【正文】 輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運行。 定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、 距離計算、結(jié)果的輸出等工作。二極管D1 和 D2 為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。 圖 314 超聲波接收電路 距離顯示電路 超聲波測距顯示電路如圖 315 所示。 3 C2 檢波電容連接端，該端與地接檢波電容，電容量大，則為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大。發(fā)射電路主要由反向器74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成， 其中 74LS04 是一個高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，而相對于 LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減 小 很多 ， 單片機(jī) 端口輸出 40KHz 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。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。其電路圖圖 38（ a） 所示為單相橋式整流電容濾波電路，它由電容 C 和負(fù)載 RL 并聯(lián)組成 16 設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定 t=0 時接通電路， U2 為正半周，當(dāng) U2 由零上升時， V V3 導(dǎo) 通， C 被充電，同時電流經(jīng) V V3 向負(fù)載電阻供電。單片機(jī)的時鐘電路如圖 35 所示： 圖 35 時鐘電路 （ 2）晶振的選擇 晶振一般分為無源晶振和有源晶振兩種類型。一般利用電容電壓不能突變的原理，將電容與電阻串聯(lián)， 上電時刻，電容沒有充電，兩端電壓為零，此時，提供復(fù)位脈沖，電源不斷的給電容充電，直至電容兩端電壓為電源電壓，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù) 存儲器 ，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。當(dāng)主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，單片機(jī)自動將+5v 電源接入 RST 端，為 RAM 提供備用電源，以保證存儲在 RAM 中的信息不丟失，以使復(fù)電后能繼續(xù)正常運行。 單片機(jī) 的可擦除 只讀存儲器 可以反復(fù)擦除 1000 次。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時靈敏度 也隨之降低 ， 并且最大靈敏 度 向稍低的頻率移動。當(dāng)在壓電晶片上加有大小和方向不斷變化的交流電壓（或者脈沖）時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。將式 （ 24）帶入式 （ 23） 可得： ? ?? ?HMvtH a rc t a nc o ? (25) 當(dāng)被測距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M 時，式 （ 25） 變?yōu)椋? vtH ? (26) 本設(shè)計由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，采用 12MHZ 的晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。因此本設(shè)計采用超聲波測距方式。而通過研究汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，可以達(dá)到很高的采集速率和精度。 基于單片機(jī)的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng) 摘 要 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。汽車倒車時可以檢測車輛后面的障礙物、并 顯示其距離，至危險區(qū)域后會自動報警。 超聲波發(fā)射器 放大電路 超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時器 單片機(jī)控制 顯示器 3 第二章 超聲波的發(fā)展及測距原理 超聲波的發(fā)展與運用 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于 1876 年 F． Galton 的氣哨實驗，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。 5 超聲波 測距在汽車上的運用 以超聲波測距方式的汽車倒車倒車?yán)走_(dá)是現(xiàn)在市場上倒車?yán)走_(dá)的主流產(chǎn)品，甚至還配合以聲音或者更為直觀的數(shù)字形式動態(tài)顯示周圍障礙物的情況。同理當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時 ，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。該器件采用 ATMEL 高密度非易失 存儲器 制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 3）地址鎖存允許 /編程信號端 ALE/PROG:當(dāng) 89C51 上電正常工作后， ALE 管腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的六分之一。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須接上拉電阻。 圖 34 復(fù)位電路 當(dāng)在時鐘電路工作以后，只要在 RESET 端加上大于 10ms 的高電平，單片機(jī)便能實 13 現(xiàn)復(fù)位。無源晶振就是石英晶體諧振器的別稱， 晶體（ crystal)，有 2 個引腳，體積小，需借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號；有源晶振叫做振蕩器（ oscillator)，有 4 只引腳，體積較大，是一個完整的振蕩器，其中除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件，因此體積較大。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時間常數(shù)近似為零，因此 Uo=Uc≈ U2，在 U2 達(dá)到最大值時，Uc 也達(dá)到最大值，然后 U2 下降，此時， Uc U2， V V3 截止，電容 C 向負(fù)載電阻 RL放電，由于放電時間常數(shù)τ =RLC 一般較大，電容電壓 Uc 按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到 | U2|Uc 時， V V4 導(dǎo)通，電容 C 再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電 過程。 當(dāng)制作中需要一個能輸出 以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為 N 個 ，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波 換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。 4 GND 接地端 5 f0 帶 通濾波器中心頻率設(shè)置端，通過該腳與電源正端接一電阻 R來確定 f0，當(dāng) R=200 千歐時，中心頻率 f0=40KHZ；當(dāng) R=220千歐時，中心頻率 f0=38KHZ。通過單片機(jī)的 、 、 三 個管腳的信號控制四個三極管的 基 極，利用三極管的開關(guān)特性，實現(xiàn)數(shù)碼管的點亮，從而實現(xiàn)動態(tài)顯示。 引腳 2 為反相輸入端，引腳 3 為同相輸入端。 圖 41 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。上位電阻 R1O、 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 在此，對于給予我?guī)椭娜?，我無法一一列舉，在此一并對你們表示真心的謝意。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。超聲波換能 器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。輸出端（引腳 5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40KHz 方波信號，利用外中斷 0 口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。 7 OUT 信號輸出端，該端口為集電極開路輸出，當(dāng)該腳與電源正端接一22 千歐的電阻時，輸出脈沖低電平的標(biāo)準(zhǔn)值約為 8 VDD 電源正端，接 +5V 超聲波接收電路 超聲波接收電路包括超聲波接收探頭 、信號放大電路及波形變換電路三部分。 本設(shè)計采用的是 TR4016 的壓電式超聲波換能器，其主要 利用壓電晶體的諧振來工作的。 在 lm78 ** 、 lm79 ** 系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是 TO220 和 TO202 兩種封裝。 3） 穩(wěn)壓電路 為了使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電壓網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。 3 ppm / year Max. 14 驅(qū)動級： 1 ~ 500 μW (100 μW typical) 頻率公差（ 25℃ ） 177。單片機(jī)一般要求在上電時，或者按復(fù)位鍵時復(fù)位。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。因此 ALE 信號可以對外輸出時鐘或定時信號。 AT89C51 單片機(jī) 為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價廉的方案。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。汽車防撞雷達(dá)之所以能實現(xiàn)防撞報警功能。 人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計思路 超聲波測距原理 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF(time of filght)。本設(shè)計是利用最常見的超聲波測距法來設(shè)計的一種基于單片機(jī)的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。超聲波測距系統(tǒng)成本低、性能穩(wěn)定可靠，同時超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性，應(yīng)用前景好。 本設(shè)計采用 渡越時間檢測法 ，其主要原理是當(dāng) 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，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 4 收器收到發(fā)射波就立即停止計時。 壓電傳感器是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一 種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如圖 22）由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。 其系統(tǒng)原理圖如圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)系統(tǒng)介紹 AT89C51 單片機(jī)介紹 （ 1） AT89C51 單片機(jī)簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器 （ FPEROM—Flash Programmable and 9 Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位 微處理器 ，俗稱 單片機(jī) 。若此輸入端保持 2 個機(jī)器周期（ 24 個時鐘振蕩周期）以上的高電平，即可以將 89C51 完成復(fù)位操作。 P0 口 ： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如 表 所示： 表 P3 口的特殊功能 引腳符號 特殊功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1 T0（計時器 0 外部輸入） T1（計時器 1 外部輸入） /WR（ 外部數(shù)據(jù) 存儲器 寫選通） /RD（ 外部數(shù)據(jù) 存儲器 讀選通 ） P3 口同時 也可以 為閃爍編程和編程校驗接收一些 控制信號 。晶體可在 ～ 12MHz 選擇。其輸出波形圖如圖 37 中（ C） 所示。該系列集成穩(wěn)壓IC 型號中的 lm78 或 lm79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 lm7806表示輸出電壓為正 6V， lm7909 表示輸出電壓為負(fù) 9V。諧振電路能夠使用較低的電壓產(chǎn)生較強(qiáng)的超 聲波發(fā)射，適合使用電池供電的系統(tǒng)，而且它能精確地控制發(fā)射信號，效率高。 23 表 CX20xx6A 各引腳功能 引腳 名稱 功能 1 IN 信號輸入端 2 C1 RC 網(wǎng)絡(luò)連接端，該端與地串接一 RC 網(wǎng)絡(luò)，以確定前置放大器的頻率特性與增益。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準(zhǔn)確的計時。 第二級為共射放大電路， T7 為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 41（ a）（ b） (c) 所示。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動。如果當(dāng)計時器溢出時