【正文】 波換能發(fā)生器發(fā)射超聲波波并對超聲波換能接收器接收到的回波進行檢波以反饋單片機相應的中斷驅(qū)動信號，利用超聲波的脈沖反射原理完成超聲波測距模塊的設計及其測距功能的實現(xiàn)。 本題目的研究意義隨著我國經(jīng)濟的迅速發(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，人們在享受駕駛樂趣的同時，更加需要注重的是行駛的安全。增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車雷達便成為近些年來的研究熱點。在車輛行駛輔助系統(tǒng)中，測距就是數(shù)據(jù)采集中要解決的一個主要問題。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，在移動機器人，汽車安全，海洋測量等上都得到了廣泛的應用。 1939 年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻報道。公開的文獻報道始見于 1957 年。如今已在國際范圍內(nèi)推廣應用。硬件電路又由單片機最小系統(tǒng)處理模塊、數(shù)碼管顯示及報警電路、超聲波發(fā)生電路、超聲波檢測接收電路和穩(wěn)壓電源模塊五個部分組成。整個系統(tǒng)通過將各個模塊有機的結(jié)合，可將超聲波傳感器的接收信號經(jīng)單片機綜合分析處理，通過 LED 數(shù)碼管清晰的展現(xiàn)在駕駛?cè)藛T面前。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。本方案以單片機 AT89S52 為核心，通過對其進行軟件編程，實現(xiàn)該單片機對其他外圍電路的適時控制，并提供給外圍電路各種所需的信號，包括頻率振蕩信號、數(shù)據(jù)處理信號和譯碼顯示信號等等，大大簡化了外圍電路的設計難度，更重要的是這種設計方案大大節(jié)省了設計成本，并且由于是采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設計電路時可以將其他更多的功能設計進去，而我們在設計電路板時就可以根據(jù)自己的設計目的焊接元件。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。在設計論證中期，將焊好的接收電路。經(jīng)過以上實驗可以肯定，本方案可以實現(xiàn)超聲波測距，并且在硬件和軟件上都可行。為了以超聲波作為檢測手段，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，在到達被測物體時被反射返回，由換能接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測物體的距離。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動。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]。目前超聲波測距已得到廣泛應用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距原理設計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。工作時，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機提供一個短脈沖。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。更重要的是超聲波檢測降低了勞動強度，避免工人在惡劣工作環(huán)境下（高，低溫，強輻射等）受到傷害，還大大提高了測量精度，可靠性高；另外，超聲波測距還可以應用到其他的功能系統(tǒng)中，例如在機器人避障系統(tǒng)；移動機器人避障的超聲測距系統(tǒng)，智能機器人管家和簡易智能電動車自動避障系統(tǒng)；自動剎車系統(tǒng)和倒車雷達系統(tǒng)，液位測量系統(tǒng)中超聲波測距也有其重要的應用。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及原理在本設計中，我們采用壓電效應實現(xiàn)超聲波信號與電信號的轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。當它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時，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，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間為外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時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，使用時應分清器件上的標志。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。特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。中斷 內(nèi)部總線時鐘 OSC中央處理器CPU程序存儲器ROM數(shù)據(jù)存儲器RAM各種 I/O 定時器/計數(shù)器CTC外部設備圖 31 典型單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 單片機的分類及發(fā)展單片機的分類 A單片機作為計算機發(fā)展的一個重要領(lǐng)域，根據(jù)目前的發(fā)展情況，從不同角度單片機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€型單片機普遍設置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設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展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。單片機的分類 B20 世紀 80 年代以來，單片機有了新的發(fā)展，各半導體器件廠商也紛紛推出自己的產(chǎn)品系列。這類單片機常用于計算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。這類單片機由于其片內(nèi)資源豐富且功能強大，主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公自動化系統(tǒng)中應用。（4）32 位單片機 32 位單片機的字長為 32 位，是單片機的頂級產(chǎn)品，具有極高的運算速度。（1）CMOS 技術(shù)。單片機的功耗已下降許多，靜態(tài)電流甚至降到 1uA 以下；使用電壓在 3～6V 之間，完全能夠適應于電池工作。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3～6V 范圍內(nèi)工作。為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片廠家在單片機內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。為了適應這種領(lǐng)域的要求，須運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運行速度。這類單片機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、定時器/計數(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)視定時器、液晶顯示驅(qū)動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。 AT89S52 單片機的功能特點AT89S 系列單片機是繼 AT89C 系列之后推出的功能更強的新產(chǎn)品。其具有如下特點：在結(jié)構(gòu)上：AT89S 系列片內(nèi)含 ISP 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器；AT89S 系列新增了斷電標志、可編程監(jiān)視器（看門狗） 、中斷恢復等。燒寫次數(shù)更高：AT89S 標稱燒寫次數(shù)是 1000 次,實為 100010000 次,這樣更有利開始學習者反復燒寫,降低學習成本。AT89S52 系列單片機與 MCS51 系列單片機全兼容，是在 MCS51 的技術(shù)內(nèi)核為主導的基礎(chǔ)上傾注了 ATMEI。該系列單片機常見引腳與封裝如圖 41 所示。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。此外， 和 分別作定時器/計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（）和定時器/計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（） 。作為輸入使用時，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 編程和校驗時，P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，在 flash 編程和校驗時，P3 口也接收一些控制信號。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。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，復位時內(nèi)部會鎖存 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“程序設計” 。7405H MOV A，05H ；A←05H240AH ADD A，0AH ；A←5+1080FEH SJMP $ ；停機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試，主要頻率在 38KHZ~41KHZ，在超聲波應用中通常選取 40KHZ。5kΩ② C1 RC 網(wǎng)絡連接端該腳與地之間接有 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡，用來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置端該腳與電源間所接電阻器，是用來設置帶通濾波器的中心頻率 f0，電阻值為 200kΩ 時，中心頻率 f0=40KHz；電阻值為 220kΩ 時，中心頻率 f0=38KHz。⑧ Vcc 供電電源端 5V177。第 4 章 系統(tǒng)的硬件電路設計 基于 AT89S52 單片機的中央處理模塊 單片機實現(xiàn)測距的原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 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 單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，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 端口輸出的 40KHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。單片機在得到外部中斷請求后，會轉(zhuǎn)入外部中斷服務程序進行處理。適當更改電容 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)碼管的位選信號端口。報警蜂鳴器是便于區(qū)別前端報警指示燈，用于后端超聲波探測器單元的報警信號輸出，采用 5V 電壓單獨供電，利用單片機的 端口輸出高電平接入PNP 三極管 9012 驅(qū)動。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)軟件設計 系統(tǒng)程序設計思想一個系統(tǒng)的生命在于其內(nèi)部程序的控制，在小型嵌入式系統(tǒng)的程序編寫中應用較多的是匯編語言和 C 語言。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 主程序流程設計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，控制定時器的啟動和停止，檢測超聲波回波信號并計算，對顯示、報警子程序進行調(diào)用。當超聲波信號遇到障礙物后會產(chǎn)生反射回波，超聲波接收電路接收到回波時產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個中斷請求信號中斷計時器，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，計時器停止計時并記錄接收到回波的時間。 //設 T0 為方式 1，GATE=1；SCON=0x50。TL0=0。 //開啟定時器TI=1。LED3=0。 //開啟計數(shù) while(ECH0H)。 while(!ECH0Q)。 //關(guān)閉計數(shù) Conut(0)。在硬件的設計過程中需要注意的是兩個換能器在安裝的時候其中心軸線必須平行且中心遠點相距 3cm，這樣可以使超聲波的發(fā)送與接收達到最佳效果；根據(jù)輸入電壓的差別以及對系統(tǒng)靈敏度的要求可適當調(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；單片機最小系統(tǒng)的制作過程中，焊接晶振的時候溫度不能太高，否則容易使晶振破裂，導致系統(tǒng)無法正常工作，并且該問題不容易排查。 誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 s=vt/2（v 是超聲波在空氣中的傳播速度，t 是超聲波傳播的時間）和超聲波測距的原理，可知影響測距誤差的最主要因素有以下幾點 [15]：啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差：源于單片機一次只能處理一件事，所以啟動發(fā)射和啟動計時實際上是先后完成的，存在時差，但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略，即使需要彌補，也有可能。這個因素可以通過提高單片機速度，使用高優(yōu)先級中斷弱化之。由于時間與現(xiàn)階段掌握知識不足的的關(guān)系，以上列出的誤差產(chǎn)生因素沒有一一得到解決，希望在以后的學習過程中可以將其進一步改善。系統(tǒng)具體操作說明為：電源開關(guān)：控制整個系統(tǒng)的供電操作，按下電源開關(guān)則系統(tǒng)開始工作，反之停止工作。當車輛后端遇障礙物且距離大于 200cm 時，數(shù)碼管顯示，不啟動報警程序；當距離大于 100cm 小于200cm 時，數(shù)碼管顯示， “后端報警蜂鳴器”發(fā)出較慢的提醒信號；當距離大于 50cm小于 100cm 時，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器發(fā)出較快速的警示信號；當距離小于 50cm 時，數(shù)碼管顯示，蜂鳴器長響作為緊急報警。車輛行駛輔助系統(tǒng)的計主要包括單片機最小系統(tǒng)處理模塊、數(shù)碼管顯示電路、