【文章內(nèi)容簡介】 器 T4016，使之發(fā)射出超聲波信號。電路簡單易制。電路工作電壓 5V，工作電流 40~50mA。 用 555 定時器接成的多諧振蕩器來驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器。 555 定時器外接電阻和電容構成的多諧振蕩電路。振蕩頻率 f 主要取決于電阻 R1（包括電位器的阻值）、 R2 和電容 C1，當 R R2 和 C1 固定時，改變電位器的阻值就可改變振蕩頻率，振蕩幅度由 電源電壓來決定。 圖 38即為由 555 定時期組成的發(fā)射電路 . 38 發(fā)射電路圖 超聲波汽車防撞報警器設計 16 圖 38 超聲波發(fā)射電路 接收電路的設計 集成電路 CX20216A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHZ 與測距的超聲波頻率 40KHZ較為接近，可以利用它做超聲波的檢測接收電路。下面對紅外遙控接收器集成電路 CX20216A 做一個簡要的介紹。 CX20216A 是日本索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列 8 腳直插式，超小型封裝。 CX20216A 的基本性能如下： (1） 電源電壓典型值 5V，最大 17V。 (2）電源電流 ～ (典型值為 )。 (3）輸出低電平 。 (4）電壓增益 77～ 79dB。 (5）輸入阻抗為 27kΩ。 (6）濾波器中心頻率 f0為 30～ 60kHz。其內(nèi)部結構如下圖 310 所示。 圖 310 CX20216A內(nèi)部結構圖 *******本科畢業(yè)設計（論文） 17 各引腳功能（如下表 33） 表 3— 3 CX20216A 引腳功能 引腳 名稱 功能 1 IN 信號輸入端 2 C1 RC網(wǎng)絡連接端，該端與地串接一 RC 網(wǎng)絡，以確定前置放大器的頻率特性與增益。 R 阻值大， C容量小，增益低；反之則高但 C不宜過大，否則瞬態(tài)響應速度會降低。 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)響應靈敏度低；電容值小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大。 4 GND 接地端 5 f0 帶通濾波器中心頻率設置端，通過該腳與電源正端接一電阻 R 來確定 f0，當 R=200 千歐時，中心頻率 f0=40KHZ；當 R=220 千歐時，中心頻率 f0=38KHZ。 6 C3 積分電容連接端，該腳所接積分 電容標準值為 330PF，當電容值增大時，則外部濾波干擾增強，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時間增加。 7 OUT 信號輸出端，該端口為集電極開路輸出，當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準值約為 8 VDD 電源正端，接 +5V CX20216A 該 IC 內(nèi)部主要包括前置放大器，限幅放大，帶通濾波，峰值檢波，積分濾波及波形整形電路等。基本原理如下：接收換能器把超聲波回波轉(zhuǎn)換為相應頻率的數(shù)字編碼脈沖調(diào)幅波，并由 1 腳進入集成放大器的 正相輸入端。2 腳是放大器的反相輸入端，外接 RC 負反饋網(wǎng)絡，可以決定和調(diào)節(jié)放大器的頻率特性和電壓增益，當電阻值小或者電容值大時，電壓增益高，通頻帶窄；反之，電壓增益低，通頻帶寬。在放大器輸入端設置有 ABLC 電路（即自動偏壓電路或者自動電平控制電路，它可使放大及限幅電路輸出電平穩(wěn)定的編碼信號），可自動調(diào)整放大器的偏置電壓，使放大器的輸出電平穩(wěn)定。然后，信號進入限幅放大器，可以濾除雜亂的寄生調(diào)幅和其他干擾，輸出包絡脈沖頂部平直的編碼脈沖調(diào)幅波。信號再進入帶通濾波器，濾除頻率范圍 3050KHZ 以外的干擾信號。 5 腳外接電阻。調(diào)節(jié)其阻值可調(diào)節(jié)帶通濾波器的中心頻率值。然后信號進入峰值檢波器， 對編碼脈沖的調(diào)幅波進行振幅檢波，解調(diào)出數(shù)字編碼脈沖信號， 3腳外接電容是峰值檢波器的濾波電容。檢波出的信號再送到整形電路中進行波形轉(zhuǎn)換與整超聲波汽車防撞報警器設計 18 形，最后由 7 腳輸出數(shù)字編碼脈沖信號，送至 CPU 去識別，處理。 6腳外接積分電容，可以濾除已調(diào)波的載波頻率分量。而由檢波器輸出的數(shù)據(jù)編碼信號， CPU不能識別，故在檢波器后設置由積分電路和磁滯回線型比較器組成的整形電路，整形電路是一種波形變換電路，它可將檢波器輸出的寬度編碼脈沖整形變換為CPU 所能識別的數(shù)字 信號。而實用的波形整形電路是積分電路和施密特比較器組成的電路。 根據(jù)以上原理，超聲波測距系統(tǒng)的接收電路如下圖 311 所示。超聲波接收換能器將接收到的回波信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)過 的電容初步濾波后，進入CX20216A 的 1 腳，經(jīng)過 CX20216A 的前置放大器，限幅放大，帶通濾波器（中心頻率為 40KHZ），檢波器及比較器，最后經(jīng)過內(nèi)部的整形電路，從 7 腳輸出至 89C51單片機的外部中斷 0（ ）口。當芯片接收到 40KHZ 的信號時， 7 腳的輸出由高電平轉(zhuǎn)為低電平，單片機外部中斷 0 口檢測到輸入信號的下降沿或者低電平時，立即產(chǎn)生中斷，同時停止定時 /計數(shù)器 T0。從而得到超聲波的回波時間 t. 圖 311 超聲波接收電路 顯示報警模塊的設計 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。隨著科技的發(fā)展，液晶顯示模塊的應用前景將更加廣闊。 本系統(tǒng)選用 LCD 液晶 ts12864－ 3顯示器 做為顯示模塊。 *******本科畢業(yè)設計（論文） 19 Ts128643引腳功能如下 表 3— 4 12864 的引腳功能 參考 ts128643與的單片機的引腳功能畫出它們連接的原理圖 312 如下： 超聲波汽車防撞報警器設計 20 圖 312 12864 與單片機的連接圖 MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標準串口設計的接口電路 ,使用 +5v 單電源供電。 內(nèi)部結構基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構成。功能是產(chǎn)生 +12v 和 12v 兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 1 1 1 14 腳構成兩個數(shù)據(jù)通道。 其中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 第三部分是供電。 15 腳 GND、 16 腳 VCC（ +5v）。 電路為如圖 315 所示。 *******本科畢業(yè)設計（論文） 21 圖 315 MAX232 內(nèi)部電路圖 單片機 stc89c52 通過 MAX232 電路與單片機進行通信。電路圖為圖 3－ 16 圖 316 MAX232 電路與單片機通信電路 超聲波汽車防撞報警器設計 22 4 系統(tǒng)軟件的設計 軟件設計的主要思路是將預置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等功能編成獨立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當按下控制鍵后，在一 定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個模塊，調(diào)用預置子程序 ， 發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量的結果進行分析處理，根據(jù)處理結果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音 ，顯示 報警程序。當測得距離小于預置距離時，聲音 ，顯示 報警程序被調(diào)用。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P2 清 0。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 0． 1 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。 超聲波 汽車防撞電路 的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 超聲波汽車防撞電路的算法設計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇 到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。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。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2 其中， d 為被測物與測距儀的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求 ，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。 *******本科畢業(yè)設計（論文） 23 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序， 如圖（ 41）（ 42） (43) 所示 。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 程序流程圖 41 圖 41 程序流程圖 Y Y N N 主程序入口系統(tǒng)初始化 T1定時時間到？ I/O 口 T0,T1 初始化 =0 開始發(fā)射，啟動 T0,T1，開外中斷 0， T0,T1 溢出允許 T0定時時間到？ 有中斷信號？ 調(diào)用中斷子程序 調(diào)用顯示子程序 等待 調(diào)用 T0 定時溢出中斷子程序 N Y N 超聲波汽車防撞報警器設計 24 顯示報警子程序圖 42 圖 42 顯示報警子程序流程圖 超聲波測距時工作過程如下： （ 1） 由單片機發(fā)出 控制 NE555 產(chǎn)生 40KHZ 脈沖 信號 。 （ 2） 脈沖 信號 通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。 （ 3） 單片機在發(fā)送脈沖時刻開始計時。 （ 4） 超聲波遇到障礙物后回波被超聲波換能器接收。 （ 5） 讀取 T0 口計數(shù)值。 （ 6） 數(shù)據(jù)計算。 （ 7） 顯示 報警 。 Y N N N Y Y 顯示服務子程序 讀區(qū)距離 小于 1 米 ? 1 X2 大于 2 米 ? 顯示危險距離，并用紅色LED 燈指示 蜂鳴器報警 保持距離，黃色LED 燈指示 返回 返回 播放距離并顯示 顯示安 全距離并用綠色 LED 燈指示 返回 返回 *******本科畢業(yè)設計（論文） 25 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0工作模式為 16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。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。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1μs ，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（ 2） 計算 ，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取 20℃ 時的聲速為 344 m/s 則有： d=(ct)/2=172T 0/10000cm (2) 其中， T0 為計數(shù)器 T0 的計算值。 測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LCD 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送脈沖信號 控制 555 芯片超聲波的發(fā)射 （頻率約 40kHz 的方波） 占空比不一定為 50%，脈沖寬度為 12μs左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。 （ 1）使用外部中斷