【正文】 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。通過一定的了解與學(xué)習(xí)，我最終確定了將該系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)為工作處理器核心，運(yùn)用超聲波傳感器能以非接觸方式測(cè)出后方物體距離并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出等優(yōu)良特性，完成 了此次模擬實(shí)現(xiàn)公交車防追尾報(bào)警功能的課程設(shè)計(jì)。 （ 2）模塊資料查詢：如今模塊化的理念不斷的被推廣，我們也運(yùn)用了這一思想方法。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖 19 所示。隨后才是主程序，各模塊和子程序。 圖 15 超聲波模塊實(shí)物圖 測(cè)距分析 在本次的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我采用的是市面上較常見的 STC89C52 單片機(jī)作為核心主控制器，它的其中一項(xiàng)功能就是控制超聲波發(fā)射器的觸發(fā)脈沖，以及超聲波發(fā)射電路觸發(fā)脈沖的開始時(shí)間，并且在超聲波接收器接收到反射波的時(shí)候，能夠立即響應(yīng)回波時(shí)刻，同時(shí)開始計(jì)算聲波從發(fā)射到被接收這之間所消耗的時(shí)間差，最后進(jìn)行距離值的處理運(yùn)算 [13]。 通過學(xué)習(xí)，我們知道 6 個(gè)狀態(tài)周期形成一個(gè)大的周期，我們把它定義為單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期，而狀態(tài)周期下面又可以劃分出振蕩周期，并且是 2 個(gè)振蕩周期組成 1 個(gè)狀態(tài)周期，所以一個(gè)大的機(jī)器周期中可以包含 6 個(gè)狀態(tài)周期和 12 個(gè)振蕩周期 [10]。且回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成線性比例。而晶片的機(jī)械和電力之間的耦合系數(shù)是和靈敏度成正比的。第二變異功能的具體含義如表 1 所示： 表 1 引腳第二功能表 端口引腳 第二功能 RXD （串行輸入口） TXD （串行輸出口） INT0 （外中斷 0） INT1 （外中斷 1） T0 （定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0） T1 （定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） （ 5） WR/RD 端口引腳 9 在對(duì) P3 端口的介紹中，我們知道 WR 和 RD 是 P3 端口的第二特意功能中的兩種，當(dāng)前作為第二特意功能時(shí)，只要將外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接入這兩個(gè)端口，即可對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫功能了。 XTAL1和 XTAL2分別是單片機(jī)片內(nèi)反相器的輸入和輸出端口，它們的作用主要是用來(lái)給單片機(jī)控制器里的時(shí)鐘電路提供外部震蕩源。 本次基于單片機(jī)的無(wú)線測(cè)距儀設(shè)計(jì)主要包括硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。超聲波和普通的聲波性質(zhì)是一樣，即在標(biāo)準(zhǔn)空氣中傳播速度為 每秒傳播 340米 ，眾所周知：路程 =速 度 X 時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，如今使用比較多的超聲波發(fā)生器是通過壓電的方式產(chǎn)生超聲波的。 （ 3）能量傳遞特性 超聲波比普通聲波具有更強(qiáng)大的功率，這就是超聲波能在各個(gè)工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用的主要原因。此階段的單片機(jī)的性價(jià)比得 到空前提升，隨著帶來(lái)了廣泛的應(yīng)用前景，也給從事單片機(jī)行業(yè)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，帶來(lái)了更多運(yùn)用的選擇性。 同時(shí)，隨著社會(huì)的日益發(fā)展，這也意味著它也 要不斷地完善與提升， 高定位、高精度應(yīng)該成為它的發(fā)展目標(biāo)。Measure distance 1 1 緒論 課題設(shè)計(jì)的背景 隨著城市的快速建設(shè)與經(jīng)濟(jì)上的繁榮快速發(fā)展，使得普通百姓的生活水平也在日益高升，由此帶來(lái)交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃興起，交通運(yùn)輸?shù)陌踩砸苍絹?lái)越被更多人重視。由此可知， 8 位和 16 位的單片機(jī)在性能上得到了大幅度的提升，使得單片機(jī)指令功能有效地得以執(zhí)行，為了增加兼容性，此時(shí)的單片機(jī)在原來(lái)的存儲(chǔ)容量的基礎(chǔ)上增加了 I/O 端口的種類和數(shù)量，不僅如此它還具備了 A/D轉(zhuǎn)換器，因此單片機(jī)應(yīng)用范圍得到拓展。 （ 2）吸收特性 通過實(shí)驗(yàn)的論證發(fā)現(xiàn)：聲波在某一介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)本身會(huì)吸收部分聲波的能量，因此導(dǎo)致聲波在隨著傳播距離增加的過程中，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。一般而言，這些超聲波發(fā)生器根據(jù)其產(chǎn)生方式不同大致能夠被劃分成兩個(gè)類型：第一種類型的發(fā)生器所發(fā)出的超聲波是通過電氣的方式產(chǎn)生的，第二種類型的發(fā)生器所發(fā)出的超聲波是通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式產(chǎn)生的。 把具有一定頻率特征的超聲波通過超聲波發(fā)射器發(fā)射到被攝目標(biāo)上，一旦發(fā)射出的超聲波遇到被攝物體時(shí)，根據(jù)超聲波的傳播特性，聲波便會(huì)發(fā)生反射效應(yīng)時(shí)，由超聲波接收器接收到反射回的某一特征頻率的超聲波，讓計(jì)時(shí)器立即計(jì)算出這其中超聲波傳輸所用的時(shí)間并換算出距離，這是當(dāng)前比較普遍的測(cè)距的原理。如我本次想要完成基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且想要實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器無(wú)線測(cè)距、單片機(jī)運(yùn)算、蜂鳴器報(bào)警等等功能。其引腳圖如下圖 2 所示 [2]。 單片機(jī)的第 10～ 17 引腳分別是 P3 口的 ～ 端口，它具有內(nèi)部上拉電路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。因?yàn)橥ㄟ^壓電處理過的材料，通常來(lái)說(shuō)其居里點(diǎn)都很高，但是超聲波探頭在測(cè)量物體距離時(shí)所消耗的功率很小，這就導(dǎo)致了其工作時(shí)的溫度 10 幾乎不會(huì)發(fā)生變化，這樣傳感器就能連續(xù)工作而不至于因?yàn)闇囟鹊膭×易兓プ饔谩? 因此超聲波接收器的整個(gè)運(yùn)作流程變清晰明了，首先反射回來(lái)的超聲波信號(hào)經(jīng)超聲波接收器接受后，然后兩級(jí)放大器將其進(jìn)行一次放大，最后，鎖相環(huán)電路開始檢測(cè)反射波的頻率，如果反射波的頻率為 40kHz，傳感器則從 Echo 腳發(fā)出低電平中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī) —INT1端立即變成低電平并使得定時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)工作。 圖 11 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 反向放大器包含兩個(gè)引腳，分別是輸入引腳 XTAL1 和輸出引腳 XTAL2。超聲波傳感器的測(cè)距功能就是這樣實(shí)現(xiàn)的：通過發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，然后接收器收到的回響信號(hào)，最后送到最小系統(tǒng)處理運(yùn)算，得到兩者之間的時(shí)間間隔，系統(tǒng)就可以計(jì)算得到距離了。如圖 16 所示： 圖 16 測(cè)距原理圖 由測(cè)距原理分析可得： ?cosSH? （ 31 ） )(HLarctg?? （ 32 ） 又知道超聲波傳播的距離為 : 2S=vt （ 33 ） .將（ 3—2）、（ 3—3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarctgvtH ? （ 34 ） 其中 ,超聲波的傳播速度 v 在相對(duì)穩(wěn)定的溫度情況下是不變化的 (例如在溫度 T=30 度時(shí) ,V=349m/s)。 圖 18 超聲波探測(cè)程序流程圖 21 5 系統(tǒng)調(diào)試 在整個(gè)產(chǎn)品完成設(shè)計(jì)之后，由于是實(shí)物設(shè)計(jì)，無(wú)法模擬調(diào)試，只能通過實(shí)物調(diào)試進(jìn)行檢查。帶著好奇心自覺的進(jìn)行了資料的深入搜集，加深了對(duì)系統(tǒng)的了解。另一方面更需要靠自己的積極探索與勤奮學(xué)習(xí)，自我發(fā)掘出老師所教導(dǎo)的更深層次奧義。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。首先對(duì)是元件的選擇和確認(rèn)。我做的模塊是基于單片機(jī)的無(wú)線測(cè)距系統(tǒng)，主要給智能小車提供距離報(bào)警，這其中就要對(duì)單片機(jī)擁有足夠充分的了解，在 能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能要求的基礎(chǔ)上，使整個(gè)儀器在操作上更加簡(jiǎn)單、方便 。 （ 2）測(cè)距盲區(qū) 本次設(shè)計(jì)調(diào)試過程中為避免超聲波發(fā)出的波直接回到接收端，在軟件的距離計(jì)算部分設(shè)置了一個(gè)延時(shí)，這就是超聲波的測(cè)距系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因，它使系統(tǒng)的最小測(cè)量距離為 2cm，大于 2cm 的距離均可連續(xù)顯示，不會(huì)出現(xiàn)大于 2cm 的誤差。 將整體程序拆分開來(lái)，分工完成各自要實(shí)現(xiàn)的功能語(yǔ)句，有利于我能夠清晰把握每個(gè)模塊的作用與設(shè)計(jì)進(jìn)度 [15]。根據(jù)聲波遇到障礙物會(huì)被反射回來(lái)的原理，超聲波傳感器的信號(hào)接收器只要在聲波信號(hào)發(fā)射之后，一旦接收到被反射回來(lái)的發(fā)射信號(hào)，就將停止計(jì)時(shí)的指令回復(fù)給單片機(jī)的時(shí)鐘電路，與此同時(shí)時(shí)鐘電路停止計(jì)時(shí)。 圖 12 時(shí)鐘電路圖 聲音報(bào)警電路 16 如下圖所示，系統(tǒng)中 的聲音報(bào)警電路主要是由蜂鳴器、三極管、 2K 電阻 3 個(gè)元件構(gòu)成，在實(shí)際測(cè)量中只要測(cè)量值小于警報(bào)值，單片機(jī)的 端口就發(fā)出一個(gè)信號(hào)聲音報(bào)警電路，使得蜂鳴器開始嘯叫，達(dá)到報(bào)警效果。 圖 8 超聲波時(shí)序圖 電源設(shè)計(jì) 觸發(fā)信號(hào) 模塊內(nèi)部 發(fā)出信號(hào) 輸出回響 信號(hào) 14 電源電路如圖 9 所示。 ａ STC89C52 ｂ 超聲波 傳感器 11 c 數(shù)碼管 ｄ 按鍵 圖 4 硬件元件電路組圖 超聲波電路 通過內(nèi)部原理圖， 可以發(fā)現(xiàn)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。 一般情況下，我們選擇的超聲波傳感器都是以壓電的方式來(lái)產(chǎn)生超聲波的，這種傳感器的探頭通常是用晶體材料或者陶瓷材料制成的，這些材料也要通過壓電處理，而探頭的工作原理正是利用這些通過壓電處理過的材料所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，如圖 3 所示 [3]。 （ 3）復(fù)位引腳 8 為了提高單片機(jī)在運(yùn)行過程中的抗干擾能力，而且保證整個(gè)電路的穩(wěn)定工作， STC89C52還具備復(fù)位功能 RST——第 9 位引腳， RST 作為 RESET 復(fù)位信號(hào)輸入端口，為了讓單片機(jī)能夠正常工作，當(dāng)給系統(tǒng)連續(xù)輸入 2 個(gè)周期以上的有效高電 平時(shí)，復(fù)位引腳接收到高電平信號(hào)后，使得整個(gè)系統(tǒng)完成復(fù)位初始化操作。 如圖 1 所示：系統(tǒng)方框結(jié)構(gòu)圖。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)鐘電路開始計(jì)時(shí)。由此可見，此無(wú)論是在精確度還是 4 可靠性方面，超聲波測(cè)距的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超過其他測(cè)距方式，也適用于更大范圍的應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺識(shí)別等方面都運(yùn)用到了超聲波測(cè)距的基本原理。這個(gè)原因一方面跟分子本身的質(zhì)量有一定的關(guān)系，但是更主要的因素還取決于分子振動(dòng)速度，所以介質(zhì)分子獲得的能量與其分子的振動(dòng)的頻率成正比。頻率為 20～ 20xx0 赫茲的聲波是正常人所能接收到，換句話說(shuō)，正常人能聽到頻率在 20～ 20xx0 赫茲這之間的所有聲音。因而超聲波測(cè)距具有了：高可靠性高，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 Technology， Nanjing 210044 Abstract:This design mainly use STC89C52 singlechip microputer, and the production of ultrasonic sensor plete range alarm system. STC89C52 as main control chip, using ultrasonic to detect distance, the distance detected object behind the object, then single chip processing operations, pared with set alarm distance value judgment, when measured distance is less than the set value, the STC89C52 mands to control buzzer alarm. By the way, the STC89C52 is on STC series singlechip puter is widely used in a single chip microputer。 第二階段 發(fā)展階段：上個(gè)世紀(jì)中后期，大概是 20 世紀(jì) 80 年代。反觀超聲波，超聲波的聲波射線和光線其實(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也是可行的。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。 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或者是公交車防追尾的實(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。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