【正文】 ................................................................................ 21 故障調(diào)試分析 ....................................................................................................... 21 測(cè)試結(jié)果分析 ....................................................................................................... 21 6 設(shè)計(jì)總結(jié) ........................................................................................ 22 參考文獻(xiàn) .............................................................................................. 24 致謝 ...................................................................................................... 25 附錄 ...................................................................................................... 26 基于單片機(jī)的無(wú)線(xiàn)測(cè)距儀設(shè)計(jì) 秦周 南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化，南京 210044 摘要： 基于單片機(jī)的無(wú)線(xiàn)測(cè)距 儀設(shè)計(jì)， 該設(shè)計(jì)主要以 STC89C52 系列單片機(jī)作為該測(cè)距系統(tǒng)的核心控制端，利用超聲波發(fā)射與接收聲波測(cè)距的特性，準(zhǔn)確無(wú)誤地探測(cè)出智能小車(chē)后方物體的距離，再由核心控制端精密計(jì)算，最終 計(jì)算出智能小車(chē) 后方物體的實(shí)際距離，將之與設(shè)定的警報(bào)距離值進(jìn)行比較判斷，當(dāng)測(cè)得距離小于警報(bào)距離值時(shí)，最小控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)指令，致使蜂鳴器報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)自動(dòng)測(cè)距并報(bào)警功能。也伴隨著科學(xué)技術(shù)的疾速發(fā)展，超聲波傳感器將在眾多測(cè)距傳感器中成為使用最普遍的傳感器。它所具備的操作方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、測(cè)量精確度高等特點(diǎn)，成為了我本次課程設(shè)計(jì)的不二選擇。 第三階段 高速發(fā)展階段：上個(gè)世紀(jì)的末期也就是 20 世紀(jì) 90 年代。雖然如此超聲波的物理特 性并沒(méi)有因?yàn)樗母哳l率而改變，換句話(huà)說(shuō)它同一般的聲波在本質(zhì)上還是相接近的，因此也具有一般聲波相同的特性，如反射、折射、干涉、衍射和散射等。如果在某一固定的介質(zhì)中傳播，振動(dòng)頻率越高的聲波會(huì)被吸收地越厲害。也正是這是由聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象所以叫聲壓特性。其中 ，電動(dòng)類(lèi)型、通過(guò)磁流導(dǎo)致伸縮的類(lèi)型等都是屬于電氣產(chǎn)生的方式，而加爾統(tǒng)笛、液哨等則是屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的方式。例如 ：小到最原始的是用簡(jiǎn)單的卡尺測(cè)量較短的距離；大到在遠(yuǎn)距離測(cè)量上，可以采用激光來(lái)進(jìn)行測(cè)量等。如超聲波液位物位傳感器，超聲波探頭等等。根據(jù)超聲波的距離計(jì)算公式即可計(jì)算出發(fā)射器與 障礙物之間的距離（ S），即： S=(v*t)/2。那我的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)便主要由 控制運(yùn)算指令的單片機(jī)最小系統(tǒng)、能夠測(cè)量距離的超聲波傳感器、提供警戒報(bào)警的蜂鳴器、設(shè)置參數(shù)的按鍵、顯示距離信息的四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示電路及提供電源的電源電路等等必要的結(jié)構(gòu)組成。單片機(jī)都將這些功能模塊集中在一起并加以實(shí)現(xiàn)，所以單片機(jī)又被叫做是微控制器 MCU（ MicrocontrollerUnit） 。 圖 2 單片機(jī)引腳圖 從圖 3 我可知道 STC89C52 單片機(jī)一共有 40 個(gè)引腳，每個(gè)或某一類(lèi)引腳都有各自指向的作用，本次設(shè)計(jì)我進(jìn)運(yùn)用到了只有單片機(jī)中的 P1 系列端口、 P2 系列部分端口、 RST 端口、 0 INT0/INT1 端口、 WR 端口、 RD 端口、時(shí)鐘源端口、主電源端口，其主要引腳功能如 下： （ 1）主電源引腳 單片機(jī)必須在通電的情況下才能正常使用，所以為保證正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)，必須將第40 位引腳 VCC 引腳接電源正極；此外，光 VCC 接電源正極是不夠的，為了形成一個(gè)回路，我們還需將第 20 位引腳 —VSS 引腳接地，這也是我們常見(jiàn)的 GND 引腳。 單片機(jī)的第 39～ 32 引腳分別是 P0 口的 ～ 端口，對(duì)應(yīng)著 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O端口。與其他 3 個(gè) I/O 端口有不同的是，它有其他端口不具備的第二特殊變異功能。而接收探頭通常是利用正向的壓電效應(yīng)來(lái)工作的，其原理是把傳感器產(chǎn)生的帶有振動(dòng)的波形轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。 第三個(gè)衡量參數(shù)是靈敏度。超聲波電路原理圖如圖 5 所示 ： 圖 5 超聲波發(fā)射電路原理圖 12 超聲波發(fā)射電路 超聲波傳感器中的反相器和超聲波發(fā)射換能器主要構(gòu)成超聲波傳感器的發(fā)射電路。 超聲波時(shí)序圖 通過(guò)超聲波 時(shí)序圖可以看出，在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中如果要想讓超聲波 發(fā)射器 發(fā)射出超聲波，我們只需要給傳感器的 TRIG 端持續(xù)不斷地提供一個(gè) 10uS 或者以上觸發(fā)信號(hào)，傳感器的發(fā)射電路接收到觸發(fā)信號(hào)之后，便會(huì)自動(dòng)響應(yīng)使得超聲波發(fā)射模塊相應(yīng)的循環(huán)發(fā)出 8 個(gè)頻率大小是 40kHz 的周期的高電平，與此同時(shí)傳感器的接收器開(kāi)始實(shí)時(shí)檢測(cè)回波。 圖 10 顯示電路 系統(tǒng)為了能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)智能小車(chē)與后方的障礙物之間的距離值，我在電路中加了一個(gè)四位共陽(yáng)數(shù)碼管組成動(dòng)態(tài)顯示電路 [8]。片內(nèi)振蕩器是這個(gè)反向放大器主要配置，我們經(jīng)常使用的石晶振蕩和陶瓷振蕩就是時(shí)鐘電路中的一個(gè)很好的運(yùn)用實(shí)例。這部分主要控制計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示 以及距離的計(jì)算等等功能 [12]。 圖 15 為實(shí)物圖。所以此系統(tǒng)測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。當(dāng)需要測(cè)量的距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L 時(shí) ,則 (3—4)變?yōu)?: 19 （ 35 ） 所以，只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間 t,就可以得出測(cè)量的距離 H。 超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生子程序的時(shí)候，我結(jié)合具體的超聲波傳感器在實(shí)際中運(yùn)用，將傳感器的發(fā)射腳 Trig 定義給 —ITN0 端口，將接收腳 Echo 定義給 端口。所以首先對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以確保最小核心控制端能夠正常使用，其次在硬件各項(xiàng)元件檢查無(wú)誤后，可以考慮把簡(jiǎn)單的流水燈程序在單片機(jī)最小系統(tǒng)試運(yùn)行起來(lái)，判斷單片機(jī)系統(tǒng)能否正常使用。但是也必須考慮到超聲波傳感器本身在發(fā)射與接收的過(guò)程中也存在著多多少少的誤差，同時(shí)人為干擾誤差也很大，所以超聲波測(cè)距儀在還需要在穩(wěn)定性和可靠性方面不斷地調(diào)試和改進(jìn)。好的開(kāi)始是成功的一半。在此設(shè)計(jì)之前我們對(duì)于單片機(jī)的通訊理解止步于與外部輸入輸出設(shè)備的并口通訊，現(xiàn)在我們也知道了利用單片機(jī) P3 口第二功能 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)間的串行通訊。而毛老師成為了我本次設(shè)計(jì)的良師益友，給了我一個(gè)重要的引導(dǎo)，對(duì)我在學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)本次課題中有著很大的幫助。更能減少電路的連接的失誤 俗話(huà)說(shuō)：實(shí)踐中出真知，在此次的設(shè)計(jì)過(guò)程中我也發(fā)現(xiàn)了自 己?jiǎn)纹瑱C(jī)知識(shí)儲(chǔ)備和理解上的不足，還有重要的一點(diǎn)就是，除了在我們具備豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)之外，實(shí)踐動(dòng)手能力是同樣不可忽視的，只有兩者結(jié)合起來(lái)，才能順利地設(shè)計(jì)出一樣合格的東西。 作者簽名： 日 期： 28 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 ：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 26 附錄 附件 1：系統(tǒng)總圖 27 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。另外在電路元件器材的挑選到電路元件的焊接也是至關(guān)重要的。從中我們都學(xué)到了很多。工作中也不乏交流，我們不 斷的將不同的模塊進(jìn)行磨合，找出問(wèn)題，共同探討，最后將其整合。 6 設(shè)計(jì)總結(jié) 整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程 是對(duì) 單片機(jī)所學(xué)知識(shí)的一次綜合性運(yùn)用考察 ，其中包括了 對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、傳感器技術(shù)以及單片機(jī)等知識(shí)有一定程度上的靈活運(yùn)用，將這幾個(gè)方面較完善的協(xié)調(diào)好，從而完成了本次設(shè)計(jì)。比如剛開(kāi)始單片機(jī)不正常工作，查找原因后是超聲波接收電路的電阻焊錯(cuò)了，以至于接收電路始終不能正常接收到信號(hào)。只要傳感器的接收端接收到返回超聲波信號(hào)，此時(shí)ITN1 引腳變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)立即進(jìn)入中斷程序。在本次超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)方面，我根據(jù)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能不同劃分出了 6 大程序分類(lèi)；即：主程序、控制超聲波發(fā)射的超聲波發(fā)生子程序、控制超聲波接收的超聲波接收中斷子程序、負(fù)責(zé)計(jì)算距離的距離計(jì)算子程序、實(shí)時(shí)顯示距離數(shù)據(jù)的顯示子程序、外部指令鍵入的鍵盤(pán)處理程序。 公式中 S 表示測(cè)量距離； T 表示測(cè)量距離計(jì)時(shí)的時(shí)間差（ T=t/2）。當(dāng)超聲波傳感器的聲波發(fā)射器接收發(fā)射超聲波的指令之后，它便會(huì)立即朝著智能小車(chē)的后方實(shí)時(shí)發(fā)出超聲波信號(hào)，并且在發(fā)射出超聲波的那一刻起單片機(jī)的時(shí)鐘電路開(kāi)始計(jì)時(shí)。它的一個(gè)基本的工作模式大致為： TRIG 端持續(xù)不斷地提供一個(gè) 10uS 或者以上觸發(fā)信號(hào)，傳感器的發(fā)射電路接收到觸發(fā)信號(hào)之后，便會(huì)自 動(dòng)響應(yīng)使得超聲波發(fā)射模塊相應(yīng)的循環(huán)發(fā)出 8 個(gè)頻率大小是 40kHz 的周期的高電平，與此同時(shí)傳感器的接收器開(kāi)始實(shí)時(shí)檢測(cè)回波。如圖 12 所示為時(shí)鐘電路。 如果在系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運(yùn)行的時(shí)候，我要想在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)位初始化功能，在一般的情況下我只要通過(guò)時(shí)鐘電路讓 RESET 這個(gè)引腳端持續(xù)獲得 2 個(gè)高電平，并且周期為兩個(gè)機(jī)器周期，這樣一來(lái)當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)意外的情況后，我就可以通過(guò)復(fù)位電路完成 復(fù)位操作，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行了 [9]。且距離 =高電平時(shí)間 *聲速（ 340M/S） /2。如圖 7 所示： 圖 7 超聲波接收電路原理圖 一、超聲波接收器，其作用主要負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)射出的超聲波進(jìn)行回波的接收；二、兩級(jí)放大 13 電路，由于接收器接收回來(lái)的反射波信號(hào)比較微弱，以至于傳感器難以對(duì)其進(jìn)行解析，所以我們利用放大電路來(lái)把接收到的反射波信息進(jìn)行放大；三、鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)電路起到一個(gè)向單片機(jī)控制器發(fā)出中斷信號(hào)的作用，這意味著測(cè)距已經(jīng)成功完成向。 如圖 4 硬件電路圖。傳感器工作時(shí)所產(chǎn)生的頻率是由經(jīng)過(guò)壓電處理的晶片在共同振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的頻率決定的。因此，它還有另外一個(gè)名稱(chēng)，那就是超聲換能器。要想將它在用作為低 8 位地址總線(xiàn)，只能在對(duì)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ EPROM 型）進(jìn)行程序編程和校驗(yàn)時(shí)才行。如在設(shè)計(jì)試驗(yàn)中直接采用外部震蕩信號(hào)的話(huà)，那就應(yīng)該把 XTAL1 引腳接地，而將外部振蕩信號(hào)源與 XTAL2 的端口想連接；而在單片機(jī)使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，應(yīng)該將 XTAL1 引腳和 XTAL2 引腳接石英晶體和電容。由此看來(lái)， 內(nèi)置功能強(qiáng)大的 STC89C52 單片機(jī)為我此次的課程設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在，設(shè)計(jì)出編碼語(yǔ)言讓單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算出距離值并發(fā)出報(bào)警反饋上。正是由于單片機(jī)作為核心控制端搭載超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)，不僅提高了這個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的便攜性，而且在測(cè)量的準(zhǔn)確度方面誤差極小，所以我在本次課題設(shè)計(jì)之初制定出采用了單片機(jī)搭載超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距報(bào)警的方案。 因此我采用 晶振作為單片機(jī)最小系統(tǒng)的時(shí)鐘電路模塊。 而針對(duì)本次的課程設(shè)計(jì)題目和實(shí)際操作起來(lái)的場(chǎng)景來(lái)講，我將此次的課程設(shè)計(jì)主要致力于模擬智能小車(chē)或者是公交車(chē)防追尾的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，由設(shè)計(jì)的題目可知既然是防追尾，那首先就是要搭建測(cè)距功能與報(bào)警功能結(jié)合運(yùn)用的框架。因而在非接觸式的測(cè)量方面超聲波測(cè)距是首選方式，并且在測(cè)量 精度方面也能達(dá)到日常使用要求，并且在一些惡劣環(huán)境下，如高溫、高粉塵、高濕度和強(qiáng)電磁干擾，超聲波測(cè)距所受的影響遠(yuǎn)小于其他測(cè)距方式。其傳播頻率和繞射能力是成反比的，但和反射能力是成正比的。 介質(zhì)分子由于受到了聲波振動(dòng)的影響，導(dǎo)致介質(zhì)分子相互擠壓的方式來(lái)獲得能量。反觀超聲波，超聲波的聲波射線(xiàn)和光線(xiàn)其實(shí)是 大同小異的，而且用幾何光學(xué)上的定律角度來(lái)看，對(duì)于超聲波的聲波射線(xiàn)也是可行的。那什么是頻率？聲波每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)被科學(xué)界定義為頻率，它的單位是赫茲。 第二階段