頻率為 40KHZ， 16 及 12 表示其外徑尺寸，以毫米計）。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志，但外觀基本一致。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（ PZT）等。具體描述如下： （ 1）超聲波頻率及探頭和發(fā)射器的選用。 電源模塊 方案一 ： 采用 5V電池這樣供電很簡單，而且組成系統(tǒng)時，占用的空間小 ；但供電的功率低，運行單片機系統(tǒng)的時候，因為其要求的電流較大，可能會造成單片機程序跑飛，復位等異?，F(xiàn)象，嚴重時會造成系統(tǒng)死機 。其優(yōu)點在于它能在低電壓，小電流的條件下發(fā)光，能與 CMOS， TTL 電路兼容 ； 發(fā)光響應時間短 ( 秒 )， 對 LED 數(shù)碼顯示器的控制可以采用按時間向它提供具有一定驅(qū)動能力的位選和段選信號 ，高頻特性好，單色性好，亮度高 ， 體積小，抗沖擊性能強 ，成 本低廉等 [7]。這種方法系統(tǒng)實現(xiàn)難度相對較大，但是精度高。 4 表 11 不同溫度下超聲波聲速表 項目 數(shù)值 溫度 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 100 聲速 /( m?s) 313 319 325 332 338 344 350 356 361 367 388 由此可見，聲速與溫度有著密切關系，在應用中如果溫度變化不大并且無特殊要求，可認為聲速基本不變的，否則必須進行溫度補償。 溫度補償?shù)日`差減小 超聲波