【正文】 可以有多種形式，而應(yīng)用最多的是七段發(fā)光二極管顯示模塊。 27 顯示電路 顯示電路原理圖如圖 3— 10所示。所以，如果我們?yōu)榱俗尩皖l、高頻信號都可以很好的通過，就采用一個(gè)大電容再并上一個(gè)小電容的方式。 8腳：電源正極， ～ 5V。 CX20206A 的第 5 腳的電阻決定接收的中心頻率， 200k 的電阻決定了接收的中心頻率為 40KHz。例如，取 R=200kΩ 時(shí)， f0≈42kHz ，若取 R=220kΩ ，則中心頻率 f0≈38kHz 。但 C1 的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為 R1= ，C1=1μF 。 圖 CX20206 引腳圖 25 圖 中，引腳從上至下依次為 8 。典型應(yīng)用電路如圖所示 ,其主要功能是從 40kHz 紅外載波信號中 ， 將編碼信號解調(diào)出來 ， 并加以放大和整形 ,然后再送到微處理器 (CPU)進(jìn)行處理 ， 以實(shí)現(xiàn)遙控操作功能。12≈ KHz≈38 KHz。 圖 超聲波接收電路原理圖 集成電路 CX20206A 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。 圖 發(fā)射電路 在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測距離成正比。 主電源引腳（ 2根） (Pin20)：電源輸入，接＋ 5V 電源 2. GND(Pin10)：接地線 外接晶振引腳（ 2 根 ） 1. XTAL1(Pin5)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 2. XTAL2(Pin4)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 控制引腳（ 1 根） RST：復(fù)位引腳 可編程輸入 /輸出引腳（ 15 根） 1. P1 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線， ～ ，共 8 根 2. P3 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線， ～ 、 ，共 7根 芯片 特點(diǎn)： （ 1） 增強(qiáng)型 1T 流水線 /精簡指令集結(jié)構(gòu) 8051 CPU； （ 2） 工作電壓： ～ ～ ； （ 3） 工作頻率范圍： 035MHz，相當(dāng)于 普通 8051的 0～ 420MHz； （ 4） 用戶應(yīng)用程序空間 512/1K/2K/3K/4K/5K 字節(jié) ； （ 5） 片上集成 256 字節(jié) RAM； （ 6） 15 個(gè)通用 I/O 口 ，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏 ； （ 7）EEPROM 功能 ； （ 8） 共 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； （ 9） PWM(2 路） /PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列） ； （ 10） ADC,8 路 8 位精度 ； （ 11） 通用異步串行口 (UART)；（ 12） SPI 同步通信口，主模式 /從 模式 ； （ 13） 看門狗 ； （ 14） 內(nèi)部集成 R/C振蕩器，精度要求不高時(shí)可省外部晶體 ； （ 15） ISP/IAP； （ 16） 工作溫度范 21 圍： 0～ 75℃/ 40～ 85℃ ； （ 17） 封裝： PDIP20， SOP20(寬體 )， TSSOP20(超小封狀 )。20 代表 2K 字節(jié)； 52 代表RAM是 256 字節(jié) ； AD 表示有 A/D 轉(zhuǎn)換功能。 微處理器命名 STC12 系列單片機(jī)是美國 STC 公司在 8051 單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對芯片內(nèi)核進(jìn)行了較大改進(jìn)后推出的一個(gè)增一強(qiáng)型功能的 8051 的單片機(jī)，具有很多很強(qiáng)的新功能。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫 19 度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，建議電容使用 30pF177。 圖 微處理器電路原理圖 微處理器的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。濾波器由電容電感等儲能元件組成，它的作用是盡量將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，輸出比較平滑的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，濾波器輸出的直流電壓的幅度也將隨之變化，在要求比較高的電子電路 中這是不符合要求的。 我國電源提供的交流電一般為 220V，而各種電子設(shè)備所需要的直流電壓的幅值卻各不相同。L7805CV 的外形如圖 3— 3所示。結(jié)構(gòu)框圖如圖 3— 1所示。 15 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電路工作原理及設(shè)計(jì) 主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分組成。這個(gè)閡值決定信噪比。 (2)采用自動距離增益控制 14 采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。所以把這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。同時(shí)，接收信號的衰減程度總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。距離過遠(yuǎn)時(shí)，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠(yuǎn)限存在的原因。 表 波速與溫度的關(guān)系 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速 （ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 在測距時(shí)由于溫度 變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程 。 11 限制 系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個(gè)因素： 超聲波的幅度，反射的質(zhì)地，反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。 在 25 ℃時(shí) , ? ?0 .1 7 3 1 4 2 5 1 5s N m m? ? ?為本儀器的距離計(jì)算公式。 0 ℃時(shí) , 空氣中聲速的實(shí)驗(yàn)值為 331. 45 m/ s ,空氣中聲速表達(dá)式為 2 7 3 .1 6v 3 3 1 .4 5 ( / )2 7 3 .1 6 ms? ?? （ ） 由實(shí)驗(yàn)分析得距離計(jì)算公式為 ? ?3 3 1 . 4 5 2 7 3 . 1 6 152 7 3 . 1 6r Ns m mf ????? （ ） 式中 N 為計(jì) 數(shù)個(gè)數(shù) 。 T 為熱力學(xué)溫度。 圖 脈沖法測距 10 首先超聲波傳感器向空氣中發(fā)射聲脈沖 , 聲波遇到被測物體反射回來 , 若可以測出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射 脈沖間的時(shí)間差 t ,利用 1s= vt2 即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離 s , 測量距離 22hd= s 2?（ ） 若 sh時(shí) ,則 d ≈ s ,本儀器采用收發(fā)同體傳感器 ,故 h = 0 ,則 d= 1s= vt2 溫度補(bǔ)償 常溫常壓下 ,空氣近似為理想氣體。超聲波傳感器的指向角一般為 40 度～ 80 度 [5]。但離開超聲波傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波疊加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。如果 R 較小，（如小于 10K）頻率特性曲線變的平滑而 且具有放寬的帶寬，同時(shí)靈敏度也隨著降低。因此，超聲波發(fā)射器一定要使用非常接近中心頻率的 f0 的交流電壓來激勵(lì)。 超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向特性。利用逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波。常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等，壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。壓電式超聲波傳感器如圖 2— 1 所示。為測量更精確 ， 鑒于聲速受溫度影響最大 ,測距數(shù)據(jù)處理過程采用了溫度補(bǔ)償。測距儀系統(tǒng)所用傳感器是 CUSS100 。 超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，會發(fā)生能量的衰減，其產(chǎn)生原因可分為三個(gè)方面 : (1)由于波前的擴(kuò)展而產(chǎn)生的能量損失； (2)超聲波在介質(zhì)中的散射而產(chǎn)生的能量損失，即散射衰減； (3)由于介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。當(dāng)波在界面處生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速與折射波在第二介質(zhì)中的波速之比。在聲速已知的介質(zhì)中，可以利用身波傳播距離 L 和傳播時(shí)間 t 的關(guān)系L=vt，進(jìn)行超聲測距，超聲液位計(jì)和超聲測厚計(jì)就是這方面的典型應(yīng)用。除水以外，大部分液體的聲速隨溫度的升高而增加。對于液體介質(zhì)，只能傳播縱波。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳的頻率極限 時(shí)，人們就覺察不出聲的存在，我們稱這種高頻率的聲為超聲。在科學(xué)史上，聲學(xué)是發(fā)展最早的學(xué)科之一。 課題主要內(nèi)容和課題研究方案 本課題主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測距 與避障 系統(tǒng) ,由于超 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(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差 ，最終 計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離 。許多人提出采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來提高測量精度，目前，相位探測法和聲譜輪廓分析法或者二者的結(jié)合是主要的降低傳輸時(shí)間不確定度的方法?？墒‰姷淖詣雨P(guān)閉電源功能 。 深圳長泉機(jī)電 Camp。比如要測量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。 距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個(gè)參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問題。特別是應(yīng)用于空氣測距 ,由于空氣中波速較慢 ,其回波信號 中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來 ,具有很高的分辨力 ,因 準(zhǔn)確度也較其它方法為高 。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，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，很好的應(yīng)用于移動機(jī)器人探測功能中， 以軟硬件 實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人利用超聲裝置實(shí)現(xiàn)測距以及避障 功 能 ， 具有 很好的 實(shí)際意義。 整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。 超聲裝置在移動機(jī)器人探測功能應(yīng)用中控制系統(tǒng)的核心部分是超聲波測距儀的研制。 在社會生活 中 超聲裝置在移動機(jī)器人探測功能中的應(yīng)用 已 很廣泛 ，如汽車倒車?yán)走_(dá)、測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)采用以 STC12C2052 單片機(jī)為核心的低成本，高精度，微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。Measure Distance 1 第 1 章 緒 論 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 , 移動機(jī)器人在降低勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本方面起著日益重要的作用，許多應(yīng)用場合都要求機(jī)器人在未知環(huán)境中能夠自動識別行駛方向上的障礙物，超聲