【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 微處理器需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。接收 裝置 的設(shè)計(jì)可用CX20216A來(lái) 完成 。在空氣中傳播 的 超聲波 ， 其能量的衰減與距離 是 成正比 的 ，距離越 小 、衰減越少 ，距離越 大 、 衰減越多 ，通常 都 在 1V之 內(nèi) [6]。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 11 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 36 超聲波接收裝置設(shè)計(jì)圖 超聲波 的 接收 裝置 如圖 36所示 ， 超聲波的接收采用 CX20216A集成電路模塊 。CX20216是一款紅外線檢波接收的芯片， 他常用于現(xiàn)實(shí)生活中，而且價(jià)格便宜。 由于紅外 線 波 的 頻率 為 38 kHz，與 測(cè)距 使用 的超聲波頻率接近 。 ， 并 且 CX20216芯片的 內(nèi)部設(shè)置比較好，由于設(shè)計(jì)中芯片的 5腳連接了一個(gè)外接電阻，此電阻使得 濾波器 的 中心頻率 能夠調(diào)節(jié)， R21的 阻值越大 濾波器的 中心頻率 就 越低， 變化 范圍 在 30～ 60 kHz之間 。 接收 到 的 聲 波信號(hào) 經(jīng)由 放大器，調(diào)整信號(hào) 的頻率 ， 然后 濾 波消除 干擾信號(hào)， 最后 再經(jīng) 過(guò) 整形， 輸出到 CX20216的 7腳 輸出 。當(dāng)接收到 的聲波信號(hào) 與 CX20216的 中心頻率相符時(shí)， 它的 7腳就 會(huì) 低電平輸出，而 7腳接到 INT0引腳上， 這樣就會(huì) 中斷。若頻率 和 CX20216的 中心頻率 不同時(shí) ， 即 可調(diào)節(jié) R21， 使 濾波器的中心頻率 與超聲波測(cè)距的頻率相符 。 CX20216引腳圖 [7]如 圖 37所示 ， CX20216有 8個(gè)引腳 管腳 1是超聲波信號(hào)輸入端；管腳2的電阻和電容決定接收換能器的總增益，通過(guò)增大或者減小電阻電容，確定放大倍數(shù)；管腳 3與 GND之間連接的電容起到檢波作用；管腳 5上的連接一個(gè)外接電阻，這個(gè)電阻用來(lái)設(shè)置濾波器的中心頻率；管腳 6與 GND之間接入一個(gè)電容，該電容確定探測(cè)距離；管腳7是集電極開(kāi)路輸出端：管腳 8接電源正極。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 12 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 37 CX20216引腳 圖 3． 7 溫度補(bǔ)償 溫度對(duì)超聲波的影響是很大的 ，如果能夠知道溫度，則可求出 超聲波的 聲速，從而能夠得 到 較 高的精度 [8]。而問(wèn)題在于 用什么方法 獲得溫度數(shù)據(jù)。為了 方 便對(duì)溫度 信號(hào)進(jìn)行采集 和 處理， 設(shè)計(jì)中采 用 了 DALASS 公司的 DS18B20 集成溫度傳感器 對(duì)超聲波的傳播速度 進(jìn)行溫度補(bǔ)償 [9]。 DS18B20 采用 1WIRE 總線技術(shù)，能夠 在只 占 單片機(jī) 一個(gè) I/O 接口的情況下 進(jìn)行 工作，方便了使用者 對(duì)其 的調(diào)試使用，而 且它 在 零下十?dāng)z氏度到八十五攝氏度 的工作環(huán)境下 能夠 保持 177。 的精度，足以 為 超聲波測(cè)距 裝置 提供精度范圍。 圖 38 所示為溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)圖。兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)用于控制測(cè)量的開(kāi)始與結(jié)束之間的切換。 DS18B20 硬件性能穩(wěn)定，接口簡(jiǎn)單，只需一根接口線就能連接起來(lái)。 DS18B20 溫度傳感器里面有兩個(gè)晶振，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振。 低溫度系數(shù)晶振 的 振蕩頻率 隨外界 溫度 的變化基本上沒(méi)有影響 ， 所以低溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的信號(hào)是固定頻率的，這樣便把它產(chǎn)生 信號(hào) 發(fā) 送給計(jì)數(shù)器 1。 高溫度系數(shù)晶振和低溫度系數(shù)晶振正好相反，它在 溫度 變化很大的時(shí)候 ,它的 振蕩頻率 隨著 溫度 發(fā)生很大的變化 ，所 以計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入 信號(hào)我們使用高溫度系數(shù) 的信號(hào) 輸入 。 由于 計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的值減 少 到 0 時(shí)，溫度寄存器的 數(shù) 值 就 加 1，計(jì)數(shù)器 1 的 數(shù)值就會(huì) 重新裝入，計(jì)數(shù)器 1 再重新 開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 這樣一直 循環(huán) ，一 直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止 對(duì) 溫度寄存器 數(shù) 值的累加，這 時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 13 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 38 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)圖 3． 8 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路中顯示測(cè)量距離使用的是 4位共陽(yáng)的 LED數(shù)碼管，它簡(jiǎn)單實(shí)用并且價(jià)格便宜。 LED顯示 是 共陽(yáng)極接法 的 動(dòng)態(tài)循環(huán)顯示 ， 段碼使用 74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，位碼使用四個(gè)PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，顯示電路設(shè)計(jì)圖如圖 39所示。 74LS245 芯片 是 生活中最為 常用的芯片 。 它是 8 路同相三態(tài)雙向總線 的 收發(fā)器 ，它可以 用來(lái)驅(qū)動(dòng) 數(shù)碼管 或者 一些其 他的設(shè)備 。它 具有雙向 的 三態(tài)功能 ，這使得它能夠 雙向的 傳輸數(shù)據(jù) ， 既可以輸 入數(shù)據(jù) ，也可以輸 出 數(shù)據(jù)。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 14 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 39 顯示電路設(shè)計(jì)圖 在 74LS245 芯片 CE 端 低電平有效時(shí)， 當(dāng) DIR=“ 0” 時(shí) ，信號(hào)由 B 向 A 傳輸； 當(dāng) DIR=“ 1” 時(shí) ，信號(hào)由 A 向 B 傳輸；當(dāng) CE 為高電平時(shí)， A、 B 兩端 均為高阻態(tài)。 在生活中最常見(jiàn)的 LED 數(shù)碼管是八段和七段的，八段式原理圖的如圖 311 所示。本次設(shè)計(jì)中采用的是八段式的數(shù)碼管。八段式的與七段式的相比，他們各部分結(jié)構(gòu)大體相同，八段只比七段式的多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管都是由 LED 發(fā)光二極管發(fā)光單片機(jī)控制 LED 的滅亮顯示出不同的形狀從而顯示出數(shù)字。 數(shù)碼管又分為兩種類型，共陽(yáng)極型和共陰極型，原理圖如圖 310 所示。共陽(yáng)極型就是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陽(yáng)極都接在一起并且接到電源上，連接好之后把其中任何哪個(gè)發(fā)光二極管的陰極接到地線上，它就會(huì)發(fā)光。共陰極型則是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陰極都接在一起并且接到地線上，連接好之后把其中任何哪個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極 接到電源上，它就會(huì)發(fā)光。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 15 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 310 共陰極型和共陽(yáng)極型原理圖 圖 311 數(shù)碼顯示管引腳圖 如 圖 311 數(shù)碼顯示管引腳圖所示，把兩個(gè) COM 引腳連接起來(lái)，作為數(shù)碼管的公共端，數(shù)碼管共陰端要接地，共陽(yáng)端接電源。一個(gè)二極管是一位，八個(gè)管子即 a,b,c,d,e,f,ga b e g f c d a b g f e d c dp dp 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 16 頁(yè) 共 33 頁(yè) 還有 dp，拼成個(gè) 8 字列在一起就構(gòu)成了一個(gè) 8 位的數(shù)碼顯示管。一個(gè)八段式的數(shù)碼顯示管的每個(gè)顯示管連在一起，每個(gè)二極管的公共端稱為位選線。在數(shù)碼管顯示數(shù)字時(shí)，一個(gè)二極管對(duì)應(yīng)一條直線， a 對(duì)應(yīng)的是首位， dp 對(duì)應(yīng)最后位。例如，當(dāng)數(shù)碼管顯示管顯示數(shù)字 0 時(shí)，那么共陰極數(shù)碼顯示管的編碼就為 00111111，十六進(jìn)制數(shù)為 0x3f，而共陽(yáng)極的數(shù)碼顯示管的編碼就是 11000000，十六進(jìn)制數(shù)為 0xC0。通過(guò)這個(gè)例子可以看出來(lái)共陰極數(shù)碼顯示管和共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管的編碼各個(gè)位是相反的。 3． 9 報(bào)警裝置設(shè)計(jì) 報(bào)警部分采用一個(gè)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，利用單片機(jī)控制輸出一個(gè)一定頻率的信號(hào)。信號(hào)通過(guò)一個(gè)三極管，把信號(hào)放大，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。然后將放大之后的信號(hào)連接到蜂鳴器上，報(bào)警部分裝置如圖 312 所示。 圖 312 報(bào)警裝置設(shè)計(jì)圖 蜂鳴器使用直流電源進(jìn)行供電，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今生活中，尤其在計(jì)算機(jī)、報(bào)警器、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)等電子設(shè)備制造中作為發(fā)聲的器件而廣泛應(yīng)用。蜂鳴器是一種一體化結(jié) 構(gòu)的電子發(fā)聲器，它分為兩種類型，一種是壓電式蜂鳴器，另一種是電磁式蜂鳴器 [10]。 壓電式蜂鳴器主要由壓電蜂鳴片、多諧振蕩器、共鳴箱及阻抗匹配器和外殼等部分組成。壓電蜂鳴片是由鈮鎂酸鉛或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制造而成。在陶瓷片的表面鍍上金屬電極，經(jīng)過(guò)極化處理和老化處理之后，再與不銹鋼鋼片粘貼在一起就制成了壓電 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 17 頁(yè) 共 33 頁(yè) 蜂鳴片。而多諧振蕩器由集成電路或者晶體管構(gòu)造而成。當(dāng)電極兩端接通電源以后 ,多諧振蕩器開(kāi)始振動(dòng) ,輸出音頻信號(hào)，然后阻抗匹配器便能推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)出聲音。電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、磁鐵、振動(dòng)膜片、電磁線圈和外殼 等部分組成。在兩極接通電源之后，振蕩器能夠產(chǎn)生音頻信號(hào)，信號(hào)通過(guò)電磁線圈，便會(huì)使電磁線圈生成磁場(chǎng)。這樣振動(dòng)膜片便會(huì)在磁鐵和電磁線圈的作用下，周期性地反復(fù)振動(dòng)從而發(fā)出聲音。 4 軟件設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序和數(shù)碼顯示子程序等。 4． 1 軟件工作流程 按下 控制系統(tǒng)的 開(kāi)關(guān)，進(jìn)行 系統(tǒng)的 初始化， 當(dāng) 主程序完成初始化后調(diào)用發(fā)射子程序，由 口發(fā)射出 1個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波，并且計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。當(dāng)超聲波接收器接收到超聲波后，接收電路輸出端輸出一個(gè)跳變信號(hào)，在 INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷的信號(hào)， 單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求 后 執(zhí)行外部中斷子程序，讀取 出來(lái) 時(shí)間 間隔 ， 得到超聲波的時(shí)間差。 計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 T1 的值減 少 到 0 時(shí)，溫度寄存器的 數(shù) 值 就 加 1，計(jì)數(shù)器 T1 再重新 開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 一直 循環(huán)到計(jì)數(shù)器 T2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加， 這 時(shí) 即 可讀取 此時(shí)溫度值 。根據(jù)上文中表 31 超聲波波速與溫度的關(guān)系表，即可知道超聲波精準(zhǔn)的聲波速度。 知道了時(shí)間和超聲波的聲波速度后， 由 S=CT/2 算出 汽車與 被測(cè)物體的距離。 其中， S 為測(cè)量的距離 ,C 為超聲波在空氣中的 傳播速度。 T 為 從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)的時(shí)間 間隔 。 通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算得出距離，顯示出來(lái)，到達(dá)距離極限時(shí)，啟用報(bào)警模塊。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 18 頁(yè) 共 33 頁(yè) 4． 2 主程序流程圖 圖 41 主程序流程圖 主程序流程圖如圖 41 所示。 主程序 第一步 是對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行 初始化， 初始化 定時(shí)器 T0為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器 的 工作模式。 全局中斷打開(kāi) 并給顯示端口清 0。 再 調(diào)用超聲波 的 發(fā)生子程序 發(fā) 出一個(gè)超聲波脈沖， 在發(fā)射過(guò)程中 延時(shí)約 ， 避免聲波 信號(hào) 從發(fā)射器 發(fā)出后直接傳送到接收器 而 引起直射波觸發(fā) ，然后使用 外中斷接收 遇到物體后 返回 的超 聲波信號(hào)。 設(shè)計(jì)中 采用 了 12 MHz 的晶振，計(jì)數(shù)器每 次 計(jì) 數(shù)間隔 是 1μs ，當(dāng)主程序接收 到 成功的 信號(hào) 后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)計(jì)算，即得 出 與 障礙物 之間的距離 。 測(cè)出距離后 將 結(jié)果送往 LED 顯示 ，跳出程序，結(jié)束測(cè)量 。 4． 3 超聲波的發(fā)生子程序和中斷程序 超聲波發(fā)生子程序是通過(guò) 端口發(fā) 出 頻 率約 40kHz 的方波脈沖信號(hào) ，在發(fā)出脈沖的 同時(shí) ，打開(kāi) 計(jì)數(shù)器 T0 開(kāi)始 計(jì)時(shí)。 開(kāi)始 延時(shí) 1ms 調(diào)試測(cè)距子程序 調(diào)用顯示、報(bào)警子程序 調(diào)用溫度檢測(cè)子程序 系統(tǒng)初始化 結(jié)束 適合溫度修正超聲波 溫度計(jì)算測(cè)量結(jié)果 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計(jì) 第 19 頁(yè) 共 33 頁(yè) 測(cè)距主程序 是 利用外中斷 T0 檢測(cè) 遇到障礙物后反射 回 來(lái)的 聲波信號(hào)，一旦接收到信號(hào)， 馬上 進(jìn)入中斷程序。中斷 開(kāi)始 后 立刻讓 計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí) ，此時(shí) 測(cè)距成功。如果 在 計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還 沒(méi)有 檢測(cè)到 反射的超 聲波信號(hào)， 此時(shí) 測(cè)距不成功。 圖 42 中斷處理流程圖 5 硬件設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括 三部分： 單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路、超聲波 的 發(fā)射和檢測(cè)接收電路。 在本次設(shè)計(jì)中 單片機(jī)采用 AT89C51。 還 采用 了 12MHz高精度的晶振，以減小測(cè)量誤 的 差 [11]。 用 AT89C51的 40kHz的方波信號(hào)， 采用 AT89C51實(shí)現(xiàn)對(duì)TCT40超聲波轉(zhuǎn)換模塊和 CX20