【正文】 ... 15 超聲波測(cè)距的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................... 16 超聲波測(cè)距的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................... 19 5 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的調(diào)試 ............................................................................................... 22 超聲波測(cè)距硬件系統(tǒng)的調(diào)試 ............................................................................... 22 超聲波測(cè)距軟件系統(tǒng)的調(diào)試 ............................................................................... 23 結(jié)論 ..................................................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 27 附錄 ..................................................................................................................................... 29 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 前言 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題 超聲波對(duì) 固體 、 液體 的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在 固體中，可穿透幾十米的深度。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 用超聲波實(shí)現(xiàn)智能小車中的探測(cè)系統(tǒng) 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 班 級(jí) 學(xué) 生 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 二〇一 一 年 五 月 二十 日 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 智能小車在火災(zāi)救援等惡劣環(huán)境中比人有著諸多優(yōu)勢(shì)，那么研究設(shè)計(jì)一種能夠代替人的一種智能化的設(shè)備就有其研究以及應(yīng)用的潛在價(jià)值。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生 反射形成反射成回波，碰到活動(dòng) 的 物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。其中汽車防撞系統(tǒng) (CAS)的設(shè)計(jì)和需求顯得非常重要和迫切，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快、可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。在小車倒車當(dāng)中如果遇到障礙物，當(dāng)距離障礙物一定距離時(shí)，單片機(jī)將控制直流電動(dòng)機(jī)工作方式，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示。當(dāng)其中剪切力交替作用于固體介質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。因此測(cè)量距離 最大 改變2%。 （ 6）超聲波的方向性 較 強(qiáng)，其傳 播 特性如圖 22 所示。 （ 3） 穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式 當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí) ， 檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。 超聲波傳感器的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 由發(fā)送傳感器 (或稱超聲波發(fā)送器 )、接收傳感器 (或稱超聲波接收器 )、控制部分與電源部分組成。進(jìn)行相關(guān)處理后，輸入單片機(jī)的 INT0腳產(chǎn)生中斷，計(jì)算中間經(jīng)歷的時(shí)間，同時(shí)再根據(jù)具體的溫度計(jì)算相應(yīng)的聲速，根據(jù)式 s=v*t/2就可得出相應(yīng)的距離用來顯示， 以實(shí)現(xiàn)對(duì) 報(bào)警電路 的控制。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。這一時(shí)期的特點(diǎn)是： 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的芯片集成設(shè)計(jì)； 少資源、無軟件，只保證基本控制功能。 （ 3） 從 SCMC 向 MCU化過渡階段 Intel 公司推出的 MCS96 單片機(jī)，將一些用于測(cè)控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、程序運(yùn)行監(jiān)視器 (WDT)、脈寬調(diào)制器 (PWM)、高速 I/O 口納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。為滿足不同的要求，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力和多機(jī)通信能力的 8 位、 16 位、 32 位通用型單片機(jī)，小型廉價(jià)型、外圍系 統(tǒng)集成的專用型單片機(jī)，以及形形色色各具特色的現(xiàn)代單片機(jī)。 ③提高綜合品質(zhì) 在體系結(jié)構(gòu) (RISC)、電磁兼容性能 (EMC)、開發(fā)環(huán)境 (高級(jí)語言支持 ISP、 IAP 等 )、功耗管理等諸方面得到了提高。例如傳真打字機(jī)采用單片機(jī) ，可以取代近千個(gè)機(jī)械器件；縫紉機(jī)采用單片機(jī)控制，可執(zhí)行多功能自動(dòng)操作、自動(dòng)調(diào)速、控制縫紉花樣的選擇。這些外圍裝置與接口如果完全由主機(jī)進(jìn)行管理，勢(shì)必造成主機(jī)負(fù)擔(dān)過重，降低 執(zhí)行速度，如果采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，單片機(jī)微處理器與主機(jī)可并行上作，大大地提高了系統(tǒng)的執(zhí)行速度。另外， AT89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模 式。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。否則， ALE 將被微弱拉高。 XTAL1： 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的 輸入端。計(jì)數(shù)的最高頻率一般為振蕩頻率的 l／ 24。 （ 2）工作方式 1： 16 位方式。 （ 4）工作方式 3： 2 個(gè) 8 位方式。所以，方式 3 是為了使單片機(jī)有 1 個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、 1 個(gè)定時(shí)器以及 1 個(gè)串行口波特率發(fā)生器的應(yīng)用場(chǎng)合而特地提供的。 （ 2） TMOD 在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為 89H，無位地址。 M1M0＝ 01：工作方式 1(16 位方式 )。當(dāng)字時(shí)器 1 計(jì)滿溢出時(shí)，由硬件使 TF1 置 “1”，并且申請(qǐng)中斷。其功能及操作情況同 TR1。 INT0：外部中斷 0，由 P3． 2 端口線引入，低電平或下跳沿引起。 本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號(hào)接收、顯示和發(fā)出控制信號(hào)、電源等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成。其基本工作原理為給予此超聲波測(cè)距模塊一觸發(fā)信號(hào)后發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波投射到物體而反 射回來時(shí)，模塊輸出一回響信號(hào)，以觸發(fā)信號(hào)和回響信號(hào)間的時(shí)間差，來判定物體的距離。 ② 在 DS18B20 中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào)。 AT12864 漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192 個(gè)中文漢字（ 16X16 點(diǎn)陣）、 128 個(gè)字符（ 8X16 點(diǎn)陣）及 64X256 點(diǎn)陣顯示 RAM（ GDRAM）。 （ 2）軟件流程設(shè)計(jì) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 在硬件電路正確無誤的基礎(chǔ)上，用軟件對(duì)相應(yīng)部分電路的工 作狀態(tài)進(jìn)行控制，并通過程序?qū)?shù)據(jù)處理，最終使 液晶屏 上顯示出障礙物的距離，并完成控制 語音 。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。//開始觸發(fā) delay10us()。首先設(shè)定地址，錄取報(bào)警提示聲音，當(dāng)檢測(cè)到有障礙物里的近時(shí)，從地址讀取錄音并播放已達(dá)到提醒報(bào)警的功能。因?yàn)椴? 作模式和直接尋址互相排斥?？刂贫嗣枯斎胍粋€(gè)低脈沖，內(nèi)部地址 計(jì)數(shù)器就跳到下一條信息。當(dāng)芯片既非錄音又非放音時(shí) ，將 A4 短暫拉低可使 地址計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。 就測(cè)得了障礙物的距離。調(diào)試中我先采用“點(diǎn)燈”的方式看看程序是否進(jìn)入中斷，在確定進(jìn)入以后進(jìn)行相關(guān)調(diào)試就簡(jiǎn)單了很多。 這時(shí)，首先考慮到的是 溫度對(duì)超聲 波速度的影響很可能造成數(shù)值偏大或偏小 ， 另外就是程序精度不夠考慮不周，很可能是造成距離遠(yuǎn)時(shí)精度下降 。當(dāng)距離大于 30 厘米時(shí)測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤即顯示的距離反而變小。 上電測(cè)試 ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)依然存在上述問題 。 至此系統(tǒng)基本上達(dá)到了課題的要求。 （ 2）軟件部分 程序采用了 超聲波發(fā)射程序， 外部中斷子程序 ，定時(shí)器計(jì)數(shù) ，定時(shí)器中斷子程序以及 液晶 顯示程序。發(fā)射電路可采用 555 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)以提高發(fā)射功率，接收電路可采用 CX20216 電路以提高接收電路的靈敏度和抗噪聲性能。此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)基本上達(dá)到了課題的 要求。 ③ 液晶串行 方式顯示。測(cè)試結(jié)果如下表 所示 。 這時(shí)考慮接收端信號(hào)放大的問題。 （ 4） 系統(tǒng)調(diào)試 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 在 各部分程序按照軟件設(shè)計(jì)流圖的順序 寫好后，編譯無誤，上電測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表 51 所示。因此在解決這個(gè)故障時(shí)，我首先考慮 硬件接觸問題 。 （ 2）超聲波 距離計(jì)算 程序調(diào)試 這 部分調(diào)試主要是對(duì)定時(shí)器 T0 的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理。 A4（連續(xù)尋址） —— 正常操作中，重放遇到 WOM 標(biāo)志時(shí)，地址計(jì)數(shù)器會(huì)復(fù)位。 這種操作模式一直有效，除非控制信號(hào)再次由高變低，芯片重新鎖存當(dāng)前的地址 /模式端電平，然后 執(zhí)行相應(yīng)操作。 5 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的調(diào)試 超聲波測(cè)距硬件系統(tǒng)的調(diào)試 語音報(bào)警 電 路調(diào)試 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 51 超聲波模塊時(shí)序圖 ISD1110/ISD1420 系列內(nèi)置了若了干操作模式，可用最少的外圍器件實(shí)現(xiàn)最多的功能。 //單位 mm， EX0=1。 TL0=0。只需要提供一個(gè)短期的 10uS 脈沖觸發(fā)信號(hào)。 圖 44 語音報(bào)警 電路 （ 6）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基 于上述（ 1） —（ 5）所述各部分電路設(shè)計(jì)及功能，要把各部分組合起來電路才能工作，如圖 45 所示。 ⑥ 內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便 。電路圖如圖 42 所示。超聲波測(cè)距的基本工作原理是：發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，利用公式 S= 就能算得從探頭到障礙物的距離，式中： S 為所測(cè)的距離， v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度． t 為超聲波從發(fā)到收所經(jīng)過的時(shí)間。由 于 TCON是可以位尋址的，因而如果只清溢出或啟動(dòng)定時(shí)器工作，可以用位操作命令。其功能及操作情況同 TF1。其中， TFl， TRl， TF0 和 TR0 位用于定時(shí)器／計(jì)數(shù)器； IEl， ITl， IE0 和 IT0 位用于中斷系統(tǒng)。 M1M0：工作方式選擇位，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的 4 種工作方式由 M1M0 設(shè)定。其中， TCON 寄存器中另有 4 位用于中斷系統(tǒng)。 通常情況下， T0 不運(yùn)行于工作方式 3，只有在 T1 處于工作方式 2，并不要求中斷的條件下才可能使用。由于這種方式不需要指令重裝時(shí)間常數(shù)，因而操作方便，在允許的條件下，應(yīng)盡量使用這種工作方式。當(dāng) TL1 和 THl 都計(jì)滿之后，置位 T1的定時(shí)器回零標(biāo)志 TFl，以此表明定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)次數(shù)已到，以供查詢或在打開中斷的條件下，可向 CPU請(qǐng)求中斷。由于每個(gè)機(jī)器周期為 12 個(gè)時(shí)鐘振蕩周期，所以定時(shí)的分辨率是時(shí)鐘振蕩頻率的 1／ 12。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “1”， ALE 操作將無效。晶振工作時(shí)， RST 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。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）。 當(dāng)用 作為輸出口 時(shí) ，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯電平。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。數(shù)控型控制機(jī)采用單片機(jī)后口可能改變其結(jié)構(gòu)模式，例如使控制機(jī)與伺服控制分開，用單片機(jī)構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)控制器可減輕數(shù)控型控制機(jī)的負(fù)擔(dān)。 ⑤多種選擇下的選擇原則 尋求最簡(jiǎn)化的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；盡可能選擇專用單片機(jī)；綜合考慮下進(jìn)行合理 的選擇。例如， 80C51 是通用型單片機(jī)，它并不是為某一種專門用途設(shè)計(jì)的單片機(jī)；而專用型單片機(jī)是針對(duì)某一類產(chǎn)品甚至某個(gè)產(chǎn)品需要而設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的單片機(jī)。 ④ 提供 OTP 供應(yīng)狀態(tài)，利于 大 規(guī)模和批量生產(chǎn)。 ③ 完善的 MCS51 成為 SCMC 的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)。參與這一探索階段的還有 Motorola、 Zilog 和 Ti 等大公司，它們都取得了滿 意的探索效果 ， 確立了在 SCMC的嵌入式應(yīng)用中的地位。 圖 31 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)