【文章內(nèi)容簡介】 微處理器需要的只是第一個回波的時刻。接收 裝置 的設(shè)計可用CX20216A來 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 第 11 頁 共 33 頁 圖 36 超聲波接收裝置設(shè)計圖 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)實生活中，而且價格便宜。 由于紅外 線 波 的 頻率 為 38 kHz，與 測距 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)計中芯片的 5腳連接了一個外接電阻，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 經(jīng)由 放大器，調(diào)整信號 的頻率 ， 然后 濾 波消除 干擾信號， 最后 再經(jīng) 過 整形， 輸出到 CX20216的 7腳 輸出 。當接收到 的聲波信號 與 CX20216的 中心頻率相符時， 它的 7腳就 會 低電平輸出，而 7腳接到 INT0引腳上， 這樣就會 中斷。若頻率 和 CX20216的 中心頻率 不同時 ， 即 可調(diào)節(jié) R21， 使 濾波器的中心頻率 與超聲波測距的頻率相符 。 CX20216引腳圖 [7]如 圖 37所示 ， CX20216有 8個引腳 管腳 1是超聲波信號輸入端；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上的連接一個外接電阻，這個電阻用來設(shè)置濾波器的中心頻率；管腳 6與 GND之間接入一個電容，該電容確定探測距離；管腳7是集電極開路輸出端：管腳 8接電源正極。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計 第 12 頁 共 33 頁 圖 37 CX20216引腳 圖 3． 7 溫度補償 溫度對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]。而問題在于 用什么方法 獲得溫度數(shù)據(jù)。為了 方 便對溫度 信號進行采集 和 處理， 設(shè)計中采 用 了 DALASS 公司的 DS18B20 集成溫度傳感器 對超聲波的傳播速度 進行溫度補償 [9]。 DS18B20 采用 1WIRE 總線技術(shù)，能夠 在只 占 單片機 一個 I/O 接口的情況下 進行 工作，方便了使用者 對其 的調(diào)試使用，而 且它 在 零下十攝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 超聲波測距 裝置 提供精度范圍。 圖 38 所示為溫度補償設(shè)計圖。兩個按鍵開關(guān)用于控制測量的開始與結(jié)束之間的切換。 DS18B20 硬件性能穩(wěn)定，接口簡單，只需一根接口線就能連接起來。 DS18B20 溫度傳感器里面有兩個晶振，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 的變化基本上沒有影響 ， 所以低溫度系數(shù)的晶振產(chǎn)生的信號是固定頻率的，這樣便把它產(chǎn)生 信號 發(fā) 送給計數(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 變化很大的時候 ,它的 振蕩頻率 隨著 溫度 發(fā)生很大的變化 ，所 以計數(shù)器 2 的脈沖輸入 信號我們使用高溫度系數(shù) 的信號 輸入 。 由于 計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 1 的值減 少 到 0 時，溫度寄存器的 數(shù) 值 就 加 1，計數(shù)器 1 的 數(shù)值就會 重新裝入，計數(shù)器 1 再重新 開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)， 這樣一直 循環(huán) ，一 直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止 對 溫度寄存器 數(shù) 值的累加，這 時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計 第 13 頁 共 33 頁 圖 38 溫度補償電路設(shè)計圖 3． 8 顯示電路設(shè)計 顯示電路中顯示測量距離使用的是 4位共陽的 LED數(shù)碼管，它簡單實用并且價格便宜。 LED顯示 是 共陽極接法 的 動態(tài)循環(huán)顯示 ， 段碼使用 74LS245芯片驅(qū)動，位碼使用四個PNP三極管來驅(qū)動，顯示電路設(shè)計圖如圖 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 用來驅(qū)動 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 第 14 頁 共 33 頁 圖 39 顯示電路設(shè)計圖 在 74LS245 芯片 CE 端 低電平有效時， 當 DIR=“ 0” 時 ，信號由 B 向 A 傳輸； 當 DIR=“ 1” 時 ，信號由 A 向 B 傳輸；當 CE 為高電平時， A、 B 兩端 均為高阻態(tài)。 在生活中最常見的 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小數(shù)點。數(shù)碼管都是由 LED 發(fā)光二極管發(fā)光單片機控制 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，共陽極型和共陰極型，原理圖如圖 310 所示。共陽極型就是將數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陽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發(fā)光二極管的陰極接到地線上，它就會發(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發(fā)光二極管的陽極 接到電源上，它就會發(fā)光。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計 第 15 頁 共 33 頁 圖 310 共陰極型和共陽極型原理圖 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 COM 引腳連接起來，作為數(shù)碼管的公共端，數(shù)碼管共陰端要接地，共陽端接電源。一個二極管是一位，八個管子即 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 第 16 頁 共 33 頁 還有 dp，拼成個 8 字列在一起就構(gòu)成了一個 8 位的數(shù)碼顯示管。一個八段式的數(shù)碼顯示管的每個顯示管連在一起，每個二極管的公共端稱為位選線。在數(shù)碼管顯示數(shù)字時，一個二極管對應(yīng)一條直線， a 對應(yīng)的是首位， dp 對應(yīng)最后位。例如，當數(shù)碼管顯示管顯示數(shù)字 0 時，那么共陰極數(shù)碼顯示管的編碼就為 00111111，十六進制數(shù)為 0x3f，而共陽極的數(shù)碼顯示管的編碼就是 11000000，十六進制數(shù)為 0xC0。通過這個例子可以看出來共陰極數(shù)碼顯示管和共陽極數(shù)碼顯示管的編碼各個位是相反的。 3． 9 報警裝置設(shè)計 報警部分采用一個蜂鳴器進行報警，利用單片機控制輸出一個一定頻率的信號。信號通過一個三極管，把信號放大，以增強驅(qū)動能力。然后將放大之后的信號連接到蜂鳴器上，報警部分裝置如圖 312 所示。 圖 312 報警裝置設(shè)計圖 蜂鳴器使用直流電源進行供電，廣泛應(yīng)用于當今生活中，尤其在計算機、報警器、汽車電子設(shè)備、電話機等電子設(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 第 17 頁 共 33 頁 蜂鳴片。而多諧振蕩器由集成電路或者晶體管構(gòu)造而成。當電極兩端接通電源以后 ,多諧振蕩器開始振動 ,輸出音頻信號，然后阻抗匹配器便能推動壓電蜂鳴片發(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，信號通過電磁線圈，便會使電磁線圈生成磁場。這樣振動膜片便會在磁鐵和電磁線圈的作用下，周期性地反復(fù)振動從而發(fā)出聲音。 4 軟件設(shè)計 超聲波測距預(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 開關(guān)，進行 系統(tǒng)的 初始化， 當 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個脈沖，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波，并且計數(shù)器開始計時。利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波從發(fā)射到接收所用的時間。當超聲波接收器接收到超聲波后，接收電路輸出端輸出一個跳變信號，在 INT0端產(chǎn)生一個中斷的信號， 單片機響應(yīng)中斷請求 后 執(zhí)行外部中斷子程序，讀取 出來 時間 間隔 ， 得到超聲波的時間差。 計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 T1 的值減 少 到 0 時，溫度寄存器的 數(shù) 值 就 加 1，計數(shù)器 T1 再重新 開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)， 一直 循環(huán)到計數(shù)器 T2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加， 這 時 即 可讀取 此時溫度值 。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的聲波速度。 知道了時間和超聲波的聲波速度后， 由 S=CT/2 算出 汽車與 被測物體的距離。 其中， S 為測量的距離 ,C 為超聲波在空氣中的 傳播速度。 T 為 從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號的時間 間隔 。 通過單片機的計算得出距離，顯示出來，到達距離極限時，啟用報警模塊。 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計 第 18 頁 共 33 頁 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 是對系統(tǒng) 進行 初始化， 初始化 定時器 T0為 16 位定時計數(shù)器 的 工作模式。 全局中斷打開 并給顯示端口清 0。 再 調(diào)用超聲波 的 發(fā)生子程序 發(fā) 出一個超聲波脈沖， 在發(fā)射過程中 延時約 ， 避免聲波 信號 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。 設(shè)計中 采用 了 12 MHz 的晶振，計數(shù)器每 次 計 數(shù)間隔 是 1μs ，當主程序接收 到 成功的 信號 后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)計算，即得 出 與 障礙物 之間的距離 。 測出距離后 將 結(jié)果送往 LED 顯示 ，跳出程序，結(jié)束測量 。 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 端口發(fā) 出 頻 率約 40kHz 的方波脈沖信號 ，在發(fā)出脈沖的 同時 ，打開 計數(shù)器 T0 開始 計時。 開始 延時 1ms 調(diào)試測距子程序 調(diào)用顯示、報警子程序 調(diào)用溫度檢測子程序 系統(tǒng)初始化 結(jié)束 適合溫度修正超聲波 溫度計算測量結(jié)果 本 科 專 業(yè) 課 課 程 設(shè) 計 第 19 頁 共 33 頁 測距主程序 是 利用外中斷 T0 檢測 遇到障礙物后反射 回 來的 聲波信號，一旦接收到信號， 馬上 進入中斷程序。中斷 開始 后 立刻讓 計時器停止計時 ，此時 測距成功。如果 在 計時器溢出時還 沒有 檢測到 反射的超 聲波信號， 此時 測距不成功。 圖 42 中斷處理流程圖 5 硬件設(shè)計 硬件電路的設(shè)計主要包括 三部分： 單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波 的 發(fā)射和檢測接收電路。 在本次設(shè)計中 單片機采用 AT89C51。 還 采用 了 12MHz高精度的晶振，以減小測量誤 的 差 [11]。 用 AT89C51的 40kHz的方波信號， 采用 AT89C51實現(xiàn)對TCT40超聲波轉(zhuǎn)換模塊和 CX20