【正文】 波換能發(fā)生器發(fā)射超聲波波并對(duì)超聲波換能接收器接收到的回波進(jìn)行檢波以反饋單片機(jī)相應(yīng)的中斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用超聲波的脈沖反射原理完成超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)及其測(cè)距功能的實(shí)現(xiàn)。 本題目的研究意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，私有汽車已經(jīng)普及到許多私人家庭，但是汽車駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車駕駛?cè)藛T的比例也隨之迅速增加，人們?cè)谙硎荞{駛樂(lè)趣的同時(shí)，更加需要注重的是行駛的安全。增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測(cè)障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。在車輛行駛輔助系統(tǒng)中，測(cè)距就是數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)主要問(wèn)題。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，在移動(dòng)機(jī)器人，汽車安全，海洋測(cè)量等上都得到了廣泛的應(yīng)用。 1939 年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道。公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道始見(jiàn)于 1957 年。如今已在國(guó)際范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。硬件電路又由單片機(jī)最小系統(tǒng)處理模塊、數(shù)碼管顯示及報(bào)警電路、超聲波發(fā)生電路、超聲波檢測(cè)接收電路和穩(wěn)壓電源模塊五個(gè)部分組成。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)將各個(gè)模塊有機(jī)的結(jié)合，可將超聲波傳感器的接收信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，通過(guò) LED 數(shù)碼管清晰的展現(xiàn)在駕駛?cè)藛T面前。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。本方案以單片機(jī) AT89S52 為核心，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對(duì)其他外圍電路的適時(shí)控制，并提供給外圍電路各種所需的信號(hào)，包括頻率振蕩信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)和譯碼顯示信號(hào)等等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，更重要的是這種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于是采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去，而我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路板時(shí)就可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)目的焊接元件。 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。在設(shè)計(jì)論證中期，將焊好的接收電路。經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以肯定，本方案可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距，并且在硬件和軟件上都可行。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生和接收超聲波。 超聲波傳播的速度超聲波的傳播速度是指超聲波在介質(zhì)中傳播速度快慢的物理量，是與介質(zhì)的彈性模量和密度相關(guān)的。超聲波換能發(fā)生器發(fā)出的超聲波以速度 v 在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由換能接收器接收，其往返時(shí)間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測(cè)物體的距離。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聞聲波的規(guī)律并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。我們把能夠?qū)崿F(xiàn)超聲能量與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換的器件稱為超聲波換能器。在考慮到測(cè)距要有足夠的能量，通常選擇 40KHz 頻率的超聲波 [2]。目前超聲波測(cè)距已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)各種測(cè)距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。工作時(shí)，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。更重要的是超聲波檢測(cè)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免工人在惡劣工作環(huán)境下（高，低溫，強(qiáng)輻射等）受到傷害，還大大提高了測(cè)量精度，可靠性高；另外，超聲波測(cè)距還可以應(yīng)用到其他的功能系統(tǒng)中，例如在機(jī)器人避障系統(tǒng)；移動(dòng)機(jī)器人避障的超聲測(cè)距系統(tǒng)，智能機(jī)器人管家和簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車自動(dòng)避障系統(tǒng)；自動(dòng)剎車系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，液位測(cè)量系統(tǒng)中超聲波測(cè)距也有其重要的應(yīng)用。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及原理在本設(shè)計(jì)中，我們采用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。當(dāng)它的兩級(jí)外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(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，如果兩電極間為外加電壓，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)化為電信號(hào)，這時(shí)它就是超聲波接收換能器了，超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。中斷 內(nèi)部總線時(shí)鐘 OSC中央處理器CPU程序存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM各種 I/O 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器CTC外部設(shè)備圖 31 典型單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 單片機(jī)的分類及發(fā)展單片機(jī)的分類 A單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，根據(jù)目前的發(fā)展情況，從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過(guò)串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成于一單片內(nèi)，因此在許多情況下可以不需要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。單片機(jī)的分類 B20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，單片機(jī)有了新的發(fā)展，各半導(dǎo)體器件廠商也紛紛推出自己的產(chǎn)品系列。這類單片機(jī)常用于計(jì)算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。這類單片機(jī)由于其片內(nèi)資源豐富且功能強(qiáng)大，主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用。（4）32 位單片機(jī) 32 位單片機(jī)的字長(zhǎng)為 32 位，是單片機(jī)的頂級(jí)產(chǎn)品，具有極高的運(yùn)算速度。（1）CMOS 技術(shù)。單片機(jī)的功耗已下降許多，靜態(tài)電流甚至降到 1uA 以下；使用電壓在 3～6V 之間，完全能夠適應(yīng)于電池工作。允許使用的電壓范圍越來(lái)越寬，一般在 3～6V 范圍內(nèi)工作。為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機(jī)內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，須運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度。這類單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。除了一般必須具有的 CPU、ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電路等。 AT89S52 單片機(jī)的功能特點(diǎn)AT89S 系列單片機(jī)是繼 AT89C 系列之后推出的功能更強(qiáng)的新產(chǎn)品。其具有如下特點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)上：AT89S 系列片內(nèi)含 ISP 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器；AT89S 系列新增了斷電標(biāo)志、可編程監(jiān)視器（看門狗） 、中斷恢復(fù)等。燒寫次數(shù)更高：AT89S 標(biāo)稱燒寫次數(shù)是 1000 次,實(shí)為 100010000 次,這樣更有利開(kāi)始學(xué)習(xí)者反復(fù)燒寫,降低學(xué)習(xí)成本。AT89S52 系列單片機(jī)與 MCS51 系列單片機(jī)全兼容，是在 MCS51 的技術(shù)內(nèi)核為主導(dǎo)的基礎(chǔ)上傾注了 ATMEI。該系列單片機(jī)常見(jiàn)引腳與封裝如圖 41 所示。對(duì) P0 端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻。此外， 和 分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（） 。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P3 口也接收一些控制信號(hào)。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。（9）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。指令碼由操作碼(Operation Code)和地址碼(Address Code)構(gòu)成：操作碼用于指示機(jī)器執(zhí)行何種操作；地址碼用于指示參加操作的數(shù)在哪里。 A←data1+data210000000 1111110 80 FE SJMP $。程序的編制稱為“程序設(shè)計(jì)” 。7405H MOV A，05H ；A←05H240AH ADD A，0AH ；A←5+1080FEH SJMP $ ；停機(jī)該程序由三條指令組成，每條指令均為雙字節(jié)指令(即第一字節(jié)為操作碼，第二字節(jié)為地址碼)。CX20226 也同樣適用于超聲波測(cè)試，主要頻率在 38KHZ~41KHZ，在超聲波應(yīng)用中通常選取 40KHZ。5kΩ② C1 RC 網(wǎng)絡(luò)連接端該腳與地之間接有 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)確定前置放大器的頻率特性和增益。④ GND 接地端 —— 0⑤ f0 帶通濾波器中心頻率設(shè)置端該腳與電源間所接電阻器，是用來(lái)設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，電阻值為 200kΩ 時(shí)，中心頻率 f0=40KHz；電阻值為 220kΩ 時(shí)，中心頻率 f0=38KHz。⑧ Vcc 供電電源端 5V177。第 4 章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 基于 AT89S52 單片機(jī)的中央處理模塊 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出距離 s＝vt/2，公式中的 v 為超聲波波速。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。52 單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振 Y1 也可以采用 6MHz 或者 ，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，52 單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。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) 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)度。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。單片機(jī)在得到外部中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。適當(dāng)更改電容 C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。四位一體的氣短數(shù)碼管在單個(gè)靜態(tài)數(shù)碼管的基礎(chǔ)上加入了用于選擇哪一位數(shù)碼管的位選信號(hào)端口。報(bào)警蜂鳴器是便于區(qū)別前端報(bào)警指示燈，用于后端超聲波探測(cè)器單元的報(bào)警信號(hào)輸出，采用 5V 電壓?jiǎn)为?dú)供電，利用單片機(jī)的 端口輸出高電平接入PNP 三極管 9012 驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源模塊電路原理圖如下圖 47 所示：圖 47 LM7805 穩(wěn)壓電源電路 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思想一個(gè)系統(tǒng)的生命在于其內(nèi)部程序的控制，在小型嵌入式系統(tǒng)的程序編寫中應(yīng)用較多的是匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 51 所示：圖 51 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 主程序流程設(shè)計(jì)主程序的流程圖如下圖 52 所示，主要完成系統(tǒng)的初始化，控制 I/O 端口連續(xù)產(chǎn)生 40KHz 的脈沖信號(hào)，控制定時(shí)器的啟動(dòng)和停止，檢測(cè)超聲波回波信號(hào)并計(jì)算，對(duì)顯示、報(bào)警子程序進(jìn)行調(diào)用。當(dāng)超聲波信號(hào)遇到障礙物后會(huì)產(chǎn)生反射回波，超聲波接收電路接收到回波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)中斷計(jì)時(shí)器，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，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)并記錄接收到回波的時(shí)間。 //設(shè) T0 為方式 1，GATE=1；SCON=0x50。TL0=0。 //開(kāi)啟定時(shí)器TI=1。LED3=0。 //開(kāi)啟計(jì)數(shù) while(ECH0H)。 while(!ECH0Q)。 //關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut(0)。在硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的是兩個(gè)換能器在安裝的時(shí)候其中心軸線必須平行且中心遠(yuǎn)點(diǎn)相距 3cm，這樣可以使超聲波的發(fā)送與接收達(dá)到最佳效果；根據(jù)輸入電壓的差別以及對(duì)系統(tǒng)靈敏度的要求可適當(dāng)調(diào)整超聲波接收電路中與超聲波探頭并接的濾波電容 C11 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力；單片機(jī)最小系統(tǒng)的制作過(guò)程中，焊接晶振的時(shí)候溫度不能太高，否則容易使晶振破裂，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，并且該問(wèn)題不容易排查。 誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)距公式 s=vt/2（v 是超聲波在空氣中的傳播速度，t 是超聲波傳播的時(shí)間）和超聲波測(cè)距的原理，可知影響測(cè)距誤差的最主要因素有以下幾點(diǎn) [15]：?jiǎn)?dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差：源于單片機(jī)一次只能處理一件事，所以啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)實(shí)際上是先后完成的，存在時(shí)差，但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略，即使需要彌補(bǔ)，也有可能。這個(gè)因素可以通過(guò)提高單片機(jī)速度，使用高優(yōu)先級(jí)中斷弱化之。由于時(shí)間與現(xiàn)階段掌握知識(shí)不足的的關(guān)系，以上列出的誤差產(chǎn)生因素沒(méi)有一一得到解決，希望在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中可以將其進(jìn)一步改善。系統(tǒng)具體操作說(shuō)明為：電源開(kāi)關(guān)：控制整個(gè)系統(tǒng)的供電操作，按下電源開(kāi)關(guān)則系統(tǒng)開(kāi)始工作，反之停止工作。當(dāng)車輛后端遇障礙物且距離大于 200cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示，不啟動(dòng)報(bào)警程序；當(dāng)距離大于 100cm 小于200cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示， “后端報(bào)警蜂鳴器”發(fā)出較慢的提醒信號(hào)；當(dāng)距離大于 50cm小于 100cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器發(fā)出較快速的警示信號(hào)；當(dāng)距離小于 50cm 時(shí)，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器長(zhǎng)響作為緊急報(bào)警。車輛行駛輔助系統(tǒng)的計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)處理模塊、數(shù)碼管顯示電路、